Sensores de temperatura – Tipos, funcionamiento y operación

La temperatura es la magnitud ambiental que se mide con más frecuencia. Esto es de esperar, ya que la mayoría de los sistemas físicos, electrónicos, químicos, mecánicos y biológicos se ven afectados por la temperatura. Algunas reacciones químicas, procesos biológicos e incluso circuitos electrónicos funcionan mejor dentro de unos rangos de temperatura limitados. La temperatura es una de las variables que más se miden, por lo que no es de extrañar que haya muchas formas de detectarla. La detección de la temperatura puede hacerse mediante el contacto directo con la fuente de calor o a distancia, sin contacto directo con la fuente, utilizando en su lugar energía radiada. Hoy en día hay una gran variedad de sensores de temperatura en el mercado, como los termopares, los detectores de temperatura por resistencia (RTD), los termistores, los infrarrojos y los sensores semiconductores.


5 tipos de sensores de temperatura

  • Termopar: Es un tipo de sensor de temperatura que se fabrica uniendo dos metales distintos en un extremo. El extremo unido se denomina JUNTA CALIENTE. El otro extremo de estos metales disímiles se denomina EXTREMO FRÍO o JUNTA FRÍA. La unión fría se forma en el último punto del material del termopar. Si hay una diferencia de temperatura entre la unión caliente y la fría, se crea una pequeña tensión. Esta tensión se denomina FEM (fuerza electromotriz) y puede medirse y, a su vez, utilizarse para indicar la temperatura.
Termopar
  • El RTD es un dispositivo sensor de temperatura cuya resistencia cambia con la temperatura. Construidos normalmente con platino, aunque no son infrecuentes los dispositivos fabricados con níquel o cobre, los RTD pueden adoptar muchas formas diferentes, como el bobinado de alambre o la película fina. Para medir la resistencia a través de un RTD, aplica una corriente constante, mide la tensión resultante y determina la resistencia del RTD. Los RTDs presentan curvas de resistencia a la temperatura bastante lineales en sus regiones de funcionamiento y cualquier no linealidad es altamente predecible y repetible. La placa de evaluación de la RTD PT100 utiliza una RTD de montaje superficial para medir la temperatura. También se puede asociar una PT100 externa de 2, 3 o 4 hilos para medir la temperatura en zonas remotas. Los RTD están polarizados mediante una fuente de corriente constante. Para reducir el autocalentamiento debido a la disipación de energía, la magnitud de la corriente es moderadamente baja. El circuito mostrado en la figura es la fuente de corriente constante utiliza una tensión de referencia, un amplificador y un transistor PNP.

Aplicaciones de la medición de los detectores de resistencia

  • Termistores: Similar al RTD, el termistor es un dispositivo sensor de temperatura cuya resistencia cambia con la temperatura. Sin embargo, los termistores están fabricados con materiales semiconductores. La resistencia se determina de la misma manera que la del RTD, pero los termistores presentan una curva de resistencia frente a la temperatura muy poco lineal. Así, en el rango de funcionamiento de los termistores, podemos ver un gran cambio de resistencia para un cambio de temperatura muy pequeño. Esto hace que sea un dispositivo muy sensible, ideal para aplicaciones de punto de ajuste.
  • Semiconductor sensores: Se clasifican en diferentes tipos como salida de tensión, salida de corriente, salida digital, salida de resistencia de silicio y sensores de temperatura de diodo. Los modernos sensores de temperatura de semiconductor ofrecen una gran precisión y una alta linealidad en un rango de funcionamiento de unos 55°C a +150°C. Los amplificadores internos pueden escalar la salida a valores convenientes, como 10mV/°C. También son útiles en los circuitos de compensación de la unión fría para los termopares de amplio rango de temperatura. A continuación se ofrecen breves detalles sobre este tipo de sensor de temperatura.

Circuitos integrados de sensores

Existe una gran variedad de circuitos integrados de sensores de temperatura para simplificar la más amplia gama de retos de control de la temperatura. Estos sensores de temperatura de silicio difieren significativamente de los tipos mencionados anteriormente en un par de aspectos importantes. El primero es el rango de temperatura de funcionamiento. Un CI de sensor de temperatura puede funcionar en el rango de temperatura nominal del CI de -55°C a +150°C. La segunda diferencia importante es la funcionalidad.

Un sensor de temperatura de silicio es un circuito integrado y, por tanto, puede incluir un amplio conjunto de circuitos de procesamiento de señales dentro del mismo paquete que el sensor. No es necesario añadir circuitos de compensación para el ICS del sensor de temperatura. Algunos son circuitos analógicos con salida de tensión o de corriente. Otros combinan circuitos de detección analógica con comparadores de tensión para proporcionar funciones de alerta. Otros CI de sensores combinan circuitos de detección analógica con registros digitales de entrada/salida y de control, lo que los convierte en una solución ideal para los sistemas basados en microprocesadores.

El sensor de salida digital suele contener un sensor de temperatura, un convertidor analógico-digital (ADC), una interfaz digital de dos hilos y registros para controlar el funcionamiento del CI. La temperatura se mide continuamente y se puede leer en cualquier momento. Si se desea, el procesador anfitrión puede ordenar al sensor que controle la temperatura y tome un pin de salida alto (o bajo) si la temperatura supera un límite programado. También se puede programar un umbral de temperatura más bajo y notificar al anfitrión cuando la temperatura haya descendido por debajo de este umbral. De este modo, el sensor de salida digital puede utilizarse para una supervisión fiable de la temperatura en sistemas basados en microprocesadores.

