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ING2222 · Tecnología de Control · Familia 6 · FI-UNMdP

Sensores de temperatura

Cómo cada tecnología convierte la temperatura en una señal que entiende un sistema de control

Seminario de Sensores · 1–7 bloques · F pantalla completa · ? ayuda

01 · Mapa de la familia Expositor 1

Si los cinco miden temperatura, ¿por qué no podemos enchufar cualquiera en la misma entrada del PLC?

Ninguno entrega «grados»: cada uno convierte un fenómeno físico distinto en una señal eléctrica distinta.

  1. 01Principio físico
  2. 02Señal primaria
  3. 03Analógica o digital
  4. 04Conexión al control
  5. 05Salida PNP / NPN

Foco de la exposición: termocupla y Pt100, las de mayor uso industrial.

01 · Mapa de la familia 2/2

Cinco sensores, cinco señales

Comparación de los cinco sensores de temperatura
Sensor Principio físico Señal primaria ¿Analógica o digital? ¿Alimentación del elemento? Salida hacia el control ¿PNP / NPN?
Termocupla Efecto Seebeck Tensión en mV Analógica No (el elemento genera su señal) Entrada TC con compensación de junta fría, o transmisor 4–20 mA No
RTD Pt100 / Pt1000 Resistencia del platino Resistencia (Ω) Analógica Excitación desde la entrada Entrada RTD o transmisor 4–20 mA No
Termistor NTC / PTC Resistencia de un semiconductor Resistencia (Ω) Analógica Excitación limitada Entrada compatible con su curva o relé de protección No
Integrado LM35 / DS18B20 Uniones semiconductoras + electrónica 10 mV/°C (LM35) · dato 1-Wire (DS18B20) Analógica / Digital Sí Entrada analógica · maestro 1-Wire No
Infrarrojo ifm TW2000 Radiación térmica Procesada internamente Analógica + digital Sí (18–32 V CC) OUT2: 4–20 mA · OUT1: PNP o IO-Link Sí, solo OUT1 conmutada

02 · Termocupla Expositor 2

Termocupla: efecto Seebeck

Dos conductores distintos, unidos en el punto de medición, generan una tensión proporcional a la diferencia de temperatura.

Termocupla: dos conductores distintos unidos en el proceso; entre los bornes aparece una tensión en mV PROCESO temperatura de medida · Tm metal A (+) metal B (−) unión de medida BORNES · Tref junta fría (de referencia) mV instrumento V ≈ S · (Tm − Tref) Ilustración didáctica, no a escala
mV
Señal analógica de bajo nivel
Autogenerada
El elemento no requiere alimentación
2 hilos
Con polaridad definida (+ / −)

02 · Termocupla 2/3

Mide una diferencia de temperatura

V ≈ S · (Tm − Tref)
La referencia son los bornes del instrumento: la junta fría.

200 °C
25 °C
Tensión generada 7,18mV

Modelo lineal simplificado (tipo K); el instrumento usa la curva normalizada.

Sin compensar
supone Tref = 0 °C
175°C
error −25 °C
Con compensación de junta fría
mide Tref y la incorpora
200°C
lectura correcta
ExtensiónCable de compensación del mismo tipo, no cobre común.
Conexión al PLCEntrada para termocupla o transmisor 4–20 mA.
PNP / NPNNo aplica: señal analógica continua.

03 · RTD: Pt100 y Pt1000 Expositor 3

RTD: resistencia de platino

Elemento pasivo: su resistencia aumenta con la temperatura de forma conocida y repetible.

  1. Mayor temperatura
  2. mayor resistencia del platino
I V Pt

R = V / IExcitación con corriente baja; la curva del platino convierte Ω en °C.

analógica resistiva NO PNP / NPN NO 4–20 mA ni 0–10 V por sí sola

Pt100 · resistencia vs temperatura

Curva de la Pt100: 100 ohms a 0 grados, sube unos 0,385 ohms por grado entre 0 y 100 grados −50050100150200250 °C 80100120140160180200 R (Ω) 0 °C → 100 Ω 100 °C → 138,5 Ω ≈ 0,385 Ω/°C media entre 0 y 100 °C Ilustración didáctica

03 · RTD 2/4

Pt100 y Pt1000: misma curva, distinta escala

Pt100Pt1000 Resistencia a 0 °C100Ω1000Ω Sensibilidad media entre 0 y 100 °C0,385Ω/°C3,85Ω/°C

Platino en ambos casos: la Pt1000 tiene diez veces más resistencia y sensibilidad.

