Tipos de Sensores de Temperatura | Funcionamiento y Aplicaciones

La medición de la temperatura es uno de los requisitos más comunes en el campo de la ingeniería y la ciencia, así como en aplicaciones industriales. La temperatura de cualquier proceso se mide para controlar y garantizar su correcto funcionamiento. Para estos propósitos se emplean una variedad de sensores de temperatura; sin embargo, todos estos sensores funcionan de manera diferente debido a su construcción y mecanismos de operación.

Es importante utilizar el tipo de sensor adecuado para medir una temperatura determinada. De lo contrario, se pueden obtener resultados defectuosos o incluso surgir situaciones peligrosas. El siguiente artículo describe algunas categorías principales de sensores de temperatura junto con su principio básico de operación y usos prácticos.

Tipos de Sensores de Temperatura

Termopares: Amplio Rango, Resistencia Industrial

Los termopares podrían considerarse uno de los dispositivos de detección de temperatura más comunes en la industria, y existen razones para ello. Los dispositivos son simples en diseño y operación, duraderos y económicos, además de ser capaces de medir los rangos de temperatura más amplios, desde aproximadamente -200°C hasta 2300°C, dependiendo del tipo de termopar.

El principio de operación se basa en el efecto Seebeck. Si dos metales diferentes se conectan en un extremo (unión de medición) y los otros extremos se conectan a un dispositivo que mide el voltaje (unión de referencia), se genera un voltaje. Este es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones. Con el conocimiento de la temperatura de la unión de referencia, es posible calcular la temperatura del punto de medición midiendo el voltaje generado.

Existen varios tipos estándar de termopares, pero el más utilizado en la industria general es el tipo K, que consiste en una aleación de cromel-alumel y cubre el rango aproximado de temperatura de menos 200°C hasta 1260°C. Los termopares de tipos R, S y B se aplican a temperaturas más altas, especialmente en la producción de metales preciosos y vidrio.

Aplicaciones:

• Hornos de fabricación de metales y acero
• Monitoreo de gases de escape de turbinas de gas
• Medición de la temperatura de gases de combustión de calderas
• Pruebas de motores automotrices
• Hornos de la industria alimentaria

Uno de los principales inconvenientes del sensor de termopar es la generación limitada de electricidad, lo que lo hace altamente vulnerable a perturbaciones eléctricas externas. El otro inconveniente asociado con los termopares es la necesidad de corrección de la unión de referencia.

Detectores de Temperatura por Resistencia (RTD): Precisión por Encima de Todo

A diferencia del termopar, el RTD opera bajo principios completamente diferentes, dependiendo de las variaciones del valor de resistencia a diferentes temperaturas. Los materiales comúnmente utilizados en la mayoría de los RTD son el platino como componente sensor, debido a su propiedad resistiva predecible. El estándar de RTD más popular es el Pt100, que mide 100 ohmios a 0°C.

Con el aumento de la temperatura, se producirá un incremento lineal en la resistencia del platino. Dicho incremento se registra, se convierte y luego se lee como el valor de temperatura. Debido a la alta estabilidad del platino, esto garantiza que los RTD sean más precisos, con una precisión que va desde ±0.1°C hasta ±0.5°C, y dicho nivel de precisión se mantiene constante durante un período considerable.

Sin embargo, los RTD tienen mayores costos y fragilidad en comparación con los termopares, y su rango máximo de operación solo puede llegar hasta 600°C.

Aplicaciones:

• Procesos de producción farmacéutica donde se requiere precisión regulatoria
• Fabricación de alimentos y bebidas
• Sistemas de control de temperatura de aire y agua en HVAC
• Instrumentos de laboratorio y equipos de calibración
• Plantas de generación de energía

Los RTD son el sensor preferido siempre que la precisión importa más que el costo y siempre que la temperatura del proceso permanezca dentro de su rango de trabajo.

Termistores: Alta Sensibilidad en un Formato Compacto

Al igual que los RTD, los termistores también son sensores de tipo resistivo, aunque su comportamiento no es del todo similar al de estos últimos. Mientras que la resistencia de un RTD aumenta gradualmente a medida que sube la temperatura, las resistencias en los termistores muestran fluctuaciones considerables a lo largo del rango de temperaturas de –50°C a +150°C. Los termistores están compuestos de cerámicas semiconductoras.

Los termistores se presentan en dos tipos. Un termistor NTC muestra el efecto de una caída en la resistencia debido a un aumento en la temperatura, mientras que un termistor PTC muestra el efecto de un aumento súbito en la resistencia en un determinado punto de temperatura. Aunque los termistores PTC son menos comunes, los termistores NTC son más preferidos debido a su alta sensibilidad.

El problema que debe tenerse en cuenta al diseñar un circuito utilizando un termistor es el del autocalentamiento. Esto significa que, dado que los termistores funcionan en base a mediciones de resistencias, debe existir un cierto flujo de corriente para la medición de la temperatura. En caso de que la excitación de corriente sea alta, el termistor medirá valores de temperatura incorrectos debido a los efectos de calentamiento causados por el flujo de corriente.