Sensor de temperatura
Sensor de temperatura

El sensor de temperatura anterior tiene tres terminales y requiere una alimentación máxima de 5,5 V. Este tipo de sensor consiste en un material que funciona en función de la temperatura para variar la resistencia. Este cambio de resistencia es detectado por el circuito y calcula la temperatura. Cuando la tensión aumenta, la temperatura también aumenta. Podemos ver este funcionamiento utilizando un diodo.

Los sensores de temperatura se conectan directamente a la entrada del microprocesador y, por tanto, son capaces de comunicarse de forma directa y fiable con los microprocesadores. La unidad de sensores puede comunicarse eficazmente con los procesadores de bajo coste sin necesidad de convertidores A/D.

Un ejemplo de sensor de temperatura es LM35. La serie LM35 son sensores de temperatura de precisión de circuito integrado, cuya tensión de salida es linealmente proporcional a la temperatura Celsius. El LM35 funciona entre -55˚ y +120˚C.

El sensor de temperatura centígrado básico (de +2˚C a +150˚C) se muestra en la figura siguiente.

LM35

Características del sensor de temperatura LM35:

  • Calibrado directamente en ˚ Celsius (centígrados)
  • Clasificado para todo el rango de -55˚ a +150˚C
  • Adecuado para aplicaciones remotas
  • Bajo coste gracias al recorte a nivel de oblea
  • Funciona de 4 a 30 voltios
  • Bajo autocalentamiento,
  • ±1/4˚C de la no linealidad típica

Funcionamiento del LM35:

  • El LM35 se puede conectar fácilmente de la misma forma que otros sensores de temperatura de circuito integrado. Puede pegarse o establecerse en una superficie y su temperatura estará dentro del rango de 0,01˚C de la temperatura de la superficie.
  • Esto supone que la temperatura del aire ambiente es más o menos la misma que la de la superficie; si la temperatura del aire fuera mucho más alta o más baja que la de la superficie, la temperatura real del dado LM35 estaría a una temperatura intermedia entre la de la superficie y la del aire.

LM35-2Los sensores de temperatura tienen aplicaciones muy conocidas en el control ambiental y de procesos, así como en la prueba, la medición y las comunicaciones. Un sensor de temperatura digital es un sensor que proporciona lecturas de temperatura de 9 bits. Los sensores digitales de temperatura ofrecen una excelente precisión, están diseñados para leer desde 0°C hasta 70°C y es posible alcanzar una precisión de ±0,5°C. Estos sensores están completamente alineados con las lecturas digitales de temperatura en grados Celsius.

  • Sensores digitales de temperatura Los sensores de temperatura digitales eliminan la necesidad de componentes adicionales, como un convertidor A/D, dentro de la aplicación, y no es necesario calibrar los componentes o el sistema a temperaturas de referencia específicas, como es necesario cuando se utilizan termistores. Los sensores de temperatura digitales se ocupan de todo, lo que permite simplificar la función básica de control de la temperatura del sistema.

Las ventajas de un sensor de temperatura digital son principales con su salida de precisión en grados Celsius. La salida del sensor es una lectura digital equilibrada. No requiere otros componentes, como un convertidor analógico-digital, y es mucho más sencillo de utilizar que un simple termistor que proporciona una resistencia no lineal con la variación de la temperatura.

Un ejemplo de sensor de temperatura digital es el DS1621, que proporciona una lectura de temperatura de 9 bits.

Características del DS1621:

  1. No se necesitan componentes externos.
  2. Se mide el rango de temperatura de -55⁰C a +125⁰C en intervalos de 0,5⁰.
  3. Da el valor de la temperatura como una lectura de 9 bits.
  4. Amplio rango de alimentación (2,7V a 5,5V).
  5. Convierte la temperatura en palabra digital en menos de un segundo.
  6. Los ajustes termostáticos son definibles por el usuario y no volátiles.
  7. Es un DIP de 8 pines.

Sensor digital de temperatura

Descripción de la clavija:

  • SDA – Entrada/salida de datos en serie a 2 hilos.
  • SCL – Reloj serie de 2 hilos.
  • GND – Tierra.
  • TOUT – Señal de salida del termostato.
  • A0 – Entrada de dirección del chip.
  • A1 – Entrada de la dirección del chip.
  • A2 – Entrada de la dirección del chip.
  • VDD – Tensión de alimentación.

Funcionamiento del DS1621:

  • Cuando la temperatura del dispositivo supera una temperatura HIGH definida por el usuario, se activa la salida TOUT. La salida permanecerá activa hasta que la temperatura descienda por debajo de la temperatura definida por el usuario LOW.
  • Los ajustes de temperatura definidos por el usuario se guardan en una memoria no volátil, por lo que se pueden programar antes de introducirlos en un sistema.
  • La lectura de la temperatura se proporciona en una lectura de 9 bits, en complemento a dos, emitiendo el comando LEER TEMPERATURA en la programación.
  • Se utiliza una interfaz de serie de 2 hilos para la entrada en el DS16121 de los ajustes de temperatura y la salida de la lectura de la temperatura desde el DS1621

Circuito del sensor digital de temperatura

Crédito de la foto:

Lee:  Diferencia entre generador de CA y de CC
Javired
Javired

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.