Sensores prácticos: las muchas formas en que medimos el calor electrónicamente

Medir la temperatura resulta ser una función fundamental para una gran cantidad de dispositivos. El termostato programable de su horno y los relojes digitales son ejemplos obvios. Si solo necesita saber si se excede una determinada temperatura, puede usar una bobina bimetálica y un microinterruptor (o un interruptor de mercurio como era el método con los termostatos antiguos). Pero en estos días queremos precisión en un rango de lecturas, por lo que hay termopares que generan un voltaje pequeño, RTD que cambian la resistencia con la temperatura, termistores que también cambian la resistencia con la temperatura, sensores infrarrojos y sensores de cuerda vibrante. El voltaje de banda prohibida de una unión de semiconductores varía con la temperatura y eso también es predecible y medible. Probablemente también haya otros métodos, algunos de los cuales probablemente sean bastante creativos.

El punto es que hay muchas formas de medir cualquier cosa, pero en todos los casos, está convirtiendo lo que quiere saber (temperatura) en algo que sabe cómo medir, como voltaje, corriente o posición física. Echemos un vistazo a cómo algunos de los sensores de temperatura más interesantes logran esto.

Los termopares se aprovechan de algo llamado efecto Seebeck. Cuando dos metales diferentes forman una unión y experimentan un gradiente de temperatura, se forma un potencial eléctrico. La clave es que es un gradiente de temperatura lo que hace que el dispositivo funcione. Los termopares tienen una unión caliente y una unión fría. Si desea medir la temperatura, necesita una unión de referencia. Aparte, el efecto funciona a la inversa, el efecto Peltier, donde pasar corriente a través de un par de uniones hace que un lado se caliente y el otro se enfríe.

En los viejos tiempos, sumergirías el cruce frío en un cubo de hielo. Hoy, es más probable que utilice otro método para obtener la temperatura de la unión fría y luego compensar. Hay chips que harán eso por ti, por supuesto.

La desventaja es que la lectura de la temperatura no es lineal. Verá diferentes tipos de termopares y cada tipo utiliza dos materiales de alambre diferentes. El tipo le dice qué curva de calibración usar y, por supuesto, usted selecciona el metal para la aplicación que necesita. Por ejemplo, un tipo J usa hierro como uno de los dos cables y un tipo T usa cobre.

La única otra gran consideración es cómo pasas los cables al termopar. Dado que el dispositivo funciona en una unión entre dos tipos diferentes de cables, debe tener cuidado al conectar otros cables al dispositivo. ¿Quiere saber más? [Bil Herd] profundizó en cómo construir un amplificador de termopar.

Los termopares que miden el infrarrojo a distancia se conocen como termopilas. Estos son comunes en termómetros sin contacto y sensores IR pasivos (PIR). Un sensor PIR detecta la diferencia de temperatura entre dos sensores e infiere que algo ha cambiado en el campo de visión.

Hay varios tipos diferentes de material que pueden exhibir cambios de temperatura con resistencia. El factor más importante es si el dispositivo tiene un coeficiente de temperatura positivo o negativo. En otras palabras, ¿la resistencia sube o baja en respuesta a un cambio de temperatura?

Los termistores tienen una construcción ligeramente diferente de los detectores de temperatura de resistencia o RTD. Por lo general, los termistores tienen menos histéresis y problemas de autocalentamiento que los RTD de base metálica (a menudo de platino). Sin embargo, en cualquier caso, deberá medir la resistencia y ajustarla a una curva para obtener la temperatura real.

Leer termistores es una operación muy común y hay muchos trucos que la gente ha desarrollado a lo largo de los años. También puede gastar el procesamiento matemático para obtener mejores ajustes de curvas, o hacer operaciones matemáticas simples y obtener menos precisión.

El voltaje de banda prohibida del material semiconductor varía de manera predecible con la temperatura. Si alguna vez profundiza en el diseño de estado sólido, verá el término T en la ecuación del diodo y todas sus manifestaciones. Entonces, no sorprende que muchos circuitos integrados utilicen esta propiedad para detectar la temperatura.

Algunos chips están hechos para ser sensores de temperatura. Por ejemplo, los chips comunes LM34 y LM35 aprovechan esta propiedad con algunos circuitos adicionales para proporcionar unos agradables 10 mV por grado (el LM34 mide Farhenheit y el LM35 mide Celsius). Eso los hace muy fáciles de usar.

Algunos chips, como la CPU de su PC, usan el mismo método para medir la temperatura interna para generar informes y administrar la temperatura. Sin embargo, hay otras formas en que los circuitos integrados de sensores que no son de temperatura pueden medir la temperatura.

Resulta que casi todos nuestros circuitos son sensibles a la temperatura de alguna manera. Medir el reloj interno de una CPU contra una referencia externa puede mostrar cambios inducidos por la temperatura.

Hay una multitud de otras formas de medir la temperatura. Por ejemplo, un sensor de cuerda vibrante usa lo que equivale a una cuerda de guitarra. La medición implica excitar la cuerda y detectar la frecuencia de vibración. A medida que la estructura de soporte se contrae y se expande con los cambios de temperatura, el tono de la cuerda cambia.

Puedes obtener una temperatura aproximada en grados Fahrenheit contando el número de chirridos que hacen los grillos. Cuente el número de chirridos en 15 segundos y luego agregue 37. No me sorprendería si alguien hiciera eso en algún instrumento oscuro. [Kevin] en Terre Haute dice que el número es 40 en el video a continuación, y no 37, pero supongo que no es una ciencia exacta.

Por supuesto, una forma cada vez más común de medir la temperatura es usar algún tipo de sensor inteligente. Un módulo o IC puede usar cualquiera de los métodos de los que hemos hablado, convertirlo en unidades de ingeniería y enviar los datos a través de algo así como un bus I2C. Esta es una abstracción de nivel, pero aún debe comprender los beneficios y las limitaciones subyacentes relacionados con el sensor que desea usar.

Si bien puede haber más, no hay otras técnicas comunes para medir la temperatura. Pero todavía quedan muchos sensores de los que hablar en futuros artículos.