UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSE DE SUCRE”
VICE - RECTORADO PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA
CATEDRA: MEDICIONES ELECTRICAS
CARACTERIZACIÓN DE SENSORES DE RESISTIVOS
NOMBRE
García, Maria 17 211 796
Guzmán, Andrea 82 288 435
Suarez, Alfonso 18 246 866
Wilhelm, Neucrates C.I. 16 629 568
Sección M1
Ciudad Guayana, Diciembre de 2008
INTRODUCCION
La temperatura puede medirse de numerosas maneras y con una gran variedad de elementos, esta es difícil de definir, ya que no es una variable tan tangible como la presión, dado que en su caso, no podemos referirla a otras variables.
Los sistemas de medición de uso mas común en instrumentación y control de procesos, sugieren criterios a utilizar para seleccionar el mejor sensor para una aplicación particular; pero antes de construir un sistema de medición es necesario conocer el proceso y la técnica asociada a la variable a medir y por lo tanto es necesario establecer las características de los sensores a modo de im elementar un proceso de medición adecuado.
OBJETIVOS
- Caracterizar sensores resistivos.
- Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad.
FUNDAMENTO TEORICO
Termistor
Es un semiconductor que presenta variaciones en su valor de resistencia eléctrica en función de la temperatura, su nombre proviene de Thermally sensitive resistor (Resistor sensible a la temperatura en inglés). Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.
Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura.
Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc., y la relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:
R = A * exp(B/T)
, donde A y B son constantes que dependen del termistor.
Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va aumentando a medida que se incrementa la temperatura.
Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.
El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta, por lo tanto las aplicaciones de un termistor PTC están restringidas a un determinado margen de temperaturas.
Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente.
Termorresistencia
Los termómetros de resistencia son sensores de temperatura que operan con base en el principio da variación de la resistencia eléctrica de un metal, en función de la temperatura, siendo fabricados con hilos de alta pureza de platina, níquel o de cobre.
Sus principales características son la alta estabilidad mecánica y térmica, resistencia a la contaminación, relación de Resistencia x Temperatura prácticamente linear, el desvío con el uso y envejecimiento desechable, además de la alta señal eléctrica de salida. El sensor de resistencia de platina es el modelo de laboratorio y el estándar mundial para medidas de temperatura en la escala de -270ºC a 962ºC. Para la utilización industrial es un sensor de inigualable precisión, estabilidad y sensibilidad. El principio de medición de la temperatura con termómetros de resistencia está basado en la variación de valor de la resistencia eléctrica de un conductor metálico en función de la temperatura. De una forma aproximada, pero no por ello lejos de lo real, la variación de la resistencia eléctrica de un metal a raíz de la temperatura puede presentarse mediante la expresión:
R(t)=Ro(1+at)
,donde:
R(t): Resistencia eléctrica a la temperatura "t"
R0: Resistencia eléctrica a la temperatura de 0 Cº
a: Coeficiente de variación de la resistencia eléctrica en función de la temperatura medida en ºC;
t: Temperatura medida en ºC.
Un estudio más pormenorizado muestra que el coeficiente "a" varía a raíz de la temperatura y ese hecho debe considerarse en los termómetros de resistencia, sobre todo cuando éstos se utilizan para medición en un intervalo de temperatura superior a los 100ºC. Entre los metales más adecuados que se utilizan para termometría de resistencia están:
- Aleación de Rh 99,5% + Fe 0,5%: Se usa en la medición de temperatura en la franja de 0,5K a 25K (-272,65ºC a -248,15ºC).
- Cobre: Se utiliza en la medición de temperatura en la franja de 193,15K a 533,15 K (-80ºC a 260ºC). Posee una linealidad de 0,1ºC en un intervalo de temperatura de 200ºC. Sin embargo, su baja resistencia a la oxidación limita su franja de temperatura de utilización.
