Sensor De Temperatura: Características Y Funcionamiento.

En los distintos modelos de vehículos que existen se habla de sensores para casi todo. En este caso, haremos énfasis con mucha precisión y cautela en abordar el tema del sensor de temperatura, tema éste de suma importancia ya que estos dispositivos son de gran importancia en el desempeño de nuestro auto.

Que es un sensor de temperatura, sus componentes básicos y sus funciones son algunos de los aspectos que abordaremos en este artículo que hemos traído en esta ocasión en Mundo del Motor.

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    Sensor de Temperatura

    Podemos definir como sensor de temperatura a  aquellos dispositivos que, transforman los cambios de temperatura de un vehículo (en este caso), en cambios, en señales eléctricas, que son procesados por el equipo eléctrico o electrónico.

    Hay tres tipos de sensores de temperatura, los termistores, los RTD y los termopares.

    El sensor de temperatura, normalmente suele estar formado por el elemento sensor, de cualquiera de los tipos anteriores. La vaina que lo envuelve y que está rellena de un material muy conductor de la temperatura, para que los cambios se transmitan rápidamente al elemento sensor y del cable al que se conectarán el equipo electrónico.

    Termistor

    El termistor está basado principalmente en que el comportamiento de la resistencia de los semiconductores, es variable en función de la temperatura.

    Existen los termistores tipo NTC y los termistores tipo PTC. En los primeros, al aumentar la temperatura, disminuye la resistencia. En el caso particular de los PTC, al aumentar la temperatura por ende  aumenta la resistencia.

    El problema fundamental y principal de los termistores, es que no son lineales según la temperatura, por lo que es necesario aplicar fórmulas complejas para determinar la temperatura según la corriente que circula y son complicados de calibrar.

    sensor de temperatura

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    El funcionamiento se basa en la variación de la resistencia del semiconductor debido al cambio de la temperatura ambiente, creando una variación en la concentración de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración de portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo.

    Hablemos de los termistores PTC. En el caso particular de un semiconductor con un dopado muy intenso, éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado. Usualmente, los termistores se fabrican a partir de óxidos semiconductores, tales como el óxido férrico, el óxido de níquel, o el óxido de cobalto.

    Sin embargo, a diferencia de los sensores RTD, la variación de la resistencia con la temperatura no es lineal. Para un termistor NTC, la característica es hiperbólica. Para pequeños incrementos de temperatura, se darán grandes incrementos de resistencia:

    Inconvenientes de los Termistores

    Para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente. Pero el inconveniente  principal el que da muchos problemas del termistor es su falta de linealidad.

    El  RTD (del inglés: resistance temperature detector) es un detector de temperatura resistivo, es decir, un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura.

    Al calentarse un metal habrá una mayor agitación térmica, dispersándose más los electrones y reduciéndose su velocidad media, aumentando la resistencia. A mayor temperatura, mayor agitación, y mayor resistencia.

    La variación de la resistencia puede ser expresada de manera polinómica como sigue a continuación. Por lo general, la variación es bastante lineal en márgenes amplios de temperatura.

    RTD (  resistance temperature detector )

    Un dispositivo como el  RTD es un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura.

    Los metales  que generalmente son empleados como RTD son: El platino, cobre, níquel y molibdeno.

    De entre los anteriores, los sensores de platino son los más comunes por tener mejor linealidad, más rapidez y mayor margen de temperatura.

    Termopar

    El termopar, también llamado termocupla y que recibe este nombre por estar formado por dos metales, es un instrumento de medida cuyo principio de funcionamiento es el efecto termoceléctrico.

    Un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica.

    El termopar genera una tensión que está en función de la temperatura que se está aplicando al sensor. Midiendo con un voltímetro la tensión generada, conoceremos la temperatura.

    Los termopares tienen un amplio rango de medida, son económicos y están muy extendidos en la industria. El principal inconveniente estriba en su precisión, que es pequeña en comparación con sensores de temperatura RTD o termistores.

    Por lo general los termopares industriales están compuestos ( en su interior), por un tubo de acero inoxidable u otro material. En un extremo del tubo está la unión, y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal).

    En instrumentación industrial, los termopares son usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación está en la exactitud, pues es fácil obtener errores del sistema cuando se trabaja con precisiones inferiores a un grado Celsius.

