La temperatura es una de las magnitudes que se miden con más frecuencia en un dispositivo o en las condiciones que lo rodean, especialmente en el caso de los componentes electrónicos. Esto se debe a que los dispositivos y circuitos electrónicos generan calor y requieren algún tipo de gestión térmica.
Existen varios tipos de sensores de temperatura que funcionan bien para este tipo de aplicaciones y que ofrecen diferentes características o especificaciones. Por ejemplo, un sensor de temperatura puede ofrecer una salida analógica o digital.
En este tutorial, cubriremos algunos de los tipos más comunes. Estos sensores se pueden clasificar en términos generales como:
1. Sensores de temperatura de contacto : estos tipos requieren contacto con un objeto para detectar su temperatura y pueden usarse para medir la temperatura de un sólido, líquido o gas.
2. Sensores de temperatura sin contacto : detectan la temperatura de un objeto o su entorno mediante radiación o convección. Estos sensores se utilizan principalmente para medir líquidos o gases. Sin embargo, los sensores que utilizan radiación infrarroja también son capaces de detectar la temperatura de objetos sólidos.
Dentro de estas dos clases de sensores de temperatura, existen varios tipos diferentes para elegir.
Aquí están algunas…
Termistores
El término "termistor" es una abreviatura de "resistencia térmicamente sensible". Es un tipo especial de resistencia cuya resistencia cambia según la temperatura.
Por ejemplo:
- Si la resistencia de un termistor aumenta al aumentar la temperatura, tiene un coeficiente de temperatura positivo y se llama termistor PTC.
- Si la resistencia de un termistor disminuye al aumentar la temperatura, tiene un coeficiente de temperatura negativo y se llama termistor NTC. La mayoría de los termistores son NTC.
Los termistores tienen un tiempo de respuesta bastante bajo ante cualquier cambio de temperatura. Son dispositivos electrónicos pasivos y no requieren que pase corriente a través de ellos para generar una salida de voltaje. La resistencia física de un termistor puede variar desde unos pocos ohmios, kiloohmios o decenas de megaohmios.
Un termistor es un sensor de tipo contacto que proporciona una salida analógica y una interfaz en un circuito mediante una red divisora de voltaje. La red divisora de potencial también se puede interconectar con un amplificador diferencial o la entrada analógica de un microcontrolador para lectura de voltaje.
Este tipo de sensores son fiables, muy precisos y duraderos. Los termistores rara vez se dañan a menos que se sometan a temperaturas extremadamente altas más allá de su límite máximo. Sin embargo, pueden sufrir daños físicos porque normalmente están construidos con materiales semiconductores de tipo cerámico, como óxidos de níquel, cobalto y/o manganeso. El material semiconductor se prensa en discos o esferas y se cierra herméticamente.
Las características más importantes a considerar al elegir un termistor son:
- Rango de resistencia
- Curva resistencia-temperatura
- Constante de tiempo (es decir, qué tan rápido cambia su resistencia con la temperatura)
- Resistencia física a la temperatura ambiente.
- Rango de temperatura y potencia nominal según el flujo de corriente
Los termistores NTC generalmente tienen una curva resistencia-temperatura no lineal debido a su naturaleza exponencial. Pero esto se puede nivelar en ciertos rangos. Los termistores estándar tienen un rango de temperatura típico entre -50˚ y 150˚ C, mientras que los termistores encapsulados en vidrio alcanzan hasta 250˚ C.
La mayoría de los termistores se pueden interconectar fácilmente con Arduino u otras plataformas de microcontroladores, siempre que la placa o el controlador seleccionado tenga una entrada analógica.
En un circuito sin microcontrolador, estos sensores se pueden interconectar con un amplificador operacional usando una red divisora de voltaje para obtener finalización binaria para una aplicación (por ejemplo, si la temperatura es inferior o superior a un cierto umbral).
