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Práctica

3 PREÁMBULO AL TALLER DE APRENDIZAJE Asignatura Sensores y Actuadores

El Termistor.

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Universidad Autónoma de Nuevo León

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Manual de Prácticas para Sensores y Actuadores 12345 Av. Universidad s/n • Ciudad Universitaria San Nicolás de los Garza, Nuevo León, C.P. 66451 Tel. (81) 8329-4020 • Fax (81) 8332-0904 Correo: [email protected]

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Tabla de contenido Introducción......................................................................................................................... Objetivo General.............................................................................................................. Objetivo Particular.......................................................................................................... Marco Teórico...................................................................................................................... Planteamiento del Problema.................................................................................. Desarrollo de la práctica............................................................................................ Resultados............................................................................................................................ Conclusiones....................................................................................................................... Problemas Propuestos.................................................................................................

Introducción Los científicos estudian el mundo tal como es; los ingenieros crean el mundo que nunca ha sido Theodore Von Karman El termistor En esta práctica hablamos del termistor. Los termistores tienes una gran importancia, en el campo científico-tecnológico. Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. En si la función de un termistor se basa en la variación de la resistencia del semiconductor debido al cambio de la temperatura ambiente, y así creando una variación en la concentración de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración de portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado. Estos termistores tienen una característica que es que la tolerancia de temperatura que es menos en el extremo de temperatura bajas y mayor en el extremo de temperaturas altas.

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Objetivo General Que el estudiante conozca las características básicas de funcionamiento del termistor, así como sus aplicaciones más comunes y los diferentes tipos que existen en el mercado. También el rango de temperaturas que soporta este dispositivo sin perder sus características y propiedades eléctricas.

Objetivo Particular El alumno realizará su práctica en el laboratorio solicitando la tarjeta que se empleará, seguirá las instrucciones descritas en la guía para así evitar cualquier error que se pueda presentar y tomará los datos que se le requiera, con el equipo proporcionado, para lograr el objetivo general propuesto.

Marco Teórico Termistores Los Termistores son resistores térmicamente sensibles, existen dos tipos de termistores según la variación de la resistencia/coeficiente de temperatura, pueden ser negativos (NTC) o positivos (PTC).

FIGURE 1 TERMISTORES Son fabricados a partir de los óxidos de metales de transición (manganeso, cobalto, cobre y níquel) los termistores NTC son semiconductores dependientes de la temperatura. Operan en un rango de -200º C a + 1000° C. Un termistor NTC debe elegirse cuando es necesario un cambio continuo de la resistencia en una amplia gama de temperaturas. Ofrecen estabilidad mecánica, térmica y eléctrica, junto con un alto grado de sensibilidad. La excelente combinación de precio y el rendimiento ha dado lugar a una amplia utilización de los termistores NTCs en aplicaciones tales como medición y control de temperatura, compensación de temperatura y medición del flujo de fluidos. La ventaja de los termistores frente a otros sensores de temperatura es el bajo precio de estos, su amplio rango de medida y lo extendidos que se encuentran, lo que permite encontrar dispositivos a los que se pueden conectar sin mayores problemas.

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La desventaja principal es que no son lineales, lo que dificulta la adquisición de datos y son complicados de calibrar. De igual forma que otros sensores resistivos como la PT100, los termistores acusan el efecto del autocalentamiento por el paso de corriente, por lo que hay que ser cuidadosos en la tensión y corriente que hacemos circular por el sensor para evitar falsos aumentos de temperatura. Simbolo Electronico

FIGURE 2 SIMBOLO TERMISTORES PTC/NTC Termistores PTC

FIGURE 3 TERMISTOR PTC Un termistor PTC es un resistor que depende de la temperatura, son fabricación de titanato de bario y deben elegirse cuando se requiere un cambio drástico en la resistencia a una temperatura específica o nivel de corriente. Los termistores PTCs puede operar en los siguientes modos: 

Sensores de temperatura, en temperaturas que oscilan entre 60° C a 180° C, por ejemplo, para protección de los bobinados de motores eléctricos y transformadores.

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

Fusible de estado sólido de protección contra el exceso de corriente, que van desde mA a (25°

varios C

A

a

ambiente) niveles de

tensión continua superior a 600V, por ejemplo, fuentes de alimentación para una amplia gama de equipos eléctricos. 

