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Capítulo 1.0

Sensores no semiconductores Introducción. J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Introducción a la medición de parámetros físicos “ Necesidad de conocer y evaluar las variables de tipo físico “. Medición no subjetiva de carácter científico de variables como la temperatura, presión, humedad, velocidad, altura, fuerza, tiempo, fluidez, viscosidad, etc., etc. J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Introducción Medida: proceso de contabilizar el número de unidades conocidas que conforman el total de la variable a estimar.

Unidades: Las del Sistema Internacional (SI) ó MKSA. J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Introducción Distintas Tecnologías aplicadas a resolver un mismo problema: ejemplo del termómetro

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Ejemplo del Termómetro Mecánico

A

B

Hilo de Platino

Eje

Al equipo de medida

ElectroMecánico

Cursor

Electrónico

Reostato

Eléctrico

+V

Q1

R = RO ⋅ [1 + α ⋅ ∆T ] J.M. Guerrero R. - 2.017/18

Q2

Vd

V + -

2I

I -V

5

out

Instrumentos de Medida PRESENTACION

S E N S O R

T R A N S D U C T O R

A ordenadores

DISPLAY

TRATAMIENTO - Ganancia

- Filtrado - Compensado

- Eliminacion

de ruido - Adaptacion

C.R.T. LCD

impedancias - D.S.P

INTERFACES RS485 RS232

VXI GP-IB

TCP/IP

A ordenadores y otros instrum entos

USB

Y bus industrial.

A ordenadores A la web J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Introducción:

1 dT = dQ C

Calor = energía cinética molecular. Temperatura = energía media debida al calor.

* Transmisión del Calor: ∆T - Conducción. Q=

- Convección. - Radiación.

R

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Q = h ⋅ A ⋅ (Ti − Tf )

RT = σ ⋅ T 7

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Medida Eléctrica de la Temperatura Resistencias RTD:

calor

Resistencias dependientes de la temperatura basada en resistencia de ciertos metales. R = Ro ( 1 + α1 T + α2 T2 + α3 T3 +... ) siendo R0, valor resistivo a la temperatura de referencia T0, con T = Ta - T0. Es habitual tomar T0 = 0ºC (273 K).

Materiales más utilizados: Platino, Niquel o Cobre. J.M. Guerrero R. - 2.017/18

+T.

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Medida Eléctrica de la Temperatura Resistencias RTD:

R = RO ⋅ [1 + α ⋅ ∆T ] J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Medida Eléctrica de la Temperatura Resistencias RTD: otros metales. Metales

Resistividad (ρ), Ω-m

Coeficiente térmico, (K)-1

Platino, Pt

10,6·10-8

3,9·10-3

Níquel, Ni

6,84·10-8

7·10-3

Wolframio, W

5,6·10-8

4,5·10-3

Cobre, Cu

1,68·10-8

4,3·10-3

R = RO ⋅ [1 + α ⋅ ∆T ] J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Medida Eléctrica de la Temperatura Construcción:

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Medida Eléctrica de la Temperatura Presentaciones:

PT100: RTD de Platino con 100Ω a T = 0 ºC

cable J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Medida Eléctrica de la Temperatura:

EJEMPLO

(http://www.labfacility.co.uk/)

Sobre IEC751: http://www.bbsensors.com/fileadmin/user_upload/Do wnload/Wissenswertes/Technical_Note s_Precision_Resistors_Pt100.pdf

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Medida Eléctrica de la Temperatura: EJEMPLO (www.ist-ag.com/)

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Medida de la Temperatura:

TERMOPARES

Principios: Efecto Seebeck (Thomson + Peltier ). Debido a que los electrones de valencia del metal más caliente pasan al más frío.

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Medida de la Temperatura:

TERMOPARES

Unión de metales:

Circuito Equivalente: 2 2 ( ) ( EAB = C 1 ⋅ T 1 − T 2 + C 2 ⋅ T 1 − T 2 ) J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Medida de la Temperatura:

TERMOPARES

Problemática que introducen las uniones: Unión Cu-Cu

Cu

J1 V1

C

Unión C-Cu Voltímetro

Cu

V2

Cu J1

Cu

J2

V3

C

V1

J3 J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Medida de la Temperatura:

TERMOPARES

Solución: Cu V3

J1 V1

C

EV = C11 ⋅ T 1 + C12 ⋅ T 2 − C13 ⋅ T 3

J3

Baño de hielo Cu

Voltímetro

Cu J1

J2

V3

Cu

EV = C1 ⋅ T 1 − C1 ⋅ T 3 = C1 ⋅ [ T 1 − T 3]

J3

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C

V1

T=0ºC

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Medida de la Temperatura:

TERMOPARES

Otras Combinaciones: Cu Fe V2

Fe Cu

V1

J2

Bloque Isotérmico

J1

C

Baño de hielo Voltímetro

Cu V4

Cu V3 J3

Bloque Isotérmico

Fe J1

J4 Fe T=0

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V2

V1

C

J2 19

Medida de la Temperatura:

TERMOPARES

Referencias electrónicas: Cu

Bloque Isotermico

Fe

V2

Fe

V1

Cu

J2 Referencia Electrónica de Punto de Hielo (0ºC)

Cu

J1

C

Baño de hielo

Fe V1

Fe

C

Cu Fe V2

V2 J.M. Guerrero R. - 2.017/18

J1

J2 20

Medida de la Temperatura:

TERMOPARES

Distintos tipos de Termopares: Tipo K - Níquel Cromo/Níquel Aluminio: tiene una escala ampliada de temperaturas -200°C (hasta los 1.100°C). Su curva de emf/temperatura es casi lineal y tiene una sensibilidad de 41µV/°C. Tipo J - Hierro/Constantan: un tipo muy popular de termopar que cubre el margen de -40°C a +750°C, y se usa principalmente en las industrias del plástico y el envasado. La sensibilidad aumenta hasta 55µV/°C. J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Medida de la Temperatura:

TERMOPARES

Tipo N - Nicrosil/Nisil: muy buena estabilidad termoeléctrica, superior a la de otros termopares de base metálica, y resiste perfectamente las altas temperaturas sin oxidarse. El termopar Nicrosil-Nisil es muy adecuado para medidas precisas en aire hasta los 1.200°C. En vacío o atmósfera controlada, puede soportar temperaturas de más de 1.200°C. Su sensibilidad de 39V/°C a 900°C es ligeramente inferior a la del Tipo K. Tipo T - Cobre/Constantan: de uso menos frecuente. Su margen de temperatura se limita a -200°C hasta +350°. No obstante, resulta muy útil en aplicaciones alimentarias, medioambientales, farmacéuticas y de refrigeración. Su clase de tolerancia es mejor que la de otros termopares de base metálica. La curva de emf/temperatura es bastante no lineal, especialmente alrededor de 0°C, y la sensibilidad es de 42µV/°C. J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Medida de la Temperatura:

Comparativa: Cobre-Constantan:

TERMOPARES C1 = 62,10 µV / K C2 = 0,045 µV / K2

E K J R

T

S

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Medida Eléctrica de la Temperatura:

EJEMPLO

(http://www.labfacility.co.uk/)

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Medida de la Temperatura:

TERMOPARES

TERMOPARES:

J.M. Guerrero R. - 2.017/18

25

Medida de la Temperatura: Selección de catálogos comerciales:

TERMOPARES

J.M. Guerrero R. - 2.017/18

26

Medida de la Temperatura: Selección de catálogos comerciales:

TERMOPARES

J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Medida Eléctrica de la Temperatura:

EJEMPLO

(http://www.pyrocontrole.com/es/)

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Medida de la Temperatura Medida por radiación:

Lente de Fresnel

Dispositivo Piro-Sensor J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Medida de la Temperatura Medida por radiación: Radiación →

→

∆ P = p⋅ ∆T

+ →

v

∆Q = S ⋅ ∆ P = S ⋅ p ⋅ ∆T ∆Q d P⋅d V0 = = ∆Q ⋅ = ∆T C ε ⋅S ε

d

-

Dispositivo Piro-Sensor

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Medida de la Temperatura: Piro-sensores Ventana

Vista Inferior

3

- Chopper de haz de infrarrojos:

Vista Superior

1 2

Drenador

JFET Surtidor

Detector Disco

Rg

Cápsula Motor

Radiación

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GND

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Piro-sensores: Algunos dispositivos comerciales. LHi906 de Perkin Elmer:

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Piro-sensores: Algunos dispositivos comerciales. LHi1148 de Perkin Elmer:

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Bibliografía Pérez García et al., “Instrumentación Electrónica “, Ed. Thomson, 2.004. J.M. Guerrero, “Captación de parámetros físicos y tratamiento de señal”, Dpto. Ingeniería y automática, Electrónica …, E.S.I. – Cádiz, 2002 Pallás Areny, “ Sensores y Acondicionadores de Señal “, 3ª edición, Ed. Marcombo, 1998. Varios. “ Transductores y Medidores Electrónicos “. Serie Mundo Electrónico. Marcombo, Boixareu Editores. Harry Norton, “ Sensores y Analizadores “, Gustavo Gili, 1.989. A. Creus, “ Instrumentación Industrial ”, Ed. Marcombo, 5ª ed. “ Practical Temperature Measurements “, Application Note 290, HewlettPackard, 1.997. “ Temperature Sensor HandBook “, National Semiconductor. “ Resistores no Lineales: NTC, PTC, VDR, LDR “. Catálogo Miniwatt. J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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Bibliografía “ Termómetro con Termopar “, Revista Delek-Elektor Electronics. M. Consuelo Ruiz Vázquez. “ Sensores Termométricos de Estado Sólido “. Mundo Electrónico, Abril 1.988, Nº 183. Redacción Mundo Electrónico. “ CI Sensores y medidores de Temperatura “. Mundo Electrónico, Nº 159, 1.986. F. Torán - D. Ramírez - S. Casans - E. Sanchís - J. M. Espí. “ Medida de Temperatura mediante el sensor PT100 “. Revista Española de Electrónica, Octubre 1.999. “ Medida de la Temperatura mediante Termistores “. Revista de Electrónica Actual, 73. “ Termómetro PT100 “. Revista Delek-Elektor Electronics, Septiembre 1.992. “ Los Detectores Piroeléctricos “. Radio Plans Electrónica, Nº 5. Hans Keller. “ 30 Years of Passive Infrared Motion Detectors: A Technology Review “. (reprint of plenary talk at Opto/IRS2 Erfurt Germany May 11, 2.000). J.M. Guerrero R. - 2.017/18

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