Principio de funcionamiento del sensor de temperatura

Principio de funcionamiento de los sensores de temperatura:

Un sensor de temperatura es un dispositivo que detecta la temperatura y la convierte en una señal medible. Su principio de funcionamiento se basa en diversos efectos físicos, como los termoeléctricos, resistivos, de termistor, de termopar, de expansión térmica, de semiconductor y de absorción infrarroja. A continuación, se detallan estos principios:

1. Efecto termoeléctrico

El efecto termoeléctrico es la base de los sensores de temperatura termopares. Un termopar, compuesto por dos materiales conductores diferentes y compuesto por un bucle cerrado, cuando existe un gradiente de temperatura en ambos extremos, circula una corriente a través del bucle. En este momento, entre ambos extremos existe un potencial eléctrico (fuerza electromotriz térmica). Este fenómeno de potencial eléctrico debido a la diferencia de temperatura se conoce como efecto Seebeck. Mediante la medición de esta fuerza electromotriz, se puede medir la temperatura. Los termopares ofrecen un amplio rango de medición y una alta precisión, y se utilizan ampliamente en diversas situaciones de medición de temperatura.

   - Un termopar es un sensor formado mediante la soldadura de dos conductores metálicos diferentes entre sí.

   - Cuando las juntas de soldadura del sensor están a diferentes temperaturas, se forma una diferencia de temperatura, que genera un pequeño potencial eléctrico (señal de voltaje).

   - La magnitud de esta fuerza electromotriz está relacionada con la diferencia de temperatura, y la temperatura se puede medir mediante una curva de voltaje-temperatura calibrada.

2. Efectos resistivos y termistores

El efecto de resistencia y el efecto termistor son los principios de funcionamiento de los sensores de temperatura de termistor. Un termistor es un elemento cuyo valor de resistencia varía con la temperatura. Según la ley de variación del valor de resistencia con la temperatura, los termistores se dividen en dos tipos: de coeficiente de temperatura positivo (PTC) y de coeficiente de temperatura negativo (NTC). El valor de resistencia de los materiales de coeficiente de temperatura positivo aumenta con el aumento de la temperatura, mientras que el de los materiales de coeficiente de temperatura negativo disminuye con el aumento de la temperatura. La temperatura se puede medir midiendo el valor de resistencia del termistor. Los sensores de termistor alcanzan una alta precisión en un rango de temperatura limitado (p. ej., de -90 °C a 130 °C).

2.1 Efecto termistor:

   Los termistores son resistencias cuya resistencia varía con la temperatura. Se suelen dividir en dos tipos: de coeficiente de temperatura negativo (NTC) y de coeficiente de temperatura positivo (PTC).

   - El valor de resistencia de los termistores NTC disminuye con el aumento de la temperatura, mientras que los PTC aumentan con el aumento de la temperatura.

   Al medir el cambio en el valor de la resistencia, se puede deducir el cambio de temperatura. Generalmente existe una relación no lineal específica entre el valor de la resistencia y la temperatura, que requiere calibración y circuitos específicos para convertirla a un valor de temperatura.

2.2 Efecto de resistencia:

   - Un RTD es un sensor que utiliza un cable o película de metal puro (generalmente platino) como elemento sensor.

   - Cuando la temperatura cambia, el valor de resistencia de la resistencia metálica cambia, y este cambio está relacionado linealmente con la temperatura.

   - Midiendo el cambio en el valor de la resistencia, se puede calcular el valor de la temperatura.

3. Efecto de absorción infrarroja

Los sensores de temperatura infrarrojos se basan en el principio de que el movimiento térmico interno de un objeto irradia ondas electromagnéticas (que contienen rayos infrarrojos con una longitud de onda de 0,75 a 100 μm) en todas las direcciones. Estos sensores no requieren contacto directo con el objeto a medir, sino que miden la temperatura indirectamente midiendo la energía infrarroja que este irradia. Por lo tanto, son especialmente adecuados para medir la temperatura superficial de objetos en movimiento, objetivos pequeños y objetos con baja capacidad calorífica o con cambios rápidos de temperatura (transitorios).

   - Los sensores infrarrojos miden la temperatura de la superficie de un objeto al recibir la radiación infrarroja que emite.

   - La radiación térmica de un objeto es proporcional a su temperatura superficial, y el sensor puede determinar la temperatura del objeto midiendo la intensidad de la radiación recibida.

4. Efecto de expansión térmica: 

Un sensor de expansión térmica consiste en el uso de ciertos materiales con variaciones de temperatura y características de expansión de volumen para medir la temperatura. Cuando la temperatura cambia, la longitud del material en el sensor varía, y la información de temperatura se puede obtener midiendo dicha variación.

5. Efecto semiconductor: 

Los materiales semiconductores presentan una mayor tasa de variación de la resistencia con la temperatura que los metales, por lo que pueden utilizarse como sensores de temperatura. Al aumentar la temperatura, la resistencia del semiconductor disminuye rápidamente, y esta característica permite medir la temperatura con precisión.

En aplicaciones prácticas, el sensor de temperatura apropiado debe seleccionarse según el rango de medición específico, los requisitos de precisión, las condiciones ambientales y otros factores.

1. Termopares: Los termopares suelen tener un rango de medición amplio y una precisión aceptable, pero su linealidad y estabilidad pueden verse afectadas por la temperatura y el tipo de material. A temperaturas extremas, el rendimiento de los termopares puede disminuir, lo que afecta la precisión.

2. Sensores de coeficiente de expansión térmica (medidores de expansión): Los medidores de expansión son menos precisos y se suelen utilizar para mediciones de temperatura relativamente rudimentarias. Son adecuados para medir cambios de temperatura en lugar de valores de temperatura precisos.

3. Detectores de temperatura de resistencia (RTD): Los RTD ofrecen buena precisión y estabilidad, especialmente a temperaturas constantes. Ofrecen un amplio rango de medición, pero su tiempo de respuesta es lento y no son adecuados para la monitorización de cambios rápidos de temperatura.

4. Termistores (sensores de temperatura semiconductores): Los termistores son muy sensibles y pueden responder con gran rapidez a los cambios de temperatura. Sin embargo, su estabilidad a largo plazo puede no ser tan buena como la de los RTD, y su rendimiento puede verse afectado a temperaturas extremas.

Para resumir

Los sensores de temperatura funcionan según diversos principios, basados en diferentes efectos físicos para medir la temperatura. Los sensores de termopar utilizan el efecto termoeléctrico; los sensores de termistor, los efectos resistivo y termistor; y los sensores infrarrojos, el efecto de absorción infrarroja. Estos sensores tienen sus propias ventajas y desventajas, y son adecuados para diferentes ocasiones y necesidades de medición. Por ejemplo, para casos de mayor precisión, se utilizan comúnmente termopares o RTD; para casos de tiempos de respuesta rápidos, se utilizan comúnmente sensores de efecto termoeléctrico o semiconductor; y para casos de bajo costo, se utilizan comúnmente sensores de efecto de expansión térmica.

En general, ningún sensor de temperatura es el más preciso en todas las condiciones. La elección del sensor depende de los requisitos específicos de la aplicación, incluyendo el rango de medición deseado, la precisión, el tiempo de respuesta, el costo y las condiciones ambientales. Al seleccionar un sensor de temperatura, generalmente se deben considerar ventajas y desventajas en función de estos factores.