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LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA            1




                Caracterización de un termistor NTC
                      Linealización y Acondicionamiento de señal

                            Israel A. Valencia, Steven A. Arias, Camilo Valderrama, Edwin A. Soler
                                                     Israel A. Valencia
                                     Universidad del Quindío, Programa de Ing. Electrónica




                                                          Resumen

En este trabajo se diseñan e implementan dos sistemas de medición de temperatura basados en dos de los sensores más usados en
el mercado, el termistor NTC, y el sensor integrado LM335, se realiza el análisis correspondiente para caracterizar los
dispositivos, se implementan sistema de linealizacion para el NTC, y el acondicionamiento de señal necesario para enviar los
datos a un sistema de procesamiento, se utiliza la herramienta labVIEW para crear una interfaz con visualización y se realiza un
cuadro comparativo entre ambos sensores sacando conclusiones importantes.

Palabras clave: Amplificador de instrumentación, acondicionamiento de señal , puente de Wheatstone, LM335, termistor NTC.

                                                           Abstract

In this paper we design and implement two systems of temperature measurement based on two of the most used sensors in the
market, the NTC thermistor, and the LM335 integrated sensor, the corresponding analysis is performed to characterize the
devices, we have implemented a system to get a NTC linear response, and the signal conditioning required to submit data to a
processing system, besides it uses a LabVIEW software to create an interface with display. Finally we make a comparison table
between both sensors drawing important conclusions.

Keywords: Instrumentation amplifier, signal conditioning, Wheatstone Bridge, LM335, NTC thermistor.




                      1. Introducción                            eléctrica con las variaciones de temperatura [1], o
                                                                 también se pueden definir como resistores sensibles a la
Nuestro mundo es una constante explosión de                      temperatura. Su fabricación se hace a base de óxidos
interacciones, de las cuales la mayoría no podemos               semiconductores de los metales de transición del grupo
interpretar, es por esto que nos vemos en la necesidad de        del hierro, como Cr, Mn, Fe, y Co. Inicialmente la
transformarlas a nuestro lenguaje. Siempre en la historia,       resistividad de estos óxidos es muy elevada, pero al
el hombre ha tratado de encontrar la mejor manera para           agregar ciertas impurezas (pequeñas cantidades de otros
que exista un perfecto encaje entre lo que sucede y lo           iones de distinta valencia) su respuesta eléctrica cambia
que nosotros plasmamos en un papel. Siempre estamos              de tal manera que son catalogados semiconductores.
tratando de “cuantificar nuestro mundo” y lo que permite
el acceso a estas cantidades son los instrumentos de             Como se menciono, la resistencia de estos dispositivo
medida. Es por esto que la instrumentación es una parte          varían en función de la temperatura, de acuerdo a como
fundamental de la ingeniería, y una optima conexión              se de esta variación, resulta útil dar una clasificación, de
entre eventos, sistemas y el humano depende de ello.             aquí surgen dos tipos de termistores : los de tipo NTC
                                                                 (Negative Temperature Coefficient), los cuales exhiben una
                2. Fundamentación Teórica                        baja en la resistencia cuando la temperatura aumenta y
                                                                 los termistores PTC (Positive Temperature Coefficient ), los
A. Aspectos generales: se puede hablar del termistor             cuales aumentan su resistencia con el aumento de la
como un material semiconductor que varía su resistencia          temperatura.
LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA           2

En algunos casos, la resistencia de un termistor a           equilibrio térmico. El gran reto es permitir que la
                                                                                                     per
temperatura ambiente puede disminuir hasta un 6% por         corriente que circula por él, no sea capaz de producir
cada 1ºC de elevación de la temperatura. Esta alta           aumentos apreciables de temperatura en el
sensibilidad hace al termistor muy conveniente para          semiconductor para la resistencia del termistor dependa
mediciones, control y compensación de temperatura de         únicamente de la temperatura del medio ambiente en que
alta precisión . El uso de termistores está muy difundido    se encuentra.
en tales aplicaciones, en especial en el rango más bajo de
temperatura de -100ºC a 300ºC.
                                                                     3. Desarrollo de la práctica termistor NTC
B. Termistor tipo NTC: Ya un poco mas aclarados los
                                      o
                                                             Algunos conceptos importantes para el inicio de la
aspectos más generales de los termistores, se enfatizara
                                                             practica han sido aclarados en el transcurso de la
                                                                                 aclarados,
un poco en el tipo de termistor usado en la práctica, el
                                                             practica resultan demás interrogantes que serán resueltos
NTC. Los termistores NTC, presentan una disminución
                                                             cuando sea preciso. El método que se abordara será
en la resistencia cuando su temperatura de exposición
                                                             enumerar cada paso realizado en la práctica para que en
aumenta, comúnmente elaborados con óxidos metálicos
                     nte
                                                             cada uno se pueda hacer un reconocimiento de los
como los óxidos de manganeso, níquel, cobalto, hierro,
                                                             hechos más concluyentes.
cobre y titanio [2], comercialmente los NTC se pueden
dividir en dos grandes grupos dependiendo del método
por el cual los electrodos están unidos a la cerámica de
                                                       del    3.1. Caracterización (Curva R –vs- T)
                                                                 .
dispositivo, cada grupo puede a su vez subdividirse en
                                                             Se inicia la practica en la búsqueda de una curva
subgrupos, por las diferencias en la geometría,
                                                             característica del termistor, para esto se hace el montaje
fabricación y/o técnicas de procesamiento [3]. La relación
                                                             de la figura 1, en la cual se captaran las variaciones en la
entre la resistencia y la temperatura de un termistor tipo
                                                             resistencia del termistor ante la variación de la
NTC es exponencial, la ecuación (1) describe el
                         ,
                                                             temperatura de exposición de este (sumergido en agua).
fenómeno.


                                                     (1)

Donde:

Ro es la Resistencia a la temperatura de referencia
(usualmente a 25 oC).
β es la temperatura característica del material.
(representativo de la sensibilidad [2])

To es la temperatura de referencia.
                                                                      Figura 1: Montaje para obtener curva R vs T

C. Respuesta I-V del NTC: Este tipo de termistor             Como se observa, las variaciones de la resistencia se
presenta un comportamiento muy peculiar que no               miden con un multimetro, y su correspondiente valor de
presentan lo PTC, debido a que cuando las corrientes         temperatura se mide con un termómetro y se anotan las
que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia
                                ,                            parejas de datos. La tabla que contiene dichas parejas se
(R I2) es muy pequeño para registrar aumentos                encuentra al final de este document en la sección
                                                                                           documento
apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos
                                               descenso      anexos-tablas (tabla 1). A partir de esto se muestra en la
en su resistencia óhmica; en esta parte de la                figura 2 la curva Resistencia (R en Kohms) versus la
característica la relación tensión
                                tensión-intensidad será      Temperatura (T en oC). Para la obtención de la curva se
prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley       utilizo el software MATLAB 7.5 (R2007b), el código
de Ohm. Si se sigue aumentando la tensión aplicada al        correspondiente se encuentra en la sección anexos-
termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la
                                                e            códigos (codigo1).
potencia consumida provocará aumentos de temperatura
suficientemente grandes como para que la resistencia del     Es muy notable que la curva sigue el patrón exponencial
termistor      NTC       disminuya      apreciablemente,     para el termistor de tipo NTC descrito en la sección de
incrementándose la intensidad hasta que se establezca el     Teoría. La forma de esta grafica da pie para entrar en
LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA                 3

uno de los puntos más importantes de esta práctica; La        cualquiera. Esta fórmula puede ser suficientemente
Linealizacion. En el ámbito de la electrónica es familiar     exacta para aplicaciones en una banda est   estrecha de
hablar de este concepto, Linealizar el comportamiento de      temperaturas, porque en realidad β no es constante y
                                                                                     n
algún dispositivo hace que su análisis sea mucho más          depende de la temperatura en forma bastante importante.
sencillo, además la interpretación de las curvas
características, así como el acondicionamiento de sus
señales de salida también se hace de mayor simplicidad,
lo que implica menos tiempo y menos dinero a la hora de                                                                  (2)
gozar de alguna de sus aplicaciones.


