"El mundo se está calentando cada día." Esta frase empezó a aparecer de vez en cuando en nuestra vida diaria. Pero rara vez nos preguntamos qué significa eso. ¿Qué hace más calor? ¿Qué tan caliente es el calor? ¿Hace más calor que calor o simplemente más calor que frío? Para nuestros sentidos humanos, la temperatura es sólo una evaluación subjetiva. Para una medición objetiva y reproducible, necesitamos cuantificar los valores de temperatura y para ello necesitamos un dispositivo de medición adecuado. 
Figura 1: Una imagen representativa de sensores de temperatura.
Esto se logra mediante el uso de sensores de temperatura.
Temperatura y su medida.
En pocas palabras, la temperatura es el grado de calor corporal, que es una medida del contenido de calor en el cuerpo. El problema de cuantificar el contenido de calor corporal en una escala no surgió hasta la invención de la máquina de vapor. La curiosidad de los científicos por comprender el comportamiento del agua en diferentes niveles de contenido térmico dio lugar a un estudio formal y mejor estructurado. Una de las primeras referencias a la “temperatura” se remonta a 1760, cuando Joseph Black declaró que aplicar el mismo calor a diferentes materiales daba lugar a diferentes temperaturas. Años de rigurosos estudios científicos han dado lugar a muchas teorías que van desde el simple concepto de "calórico", que trataba el calor como una sustancia material que se intercambia entre materiales, hasta la descripción de Carnot del calor como una forma de energía (que sentó las bases de la primera ley). de la termodinámica). Sin embargo, ninguno de ellos explicó satisfactoriamente el concepto de temperatura. Fue la teoría de Maxwell la que ofreció un buen razonamiento para esto. Definió la temperatura de un cuerpo como su propiedad térmica que proporciona información sobre el contenido energético del sistema. Es la medida de la energía cinética promedio (energía debida al movimiento) de las moléculas de una sustancia y significa un potencial térmico debido al cual el calor fluye de una temperatura más alta a una temperatura más baja.
Se dice que la palabra "temperatura" deriva de la palabra latina "tempera", que significa "moderar o suavizar". Siguiendo la línea de pensamiento de Maxwell, la velocidad de las moléculas debería ser la base para seleccionar el valor de la temperatura, siendo la ausencia absoluta de calor un estado en el que las moléculas son totalmente estáticas. Sin embargo, esta medición no es posible en la práctica y por eso se utilizan otras manifestaciones del efecto del calor para medir la temperatura, por ejemplo la expansión geométrica de los materiales. En la siguiente figura se muestra una breve historia de los sensores de temperatura con hitos importantes:
Figura 2: Una tabla que representa una breve historia de los sensores de temperatura con hitos importantes
Tipos: Sensores de temperatura de contacto
Tipos de sensores de temperatura:
Básicamente, existen dos clases principales de sensores de temperatura según la distancia de detección:
1. Sensor de temperatura de contacto: El sensor se coloca en contacto físico con el objeto a monitorear. Este método se puede utilizar con sólidos, líquidos y gases. Los sensores utilizados para la medición pueden variar desde termómetros de bulbo piloso y sensores bimetálicos hasta sensores que utilizan señales de voltaje o valores de resistencia variables.
Termómetros de expansión: Estos sensores utilizan tiras bimetálicas que tienen diferentes velocidades de expansión a una temperatura determinada. Por tanto, esta diferencia de expansión se puede traducir en un cambio de temperatura utilizando un puntero mecánico. Aunque no son muy precisos, estos dispositivos ofrecen la ventaja de ser portátiles. Aplicaciones de bajo costo, como compensadores de tiempo en relojes mecánicos, termostatos donde una temperatura más alta puede abrir el contacto como en el control de calefacción o cerrarlo como en refrigeradores, utilizan tiras bimetálicas para abrir y cerrar interruptores mecánicos que a su vez controlan interruptores eléctricos como rompedores de circuito.
Termómetros de sistema llenos: Estos dispositivos están llenos de algún sustituto que se expande o contrae debido al cambio de temperatura. Es posible que estén llenos de mercurio. Sin embargo, como se considera un peligro para el medio ambiente, se pueden utilizar tipos de líquidos orgánicos. No requieren energía eléctrica para funcionar y son estables incluso después de un uso repetido. Sin embargo, no proporcionan ningún tipo de solución de almacenamiento de lectura y tampoco pueden realizar mediciones puntuales. Se utilizan en la industria médica para medir la temperatura corporal.
