Sensores de temperatura

El funcionamiento de cualquier sensor de temperatura utilizado en los sistemas de control automático se basa en el principio de convertir la temperatura medida en una cantidad eléctrica. Esto se debe a las siguientes ventajas de las mediciones eléctricas: es conveniente transmitir cantidades eléctricas a distancia y la transmisión se realiza a alta velocidad; las cantidades eléctricas son universales en el sentido de que cualquier otra cantidad se puede convertir en eléctrica y viceversa; se convierten con precisión en un código digital y permiten lograr una alta precisión, sensibilidad y velocidad de los instrumentos de medición.

Sensores de temperatura y sus tipos

1. Convertidores térmicos de resistencia.

El principio de funcionamiento de los termopares de resistencia (termorresistencias) se basa en un cambio en la resistencia eléctrica de los conductores y semiconductores en función de la temperatura. El material a partir del cual se fabrica dicho sensor debe tener un coeficiente de resistencia a temperaturas elevadas, esto significa una dependencia lineal de la resistencia y la temperatura, buena reproducibilidad de las propiedades e inercia a las influencias ambientales. En la mayor medida, el platino satisface todas las propiedades anteriores; un poco menos que el cobre. Los termistores de platino están diseñados para medir temperaturas en el rango de –260 a 1100 grados celsius. En el rango de temperatura de 0 a 650 0С se utilizan como instrumentos de medición ejemplares y de referencia, y la inestabilidad de las características de calibración de dichos convertidores no supera los 0,001 0С.

Los termistores de platino tienen una alta estabilidad y reproducibilidad de características. Sus desventajas son el alto costo y la no linealidad de la función de conversión. Por lo tanto, se utilizan para medir con precisión temperaturas en el rango apropiado.

Los termistores de cobre más baratos se utilizan ampliamente en la práctica.

La desventaja del cobre es su baja resistencia específica y su fácil oxidabilidad a altas temperaturas, por lo que el límite final del uso de termómetros de resistencia de cobre se limita a una temperatura de 180 grados celsius. Los termistores de cobre son inferiores al platino en términos de estabilidad y reproducibilidad de características.

La inercia térmica de los termómetros de resistencia estándar se caracteriza por un indicador de inercia térmica (constante de tiempo), cuyos valores oscilan entre decenas de segundos y varios minutos. La constante de tiempo de los termómetros de respuesta rápida especialmente fabricados se puede reducir a 0,1 s. También se utilizan termómetros de resistencia al níquel. El níquel tiene una resistividad relativamente alta.

Los termistores de cobre y níquel también se producen a partir de micro alambres fundidos en aislamiento de vidrio. Los termistores de micro alambres están sellados, son altamente estables, de baja inercia y con pequeñas dimensiones generalmente pueden tener resistencias de hasta decenas de kilo ohmios. En comparación con los termistores metálicos, los termistores semiconductores (termistores) tienen una mayor sensibilidad. Tienen un coeficiente de temperatura de resistencia negativo, es decir, un orden de magnitud más que el cobre y el platino. Los termistores semiconductores de dimensiones muy pequeñas tienen valores de resistencia elevados (hasta 1 MΩ). Los termistores semiconductores más comunes para medir la temperatura son KMT (una mezcla de óxidos de cobalto y manganeso) y MMT (una mezcla de óxidos de cobre y manganeso). Los termistores tienen una función de conversión lineal. Un serio inconveniente de los termistores, que no permite normalizar sus características con suficiente precisión durante la producción en masa, es la mala reproducibilidad de las características (una diferencia significativa en las características de una muestra de otra).

Los sensores de temperatura de semiconductores tienen una alta estabilidad de características a lo largo del tiempo y se utilizan para cambiar temperaturas en el rango de –100 a 200 ° C. El circuito de medición con la participación de termopares de resistencia suele ser puente; el equilibrado del puente se realiza mediante un potenciómetro.

Cuando cambia la resistencia del termistor, la posición del deslizador del potenciómetro cambia en consecuencia, la posición del valor respectivo con respecto a la escala forma la lectura del dispositivo; la escala se calibra directamente en unidades de temperatura.

La desventaja de este circuito de conmutación es el error introducido por los cables de conexión del termistor. Dado que, debido a un cambio en la resistencia de los cables con un cambio en la temperatura ambiente hace que la compensación de este error sea imposible, se logra disminuir este error usando tres cables en paralelo cuando se usan las resistencias de los cables de suministro en diferentes ramas.

Convertidores termoeléctricos (termopares).

