Sensores de temperatura

En la nueva asignatura de sensores, que he fundido con instrumentación, porque están basadas en lo mismo, vemos nuevos sensores y sus características.

En éste apartado veremos los sensores de temperatura existentes, pero no simplemente el LM35...

Elementos bimetálicos

Es un trasductor que transforma cambios de temperatura en deformaciones mecánicas debido al coeficiente de dilatación de los materiales de los que se compone. Normalmente está formado por dos placas de metales distintos unidos, en distintas configuraciones.

Las deformaciones que la temperatura produce en uno de ellos se aprovechan para hacer indicadores de temperatura como éste:

También se usan para interruptores térmicos, termostatos y cebadores, elementos que necesitan partes mecánicas. Es muy importante su aplicación en campos donde no se pueda usar la electricidad o componentes derivados del mercurio, por ejemplo medida en gases inflamables, productos químicos o alimentación.

A pesar de que son bastante económicos y robustos, presentan una respuesta bastante lenta y no muy exacta, y la medida de temperatura no es puntual, sino que se distribuye por toda la superficie bimetálica.

Resistencias termométricas

Como ya se vio en el apartado de puentes de instrumentación, estas resistencias hechas de distintos materiales, generalmente  platino (RTP), por ser  el más lineal, varía su resistencia según la temperatura y el coeficiente del material.

R(T) = Ro(1+aT)

Al ser un elemento tan lineal, una RTP se puede cambiar por otra sin recalibrar el circuito. No todas las RTP tienen los mismos coeficientes, a partir de cierto rango de temperaturas pueden variar. Por lo general, todas tienen una constante
a = 0.00385 ºC^-1

Su rango de temperaturas va desde los -200 a los 850 ºC. A la hora de medir se tiene que tener en cuenta que el paso de corriente por su misma resistencia disipa potencia y aumenta la temperatura del sensor.

Termopares

Éste tipo de sensor aprovecha el efecto Seebeck: en un circuito con dos metales homogéneos distintos unidos en sus extremos, y éstos  a distinta temperatura, aparece una corriente eléctrica en función de la diferencia de la temperatura.

Sin embargo, no aparece el mismo potencial para pares de temperatura distintos, es decir, no es lo mismo medir con la punta 1 a 100ºC y la punta 2 a 0ºC que con la punta 1 a 200ºC y la punta 2 a 100ºC, aunque la diferencia sea de 100ºC igual. Es por ésto que se debe enfriar, o compensar, la "punta 2" o unión fría, a 0ºC.

Aun así, veremos que en la realidad ésta llamada unión fría no existe como tal, porque la unión de un tercer metal cuyas uniones están a la misma temperatura no afecta a la medida, entonces añadimos el cobre del circuito que mide la diferencia de tensión y queda así:

La medida de un termopar no es lineal, sino que tiene muchas curvas, podría llegar a necesitar hasta  9 coeficientes dependiendo del tipo y el rango de temperaturas. A un rango pequeño de temperaturas podría linealizarse, pero como todo ésto es muy complejo se han creado unas tablas que dan la tensión a distintas temperaturas teniendo la unión fría a 0ºC.

Entonces se puede compensar la unión fría mediante un circuito que dé la tensión necesaria para la compensación, o directamente conociendo la temperatura de la unión fría se dirige a las tablas y se suma la tensión de la temperatura de la unión fría a la tensión que está dando el termopar, obteniendo otra tensión que ahora sí, te diriges a su posición en la tabla y obtienes la temperatura real de la unión caliente.

Termistores

Existen dos tipos de termistores

  • NTC: el coeficiente es negativo
  • PTC: el coeficiente es positivo

Se tratan básicamente de semiconductores hechos de óxidos metálicos dopados, como se puede observar, no son lineales y además no tienen mucha repetibilidad ni exactitud. Comparado con una RTP:

Su fórmula es entonces exponencial: \displaystyle R = A \cdot e^{B/T}

También \displaystyle R = R_{0} \cdot e^{B(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_{0}})}

Los parámetros A y B se calibran en 3 puntos distintos, obteniendo una tabla según el modelo y fabricante.

Para hacerlos más lineales, se puede poner una resistencia en paralelo, aunque pierda sensibilidad. También se venden pares de termistores integrados en uno solo que mediante un simple circuito se hace lineal. Pero no es lo más común.

Sus aplicaciones suelen estar en la protección de circuitos contra sobrecalentamientos, por ejemplo en muchas fuentes de alimentación se pueden encontrar termistores a la entrada para limitar la corriente.

Sensores integrados

Se basan en la sensibilidad de la unión semiconductora, tienen un coste bajo, una sensibilidad muy alta, aunque un reducido rango de temperaturas (limitado por las propiedades térmicas del encapsulado, principalmente) Como ejemplos tenemos:

  • Lm335: salida proporcional en grados Kelvin 10 mV/K
  • Lm35: salida proporcional en grados celsius 10 mV/ºC
  • AD590: salida por corriente de 1 uA/K, a dos terminales
  • MAX6625: es un sensor con conversión ADC y comunicación serie que además se puede programar

Fotodetectores

Fotodiodos

 

Con la llegada de fotones al semiconductor se crean pares electrón hueco (efecto fotoeléctrico), lo que hace que los electrones se muevan de un sitio a otro debido al campo eléctrico creado por la diferencia de carga en las zonas de huecos.