Aplicaciones:

• Dispositivos médicos, incluyendo termómetros digitales e incubadoras
• Gestión de baterías en laptops y dispositivos móviles
• Electrodomésticos como refrigeradores, aires acondicionados y calentadores de agua
• Detección de la temperatura de la cabina en vehículos

Sensores de Temperatura Infrarrojos: Medición sin Contacto

Todos los sensores discutidos anteriormente necesitan contacto directo con el objeto o medio bajo consideración. Los sensores infrarrojos operan bajo un principio totalmente diferente; detectan la radiación térmica del objeto y miden la temperatura sin entrar en contacto con él de ninguna manera.

De hecho, todos los objetos irradian energía infrarroja si sus temperaturas están por encima del cero absoluto. La cantidad de radiación es proporcional a la temperatura del objeto. El sensor infrarrojo recolecta la energía emitida por el objeto a través de una lente y la enfoca hacia un receptor, el cual mide la temperatura en base a la ley de Stefan-Boltzmann.

Estos sensores responden casi instantáneamente, son seguros para usar con objetos en movimiento o rotación, y son la única opción práctica cuando la medición por contacto podría perturbar o dañar el proceso. Una limitación es la necesidad de conocer la emisividad del material objetivo; condiciones de la superficie como polvo, humedad o vapor entre el sensor y el objetivo también pueden introducir errores de medición.

Aplicaciones:

• Monitoreo de maquinaria rotativa y paneles eléctricos
• Fabricación de vidrio y papel donde la detección por contacto no es práctica
• Detección médica de fiebre
• Verificaciones de seguridad alimentaria en cocinas comerciales
• Plantas metalúrgicas donde las temperaturas superficiales son extremadamente altas

Sensores de Temperatura de Circuito Integrado Semiconductor: Plug-and-Play para Electrónica

Un sensor de temperatura semiconductor es un circuito integrado que genera una salida de voltaje analógica o una señal digital correspondiente a la temperatura que se está midiendo. Esta tecnología utiliza la propiedad del voltaje directo de una unión p-n de silicio para variar de manera predecible con la temperatura.

Se fabrican precalibrados y listos para una integración plug-and-play en sistemas electrónicos sin procesamiento adicional. El LM35 produce un voltaje analógico lineal en relación con los cambios de temperatura, mientras que el TMP36 y el DS18B20 utilizan una interfaz digital para comunicación de un solo cable.

Las desventajas son de naturaleza similar. Por ejemplo, los rangos de temperatura de detección son de -55°C a 150°C; son menos precisos que los RTD en aplicaciones exigentes, y su fragilidad los hace inadecuados para entornos industriales severos. Sin embargo, cuando se utilizan en electrónica y plataformas IoT, ofrecen resultados óptimos.

Aplicaciones:

• Bienes de consumo como laptops, teléfonos móviles y tablets para propósitos de control térmico
• Gestión térmica de placas de circuitos
• Monitoreo meteorológico
• Monitoreo de parámetros fisiológicos en dispositivos médicos portátiles
• Aplicaciones de IoT

La Clave para Seleccionar el Sensor de Temperatura Correcto

Elegir el sensor de temperatura apropiado requiere considerar muchos aspectos en su conjunto, en lugar de aisladamente. Un aspecto a observar primero es el rango de temperatura, ya que un termopar funciona bien en extremos, un RTD y un termistor en temperaturas moderadamente calientes, y un sensor IC en temperaturas bajas comunes en sistemas electrónicos.

El entorno físico juega un papel importante, ya que las vibraciones, la humedad, los productos químicos y las perturbaciones eléctricas pueden afectar el rendimiento de su sensor. La capacidad de realizar una medición por contacto, el tiempo en que el sensor debe reaccionar, el presupuesto y el formato de salida también son aspectos importantes a este respecto.

Un sensor de temperatura correctamente elegido debería funcionar de manera eficiente sin ningún esfuerzo notable por su parte, proporcionando mediciones correctas. Por el contrario, un sensor mal elegido se convertirá en una causa frecuente de errores y reemplazos, así como de perturbaciones en el proceso.

Conclusión

La detección de temperatura es un área que no puede generalizarse. La existencia de termopares, RTD, termistores, detectores infrarrojos, sensores semiconductores o bimetales demuestra que hay situaciones reales en las que ofrecen mejores resultados que otros tipos.

Comprender el mecanismo de operación de cada tipo facilita mucho la elección del mejor dispositivo para cada aplicación específica, y esta selección es lo que distingue a un sistema exitoso de uno poco confiable que requiere mantenimiento constante. Con la creciente automatización de los procesos en diferentes industrias, los sensores de temperatura también se están desarrollando en consecuencia, proporcionando mediciones cada vez más precisas.

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