Universidad Nacional del Santa E.A.P. de Ingeniera en Energa Laboratorio de Metrologa

"Ao de la Diversificacin Productiva y del Fortalecimiento de la Educacin"UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTAFacultad de IngenieraE. A. P. de Ingeniera en Energa

LABORATORIO N 02CALIBRACION DE UN TERMISTORASIGNATURA: METROLOGIAPROFESOR: Jos Luis Castillo VenturaCERCADO CASTRO, Lyonnel RUIZ DOMINGUEZ Lenin PAJUELO JIMENEZ RoggerSALINAS VASQUEZ EduardoBENIGNO AVALOS ErickTOMAS CHAVEZ Anderson

ALUMNOS:

Nuevo Chimbote Per30/04/2015

Calibracin de un termistor

1. INTRODUCCION

Los termistores son resistores trmicamente sensibles, existen dos tipos de termistores segn la variacin de resistencia/coeficiente de temperatura, pueden ser negativos NTC o positivos PTC. Son Fabricados a partir de los xidos de metales de transicin, (Mn, Co, Cu y Ni). Los termistores NTC dependientes de la temperatura. Operan en un rango de -200OC A +1000 OC. Son dispositivos relativamente sencillos, cuya resistencia elctrica depende de la temperatura.

En esta prctica se calibrar un termistor, que ser utilizado para determinar datos meteorolgicos correspondientes a las diferentes temperaturas de un determinado tiempo y espacio que son a su vez las variables que permiten hacer los clculos estadsticos correspondientes.

2. RESUMEN

Los dispositivos que son capaces de transformar un tipo de energa (mecnica, trmica, elctrica, ptica, acstica, etc.) en otra, se llaman transductores. A travs de ellos se pueden relacionar dos variables fsicas en forma dependiente. De esta manera, a travs de la medida de una de estas variables fsicas, podemos obtener informacin sobre la otra. Cuando un transductor es usado de esta forma se le llama sensor. A nosotros nos interesan en esta prctica aquellos sensores que son capaces de medir temperatura, transformndola en una seal elctrica. Dos tipos muy usado de sensores de temperatura son:

Los termistores: Denominamos termistor a aquel sensor que es capaz de dar una indicacin de la temperatura a travs de la variacin de su resistencia elctrica. Ms precisamente en esta prctica utilizaremos un termistor semiconductor. Las termocuplas: Denominamos termocupla a la unin entre dos metales diferentes, que generan un voltaje elctrico cuando se encuentran a una temperatura diferente a la temperatura ambiente.

En esta prctica realizaremos la calibracin de un termistor. Esto consiste en ajustar los parmetros de una expresin terica (conocida a priori) que da el valor de la resistencia R de un termistor en funcin de su temperatura T. Para ello se utilizar un bao termostatizado, que nos permite mantener una masa de agua, en la que se encontrar sumergido el termistor, a un valor de temperatura controlado y fijo.

3. OBJETIVOS

Determinar la ecuacin emprica de un elemento sensor (termistor), mediante la medicin de la temperatura y resistencia. Determinar algunas caractersticas sistemticas del termistor.

4. FUNDAMENTO TEORICO

Termistor (Historia):

El principio del termistor es conocido desde hace ms de 100 aos. El fsico y qumico britnico Michael Faraday (1791 1867), conocido sobre todo por su trabajo sobre induccin electromagntica y electroqumica, realiz el que se considera el primer estudio sobre termistores como consecuencia de sus investigaciones con el sulfuro de plata (Ag2S) en 1833.Debido a las limitaciones tecnolgicas la fabricacin y el uso comercial de los termistores no empez hasta cien aos despus. Durante los primeros aos de la dcada de los 40, los laboratorios Bell desarrollaron mtodos para conseguir consistencia y repetitividad en el proceso de fabricacin. Los primeros termistores comerciales tenan forma de disco y sus tolerancias eran bastante amplias. Estos dispositivos fueron empleados principalmente en la regulacin, proteccin y compensacin de temperatura en circuitos electrnicos.En las dcadas de los 50 y 60, la expansin de la industria aeroespacial requiri de dispositivos ms estables y precisos, hacindose avances en los materiales utilizados para la fabricacin de termistores de tipo cristal, disco y perla. En los 60 y 70, la demanda de dispositivos con tolerancias ajustadas en grandes cantidades a un precio econmico llev al desarrollo del termistor tipo chip.Como consecuencia del avance en la exactitud de estos dispositivos dada en los 80, se increment el uso de termmetros electrnicos en medicina. Durante los 80 y los 90 el uso de los termistores ha continuado creciendo, amplindose a campos como el automvil, el procesamiento de comida, medicina, HVAC o el campo de las comunicaciones.