    El grupo de termopares que normalmente se encuentran conectados en serie recibe el nombre de termopila, tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.

    sensor de temperatura del auto

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    Funcionamiento de un Sensor de Temperatura

    Principio de funcionamiento de un Sensor de Temperatura

    La mayoría de los dispositivos de sensor de temperatura funcionan aprovechando una característica física de algunos materiales conductores y semiconductores, estos materiales son capaces de variar la resistencia eléctrica en función de la temperatura ambiente, gracias a este principio podemos describir el funcionamiento de un sensor de temperatura de cualquier tipo.

    Existen materiales semiconductores con coeficiente de temperatura negativo (Cuando aumenta la temperatura la resistencia disminuye) y otros con coeficiente de temperatura positivo (Cuando aumenta la temperatura la resistencia aumenta).

    Bajo este principio se fabrican elementos circuitales conocidos termistores, son elementos capaces de variar su resistencia en función de la temperatura, existen dos tipos distintos.

    • NTC (Coeficiente de temperatura negativo)
    • PTC (Coeficiente de temperatura positivo)

    Según el material que se utilice la curva de Resistencia – Temperatura sera diferente, por ejemplo si utilizamos cobre, niquel o platino el comportamiento sera bastante lineal (a estos se los conoce como RTD), mientras que si utilizamos  oxido férrico u oxido de cobalto la curva serahiperbolica.

    Linealización:

    Además de lidiar con la compensación de unión fría, el instrumento de medición debe además enfrentar el hecho de que la energía generada por un termopar no es una función lineal de la temperatura. Esta dependencia se puede aproximar por un polinomio complejo (de grado 5 a 9, dependiendo del tipo de termopar). Los métodos analógicos de linealización son usados en medidores de termopares de bajo costo.

    Formatos de Termopares

    Los termopares están disponibles en diferentes formatos, como sondas. Estas últimas son ideales para variadas aplicaciones de medición, por ejemplo, en la investigación médica, sensores de temperatura para los alimentos, en la industria y en otras ramas de la ciencia, etc.

    A la hora de seleccionar una sonda de este tipo debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos tipos son el modelo «estándar», con pines redondos y el modelo «miniatura», con pines chatos, siendo estos últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros) los más populares.

    Tipos K, E J, T, N

    • Tipo K(cromel/alumel): con una amplia variedad aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. El cromel es una aleación de Ni-Cr, y el alumel es una aleación de Ni-Al. Tienen un rango de temperatura de –200 °C a +1372 °C y una sensibilidad 41 µV/°C aproximadamente. Posee buena resistencia a la oxidación.
    • Tipo E(cromel/constantán [aleación de Cu-Ni]: no son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.
    • Tipo J (hierro/constantán): su rango de utilización es de –270/+1200 °C. Debido a sus características se recomienda su uso en atmósferas inertes, reductoras o en vacío, su uso continuado a 800 °C no presenta problemas. Su principal inconveniente es la rápida oxidación que sufre el hierro por encima de 550 °C; y por debajo de 0 °C es necesario tomar precauciones a causa de la condensación de vapor de agua sobre el hierro.
    • Tipo T(cobre/constantán): ideales para mediciones entre -200 y 260 °C. Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopar de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C.
    • Tipo N(nicrosil [Ni-Cr-Si]/nisil [Ni-Si]): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S, que son más caros.

    Tipos B, R, S

    Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables. Pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 °C).

    • Tipo B(Pt-Rh): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1800 °C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0 °C y 42 °C debido a su curva de temperatura/voltaje. Limitando así su uso a temperaturas por encima de 50 °C.
    • Tipo R(Pt-Rh): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1300 °C. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.
    • Tipo S(Pt/Rh): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1300 °C, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).
    • Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.

      Precauciones y consideraciones al usar Termopares

      La mayor parte de los problemas de medición y errores con los termopares se deben a la falta de conocimientos del funcionamiento de los termopares. A continuación, un breve listado de los problemas más comunes que deben tenerse en cuenta.

      Problemas de conexión

      La mayoría de los errores de medición son causados por uniones no intencionales del termopar. Se debe tener en cuenta que cualquier contacto entre dos metales distintos creará una unión. Si lo que se desea es aumentar la longitud de las guías, se debe usar el tipo correcto del cable de extensión. Por ejemplo, el tipo K corresponde al termopar K.

      Al usar otro tipo se introducirá una unión termopar. Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hecho del material termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada. Lo más correcto es emplear conectores comerciales del mismo tipo que el termopar para evitar problemas.

