Control de temperatura por microprocesador

En la Fig. 1.6 se ilustra el papel de un �P como control de temperatura de un proceso f�sico, en este caso un horno el�ctrico. El objeto de este sistema es mantener la temperatura del horno en un rango muy estrecho, alrededor de una temperatura de referencia.

El transductor de temperatura puede ser una termocupla o un termistor, su funci�n consiste en detectar la temperatura del horno producida por el elemento calefactor y convertirlo en una se�al de voltaje equivalente. El acondicionador y el convertidor ADC nos da una se�al ya convertida a su representaci�n digital correspondiente y suministra as� esta se�al al puerto de entrada del �P. Si la temperatura es muy alta el programa del �P hace que este envi� una se�al por el puerto de salida que abra el relevador y as� interrumpir el suministro de corriente al elemento calefactor; como resultado la temperatura del horno disminuye, si de lo contrario la temperatura disminuye el mismo programa del �P hace que este conecte el relevador y de esta forma proporcionar corriente al elemento calefactor. Se observa que en este circuito s� esta monitoreando en forma constantemente el proceso de temperatura y por lo tanto corrige en forma inmediata cualquier desviaci�n que se tenga.

A los sistemas de control de estas caracter�sticas se les denomina de lazo cerrado que son mas utilizados que los sistemas de control de lazo abierto como el de la siguiente figura en donde se muestra solo la temperatura digital observada durante el proceso

Medici�n de Temperatura

Linealizaci�n de una termocupla tipo J

Linealizar un elemento como estos es variar la resistencia semiconductora sensible a la temperatura con un coeficiente de temperatura negativamente alto. Aunque tambi�n existe con un coeficiente de temperatura positivamente bajo.

La variaci�n t�pica de la resistencia con respecto a la temperatura es de aproximadamente –4�C, los termistores emplean tambi�n esta medida de Temp. Para la compensaci�n o bien para el control, este elemento no es un dispositivo de uni�n y su funcionamiento no depende de los efectos producidos por la uni�n.

Algunos de estos tipos son por ejemplo:

1.      Termistor de cuenta

2.      Termistor de arandela

3.      Termistor de rodillo

4.      Termistor de disco

Existen gran variedad de encapsulados de estos elementos por su fabricaci�n var�an de valores de resistencias en ohms hasta MW

Figura 1.8

TERMISTORES Y DETECTORES RESISTIVOS DE TEMPERATURA (RTDs)

Un termistor es un dispositivo semiconductor cuya resistencia cambia con la temperatura. Los termistores son extremadamente sensibles a los cambios de temperatura y pueden ser calentados externamente por el medio ambiente o internamente por una corriente a trav�s de el. Los cambios de resitencia causan que tambi�n cambie la corriente y los voltajes que suministra a las entradas del sistema electr�nico donde son procesados. Estas caracter�sticas los hacen muy adecuados en aplicaciones de medici�n y control de temperatura. Existen dos clases generales de termistores; los NTC (coeficiente de temperatura negativo), el PTC (coeficiente de temperatura positivo). Los NTC por lo general son mas utilizados en aplicaciones de control de temperatura, en este caso la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura y viceversa, los termistores vienen en una gran variedad de estilos, en algunos casos la fabricaci�n de estos se llevan a cabo por medio de procesos llamados de sintetizaci�n empleando oxido de metal, como el N�quel, Manganeso, el Cobre y el Cobalto, estos por lo general deben ir montados en algunas sondas de prueba especiales generalmente de acero o vidrio o de alg�n material de tipo epoxico para manejarlos cuando se utilizan en l�quidos u otros ambientes.

Figura 1.9

Adem�s de� utilizar el� voltaje de un termocupla para medir el�ctricamente una temperatura, es tambi�n posible utilizar el cambio de resistencia que sucede en muchos materiales a medida que cambia su temperatura. Los materiales utilizados para esto fin son de dos clases,� metales puros y �xidos met�licos.

Los metales puros tienen un coeficiente t�rmico positivo de resistencia bastante constante. El coeficiente t�rmico de resistencia es generalmente denominado coeficiente t�rmico, es la relaci�n de cambio en la resistencia al cambio de temperatura. Un coeficiente positivo significa que la resistencia se hace mayor a medida que aumenta la temperatura. Si el coeficiente es una constante significa que el factor de proporcionalidad entre resistencia y temperatura es constante y que resistencia y temperatura ser�n graficados como una l�nea recta. La figura 1.10 (a) muestra la gr�fica de resistencia versus temperatura para varios metales comunes. El factor de resistencia en esta gr�fica indica el factor por el cual la resistencia real es m�s grande que la resistencia de referencia a 0�F. Por ejemplo, un factor de 2 indica que la resistencia es dos veces m�s grande que su valor a 0�F. Cuando se utiliza un conductor de metal puro para la medida de temperatura, nos referimos al como a un detector resistivo de temperatura, o un RTD (Resistive Temperature Detector).

Cuando se utilizan �xidos met�licos para la medida de temperatura, el material de �xido met�lico es moldeado en formas que se parecen a peque�os bulbos o peque�os condensadores. El dispositivo moldeado se denomina entonces un termistor. Los termistores tienen un gran coeficiente t�rmico negativo el cual no es constante. En otras palabras, el cambio de resistencia por unidad de cambio en temperatura es mucho m�s grande que en el caso de los metales puros, pero el cambio es en la otra direcci�n – la ����� resistencia se vuelve m�s peque�a que la temperatura aumenta. El hecho de que el coeficiente no es constante significa que l cambio en resistencia por unidad por unidad de cambio en temperatura es diferente a diferentes temperaturas. La figura 1.10 (b) muestra gr�ficas de resistencia versus temperatura para tres termistores industriales t�picos. Note que la escala vertical es logar�tmica para permitir mostrar el gran rango de resistencias. La resistencia sensitiva de temperatura que compensa a termocupla en el tema anterior podr�a ser un termistor.

