Medida electrónica de la temperatura

En este texto se va a hablar sobre los termómetros que permiten realizar una medida electrónica de la temperatura más o menos directamente y que trabajen en un entorno de producción, es decir, no en un contexto de laboratorio. Aunque, evidentemente, en el ámbito del laboratorio es donde se utilizan los dispositivos de medida de temperatura más precisos, como los termómetros de gas. Además, algunos de estos dispositivos de laboratorio serán referencia para calibrar los de producción.

Con la anterior premisa se puede distinguir entre ① dispositivos que permiten medir la temperatura por medio de la variación de la resistencia (termómetros de resistencia o resistivos) ya sea de un conductor metálico (RTD) o un semiconductor (termistor), ② dispositivos con los que medir la temperatura por la fuerza electromotriz que generan al variar en ellos la temperatura (termopar) y ③ dispositivos que determinan la temperatura por el tipo de luz emitida por un material en función de su temperatura, normalmente infrarroja (concentrada con una lente en un material piezoeléctrico, una termopila o con tecnología PIR), pero también la de determinada longitud de onda diferente dependiendo de la temperatura (fototransistores o, más frecuentemente, fotodiodos con filtros de color).

Termómetros de resistencia

Muchas propiedades físicas de los materiales varían cuando varía la temperatura. El coeficiente de temperatura relaciona el cambio relativo de una propiedad física cuando varía la temperatura una cantidad fija (un Kelvin). El coeficiente de temperatura de la resistencia eléctrica relaciona la variación de la resistencia en función de la variación de la temperatura. Este comportamiento puede aprovecharse para conocer el cambio de temperatura en un sensor al conocer el cambio en su resistencia, que es algo relativamente fácil de medir utilizando un microcontrolador.

RTD (Resistance Temperature Detector)

Los RTD, o detectores resistivos de temperatura, permiten determinar la temperatura en función de la variación de la resistividad que se produce en un metal cuando cambia la temperatura. El fenómeno físico en el que basan su funcionamiento los RTD es la disminución de la capacidad de conducción de los materiales (metales, principalmente), es decir, el aumento de su resistencia, cuando el incremento de la temperatura disminuye la velocidad de los electrones por el aumento de su agitación térmica.

El metal más eficiente para la bobina con la que se construyen los detectores resistivos de temperatura es el platino, pero su elevado coste hace que se utilicen también el níquel o el cobre. En función de las temperaturas-objetivo de los RTD también se utilizan otros materiales, como el carbono, para las temperaturas más bajas. Los RTD de platino, SPRT (termómetro patrón con resistencia de platino), son tan precisos como para ser utilizados como referencia de medida de temperatura en laboratorio.

Además de la construcción en forma de bobina para su uso como sonda, los RTD pueden disponerse sobre una lámina deponiendo una fina capa de material lo que disminuye su tamaño (hasta un par de milímetros en el caso del RTD de la imagen anterior) y con su tamaño, su precio, al necesitar menor masa del elemento principal. A este tipo de dispositivos se les suele llamar RTD de película delgada (thin film).

Uno de los inconvenientes de los detectores resistivos de temperatura puede ser la deformación que produce en ellos la temperatura que monitorizan. Con un cierto sacrificio de precisión, se utilizan sondas (llamadas «strain free») fabricadas de forma que el material sensible se dilata o se contrae libremente con la temperatura.

Aunque se puede entender, por lo explicado antes, que los rangos de temperatura son diferentes en función de la tecnología utilizada, por tener una referencia aproximada de las temperaturas que los RTD son capaces de medir, puede decirse que va desde los -200 °C a los +600 °C en una sonda típica.

Termistor

Como los RTD, desde el punto de vista del circuito, los termistores son resistencias variables que cambian su valor en función de la temperatura. A nivel interno, están construidos en base a una parte central formada por un material semiconductor, cuya variación de la resistencia con la temperatura es la que determina el funcionamiento del dispositivo. Externamente está rodeado de una cubierta protectora fabricada de cerámica, vidrio y más recientemente de resinas epoxi, especialmente en el caso de los utilizados para temperaturas más bajas.