                                                              Para el cálculo de β se escogen las siguientes parejas:

                                                                            R1 = 10,91 k         a    T1 = 25 oC
                                                                            R2 = 4.1 k           a    T2 = 50 oC

                                                              Estos datos arrojan β = 48.93 oC

                                                              Además, si se deriva la ecuación (1), se obtiene otro
                                                              parámetro de gran importancia, conocido como el
                                                              coeficiente de Temperatura o sensibilidad relativa,
                                                              denotado como α en la ecuación (3):

     Figura 2: Curva R vs T para un termistor tipo NTC

                                                                                                                   (3)
De esta manera, en la mayoría de los casos se busca
trabajar sobre un modelo lineal, por lo cual en el
siguiente apartado se discutirá acerca de la Linealizacion    Como se puede ver, α depende tanto de β como de la
de un termistor tipo NTC.                                     temperatura. Una anotación importante que resulta de
                                                              analizar este parámetro es que un termistor es mucho
                                                                                              u
De la figura 2 se ve que la curva tiene un comienzo en        más sensible a temperaturas bajas y su sensibilidad cae
                                                                                     turas
un valor de Resistencia de aproximadamente 11 k para
                                ximadamente                   rápidamente con el aumento de la temperatura.
                        o
una temperatura de 25 C, en la tabla 1 de la sección
anexos se encuentran los valores exactos, allí
encontramos que el valor de esta resistencia inicial es de     3.2. Linealización
10.91 k . Esta resistencia es el punto de partida tomado
a la temperatura de referencia, en este caso a la             Como se discutió brevemente, los dispositivos son de
temperatura ambiente, y se denota como:                       mucho más fácil uso si podemos obtener una respuesta
                                                              lineal ante la variación del parámetro al cual son
      Ro = 10,91 k        a     To = 25 oC
                                     2                        sensibles, la practica comprobó el avance teórico
                                                              ofrecido de que el termistor tiene un comportamiento
                                                                                                       comportamie
Ahora bien, con estos valores y los de la tabla 1, se         exponencial decreciente, que puede resultar inapropiado
propone ‘cuantificar’ la ecuación (1), para ver que tan       o complejo para la creación de aplicaciones.
bien describe el comportamiento del termistor.
                        tamiento
                                                              Los métodos usados para Linealizar consisten en incluir
Los parámetros Ro y To de la ecuación ya fueron               un elemento resistivo al sistema y hacer que la respuesta
impuestos, para el cálculo de la temperatura                  del termistor sea lineal alrededor de un punto o en un
característica β, se despeja de la ecuación (1) c
                                                cuando        rango de valores. El método de Linealizacion alrededor
previamente se han medido valores de R para varias            de un punto es útil cuando se trabaja en un experimento
temperaturas (tabla 1).                                       de alta resolución y las variaciones observadas se
                                                              realizan en un intervalo muy cerrado. Para nuestro caso
De esta manera la forma general para el cálculo de la         las variaciones son bastante amplias y se requiere un
temperatura característica del termistor se describe por la   intervalo amplio de trabajo por tanto se opta por la
                                                                                     trabajo,
ecuación (2), donde se han puesto dos parejas R-T
             ,                                        R       linealizacion en todo un rango de valores.
                                                               inealizacion
LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA              4

El método para lograr esto consiste en escoger tres               comportamiento, entonces para que los tres valores de
puntos de paso de la curva R vs T, que corresponden a             temperatura sean equidistantes el otro valor de
                                                                                      equidistantes,
tres valores de temperaturas equidistantes T1, T2, T3, es         temperatura debe ser 65 oC, entonces en resumen se
decir, la relación de las Temperaturas debe cumplir que:          tiene:
                                                                           RT1 = 7.45 K    a T1 = 35 oC
              T2 - T1 = T3 - T2
                                                                             RT2 = 2.3 K       a T2 = 60 oC
Se agrega una resistencia en paralelo con el termistor,                      RT3 = 0.87 K      a T3 = 95 oC
con la cual se pretende lograr que la nueva respuesta sea
lineal en el intervalo T3 – T1. En la figura 3 se observa         Reemplazando los valores en la ecuación (6), se tiene que
mejor la intensión de la técnica.                                 el valor de la Resistencia que se debe poner en paralelo es:
                                                                                   R = 1.659 K
                                                                  En la práctica se usa R= 1.79 K , de esta manera se
                                                                  tomaran de nuevo los datos y se buscara la nueva curva
                                                                  R vs T que caracteriza el termistor. Ahora bien se deben
                                                                  tomar de nuevo los parámetros iníciales del sistema, en
                                                                  este caso Ro seria R//RT. Se obtiene:
                                                                                     Ro2 = 1,56 K
                                                                  Así pues, se registran los nuevos datos, (Anexos-tabla 2),
                                                                                                           (Anexos
                                                                  y en la figura 4, se muestra la nueva curva, R vs T.

      Figura 3: Respuesta lineal al poner R en paralelo.
                                               paralelo

El intervalo de medición es de 25 a 95 oC. Se buscara
linealizar la respuesta entre los 35 y los 95 oC. Para
 inealizar
calcular el valor de la resistencia que se debe poner en
paralelo al termistor tenemos que:


                                                           (4)


Entonces para los tres valores de temperatura T1, T2 y T3
                      s
resultaran tres valores de resistencia Rp1, Rp2 y Rp3, que
debido al comportamiento lineal que se obtiene, también                 Figura 4: Curva R vs T con método de linealizacion
deben ser equidistantes, entonces:
                                                                   Se obtiene una respuesta lineal en el intervalo deseado,
             Rp2 - Rp1 = Rp3 - Rp2                                 (de 35 a 95 oC) lo que comprueba la eficacia del
                                                                   método usado.
Y con la ecuación (4) tenemos que
                                                                   Para el caso del termistor se puede decir que su
                                                                   comportamiento puede ser completamente linealizado,
                                                            (5)    ya que están diseñados para trabajar en el rango de 0 a
                                                                   100 oC y podríamos abarcar todo este rango para
                                                                   realizar la linealizacion.
Por último, de (5) se despeja R, para obtener:
                                                                     3.3. Acondicionamiento de señal
                                                            (6)    Las señales de salida de los transductores o sensores
                                                                   por lo general contienen ruido, son muy débiles o
                                                                             neral
                                                                   simplemente nos presentan los datos en variaciones
Como ya se menciono se escoge el intervalo de 35 a 95              que no son útiles para conectarlos directamente al
o
 C, que se espera, la respuesta del termistor tendrá un            sistema de procesamiento de la señal.
LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA          5

