Quins són els tipus de sensors de temperatura utilitzats habitualment

Els sensors de temperatura són eines importants en l'enginyeria moderna, la investigació científica i la vida quotidiana. Et permeten vigilar i controlar les condicions tèrmiques en una àmplia gamma de configuracions. Els termoparells, els detectors de temperatura de resistència (RTD), els termistors (versions NTC i PTC) i els sensors de temperatura de circuit integrat (IC) són els tipus més populars. Els termoparells i els RTD són els tipus de sensors més comuns utilitzats a les fàbriques perquè són fiables, flexibles i poden funcionar en entorns difícils. Cada tipus de sensor funciona segons principis diferents, la qual cosa significa que tenen diferents avantatges pel que fa al rang de temperatura, precisió, temps de resposta, cost i adaptabilitat a diferents entorns. Això permet als enginyers triar la millor solució per a una situació determinada, com ara el control de processos, sistemes HVAC, equips mèdics, aplicacions d'automoció i dispositius IoT.




Termoparells



Els termoparells funcionen a causa de l'efecte Seebeck (efecte termoelèctric), que passa quan dos conductors metàl·lics diferents es connecten en un extrem per fer una unió de mesura. Es crea una força electromotriu menor (tensió) quan hi ha un diferencial de temperatura entre la unió calenta (de mesura) i la unió freda (de referència). Aquesta tensió està directament relacionada amb la diferència. És possible trobar la temperatura exacta mesurant aquesta tensió i fent els ajustos adequats per a la temperatura de la unió de referència.



Els termoparells poden mesurar un rang molt ampli de temperatures, des de -200 graus fins a més de 2000 graus, depenent dels materials emprats. Això els fa perfectes per a llocs molt calents o molt freds. Tenen un disseny senzill i fort que els fa molt duradors i capaços de suportar cops, vibracions i situacions dures. Els termoparells també són econòmics, no necessiten una font d'alimentació externa per funcionar i tenen temps de resposta tèrmica ràpids, la qual cosa és important en processos que canvien ràpidament. Però el seu senyal de sortida és més aviat petit (generalment en el rang de microvolts), de manera que necessiten circuits d'amplificació i necessiten un ajust de la unió freda per mantenir la precisió. Algunes categories habituals són:



Tipus K (níquel-crom/níquel-silici): el tipus més comú, funciona bé des de -200 graus fins a +1260 graus i té un preu raonable i resistent a l'oxidació.



Tipus J (ferro/coure-níquel): funciona bé a temperatures més baixes, fins a uns 750 graus aproximadament, i s'utilitza àmpliament en atmosferes reductores.



Tipus S (platí-rodi/platí): aquest és un tipus de metall noble que s'utilitza en aplicacions d'alta-precisió i alta-temperatura que arriben fins a 1600 graus o més. S'utilitza en forns i avions.



Els termoparells són molt importants en indústries que treballen amb altes temperatures, com ara la metal·lúrgia (fosa d'acer), el processament químic, la generació d'energia (calderes i turbines) i la fabricació de vidre.







II. Detectors de temperatura de resistència (RTD)



Els RTD depenen del fet que la resistència elèctrica dels metalls purs, com el platí, canvia de manera previsible quan canvia la temperatura. La resistència augmenta en línia recta a mesura que augmenta la temperatura, seguint regles com l'equació de Callendar-Van Dusen. El sensor Pt100 (100 ohms a 0 graus) i el Pt1000 són els dos tipus més comuns.



Els RTD són excel·lents perquè són molt precisos (normalment ±0,1 graus o millor), estables al llarg del temps i tenen una resposta lineal en una àmplia gamma de temperatures (normalment de -200 graus a +660 graus , però alguns dissenys poden anar molt més alt). Per això, són millors per a tasques que necessiten molta precisió, com ara calibrar laboratoris, processar aliments, fabricar medicaments i controlar sistemes de climatització. Els seus principals problemes són que triguen més a respondre perquè tenen més massa tèrmica, costen més que els termoparells i necessiten un corrent d'excitació extern (font de corrent constant) per mesurar la resistència sense cometre errors amb l'auto-escalfament. L'ús de configuracions de tres-fills o quatre fils és un gran avantatge perquè compensen la resistència del cable de plom i milloren molt la precisió general del sistema, especialment a llargues distàncies.