Sensores basados en señales de tensión : Los termopares son los principales sensores de esta categoría. El principio subyacente es el efecto Seebeck. Cuando dos metales o aleaciones diferentes se colocan juntos para formar dos uniones, se induce un voltaje a través de las uniones cuando hay una diferencia de temperaturas entre las uniones. Estos sensores son capaces de detectar temperaturas muy altas (hasta 1700 °C ), tienen un diseño muy simplista que los hace bastante robustos a golpes y vibraciones y pueden tener una respuesta casi inmediata a los cambios de temperatura. Sin embargo, proporcionan lecturas de temperatura localizadas y necesitan compensación de unión fría para mantener el gradiente de temperatura. Además, son dispositivos altamente no lineales en comparación con otros sensores y requieren algoritmos extremadamente buenos por parte de la electrónica de acondicionamiento y los procesadores para compensar la no linealidad. Los termopares encuentran aplicación en aplicaciones de detección de temperaturas extremadamente altas, monitoreo de reacciones químicas, corte de metales, cromatografía de gases, detección de temperaturas dentro de motores de combustión interna, etc., debido a su amplio rango de temperaturas y su robustez; sin embargo, si se desea una alta precisión y linealidad, se deben utilizar otros sensores de temperatura. Las ideas de implementación simples podrían verse como las siguientes:
Figura 3: Una figura que ilustra la arquitectura de sensores basados en señales de voltaje.
Sensores basados en valores de resistencia : La resistencia de los metales y semiconductores que se ofrecen al flujo de corriente a través de ellos cambia con la temperatura. Este cambio se puede monitorear y mapear para varios valores de temperatura en una escala. Además, cuando la temperatura aumenta, el valor de resistencia puede aumentar o disminuir. Las sustancias con un coeficiente de temperatura positivo, como la mayoría de los metales, experimentan un cambio positivo en la resistencia al aumentar la temperatura, mientras que la resistencia de la mayoría de los semiconductores disminuye al aumentar la temperatura debido a sus coeficientes de temperatura negativos. Según los coeficientes de temperatura, los detectores de temperatura de resistencia (RTD) se pueden dividir en dos tipos:
· Cable de resistencia RTD : Construidos principalmente a partir de materiales con un coeficiente de resistencia positivo, como el platino, los RTD son elementos resistivos que exhiben cambios predecibles en la resistencia con la temperatura. El cambio en la Resistencia con la temperatura viene dado por la relación:
Figura 4: Una ecuación que representa el cambio en la resistencia con la temperatura.
Aquí, R. t y R ó son las resistencias del material a temperaturas tet ó ó C y ? es el coeficiente de temperatura promedio.
Estos dispositivos pueden tener la forma de resistencias de película delgada o resistencias bobinadas. Ofrecen un rango lineal muy amplio de medición de temperatura (-200 a 650 o C) y son muy estables con una desviación mínima incluso con operaciones repetidas año tras año. Un RTD con resistencia de platino ha servido como principal instrumento de interpolación de la Oficina Nacional de Estándares. La salida de señal es bastante grande en comparación con los termopares y puede usar cables de cobre comunes como extensión. Además, pueden extenderse sobre una gran superficie. Dichos sensores se pueden montar en un brazo de un circuito de puente de piedra de trigo equilibrado, como se muestra en la figura siguiente, y todo el circuito se puede usar para calcular y también controlar actuadores para el mantenimiento de la temperatura mediante retroalimentación. Proporcionan el rango lineal de operación deseado donde los termopares se quedan cortos. Los RTD se utilizan en aplicaciones como compensación de unión fría, fines de calibración, circuito de puente de piedra de trigo y control de procesos. La linealidad simplifica la implementación de circuitos de acondicionamiento de señales y hace que los RTD sean adecuados para aplicaciones de alta precisión. Los RTD miden la temperatura absoluta a diferencia de los termopares y, por lo tanto, pueden no ser adecuados para mantener una temperatura uniforme en toda la superficie cuando se utilizan termopares.
Fig. 5: Figura que representa la arquitectura RTD
· Termistores: Los semiconductores ofrecen una variedad de fenómenos y forman la base de la electrónica. Están presentes semiconductores con coeficiente de temperatura positivo (PTC) y coeficiente de temperatura negativo (NTC), y los sensores basados en ellos se diferencian en termistores PTC de hilo frío y termistores NTC de hilo caliente. Para los termistores PTC, la ferroelectricidad es el fenómeno predominante que causa el coeficiente positivo en un rango de temperatura corto. El corto rango de temperatura de funcionamiento de estos materiales los hace adecuados para su uso como interruptores de límite de temperatura. Se han utilizado con éxito en monitores CRT como temporizadores en bobinas desmagnetizadoras. Se pueden utilizar como sustitutos de fusibles en forma de dispositivos limitadores de corriente. Si la corriente aumenta, se genera más calor que calienta los termistores. Esto aumenta la resistencia, lo que reduce la corriente y el voltaje disponibles para el dispositivo, protegiéndolo así del aumento de corrientes. Para los termistores NTC, la relación entre resistencia y temperatura es negativa y exponencial, lo cual es muy repetible. En el rango de uso, esta curva exponencial puede verse como un gráfico muy lineal e incluso puede proporcionar más sensibilidad que los RTD, lo que los hace más atractivos en términos de precisión de medición.