Es por esto que los sistemas de acondicionamiento de         Tomando R4 =        RT//RL , para lograr el rango
señal juegan un papel de vital importancia pa en la
                                           para              esperado se deben tener en cuenta dos factores;
correcta utilización de los datos.                           primero que el valor de R4 a 25 grados centígrados
                                                             (el valor inicial del la medición), es de 1,56 k , y
A continuación se describen los procedimientos
realizados para preparar la señal de manera óptima para      segundo, que el valor de R4 a 90 grados
enviarla al sistema de procesamiento de los datos.           centígrados es de 0,85 k . Con estos dos datos se
                                                             hace lo siguiente. De la ecuación (7), se ve que sin
                                                                                       ecuació
   3.3.1. Puente de Wheatstone                               importar el valor de la alimentación, cuando todas
                                                             la resistencias tienen el mismo valor, el voltaje de
Como se ha descrito en las secciones anteriores la toma
   mo                                                        salida es igual a cero, por lo tanto para obtener un
de los datos para la caracterización del termistor se        valor inicial de cero voltios simplemente hacemos
realiza observando el cambio de la resistencia del           que R1, R2 y R3 sean de 1.56 k . Pero además se
termistor con la variación de la temperatura entonces se
                                 temperatura,                quiere que para un valor de temperatura de 90 oC,
buscara presentar los datos en niveles de voltaje para que   la salida sea de 5 voltios, para esto usamos el valor
                                                                                voltios
la interpretación de estos por otro sistema o por un
                                                             de R4 a esa temperatura, que es de 0,85 k y se
operador sea más eficiente.
                                                             halla el valor que se debe tener a la entrada para
Se implementa el circuito de la figura 5 el cual es
                                          5,                 una salida de 5 voltios:
conocido como puente de Wheatsone. Como se observa,          Con los valores de resistencias mencionados se
una de las resistencias corresponde a la resistencia         obtiene que Vo = 0.1473 Vi, entonces para cinco
variable del termistor linealizado, (implementado en la
                                                             voltios en valor de entrada es Vi = 33,9436
sección 3.2) la variación de esta hace que el voltaje Vo
varíe según se explica.
                                                             voltios, de esta manera se obtiene el rango
                                                                    ,
                                                             deseado. En la tabla 3 de la sección anexos, se
                                                             observan los datos obteniobtenidos para esta
                                                             configuración, la figura 6,         refleja el
                                                             comportamiento.




        Figura 5: Montaje puente de Wheatsone

Como se ve, una de las resistencias es la correspondiente
al paralelo entre la RT del termistor y la RL de                  Figura 6: Datos salida Puente de Wheatstone
linealizacion.
La salida del voltaje es descrita por la ecuación (7),       Como vemos, las variaciones lineales de la resistencia
                                                                                                          resistencia,
entonces se requiere que la salida este en un rango de       hacen que las variaciones de voltaje sean
valores lo suficientemente apreciable, se encoge el rango    aproximadamente lineales y el rango de valores es
de 0 a 5 voltios.                                            aproximadamente el deseado. Lo que deja al sistema
                                                             listo para hacer un procesamiento de la señal para un
                                                             control de temperatura o alguna otra aplicación, se
                                                 (7)         obtienen variaciones sufici
                                                                                    suficientemente altas como para
                                                             que un sistema de adq    adquisición de datos pueda
                                                             interpretar fácilmente los resultados.
LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA        6

        4. Desarrollo de la práctica sensor LM335

En las secciones anteriores se han hecho varias clases de
                                 n
mediciones con base al comportamiento del termistor
NTC, del cual se comprobó su comportamiento
exponencial. Con el fin de optimizar la utilización de los
datos de salida se opto por buscar un método de
linealizacion que implicaba un circuito adicional.

Para evitar poner un circuito adicional para lograr
linealidad y obtener más altos niveles de rendimiento se
opta por realizar mediciones con un sensor integrado
como el LM335, es un sensor de fácil calibración, que
opera como un zener de 2 terminales, con menos de 1
ohm de impedancia dinámica, que opera con un rango de              Figura 8: Comportamiento Vo -vs- T del LM335
corriente de 400uA a 5mA. Cuando se calibra a 25ºc  25º
tiene un error de menos de 1ºC sobre 100ºC y a
                                             100ºC,
diferencia de otros sensores este tiene nuestro principal
             e                                               Efectivamente, se obtiene una salida completamente
                                                                            ,
requerimiento, una salida lineal. Las aplicaciones del       lineal, lo que comprueba la fiabilidad de los datos
sensor de temperatura abarca un rango de - 55ºc a +          ofrecidos por el fabricante incluyendo el valor de
150ºc. La baja impedancia y la salida lineal hacen que la    sensibilidad de 10 mV/oC.
interface     de    lectura   o     de     control    sea    A pesar de que el sensor integrado brinda una salida
un circuito esencialmente sencillo.                          líneal , es notable que el rango de valores de respuesta
Se realizaran las medidas de voltaje contra resistencia y
 e                                                           es muy corto, esto impide que se saquen análisis
comprobaremos la sensibilidad del dispositivo. Se            concluyentes acerca del fenómeno, además un sistema
realiza el montaje de la figura 7, teniendo en cuenta que    de adquisición de datos resultaría incapaz de interpretar
de la hoja de datos del dispositivo, ofrece dos datos de
                                     ,                       variaciones tan bajas, podrían ser fácilmente
gran importancia:                                            confundidas con ruidos lo que llevaría a una toma
                                                             errónea la medida. Es por estos que se requiere de un
El valor del voltaje de salida a 25 oC es de 2.98 v [4].     sistema que amplíe este rango, por lo cual en la
                                                                 ema
La sensibilidad es de 10 mV/oC.                              siguiente sección se describe a implementación de un
                                                             amplificador de instrumentación que permite llevar la
                                                             salida del lm335 hasta un valor de 5 voltios para ser
                                                             captado por una tarjeta de adquisición de datos.

                                                                   4.1. Amplificador de Instrumentación

                                                             Como se discutía anteriormente, la salida de un sistema
                                                             debe fluctuar entre un rango amplio de valores, para
                                                             lograr una buena captación de los datos por un sistema
                                                             de procesamiento de estos. Además de esto la corriente
                                                             que entregan no debe ser de gran magnitud. La mejor
                                                                        an
                                                             solución apunta al amplificador de instrumentación ya
                                                             que cuenta con las siguientes características:
             Figura 7: Montaje Para medición de
              temperatura con sensor integrado.
                                                               •    Resistencia de entrada alta (orden de MΩ).
                                                                                                          M
                                                               •    Resistencia de salida baja (debajo de 1Ω).
                                                                                                          1
De esta manera se captaron los datos correspondientes al       •    Alta ganancia de lazo abierto.
voltaje de salida Vo con la variación de la temperatura,       •    Buen rango de frecuencias de operación.
pero esta vez esperando una respuesta línea. En la Tabla
   o
                                                               •    Baja sensibilidad a las variaciones de la
4 se muestran los datos de las parejas T-Vo y en la figura
                                       T
8 vemos el comportamiento de manera grafica.                        fuente de alimentación.
                                                               •    Gran estabilidad al cambio de temperatura
                                                                    en el ambiente.
LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA          7

La figura 9 muestra el montaje general del amplificador       Y como la ganancia depende de los valores de las
de instrumentación, la salida está basada en la diferencia    resistencias, procedemos a hallar los valores
entre dos entradas V1 y V2 (multiplicada por un       una     correspondientes.
ganancia). Para este caso lo que se quiere es amplificar
la salida del LM335, entonces sus variaciones de voltaje
                                                                                                             (8)
serán la entrada V2 del amplificador de instrumentación.