Sensor de nivel de líquidos. FIGURE 4 EJEMPLO CURVA RESISTENCIA/ PTC

Símbolo electrónico

FIGURE 5 SIMBOLO TERMISTOR PTC

Aplicaciones

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Las resistencias PTC son utilizadas por ejemplo en: limitación de corriente, como sensor de temperatura, desmagnetización en televisores y para la protección contra el recalentamiento en motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, como resistencias de compensación, como termostatos y para provocar retardos en circuitos. Termistores NTC

FIGURE 6 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, étc. 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 curva nos muestra esa variación

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FIGURE CURVA

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RESISTENCIA TEMPERATURA NTC

Simbolo Electrónico

FIGURE 8 SIMBOLO TERMISTOR NTC Aplicaciones Hay tres grupos: 1. Aplicaciones en las que la corriente que circula por ellos, no es capaz de producirles aumentos apreciables de temperatura y por tanto la resistencia del termistor depende únicamente de la temperatura del medio ambiente en que se encuentra. 2. Aplicaciones en las que su resistencia depende de las corrientes que lo atraviesan. 3. Aplicaciones en las que se aprovecha la inercia térmica, es decir, el tiempo que tarda el termistor en calentarse o enfriarse cuando se le somete a variaciones de tensión.

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Planteamiento del Problema En el desarrollo de ésta práctica se propone conocer el funcionamiento de un termistor con el fin de fortalecer los conocimientos previos acerca de éste. Al hacer las conexiones necesarias en NI ELVIS, se hará mediciones de voltaje al someter dicho termistor a ciertas temperaturas.

Desarrollo de la práctica 1.- Implementar el circuito que se muestra a continuación, en un protoboard propio, para que las mediciones puedan ser lo más precisas posibles y se evite cualquier daño que se pueda producir en el material de laboratorio.

Figura – Circuito a Implementar 2.- Colocar el termistor dentro del protector de látex para que el líquido no vaya a crear un corto circuito en las terminales del termistor. 3.- Llenar el recipiente con agua hasta una capacidad considerable para que el termistor pueda detectar fácilmente los cambios de temperatura en el líquido. 4.- Colocar el termómetro dentro del recipiente con agua y calentar el recipiente hasta que el agua dentro del mismo alcance la temperatura de 70 °C. 5.- Apagar la fuente de calor y retirar el recipiente de la misma. Mediante el uso del termómetro y del Vólmetro, medir tanto la temperatura del agua como el voltaje en las terminales del termistor cada 30 segundos, hasta que la temperatura del agua sea de 40 °C. Se registrarán tanto las temperaturas como los voltajes medidos según correspondan en una tabla. 6.- Con los datos recopilados se hará un gráfico de la temperatura registrada en el termómetro contra el voltaje medido en el Vólmetro y también otro gráfico de la variación de voltaje en las terminales del termistor contra la temperatura registrada por el termómetro.

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7.- Según los resultados representados en los gráficos, establecer una conclusión adecuada acerca del comportamiento del termistor a la variación de la temperatura y que tipo fue el utilizado.

Resultados Tiempo (s).

Temperaturas (°C).

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 1020 1050

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Voltajes (mV).

Variante (mV).

1080 1110 1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 1350 1380 1410 1440 1470 1500 1530 1560 1590 1620 1650 1680 1710 1740 1770 1800 1830 1860 1890 1920 1950 1980 2010 2040 2070 2100 2130 2160 2190 2220 2250 2280 2310 2340 2370 2400 2430

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2460 2490 2520 2550 2580 2610

45 40 35 30 25 Voltaje (mV) 20 15 10 5 0 45

50

55

60

65

70

75

Temperatura (°C)

Grafica 1 - Ejemplo de la gráfica”

0.25 0.2 0.15 Variante (mV)

0.1 0.05 0 45

50

55

60

65

70

75

Temperaturas (°C)

Grafica 2 - Ejemplo de la gráfica”

Conclusiones [Descripción en 2 renglones de qué se aprendió en la práctica y/o los beneficios de la tecnología utilizada.]

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Problemas Propuestos Introducción LabVIEW es una herramienta gráfica de prueba, control y diseño mediante la programación. El lenguaje utilizado se llama lenguaje G. Este programa fue creado por National Instruments en 1976. Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea de uno de sus principales usos: el control de instrumentos. Utilizaremos el ELVIS como una DAQ para conectar los valores del voltaje medidos en el potenciómetro y una computadora, para luego poder programar con LabVIEW y utilizar esos datos de entrada.

Principales controles de LabVIEW 16. Sirve para especificar el dispositivo donde se encuentra la DAQ, en este caso es el NI ELVIS, el cual es llamado Dev1 por el software. 17. Indica el valor de un índice específico de un arreglo. 18. Condición de espera, dentro de un ciclo WHILE sirve para que este ciclo se repita dentro de un valor de milisegundos, el cual debe ser especificado por una constante. 19. Indicador visual en forma de termómetro, en este caso, el tipo de variable es I16. 20. Indicador de tipo I16, para números enteros de 32 bits. Al darle click derecho sobre este indicador podemos elegir si este será un control, una constante o el propio indicador.

