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Conceptos Básicos sobre sensores de temperatura

Por Carolyn Mathas

Colaboración de Electronic Products


Los sensores de temperatura se utilizan en diversas aplicaciones tales como aplicaciones para la elaboración de alimentos, climatización para control ambiental, dispositivos médicos, manipulación de productos químicos y control de dispositivos en el sector automotriz (p. ej., refrigerantes, ingreso de aire, temperaturas del cabezal de cilindro, etc.). Los sensores de temperatura se utilizan para medir el calor para asegurar que el proceso se encuentre, o bien dentro de un cierto rango, lo que proporciona seguridad en el uso de la aplicación, o bien en cumplimiento de una condición obligatoria cuando se trata de calor extremo, riesgos, o puntos de medición inaccesibles. 

Hay dos variedades principales: sensores de temperatura con contacto y sin contacto. Los sensores de contacto incluyen termopares y termistores que hacen contacto con el objeto a medir, y los sensores sin contacto se encargan de medir la radiación térmica emitida por una fuente de calor para determinar su temperatura. Este último grupo mide la temperatura a distancia y a menudo se utilizan en entornos peligrosos. 

Tipos de sensores de temperatura

Termopares

El termopar (TC) es un par de empalmes o uniones que se forman a partir de dos metales distintos. Un empalme representa una temperatura de referencia y el otro representa la temperatura a medir. Los mismos funcionan cuando una diferencia de temperatura provoca un voltaje (efecto Seebeck) que depende de la temperatura, y que el voltaje es convertido, a su vez, en una lectura de la temperatura. Los termopares se usan porque son económicos, resistentes y confiables, no requieren una batería, y pueden ser utilizados en una amplia gama de temperaturas. Los termopares pueden conseguir un buen rendimiento de hasta 2.750° C y pueden incluso ser usados por períodos cortos a temperaturas de hasta 3.000° C y tan bajas como -250° C. 

Las fortalezas y desafíos de los termopares incluyen:
  • Miden su propia temperatura.
  • La temperatura del objeto se debe inferir, y el usuario debe asegurarse de que no hay flujo de calor entre ellos.
  • Son propensos a errores de lectura de la temperatura después de un uso prolongado. ¿Razones? Si el aislamiento de los cables pierde resistencia debido a la humedad o las condiciones térmicas, o si hay interferencias químicas, mecánicas o de radiación nuclear en el entorno.
  • Son conductores eléctricos por lo que no pueden ponerse en contacto con otra fuente de electricidad.
  • No miden en los empalmes.
  • Estos dispositivos reaccionan rápidamente si se los compara con termómetros de resistencia.
Termistores

Los termistores, como los termopares, también son sensores de temperatura económicos y fácilmente disponibles, fáciles de usar y adaptables. Se utilizan, sin embargo, para realizar sencillas mediciones de temperatura en lugar de para aplicaciones a alta temperatura. Están realizados de material semiconductor con una resistividad que es especialmente sensible a la temperatura. La resistencia de un termistor disminuye con el incremento de la temperatura para que cuando ocurran cambios de temperatura, el cambio de la resistencia sea predecible. Son muy utilizados como limitadores de corriente de irrupción, sensores de temperatura, protectores contra sobrecargas de reinicio automático, y elementos de calentamiento autorregulados. 

Los termistores difieren de los detectores de temperatura resistiva (RTD) en que (1) el material que se utiliza en los RTD es metal puro y (2) la respuesta térmica de los dos es diferente. Los termistores se pueden clasificar en dos tipos, según el signo de k (esta función se refiere a la ecuación de Termistor Steinhart-Hart para convertir la resistencia del termistor en temperatura en grados Kelvin). Si el k es positivo, la resistencia aumenta con el incremento de la temperatura, y el dispositivo se denomina termistor con coeficiente de temperatura positivo (PTC). Si el k es negativo, la resistencia disminuye con el aumento de temperatura, y el dispositivo se denomina coeficiente de temperatura negativo (CTN).  

Como ejemplo de termistores CTN, observaremos los conjuntos de serie Tipo MA de GE, diseñados para el monitoreo intermitente o continuo de la temperatura de un paciente. Esta aplicación requiere repetibilidad y respuesta rápida, especialmente cuando se utiliza en el cuidado de bebés y durante la anestesia general. 

El dispositivo MA300 (Figura 1) permite el monitoreo de la temperatura del paciente de manera continua y rutinaria al usar la conveniencia del sitio de la piel del paciente como un indicador de la temperatura corporal. La carcasa de acero inoxidable utilizada es adecuada para aplicaciones reutilizables y desechables, manteniendo la máxima comodidad del paciente. Disponibles con valores de resistencia nominal de 2.252 , 3.000, 5.000 y 10.000 Ω a 25° C. 