Detectores de temperatura resistivos (RTD)
Los RTD tienen un coeficiente de temperatura positivo y su resistencia aumenta al aumentar la temperatura. Este tipo de sensores tienen un metal conductor de alta pureza -como cobre, platino o níquel- que se enrolla en una bobina o en una fina película depositada sobre un sustrato cerámico.
Son sensores de precisión que ofrecen una curva resistencia-temperatura extremadamente lineal y precisa. Sin embargo, tienen una baja sensibilidad térmica (normalmente 1Ω/˚C).
Los RTD fabricados con platino son los más utilizados y se denominan termómetros de resistencia de platino o PTC. Los PTC son caros.
Otra desventaja de los RTD y PTC es que se calientan automáticamente. Esto significa que su resistencia se ve afectada por el calor debido a la corriente que fluye a través de ellos, lo que puede provocar lecturas incorrectas.
Los RTD son sensores de tipo contacto que proporcionan una salida analógica. Para compensar su característica de autocalentamiento, los RTD generalmente se interconectan en un circuito utilizando una red de puente de Wheatstone, que tiene una fuente de corriente constante conectada. Esto es para compensar cualquier error estándar o cables adicionales (utilizados para compensación de derivación).
Los RTD de platino tienen una curva lineal de resistencia-temperatura que está por encima del rango típico de -200˚ a 600˚ C.
El RTD PTD100 es actualmente el RTD más popular disponible en paquetes de 2, 3 o 4 cables. Tiene una resistencia de 100Ω a 0˚C, que se eleva a 140Ω a 100˚C.
Para medir la temperatura usando un RTD, se debe conectar a un puente de Wheatstone con una fuente de corriente constante. La salida de voltaje se mide para determinar la resistencia. Luego, la temperatura se puede derivar mediante la relación lineal resistencia-temperatura para un RTD determinado.
termopar por favor
Un termopar es el sensor de temperatura de tipo contacto más utilizado. Son compactos, económicos, fáciles de usar y brindan un tiempo de respuesta rápido a los cambios de temperatura. Estos sensores ofrecen el rango de temperatura más amplio, que está entre -200˚ y 2000˚ C. Un termopar está hecho de dos cables de diferentes metales, conectados eléctricamente mediante dos uniones. Los metales, por ejemplo, pueden ser el cobre y el Constantán.
Una unión se mantiene a una temperatura constante como referencia y se denomina unión fría. La otra se utiliza para medir la temperatura y se llama unión caliente. Dado que las temperaturas en ambas uniones normalmente son diferentes, el potencial entre ellas se utiliza para medir la temperatura real.
La unión entre los dos metales crea un efecto termoeléctrico, donde se forma un potencial constante de unos pocos milivoltios. Esta diferencia de voltaje entre las uniones se llama "efecto seeback". Básicamente, es como un gradiente de voltaje entre los dos.
Cuando ambas uniones tienen la misma temperatura, tienen una diferencia de voltaje cero. Cuando ambas uniones están a diferentes temperaturas, se genera un voltaje proporcional a la diferencia de temperatura. La diferencia de voltaje aumenta a medida que aumenta la diferencia de temperatura entre las dos uniones, y hasta que se genera una diferencia de voltaje máxima. Este pico de voltaje está determinado por las características de cada metal.
Para medir la salida de voltaje de un termopar se requiere un amplificador. Normalmente hay sólo unos pocos milivoltios de diferencia con un aumento de temperatura de 10˚C. Los amplificadores de instrumentación y chopper se utilizan comúnmente porque ofrecen una estabilidad de deriva superior con ganancias muy altas.
La salida de voltaje medida de un termopar se puede aplicar a la entrada analógica de un microcontrolador o a un circuito amplificador normal para completar la lógica.
Los termopares están hechos de una variedad de metales y tienen diferentes rangos de temperatura según la combinación de metales utilizados en su construcción. Como resultado, estos sensores están listados y disponibles según códigos estándar y colores de cables.