      Resistencia de la guía

      Para minimizar la desviación térmica y mejorar los tiempos de respuesta, los termopares están integrados con delgados cables. Esto puede causar que los termopares tengan una alta resistencia, la cual puede hacer que sea sensible al ruido; y también puede causar errores debidos a la resistencia del instrumento de medición.

      Una unión termopar típica expuesta con 0,25 mm tendrá una resistencia de cerca de 15 ohmios por metro. Si se necesitan termopares con delgadas guías o largos cables, Conviene mantener las guías cortas y entonces usar el cable de extensión. El cual es más grueso (lo que significa una menor resistencia) ubicado entre el termopar y el instrumento de medición. Se recomienda medir la resistencia del termopar antes de utilizarlo.

      Desajuste

      El desajuste es el proceso de alterar accidentalmente la conformación del cable del termopar. La causa más común es la difusión de partículas atmosféricas en el metal a los extremos de la temperatura de operación. Otras causas son las impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en el cable del termopar. Si se opera a elevadas temperaturas, se deben revisar las especificaciones del aislante de la sonda.

      Tenga en cuenta que uno de los criterios para calibrar un instrumento de medición. Es que el patrón debe ser por lo menos 10 veces más preciso que el instrumento a calibrar.

      Ruido

      La salida de un termopar es una pequeña señal, así que es susceptible de error por ruido eléctrico. La mayoría de los instrumentos de medición rechazan cualquier modo de ruido (señales que están en el mismo cable o en ambos) así que el ruido puede ser minimizado. Al retorcer los cables para asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido.

      Si se opera en un ambiente extremadamente ruidoso (por ejemplo cerca de un gran motor), se hace necesario considerar usar un cable de extensión protegido; si se sospecha de la recepción de ruido, primero se deben apagar todos los equipos sospechosos y comprobar si las lecturas cambian.

      Sin embargo, la solución más lógica es diseñar un filtro pasabajos (resistencia y condensador en serie). Ya que es probable que la frecuencia del ruido (por ejemplo de un motor) sea mucho mayor a la frecuencia con que oscila la temperatura. O ponerle un repetidor después del termopar; para lograr con esto que la señal en el cable sea mayor; y por ende que el equipo receptor este compensado para poder acoplar ese repetidor.

      Voltaje en modo común

      Estos voltajes pueden ser causados tanto por una recepción inductiva (un problema cuando se mide la temperatura de partes del motor y transformadores). O por las uniones a conexiones terrestres. Un ejemplo típico de uniones a tierra sería la medición de un tubo de agua caliente con un termopar sin aislamiento; si existe alguna conexión terrestre pueden existir algunos voltios entre el tubo y la tierra del instrumento de medición.

      Estas señales están una vez más en el modo común (las mismas en ambos cables del termopar). Así que no causarán ningún problema con la mayoría de los instrumentos siempre y cuando no sean demasiado grandes. Los voltajes del modo común pueden ser minimizados al usar los mismos recaudos del cableado establecidos para el ruido. Y también al usar termopares aislados.

      sensor de temperatura interno

    • Ruido en modo serie

      Si el sensor está expuesto a cables de alta tensión. Se puede presentar un voltaje que aparece en solo una de las líneas de este. Éste ruido se puede disminuir transmitiendo la señal en corriente.

      Desviación térmica

      Al calentar la masa de los termopares se extrae energía que afectará a la temperatura que se trata determinar. Considérese por ejemplo, medir la temperatura de un líquido en un tubo de ensayo: existen dos problemas potenciales. El primero es que la energía del calor viajará hasta el cable del termopar y se disipará hacia la atmósfera. Reduciendo así la temperatura del líquido alrededor de los cables.

    Podemos decir para finalizar que el sistema de sensor de temperatura es un aspecto de vital importancia. Sobre todo en el desarrollo de la capacidad de nuestro vehículo. Ya que del mismo depende que nuestro auto no se recaliente y pasemos un mal rato varados. Es fundamental mantener este sensor de temperatura en perfecto estado. Para que garanticen un buen funcionamiento y arrojen buenos datos con respecto a la temperatura de nuestro vehículo.

    1. Marian dice:

      Si pero no conozco muy bien el tema,tengo que informarme mas sobre ello pero ¿de que esta hecho un sensor de calor?

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