Habitualmente, los de mayor tamaño presentan forma de disco, como los de la imagen anterior. Los más pequeños son cilíndricos (axiales) o de forma más o menos esférica (tipo perla o gota) como los de las imágenes siguientes, en las que se aprecian sus reducidas dimensiones, unos 2 mm. También existen termistores para montaje superficial (SMD) pero están limitados a la medida de una fuente de calor cercana o integrada a la PCB perdiendo la ventaja de usarlos como sondas y condicionando el rango de temperatura útil que pueden medir a la que la PCB y los componentes cercanos soporten.

Con respecto a su funcionamiento, pueden distinguirse dos tipos: los de coeficiente de temperatura positivo (PTC) y los de coeficiente de temperatura negativo (NTC). Los primeros (PTC) aumentan su resistencia al aumentar la temperatura y los segundos (NTC) disminuyen su resistencia al aumentar la temperatura. En ambos casos, la variación de la resistencia es bastante rápida; dependiendo de lo grande sea el incremento de la temperatura, típicamente entre 1 s y 5 s.

Aunque el rango de temperaturas en el que pueden llegar a funcionar determinados dispositivos es muy amplio (entre -100 °C y +500 °C), el nivel óptimo suele estar entorno a los +50 °C y el intervalo típico entre -50 °C y +100 °C, un poco más amplio en el caso de los del tipo NTC que los del tipo PTC. Cuando son capaces de medir de forma estable por encima de estos valores se les suele nombrar específicamente como termistores de alta temperatura.

El principal inconveniente de los termistores es la distribución no lineal de la variación de la resistencia en función de la temperatura, sino exponencial, que implica realizar en el MCU que los controle algunos cálculos (en general, sencillos) en base a las constantes que el fabricante proporcione en las hojas de datos (datasheet) de los dispositivos.

Termopar

Los termopares aprovechan el fenómeno termoeléctrico denominado efecto Seebeck o simplemente efecto termoeléctrico para determinar la temperatura. Conforme al efecto Seebeck, cuando entran en contacto dos metales diferentes con distinta temperatura se produce cierta fuerza electromotriz (FEM) que depende de la diferencia de la temperatura.

El valor de la temperatura no se obtiene directamente (linealmente) conociendo la diferencia de potencial de la FEM generada por el termopar sino que es necesario realizar un cálculo, relativamente complejo para según qué microcontrolador, por lo que existen circuitos integrados (IC) especializados, que son capaces de gestionar la pequeña tensión entregada (del orden de milivoltios) y también se encargan de calcular con ella la temperatura.

Si bien los RTD van ocupando poco a poco una parte de su ámbito (la correspondiente a su rango habitual de temperatura, entre -200 °C y +600 °C), los equipos de medida basados en termopar son muy utilizados en instalaciones industriales por su buena relación entre amplio rango de medida, precio, precisión y por su robustez, que los hacen muy durables en el entorno industrial.

Las sondas basadas en termopar suelen comercializarse listas para usar (montadas). En el extremo sensible se suelen enroscar a un codo de una tubería, ya sea operativo ya sea ad hoc para realizar la medida. Tanto la métrica de la rosca como el conector del extremo opuesto están normalizados conforme al uso, si bien la conexión a la lógica de medida no es crítica (puede realizarse con una conexión mecánica convencional) sí lo es el tipo de cable utilizado y su extensión, por lo que nunca deben realizarse empalmes para aumentar la longitud si no es con el extensor compensado correspondiente y respetando su polaridad, de lo contrario la medida de la temperatura se falsearía. Como la tensión generada es muy baja y el ambiente (industrial) eléctricamente muy ruidoso, las sondas deben estar apantalladas para disminuir lo máximo posible las interferencias.

En función de los materiales utilizados (principalmente metales) los termómetros basados en termopar son capaces de medir un rango diferente de temperatura. Existe una nomenclatura y varios códigos de color normalizados que indican la polaridad. La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI, IEC en inglés) normaliza el color blanco para la conexión negativa y diferentes colores para la positiva de los diferentes tipos de sondas. El Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) establece el uso del color rojo para la conexión negativa y un color diferente para la positiva de cada tipo de sonda. La normativa británica del BS recomienda el color azul para la conexión negativa y diferentes colores para la conexión positiva de cada tipo de sonda excepto en el caso de la sonda tipo N, que normaliza el color blanco para la conexión negativa de la sonda.

