10-5 TERMISTORES Y DETECTORES
RESISTÍVOS DE TEMPERATURA (RTD)
Además de usar el voltaje de un termopar para medir eléctricamente la temperatura, también es posible usar el cambio de resistencia que
ocurre en muchos materiales a medida que cambia su temperatura. Los materiales usados para este
propósito caen en dos categorías, los metales puros y los óxidos metálicos.
Los metales puros tienen un
coeficiente de resistencia de temperatura positivo bastante constante. El coeficiente de
resistencia de temperatura, generalmente llamado coeficiente de
temperatura es la razón de cambio
de resistencia al cambio de temperatura. Un coeficiente positivo significa que
la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Si el coeficiente
es constante, significa que el factor de proporcionalidad entre la resistencia
y la temperatura es constante y
que la resistencia y la temperatura se graficarán en una línea recta.
En la figura 10-9(a) se dan las gráficas de resistencia
contra temperatura para varios materiales comunes. El factor de resistencia en esta gráfica significa el factor por el cual la resistencia real es mayor
que la resistencia de referencia a
Cuando se usan óxidos meta para la medición de temperatura, el material de
óxido metálico es conformado en formas que semejan pequeños bulbos o capacitares. El dispositivo
formado así se llama termistor. Los termistores tienen coeficientes de temperatura negativos grandes no son constantes. En
otras palabras, el cambio
de resistencia por unidad de cambio
de temperatura es mucho mayor que para
un metal puro, pero el cambio es
en la otra dirección: la resistencia disminuye a medida que aumenta la
temperatura. El hecho de que el coeficiente no sea constante significa que el cambio en la resistencia por
unidad de cambio de temperatura
es diferente a diferentes temperaturas.
En la figura 10-9(b) se muestran
graficas de resistencia contra
temperatura para tres termistores industriales típicos. Note que la escala vertical es logarítmica para permitir la presentación del gran rango de resistencias. La resistencia sensible a la temperatura que compensó al termopar en la
sección 10-4 podría ser un termistor.
En la figura 10-10
se muestran tres circuitos para la utilización de los termistores y/o los RDT.
En los diagramas esquemáticos, los resistores sensibles a la temperatura se
simbolizan con un resistor encerrado en un círculo con la flecha atravesándola y
la letra T fuera del ciclo. Un resistor con un coeficiente de temperatura
positivo puede indicarse apuntando hacia arriba del circulo, y un resistor con
un coeficiente negativo puede simbolizarse con una flecha apuntando
hacia la parte inferior del círculo. Estas no son reglas de aceptación
universal, pero se usarán en este libro.
En la figura 10-10(a), el transductor de temperatura se
muestra en serie con un amperímetro y una fuente de voltaje estable. A medida
que aumenta la temperatura, la resistencia disminuye y aumenta la corriente. Si
las características específicas del termistor son conocidas, es posible
relacionar la medición de la corriente con la temperatura real. La fuente de
voltaje no debe cambiar o la correspondencia entre corriente y temperatura se
invalidará.
En la figura 10-10(b), el transductor de temperatura
incrementa su resistencia a medida que aumenta la temperatura. Esto causa la
aparición de una parte mayor del suministro estable de voltaje a través de sus
terminales. Entonces, la lectura del voltímetro puede relacionarse con la
temperatura. Si se desea, la escala del voltímetro puede marcarse en unidades
de temperatura en lugar de volts, para una lectura directa de la temperatura.
En la figura 10-10(c) se usa un circuito puente. En
cuanto a precisión, las mediciones de los circuitos puente son inherentemente
superiores a otras mediciones, pues puede hacerse muy sensible el medidor que
detecta el desbalance del puente. Por tanto, aun un ligero desbalance del
puente puede detectarse y ser ajustado. El medidor de detección del puente
puede hacerse muy sensible porque cuando el puente está cerca de ser
balanceado, el voltaje a través del puente es cercano a cero. Ya que el medidor
de detección no tiene que medir un voltaje grande, puede lograrse su respuesta
vigorosa a un voltaje pequeño. En otras palabras, puede hacerse muy sensible.
En contraste, los medidores de la figura 10-10(a) y (b)
no pueden hacerse muy sensibles porque deben ser capaces de leer valores
(relativamente) altos de voltaje o corriente.
El circuito puente funciona como sigue: a medida que aumenta la temperatura del
termistor, su resistencia disminuye. Esto cambia la razón de las resistencias
del lado derecho y saca al puente de balance (suponiendo que estaba balanceado al empezar). De
manera manual o automática, R3, es
ajustado hasta que la razón de resistencias del lado derecho nuevamente es
igual a la razón del lado izquierdo, regresando el balance al puente. La
posición del eje del potenciómetro R1
entonces representa la temperatura, ya que, por cada valor posible
de la resistencia de R1 sólo
hay un valor de la resistencia de R3
que balancea el puente. El eje de R3 está conectado mecánicamente a otro eje que posiciona el
apuntador de la temperatura.
Al usar el método de medición de puente balanceado, la escala de lectura de la
temperatura será lineal si el transductor es lineal. Una escala de lectura
lineal significa que distancias iguales
de la escala representan diferencias iguales
en la temperatura, o dicho de otra manera, que las marcas de escala de la
temperatura están espaciadas de manera igual. Dado que se ha visto que un
termistor es muy poco lineal, esperaríamos que la escala de temperatura de la
figura 10—10(c) también fuera no lineal. La no
linealidad extrema de los termistores los hace poco apropiados para la medición
de temperaturas a través de rangos amplios. Sin embargo, para la medición de
temperaturas dentro de bandas angostas, están muy bien dotados, pues dan una
gran respuesta a un cambio de temperatura pequeño. Esta gran respuesta también
es lo que recomienda a los termistores en aplicaciones como la escrita en la
figura 10-7(d), compensando una malla de termopar sobre
una banda bastante angosta de temperaturas de unión fría. La enérgica respuesta
del termistor simplifica la generación de suficiente compensación.
La no linealidad natural de los termistores puede corregirse parcialmente
conectando varios termistores apareados en una combinación serie-paralelo. El
circuito resultante se llama red compuesta de termistores. Estas redes
son bastante lineales a través de un rango bastante amplio de temperaturas
(unos
Como regla general, los termistores son preferibles cuando la banda de
temperatura esperada es angosta, mientras que los RTD son preferibles cuando la
banda de temperatura esperada es amplia. La mayoría de los termistores son
fabricados para uso entre —
Aparte de sus usos en la medición de temperatura en un medio externo, los
termistores también tienen aplicaciones que hacen uso del calor interno generado a medida que conducen
corriente. En cualquier aplicación de medición de temperatura externa, es
importante eliminar el efecto del calor generado internamente en el termistor.
Esto se logra haciendo muy pequeña la corriente del termistor. En algunas
aplicaciones, sin embargo, la capacidad de un termistor para cambiar su propia
resistencia conforme genera energía de calor. 1^2, puede ser muy útil. Por ejemplo, el autocalentamiento de
un termistor puede usarse para establecer retardos de tiempo, proteger
componentes delicados de las sobrecorrientes momentáneas, detectar la presencia
o ausencia de material conductor térmico, etc.