ITFIP. Miguel Suárez Sierra. SENSOR DE RESISTENCIA METALICA RTD – PT100.

Abstract — Resistance temperature detectors (RTDs) are made of coils or films of metals (usually platinum). When heated, the resistance of the metal increases; when cooled, the resistance decreases. Passing current through an RTD generates a voltage across the RTD. By measuring this voltage, you determine its resistance, and thus its temperature.Resistance Temperature Detectors, or RTDs, are highly accurate temperature sensors. They are also known for their excellent stability characteristics. They are used to measure temperature from 0°C to 450°C, although some can be used up to 800°C. Due to their low resistance values, you must be careful with the RTD lead resistances

Key words— platinum, sensor, temperature, thermoresistance.

INTRODUCCION

a termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se

modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura.

L Las termorresistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados.El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad.

II. RTD

El fundamento de la RTD es la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. En un conductor el número de electrones disponibles para la conducción no cambia apreciablemente con la temperatura. Pero si la temperatura aumenta, las vibraciones de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio son mayores, y así dispersan más eficazmente a los electrones, reduciendo su velocidad media. Esto implica un coeficiente de temperatura positivo, es decir, un aumento de la resistencia con la temperatura.

Fig.1 Símbolo RTD

Los fabricantes proporcionan para cada RTD una tabla de calibración que contiene una lista de valores de la resistencia R para cada temperatura T. Con estos puede construirse la curva de calibración de la RTD. Esta gráfica es de resistencia de la RTD en función de su temperatura.

Fig.2 Curvas calibración RTD

Si se toman todos estos puntos de muestra y se aplica un método numérico de aproximación, se llega a una sola ecuación aproximada que caracteriza el comportamiento de la RTD:

DondeRo = Resistencia en Ω a cero grados centígradosα = coeficiente de temperatura el cual se define como el cambio de resistencia promedio por cada °C en el intervalo de 0…+100 °C dividido por R0, es decir:

T = Temperatura a medirTo = Temperatura en el valor Ro

III. TIPOS DE RTD

Según su forma de construcción pueden ser clasificadas en tipo bobinado, tipo laminado, tipo roscado y tipo de anillo hueco. Por otra parte, también suelen clasificarse por el medio donde van a ser utilizadas como son para inmersión y contacto superficial. De igual manera, se construyen en diferentes materiales metálicos, los más comunes son el platino, el níquel

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SENSOR DE RESISTENCIA METALICA RTD – PT100

Suárez Sierra, Miguel. misusibu@hotmail.com ITFIP

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+V

rR0 rR0

Vsa b

R0

Rt

+T

RW

RW

RW

c

d

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y el cobre, siendo las más utilizadas las primeras debido a la estabilidad del Pt, resistencia a la corrosión y oxidación.

Fig.3 Tipo bobinado

Fig.4 Tipo laminado

IV.VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas:- Linealidad en un amplio margen de temperaturas.- Operan a altas temperaturas.- Sensibilidad hasta 10 veces mayor que los

termopares.- Gran exactitud en la medida.

Desventajas:- Mucha inercia (elevado tiempo de respuesta).- Autocalentamiento (debido a su conexionado y forma

de operar).- Posible presencia de deformaciones mecánicas.- Más caros que otros transductores de temperatura,

sobre todo en el caso del platino.- Errores debido a los cables de contacto.

V. RTD PT100

El tipo de RTD más utilizado es el de Platino en sus presentaciones de

- PT-100: Resistencia de 100 Ω a 0°C => Más común- PT-1000: Resistencia de 1000 Ω a 0°C

El método más empleado para medir pequeños cambios de resistencia consiste de dos divisores de tensión en paralelo, uno de los cuales contiene el transductor de temperatura, es decir, la PT100. Si se diseña de forma que en el valor mínimo a medir de temperatura, ambos divisores den la misma tensión (Vd = 0 V), sólo hará falta medir la diferencia de tensión entre las salidas para obtener una señal que dependerá de la variable a medir. Esta estructura se conoce como puente de Wheatstone , la cual, además de esta propiedad fundamental, permite aumentar la sensibilidad del sistema a base de situar diversos transductores en los brazos pertinentes.