- Níquel: Utilizado para medición de temperatura en la franja de 213,15K a 453,15K (-60ºC a 180ºC). Los principales atractivos en su utilización son su bajo costo y la alta sensibilidad. Su principal desventaja es la baja linealidad.
- Platino: Utilizado para medición de temperaturas en la franja de 25K a 1235K (-248ºC a 962ºC). Es el metal más utilizado en la construcción de termómetros de resistencia por su amplia franja de utilización, tiene buena linealidad y mejor resistencia a la oxidación.
Descripción de un sistema de medida.
Es un conjunto de elementos cuya función es la asignación objetiva y empírica de un número a una cualidad o propiedad de un objeto o evento, de tal forma que la describa. Por tanto, el resultado de la medida debe ser independiente del observador (objetiva), basado en alguna experimentación (empírica), y de tal forma que exista una correspondencia entre las relaciones numéricas y las relaciones de las propiedades descritas.
En un sistema se puede observar como el proceso de la medida incluye, además de la adquisición de la información por parte de un sensor o transductor, el procesamiento de la misma y su presentación para que nuestros sentidos puedan percibir los resultados.
Un sensor es un dispositivo que detecta, o sensa manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos, como la energía, velocidad, aceleración, tamaño, cantidad, etc. Se puede decir también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro elemento. Muchos de los sensores son eléctricos o electrónicos, aunque existen otros tipos. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores sensados puedan ser leídos por un humano.
Por lo general la señal de salida de estos sensores no es apta para su procesamiento, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, y amplificadores que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería.
Características estáticas de un sistema de medida
- Resolución: Es la mínima medida que el sensor es capaz de discernir.
- Precisión: Es la máxima desviación entre el valor real proporcionado y el teórico según un patrón definido.
- Exactitud: Es la capacidad que tiene un instrumento de dar indicaciones que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida
- Repetibilidad: Es la máxima desviación entre valores de salida al medir un mismo valor de entrada con el mismo sensor.
- Linealidad: Máxima desviación entre la respuesta real y la puramente lineal.
- Sensibilidad: Indica la variación de salida por unidad de magnitud de entrada.
- Ruido: Aquel propio del sensor que produce una desviación de la salida con respecto al valor teórico.
- Histéresis: Dependencia de la medida a si esta se realiza con crecimiento o disminución de la misma.
- Margén de medida: Es el limite, por arriba o por debajo, dentro de los cuales se consideran anormales los valores de alguna variable que esten ubicados en este rango; y se consideran normales si se encuentran dentro del rango de medida deseado.
- Margen dinámico: El rango dinámico o margen dinámico se puede definir de dos maneras:
-El margen que hay entre el nivel de referencia y el ruido de fondo de un determinado sistema, medido en decibelios. En este caso rango dinámico y relación señal/ruido son términos intercambiables.
- El margen que hay desde el nivel de pico y el nivel de ruido de fondo. También indicado en dB. En este caso, rango dinámico y relación señal/ruido no son equiparables.
Características dinámicas
- Error dinámico. Diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la magnitud.
- Velocidad de respuesta. Tiempos que se producen entre la medida tomada y la señal de salida.
- Respuesta frecuencial. Relación entre la sensibilidad y la frecuencia de la señal de entrada.
- Estabilidad y derivas. Desviación de salida respecto a condiciones medioambientales.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
En esta practica se realizo la caracterización de un termistor RS 256-073 y una termorresistencia RS 341-452, para lo cual se contó con una maqueta donde se generan valores de temperatura que van desde 25ºC (temperatura ambiente), hasta poco mas de los 100ºC; haciendo uso de un dimer para regular la intensidad de luz en el bombillo dentro de la maqueta, para aumentar o disminuir la temperatura; se colocaron los sensores aproxidamente en el mismo punto y se registraron valores de resistencias tanto del termistor como de la termorresistencia, medidos con un multimetro, para cada valor de temperatura, en intervalos de separación de 25ºC. Las medidas de resistencia en 0ºC, se realizaron usando cubos de hielo.