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21. Indicador de tipo DBL doble. 22. Función matemática de la multiplicación, posee 2 nodos de entrada y uno de salida. 23. Configuración del Sub-VI DMM, aquí se selecciona el tipo de medición (ver 11). 24. Devuelve la lectura digital medida del Sub-VI DMM, como un arreglo, se le debe especificar la función que debe realizar (ver 14). 25. Inicializador del Sub-VI DMM. 26. Cierra el Sub-VI DMM. 27. Botón de paro, ubicado en el panel frontal. Sirve para darle una entrada booleana al comando STOP del ciclo WHILE. 28. Constante del sistema, esta sirve para dar un número específico de referencia, puede ser usado en la función de multiplicación o en la función WAIT. 29. Tipo de medición del Sub-VI DMM. 30. Ciclo WHILE, esta función repite el sub diagrama que se encuentra en su interior hasta que la condición de paro es cumplida, el cual puede ser un valor booleano, controlado por un botón (ver 10.) en el panel frontal del instrumento virtual (VI) o creado por un error en el sistema. La terminal i determina el número de veces que se ha repetido el ciclo. 31. Nodo de formula. Evalúa fórmulas matemáticas de forma similar al lenguaje C, para determinar las variables de entrada o salida se debe dar click derecho en el marco del nodo de formula y luego seleccionar añadir entrada o salida según se desee.

Desarrollo 1. Calibrar el multímetro virtual del NI ELVIS, para lo cual haremos lo siguiente; a. Desconectar cualquier cosa que este sobre el protoboard del NI ELVIS. b. Unir con un cable los puertos Voltage HI y Voltage LOW del DMM ubicados en la parte inferior izquierda del protoboard del NI ELVIS. c. Encender el NI ELVIS e inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS.

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d. Seleccionar el módulo de Digital Multimeter. e. Presionar el botón de NULL. f. Retirar el cableado de los puertos Voltage HI y Voltage LOW. g. Apagar el NI ELVIS. 2. Colocar la tarjeta del termistor sobre el protoboard. 3. Abrir el documento Prac2.VI. 4. Sin prender el NI ELVIS, conectar la tarjeta según muestra la figura 3.5, siendo Vo el voltaje de salida a medir y conectándolo al NI ELVIS en el pin de Voltage HI.

Conexiones de la Tarjeta 5. Acomodar los iconos del archivo de forma que se puedan realizar fácilmente las conexiones mostradas en la fig. 3.6, se debe tener en cuenta que hay que añadir ciertos valores constantes a funciones como WAIT y la función de multiplicar. 6. Realizar conexiones virtuales. Como podemos ver en la Fig. 3.6 tenemos 3 diferentes estados en la programación. 





El primer paso es para inicializar los instrumentos que utilizaremos. Este paso esta agrupado a la izquierda del ciclo WHILE. En el segundo paso se encuentra el propio ciclo WHILE, dentro del cual se realiza una rutina de medición del voltaje en el termistor hasta que oprimamos el botón de paro u ocurra un error en el VI, se recomienda ponerle un valor de 500 ms de espera a la función WAIT. Por ultimo en el tercer paso, después del ciclo WHILE, se encuentran los procesos para cerrar los instrumentos utilizados.

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7. Dentro del ciclo WHILE, el sub programa DMM READ mide el voltaje registrado en el termistor, luego este valor entra un nodo de fórmula, el cual a través de la gráfica obtenida en la primera parte de la práctica, calcula la temperatura teórica en el sistema. Este valor es enviado al indicador, el ciclo WHILE termina cuando el botón de paro es oprimido. 8. Determinar por medio de constantes (int) el tiempo de espera dentro del ciclo, la formula utilizada en el nodo de formula que describirá el comportamiento de la gráfica de la primera parte de la práctica. 9. Diseñar el panel frontal de manera que podamos ver la temperatura teórica del sistema, un indicador visual de la temperatura, y el botón de paro (stop).

Figura- Panel Frontal de LabVIEW 10. Comparar los datos obtenidos en esta práctica con los que obtuvieron en la práctica #3, y anotar si el programa medido funcionó con exactitud. 11. Guardar los archivos creados y sub instrumentos utilizados en una sola carpeta con el nombre de [MATRICULA_APELLIDO_#PRACTICA]. Resultados Ejemplo de Tabla de resultados Tiempo (s)

Temperaturas °C).

Voltajes (mV)

0 30 60 90 120 150 180

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Variante (mV).

210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 1020 1050 1080 1110 1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 1350 1380 1410

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1440 1470 1500 1530 1560 1590 1620 1650 1680 1710 1740 1770 1800 1830 1860 1890 1920 1950 1980 2010 2040 2070 2100 2130 2160 2190 2220 2250 2280 2310 2340 2370 2400 2430 2460 2490 2520 2550 2580 2610

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16 14 12 10 Voltaje

8 6 4 2 0 50

55

60

65

70

75

Temperatura

Ejemplo de la Grafica 1 0.6 0.5 0.4 Variante 0.3 (mV) 0.2 0.1 0 50

55

60

65

Temperatura (°C)

Ejemplo de la Grafica 2

19

70

75...