                                                              Asumiendo R4 = R3 = 1 k , y R2 = 10 k , se halla el
                                                              valor de RG, despejando de (8) para obtener:
                                                                                         (8),

                                                                                RG = 2.988 k

                                                              Sin embargo en la práctica debemos considerar las
                                                              tolerancias de las resistencias y otras imprecisiones
                                                              añadidas, por lo tanto se opta por dejar la resistencia
                                                              RG variable, en este caso un potenciómetro de 10 k .

                                                              Se han calculado los datos necesarios para obtener las
                                                              salida deseada en el amplificador de instrumentación,
                                                              implementado al sensor LM335, se realizan las
         Figura 9: Amplificador de instrumentación            mediciones de temperatura versus voltaje y se anotan
                                                              las parejas que son presentadas en la tabla 5 de la
Para llevar la salida del LM335 a 5 voltios en 90 oC,         secciones anexos. En la figura 10, se muestra el
debemos primero calibrar el amplificador de                   comportamiento del sienta completo.
instrumentación para que a 0 oC la salida de volta sea
                                                voltaje
0 voltios. Para esto se debe tener en cuenta los siguientes
                 sto
factores:
                                                                      5. Adquisición de datos en LabVIEW
La salida del amplificador de instrumentación dependerá
de la resta de las salidas de los amplificadores A y B.       Se uso la tarjeta de adquisición de datos labjack,
                                                                e
                                                              (mostrada en la sección anexos
                                                                                        anexos-fotografías) disponible
A 25 oC el voltaje de salida del con el LM335 es de 2.98      en el laboratorio la cual perm
                                                                                           permite la consecución de
voltios.                                                      señales de 12 bits, para PC con conexión USB. esta
                                                              tarjeta dispone de 8 entradas analógicas y 4 entradas
Por lo tanto para lograr Vo igual a cero a 25 oC, el
                        rar                                   analógicas diferenciales de 12 bits, de la cuales solo
                                                                                                       las
voltaje V1 del circuito de la figura 9 debe ser de 2.98       fue necesario el uso de dos de estas entradas una para
voltios, y como las ganancias del amplificador A y B son      la señal de voltaje tomada puente de Wheatstone con el
                                                                              aje
iguales entonces las resta de sus salidas dará cero. A        termistor y la otra para la señal de voltaje tomada del
                                                                                     ra
partir de ese punto debemos hallar los valores de las         lm335, esta tarjeta también cuenta con 20 puertos de
                                                                  335,
resistencias para que a 90oC obtengamos cinco voltios.        entrada/salida digitales. La labjack cuenta con librerías
Entonces tenemos que el voltaje máximo del LM para            aplicables a National Instruments Labview, por esta
una temperatura de 90 oC fue de 3.63 voltios, por tanto el    razón y por la facilidad qu nos ofrece el software
                                                                                          que
voltaje máximo de entrada al amplificador de                  LabVIEW se implemento este para la visualización de
instrumentación será de                                       datos, en la Figura 10 se muestra el diagrama de
                                                              bloques ejecutable en LabVIEW
                                                                                     LabVIEW.
              V2max – V1 = 3.63 – 2.98 = 0.65 v
De esta manera la ganancia del amplificador será la           Para la elaboración de este esquemático se usaron las
                                                                ara                                        us
relación entre el voltaje máximo esperado y el valor          librerías que nos permiten la comunicación de la tarjeta
máximo de entrada, es decir:                                  labjack, se encuentran instaladas en la PC usada para la
                                                              simulación, además se hizo uso de un ejemplo
                                                              presentado en el paquete labjack, el cual fue
                                                              suministrado por la Ingeniera Mariso Gómez, docente
                                                                                             Marisol
                                                              del curso.
LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA          8




                               Figura 10: Diagrama de bloques esquemático en LabVIEW.


En esta ocasión se uso solo la parte de lectura de datos ya que los demás bloques nos permitirían leer y escribir de
la tarjeta, módulos no usados para nuestra practica ya que nuestro único interés es el de leer los datos y
                                    ara
visualizarlos en la interfaz, los demás bloques se añadieron con el objetivo de ingresar la temperatura en función
     alizarlos
del voltaje hallada en los puntos anteriores tanto para el lm335, como para el termistor, todo debido a que la tarjeta
                  a
labjack nos arrojara valores de voltaje y lo que se necesita visualizar es la temperatura. en la Figura 11, se muestra
al lado derecho los voltaje vs temperatura en el cuadro grafico, además de la temperatura representada en el
termómetro de color rojo, lo mismo se hizo para la visualización de resultado para el termistor esto para facilitar la
                                                   la
comparación de los dos métodos.




                                 Figura 11: Interfaz grafica elaborada en LabVIEW.
LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA              9



                    6. CONCLUSIONES
                        ONCLUSIONES
                                                                          6.1 comparativo T
                                                                                          Termistor vs Sensor LM335
La calibración de los sensores, es un parámetro crucial al usar
los datos medidos, ya que en un experimento como este las
medidas se realizan en varios días, y como la temperatura
ambiente cambia constantemente, los parámetros iníciales de
medición también lo hacen, lo que puede causar apreciaciones
                           ,
incorrectas del evento.

Más específicamente podemos concluir varias cosas acerca de
                                                     ac
los sensores usados, el termistor pierde sensibilidad con el
aumento de la temperatura y cuando se le aplican métodos de
linealizacion, además es necesario, El sensor integrado brinda
de una vez una curva lineal con una sensibilidad constante y
                                        nsibilidad
bastante buena, por lo que podemos afirmar que para un tipo
                ,
de aplicación que requiere mayor precisión y para sistemas
cuya base teórica debe ser muy próxima a la realidad la mejor
elección es el sensor integrado.

