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En este artículo, vamos a discutir los diferentes tipos de sensores de temperatura y el uso de un sensor de temperatura para una aplicación particular.

La temperatura es un parámetro físico que se mide en unidades de grados. Es una parte fundamental de cualquier proceso para medir la temperatura exacta. Las aplicaciones típicas que requieren mediciones precisas de temperatura incluyen aplicaciones médicas, la investigación en biología, estudios eléctricos o electrónicos, la investigación de materiales y caracterización térmica de los productos eléctricos.

Un dispositivo que se utiliza para medir la cantidad de energía térmica que nos permiten detectar un cambio físico en la temperatura, produciendo ya sea una salida digital o analógico es conocido como un sensor de temperatura.

Tipos físicos básicos de los sensores de temperatura

En general, hay dos métodos de detección:

1. Contacto

Sensores de temperatura de contacto están en contacto físico con el objeto o sustancia. Pueden ser utilizados para medir la temperatura de los sólidos, líquidos o gases.

2. Sin contacto

Sensores de temperatura sin contacto que detectan la temperatura mediante la interceptación de una parte de la energía infrarroja emitida del objeto o sustancia, y sintiendo su intensidad. Pueden ser utilizados para medir la temperatura de sólo sólidos y líquidos. No es posible utilizarlos en los gases debido a su naturaleza transparente.

Tipos de Sensores de Temperatura

Hay muchos tipos diferentes de sensores de temperatura disponibles, que varían desde la simple activación/desactivación de dispositivos termostáticos que controlan un sistema de agua caliente sanitaria a los tipos de semiconductores altamente sensibles que pueden controlar las plantas de control de procesos complejos. Los dos tipos básicos de contacto y sensores de temperatura sin contacto se clasifican en resistencia, voltaje y sensores electromecánicos. Los tres sensores de temperatura más comúnmente utilizados incluyen:

1. Termistores,
2. Detectores de temperatura de resistencia (RTD), y
3. Los termopares.

Estos sensores de temperatura se diferencian entre sí en términos de parámetros de funcionamiento. Para aplicaciones moderadas rango de temperatura, sensores de estado sólido están también disponibles que proporcionan la ventaja de interfaz sencilla y una función de acondicionamiento de señal.

Termistor

El Termistor es una resistencia sensible a la temperatura que cambia su resistencia física con el cambio en la temperatura. Generalmente, los termistores están hechos de material semiconductor de cerámica, tales como cobalto, manganeso o níquel óxidos recubiertos en vidrio. Se forma en pequeños discos herméticamente cerrados prensados que dan una respuesta relativamente rápida a los cambios de temperatura.

NTC Tipo de termistor (Epcos)

Debido a las propiedades de los materiales semiconductores, los termistores tienen un coeficiente de temperatura negativo (NTC), es decir, la resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. Sin embargo, también hay termistores disponibles con coeficiente de temperatura positivo (PTC), su resistencia aumenta con el aumento de la temperatura.

Gráfico de NTC termistor con la resistencia como una función de la temperatura (Thermodisc)

Ventajas de Termistores
1. Mejor velocidad de respuesta a cambios en la temperatura, precisión y repetibilidad. 2. Más barato en comparación con los RTD 3. Mayor resistencia en el rango de 2.000 a 10.000 ohmios 4. Sensibilidad mucho mayor (~ 200 Ω/°C) dentro de un rango limitado de temperatura de hasta 300 °C

Resistencia vs temperatura

Para un valor de la resistencia, la temperatura se encuentra por la siguiente ecuación:
donde A, B, C son constantes de la fórmula, R es la resistencia en ohmios y T es la temperatura en grados Kelvin.
En las hojas de datos de termistor NTC, A, B y C son constantes que da generalmente y se puede calcular fácilmente la temperatura de una resistencia medida o viceversa. Si no se proporcionan esas constantes, puede utilizar las tres muestras de la tabla de resistencia-temperatura y calcular estos valores.

¿Cómo utilizar un termistor?

Los termistores son clasificados por su valor de resistencia a la temperatura ambiente (25 °C), la constante de tiempo, y la potencia nominal. El termistor es un dispositivo de resistencia pasiva, por lo tanto, se requiere corriente para producir una tensión de salida. Generalmente, están conectados en serie con una resistencia de polarización adecuada formando una red de divisor de potencial.

Ejemplo:
Considere un termistor con un valor de resistencia de 2.2KΩ a 25 °C y 50O a 80 °C. El termistor está conectado en serie con una resistencia de 1 kΩ a través de una fuente de alimentación de 5V.