Los termopares se eligen para una aplicación en función de su rango de temperatura. Los tipos R, J y T se utilizan habitualmente. Aunque los termopares son económicos, tienen baja precisión (tolerancia de 0,5˚ a 5˚C) y una curva de temperatura no lineal. Por lo general, los ingenieros necesitan hacer coincidir el sensor utilizado con una tabla de consulta para determinar la conversión, el control y la compensación de la temperatura.
Termostatos
Un termostato es un sensor de temperatura electromecánico construido uniendo dos metales diferentes para formar una tira bimetálica. Cuando esta tira se expone al calor, se dobla debido a las diferentes expansiones lineales de los dos metales. Los metales pueden ser níquel, aluminio, tungsteno o cobre.
Los termostatos se utilizan a menudo como interruptores eléctricos o para controlar un interruptor eléctrico en controles termostáticos. Los interruptores termostáticos están controlados por movimiento y pueden ser:
1. Un tipo de acción instantánea: ofrece operación de encendido/apagado instantáneo que se usa ampliamente en hornos, tanques de agua caliente, planchas eléctricas y otros aparatos de calefacción domésticos.
2. Un tipo de acción repetida: se utiliza como diales o medidores y proporciona cambios graduales de temperatura. Estos tipos se ensamblan como bobinas o espirales bimetálicas y son más sensibles a los cambios de temperatura.
Los termostatos están disponibles para una amplia gama de temperaturas, pero tienen poca confiabilidad debido a su alta histéresis. Normalmente, estos sensores solo se utilizan en aplicaciones de control donde se utiliza un punto de ajuste de temperatura preciso para funcionar como un interruptor.
Sensores basados en semiconductores
Los sensores de temperatura basados en semiconductores son circuitos integrados duales. Para detectar cambios de temperatura se integran dos diodos idénticos con características de tensión-corriente sensibles a la temperatura.
En general, estos sensores ofrecen baja precisión (tolerancia entre 1˚ y 5˚ C), capacidad de respuesta lenta (entre 5 y 60 segundos) y un rango de temperatura estrecho (entre -70˚ y 150˚ C).
Muchos sensores de temperatura basados en semiconductores ahora vienen con amplificadores internos, que generan una salida de alrededor de 10 mV/˚C. Estos sensores tienen mayor precisión y alta linealidad. Los tipos de semiconductores se utilizan generalmente con termopares para compensar la temperatura de la unión fría.
Sensores de temperatura infrarrojos
Los sensores infrarrojos son un tipo de sensor de temperatura sin contacto. Son dispositivos fotosensibles que detectan la radiación infrarroja (IR) del área circundante o de un objeto para medir el calor.
Termopilas
Las termopilas son uno de los tipos más populares de sensores de temperatura sin contacto. Se utilizan para medir el calor y las concentraciones de gas.
Las termopilas se utilizan a menudo en el control de procesos industriales, lectores de temperatura médicos, alarmas de calor, hornos microondas, detección de hielo en carreteras y automóviles.
Conclusión
Los termopares son los sensores de temperatura de tipo contacto más comunes porque son económicos, ofrecen el rango de temperatura más amplio y tienen características aceptables para la mayoría de las aplicaciones.
Sin embargo, para una mayor exactitud, precisión y respuesta, se prefieren los RTD y los termistores. Las consideraciones más importantes al elegir un sensor de temperatura de tipo contacto son el tamaño, el costo, el rango de temperatura y la precisión. Estos factores también dependen de la aplicación.
Los sensores de temperatura sin contacto suelen basarse en la detección de radiación infrarroja. Los factores más importantes a considerar al elegir sensores de temperatura sin contacto son el costo, la confiabilidad, la precisión y la aplicación. Algunas aplicaciones populares que utilizan sensores de temperatura sin contacto son las imágenes térmicas, los termómetros infrarrojos y el escaneo infrarrojo.