Podría afirmar que en este trabajo se han abordado una gran
parte del estudio de los sistemas de medida, se vio como con                           7. REFERENCIAS
                                                                                           EFERENCIAS
un circuito tan simple como el puente de Wheatsone se obtenía
una gran utilidad de acondicionamiento de señal, además nos
                                                                   [1] Termistor : http://es.wikipedia.org/wiki/
                                                                                        //es.wikipedia.org/wiki/
encontramos con el amplificador de instrumentación que deja
muy claro cuál es la mejor y más sencilla solución para dar
                                                                   [2] LINEALIZACIÓN de un TERMISTOR, págs. 1, 2
una salida más concreta a un sistema para ser visualizada o
                                                                   http://docs.google.com/gview?a=v&q=cache:qsTejbeZsN8
interpretada de mejor manera.
                                                                   J:ar.geocities.com/componentes_unlm/0376/linealizacion_
                                                                   de_un_termistor.pdf+/linealizacion_de_un_termistor.pdf&
Se aprende a lidiar con sistemas cuyas variables son muy           hl=es&gl=co&sig=AFQjCNHsQ1xliHPHAiRKTVOB3Z
                                                                    l=es&gl=co&sig=AFQjCNHsQ1xliHPHAiRKTVOB3Z
numerosas, como se requiere calibración de cada subsistema         mxkxbSGg
las tolerancias de las resistencias, los cambio de temperatura,
                                   ,
instrumentos defectuosos, referencias mal considera
                             ,                     consideradas    [3] NTC thermistors, pag 1,
                                                                                      ,
pueden hacer de la toma de medidas un procedimiento arduo si       www.mne.psu.edu/sommer/me445/ntcnotes.pdf
no se tienen todas las precauciones necesarias
                                     necesarias.
                                                                   [4] Temperature accuracy--
                                                                   http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemico
Vale la pena recalcar que por las existen factores que hacen       nductor/DS005698.PDF
que no se puedan concluir algunas cosas acerca de los sensores
estudiados, por ejemplo si queremos determinar la
           ,
                                                                   [5] Puente de Wheatsone:  :
repetibilidad, sería muy complicado ya que tendríamos que
                                                                   http://fisica.udea.edu.co/~labgicm/2009_electronica/2009P
                                                                   http://fisica.udea.edu.co/~labgicm/2009_electronica/2009
someter el sistema a condiciones exactamente iguales para
                             iones
                                                                   uente_de_Wheaststone.pdf
saber si arroja la misma medida, pero eso no se puede lograr,
siempre hay imperfecciones o diferencias en los montajes, las      [6] Amplificador de Instrumentación Notas de Clase Ing.
                                                                                       Instrumentación:
estufas no calientan igual ni en el mismo tiempo, la               Marisol Gomes
temperatura ambiente cambia, los errores de paralaje son           http://www.gii.upv.es/personal/gbenet/tim/practicas/practic
                                                                                 .upv.es/personal/gbenet/tim/practicas/practic
distintos, entre otros aspectos que hacen muy difícil
                                                                   a%20transductores/Pr%C3%A1ctica1_transductores.pdf
determinar aspectos como el mencionado.
                        o
                                                                   [7] LabVIEW:
Herramientas como LabVIEW y tarjetas de adquisición nos            http://www.gte.us.es/ASIGN/IE_4T/Tutorial%20de%20La
permiten de una forma más aproximada, eficaz y sencilla el         bview.pdf
conocimiento de sistemas de sistemas de medida como el             http://techteach.no/publications/labview/lv82/labview/#sec
presentado en este trabajo, esta práctica nos enriqueció de gran   _formula_node
forma gracias a los atributos presentados al momento de la
elaboración completa del sistema desde la parte de diseño,         [8] Introducción a los sistemas de medida,
montaje, medición y acondicionamiento de señal
                                             señal.                http://webpages.ull.es/users/oghdez/pdf/Introduccion%20a
                                                                   %20los%20sistemas%20de%20medida.pdf