III. Termistors



Els termistors són sensors fets de semiconductors que canvien molt la seva resistència a mesura que canvia la temperatura. Es divideixen en NTC (coeficient de temperatura negatiu, que significa que la resistència baixa a mesura que augmenta la temperatura) i PTC (coeficient de temperatura positiu, que significa que la resistència puja ràpidament per sobre d'un punt determinat).



Els termistors NTC són extremadament sensibles (molt més que els RTD o els termoparells), responen ràpidament, són petits i barats. Funcionen bé en el rang de -50 a +150 graus centígrads (amb algunes versions ampliades). S'utilitzen molt en sistemes de gestió de bateries, climatització d'automòbils, electrodomèstics (com neveres i forns) i electrònica de consum. El principal problema és que la seva corba de resistència-temperatura és força no-lineal, la qual cosa significa que cal fer servir taules matemàtiques o de cerca per obtenir lectures precises. A més, tenen problemes d'intercanviabilitat si no estan calibrats. Els termistors PTC, d'altra banda, s'utilitzen principalment per a la prevenció de la-temperatura excessiva, la restricció del corrent d'entrada i els elements de calefacció autorregulats en lloc de la mesura contínua exacta.







IV. Sensors de temperatura per a circuits integrats (CI) Els sensors IC combinen l'element sensor, el condicionament del senyal i, de vegades, la conversió analògica-a-digital en un xip de silici. Poden enviar senyals de tensió analògica (com ara 10 mV/grau) o digitals mitjançant protocols com I²C, SPI o 1-Wire. Algunes marques conegudes són els dispositius de la sèrie LM35, DS18B20 i TMP.



Tenen una taxa d'error baixa (± 0,5 graus habitual), responen ràpidament, necessiten poques peces externes i són fàcils de connectar als microcontroladors. Això els fa perfectes per a sistemes integrats, electrònica de consum, nodes IoT, ordinadors i dispositius portàtils. El rang de temperatura de -55 a +150 graus centígrads limita el seu ús en llocs molt calents o molt freds, però la seva facilitat d'ús i la seva capacitat de treballar amb altres dispositius ho compensa en moltes aplicacions actuals.







V. Altres tipus de suplements A més dels sensors de contacte principals, hi ha una sèrie d'opcions especialitzades que compleixen propòsits específics.



Els sensors de temperatura d'infrarojos (sense-contacte) poden mesurar la temperatura sense tocar l'objecte, ja que poden veure la radiació tèrmica que prové d'ell. Són ideals per controlar altes temperatures (com metalls foss), objectius en moviment o llocs perillosos. Els podeu trobar en termòmetres d'orella mèdics, piròmetres industrials i controls de seguretat alimentària.



Els termòmetres bimetàl·lics utilitzen la diferent expansió tèrmica de dos metalls units per moure un punter. Això proporciona una lectura senzilla i fiable sense necessitat d'energia. Funcionen bé amb termòstats domèstics senzills, forns i indicadors industrials que no són gaire precisos.



Els sensors de temperatura de fibra òptica són immunes a les interferències electromagnètiques, són resistents a la corrosió i són capaços de detectar a grans distàncies perquè utilitzen característiques òptiques com la decadència de la fluorescència o la interferometria. Són molt importants en llocs com ara subestacions d'alta-tensió, transformadors, màquines de ressonància magnètica i llocs on hi ha explosius o material nuclear.



En resum, mentre trieu un sensor de temperatura, heu de pensar en coses com la precisió que ha de ser, l'ampli rang de temperatura, la rapidesa amb què ha de respondre, el cost, la resistència que ha de ser a l'entorn i la facilitat d'instal·lació. Els termoparells són la millor opció per a operacions industrials a-temperatura molt alta, els RTD són els més precisos en entorns controlats, els termistors són la millor opció per a rangs intermedis a baix cost i els sensors IC faciliten la connexió de l'electrònica digitalment. L'infraroig i la fibra òptica són dos exemples d'altres tipus que permeten cobrir totes les indústries, fins i tot aquelles a les quals no s'hi pot accedir mitjançant el tacte directe o l'EMI.