Para cada valor de temperatura se tomaron cinco medidas de resistencia separadas entre si en tiempos de 30 segundos y se realizaron las medidas desde el mayor valor hasta el menor y luego de forma ascendente para establecer la histéresis del sensor.
Diagrama de la experiencia realizada.
Medidas Obtenidas
T patrón | Termistor (ohm) | Termorresistor (ohm) | Termistor (C) | Termorresistencia(C) | |
100% | 100 | 947 | 137,6 | 81,6 | 97,7 |
100% | 100 | 953 | 137,5 | 81,4 | 97,4 |
100% | 100 | 983 | 137,3 | 80,5 | 96,9 |
100% | 100 | 965 | 137,5 | 81,1 | 97,4 |
100% | 100 | 953 | 137,6 | 81,4 | 97,7 |
75% | 75 | 1904 | 129,3 | 62,7 | 76,1 |
75% | 75 | 1877 | 129,6 | 63,1 | 76,9 |
75% | 75 | 1890 | 129,5 | 62,9 | 76,6 |
75% | 75 | 1911 | 129,4 | 62,6 | 76,4 |
75% | 75 | 1907 | 129,5 | 62,7 | 76,6 |
50% | 50 | 3775 | 124,8 | 46,1 | 64,4 |
50% | 50 | 3821 | 128,6 | 45,8 | 74,3 |
50% | 50 | 3888 | 128,4 | 45,4 | 73,8 |
50% | 50 | 3926 | 128,4 | 45,1 | 73,8 |
50% | 50 | 3941 | 128,4 | 45,1 | 73,8 |
25% | 25 | 9630 | 121,2 | 25,8 | 55,1 |
25% | 25 | 9610 | 121,1 | 25,8 | 54,8 |
25% | 25 | 9530 | 121,6 | 26,0 | 56,1 |
25% | 25 | 9970 | 121,4 | 25,1 | 55,6 |
25% | 25 | 10030 | 121,4 | 24,9 | 55,6 |
0% | 2 | 30100 | 102,9 | 4,3 | 7,5 |
0% | 0 | 30050 | 102,3 | 4,3 | 6,0 |
0% | 1 | 29980 | 102,2 | 4,4 | 5,7 |
0% | 1 | 27170 | 101,9 | 6,1 | 4,9 |
0% | 1 | 26500 | 101,9 | 6,5 | 4,9 |
25% | 25 | 10250 | 120,1 | 24,5 | 52,2 |
25% | 25 | 10180 | 119,0 | 24,6 | 49,4 |
25% | 25 | 10350 | 114,5 | 24,3 | 37,7 |
25% | 25 | 10220 | 113,7 | 24,6 | 35,6 |
25% | 25 | 10030 | 113,8 | 24,9 | 35,8 |
50% | 50 | 4760 | 121,9 | 40,8 | 56,9 |
50% | 50 | 4550 | 121,0 | 41,8 | 54,5 |
50% | 50 | 4670 | 120,9 | 41,2 | 54,3 |
50% | 50 | 4620 | 121,0 | 41,4 | 54,5 |
50% | 50 | 4500 | 121,2 | 42,0 | 55,1 |
75% | 75 | 2291 | 128,7 | 58,0 | 74,5 |
75% | 75 | 2207 | 128,7 | 59,0 | 74,5 |
75% | 75 | 2100 | 129,2 | 60,2 | 75,8 |
75% | 75 | 2057 | 128,1 | 60,7 | 73,0 |
75% | 75 | 1979 | 127,5 | 61,7 | 71,4 |
100% | 100 | 2356 | 134,9 | 57,3 | 90,6 |
100% | 100 | 2416 | 136,8 | 56,7 | 95,6 |
100% | 100 | 2637 | 131,9 | 54,6 | 82,9 |
100% | 100 | 2708 | 132,4 | 53,9 | 84,2 |
100% | 100 | 2644 | 133,4 | 54,5 | 86,8 |
Cálculos de errores
Patrón | R Termistor | R Termorresistencia | T Termistor | T Termorresistencia | ||||||||
100 | 960 | +/- | 14 | 137,5 | +/- | 0,1 | 81,2 | +/- | 0,4 | 97,4 | +/- | 0,3 |
75 | 1898 | +/- | 14 | 129,5 | +/- | 0,1 | 62,8 | +/- | 0,2 | 76,5 | +/- | 0,3 |
50 | 3870 | +/- | 71 | 127,7 | +/- | 1,6 | 45,5 | +/- | 0,4 | 72,0 | +/- | 4,2 |
25 | 9754 | +/- | 229 | 121,3 | +/- | 0,2 | 25,5 | +/- | 0,5 | 55,4 | +/- | 0,5 |
1 | 28760 | +/- | 1774 | 102,2 | +/- | 0,4 | 5,1 | +/- | 1,1 | 5,8 | +/- | 1,1 |
25 | 10206 | +/- | 117 | 116,2 | +/- | 3,1 | 24,6 | +/- | 0,2 | 42,1 | +/- | 8,0 |