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  • 1. LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA 1 Caracterización de un termistor NTC Linealización y Acondicionamiento de señal Israel A. Valencia, Steven A. Arias, Camilo Valderrama, Edwin A. Soler Israel A. Valencia Universidad del Quindío, Programa de Ing. Electrónica Resumen En este trabajo se diseñan e implementan dos sistemas de medición de temperatura basados en dos de los sensores más usados en el mercado, el termistor NTC, y el sensor integrado LM335, se realiza el análisis correspondiente para caracterizar los dispositivos, se implementan sistema de linealizacion para el NTC, y el acondicionamiento de señal necesario para enviar los datos a un sistema de procesamiento, se utiliza la herramienta labVIEW para crear una interfaz con visualización y se realiza un cuadro comparativo entre ambos sensores sacando conclusiones importantes. Palabras clave: Amplificador de instrumentación, acondicionamiento de señal , puente de Wheatstone, LM335, termistor NTC. Abstract In this paper we design and implement two systems of temperature measurement based on two of the most used sensors in the market, the NTC thermistor, and the LM335 integrated sensor, the corresponding analysis is performed to characterize the devices, we have implemented a system to get a NTC linear response, and the signal conditioning required to submit data to a processing system, besides it uses a LabVIEW software to create an interface with display. Finally we make a comparison table between both sensors drawing important conclusions. Keywords: Instrumentation amplifier, signal conditioning, Wheatstone Bridge, LM335, NTC thermistor. 1. Introducción eléctrica con las variaciones de temperatura [1], o también se pueden definir como resistores sensibles a la Nuestro mundo es una constante explosión de temperatura. Su fabricación se hace a base de óxidos interacciones, de las cuales la mayoría no podemos semiconductores de los metales de transición del grupo interpretar, es por esto que nos vemos en la necesidad de del hierro, como Cr, Mn, Fe, y Co. Inicialmente la transformarlas a nuestro lenguaje. Siempre en la historia, resistividad de estos óxidos es muy elevada, pero al el hombre ha tratado de encontrar la mejor manera para agregar ciertas impurezas (pequeñas cantidades de otros que exista un perfecto encaje entre lo que sucede y lo iones de distinta valencia) su respuesta eléctrica cambia que nosotros plasmamos en un papel. Siempre estamos de tal manera que son catalogados semiconductores. tratando de “cuantificar nuestro mundo” y lo que permite el acceso a estas cantidades son los instrumentos de Como se menciono, la resistencia de estos dispositivo medida. Es por esto que la instrumentación es una parte varían en función de la temperatura, de acuerdo a como fundamental de la ingeniería, y una optima conexión se de esta variación, resulta útil dar una clasificación, de entre eventos, sistemas y el humano depende de ello. aquí surgen dos tipos de termistores : los de tipo NTC (Negative Temperature Coefficient), los cuales exhiben una 2. Fundamentación Teórica baja en la resistencia cuando la temperatura aumenta y los termistores PTC (Positive Temperature Coefficient ), los A. Aspectos generales: se puede hablar del termistor cuales aumentan su resistencia con el aumento de la como un material semiconductor que varía su resistencia temperatura.
  • 2. LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA 2 En algunos casos, la resistencia de un termistor a equilibrio térmico. El gran reto es permitir que la per temperatura ambiente puede disminuir hasta un 6% por corriente que circula por él, no sea capaz de producir cada 1ºC de elevación de la temperatura. Esta alta aumentos apreciables de temperatura en el sensibilidad hace al termistor muy conveniente para semiconductor para la resistencia del termistor dependa mediciones, control y compensación de temperatura de únicamente de la temperatura del medio ambiente en que alta precisión . El uso de termistores está muy difundido se encuentra. en tales aplicaciones, en especial en el rango más bajo de temperatura de -100ºC a 300ºC. 3. Desarrollo de la práctica termistor NTC B. Termistor tipo NTC: Ya un poco mas aclarados los o Algunos conceptos importantes para el inicio de la aspectos más generales de los termistores, se enfatizara practica han sido aclarados en el transcurso de la aclarados, un poco en el tipo de termistor usado en la práctica, el practica resultan demás interrogantes que serán resueltos NTC. Los termistores NTC, presentan una disminución cuando sea preciso. El método que se abordara será en la resistencia cuando su temperatura de exposición enumerar cada paso realizado en la práctica para que en aumenta, comúnmente elaborados con óxidos metálicos nte cada uno se pueda hacer un reconocimiento de los como los óxidos de manganeso, níquel, cobalto, hierro, hechos más concluyentes. cobre y titanio [2], comercialmente los NTC se pueden dividir en dos grandes grupos dependiendo del método por el cual los electrodos están unidos a la cerámica de del 3.1. Caracterización (Curva R –vs- T) . dispositivo, cada grupo puede a su vez subdividirse en Se inicia la practica en la búsqueda de una curva subgrupos, por las diferencias en la geometría, característica del termistor, para esto se hace el montaje fabricación y/o técnicas de procesamiento [3]. La relación de la figura 1, en la cual se captaran las variaciones en la entre la resistencia y la temperatura de un termistor tipo resistencia del termistor ante la variación de la NTC es exponencial, la ecuación (1) describe el , temperatura de exposición de este (sumergido en agua). fenómeno. (1) Donde: Ro es la Resistencia a la temperatura de referencia (usualmente a 25 oC). β es la temperatura característica del material. (representativo de la sensibilidad [2]) To es la temperatura de referencia. Figura 1: Montaje para obtener curva R vs T C. Respuesta I-V del NTC: Este tipo de termistor Como se observa, las variaciones de la resistencia se presenta un comportamiento muy peculiar que no miden con un multimetro, y su correspondiente valor de presentan lo PTC, debido a que cuando las corrientes temperatura se mide con un termómetro y se anotan las que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia , parejas de datos. La tabla que contiene dichas parejas se (R I2) es muy pequeño para registrar aumentos encuentra al final de este document en la sección documento apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos descenso anexos-tablas (tabla 1). A partir de esto se muestra en la en su resistencia óhmica; en esta parte de la figura 2 la curva Resistencia (R en Kohms) versus la característica la relación tensión tensión-intensidad será Temperatura (T en oC). Para la obtención de la curva se prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley utilizo el software MATLAB 7.5 (R2007b), el código de Ohm. Si se sigue aumentando la tensión aplicada al correspondiente se encuentra en la sección anexos- termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la e códigos (codigo1). potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del Es muy notable que la curva sigue el patrón exponencial termistor NTC disminuya apreciablemente, para el termistor de tipo NTC descrito en la sección de incrementándose la intensidad hasta que se establezca el Teoría. La forma de esta grafica da pie para entrar en
  • 3. LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA 3 uno de los puntos más importantes de esta práctica; La cualquiera. Esta fórmula puede ser suficientemente Linealizacion. En el ámbito de la electrónica es familiar exacta para aplicaciones en una banda est estrecha de hablar de este concepto, Linealizar el comportamiento de temperaturas, porque en realidad β no es constante y n algún dispositivo hace que su análisis sea mucho más depende de la temperatura en forma bastante importante. sencillo, además la interpretación de las curvas características, así como el acondicionamiento de sus señales de salida también se hace de mayor simplicidad, lo que implica menos tiempo y menos dinero a la hora de (2) gozar de alguna de sus aplicaciones. Para el cálculo de β se escogen las siguientes parejas: R1 = 10,91 k a T1 = 25 oC R2 = 4.1 k a T2 = 50 oC Estos datos arrojan β = 48.93 oC Además, si se deriva la ecuación (1), se obtiene otro parámetro de gran importancia, conocido como el coeficiente de Temperatura o sensibilidad relativa, denotado como α en la ecuación (3): Figura 2: Curva R vs T para un termistor tipo NTC (3) De esta manera, en la mayoría de los casos se busca trabajar sobre un modelo lineal, por lo cual en el siguiente apartado se discutirá acerca de la Linealizacion Como se puede ver, α depende tanto de β como de la de un termistor tipo NTC. temperatura. Una anotación importante que resulta de analizar este parámetro es que un termistor es mucho u De la figura 2 se ve que la curva tiene un comienzo en más sensible a temperaturas bajas y su sensibilidad cae turas un valor de Resistencia de aproximadamente 11 k para ximadamente rápidamente con el aumento de la temperatura. o una temperatura de 25 C, en la tabla 1 de la sección anexos se encuentran los valores exactos, allí encontramos que el valor de esta resistencia inicial es de 3.2. Linealización 10.91 k . Esta resistencia es el punto de partida tomado a la temperatura de referencia, en este caso a la Como se discutió brevemente, los dispositivos son de temperatura ambiente, y se denota como: mucho más fácil uso si podemos obtener una respuesta lineal ante la variación del parámetro al cual son Ro = 10,91 k a To = 25 oC 2 sensibles, la practica comprobó el avance teórico ofrecido de que el termistor tiene un comportamiento comportamie Ahora bien, con estos valores y los de la tabla 1, se exponencial decreciente, que puede resultar inapropiado propone ‘cuantificar’ la ecuación (1), para ver que tan o complejo para la creación de aplicaciones. bien describe el comportamiento del termistor. tamiento Los métodos usados para Linealizar consisten en incluir Los parámetros Ro y To de la ecuación ya fueron un elemento resistivo al sistema y hacer que la respuesta impuestos, para el cálculo de la temperatura del termistor sea lineal alrededor de un punto o en un característica β, se despeja de la ecuación (1) c cuando rango de valores. El método de Linealizacion alrededor previamente se han medido valores de R para varias de un punto es útil cuando se trabaja en un experimento temperaturas (tabla 1). de alta resolución y las variaciones observadas se realizan en un intervalo muy cerrado. Para nuestro caso De esta manera la forma general para el cálculo de la las variaciones son bastante amplias y se requiere un temperatura característica del termistor se describe por la intervalo amplio de trabajo por tanto se opta por la trabajo, ecuación (2), donde se han puesto dos parejas R-T , R linealizacion en todo un rango de valores. inealizacion