Conjunto termistor MA300 de GE

Figura 1: El conjunto de termistor MA300 de GE está fabricado de acero inoxidable con aislamiento PVC Teflón de calidad médica. (Cortesía de GE)

Detectores de temperatura de resistencia

Los detectores de temperatura resistiva (RTD) son sensores de temperatura con una resistencia que cambia el valor resistivo simultáneamente con los cambios de temperatura. Pecisos y reconocidos por la repetibilidad y estabilidad, los RTD se pueden utilizar con una amplia gama de temperaturas, desde -50° C a 500° C de para las variedades de película delgada y desde -200° C a 850° C para la variedad de hilo bobinado. 

Los elementos de los RTD de película delgada cuentan con una delgada capa de platino sobre un sustrato. Se crea un diseño que ofrece un circuito eléctrico que es ajustado para darle una resistencia específica. Se conectan los cables principales, y se recubre el conjunto para proteger tanto la película como las conexiones. En comparación, los elementos de hilo bobinado o bien son bobinas de alambre empaquetadas en un tubo de vidrio o cerámica, o se pueden bobinar alrededor de material de vidrio o cerámica. 

Un ejemplo de ello es la serie TD de Honeywell utilizada para aplicaciones tales como aplicaciones de aire acondicionado: temperatura en habitaciones, de conductos y del refrigerante, motores de protección contra sobrecargas, y aplicaciones automotrices: temperatura de aire o del aceite. Dentro de la serie TD, el sensor de temperatura de líquido TD4A es una carcasa de terminal roscado de aluminio anodizado. Los sensores de temperatura con líquido ambientalmente sellado están diseñados para ofrecer simplicidad de instalación, como en el lateral de un camión, pero no han sido diseñados para una inmersión total. El tiempo de respuesta normal (en el caso de una constante única de tiempo) es de cuatro minutos en aire inmóvil y 15 segundos en agua inmóvil.

Serie TD de Honeywell

Figura 2: Serie TD: resistencia frente a temperatura. (Cortesía de Honeywell.)

Los sensores de temperatura de la serie TD responden rápidamente a los cambios de temperatura (Figura 2) y tienen una precisión de ±0,7° C a 20º C y son completamente intercambiables sin necesidad de recalibrar. Son sensores RTD (detector de temperatura resistiva) y ofrecen sensibilidad de 8 Ω/ °C con salidas casi lineales inherentes. 

Los RTD alcanzan mejor precisión que los termopares, así como buenas condiciones de intercambiabilidad. También son estables a largo plazo. Con tales capacidades de alta temperatura, a menudo son utilizados en entornos industriales. Se logra mejorar la estabilidad cuando los RTD son fabricados en platino,el cual no se ve afectado por la corrosión y la oxidación. 

Sensores infrarrojos

Los sensores infrarrojos se utilizan para medir las temperaturas en superficie que van desde -70 a 1000° C Convierten la energía térmica enviada desde un objeto en un rango de longitud de onda de 0.7 a 20 um en una señal eléctrica que convierte la señal para mostrar en unidades de temperatura tras compensar para cualquier temperatura ambiente. 

Estos sensores se utilizan para medir la temperatura cuando:
  • No pueden utilizarse termopares o sondas.
  • Si el objeto de destino está en movimiento (sobre rodillos, maquinaria en movimiento, cintas transportadoras).
  • Si el objeto de destino está en el vacío.
  • Si existe riesgo de alto voltaje.
  • Si las distancias son muy extensas.
  • Si las temperaturas son demasiado altas para sensores de contacto.
  • Cuando se requiere una respuesta rápida.
Cuando se selecciona una opción de infrarrojos, las consideraciones críticas incluyen campo de visión (ángulo de visión), emisividad (relación de la energía irradiada por un objeto con la energía emitida por un radiador perfecto a la misma temperatura), respuesta espectral, rango de temperatura y montaje. 

Un producto recientemente anunciado, el TMP006, (Figura 3) de Texas Instruments es un sensor termopila infrarrojo en un paquete a escala chip. Es un sensor sin contactos y utiliza una termopila para absorber la energía infrarroja emitida por el objeto medido y utiliza el cambio correspondiente de voltaje de la termopila para determinar la temperatura del objeto. 

Histograma TMP006 de TI

Figura 3: histograma TMP006. (Cortesía de Texas Instruments.) 

El rango de voltaje del sensor infrarrojo está especificado de –40° C a 125° C para permitir el uso en una gran variedad de aplicaciones. El bajo consumo de energía junto con el bajo voltaje operativo hacen que la pieza sea ideal para aplicaciones con alimentación a batería. La baja altura del paquete del formato de escala de chip permite métodos estándar de ensamblaje de alto volumen y puede ser útil cuando hay espacio limitado en el objeto medido. 

El uso de cualquier tipo de sensores con o sin contactos requiere supuestos básicos e inferencias cuando se utilizan para medir la temperatura. Por lo tanto, es importante leer las hojas de datos cuidadosamente y asegurarse de comprender los factores decisivos para estar seguro de que la temperatura real es la misma que la temperatura indicada. 

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