Por lo tanto, su voltaje de salida se puede calcular de la siguiente manera:
A 25 °C, R NTC = 2200OΩ;
A 80 °C, R NTC = 50OΩ;
Al reemplazar el valor del resistor fijo con un potenciómetro, se puede obtener una salida de tensión a una temperatura predeterminada.

Sin embargo, es importante señalar que los valores de resistencia estándar son diferentes a temperatura ambiente durante diferentes termistores ya que son no-lineal. El termistor tiene un cambio exponencial con la temperatura; por lo tanto, tiene una constante de temperatura beta (ß) que se utiliza para calcular su resistencia para una temperatura dada. Sin embargo, en una red de divisor de tensión, la corriente obtenida de la tensión aplicada es lineal con la temperatura, por lo tanto el voltaje de salida a través de la resistencia y la temperatura se relaciona linealmente.

Detectores de temperatura resistivos

Detectores de temperatura resistivos (RTD) son sensores de temperatura de resistencia eléctrica hechos de películas o bobinas de metal, tal como platino cuya resistencia eléctrica es una función de la temperatura.

Detector de temperatura resistivo (RTD)

Los RTDs tienen coeficientes de temperatura positivo (PTC) y, a diferencia de los termistores, proporcionan mediciones precisas de temperatura, ya que tienen salida lineal. Sin embargo, tienen baja sensibilidad para producir un cambio de salida pequeña, por ejemplo 1O/°C durante un cambio en la temperatura. Pt100 es el sensor más comúnmente disponible con un valor de resistencia estándar de 100O a 0 °C. La principal desventaja es su alto costo.

Ventajas de los RTD

1. Amplio rango de temperatura desde -200 hasta 650 °C
2. Proporciona un alto rendimiento para una caída de corriente
3. más lineal en comparación con los termopares y termistores

Cómo utilizar los RTD

Los RTD son dispositivos de resistencia pasivas como los termistores y la corriente pasa a través del sensor para obtener una tensión de salida que está relacionada linealmente con la temperatura. Sin embargo, puede producirse un error en la lectura debido a la variación de la resistencia causada por el calentamiento propio de la corriente que fluye a través de los cables resistivos. Para superar este problema, el RTD está conectado en una red de puente resistivo con cables de conexión adicionales para la compensación de los cables y/o adición de una fuente de corriente constante.

Termopares

Los sensores de temperatura más utilizados son los termopares por ser exactos, operan en un amplio rango de temperaturas entre menos de -200 °C a más de 2000 °C, y son relativamente baratos.

Un termopar con cable y enchufe

Construcción y Trabajo

El Termopar se crea con dos metales diferentes que se sueldan entre sí produciendo una pequeña diferencia de potencial (mV) como una función de la temperatura. Una de unión se mantiene a una temperatura constante llamada la referencia (fría) de unión, mientras que el otro es el de medición (caliente) de unión. Con la diferencia de temperatura entre las dos uniones, una tensión se desarrolla a través de la unión que se utiliza para medir la temperatura. La diferencia de tensión entre las dos uniones se llama el efecto Seebeck.

Construcción de un termopar

Si ambas uniones están a la misma temperatura, el diferente potencial a través de las uniones es igual a cero, es decir, V1 = V2 . Sin embargo, cuando las uniones son conectadas a diferentes temperaturas en un circuito, la tensión de salida es relativa a la diferencia de temperatura entre los dos enlaces, es decir, V1 - V2.

Tipos de termopares

Los termopares están disponibles en diferentes rangos de temperatura y los materiales; Por lo tanto, hay diferentes tipos de termopares disponibles para aplicaciones específicas establecidas por las normas internacionales. Tipo J y K son los termopares más utilizados.

Ventajas de un termopar

1. Rangos de alta temperatura
2. Resistente y soportar golpes y vibraciones
3. Proporciona una respuesta inmediata a los cambios de temperatura

¿Cómo utilizar un termopar?

El Termopar produce una tensión de salida de unos pocos voltios por unos milisegundos para un cambio de temperatura de 10 °C. Por lo tanto, se requiere amplificar el voltaje de salida.

Es necesario seleccionar cuidadosamente un amplificador para obtener una buena estabilidad de deriva para la prevención de la recalibración del termopar. Esto hace que se utilice un amplificador operacional preferible para la mayoría de aplicaciones.

Fuente original (en inglés): Temperature Sensors - Types and Applications

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