  • 4. LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA 4 El método para lograr esto consiste en escoger tres comportamiento, entonces para que los tres valores de puntos de paso de la curva R vs T, que corresponden a temperatura sean equidistantes el otro valor de equidistantes, tres valores de temperaturas equidistantes T1, T2, T3, es temperatura debe ser 65 oC, entonces en resumen se decir, la relación de las Temperaturas debe cumplir que: tiene: RT1 = 7.45 K a T1 = 35 oC T2 - T1 = T3 - T2 RT2 = 2.3 K a T2 = 60 oC Se agrega una resistencia en paralelo con el termistor, RT3 = 0.87 K a T3 = 95 oC con la cual se pretende lograr que la nueva respuesta sea lineal en el intervalo T3 – T1. En la figura 3 se observa Reemplazando los valores en la ecuación (6), se tiene que mejor la intensión de la técnica. el valor de la Resistencia que se debe poner en paralelo es: R = 1.659 K En la práctica se usa R= 1.79 K , de esta manera se tomaran de nuevo los datos y se buscara la nueva curva R vs T que caracteriza el termistor. Ahora bien se deben tomar de nuevo los parámetros iníciales del sistema, en este caso Ro seria R//RT. Se obtiene: Ro2 = 1,56 K Así pues, se registran los nuevos datos, (Anexos-tabla 2), (Anexos y en la figura 4, se muestra la nueva curva, R vs T. Figura 3: Respuesta lineal al poner R en paralelo. paralelo El intervalo de medición es de 25 a 95 oC. Se buscara linealizar la respuesta entre los 35 y los 95 oC. Para inealizar calcular el valor de la resistencia que se debe poner en paralelo al termistor tenemos que: (4) Entonces para los tres valores de temperatura T1, T2 y T3 s resultaran tres valores de resistencia Rp1, Rp2 y Rp3, que debido al comportamiento lineal que se obtiene, también Figura 4: Curva R vs T con método de linealizacion deben ser equidistantes, entonces: Se obtiene una respuesta lineal en el intervalo deseado, Rp2 - Rp1 = Rp3 - Rp2 (de 35 a 95 oC) lo que comprueba la eficacia del método usado. Y con la ecuación (4) tenemos que Para el caso del termistor se puede decir que su comportamiento puede ser completamente linealizado, (5) ya que están diseñados para trabajar en el rango de 0 a 100 oC y podríamos abarcar todo este rango para realizar la linealizacion. Por último, de (5) se despeja R, para obtener: 3.3. Acondicionamiento de señal (6) Las señales de salida de los transductores o sensores por lo general contienen ruido, son muy débiles o neral simplemente nos presentan los datos en variaciones Como ya se menciono se escoge el intervalo de 35 a 95 que no son útiles para conectarlos directamente al o C, que se espera, la respuesta del termistor tendrá un sistema de procesamiento de la señal.
  • 5. LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA 5 Es por esto que los sistemas de acondicionamiento de Tomando R4 = RT//RL , para lograr el rango señal juegan un papel de vital importancia pa en la para esperado se deben tener en cuenta dos factores; correcta utilización de los datos. primero que el valor de R4 a 25 grados centígrados (el valor inicial del la medición), es de 1,56 k , y A continuación se describen los procedimientos realizados para preparar la señal de manera óptima para segundo, que el valor de R4 a 90 grados enviarla al sistema de procesamiento de los datos. centígrados es de 0,85 k . Con estos dos datos se hace lo siguiente. De la ecuación (7), se ve que sin ecuació 3.3.1. Puente de Wheatstone importar el valor de la alimentación, cuando todas la resistencias tienen el mismo valor, el voltaje de Como se ha descrito en las secciones anteriores la toma mo salida es igual a cero, por lo tanto para obtener un de los datos para la caracterización del termistor se valor inicial de cero voltios simplemente hacemos realiza observando el cambio de la resistencia del que R1, R2 y R3 sean de 1.56 k . Pero además se termistor con la variación de la temperatura entonces se temperatura, quiere que para un valor de temperatura de 90 oC, buscara presentar los datos en niveles de voltaje para que la salida sea de 5 voltios, para esto usamos el valor voltios la interpretación de estos por otro sistema o por un de R4 a esa temperatura, que es de 0,85 k y se operador sea más eficiente. halla el valor que se debe tener a la entrada para Se implementa el circuito de la figura 5 el cual es 5, una salida de 5 voltios: conocido como puente de Wheatsone. Como se observa, Con los valores de resistencias mencionados se una de las resistencias corresponde a la resistencia obtiene que Vo = 0.1473 Vi, entonces para cinco variable del termistor linealizado, (implementado en la voltios en valor de entrada es Vi = 33,9436 sección 3.2) la variación de esta hace que el voltaje Vo varíe según se explica. voltios, de esta manera se obtiene el rango , deseado. En la tabla 3 de la sección anexos, se observan los datos obteniobtenidos para esta configuración, la figura 6, refleja el comportamiento. Figura 5: Montaje puente de Wheatsone Como se ve, una de las resistencias es la correspondiente al paralelo entre la RT del termistor y la RL de Figura 6: Datos salida Puente de Wheatstone linealizacion. La salida del voltaje es descrita por la ecuación (7), Como vemos, las variaciones lineales de la resistencia resistencia, entonces se requiere que la salida este en un rango de hacen que las variaciones de voltaje sean valores lo suficientemente apreciable, se encoge el rango aproximadamente lineales y el rango de valores es de 0 a 5 voltios. aproximadamente el deseado. Lo que deja al sistema listo para hacer un procesamiento de la señal para un control de temperatura o alguna otra aplicación, se (7) obtienen variaciones sufici suficientemente altas como para que un sistema de adq adquisición de datos pueda interpretar fácilmente los resultados.
  • 6. LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA 6 4. Desarrollo de la práctica sensor LM335 En las secciones anteriores se han hecho varias clases de n mediciones con base al comportamiento del termistor NTC, del cual se comprobó su comportamiento exponencial. Con el fin de optimizar la utilización de los datos de salida se opto por buscar un método de linealizacion que implicaba un circuito adicional. Para evitar poner un circuito adicional para lograr linealidad y obtener más altos niveles de rendimiento se opta por realizar mediciones con un sensor integrado como el LM335, es un sensor de fácil calibración, que opera como un zener de 2 terminales, con menos de 1 ohm de impedancia dinámica, que opera con un rango de Figura 8: Comportamiento Vo -vs- T del LM335 corriente de 400uA a 5mA. Cuando se calibra a 25ºc 25º tiene un error de menos de 1ºC sobre 100ºC y a 100ºC, diferencia de otros sensores este tiene nuestro principal e Efectivamente, se obtiene una salida completamente , requerimiento, una salida lineal. Las aplicaciones del lineal, lo que comprueba la fiabilidad de los datos sensor de temperatura abarca un rango de - 55ºc a + ofrecidos por el fabricante incluyendo el valor de 150ºc. La baja impedancia y la salida lineal hacen que la sensibilidad de 10 mV/oC. interface de lectura o de control sea A pesar de que el sensor integrado brinda una salida un circuito esencialmente sencillo. líneal , es notable que el rango de valores de respuesta Se realizaran las medidas de voltaje contra resistencia y e es muy corto, esto impide que se saquen análisis comprobaremos la sensibilidad del dispositivo. Se concluyentes acerca del fenómeno, además un sistema realiza el montaje de la figura 7, teniendo en cuenta que de adquisición de datos resultaría incapaz de interpretar de la hoja de datos del dispositivo, ofrece dos datos de , variaciones tan bajas, podrían ser fácilmente gran importancia: confundidas con ruidos lo que llevaría a una toma errónea la medida. Es por estos que se requiere de un El valor del voltaje de salida a 25 oC es de 2.98 v [4]. sistema que amplíe este rango, por lo cual en la ema La sensibilidad es de 10 mV/oC. siguiente sección se describe a implementación de un amplificador de instrumentación que permite llevar la salida del lm335 hasta un valor de 5 voltios para ser captado por una tarjeta de adquisición de datos. 4.1. Amplificador de Instrumentación Como se discutía anteriormente, la salida de un sistema debe fluctuar entre un rango amplio de valores, para lograr una buena captación de los datos por un sistema de procesamiento de estos. Además de esto la corriente que entregan no debe ser de gran magnitud. La mejor an solución apunta al amplificador de instrumentación ya que cuenta con las siguientes características: Figura 7: Montaje Para medición de temperatura con sensor integrado. • Resistencia de entrada alta (orden de MΩ). M • Resistencia de salida baja (debajo de 1Ω). 1 De esta manera se captaron los datos correspondientes al • Alta ganancia de lazo abierto. voltaje de salida Vo con la variación de la temperatura, • Buen rango de frecuencias de operación. pero esta vez esperando una respuesta línea. En la Tabla o • Baja sensibilidad a las variaciones de la 4 se muestran los datos de las parejas T-Vo y en la figura T 8 vemos el comportamiento de manera grafica. fuente de alimentación. • Gran estabilidad al cambio de temperatura en el ambiente.