tipo	materiales que forman el termopar		temperatura
	positivo	negativo	mínimo	máximo
B	platino	rodio	+50 °C	+1800 °C
C	wolframio (tungsteno)	renio	+1600 °C	+2300 °C
E	cromo	constantán (cromo+níquel)	-40 °C	+900 °C
J	hierro	constantán (cromo+níquel)	-180 °C	+800 °C
K	cromel (níquel+cromo)	alumel (níquel+aluminio)	-180 °C	+1300 °C
N	nicrosil (níquel+cromo+silicio)	nisil (níquel+manganeso+aluminio+silicio)	-270 °C	+1300 °C
R	platino	rodio	-50 °C	+1700 °C
S	platino	rodio	-50 °C	+1700 °C
T	cobre	constantán (cromo+níquel)	-250 °C	+400 °C

Los valores de la tabla anterior muestran el rango de medida de las sondas en un periodo corto de tiempo, de forma sostenida se puede considerar que el valor menor está un poco por encima de 0 °C y el máximo entre 100 °C y 200 °C grados menos que los del pico que se consigue medir en un plazo breve.

Las sondas basadas en termopar tipo K son las usados en la mayoría de las situaciones de medida de temperatura genérica, por ser capaces de medir un rango de temperaturas muy amplio con un precio muy bajo, que incluso es proporcionalmente menor debido a lo extendido de su uso.

Medida de la temperatura por la radiación luminosa

Para conocer (o inferir) la temperatura a cierta distancia del medio, se puede recurrir a medir la radiación luminosa que produce en función de su temperatura. Por una parte, a diferentes temperaturas, un cuerpo emite luz de diferente color por lo que, conociendo el color, se puede deducir la temperatura.

Por otro lado, conforme a la ley de desplazamiento de Wien, que establece que hay una relación inversa entre la longitud de onda en la que se produce el máximo de emisión y la temperatura de un objeto ideal (cuerpo negro), se puede determinar que el máximo de emisión del rango de temperaturas que nos interesan se encuentra principalmente en la zona infrarroja del espectro. Conforme a esta segunda alternativa, medir solo la radiación de cierta longitud de onda, la intensidad de radiación infrarroja permite conocer la temperatura. Aunque se puede medir la temperatura considerando las diferentes longitudes de onda (y de hecho, a nivel industrial, se hace incluso con la ultravioleta) por lo dicho, es más sencillo centrarse solamente en la medida de la radiación infrarroja.

Conociendo la radiación, se podrá calcular la temperatura con la relación que establece la ley de Stefan-Boltzmann, según la cual la radiación térmica es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.

Entre los primeros dispositivos capaces de medir altas temperaturas sin estar contacto con los objetos se encuentran los pirómetros, equipos ópticos que permiten comparar el color de un filamento a una temperatura controlada con el color de un objeto (o de un medio) cuya temperatura se quiere conocer. Actualmente, a esos dispositivos se les suele denominar pirómetros ópticos y es relativamente habitual usar el término pirómetro para referirse a cualquier dispositivo, óptico o no, que permita conocer a distancia la temperatura de un objeto; es más frecuente usar este término (frente, por ejemplo al término termómetro) para referirse a los dispositivos que miden las temperaturas más altas.

Para medir sin contacto la temperatura de una superficie utilizando su radiación se usan muy habitualmente dispositivos basados en termopilas, que son muy eficaces y resultan muy económicos. Para usar la termopila, varios termopares conectados (principalmente) en serie, en un termómetro sin contacto, se dispone entre una superficie muy sensible a la radiación luminosa (negra) y otra capaz de disipar el calor. Con una lente delante de la superficie negra se puede concentrar la radiación que procede del ángulo de visión que el dispositivo establezca: más cerrado para medir una zona pequeña (o distante) o más abierto para medir una zona amplia.

Como la radiación más relevante para inferir los cambios de temperatura se considera que queda en la parte infrarroja del espectro electromagnético, la lente de los dispositivos que miden la temperatura sin contacto con la superficie monitorizada suelen incluir un filtro para detectar solamente la radiación infrarroja y evitar interferencias con la luz visible.