Figura 1.10

La figura 1.11 muestra tres circuitos para la utilizaci�n de termistores y/o RTDs. En los diagramas esquem�ticos, las resistencias sensitivas de temperatura se simbolizan por medio de una resistencia atravesada por una flecha y encerrada por un circulo, y una letra T en la parte de afuera. Una resistencia con un coeficiente t�rmico positivo puede indicarse por una flecha apuntando hacia la parte superior del c�rculo, y una resistencia con un coeficiente t�rmico negativo puede simbolizarse con una flecha apuntando hacia la parte inferior del c�rculo.

En la figura 1.11 (a) se muestra el transductor de temperatura en serie con un amper�metro y una fuente de voltaje constante. A medida que la temperatura aumenta, la resistencia disminuye y la corriente aumenta. Si se conoce la caracter�stica especifica del termistor, es posible relacionar a medida de corriente con la temperatura operante. La fuente de voltaje no debe cambiar o de lo contrario la correspondencia corriente-temperatura no ser� v�lida, En la figura 1.11 (b) el termistor aumenta su resistencia a medida que la temperatura aumenta. Esto hace que una mayor parte de la fuente de voltaje constante aparezca a trav�s de sus terminales. De esto modo la lectura del volt�metro puede relacionarse a la temperatura.

Figura 1.11

En la figura 1.11 (c) se utiliza un circuito puente. En cuanto a precisi�n las medidas de los circuitos puente son inherentemente superiores a otras medidas debido a que el medidor que detecta el balance del puente puede ser muy sensible. Por tanto puede detectarse un peque�o desbalance en el puente y corregirlo. El medidor de detecci�n del puente puede ser muy sensible porque cuando el puente est� cercano a balance, el voltaje a trav�s del puente es cercano a cero; dado que el medidor de detecci�n no tiene que medir un gran voltaje, puede hacerse que responda ampliamente a un peque�o voltaje. En otras palabras, puede ser muy sensible. En contraste, los medidores en las figuras 1.11 (a) y (b) no pueden ser muy sensibles debido a que deben ser capaces de leer (relativamente) grandes valores de voltaje o corriente.

El circuito puente trabaja de la siguiente manera: A medida que la temperatura del termistor aumenta, su resistencia disminuye. Esto altera la relaci�n de la resistencia en el lado derecho y por consiguiente desbalancea el puente (asumiendo que estaba balanceado a principio). De cualquier manera manual o autom�ticamente R3 se ajusta hasta cuando la relaci�n de las resistencias en el lado derecho sea nuevamente igual a la relaci�n de las del lado izquierdo llevando nuevamente el puente al estado balanceado. La posici�n del eje del potenci�metro R3 representa entonces la temperatura, dado que para cada valor de resistencia R4 hay un solo valor de la resistencia R3 que balancear� el puente. El eje de R3 est� unido mec�nicamente a otro eje el cual posiciona el indicador de temperatura.

Cuando se utiliza el m�todo de medida por balance del puente, la escala de temperatura ser� lineal si el transductor es lineal. Una escala de lectura lineal significa que iguales distancias en la escala presentan iguales diferencias de temperatura, o, dicho de otra manera, las marcas en la escala de temperatura est�n todas igualmente espaciadas. Dado que hemos visto que un termistor es bastante no lineal, podr�amos esperar que la escala de temperatura en la figura 1.11 (c) fuese tambi�n no lineal. La no-linealidad extrema de los termistores los hacen poco deseados para medir temperaturas en rangos amplios. Sin embargo, para medir temperaturas en bandas estrechas, son bastante utilizados, debido a que proporcionan una gran respuesta a peque�os cambios de temperatura. Esta gran respuesta es tambi�n lo que los hace recomendables en aplicaciones como la descrita en la figura 1.11 (d) para compensar una bucla de termocupla en una banda ligeramente estrecha de temperatura de uni�n fr�a. La gran respuesta del termistor hace f�cil la generaci�n de suficiente compensaci�n.

La no-linealidad natural de los termistores puede corregirse parcialmente conectando varios termistores apareados entre s� en una combinaci�n serie – paralelo. El circuito resultante se denomina termistor de red compuesta. Estas redes son bastante lineales sobre un rango de temperatura bastante ancho (alrededor de 200�F), pero naturalmente son m�s costosos que los simples termistores.

Como regla general, los termistores son preferibles cuando se estrecha la banda esperada de temperatura, y las RTDs son preferibles cuando es ancha la banda esperada de temperatura. La mayor�a de los termistores se fabrican para utilizarse en alg�n rango comprendido entre –150�F y +800�F, no obstante, se han desarrollado termistores especiales para ser utilizados a temperaturas extremadamente bajas, cercanas a cero absoluto. Hay disponibles term�metros de RTDs para utilizarse a temperaturas desde –400�F a +2.000�F.

Adem�s de sus usos como medidores de temperatura en un medio externo, los termistores tambi�n tienen aplicaciones que hacen uso del calor generado internamente por el paso de la corriente. En cualquier aplicaci�n de medida de temperatura externa, es importante eliminar el efecto del calor generado internamente por el termistor; esto se logra haciendo que la corriente que lo atraviese sea muy peque�a, sin embargo, la capacidad del termistor para cambiar su propia resistencia a medida que genera energ�a calor�fica debido a I�R puede ser muy �til. Por ejemplo, el termistor auto calentado puede utilizarse para establecer tiempos de retardo, proteger componentes delicados de las sobrecorrientes, detectar la presencia o ausencia de un material t�rmicamente conductor, etc.