  • 7. LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA 7 La figura 9 muestra el montaje general del amplificador Y como la ganancia depende de los valores de las de instrumentación, la salida está basada en la diferencia resistencias, procedemos a hallar los valores entre dos entradas V1 y V2 (multiplicada por un una correspondientes. ganancia). Para este caso lo que se quiere es amplificar la salida del LM335, entonces sus variaciones de voltaje (8) serán la entrada V2 del amplificador de instrumentación. Asumiendo R4 = R3 = 1 k , y R2 = 10 k , se halla el valor de RG, despejando de (8) para obtener: (8), RG = 2.988 k Sin embargo en la práctica debemos considerar las tolerancias de las resistencias y otras imprecisiones añadidas, por lo tanto se opta por dejar la resistencia RG variable, en este caso un potenciómetro de 10 k . Se han calculado los datos necesarios para obtener las salida deseada en el amplificador de instrumentación, implementado al sensor LM335, se realizan las Figura 9: Amplificador de instrumentación mediciones de temperatura versus voltaje y se anotan las parejas que son presentadas en la tabla 5 de la Para llevar la salida del LM335 a 5 voltios en 90 oC, secciones anexos. En la figura 10, se muestra el debemos primero calibrar el amplificador de comportamiento del sienta completo. instrumentación para que a 0 oC la salida de volta sea voltaje 0 voltios. Para esto se debe tener en cuenta los siguientes sto factores: 5. Adquisición de datos en LabVIEW La salida del amplificador de instrumentación dependerá de la resta de las salidas de los amplificadores A y B. Se uso la tarjeta de adquisición de datos labjack, e (mostrada en la sección anexos anexos-fotografías) disponible A 25 oC el voltaje de salida del con el LM335 es de 2.98 en el laboratorio la cual perm permite la consecución de voltios. señales de 12 bits, para PC con conexión USB. esta tarjeta dispone de 8 entradas analógicas y 4 entradas Por lo tanto para lograr Vo igual a cero a 25 oC, el rar analógicas diferenciales de 12 bits, de la cuales solo las voltaje V1 del circuito de la figura 9 debe ser de 2.98 fue necesario el uso de dos de estas entradas una para voltios, y como las ganancias del amplificador A y B son la señal de voltaje tomada puente de Wheatstone con el aje iguales entonces las resta de sus salidas dará cero. A termistor y la otra para la señal de voltaje tomada del ra partir de ese punto debemos hallar los valores de las lm335, esta tarjeta también cuenta con 20 puertos de 335, resistencias para que a 90oC obtengamos cinco voltios. entrada/salida digitales. La labjack cuenta con librerías Entonces tenemos que el voltaje máximo del LM para aplicables a National Instruments Labview, por esta una temperatura de 90 oC fue de 3.63 voltios, por tanto el razón y por la facilidad qu nos ofrece el software que voltaje máximo de entrada al amplificador de LabVIEW se implemento este para la visualización de instrumentación será de datos, en la Figura 10 se muestra el diagrama de bloques ejecutable en LabVIEW LabVIEW. V2max – V1 = 3.63 – 2.98 = 0.65 v De esta manera la ganancia del amplificador será la Para la elaboración de este esquemático se usaron las ara us relación entre el voltaje máximo esperado y el valor librerías que nos permiten la comunicación de la tarjeta máximo de entrada, es decir: labjack, se encuentran instaladas en la PC usada para la simulación, además se hizo uso de un ejemplo presentado en el paquete labjack, el cual fue suministrado por la Ingeniera Mariso Gómez, docente Marisol del curso.
  • 8. LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA 8 Figura 10: Diagrama de bloques esquemático en LabVIEW. En esta ocasión se uso solo la parte de lectura de datos ya que los demás bloques nos permitirían leer y escribir de la tarjeta, módulos no usados para nuestra practica ya que nuestro único interés es el de leer los datos y ara visualizarlos en la interfaz, los demás bloques se añadieron con el objetivo de ingresar la temperatura en función alizarlos del voltaje hallada en los puntos anteriores tanto para el lm335, como para el termistor, todo debido a que la tarjeta a labjack nos arrojara valores de voltaje y lo que se necesita visualizar es la temperatura. en la Figura 11, se muestra al lado derecho los voltaje vs temperatura en el cuadro grafico, además de la temperatura representada en el termómetro de color rojo, lo mismo se hizo para la visualización de resultado para el termistor esto para facilitar la la comparación de los dos métodos. Figura 11: Interfaz grafica elaborada en LabVIEW.
  • 9. LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA 9 6. CONCLUSIONES ONCLUSIONES 6.1 comparativo T Termistor vs Sensor LM335 La calibración de los sensores, es un parámetro crucial al usar los datos medidos, ya que en un experimento como este las medidas se realizan en varios días, y como la temperatura ambiente cambia constantemente, los parámetros iníciales de medición también lo hacen, lo que puede causar apreciaciones , incorrectas del evento. Más específicamente podemos concluir varias cosas acerca de ac los sensores usados, el termistor pierde sensibilidad con el aumento de la temperatura y cuando se le aplican métodos de linealizacion, además es necesario, El sensor integrado brinda de una vez una curva lineal con una sensibilidad constante y nsibilidad bastante buena, por lo que podemos afirmar que para un tipo , de aplicación que requiere mayor precisión y para sistemas cuya base teórica debe ser muy próxima a la realidad la mejor elección es el sensor integrado. Podría afirmar que en este trabajo se han abordado una gran parte del estudio de los sistemas de medida, se vio como con 7. REFERENCIAS EFERENCIAS un circuito tan simple como el puente de Wheatsone se obtenía una gran utilidad de acondicionamiento de señal, además nos [1] Termistor : http://es.wikipedia.org/wiki/ //es.wikipedia.org/wiki/ encontramos con el amplificador de instrumentación que deja muy claro cuál es la mejor y más sencilla solución para dar [2] LINEALIZACIÓN de un TERMISTOR, págs. 1, 2 una salida más concreta a un sistema para ser visualizada o http://docs.google.com/gview?a=v&q=cache:qsTejbeZsN8 interpretada de mejor manera. J:ar.geocities.com/componentes_unlm/0376/linealizacion_ de_un_termistor.pdf+/linealizacion_de_un_termistor.pdf& Se aprende a lidiar con sistemas cuyas variables son muy hl=es&gl=co&sig=AFQjCNHsQ1xliHPHAiRKTVOB3Z l=es&gl=co&sig=AFQjCNHsQ1xliHPHAiRKTVOB3Z numerosas, como se requiere calibración de cada subsistema mxkxbSGg las tolerancias de las resistencias, los cambio de temperatura, , instrumentos defectuosos, referencias mal considera , consideradas [3] NTC thermistors, pag 1, , pueden hacer de la toma de medidas un procedimiento arduo si www.mne.psu.edu/sommer/me445/ntcnotes.pdf no se tienen todas las precauciones necesarias necesarias. [4] Temperature accuracy-- http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemico Vale la pena recalcar que por las existen factores que hacen nductor/DS005698.PDF que no se puedan concluir algunas cosas acerca de los sensores estudiados, por ejemplo si queremos determinar la , [5] Puente de Wheatsone: : repetibilidad, sería muy complicado ya que tendríamos que http://fisica.udea.edu.co/~labgicm/2009_electronica/2009P http://fisica.udea.edu.co/~labgicm/2009_electronica/2009 someter el sistema a condiciones exactamente iguales para iones uente_de_Wheaststone.pdf saber si arroja la misma medida, pero eso no se puede lograr, siempre hay imperfecciones o diferencias en los montajes, las [6] Amplificador de Instrumentación Notas de Clase Ing. Instrumentación: estufas no calientan igual ni en el mismo tiempo, la Marisol Gomes temperatura ambiente cambia, los errores de paralaje son http://www.gii.upv.es/personal/gbenet/tim/practicas/practic .upv.es/personal/gbenet/tim/practicas/practic distintos, entre otros aspectos que hacen muy difícil a%20transductores/Pr%C3%A1ctica1_transductores.pdf determinar aspectos como el mencionado. o [7] LabVIEW: Herramientas como LabVIEW y tarjetas de adquisición nos http://www.gte.us.es/ASIGN/IE_4T/Tutorial%20de%20La permiten de una forma más aproximada, eficaz y sencilla el bview.pdf conocimiento de sistemas de sistemas de medida como el http://techteach.no/publications/labview/lv82/labview/#sec presentado en este trabajo, esta práctica nos enriqueció de gran _formula_node forma gracias a los atributos presentados al momento de la elaboración completa del sistema desde la parte de diseño, [8] Introducción a los sistemas de medida, montaje, medición y acondicionamiento de señal señal. http://webpages.ull.es/users/oghdez/pdf/Introduccion%20a %20los%20sistemas%20de%20medida.pdf