Qu es un Termistor?Untermistores unsensorresistivo detemperatura. Su funcionamiento se basa en la variacin de laresistividadque presenta unsemiconductorcon la temperatura. El trmino termistor proviene deThermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistor: NTC(Negative Temperature Coefficient) coeficiente de temperatura negativo PTC(Positive Temperature Coefficient) coeficiente de temperatura positivo (tambin llamadoposistor).Cuando la temperatura aumenta, los tipo PTC aumentan su resistencia y los NTC la disminuyen.

TIPO NTC:NTC Negative Temperature Coefficient: Termistores con coeficiente de temperatura negativo altamente sensibles a cambios de temperatura. Dentro de este grupo se encuentra la mayora de termistores. Estn fabricados con mezclas poli cristalinas de xido de manganeso y nquel. Los cambios en la resistencia de los NTC, pueden ser debidos bien externamente a cambios en la temperatura ambiente o bien internamente como consecuencia de un auto calentamiento producido por el flujo de corriente en el dispositivo.

TIPO PTC:PTC Positive Temperature Coefficient: Termistores con coeficiente de temperatura positivo. Son resistencias constituidas por elementos semiconductores de titanio de bario, se caracterizan por modificar su estructura cristalina a una cierta temperatura, en torno a los 100 C, correspondindole un cambio brusco en su resistencia, pasando de valores de centenares de ohmios a decenas de mega ohmios.

FUNCIONAMIENTOEl funcionamiento se basa en la variacin de la resistencia del semiconductor debido al cambio de la temperatura ambiente, creando una variacin en la concentracin de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentar tambin la concentracin de portadores, por lo que la resistencia ser menor, de ah que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, ste adquirir propiedades metlicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado. Usualmente, los termistores se fabrican a partir de xidos semiconductores, tales como el xido frrico, el xido denquel, o el xido de cobalto.Sin embargo, a diferencia de lossensores RTD, la variacin de la resistencia con la temperatura no es lineal. Para un termistor NTC, la caracterstica es hiperblica. Para pequeos incrementos de temperatura, se darn grandes incrementos de resistencia. Por ejemplo, el siguiente modelo caracteriza la relacin entre la temperatura y la resistencia mediante dos parmetros:

Con

Donde: es la resistencia del termistor NTC a la temperaturaT(K) es la resistencia del termistor NTC a la temperatura de referencia(K) Bes la temperatura caracterstica del material, entre 2000Ky 5000K.Por analoga a los sensores RTD, podra definirse un coeficiente de temperatura equivalente (), que para el modelo de dos parmetros quedara:

Puede observarse como el valor de este coeficiente vara con la temperatura. Por ejemplo, para un termistor NTC conB= 4000KyT= 25C, se tendr un coeficiente equivalente= -0.045, que ser diez veces superior a la sensibilidad de un sensor Pt100 con= 0.00385.El error de este modelo en el margen de 0 a 50C es del orden de 0.5C. Existen modelos ms sofisticados con ms parmetros que dan un error de aproximacin an menor.

CONFIGURACIONESExisten en el mercado, termistores con diferentes encapsulados dependiendo de la constitucin y el modelo, especificaciones elctricas y su aplicacin final.Los termistores tipo perla, disco y chip son los ms ampliamente utilizados en medicin de temperatura. Aunque cada configuracin es fabricada siguiendo un mtodo especfico, algunas tcnicas generales se emplean en la mayora de termistores: formulacin y preparacin del xido metlico, pulverizacin y mezcla; tratamiento de calor para producir un material cermico; adicin de contactos elctricos (para discos y chips), y para componentes individuales, encapsulacin en un dispositivo con cubierta protectora y terminales.

