¿Cuáles son los tipos de sensores de temperatura más utilizados?

Los sensores de temperatura son herramientas importantes en la ingeniería moderna, la investigación científica y la vida cotidiana. Le permiten vigilar y controlar las condiciones térmicas en una amplia gama de entornos. Los termopares, detectores de temperatura de resistencia (RTD), termistores (versiones NTC y PTC) y sensores de temperatura de circuito integrado (IC) son los tipos más populares. Los termopares y RTD son los tipos de sensores más comunes utilizados en las fábricas porque son confiables, flexibles y pueden funcionar en entornos difíciles. Cada tipo de sensor funciona según principios diferentes, lo que significa que tienen diferentes beneficios en términos de rango de temperatura, precisión, tiempo de respuesta, costo y adaptabilidad a diferentes entornos. Esto permite a los ingenieros elegir la mejor solución para una situación determinada, como control de procesos, sistemas HVAC, equipos médicos, aplicaciones automotrices y dispositivos IoT.




Termopares



Los termopares funcionan debido al efecto Seebeck (efecto termoeléctrico), que ocurre cuando dos conductores metálicos diferentes se conectan en un extremo para formar una unión de medición. Se crea una fuerza electromotriz menor (voltaje) cuando hay un diferencial de temperatura entre la unión caliente (medición) y la unión fría (referencia). Este voltaje está directamente relacionado con la diferencia. Es posible encontrar la temperatura exacta midiendo este voltaje y realizando los ajustes correctos para la temperatura de la unión de referencia.



Los termopares pueden medir una gama muy amplia de temperaturas, desde tan solo -200 grados hasta más de 2000 grados, dependiendo de los materiales empleados. Esto los hace perfectos para lugares muy calurosos o muy fríos. Tienen un diseño simple y resistente que los hace muy duraderos y capaces de soportar golpes, vibraciones y situaciones duras. Los termopares también son baratos, no necesitan una fuente de energía externa para funcionar y tienen tiempos de respuesta térmica rápidos, lo cual es importante en procesos que cambian rápidamente. Pero su señal de salida es bastante pequeña (generalmente en el rango de microvoltios), por lo que necesitan circuitos de amplificación y ajustes de unión fría para mantener la precisión. Algunas categorías comunes son:



Tipo K (níquel-cromo/níquel-silicio): el tipo más común, funciona bien desde -200 grados hasta +1260 grados y tiene un precio razonable y es resistente a la oxidación.



Tipo J (hierro/cobre-níquel): funciona bien a temperaturas más bajas, hasta aproximadamente 750 grados, y se emplea ampliamente en atmósferas reductoras.



Tipo S (platino-rodio/platino): este es un tipo de metal noble que se utiliza en aplicaciones de alta-precisión y alta-temperatura que alcanza los 1600 grados o más. Se utiliza en hornos y aviones.



Los termopares son muy importantes en industrias que trabajan con altas temperaturas, como la metalurgia (fundición de acero), procesamiento químico, generación de energía (calderas y turbinas) y fabricación de vidrio.







II. Detectores de temperatura de resistencia (RTD)



Los RTD dependen del hecho de que la resistencia eléctrica de los metales puros, como el platino, cambia de forma predecible cuando cambia la temperatura. La resistencia aumenta en línea recta a medida que aumenta la temperatura, siguiendo reglas como la ecuación de Callendar-Van Dusen. El sensor Pt100 (100 ohmios a 0 grados) y el Pt1000 son los dos tipos más comunes.



Los RTD son fantásticos porque son muy precisos (normalmente ±0,1 grados o mejor), estables en el tiempo y tienen una respuesta lineal en un amplio rango de temperaturas (normalmente de -200 grados a +660 grados, pero algunos diseños pueden alcanzar temperaturas mucho más altas). Debido a esto, son mejores para tareas que necesitan mucha precisión, como calibrar laboratorios, procesar alimentos, fabricar medicamentos y controlar sistemas HVAC. Sus principales problemas son que tardan más en responder porque tienen más masa térmica, cuestan más que los termopares y necesitan una corriente de excitación externa (fuente de corriente constante) para medir la resistencia sin cometer errores por autocalentamiento. Usar configuraciones de tres-cables o cuatro cables es una gran ventaja porque compensan la resistencia del cable y mejoran en gran medida la precisión general del sistema, especialmente en distancias largas.