Figura 6: Un gráfico de curva exponencial que ofrece más sensibilidad que los RTD
Debido a sus bajos costos, encuentran un amplio uso en las industrias automotriz y de productos de consumo, como monitores de temperatura de refrigerante y aceite, mantenimiento de temperatura de incubadoras, termómetros de baja temperatura, termostatos digitales modernos, monitores de temperatura de baterías, etc. Se utiliza la impresión 3D, donde se utilizan termistores para mantener una temperatura constante en el extremo caliente de las impresoras 3D para la fusión adecuada de los filamentos de plástico.
Sensores de temperatura de silicio integrados : además de todas estas clasificaciones, los circuitos integrados están diseñados para brindar facilidad de uso en la medición de temperaturas en el rango deseado. Por ejemplo, el LM35 IC de Texas Instruments es un IC sensor de temperatura de precisión que ofrece lecturas directamente en la escala Celsius y el LM34 es otro que ofrece lecturas en la escala Fahrenheit. Estos circuitos integrados proporcionan lecturas de voltaje que son directamente proporcionales a un multiplicador de temperatura determinado y, por lo tanto, pueden leerse directamente en un multímetro o alimentarse directamente a un ADC para su posterior procesamiento. Proporcionan una fácil integración e interfaz con otros elementos del circuito. Muchas empresas de semiconductores, como Analog Devices, Microchip, Smartek, ZMD y STMicroelectronics, participan en el diseño de sensores de temperatura e incluso proporcionan circuitos de procesamiento de señales e interfaces de E/S digitales para microcontroladores. Estos sensores de temperatura se utilizan ampliamente en productos de consumo como computadoras personales, equipos electrónicos de oficina, teléfonos celulares, HVAC y soluciones de administración de baterías.
Además de estos importantes principios de medición de temperatura, también se han desarrollado otros métodos. Algunos de ellos son sensores de temperatura oscilantes de cuarzo, termómetros de ruido térmico, termómetros de fibra óptica y sistemas de medición de temperatura.
Fig. 7: Figura que representa sensores de temperatura de silicio integrados
Sensores de temperatura sin contacto
dos. Medición de temperatura sin contacto: Estos sensores toman mediciones de temperatura sin entrar en contacto físico con el objeto a monitorear. El método más frecuente en esta clase de sensores de medición es la pirometría, que es una tecnología de medición por infrarrojos.
Figura 8: Figura que ilustra sensores de temperatura sin contacto
Pirometría: Es el proceso de interceptar y medir la radiación térmica con un dispositivo sin contacto. Las radiaciones que emanan del cuerpo se enfocan en un receptor de radiación mediante una lente, como se muestra en la figura anterior. El receptor puede ser cualquier dispositivo sensible como termopar, fotorresistor, fotodiodo, etc. La acción del transductor genera una señal eléctrica proporcional a la cantidad de radiación que se puede utilizar para medir la temperatura. Se utilizan diferentes tipos de pirómetros, siendo algunos de ellos pirómetro de radiación total, pirómetro de distribución, pirómetro espectral, pirómetro de filamento faltante, etc. Estos dispositivos rara vez reemplazan a los sensores de contacto, ya que solo proporcionan valores de temperatura de la superficie.
Cámaras termográficas: aunque similares en principio a los pirómetros, estos dispositivos producen una imagen térmica del objeto. Se utilizan principalmente para monitorear y controlar máquinas donde el calentamiento localizado puede obstaculizar el funcionamiento normal.
Mediciones acústicas: Estos dispositivos se basan en el principio de variación de la velocidad de dispersión del sonido en diferentes materiales con la temperatura.
Temperatura absoluta = K v 2
Aquí v es la velocidad del sonido. Además, las mediciones acústicas pueden emplear resonadores de cuarzo o métodos no resonantes como el principio de variación de distancia Pulso-Eco. Se utilizan dentro de hornos como incineradores.
Criterios de selección de sensores
Criterios de selección del sensor de temperatura.
