Control de temperatura por microprocesador

En la Fig. 1.6 se ilustra el papel de un µP como control de temperatura de un proceso físico, en este caso un horno eléctrico. 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 función consiste en detectar la temperatura del horno producida por el elemento calefactor y convertirlo en una señal de voltaje equivalente. El acondicionador y el convertidor ADC nos da una señal ya convertida a su representación digital correspondiente y suministra así esta señal al puerto de entrada del µP. Si la temperatura es muy alta el programa del µP hace que este envié una señal por el puerto de salida que abra el relevador y así 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 µP hace que este conecte el relevador y de esta forma proporcionar corriente al elemento calefactor. Se observa que en este circuito sé esta monitoreando en forma constantemente el proceso de temperatura y por lo tanto corrige en forma inmediata cualquier desviación que se tenga.

A los sistemas de control de estas características 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

Medición de Temperatura

Linealización 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 también existe con un coeficiente de temperatura positivamente bajo.

La variación típica de la resistencia con respecto a la temperatura es de aproximadamente –4°C, los termistores emplean también esta medida de Temp. Para la compensación o bien para el control, este elemento no es un dispositivo de unión y su funcionamiento no depende de los efectos producidos por la unión.

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 fabricación varían 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 través de el. Los cambios de resitencia causan que también cambie la corriente y los voltajes que suministra a las entradas del sistema electrónico donde son procesados. Estas características los hacen muy adecuados en aplicaciones de medición 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 fabricación de estos se llevan a cabo por medio de procesos llamados de sintetización empleando oxido de metal, como el Níquel, 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 algún material de tipo epoxico para manejarlos cuando se utilizan en líquidos u otros ambientes.

Figura 1.9

Además de  utilizar el  voltaje de un termocupla para medir eléctricamente una temperatura, es también 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 óxidos metálicos.

Los metales puros tienen un coeficiente térmico positivo de resistencia bastante constante. El coeficiente térmico de resistencia es generalmente denominado coeficiente térmico, es la relación 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 serán graficados como una línea recta. La figura 1.10 (a) muestra la gráfica de resistencia versus temperatura para varios metales comunes. El factor de resistencia en esta gráfica indica el factor por el cual la resistencia real es más grande que la resistencia de referencia a 0°F. Por ejemplo, un factor de 2 indica que la resistencia es dos veces más 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 óxidos metálicos para la medida de temperatura, el material de óxido metálico es moldeado en formas que se parecen a pequeños bulbos o pequeños condensadores. El dispositivo moldeado se denomina entonces un termistor. Los termistores tienen un gran coeficiente térmico negativo el cual no es constante. En otras palabras, el cambio de resistencia por unidad de cambio en temperatura es mucho más grande que en el caso de los metales puros, pero el cambio es en la otra dirección – la       resistencia se vuelve más pequeña 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 gráficas de resistencia versus temperatura para tres termistores industriales típicos. Note que la escala vertical es logarítmica para permitir mostrar el gran rango de resistencias. La resistencia sensitiva de temperatura que compensa a termocupla en el tema anterior podría ser un termistor.

Figura 1.10

La figura 1.11 muestra tres circuitos para la utilización de termistores y/o RTDs. En los diagramas esquemáticos, 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 térmico positivo puede indicarse por una flecha apuntando hacia la parte superior del círculo, y una resistencia con un coeficiente térmico negativo puede simbolizarse con una flecha apuntando hacia la parte inferior del círculo.

En la figura 1.11 (a) se muestra el transductor de temperatura en serie con un amperímetro y una fuente de voltaje constante. A medida que la temperatura aumenta, la resistencia disminuye y la corriente aumenta. Si se conoce la característica 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 será válida, 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 través de sus terminales. De esto modo la lectura del voltímetro puede relacionarse a la temperatura.

Figura 1.11

En la figura 1.11 (c) se utiliza un circuito puente. En cuanto a precisión 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 pequeño desbalance en el puente y corregirlo. El medidor de detección del puente puede ser muy sensible porque cuando el puente está cercano a balance, el voltaje a través del puente es cercano a cero; dado que el medidor de detección no tiene que medir un gran voltaje, puede hacerse que responda ampliamente a un pequeño 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 relación de la resistencia en el lado derecho y por consiguiente desbalancea el puente (asumiendo que estaba balanceado a principio). De cualquier manera manual o automáticamente R3 se ajusta hasta cuando la relación de las resistencias en el lado derecho sea nuevamente igual a la relación de las del lado izquierdo llevando nuevamente el puente al estado balanceado. La posición del eje del potenciómetro R3 representa entonces la temperatura, dado que para cada valor de resistencia R4 hay un solo valor de la resistencia R3 que balanceará el puente. El eje de R3 está unido mecánicamente a otro eje el cual posiciona el indicador de temperatura.

Cuando se utiliza el método de medida por balance del puente, la escala de temperatura será 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 están todas igualmente espaciadas. Dado que hemos visto que un termistor es bastante no lineal, podríamos esperar que la escala de temperatura en la figura 1.11 (c) fuese también 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 pequeños cambios de temperatura. Esta gran respuesta es también 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 unión fría. La gran respuesta del termistor hace fácil la generación de suficiente compensación.

La no-linealidad natural de los termistores puede corregirse parcialmente conectando varios termistores apareados entre sí en una combinación 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 más 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 mayoría de los termistores se fabrican para utilizarse en algún 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 termómetros de RTDs para utilizarse a temperaturas desde –400°F a +2.000°F.

Además de sus usos como medidores de temperatura en un medio externo, los termistores también tienen aplicaciones que hacen uso del calor generado internamente por el paso de la corriente. En cualquier aplicación 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 pequeña, sin embargo, la capacidad del termistor para cambiar su propia resistencia a medida que genera energía calorífica debido a I²R puede ser muy útil. 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 térmicamente conductor, etc.