Temperatura
Temperatura: representa la capacidad de un cuerpo para comunicar calor a otros cuerpos. Es una medida macroscópica del grado de agitación de sus moléculas (energía cinética).
Capacidad calorífica o calor específico
Cantidad de calor que se debe aportar a un cuerpo de 1Kg para que su temperatura aumente 1 Kelvin. Transferencia de calor: en un sistema en el que las moléculas de los diferentes cuerpos o fluidos se encuentren con distintos grados de agitación térmica, se producen flujos de energía calorífica hasta alcanzar el equilibrio térmico.
Tipos de transferencia de calor
- Conducción: propagación del calor por agitación térmica de las partículas sin desplazamiento real de las moléculas. Importante en sólidos.
- Convección: transmisión de calor con movimiento real de las moléculas. Solo en fluidos como consecuencia de la mezcla entre sus masas.
- Radiación: ondas electromagnéticas. No hay contacto entre los cuerpos.
Medición de temperatura en un fluido
Minimizar el intercambio por radiación y maximizarlo por convección (temperatura media del fluido), utilizando convección forzada y un sensor con baja emisividad y alta reflexividad.
Medición de temperatura en una superficie
Sensor=f(T aire, T superficie). El aislante térmico reduce el mecanismo de convección, incrementando la temperatura de la superficie aislada respecto al resto (no debe usarse).
RTD
La resistividad de un material conductor se incrementa al hacerlo la temperatura, linealmente aproximadamente. Características deseadas de los materiales: coeficiente de temperatura elevado, resistividad elevada, linealidad en la relación resistividad-temperatura, rigidez y ductilidad. Materiales más utilizados: níquel y platino.
Equivalente térmico y Tiempo de respuesta
Equivalente sistema primer orden paso bajo, Rth: resistencia térmica (ºC/W). Dependiendo del entorno de funcionamiento y Cth capacidad térmica condiciona el tiempo de respuesta.
Error por la resistencia de los cables
La resistencia medida es la del RTD más la de los cables. Como la del RTD no es muy elevada, la de los cables puede introducir un error importante.
NTC
Sensor resistivo con coeficiente de temperatura negativo construido con materiales semiconductores. Su función de transferencia es no lineal y se puede aproximar con un error inferior a ±0.02ºC en un margen de unos 200ºC mediante la ecuación de Steinhart-Hart.
NTC vs RTD
– NTC más sensibilidad, permitiendo detectar variaciones más pequeñas de T aun con electrónica de acondicionamiento mala. -La resistencia del NTC es muy superior, menos error por la resistencia de los cables. Menor tamaño, respuesta más rápida, menos invasivo, posibilidad de integración. Más barato.
Union semiconductora
La tensión Vbe de los transistores bipolares es directamente proporcional a la temperatura. El problema está en que la corriente de saturación (Is) depende mucho de T y se conoce con poca exactitud.
Efecto Seebeck
Si un circuito formado por unión de dos metales, existe diferente temperatura entre las uniones, aparece corriente eléctrica debido a la generación de un campo eléctrico función de T, consecuencia de la difusión de electrones.
Efecto Peltier
Si en un circuito formado por la unión de dos metales se establece una corriente aparece un gradiente de temperatura entre sus uniones. Es la inversa del Seebeck.
Efecto Thomsonn
En un conductor si dos puntos tienen diferente T entre ellos aparece una tensión función de la diferencia de T y el tipo de material.
Tipos de termopares
Se utilizan diferentes metales y aleaciones en función de: margen de temperatura, sensibilidad, linealidad, precio y entorno de funcionamiento.
Ley del circuito homogéneo
En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.
Ley de los metales intermedios
Si en un circuito la temperatura es uniforme en todos los conductores intermedios entre dos uniones, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores intermedios y es la misma que si estos se eliminan.
Ley de las temperaturas intermedias
Permite usar las tablas de referencia de un termopar y determinar la relación entre Vo y temperatura de las uniones.
Medida de la tensión de un termopar
Tres Opciones: 1- Mantener la temperatura constante desde unión fría hasta el medidor, pero no siempre es posible. 2- Cada unión este a una temperatura (bloques isotermos). 3- Uso de cables de compensación: similares características termoeléctricas en un margen de temperatura, pero más baratos que el cable del termopar.
Compensación de la unión fría
Se trata de que la medida de tensión solo dependa de la unión caliente. Posibilidades: -Someter la unión fría a una T estable y conocida. -Medir con otro sensor la T de la unión fría y eliminar su aportación al resultado. Es la más habitual.
Fuerza
Magnitud física vectorial capaz de deformar cuerpos, modificar su velocidad o vencer su inercia. Se mide a partir de su efecto.
Tensión mecánica
Fuerza soportada por un sólido por unidad de área. =F/S.
Presión mecánica
Equivalente a la tensión mecánica si la fuerza es ejercida por/en líquidos o gases.
Conversion Deformación – magnitud eléctrica
–Galga extensométrica metálica: la deformación se traslada a un elemento resistivo metálico. La variación de sus dimensiones varía su resistencia.
Galga extensométrica semiconductora
La tensión mecánica sobre el semiconductor varía su resistividad (efecto piezorresistivo) mucho más que la producida por la variación de su dimensión.