Ninguno de los dispositivos sensores de temperatura es lo suficientemente versátil como para usarse en cualquier lugar. Si los termopares son conocidos por su amplio rango de temperaturas de funcionamiento, los RTD no tienen rival en el rango de linealidad y los termistores son muy precisos, mientras que los sensores de silicio son fáciles de integrar en los circuitos. El uso de un sensor de temperatura específico en algunas aplicaciones viene regido por una serie de parámetros, el más importante de los cuales es la propia temperatura. El rango de temperatura para la aplicación, la velocidad a la que la temperatura puede cambiar, etc. ayudar a decidir el tipo de proyecto. Por ejemplo, para sensores con altas temperaturas de funcionamiento se necesitarán cables de conexión especiales, mientras que para sensores que deben hacer frente a cambios bruscos de temperatura se prefiere el tipo de construcción con cable bobinado.
La estabilidad y precisión del sensor en condiciones operativas prescritas es otro factor importante a considerar al elegir el diseño. La sensibilidad y el rendimiento del dispositivo para medir pequeños cambios y su propensión a autocalentarse determinan la fiabilidad y el rendimiento del dispositivo. El tiempo de respuesta del sensor generalmente está determinado por el tamaño del sensor. Por ejemplo, las pequeñas dimensiones de un sensor basado en resistencias de tipo película dan como resultado una capacidad térmica asociada mínima y, por tanto, tiempos de respuesta cortos (0,1 s en agua y de 3 a 6 s en aire). En la misma área de aplicación, la resistencia tipo cable respondería de 0,2 a 0,5 s en agua y de 4 a 25 s en aire. Para ayudarle a elegir el sensor de temperatura adecuado para su aplicación, a continuación se muestra una tabla comparativa de los 4 sensores populares para facilitar su consulta.
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Par termoeléctrico
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IDT
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termistor
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Silicio integrado
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Rango de temperatura
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-270 – 1800ºC
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-250 – 900ºC
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-100 – 450ºC
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-55 – 150ºC
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Precisión
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±0,5 °C
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±0,01°C
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±0,1 °C
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±1°C
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Linealidad (orden mínimo del polinomio, cuanto más pequeño mejor)
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polinomio de cuarto orden
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2 y polinomio de orden
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3 polinomio de tercer orden
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No se requiere linealización. Dentro de ±1°C
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Sensibilidad
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? 10 µV/°C
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0,00385 ? / ? /°C (Pt)
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Varios ? / ? /°C
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-2mV/°C
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Robustez
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Cuanto mayor sea el calibre del cable, mayor será la resistencia.
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Bastante susceptible a roturas debido a la vibración.
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Termistores herméticos alojados en vidrio, no afectados por golpes o vibraciones.
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Tan robusto como un IC en envases de plástico como un DIP.
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Capacidad de respuesta (condiciones de prueba)
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Resolución T <1s
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1s
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1s
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4s
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Se requiere excitación externa
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Ninguno
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Fuente actual
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Fuente de voltaje
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Voltaje
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Salida
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Voltaje
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Resistencia
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Resistencia
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Digital/Corriente/Voltaje
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Costo
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$1 a $50
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$25 a $1000
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$2 a $10
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$1 a $10
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Además de estas consideraciones, la elección de sensores de contacto o sin contacto está sujeta a otras condiciones ambientales. Aunque los sensores de contacto pueden proporcionar mediciones rentables y son bastante precisos, requieren contacto físico, lo que puede provocar contaminación, desgaste y disipación de calor, lo que cambia la temperatura que se mide. La detección sin contacto, por otro lado, ofrece una respuesta y un monitoreo más rápidos desde una ubicación remota, pero no puede medir la temperatura del gas y tiene restricciones de temperatura ambiente que pueden afectar las lecturas.
Casi todo en este mundo y universo permanece en un delicado equilibrio. La vida en la Tierra se fundó porque la temperatura era ideal. Nuestra temperatura corporal debe regularse, de lo contrario las enzimas pueden funcionar mal. Si la temperatura de los océanos aumentara un poco, el Dióxido de Carbono disuelto en ellos regresaría a la atmósfera, provocando más calentamiento. El aire acondicionado funciona porque podemos medir la temperatura y tomar medidas correctivas. Los circuitos electrónicos funcionan perfectamente en un rango de temperatura específico. Si bien es posible que los sensores de temperatura no puedan garantizar el sabor, definitivamente pueden garantizar que su comida esté bien cocinada y que el vino tenga un sabor simplemente delicioso. No es de extrañar que la temperatura sea tan importante que se la haya definido como una de las cantidades físicas fundamentales en la ciencia. Por lo tanto, no se puede subestimar la importancia de los sensores de temperatura.