50 | 4620 | +/- | 102 | 121,2 | +/- | 0,4 | 41,4 | +/- | 0,5 | 55,1 | +/- | 1,1 |
75 | 2127 | +/- | 123 | 128,4 | +/- | 0,7 | 59,9 | +/- | 1,5 | 73,9 | +/- | 1,7 |
100 | 2552 | +/- | 156 | 133,9 | +/- | 2,0 | 55,4 | +/- | 1,5 | 88,0 | +/- | 5,2 |
Error de cero
Como la temperatura del hielo nunca llego realmente a 0 grados, el error de 0 se calculo mediante aproximaciones numéricas de cuarto orden como se muestra en las gráficas. Como es usual se tomo el peor de los 2 casos (temperatura creciente y temperatura decreciente), y se obtuvieron los siguientes valores.
Termistor = 4 oC
Termorresistencia=3 oC
De igual manera el error de 0 se puede mediante la ecuación de la recta hallada por mínimos cuadrados (mostrada en gráficas posteriores), lo cual presenta valores de 9,84 para el termistor y 20,21 para la termorresistencia en el peor de ambos casos.
Error de linealidad
Para cuantificar el error de no linealidad se realizó una aproximación lineal por el método de los mínimos cuadrados. A la recta resultante se le calcula el coeficiente de determinación (R2), que determina relativamente como los valores de la temperatura patrón describen el comportamiento de la temperatura medida. Mientras menos lineales sean los datos, menor es el coeficiente de determinación. Un sistema de medida con R2=1 tendría un comportamiento perfectamente lineal.
En el caso del termistor, el valor de R2 = 0.8965 en el peor caso, cuantifica el comportamiento no lineal que se observa en la grafica de medidas ascendentes (de 0 a 100º). Esto se deba quizás a la velocidad de respuesta rápida que tiene el termistor, y además, a la no linealidad de la respuesta del termistor en determinadas zonas de temperatura.
En el caso de la termorresistencia, el valor del peor caso de R2 fue de 0.9452, por lo cual tiene una respuesta más lineal que la del termistor. La linealidad que presenta la resistencia se debe en gran parte a que la respuesta en función de la temperatura queda determinada por una ecuación lineal, con un coeficiente de temperatura constante en un amplio rango de valores.
Error de ganancia
El error de ganancia se determinó con la pendiente de la recta de aproximación lineal. Un sistema de medición sin error de ganancia tiene una pendiente m = 1. En el caso del termistor la pendiente es de m = 0.7637. En el caso de la termorresistencia el resultado de la pendiente es m= 0.7894. El termistor tuvo menor error de ganancia debido a la velocidad de respuesta, más alta que la de la termorresistencia. La termorresistencia necesita mayor tiempo para alcanzar el nivel de resistencia correspondiente a su temperatura. Esto se debe a la mayor masa de la resistencia, que requiere mayor tiempo para tener la misma cantidad de calor, en función de su masa.