El principio de funcionamiento de los termopares se basa en el efecto termoeléctrico, que consiste en la generación de una corriente que fluye en un circuito cerrado formado por dos conductores (o semiconductores) diferentes entre si y con temperaturas diferentes. Si tomamos un lazo cerrado que consta de conductores diferentes (termo electrodos), entonces aparecerán voltajes electromotrices-EMF(fuerza electromotriz) E (t) y E (t0) en sus uniones, dependiendo de las temperaturas de estos uniones. Dado que estos voltajes-EMF se generan de manera opuesta, el voltaje-EMF resultante que actúa en el circuito es igual a E (t) - E (t0). Que son los voltajes presentes en la unión de los conductores.

Cuando las temperaturas de ambas uniones son iguales, el voltaje-EMF resultante es igual a cero. La unión sumergida en un entorno controlado se denomina extremo de trabajo del termopar y la segunda unión se denomina libre. Para cualquier par de conductores homogéneos, el valor del voltaje-EMF resultante depende solo de la naturaleza de los conductores y de la temperatura de las uniones y no depende de la distribución de temperatura a lo largo de los conductores.

El circuito termoeléctrico se puede abrir en cualquier lugar y se pueden incluir uno o más conductores diferentes en él. Si todas las uniones que aparecieron en este caso están a la misma temperatura, entonces el volatje-EMF resultante que actúa en el circuito no cambia. Este circuito se utiliza para medir la termo electrometría de un termopar. La EMF generada por los termopares es relativamente pequeña: no supera los 8 mV por cada 100 ° C y no suele superar los 70 mV en valor absoluto. Los termopares le permiten medir la temperatura en el rango de –200 a 2200 grados celsius Para medir temperaturas de hasta 1100 ° C, se utilizan principalmente termopares de metales básicos, para medir temperaturas de 1100 a 1600 ° C - termopares de metales nobles y aleaciones del grupo del platino, y para medir temperaturas más altas - termopares de aleaciones resistentes al calor (a base de tungsteno).

El platino, platino-rodio, cromo, alumel son los más utilizados para la fabricación de convertidores termoeléctricos. Al medir la temperatura en un amplio rango, se tiene en cuenta la no linealidad de la función de conversión del convertidor termoeléctrico.

La constante de tiempo de los convertidores termoeléctricos depende de su diseño y la calidad del contacto térmico de la unión de trabajo del termopar con el medio, y para los termopares industriales se calcula en minutos. Sin embargo, existen diseños conocidos de termopares de baja inercia, en los que la constante de tiempo se encuentra en el rango de 5 a 20 segundos y menos.

Un dispositivo de medición eléctrico (mili voltímetro) o un amplificador de medición termo-EMF se puede conectar al circuito del termopar de dos formas: al extremo libre del termopar o/a uno de los termo electrodos; la salida termo-EMF no depende del método de conexión de los dispositivos de medición. Como se mencionó anteriormente, al medir la temperatura, los extremos libres del termopar deben estar a una temperatura constante, pero como regla, los extremos libres del termopar se llevan estructuralmente a las abrazaderas en su cabeza y, por lo tanto, se encuentran en las inmediaciones de los objetos cuya temperatura se mide.

Para llevar estos extremos a una zona de temperatura constante, se utilizan alambres de extensión, que consisten en dos núcleos hechos de metales o aleaciones que tienen las mismas propiedades termoeléctricas que los termo electrodos del termómetro.

Para los termopares hechos de metales base, los cables de extensión suelen estar hechos de los mismos materiales que los termo electrodos principales, mientras que para los sensores hechos de metales nobles, para ahorrar dinero, los cables de extensión están hechos de materiales que desarrollan el mismo termopar en pares en el rango de temperatura 0 - 150 -EMF como los electrodos de termopar. Entonces, para un termopar de platino-platino-rodio, se utilizan termo electrodos de extensión hechos de cobre y una aleación especial, formando un termopar, que es idéntico en termo-EMF a un termopar de platino-platino-rodio en el rango de 0-150 ° C. Para los termopares de cromel-alumel, los termo electrodos de extensión están hechos de cobre y constantan, y para los termopares de chromel-copel, los termopares de extensión son los principales termo electrodos, recién fabricados en forma de cables flexibles. Si los termo electrodos de extensión están conectados incorrectamente, se produce un error significativo.

En condiciones de laboratorio, la temperatura de los extremos libres del termopar se mantiene a 0 ° C colocándolos en un recipiente Dewar lleno de hielo picado y agua. En condiciones industriales, la temperatura de los extremos libres del termopar suele diferir de 0 ° C. Dado que la calibración de los termopares se realiza a una temperatura del extremo libre de 0 ° C, esta diferencia puede ser una fuente de error significativo; para reducir el error indicado, por regla general, se introduce una corrección en las lecturas del termómetro. Al elegir una corrección, se tienen en cuenta tanto la temperatura de los extremos libres del termopar como el valor de la temperatura medida (esto se debe al hecho de que la función de conversión del termopar no es lineal); esto dificulta la corrección precisa del error.