Si el circuito esta abierto, se observa una diferencia de potencial (tensión), y si está cerrado una corriente. Al fin y al cabo el efecto causa ambas cosas.

Un fotodiodo polarizado de forma directa se comporta de forma normal. Sin embargo, en polarización inversa permitirá el paso de corriente dependiendo de la cantidad de luz que le llegue.

Además, la polarización inversa tiene una respuesta más rápida que la directa.

Como no son perfectos, hay una minúscula corriente inversa incluso cuando está en la oscuridad.

Los fotodiodos pueden ser sensibles para una gama distinta de colores o infrarrojos, dependiendo de la fabricación

Entre sus características se encuentra la sensibilidad en amperios por metro cuadrado dividido por watio, que se complementa con la irradiancia luminosa, energía que la fuente de luz es capaz de proyectar en un metro cuadrado de superficie. Entonces:

Ip = sensibilidad * irradiancia

Al igual que los emisores, el receptor no es capaz de recibir luz en todos los ángulos, sino que tiene un ángulo donde recibe la mayor cantidad y otro donde deja de recibir, determinados por el diagrama que se puede encontrar en las datasheet.

radio

Hay muchas formas de polarizar el fotodiodo. Las más útiles para medidas analógicas vienen con amplificadores operacionales o de instrumentación. Distintas configuraciones pueden lograr una mayor rapidez y rendimiento o un menor ruido debido a corrientes parásitas.

Para hacerse a una idea de los órdenes de magnitud, la corriente máxima es de decenas de nanoamperios. Es importante reducir ruido en ciertas aplicaciones donde la sensibilidad es mucho menor. En estos casos se usan amplificadores de muchísima calidad.

Fototransistores

El aspecto puede ser el mismo que el de un fotodiodo, pero al contrario que estos, tienen mucha más sensibilidad y son capaces de manejar mucha más corriente. Por ello se usan en aplicaciones de conmutación.

Sin embargo no son muy lineales (la ganancia no es constante) y debido a la capacidad parásita tienen un ancho de banda limitado.

Algunos cuentan con una patilla de base que se puede polarizar como un transistor normal, otros no.

Sus otras aplicaciones se dan en optoacopladores (aislamiento de señales, normalmente digitales, todo o nada) o interruptores por barrera (si pasa un objeto entre el emisor y el receptor el haz de luz se corta y cambia el estado) o por reflexión de luz en superficies.

  

Para ello se venden en pares emisor/receptor con una posición óptima de ambos.

Conversor AD y puerto USB

Como ya sabemos desde el pin A0 al A5 podemos meter una señal analógica y que nuestro Arduino la interprete. Con ciertas limitaciones.

El máximo son 5 voltios y su resolución es de 10 bits. Es decir, cuando tengamos 5 voltios a la entrada tendremos como resultado 1024, y si tenemos 0 voltios tendremos como resultado 0. Ésto nos da un paso de 0,005 voltios.

A su vez sabemos que la placa es capaz de enviar y recibir datos por USB. En éste programa usaremos ésa capacidad para ver el resultado.

A la  entrada analógica pondremos un potenciómetro conectado a +5 y GND, conformando un divisor de tensión para que la salida intermedia de un rango de 5 a 0 voltios. Éste será el funcionamiento generalizado de cualquier sensor, pero lo podemos manipular.

Vamos con el programa:

void setup(){
 pinMode(2,INPUT); //el pin 2 es input
 pinMode(13,OUTPUT); //el pin 13 output
 Serial.begin(9600); //mandar cosas por USB, a cierta velocidad (bits/s)
}
void loop(){
 double lecturas[4]; //declaramos un vector de 5 posiciones
 double mandar; //y una variable flotante
 if(digitalRead(2)==LOW){ //si apretamos el boton y dejamos que el pin 2 se conecte a tierra
 Serial.println("leyendo"); //mandas esto por USB
 for(int x=0;x<5;x++){ //y lees 5 veces
 lecturas[x]=analogRead(0); //el puerto analógico AN0 y lo vas guardando en el vector
 delay(100); //con un pequeño delay para que le dé tiempo
 }
 mandar=5*(lecturas[0]+lecturas[1]+lecturas[2]+lecturas[3]+lecturas[4])/(5*1024.0); //hacemos un promedio de las lecturas
 Serial.print(mandar); //y mandamos el resultado por USB
 }
}

Las instrucciones nuevas son:

Serial.begin(bauds) -> Inicializa el puerto serie (USB) para el envío de datos a una cierta cantidad de bits por segundo (bauds).

Serial.println(var) o Serial.println("text") -> Envía por el puerto USB una variable o un texto. También se puede utilizar Serial.print(var) para que no haga un salto de línea.

analogRead(pin) -> lee el pin analógico seleccionado, en éste caso 0, A0, y devuelve un número entre 0 y 1023.

He procesado el resultado de la lectura analógica para que muestre, en vez de un número entre 0 y 1024, un determinado valor de la tensión que está entrando por el pin analógico.

El resultado lo podéis ver en vuestro monitor serie, que se encuentra en la pestaña Herramientas -> Monitor Serial del software de arduino.