Ventaja de la Pt1000: menor error por cableado

El instrumento mide sensor y conductores en serie.

2 × 0,5 Ω=1 Ω de cable
Pt100+2,6 °C
Pt1000+0,26 °C

A igual cable, error diez veces menor.

Contrapartida Autocalentamiento (P = I²R): se mide con corrientes bajas, 0,1 a 1 mA.

03 · RTD 3/4

Conexión a 2, 3 y 4 hilos

Conexión de una RTD a 2, 3 o 4 hilos, con el camino de la corriente de excitación INSTRUMENTO Pt100 sensor rojo rojo blanco blanco Rc Rc Rc Rc se suman: 2·Rc se compensan si son iguales los punteados miden tensión: I ≈ 0, su Rc no genera caída I excitación V — — par que mide tensión • • • corriente de excitación Ilustración didáctica, no a escala

Simulador · error por cable2 hilos

0,50 Ω
Pt100
+2,60°C
Pt1000
+0,26°C
Pt100
Pt1000

error = 2·Rc / S

El conexionado a 4 hilos no elimina la tolerancia propia del sensor.

Criterio de selección: el error de cableado admisible.

04 · Termistor · integrado · infrarrojo Expositor 1 + Expositor 4

Termistor y sensor integrado

Termistor NTC / PTC

Expositor 1

Semiconductor: alta sensibilidad, respuesta no lineal.

Curvas de resistencia: la NTC baja al calentarse, la PTC sube con un salto brusco −402575125 °C R (escala log) NTC baja PTC: salto brusco PTC (ilustrativa) Curvas ilustrativas
NTCMedición en equipos de refrigeración y climatización
PTCProtección térmica de bobinados de motor
analógica resistiva 2 terminales NO PNP / NPN · 4–20 mA

Sensor integrado

Expositor 1

Unión semiconductora con electrónica incorporada: requiere alimentación.

LM35analógico · 4–30 V
10 mV/°C
25 °C

Salida: 250 mV

DS18B20digital
VDDDQGND dato por 1-Wire

Dato digital por protocolo 1-Wire.

NO PNP / NPN

Una Pt100 con transmisor sigue siendo una Pt100.La electrónica agregada no modifica el principio de medición.

04 · Infrarrojo 2/3 Expositor 4

Pirómetro infrarrojo: medición sin contacto

Capta la radiación térmica de la superficie. La emisividad (ε) define cuánto emite y cuánto refleja.

El pirómetro capta la radiación que emite la superficie y la que refleja del entorno, dentro del cono del área observada entorno · 25 °C área observada Mate oscura ε ≈ 0,95 emite refleja 150 TW2000 pirómetro Ilustración didáctica, no a escala

Mide la superficie, no el núcleo.

En producto congelado se obtiene solo la temperatura superficial.

Simulador · emisividadentorno 25 °C

150 °C
0,95
lectura del instrumento
150°C
real 150 °C
error 0 °C

Modelo simplificado · emisividades ilustrativas.

05 · Del sensor al PLC Expositor 4

Señal primaria ≠ salida industrial

La termocupla da mV y la Pt100 da ohms; con un transmisor, las dos llegan al PLC por el mismo 4 a 20 mA SENSORSEÑAL PRIMARIAACONDICIONAMIENTOSALIDA INDUSTRIALCONTROL o entrada específica para termocupla (compensa junta fría) o entrada específica para RTD Termocupla mV transmisor Pt100 Ω transmisor 4–20 mA 4–20 mA ¿TC o Pt100? PLC entrada analógica 4–20 mA

Desde el lazo de 4–20 mA no puede identificarse el sensor.

Salida analógicacontinuamV · Ω · 0–10 V · 4–20 mA
Salida digitaldato por protocolo1-Wire (DS18B20) · IO-Link (TW2000)
Salida conmutadaPNP / NPN: dos estadosOUT1 del TW2000

05 · Del sensor al PLC 2/3

Lazo de corriente 4–20 mA

Lazo de corriente: la misma corriente circula por todo el recorrido, del transmisor al PLC transmisor desde TC o Pt100 tendido extenso 12,0 mA12,0 mA12,0 mA PLC lee mA
  • IMisma corriente en todo el lazo: la longitud del cable influye menos que en tensión.
  • ~Menor sensibilidad al ruido que una señal de tensión (no es inmune).
  • 4Cero vivo: 4 mA es el mínimo; 0 mA indica falla.