En la práctica, para eliminar el error, se utiliza mucho la introducción automática de una corrección por la temperatura de los extremos libres del termopar. Para ello, se conecta un puente al circuito del termopar y mili voltímetro, uno de cuyos brazos es un termistor de cobre, y el resto están formados por termistores de manganina. Cuando la temperatura de los extremos libres del termopar es de 0 ° C, el puente está en equilibrio; cuando la temperatura de los extremos libres del termopar se desvía de 0 ° C, el voltaje en la salida del puente no es igual a cero y se suma con el termo-EMF del termopar, haciendo una corrección a las lecturas del dispositivo (el valor de la corrección es regulado por una resistencia especial). Debido a la falta de linealidad de la función de conversión del termopar, no se produce la compensación completa del error, pero el error indicado se reduce significativamente.

En condiciones de laboratorio, se utilizan compensadores de CC estándar y de laboratorio con equilibrado manual para la medición precisa de termo-EMF.

Pirómetros.

Un serio inconveniente de los termopares de resistencia y convertidores termoeléctricos discutidos anteriormente es la necesidad de introducir el sensor en el entorno controlado, como resultado de lo cual se distorsiona el campo de temperatura investigado. Además, el efecto directo del medio sobre el sensor deteriora la estabilidad de sus características, especialmente a temperaturas altas y ultra altas y en ambientes corrosivos. Los pirómetros, sensores sin contacto basados ​​en el uso de radiación de cuerpos calentados, están libres de estos inconvenientes. La radiación térmica de cualquier cuerpo puede caracterizarse por la cantidad de energía emitida por el cuerpo desde una unidad de superficie por unidad de tiempo y por unidad de rango de longitud de onda. Esta característica es la densidad espectral y se denomina luminosidad espectral (intensidad de la radiación monocromática).

La intensidad de la radiación de cualquier cuerpo real es siempre menor que la intensidad de un cuerpo absolutamente negro a la misma temperatura. La disminución de la luminosidad espectral de un cuerpo real en comparación con uno absolutamente negro se tiene en cuenta introduciendo un coeficiente de radiación incompleto; su valor es diferente para diferentes cuerpos físicos y depende de la composición de la sustancia, el estado de la superficie del cuerpo y otros factores. Los pirómetros que utilizan la energía de radiación de cuerpos calientes se dividen en radiación, brillo y color. Los pirómetros de radiación se utilizan para medir temperaturas de 20 a 2500 ° C, y el dispositivo mide la intensidad de radiación integral de un objeto real; en este sentido, al determinar la temperatura, es necesario tener en cuenta el valor real del factor de incompletitud de la radiación.

Un pirómetro de radiación típico incluye un telescopio que consta de un objetivo y un ocular, dentro del cual hay una batería de termopares conectados en serie. Los extremos de trabajo de los termopares están sobre un pétalo de platino recubierto de negro platino. El telescopio apunta al objeto de medición de modo que el pétalo quede completamente cubierto por la imagen del objeto y toda la energía de radiación sea percibida por la termopila. El termo-EMF de una termopila es una función de la potencia de radiación y, en consecuencia, de la temperatura corporal.

Los pirómetros de radiación se calibran de acuerdo con la radiación de un cuerpo absolutamente negro, por lo tanto, una inexactitud en la estimación del factor de incompletitud de la radiación provoca un error en la medición de la temperatura. Los pirómetros de brillo (ópticos) se utilizan para medir temperaturas de 500 a 4000 ° C. Se basan en una comparación en una parte estrecha del espectro del brillo del objeto investigado con el brillo de un emisor de referencia (lámpara fotométrica). Una lámpara fotométrica está integrada en un telescopio con una lente y un ocular.

Los pirómetros de brillo proporcionan una mayor precisión de medición de temperatura que los de radiación. Su principal error se debe a la incompletitud de la radiación de los cuerpos físicos reales y la absorción de la radiación por el medio intermedio a través del cual se realiza la observación.

Los pirómetros de color se basan en medir la relación de intensidades de radiación en dos longitudes de onda, generalmente seleccionadas en la parte roja o azul del espectro; se utilizan para medir la temperatura en el rango de 800 a 0C. Por lo general, un pirómetro de color contiene un canal para medir la intensidad de la radiación monocromática con filtros de luz reemplazables.

