Què és un sensor de temperatura?

Un sensor de temperatura és un dispositiu que mesura la calor o el fred d'un objecte, proporcionar una mesura de temperatura mitjançant un senyal elèctric en una forma llegible. Els més comuns són els termoparells i els detectors de temperatura de resistències tèrmiques.

Sensors de temperatura de l'aigua

Sensor de temperatura de la Xina

Tipus de sensors de temperatura per a centres de dades

Hi ha quatre sensors de temperatura principals que s'utilitzen avui en dia a l'electrònica moderna: Coeficient de temperatura negatiu (NTC) termistors, detectors de temperatura de resistència (RTS), termoparells, i integrats basats en semiconductors (IC) sensors.
Un sensor de temperatura és un dispositiu, típicament, un termoparell o un detector de temperatura de resistència, que proporciona mesura de temperatura de forma llegible mitjançant un senyal elèctric.
Un termòmetre és la forma més bàsica d'un mesurador de temperatura que s'utilitza per mesurar el grau de calor i frescor.

Els mesuradors de temperatura s'utilitzen en l'àmbit geotècnic per controlar el formigó, estructures, sòl, aigua, ponts, etc. per canvis estructurals deguts a les variacions estacionals.
Un termoparell (T/C) està fet de dos metalls diferents que generen una tensió elèctrica en proporció directa al canvi de temperatura. Un RTD (Detector de temperatura de resistència) és una resistència variable que canvia la seva resistència elèctrica en proporció directa al canvi de temperatura d'una manera precisa, repetible, i de manera gairebé lineal.

En la nostra vida quotidiana, sovint hauríem de veure termòmetres, escalfadors d'aigua, forns de microones, refrigeradors, etc. S'aplicaran a un dispositiu important: el sensor de temperatura. Aquest article us presentarà els sensors de temperatura, Principis del sensor de temperatura, i tipus de sensors de temperatura.

Tipus de sensor de temperatura:
En aplicacions pràctiques, hi ha molts sensors de temperatura disponibles, amb característiques diferents segons l'aplicació real. Els sensors de temperatura consten de dos tipus físics bàsics:
1. Tipus de sensor de temperatura de contacte
Aquest tipus de sensors de temperatura requereixen contacte físic amb l'objecte que s'està detectant i utilitzen conducció per controlar els canvis de temperatura. Es poden utilitzar per detectar sòlids, líquids o gasos en un ampli rang de temperatures.

2. Tipus de sensor de temperatura sense contacte
Aquest tipus de sensors de temperatura utilitzen la convecció i la radiació per controlar els canvis de temperatura. Es poden utilitzar per detectar líquids i gasos que emeten energia radiant a mesura que la calor augmenta i el fred s'instal·la al fons en corrents de convecció., o per detectar l'energia radiant transmesa des dels objectes en forma de radiació infraroja (sol).
Els sensors de temperatura de contacte i sense contacte es classifiquen a més en els següents sensors de temperatura.

El principi del sensor de temperatura:
1. Termòstat
Un termòstat és un sensor de temperatura de contacte que consisteix en una banda bimetàl·lica feta de dos metalls diferents, com l'alumini, coure, níquel, o tungstè.

La diferència en els coeficients d'expansió lineal dels dos metalls fa que experimentin moviments de flexió mecànics quan s'escalfen..

Imatge real del termòstat

2. Termòstat bimetàl·lic
Un termòstat està format per dos metalls amb diferents nivells de calor enganxats esquena contra esquena. Quan fa fred, els contactes es tanquen i el corrent flueix pel termòstat. A mesura que s'escalfa, un metall s'expandeix més que l'altre, i les tires bimetàl·liques unides es dobleguen cap amunt (o cap avall), obrint els contactes i impedint el flux d'electricitat.

Imatge física del termòstat bimetàl·lic

Hi ha dos tipus principals de tires bimetàl·liques, basat principalment en el seu moviment quan estan sotmesos a canvis de temperatura. Hi ha tipus "d'acció ràpida" que produeixen una acció instantània de tipus "encesa/apagada" o "apagada/encesa" als contactes elèctrics a un punt de temperatura establert., i tipus de "fluència" més lents que canvien gradualment la seva posició a mesura que canvia la temperatura .
Diagrama de funcionament del termòstat bimetàl·lic

Els termòstats d'acció ràpida s'utilitzen habitualment a les nostres llars per controlar els punts de consigna de temperatura dels forns, planxes, dipòsits d'aigua calenta d'immersió, i també es poden trobar a les parets per controlar els sistemes de calefacció de la llar.

Els tipus d'oruga consisteixen normalment en bobines o espirals bimetàl·liques que es desenvolupen o s'enrotllen lentament a mesura que canvia la temperatura.. En termes generals, Les tires bimetàl·liques d'estil crawler són més sensibles als canvis de temperatura que els tipus d'encesa/desactivació estàndard perquè les tires són més llargues i primes, fent-los ideals per utilitzar-los en termòmetres i esferes, etc.

3. Termistor
Els termistors solen estar fets de materials ceràmics, com el níquel, òxids de manganès o cobalt xapats en vidre, el que fa que es facin malbé fàcilment. El seu principal avantatge respecte als tipus d'acció ràpida és la rapidesa amb què responen a qualsevol canvi de temperatura, precisió i repetibilitat.

La majoria dels termistors tenen un coeficient de temperatura negatiu (NTC), el que significa que la seva resistència disminueix a mesura que augmenta la temperatura. No obstant això, hi ha alguns termistors que tenen un coeficient de temperatura positiu (PTC) i la seva resistència augmenta amb la temperatura.

Imatge física del termistor

Els termistors es classifiquen en funció de la seva resistència a temperatura ambient (normalment 25 o C), la seva constant de temps (el temps que triga a reaccionar davant un canvi de temperatura), i la seva potència relativa al corrent que circula per ells. Com resistències, Els termistors tenen valors de resistència a temperatura ambient que van des de 10 megaohms a uns quants ohms, però per a finalitats de detecció s'utilitzen normalment aquests tipus mesurats en kiloohms.

4. Exemple de sensor de temperatura No1
El valor de resistència del termistor següent a 25 ℃ és de 10 KΩ, i el valor de resistència a 100 ℃ és de 100 Ω. Calculeu la caiguda de tensió a través del termistor quan es col·loca en sèrie amb una resistència d'1 kΩ per calcular la tensió de sortida (Vout) a través del subministrament de 12 V a ambdues temperatures.
Diagrama d'exemple del sensor de temperatura

En canviar el valor de la resistència fixa de R2 (1kΩ en el nostre exemple) a un potenciòmetre o valor preestablert, es pot obtenir una sortida de tensió a un punt de consigna de temperatura predeterminat, per exemple, una sortida de 5v a 60 °C. I canviant el potenciòmetre per obtenir un nivell de tensió de sortida específic, es pot obtenir en un rang de temperatures més ampli.

No obstant això, cal tenir en compte que els termistors són dispositius no lineals, i els valors estàndard de resistència de diferents termistors a temperatura ambient són diferents, principalment perquè estan fets de materials semiconductors. Els termistors canvien exponencialment amb la temperatura i, per tant, tenen una constant de temperatura Beta (b) que es pot utilitzar per calcular la resistència a qualsevol punt de temperatura donat.

No obstant això, quan s'utilitza amb resistències en sèrie, com en una xarxa divisora ​​de tensió o una disposició tipus pont de Wheatstone. El corrent obtingut en resposta a la tensió aplicada a la xarxa divisor/pont de tensió és lineal amb la temperatura. La tensió de sortida a través de la resistència augmenta linealment amb la temperatura.