III. Termistores



Los termistores son sensores hechos de semiconductores que cambian mucho su resistencia a medida que cambia la temperatura. Se dividen en NTC (coeficiente de temperatura negativo, lo que significa que la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura) y PTC (coeficiente de temperatura positivo, lo que significa que la resistencia aumenta rápidamente por encima de cierto punto).



Los termistores NTC son extremadamente sensibles (mucho más que los RTD o los termopares), responden rápidamente, son pequeños y baratos. Funcionan bien en el rango de -50 a +150 grados Celsius (con algunas versiones ampliadas). Se utilizan mucho en sistemas de gestión de baterías, control de clima de automóviles, electrodomésticos (como refrigeradores y hornos) y electrónica de consumo. El principal problema es que su curva de resistencia-temperatura es bastante no-lineal, lo que significa que es necesario utilizar matemáticas o tablas de búsqueda para obtener lecturas precisas. Además, tienen problemas de intercambiabilidad si no están calibrados. Los termistores PTC, por otro lado, se utilizan principalmente para prevenir el exceso de temperatura, restringir la corriente de entrada y autorregular elementos calefactores en lugar de una medición continua exacta.







IV. Sensores de temperatura para circuitos integrados (CI) Los sensores CI combinan el elemento sensor, el acondicionamiento de la señal y, a veces, la conversión de analógico-a-digital en un solo chip de silicio. Pueden enviar voltaje analógico (como 10 mV/grado) o señales digitales a través de protocolos como I²C, SPI o 1-Wire. Algunas marcas conocidas son los dispositivos de las series LM35, DS18B20 y TMP.



Tienen una baja tasa de error (±0,5 grados habitual), responden rápidamente, necesitan pocas piezas externas y son fáciles de conectar a microcontroladores. Esto los hace perfectos para sistemas integrados, electrónica de consumo, nodos de IoT, PC y dispositivos portátiles. El rango de temperatura de -55 a +150 grados Celsius limita su uso en lugares muy calurosos o muy fríos, pero su facilidad de uso y su capacidad para trabajar con otros dispositivos compensan esto en muchas aplicaciones actuales.







V. Otros tipos de suplementos Además de los sensores de contacto principales, existen varias opciones especiales que cumplen propósitos específicos.



Los sensores de temperatura infrarrojos (sin-contacto) pueden medir la temperatura sin tocar el objeto, ya que pueden ver la radiación de calor que proviene de él. Son excelentes para monitorear altas temperaturas (como metales fundidos), objetivos en movimiento o lugares peligrosos. Puede encontrarlos en termómetros médicos de oído, pirómetros industriales y controles de seguridad alimentaria.



Los termómetros bimetálicos utilizan la diferente expansión térmica de dos metales unidos para mover un puntero. Esto proporciona una lectura sencilla y fiable sin necesidad de energía. Funcionan bien con termostatos domésticos simples, hornos y medidores industriales que no son muy precisos.



Los sensores de temperatura de fibra óptica son inmunes a las interferencias electromagnéticas, resistentes a la corrosión y capaces de detectar a grandes distancias porque utilizan funciones ópticas como la decadencia de la fluorescencia o la interferometría. Son muy importantes en lugares como subestaciones de alto-voltaje, transformadores, máquinas de resonancia magnética y lugares donde hay explosivos o material nuclear.



En resumen, al elegir un sensor de temperatura, debe pensar en cosas como qué tan preciso debe ser, qué tan amplio es el rango de temperatura, qué tan rápido debe responder, cuánto cuesta, qué tan resistente debe ser en el medio ambiente y qué tan fácil es de instalar. Los termopares son la mejor opción para operaciones industriales de muy alta-temperatura, los RTD son los más precisos en entornos controlados, los termistores son la mejor opción para rangos intermedios a bajo costo y los sensores IC facilitan la conexión digital de componentes electrónicos. Los infrarrojos y la fibra óptica son dos ejemplos de otros tipos que permiten cubrir todas las industrias, incluso aquellas a las que no se puede llegar mediante contacto directo o EMI.