Fig.5 Puente de Wheatstone

La ecuación del puente se obtiene aplicando la teoría de circuitos. Si se tiene alimentado el puente con una tensión Va, la tensión de desequilibrio del puente (Vd) vendrá dada por:

Este tipo de circuito permite la conexión de PT100 de dos cables, que es la menos recomendada porque las resistencias de los cables que unen la Pt100 al instrumento se suman generando un error inevitable, y el de tres cables, que es el más común y recomendado, donde la longitud de los cables no afectan la medida, el único requisito es que los tres cables tengan la misma resistencia eléctrica.

Fig.6 Puente de Wheatstone con PT100 de 3 cables

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VI. ADECUACIÓN DE LA SEÑAL DE LA PT100

El proyecto consiste en mostrar en una LCD el valor de temperatura medido con una RTD PT100 adecuando la señal obtenida de éste por medio de un puente de Wheatstone a un rango entre 0 y 5 voltios que pueda ser conectado al convertidor analógico digital del microcontrolador PIC 16F877.

El sensor a utilizar en la implementación del proyecto tiene 3 hilos y cuenta con las siguientes características:

- Película fina de platino con cubierta de acero inoxidable.

- Rango de temperatura de -50 a +250 ºC.- Intervalo fundamental (0 a 100 ºC.) 38.5 Ω- Auto calentamiento 0.5 ºC/mW- Estabilidad +- 0.05%- Coeficiente de temperatura 0.00385 Ω /Ω/ºC.- Corriente a través del sensor 0.8 a 5 mA.

a) Para el montaje del puente Wheatstone se tiene una fuente de alimentación de 5 voltios teniendo en cuenta que para una temperatura de 0 ºC el valor de de la RTD es de 100 Ω y se busca que la corriente a través de cada una de las ramas sea de 1 mA, para evitar el efecto del autocalentamiento en el sensor, se tiene que:

Rr = V/I = 5 volt / 0.001 amp = 5000 Ω

Pero como la RTD tiene 100 Ω entonces la otra resistencia debe ser de 4900 Ω. Comercialmente no se encuentra este valor por lo tanto se hace uso de una resistencia de 4.7K Ω de precisión.

Fig.7 Puente de Wheatstone con los valores resistivos

Con la disposición del circuito anterior se tiene entonces que ambas ramas divisorias de tensión, cuando se mide 0 ºC tendrán los mismos voltajes, por lo que la diferencia entre ellas es 0 voltios.

Para conocer la diferencia de voltaje entre las ramas cuando se tiene una temperatura de 100 ºC se consulta la hoja de especificaciones de la PT100 empleada y se encuentra que adquiere un valor de resistencia igual a 138.5 Ω por lo que aplicando la siguiente fórmula de voltaje diferencial del puente Wheatstone se obtiene que:

Vd = 5 volt ((100 Ω/ (4700 Ω + 100 Ω)) – ((138.5 Ω/(4700 + 138.5)) = 0.0389 volt.

b) Para realizar la operación de hallar la diferencial de voltaje en el puente Wheatstone se hace uso del amplificador operacional en la configuración de restador empleando para ello la referencia LM358

Fig.8 Amplificador operacional LM358 restador

c) Con el fin de adecuar el voltaje diferencial entre un valor de 0 a 5 voltios se busca el factor de ganancia que se implementa con un amplificador operacional en la configuración de amplificador no inversor. Para ello realizamos la siguiente operación:

Ganancia = 5 volt / 0.0389 volt = 128.53.

Se debe tener en cuenta que dicha configuración suma 1 a la ganancia obtenida en la relación de los valores de resistencia por lo tanto en este caso el valor a obtener es 127.5.

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Fig.9 Amplificador operacional LM358 multiplicador

Por lo tanto, Ganancia = 1+((R2+VR1)/R1) = 1+((47000 Ω+80500 Ω) / 1000 Ω) = 1+127.5 = 128.5

CONCLUSIONES

Comprendo el principio de funcionamiento de una RTD lo cual me permite discernir entre las posibilidades al momento de realizar una implementación

Reconozco las ventajas y desventajas que ofrecen las RTD cuando se requiere realizar una medición de temperatura.

Identifico la forma de realizar la adecuación de señal de una PT100 con el objeto de realizar un proyecto de medición de temperatura.

LITOGRAFIA

[1]http://materias.fi.uba.ar/7609/material/S0307MedicionTemperatura2.pdf

[2] http://www.orbelec.es/prodtienda/datos/08222.pdf

[3] http://tec.upc.es/ie/RTDs.pdf

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