MEDICIÓN DE TEMPERATURA CON EL TERMISTOR Y LM335

“MEDICIÓN DE TEMPERATURA CON EL TERMISTOR Y LM335”

Resumen—

En este trabajo se hace el diseño de la implementación de dos sensores como lo son, el termistor NTC, y el LM335, se caracterizan los dispositivos, se linealiza el termistor en paralelo, y el acondicionamiento electrónico de señal con el fin de hacer una adquisición de datos a un sistema de procesamiento para este caso utilizando la herramienta LABVIEW, en este se crea una interfaz con visualización del cambio de temperatura.

Palabras clave — Linealizacion (linearization), amplificador diferencial (differential amplifier), termistor NTC (NTC termistor), calibración (calibration) LM335.

INTRODUCCION

L

OS sensores de temperatura son componentes muy usados hoy en día, ya que por medio de ellos se pueden hacer medidas a distancia. El uso del puente de wheastone y el amplificador es muy importante a la hora de la caracterización del termistor porque permite calibrar y observar de manera clara el comportamiento eléctrico del mismo con respecto a la temperatura que se esté usando.

MARCO TEORICO

S

e puede hablar del termistor como un material semiconductor que varía su resistencia eléctrica con las variaciones de temperatura , o también se pueden definir como resistores sensibles a la temperatura. Su fabricación se hace a base de óxidos semiconductores de los metales de transición del grupo del hierro, como Cr, Mn, Fe, y Co. Inicialmente la resistividad de estos óxidos es muy elevada, pero al agregar ciertas impurezas (pequeñas cantidades de otros iones de distinta valencia) su respuesta eléctrica cambia de tal manera que son catalogados semiconductores. Como se mencionó, la resistencia de estos dispositivo varían en función de la temperatura, de acuerdo a como se de esta variación, resulta útil dar una clasificación, de aquí surgen dos tipos de termistores: los de tipo NTC (Negativo Temperature Coefficient), los cuales exhiben una baja en la resistencia cuando la temperatura aumenta y los termistores PTC (Positive Temperature Coefficient ), los cuales aumentan su

resistencia con el aumento de la temperatura.

Termistor NTC: Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura sea elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc. La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial (no cumple la ley de Ohm). Dicha relación cumple con la fórmula siguiente:

R = A. e B/T

Donde A y B son constantes que dependen del resistor.

La característica tensión-intensidad (V/I) de un resistor NTC presenta un carácter peculiar, ya que cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.

OBJETIVOS

Realizar mediciones de temperatura usando dos tipos de sensores de temperatura: Termistor y LM335.

Aplicar métodos de acoplamiento y linealización sobre los sensores utilizados.

PROCEDIMIENTO

Materiales

Termistor

LM 335 o LM35

Beaker

Estufa

Termómetro

Soporte Universal

Parrilla

Recomendaciones:

Aislar el LM335 y el termistor con un epóxico que permita sumergirlo en el agua.

Hacer las respectivas extensiones en alambre a los sensores para que puedan conectarlo fácilmente al protoboard y realizarles el respectivo aislamiento.

Llevar elementos de trabajo: cable, resistencias, pinzas, potenciómetros, trimers etc.

La caracterización de los dos sensores se puede realizar al tiempo.

Procedimiento:

En el beaker ponga una cierta cantidad de agua, póngalo sobre la parrilla y sobre la estufa. Luego Instale el termómetro haciendo uso del soporte y sumerja el bulbo de medición en el agua. A continuación, ponga el LM335 y el termistor en el mismo punto donde ubicó el bulbo de medición del termómetro. Finalmente, caliente lentamente el agua y mida los datos que requiera.

LM335

Ajustar el LM335 con una salida de 2.98 v usando el diagrama circuital (b) que se muestra en la página 4 del datasheet.

Comprobar la linealidad del LM335 y generar una curva temperatura VS voltaje

Acoplar el LM335 a un sistema de amplificación y realizar de nuevo una caracterización de voltaje vs temperatura.

