Existen varios tipos de tecnologías de sensores y diferencias significativas en la demanda de la industria, lo que hace que sea extremadamente difícil elegir el mejor sensor de temperatura para aplicaciones específicas. Sin embargo, muchas aplicaciones requieren lecturas precisas, por lo que es necesario evaluar varios productos existentes.
Al seleccionar sensores de temperatura, es necesario equilibrar múltiples factores para cumplir con los requisitos de diseño: precisión, tiempo de respuesta, protocolo de comunicación, tolerancia ambiental, consumo de energía, costo e integración del sistema. Los sensores suelen dividirse en cuatro tipos de salidas de voltaje analógicas y un tipo de salida de señal digital:
Termopar: Con un amplio rango de temperatura y durabilidad, puede medir temperaturas desde bajas hasta más de +1800 °C. Los termopares son resistentes y duraderos, capaces de soportar entornos hostiles y responder rápidamente a cambios rápidos de temperatura. Sin embargo, su precisión y estabilidad no son tan buenas como las de otros sensores y requieren acondicionamiento de la señal. Los termopares son muy adecuados para industrias pesadas como la producción de acero y vidrio, así como para electrodomésticos y comerciales de alta temperatura.
Detector de temperatura de resistencia (RTD): Con alta precisión y estabilidad, es muy adecuado para campos de control de procesos y automatización industrial que requieren una precisión extremadamente alta. La RTD se utiliza comúnmente en las industrias alimentaria y farmacéutica para lograr un control estricto de la temperatura durante procesos como la elaboración de cerveza, la desinfección y la fritura. RTD puede proporcionar mediciones precisas de temperatura para sistemas HVAC, así como equipos médicos y de laboratorio, como incubadoras e instrumentos analíticos. En comparación con alternativas como los termopares, los RTD pueden tener costos más altos y son más frágiles debido a su dependencia de elementos de detección de alambres o películas delgadas. La RTD se suele utilizar en combinación con circuitos de medición de precisión, lo que aumenta la complejidad y el coste del diseño.
Termistor: Resistencia hecha de semiconductor, con un valor de resistencia que cambia con la temperatura y alta sensibilidad. Pequeños cambios de temperatura y grandes cambios de resistencia permiten la detección de pequeñas fluctuaciones de temperatura con alta resolución. Los termistores tienen un tamaño pequeño, una velocidad de respuesta rápida y un bajo costo, y cubren diversas especificaciones, desde microperlas hasta sondas más grandes. Los termistores son adecuados para aplicaciones con un rango de temperatura limitado, típicamente entre -50 °C y 150 °C. Los termistores tienen una amplia gama de aplicaciones, incluidos dispositivos médicos y electrónica de consumo relacionados con la temperatura ambiental o humana, así como aplicaciones automotrices, sistemas de gestión de baterías, electrónica de consumo, detección de incendios y humo, y otros campos. Sin embargo, la curva de resistencia no lineal de los termistores requiere fórmulas de conversión o tablas de búsqueda para convertir con precisión el valor de resistencia a temperatura y, en comparación con los RTD, los termistores pueden desviarse con el tiempo.
Sensor de temperatura de diodo: con una velocidad de respuesta rápida y un tamaño más pequeño en comparación con los otros tres sensores analógicos, se puede conectar fácilmente a microcontroladores, convertidores analógicos a digitales (ADC) y circuitos integrados de aplicaciones específicas (ASIC). El sensor de temperatura de diodo tiene una alta rentabilidad, con un rango de temperatura limitado de -55 °C a +150 °C. Puede usarse ampliamente en muchos campos, como la electrónica de consumo, la automatización industrial, los sistemas de almacenamiento de centros de datos y los automóviles. Este tipo de sensor tiene menor precisión que el RTD, es susceptible al ruido del sistema y normalmente requiere calibración para garantizar lecturas consistentes entre diferentes dispositivos.
Sensor de temperatura digital: un tipo de circuito integrado (IC) que se utiliza para medir la temperatura y proporcionar directamente una salida digital, generalmente transmitiendo datos a través de protocolos de comunicación estándar como SMBus, I ² C, SPI o 1-Wire. Los sensores digitales no requieren acondicionamiento de señal externa, amplificación ni conversión de analógico a digital como los sensores analógicos.
Principio de selección
Elegir el sensor de temperatura adecuado requiere un equilibrio entre precisión, tiempo de respuesta, durabilidad y costo, o seleccionar los componentes adecuados de acuerdo con los requisitos específicos de la industria.
El entorno de trabajo en el que se selecciona el sensor de temperatura juega un papel crucial. En entornos hostiles, se requieren sensores robustos y duraderos, como termopares o RTD revestidos, mientras que los termistores o sensores semiconductores son más adecuados para entornos controlados. El costo y la escalabilidad también son factores a considerar en la producción en masa: los termistores son rentables, mientras que los RTD y los termopares de alta gama tienen estabilidad a largo plazo.
El equilibrio entre precisión y practicidad es igualmente crucial para los diseñadores en su proceso de selección. RTD tiene una gran precisión, pero es caro; Los termopares tienen una amplia gama de aplicaciones, pero su precisión es relativamente baja. El tiempo de respuesta y la ubicación son igualmente críticos: los sensores livianos, como termopares y termistores, tienen velocidades de respuesta rápidas, pero la ubicación de la instalación puede afectar el rendimiento.
El costo de los sensores y sus circuitos relacionados afectará en gran medida la selección, especialmente en productos de consumo o producción en masa. El costo de los diferentes tipos de sensores varía mucho. Los sensores analógicos requieren acondicionamiento de señales, mientras que los sensores digitales pueden simplificar la integración. Reducir los circuitos analógicos y el trabajo de calibración puede minimizar los costos generales, incluso si es razonable elegir sensores digitales de costo ligeramente mayor.
Sensores digitales y sus características.
Los sensores digitales convierten señales analógicas internamente y transmiten datos en forma de flujo digital, generalmente con mejor resistencia al ruido y la capacidad de realizar un procesamiento de datos más complejo. Analog Devices, Inc. (ADI) ofrece una amplia gama de combinaciones de productos de sensores de temperatura analógicos y digitales, y los diseñadores deben evaluar cuidadosamente qué producto satisface mejor las necesidades de su aplicación. A continuación se muestra una breve introducción a algunos sensores digitales.
Si se requieren lecturas de temperatura precisas, la precisión puede ser el factor de selección más importante. El sensor digital MAX31888 de ADI tiene una precisión de ± 0,25 °C en el rango de -20 °C a +105 °C y puede comunicarse con un microcontrolador a través de un bus de 1 cable para lograr un circuito de monitoreo de temperatura de alta precisión (Figura 1). Cada MAX31888 tiene su propio número de registro único de 64 bits que se utiliza como dirección de nodo en una red multipunto de una sola línea.