A medida que nuestro mundo se automatiza, la detección va adquiriendo mayor importancia y, aunque podemos detectar más parámetros que nunca, la capacidad de determinar con precisión los niveles de temperatura sigue siendo una de las principales funciones del diseño electrónico. La información relativa a la temperatura es valiosa en casi todos los aspectos de nuestra vida, ya sea el entorno doméstico, el horno en el que cocinamos o incluso nuestra propia temperatura corporal.

En la industria, controlar la temperatura de la maquinaria y la tecnología informática puede proporcionar una detección de fallos temprana o prolongar la vida útil manteniendo unas temperaturas óptimas. Hay varias formas de medir la temperatura y cada una ofrece diferentes ventajas y es adecuada para distintos contextos de aplicación. En este artículo, vamos a analizar tres de las formas más comunes de medir la temperatura: mediante termistor, termopar y tecnología de infrarrojos (IR).

Termistores

Un termistor es una resistencia que varía en función de la temperatura a la que esté expuesta, ya sea a través del aire ambiente o de una superficie con la que esté en contacto (o incluso integrada). Estos sencillos dispositivos están hechos de óxidos metálicos prensados en forma de cuenta, disco o cilindro —según convenga— que luego se encapsulan en epoxi o vidrio. Dependiendo de los materiales que se elijan, la resistencia podrá aumentar con la temperatura —ante un coeficiente térmico positivo (PTC)— o disminuir —cuando haya un coeficiente térmico negativo (NTC)—. Los del tipo NTC suelen ser los componentes más habituales para la medición térmica, mientras que los del tipo PTC se utilizan con mayor frecuencia como fusibles térmicos.

 El aspecto positivo es que los termistores son muy fáciles de usar, son económicos, resistentes de por sí y responden de manera predecible a los cambios de temperatura. Aunque el cambio de resistencia no sea lineal, seguirá una curva prestablecida para un modelo concreto de termistor. Además, los termistores son muy sensibles y precisos y poseen una gran estabilidad. Sin embargo, no resultan adecuados para medir grandes variaciones térmicas y, por lo general, únicamente funcionan en un intervalo bastante reducido en torno a una temperatura «base» establecida. Esto, junto con la lentitud de su tiempo de respuesta, puede limitar las aplicaciones para las que son adecuados.

 Imagen 1: Ejemplo de la curva de un termistor NTC que muestra la relación entre resistencia y temperatura.

Los termistores son versátiles y pueden medir la temperatura ambiente, así como unirse a una superficie o introducirse en un objeto (como un disipador) para medir allí la temperatura. Cuando se unen a una superficie o se insertan, los termistores son una forma de medición intrusiva, lo que significa que su presencia puede afectar a la temperatura a medir. En la práctica, los termistores son muy pequeños y su masa térmica es mínima, algo que no suele suponer un problema en la mayor parte de los casos de uso.

 Los termistores pueden ser dispositivos con plomo o, más frecuentemente, dispositivos montados en superficie (SMD) como el NCU15XH103D60RC de Murata, que es un componente NTC con un tamaño de 1,0mm x 0,5mm. Este termistor tiene una resistencia nominal de 10k y funciona a temperaturas entre -40y +125ºC. Aunque es adecuado para una amplia gama de aplicaciones, resulta especialmente apropiado para la compensación de temperatura en circuitos eléctricos/electrónicos y dispositivos sensibles a la temperatura, como transistores, CI y osciladores. Con el aumento de la tecnología basada en baterías, este tipo de termistores se están utilizando para controlar la temperatura de los paquetes de baterías recargables durante su uso y recarga.

Imagen 2: El termistor NCU15XH103D60RC NTC de Murata.

Termopares

En resumen, los termopares son dos cables hechos de metales diferentes, unidos en un extremo y separados en el otro. Los cambios de temperatura en el extremo unido (denominado unión «caliente») generan una pequeña tensión en el extremo separado (la unión «fría») que es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones. Los termopares efectúan una medición diferencial, por lo que para poder calcular la temperatura de la unión caliente, hay que conocer la de la unión fría. Además, el uso de los términos caliente y frío es una nomenclatura adoptada por la industria, pero en realidad la temperatura de la unión caliente podría ser inferior a la de la fría. Hay quien ha empezado a denominar a las uniones «medición» y «referencia» para evitar cualquier posible confusión.

 Los termopares se caracterizan por los cables que emplean, o más concretamente, por los materiales de los que están hechos los cables. A cada termopar se le asigna un nombre de letra, siendo J, K y T las más habituales. El tipo K está hecho de dos aleaciones de níquel —cromel y alumel— que contienen cromo, aluminio, manganeso y silicio. La relación entre la temperatura (diferencial) y la tensión en la unión fría se define por el coeficiente de Seebeck, que se mide en V/K. Los coeficientes de Seebeck de los tipos R y S son bajos (<10), mientras que los de los tipos más utilizados (J, K, T y E) son más altos (>40).