Termistor

Simule con la ecuación del termistor la curva de calibración del mismo. Temperatura VS resistencia.

Caracterizar el termistor, midiendo las variaciones de resistencia debidas a un cambio de temperatura aplicado y generar una curva temperatura vs resistencia.

Linealizar la respuesta del termistor, usando los métodos vistos en clase (linealización en serie y en paralelo) y caracterizar de nuevo la respuesta del termistor, generando una nueva curva de temperatura vs resistencia para el caso de la linealización en paralelo y temperatura Vs voltaje para el caso de la linealización en serie.

Diseñar un puente de wheatstone para acondicionar el termistor y encontrar una curva Voltaje vs Temperatura.

Diseñe un amplificador de instrumentación para que la máxima salida del puente Vs= 5 V.

Adquisición y visualización

Comparar las características y eficiencias de ambos sensores y realizar un cuadro comparativo.

Diseñar un sistema de visualización en labview para ambos sensores.

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Montajes y toma de medidas

El montaje básico para la práctica fue: Utilizando la estufa se coloca una parrilla encima para luego poner el beaker con agua, después se pone el termómetro dentro del beaker con la ayuda del soporte universal, el termómetro debe de ir siempre junto con el sensor que se vaya a utilizar para que se encuentren en el mismo punto de temperatura medido por el termómetro. Este procedimiento se utiliza para todos los experimentos realizados con los dos sensores.

Para empezar se hizo proceso de aislamiento para los sensores, debido a dificultades técnicas con el LM335 se decide utilizar uno prestado por el laboratorio de instrumentación. Luego se introducen los sensores previamente pegados al termómetro para tomar el valor del agua en temperatura ambiente (voltaje o resistencia, según el parámetro a medir), para usarla como referencia.

A continuación, se encendió la estufa en posición de “bajo”. Esta posición se eligió para evitar un crecimiento excesivamente rápido de la temperatura y como medida de seguridad. Pero solo utilizando el LM335.

Caracterización LM335

El circuito de prueba para el sensor LM335 es el mostrado en la figura, usado como referencia en el datasheet correspondiente de National Semicoductor.

Fig. 1: Circuitos básicos para utilización del LM335.

En el documento se sugiere calibrar el dispositivo en 2.982 [V] a 25 [ºC]. Al momento de la medición, sin embargo, la temperatura típica del líquido era de unos 20 [ºC] pero se continuo con el procedimiento hasta calibrar a 2.9v a 20 grados.

Los resultados se observan en la tabla al final del documento.

Figura 2. Comportamiento lineal LM335

La temperatura y el voltaje mínimos medidos:

■(&T_min=20 [°C] )

■(&V_Tmin=2.908 [V] )

De los datos puede apreciarse el comportamiento lineal del sensor, pues la recta modelo calculada mediante el método de mínimos cuadrados sigue los puntos.

Caracterización termistor

Se sabe que el modelo del termistor NTC (Coeficiente negativo de temperatura) está dado por la expresión:

■(>&R(T)=R_0 e^β(1/T-1/T_0 ) → β=ln⁡(R_0/R_T )/(1/T_0 -1/T))

Se lleva a cabo el montaje donde se caracteriza el termistor ante los cambios lentos de temperatura, para ello se sumerge en agua y se toman datos de resistencia del termistor y temperatura actual.

En esta práctica se hace uso de la herramienta matlab para disminuir el trabajo de cálculos. Se ingresan los cálculos en una variable de matlab y se hace la gráfica de temperatura vs resistencia. Para ello se implementa el siguiente código:

disp('CARACTERIZACION DEL TERMISTOR')

temp=datos(:,1);

res=datos(:,2);

n=length(temp);

rang_fescala=temp(n)-temp(1);

figure

plot(temp,res*1000);

title('Grafica de Temperatura VS resistencia del termistor')

ylabel('Resistencia en ohmios')

xlabel('Temperatura')

grid on

Figura3. Curva termistor temperatura vs Resistencia

La tabla correspondiente a estos datos se anexa al final del informe.

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