Algunos de estos termómetros incluyen varias termopilas independientes que forman una matriz con la que poder distinguir simultáneamente la temperatura en diferentes puntos. Con estas estructura, a partir de unos pocos «píxeles de temperatura», se puede obtener una medida diferencial así como ampliar el campo de visión (en coordinación con la lente) de forma que se abarque, sin pérdida de precisión, un espacio de medida mayor utilizando un único dispositivo.

Los termómetros de infrarrojos sin contacto, habitualmente miden tanto la temperatura ambiente como la temperatura de la superficie-objetivo, ambas con rangos muy amplios. La primera suele oscilar entre los -40 °C y los +130 °C y la segunda entre los -70 °C y los +4000 °C. Su precisión suele estar entorno al medio grado pero existen versiones para aplicaciones concretas (como medicina) con precisiones mayores, entorno al cuarto de grado.

PIR (Passive Infrared Sensor) para detectar presencia

Los sensores pasivos de infrarrojos (PIR) también son capaces de detectar los cambios de temperatura sin contacto con el objeto o el medio que monitorizan. Frecuentemente utilizan tecnología piezoeléctrica que produce una diferencia de tensión al incidir sobre los cristales la radiación captada del exterior del sensor por medio de una lente con el correspondiente filtro que solo deja pasar la luz infrarroja.

El principal inconveniente de estas tecnologías reside en el hecho de que son capaces de detectar cambios rápidos en la temperatura pero no cambios graduales ni valores absolutos de la temperatura, por lo que no son buenos como termómetros pero sí para detectar efectos que producen cambios bruscos de temperatura, especialmente movimiento o presencia de objetos a temperatura mayor que la ambiental en una zona monitorizada. Se suelen utilizar para detectar personas y automatizar la iluminación o como parte del conjunto de sensores de sistemas de alarma.

Para corregir posibles interferencias causadas por la variación de la temperatura ambiental, los sensores pasivos de infrarrojos suelen incluir internamente dos sensores con los que compensar la medida. La aplicación típica incluye habitualmente un cubierta poligonal de caras formadas por una pequeña lente de Fresnel y amplificación antes de entregar la señal al microcontrolador.

Fotodiodos y fototransistores

En tanto en cuanto son capaces de detectar la presencia de luz, fototransistores y fotodiodos pueden servir para estimar la temperatura de un objeto por la emisión luminosa que produce el calor. Por sí mismos y sobre todo ayudados de filtros, estos dispositivos son muy convenientes para determinar la longitud de onda, el color, de la luz que incide sobre ellos, así que serán útiles siempre que la intensidad de radiación lumínica de un cierto color sea significativa y esté bien acotada en longitud de onda.

Puesto que la medida del color para estimar la temperatura es muy específica y existen dispositivos muy eficaces para esas circunstancias, el uso más genérico de fotodiodos (y en menor medida fototransistores) para determinar la temperatura se centra en la detección de la radiación infrarroja.

Como ocurre con los PIR, en general, los fotodiodos no son buenos como termómetros y su uso principal se limita a la detección. Como es difícil aislarlos por completo de posibles interferencias (un simple mando a distancia), es común utilizarlos, por ejemplo en alarmas, junto con otros dispositivos para detectar llamas por la radiación infrarroja que emiten y poder avisar así de la presencia de fuego.

Termómetros en circuitos integrados

Los dispositivos anteriores, desde el punto de vista del circuito, son componentes pasivos que en muchos casos necesitan algún tipo de corrección (por ejemplo, la amplificación) antes de que el microcontrolador pueda utilizar la medida. Para unir en un único dispositivo el sensor y otros componentes que simplifiquen el tratamiento y la lectura de la temperatura es muy frecuente trabajar con circuitos integrados (IC) basados en alguna de las anteriores tecnologías y con una cierta «inteligencia local».

El principal inconveniente de este tipo de dispositivos de monitorización de temperatura se deriva del encapsulado, que probablemente soporte temperaturas menores que otros tipos de sondas. Las ventajas son varias, aunque dependerán del dispositivo concreto, en general, funcionan muy bien a temperaturas medias (ambiental) y en rangos industriales moderados, frecuentemente entre -10 °C y +80 °C (en general y aproximadamente), y son bastante lineales y estables en su comportamiento además de razonablemente precisos. Como pueden incluir en su diseño conversión analógica a digital, seguramente serán menos sensibles a interferencias y podrán estar más separados del microcontrolador que procesa la temperatura medida.