 La mayor ventaja de los termopares es que pueden abarcar un intervalo de temperaturas increíblemente amplio (a menudo entre -200y +2500ºC), por lo que pueden utilizarse en cualquier ámbito, desde la aviónica hasta la criogenia. También son muy resistentes y no les afectan las descargas ni las vibraciones. Al ser dispositivos pasivos, también ofrecen seguridad intrínseca, por lo que pueden utilizarse en entornos peligrosos en presencia gases potencialmente explosivos. Los termopares tienen una baja masa térmica, lo que significa que responden a los cambios bruscos de temperatura, a menudo en menos de un segundo. Sin embargo, no son perfectos para todas las aplicaciones: uno de sus mayores inconvenientes es el bajísimo nivel de señal que emiten. Para mejorar la relación señal/ruido, puede ser necesario el acondicionamiento avanzado de la señal. Al ser cables largos, los termopares pueden ser susceptibles a la captación, aunque esto puede reducirse trenzando los cables o poniéndolos en un tubo contra interferencias. También pueden ser propensos a sufrir corrosión. Otro de sus principales inconvenientes es que no son excesivamente precisos (normalmente en un intervalo de ±1ºC, aproximadamente). Esto es un problema cuando se miden temperaturas relativamente bajas, pero resulta muy conveniente cuando se mide algo como un motor a reacción o una llama. Además, la salida de un termopar no es lineal, aunque los tipos J y K tengan importantes zonas (prácticamente) lineales, que es uno de los motivos a los que deben su popularidad.

 Los ingenieros de diseño que deseen aprovechar la flexibilidad de los termopares sin tener que cumplir los exigentes requisitos de procesamiento de señales, pueden utilizar el MCP9600/L00 de Microchip. Este dispositivo se conecta directamente a un termopar (de tipo K, J, T, N, S, E, B o R) y proporciona a la tensión del termopar el acondicionamiento de la señal y la corrección de no linealidad que se requiere, proporcionando el valor de la temperatura a través de un bus I2C de dos cables a 100 kHz. El dispositivo es idóneo para aplicaciones basadas en el IoT con alimentación por batería, cuya corriente de funcionamiento sea de apenas 300 A y con un consumo de solo 2 A en modo de apagado. Cada unidad tiene integrados cuatro registros que permiten establecer alertas de temperatura individuales.

Medición de temperatura por IR

Tanto los termistores como los termopares efectúan mediciones por contacto, lo que significa que tienen que estar en contacto con aquello que estén midiendo. En determinadas circunstancias, esto puede suponer un inconveniente y, en otras, puede afectar a las mediciones obtenidas, ya que la sonda de medición puede actuar como un disipador. La detección de la temperatura por IR está adquiriendo popularidad en aplicaciones como las sanitarias y las industriales, ya que es precisa, fiable y resistente. Su funcionamiento se basa en que todo emite una radiación térmica y en la ley de Stefan-Boltzmann (que establece que la energía que un cuerpo negro emite por unidad de área es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura).

 Un sensor a termopila utiliza una fina membrana aislada térmicamente que se conecta en serie a varios microtermopares en miniatura. Como la masa térmica de la membrana es baja, puede calentarse rápidamente y las mediciones pueden realizarse seguidamente. Un termistor de referencia determina la temperatura de la unión fría con el fin de generar una temperatura absoluta. Para miniaturizar los sensores e incluirlos en equipos portátiles (como los móviles), suelen utilizarse estructuras SMEM.

 Uno de los dispositivos que recientemente se ha basado en esta tecnología es el sensor IR en miniatura y sin contacto MLX90632 de Melexis. Está calibrado de fábrica para temperaturas ambiente entre -20y 85°C y temperaturas del objeto entre -20y 200°C. La temperatura medida es un promedio de todo lo que se encuentre dentro de un campo de visión (FoV) de 50° del sensor. Este dispositivo Melexis contiene sofisticados algoritmos de compensación para garantizar la precisión del resultado. El sensor ultrapequeño contiene una termopila para medir la energía del objeto, así como un elemento de sensor que registra el nivel de temperatura del propio sensor. Ambas lecturas se amplifican, digitalizan y filtran digitalmente antes de almacenarse en la memoria RAM, y luego se ponen a disposición del sistema más amplio (por ejemplo, el microcontrolador) a través de la interfaz de comunicaciones I²C.

Resumen

Aunque la temperatura pueda ser algo básico, es uno de los parámetros más críticos que medimos. Es importante para monitorizar nuestro entorno y evaluar el rendimiento de las máquinas, así como en un contexto sanitario. Este breve resumen de los distintos métodos y dispositivos disponibles para el control térmico (con las ventajas e inconvenientes de cada uno) servirá para ayudar a los ingenieros a seleccionar el mejor método para su aplicación concreta.