Simulador · lazo 4–20 mArango 0–200 °C

12,00mA
100 °C

I = 4 + 16 · (T − Tmin) / (Tmax − Tmin)

05 · Del sensor al PLC 3/3

Salidas conmutadas PNP y NPN

Salida PNP

+24 V0 V T ≥ umbral OUT carga

Conmuta el positivo hacia la carga (conectada a 0 V).

Salida NPN

+24 V0 V carga OUT T ≥ umbral

Conmuta la carga hacia 0 V (conectada a +V).

Simulador · salida conmutada

90 °C
120 °C
inactiva

Única salida PNP entre los equipos presentados:

PNP/NPN describe una salida conmutada, no el principio de medición. Una Pt100 no es PNP ni NPN.

06 · Selección y aplicación Expositor 5

Criterios de selección

Ninguna tecnología es óptima en todos los aspectos: cada elección es un compromiso.

  • RTDExactitud, estabilidad y repetibilidad, dentro del rango de la sonda
  • TermocuplaAlta temperatura, ambiente severo, robustez y respuesta rápida
  • TermistorBajo costo dentro de equipos; protección térmica
  • IntegradoSistemas electrónicos que requieren una señal acondicionada
  • InfrarrojoSin contacto: objetos en movimiento, muy calientes o inaccesibles

06 · Selección y aplicación 2/3

Aplicación: línea de patitas de pollo congeladas

Diagrama de la línea con los puntos de medición de temperatura vapor Sala de calderas gases de combustión CIP · agua 80–85 °C Mezcladora0 a 8 °C Prefritura180–195 °C Hornococción / vapor90–120 °C Túnel IQF−35 a −40 °C Cámara−18 °C producto en la cinta
Pt100 / Pt1000 Termocupla Infrarrojo Cualquiera de las dos

Punto 1 / 9seleccionar un marcador

Masa en mezcladora

rango típico
0 a 8 °C
Pt100 clase A, ejecución higiénica

Infrarrojo: solo superficie. Para la temperatura de núcleo (inocuidad): sonda de punción.
Tabla de puntos de medición
PuntoRango típicoTecnología

06 · Selección y aplicación 3/3

Mito

«Por encima de 600 °C, solo termocupla»

Falso: existen RTD para alta temperatura y termocuplas para temperaturas muy bajo cero.

Decide la hoja técnica del sensor concreto, no el nombre de la tecnología.

07 · Cierre Expositor 5

Una misma variable, cinco señales eléctricas distintas.

  • TermocuplamVgenera tensión
  • RTDΩvaría su resistencia
  • TermistorΩvaría su resistencia
  • IntegradomV / datoprocesa en un chip
  • Infrarrojoradiacióncapta radiación

Elegir un sensor es elegir su principio, su señal, su conexionado y cómo llega al control.

Gracias
  • Expositor 1
  • Expositor 2
  • Expositor 3
  • Expositor 4
  • Expositor 5

Fuentes

Bibliografía y fichas oficiales

  1. WIKA · Termopar roscado con vaina, modelo TC10-CHoja técnica TE 65.03PDF oficial · copia local
  2. WIKA · Termorresistencia roscada con vaina, modelo TR10-CHoja técnica TE 60.03PDF oficial · copia local
  3. Vishay · NTC Thermistors, Radial Leaded, NTCLE100E3Documento 29049PDF oficial · copia local
  4. Texas Instruments · LM35 Precision Centigrade Temperature SensorsSNIS159HPDF oficial · copia local
  5. ifm electronic · Sensor de temperatura por infrarrojos TW2000TW-030KLBM30-KFDKG/USPDF oficial · copia local
  6. Apunte de cátedra, Unidad 3ING2222 Tecnología de Control · FI-UNMdP
  7. Creus Solé, A. Instrumentación industrialLibro de texto

Ilustraciones redibujadas con fines didácticos. Páginas de hojas técnicas reproducidas de los PDF oficiales.