La principal ventaja de los pirómetros de color es que la radiación incompleta del objeto en estudio no provoca un error en el cambio de temperatura. Además, las lecturas de los pirómetros de color son fundamentalmente independientes de la distancia al objeto de medición, así como de la emisividad en el medio intermedio, si los coeficientes de absorción son los mismos para ambas longitudes de onda.

Convertidores térmicos de cuarzo

Para medir temperaturas de -80 a 250 ° C, a menudo se utilizan los denominados convertidores térmicos de cuarzo, que dependen de la temperatura de la frecuencia natural de un elemento de cuarzo. El funcionamiento de estos sensores se basa en el hecho de que la dependencia de la frecuencia del convertidor de la temperatura y la linealidad de la función de conversión cambian dependiendo de la orientación del corte con respecto a los ejes del cristal de cuarzo.

Los convertidores térmicos de cuarzo tienen una alta sensibilidad (hasta 103 Hz / K). alta estabilidad y resolución temporal, lo que determina las perspectivas idóneas para usarlo en la medición de temperatura. Estos sensores se utilizan ampliamente en termómetros digitales.

Sensores de ruido.

El funcionamiento de los termómetros de ruido se basa en la dependencia del voltaje de ruido a través de la resistencia con la temperatura.

La implementación práctica del método para medir la temperatura basado en resistencias de ruido es comparar el ruido de dos resistencias idénticas, una de las cuales está a una temperatura conocida y la otra a la medida. Los sensores de ruido se utilizan, por regla general, para medir temperaturas en el rango de –270 - 1100 grados celsius.

La ventaja de los sensores de ruido es la posibilidad fundamental de medir la temperatura termodinámica en base a la regularidad anterior. Sin embargo, esto se complica significativamente por el hecho de que el voltaje de ruido rms es muy difícil de medir con precisión debido a su pequeñez y comparabilidad con el nivel de ruido del amplificador.

NQR - sensores.

Los termómetros NQR (termómetros de resonancia de cuadripolo nuclear) se basan en la interacción del gradiente de campo eléctrico de la red cristalina y el momento eléctrico cuadripolar del núcleo, causado por la desviación de la distribución de carga nuclear de la simetría esférica. Esta interacción determina la precesión de los núcleos, cuya frecuencia depende del gradiente del campo eléctrico de la red y para diversas sustancias tiene valores de cientos de kilohercios a miles de megahercios. El gradiente del campo eléctrico de rejilla depende de la temperatura, y la frecuencia NQR disminuye al aumentar la temperatura.

El sensor de un termómetro NQR es una ampolla con una sustancia encerrada dentro de un inductor conectado al circuito del generador. Cuando la frecuencia del generador coincide con la frecuencia NQR, el generador absorbe energía. El error al medir la temperatura de -263 ° C es ± 0.02 ° C, y la temperatura de 27 ° C es ± 0.002 ° C. La ventaja de los termómetros NQR es su estabilidad ilimitada en el tiempo y la desventaja es la no linealidad significativa de la función de conversión.

Transductores dilato métricos.

Los sensores de temperatura dilatométricos (volumétricos) se basan en el fenómeno de expansión (contracción) de sólidos, líquidos o gases al aumentar (disminuir) la temperatura.

El rango de temperatura de funcionamiento de los convertidores basado en la expansión de sólidos está determinado por la estabilidad de las propiedades de los materiales con cambios de temperatura. Normalmente, estos transductores se utilizan para medir temperaturas en el rango de –60 a 400 ° C. El error de conversión es del 1 al 5%. El rango de temperatura del convertidor con un líquido en expansión depende de las temperaturas de congelación y ebullición de este último (para mercurio --39 - 357 ° C, para alcohol amílico - -117 - 132 ° C, para acetona - -94 - 570 ° C. Los errores de los convertidores líquidos son 1-3% y dependen en gran medida de la temperatura ambiente, que cambia el tamaño del capilar.

El límite inferior de medición de los convertidores que utilizan gas como medio de trabajo está limitado por la temperatura de licuefacción del gas (- 195 0С para nitrógeno, - 269 0С para helio), el límite superior es solo por la resistencia al calor del cilindro.

Sensores acústicos.

Los termómetros acústicos se basan en la dependencia de la velocidad de propagación del sonido en los gases de su temperatura y se utilizan en el rango principal de temperaturas medias y altas. Un termómetro acústico contiene un emisor de ondas acústicas espacialmente separado y su receptor, generalmente incluido en el circuito de un auto generador, cuya frecuencia de oscilación cambia con la temperatura; generalmente, un sensor de este tipo utiliza diferentes tipos de resonadores.

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