Analisis de Errores
Los errores observados se deben principalmente a variaciones en las condiciones experimentales. Al colocar los dispositivos (termocupla, termistor y termorresistencia) cerca del bombillo, en un medio como el aire, que posee una conductividad térmica baja en un amplio margen de gradiente de temperatura, las pequeñas variaciones en la distancia de los dispositivos a la fuente de calor originaban variaciones considerables en las diferentes medidas realizadas, sobre todo en el caso del termistor, por su velocidad de respuesta superior. El error de ganancia se acentúa en el caso del termistor fuera de la zona más lineal de su comportamiento. En el caso de la termorresistencia, el error de no linealidad se debe principalmente a la gran cantidad de tiempo que requiere la termorresistencia para alcanzar el nivel resistivo correspondiente a una temperatura dada. El error de histéresis, presente en ambos casos, se acentúa hacia el extremo de temperatura más elevada, sobre todo en el caso del termistor.
El error de cero limita la efectividad de ambos dispositivos en un rango de baja temperatura. Existen dos formas de salvar dicho error, la calibración y la limitación. Se pueden calibrar ambos dispositivos utilizando la regresión lineal para eliminar los errores; también se puede truncar el rango de operación, si no es requerido. El más difícil de eliminar es el error en el termistor, ya que es más rápido y su valor resistivo no posee una respuesta lineal a las variaciones de temperatura. El error de histéresis disminuye paulatinamente con el tiempo, al estabilizarse la temperatura.
CONCLUSIÓN
Los sistemas de medición deben poseer una exactitud y una precisión mínimas de acuerdo a los estándares requeridos. En el caso de los sensores utilizados y caracterizados en el laboratorio, es evidente que se necesitan diferentes sistemas de acondicionamiento para cada uno. Es importante que se conozca también el rango de operación más adecuado para cada uno de los dispositivos y así lograr definir los mejores límites de alcance para cada uno.
Para eliminar los distintos errores presentes en ambos dispositivos se hace necesario conocer algunas de las causas de los errores. Para corregir el error de cero, es necesario establecer un método de calibración. Para eliminar el error de histéresis, se debe lograr que el proceso de calibración corrija la inercia de los materiales que constituyen ambos dispositivos, este error se presenta con mayor importancia en el caso de la termorresistencia.
Se hace evidente que el termistor posee una mejor sensibilidad, lo cual representa una ventaja para medir temperaturas que cambien bruscamente, pero también produce oscilaciones rápidas en su valor resistivo. En este sentido, la termorresistencia presenta un comportamiento más estable, debido su mayor cantidad de masa, lo que contribuye a que requiera de más tiempo para alcanzar el valor resistivo correspondiente. Aún así, la resistencia presenta menos linealidad en su respuesta.
RECOMENDACIONES
Para realizar la experiencia de medición y caracterización con los dispositivos, es recomendable colocarlos en contacto con un medio aislante que tenga un coeficiente térmico más elevado que el del aire, para evitar oscilaciones bruscas en la medición producto de deslizamientos de los dispositivos. Además, se debe evitar colocar en contacto los terminales de ambos sensores, ya que la resistencia equivalente afectaría el proceso de medición. Cabe destacar que en el caso del termistor se debe evitar que cambie su posición y proximidad a la fuente de calor, ya que cambia muy rápidamente su valor resistivo, por poseer alta sensibilidad. La termorresistencia no es recomendable para medir temperaturas que varíen rápidamente, ya que requiere de mucho más tiempo que el termistor debido a su masa.
Si el sistema de medición a diseñar utilizando el termistor lo permite, es recomendable trabajar con un promedio de valores que se actualice a un período constante, para así ofrecer un resultado que no oscile rápidamente en la salida del sistema de medición.
