Introducción a los sensores de temperatura: termistores, termopares, RTD y circuitos integrados de termómetro

Conozca los distintos tipos de sensores de temperatura y cada una de sus ventajas y desventajas.

Los sensores de temperatura se encuentran entre los sensores más utilizados. Todo tipo de equipos utilizan sensores de temperatura, incluidos ordenadores, automóviles, electrodomésticos de cocina, aires acondicionados y (por supuesto) termostatos domésticos. Los cinco tipos más comunes de sensores de temperatura incluyen:

Este artículo le brindará una introducción sucinta a cada uno de los tipos de sensores enumerados.

Como su nombre lo indica, el termistor (es decir,termiaal nadaistor) es un dispositivo sensor de temperatura cuya resistencia es función de su temperatura.

Los termistores están disponibles en dos tipos: PTC (coeficiente de temperatura positivo) y NTC (coeficiente de temperatura negativo). La resistencia de un termistor PTC aumenta a medida que aumenta la temperatura. Por el contrario, la resistencia de un termistor NTC disminuye a medida que aumenta la temperatura y este tipo parece ser el termistor más utilizado. Consulte la Figura 1 a continuación.

Es importante darse cuenta de que la relación entre la resistencia de un termistor y su temperatura es muy no lineal, como se ve en la Figura 2.

La ecuación estándar para la resistencia de un termistor NTC en función de la temperatura viene dada por:

$$R_T=R_{25C}\cdot e^{\left\{\beta\left[\left(1/\left(T+273\right)\right)-\left(1/298\right)\ derecha]\derecha\}}$$

Dónde:

R25C es la resistencia nominal del termistor a temperatura ambiente (25 °C). Este valor normalmente se proporciona en la hoja de datos.

β (beta) es la constante del material del termistor en Kelvin. Este valor normalmente se proporciona en la hoja de datos.

T es la temperatura real del termistor en grados Celsius.

Sin embargo, existen dos técnicas sencillas que se utilizan para linealizar el comportamiento de un termistor, a saber, el modo resistivo y el modo de voltaje.

La linealización en modo resistivo coloca una resistencia normal en paralelo con el termistor. Si el valor de la resistencia es el mismo que el del termistor a temperatura ambiente, la región de linealización será simétrica alrededor de la temperatura ambiente. Consulte la Figura 3 a continuación.

La linealización del modo de voltaje, por otro lado, coloca el termistor en serie con una resistencia normal formando un circuito divisor de voltaje; el circuito divisor de voltaje debe estar conectado a una referencia de voltaje conocida, fija y estable, VREF.

Esta configuración tiene el efecto de producir un voltaje de salida que es algo lineal con respecto a la temperatura. Al igual que la linealización en modo resistivo, si el valor de la resistencia es igual a la resistencia del termistor a temperatura ambiente, entonces la región de linealización será simétrica alrededor de la temperatura ambiente (Figura 4).

Los termopares se utilizan comúnmente para medir temperaturas más altas y rangos de temperatura más amplios.

Para resumir cómo funcionan los termopares, cualquier conductor sometido a un gradiente térmico generará un pequeño voltaje. Este fenómeno se conoce como efecto Seebeck. La magnitud del voltaje generado depende del tipo de metal. Las aplicaciones prácticas del efecto Seebeck implican dos metales diferentes que se unen por un extremo y se separan por el otro. La temperatura de la unión se puede determinar mediante el voltaje entre los cables en el extremo sin unión.

Existen varios tipos de termopares. Ciertas combinaciones de aleaciones se han vuelto populares y la combinación deseada depende de variables que incluyen el costo, la disponibilidad, las propiedades químicas y la estabilidad. Los diferentes tipos son los más adecuados para diferentes aplicaciones y comúnmente se eligen según el rango de temperatura y la sensibilidad requeridos.

La Figura 5 muestra un gráfico de las características del termopar.

Los detectores de temperatura resistivos, también conocidos como termómetros de resistencia, son quizás el sensor de temperatura más sencillo de entender. Los RTD son similares a los termistores en que su resistencia cambia con la temperatura. Sin embargo, en lugar de utilizar un material especial que sea sensible a los cambios de temperatura, como ocurre con un termistor, los RTD utilizan una bobina de alambre enrollada alrededor de un núcleo hecho de cerámica o vidrio.

El cable RTD es de material puro, generalmente platino, níquel o cobre, y el material tiene una relación precisa entre resistencia y temperatura que se utiliza para determinar la temperatura medida.

En lugar de utilizar un termistor y una resistencia de valor fijo en un circuito divisor de voltaje, una solución alternativa sería un sensor de temperatura analógico de bajo voltaje, como el TMP36 de Analog Devices. A diferencia de un termistor, este CI analógico proporciona un voltaje de salida casi lineal; la pendiente es de 10 mV/°C en un rango de temperatura de -40 a +125 °C y tiene una precisión de ±2 °C. Consulte la Figura 6 a continuación.

Aunque estos dispositivos son extremadamente fáciles de usar, son considerablemente más caros que una combinación de termistor y resistencia.

Los dispositivos de temperatura digitales son más complejos, pero pueden ser muy precisos. Además, pueden simplificar su diseño general porque la conversión de analógico a digital se realiza dentro del IC del termómetro en lugar de en un dispositivo separado, como un microcontrolador. Por ejemplo, el DS18B20 de Maxim Integrated tiene una precisión de ±0,5 °C y un rango de temperatura de -55 °C a +125 °C.

Además, algunos circuitos integrados digitales se pueden configurar para recolectar energía de su línea de datos, lo que les permite conectarse utilizando solo dos cables (es decir, datos/alimentación y tierra). Haga clic aquí para obtener más información sobre esta interfaz de “1 cable”.

La Tabla 1 a continuación muestra una comparación entre los diferentes sensores de temperatura discutidos. Sin embargo, recuerde que esta información debe recibirse como una generalización. La tabla está destinada principalmente a quienes carecen de amplia experiencia y/o conocimientos sobre sensores de temperatura.

Imagen destacada utilizada por cortesía de W11 Stop