TIPO PERLAEl termistor tipo perla es, como su propio nombre indica, una pequea perla de material termistor con un par de terminales.Este material termistor, se compone principalmente de una mezcla de xidos metlicos. Una pequea cantidad de esta mezcla semiconductora se deposita cuidadosamente sobre un par de hilos de platino paralelos, que conformarn los terminales. A cierta distancia y sobre el mismo par se coloca otra cantidad de material semiconductor, procedindose de esta forma en toda la longitud de los hilos. Despus de secarse la mezcla, toma la apariencia de unas perlas o cuentas. Posteriormente las perlas y los hilos se someten a temperaturas entre los 1100C y los 1400C. Durante este proceso las partculas de xido metlico se agrupan permitiendo a los terminales una unin fsica y elctrica ms fuerte. Posteriormente los filamentos son cortados para formar unidades independientes y recubiertas o encapsuladas por una cubierta de cristal que les proporciona proteccin y estabilidad. El margen de medidas comn en este tipo de termistores es de 0.25 mm. a 1.5 mm.

TIPO DISCOLos termistores tipo disco son fabricados mediante un preparado de polvo de xido metlico, mezclado con una amalgama especial y comprimido a una gran presin. Los discos son despus expuestos a altas temperaturas para formar cuerpos cermicos slidos. Se aplica posteriormente una pelcula de plata en dos extremos del disco que servirn como contactos para la inclusin de los terminales.Una cubierta de material epxido o cristal proporciona proteccin al dispositivo ante posibles daos. Los termistores tipo disco se venden con o sin la mencionada cubierta, las medidas de los termistores sin cubierta van desde los 13 mm. a los 25mm. de dimetro, mientras que en aquellos protegidos por la cubierta podemos encontrarlos con tamaos de 25mm. a 38mm. de dimetro.

TIPO CHIPEn la fabricacin de los termistores con configuracin de chip se utiliza una mezcla similar a la empleada en los termistores de perla. Este material se deja secar sobre una superficie de material cermico que es cortado en pequeas secciones en forma de oblea y sometido a altas temperaturas.Despus de aplicar una gruesa capa de material metlico, las obleas son encajadas en chips. Los chips se pueden emplear como parte de un montaje o de forma individual. En este ltimo caso, se aaden terminales y una cubierta de material epxido o cristal. Las medidas de stos van de los 2 mm a 25 mm., aunque los hay fabricados expresamente para aplicaciones que requieren un tamao muy pequeo y una respuesta muy rpida y que pueden medir 0.5 mm.

TIPO ARRANDELALos termistores de arandela son una variacin de los termistores de disco excepto por tener un orificio central y carece de terminales aunque est provisto de dos caras metalizadas para establecer el contacto. Es frecuentemente utilizado como parte de un montaje.

TIPO BARRAEste tipo de termistores, tienen toda la apariencia de las tpicas resistencias. Constan de un cuerpo cilndrico de material termistor y de un terminal en cada extremo de la barra en forma radial o axial. Los termistores con forma de barra se emplean en aplicaciones que requieran de una resistencia y una potencia de disipacin muy altas.

APLICACIONES

Medicin de temperatura. Control de la temperatura. Controlar el nivel de un lquido. Analizador de gas.

INCONVENIENTES DE UN TERMISTORPara obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente. Pero el principal inconveniente del termistor es su falta de linealidad.

