Medición de Temperatura de Precisión: Termopares y Termistores NTC

Medición de Temperatura con Termopares: Compensación de la Unión Fría

La compensación de la unión fría es una técnica esencial utilizada en circuitos de medición de temperatura basados en termopares. Su objetivo principal es eliminar la dependencia indeseable de la temperatura ambiente (T2) en la precisión de la medida, permitiendo así una medición absoluta de la temperatura (T1) de un cuerpo o fluido.

Técnicas de Compensación de la Unión Fría

Esta compensación puede llevarse a cabo mediante dos enfoques principales:

1. Uso de una Temperatura de Referencia Fija (Tref)

   Esta técnica implica el uso de un termopar de compensación y un sistema que mantenga una temperatura de referencia (Tref) conocida y estable. Generalmente, se opta por un baño de mezcla de agua y hielo, que garantiza una temperatura de referencia de Tref = 0ºC. La utilización de este baño, junto con uno o más termopares de compensación, permite resolver el problema de la dependencia con T2.

2. Medición de T2 con Otro Sensor

   Consiste en medir la temperatura ambiente (T2) con un sensor adicional y utilizar esta medida para compensar las variaciones en la tensión de salida del termopar. Esto puede realizarse de dos maneras:

   • Compensación por Hardware

     Se diseña un circuito analógico (comúnmente un sumador) para compensar directamente las variaciones de T2 en la señal del termopar.

   • Compensación por Software

     Se miden independientemente las tensiones V1 (del termopar) y V2 (del sensor de T2), y se aplica un algoritmo en un microcontrolador o procesador para compensar T2 y obtener la temperatura absoluta T1.

Termistores NTC: Linealización y Circuitos de Acondicionamiento

Un termistor NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo) es un tipo de resistencia variable con la temperatura. A diferencia de las RTD (Detectores de Temperatura por Resistencia) que se basan en metales, los termistores NTC fundamentan su funcionamiento en las propiedades térmicas de los materiales semiconductores.

Su operación se basa en la dependencia que la conductividad intrínseca y extrínseca de los materiales semiconductores guardan con la temperatura. Los termistores NTC se caracterizan por tener una resistencia que varía inversamente con la temperatura; es decir, su resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta.

Matemáticamente, la relación entre la resistencia (R) y la temperatura (T) de un termistor NTC se describe mediante una ecuación exponencial, donde B es el índice de sensibilidad del material:

[Fórmula de la resistencia del termistor NTC en función de la temperatura y el coeficiente B]

Principio de Funcionamiento de los Termistores NTC

Los semiconductores son sustancias sólidas cristalinas que, en su diagrama de bandas, presentan una banda de valencia completamente llena y una banda de conducción completamente vacía, separadas por un intervalo de energía prohibido no superior a 2 eV. Los semiconductores disminuyen su resistencia al aumentar la temperatura, ya que al crecer la energía media de sus partículas, aumenta la probabilidad de que un electrón (e^-) pase de la banda de valencia a la banda de conducción, incrementando así la conductividad.

Linealización y Circuitos de Acondicionamiento para NTC

Cuando se emplea un termistor NTC como sensor de temperatura, el principal desafío en el diseño es obtener una señal electrónica linealizada a partir de su relación resistencia-temperatura, que es inherentemente no lineal. Para solventar este problema, se emplean diversas técnicas de linealización:

1. Conexión en Paralelo con una Resistencia Fija (Rp)

   Esta técnica, teóricamente más sencilla, consiste en colocar una resistencia de valor fijo (Rp) en paralelo con el termistor NTC. El valor de Rp se calcula mediante la siguiente ecuación:

   [Ecuación para el cálculo de Rp]

   Donde Tc es la temperatura media del rango de temperaturas de interés. El conjunto resultante (NTC en paralelo con Rp) supone una resistencia variable con la temperatura que, a cambio de una ligera pérdida de sensibilidad, presenta una mejor linealidad en un rango específico.

2. Uso de un Divisor de Tensión con Resistencia en Serie (Rs)

   Esta técnica implica conectar una resistencia de valor fijo (Rs) en serie con el termistor NTC, formando un divisor de tensión. La señal acondicionada se toma como la tensión en los bornes del NTC. El valor de Rs se calcula mediante la ecuación:

   [Ecuación para el cálculo de Rs]

   Donde Tc es la temperatura media del rango de temperaturas. Así, tomando Vref (tensión de referencia) como constante, la tensión que cae en la NTC se puede expresar como:

   [Fórmula de la tensión en la NTC en un divisor de tensión]