5. MATERIAL Y EQUIPO

Termmetro

Multmetro Digital

Cocina Elctrica

Termistor

Soporte Universal

Agua(Solido y liquido)

Logger Pro (Programa Computadora)- Procesador de Datos LAB PRO

Vaso Precipitado

6. PROCEDIMIENTO

Primero procedemos al montaje del equipo que vamos a utilizar en la prctica, en el cual estn conformados por el soporte universal, la cocina elctrica, el vaso precipitado(prex), el multmetro que servir para medir la resistencia() conectado al termistor y junto al termmetro y la computadora con el procesador de datos; tal y como se muestra en la figura. Colocamos el hielo dentro del vaso prex. Seleccionamos en el multmetro, el ohmmetro con el rango apropiado. Luego tomamos mediciones de temperaturas y resistencias desde el punto de fusin del agua (0C), hasta el punto de ebullicin (100C) en intervalos de cada (5C), luego vamos anotndolos en la tabla N1. Ahora repetimos el paso pero en forma descendente y anotamos las mediciones en la tabla N2.

7. RESULTADOS

Tabla N1:

Tabla N2:

8. CUESTIONARIO

8.1 Hacer la grfica de R vs T para el rango de 273 K a 373 K utilizando Microsoft Excel.

8.2 Para los siguientes rangos de temperatura:

Hacer las grficas de R vs 1/T utilizando el Microsoft Excel con sus respectivas ecuaciones de calibracin y coeficientes de correlacin.

273 a 373 K

273 a 323 K

8.3 Para el rango de 273 K a 373 K:

a. Especificar el alcance de entrada y de salida del termistor.

ALCANCE:

Alcance de entrada:

IminImax

273K373 K

Alcance de salida:

OminOmax

542 21

b. Especificar el intervalo de entrada y de salida del termistor.

INTERVALO:

Intervalo de entrada =Imax - Imin = 100 K

Intervalo de salida = Omax - Omin = -521

c. Determinar la ecuacin de la lnea recta ideal del termistor.

Para los datos que tenemos por laboratorio esto se convierte en:

d. Determinar la ecuacin de no linealidad del termistor.

e. Calcular la no linealidad mxima como porcentaje de la deflexin a escala completa del termistor.

El mximo se da cuando T = 373 y N =-5.451 No linealidad (%)Del elementosensor

No linealidad (%)Del elementosensor

f. Determinar la sensibilidad del termistor para una temperatura de 50 C.

g. Calcular la histresis mxima como porcentaje de la deflexin a escala completa del termistor.

El mximo se da cuando T = 373 y H =-0.25Histresis Mxima (%)

Histresis Mxima(%)

Como el valor encontrado tiende a cero es despreciable lo cual comprueba que exactamente no existe histresis

9. DISCUSIN

No se obtuvo las medidas exactas debido a que las medidas fueron tomadas con una cinta mtrica, y la luz del en el escenario no era la adecuada. La rendija de red de difraccin es mucho mejor que la rendija simple para la visualizacin de la separacin de la luz del lser.

10. CONCLUSIONES

Mediante esta prctica calibracin de un termistor se logr interesantes resultados que sern de gran beneficio acadmico para todos los integrantes de grupo que trabajaron en la dicha prctica sobre todo resaltando la importancia de conocimiento, manipulacin y anlisis de los datos obtenidos con esta herramienta de trabajo Meteorolgico. La resistencia aumenta mientras la temperatura disminuye concluyendo que la resistencia es dependiente de la temperatura. La ejecucin de esta prctica nos permiti darnos cuenta que no solo se requiere los conocimientos en teora sino que conviene llevarlos a cabo en la prctica ya que es fundamental la interaccin del Estudiante con su entorno sobre todo con espacio Ambiental. La dedicacin y el tiempo necesario es muy importante para poder obtener resultados ms prximos teniendo en cuenta que el margen de error ser mnimo.

11. SUGERENCIAS:

Evitar que la cocina elctrica estea mojada porque eso puede causar que nos pase corriente. Que el hielo estea bien picado para obtener medidas optimas con respecto a la temperatura.

12. BIBLIOGRAFIA

Albert Paul Malvino (2000).Principios de Electrnica. Mc Graw Hill.ISBN 84-481-2568-1. http://proton.ucting.udg.mx/temas/control/memo/MEMO.html http://www.fing.edu.uy/if/cursos/lab2/Termistor2009.pdf http://www.equiposylaboratorio.com/sitio/contenidos_mo.php?it=4420 http://personales.unican.es/lopezqm/IFE/elmenu/teoria/00EI(T).pdf25