Sensor de temperatura, todo lo que nadie te quiere contar

Juan Carlos G 2020-05-05
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Sensor de temperatura, todo lo que nadie te quiere contar


Hola, ¿Qué tal? Me da mucho gusto saludarte y tener aquí en Sensormania, eso significa que tienes muchas ganas de aprender sobre el sensor de temperatura (ST) y sus diferentes características especiales que tiene este dispositivo electrónico. 

¿Qué es lo que vas a aprender? Bueno, voy a explicarte desde el concepto básico, hasta un ejemplo explicado a detalle realizado con Arduino.

 

 

¿Qué veremos del sensor de temperatura (ST)?

Descuida, como es costumbre, te dejo la lista de todas las cosas que veremos el día de hoy. 

  • Lograras entender ¿Qué es? Con pequeños ejemplos. 
  • Aprenderás los principios teóricos. 
  • Conocerás a detalle cómo funciona.  
  • Conocerás los tipos de sensores y sus principales características. 
  • ¿Cuál es la diferencia entre termostato y un sensor de temperatura? 
  • Aplicaciones del sensor de temperatura.
  • Ejemplo práctico con Arduino. 

A través de este texto conocerás a profundidad lo que es el sensor de temperatura y todos los datos teóricos y prácticos que vienen adjuntos con este dispositivo. Cabe destacar que, si deseas realizar el pequeño ejemplo que viene en el punto final, requerirás material adicional. Así que te dejare links para que puedas comprar Arduinos y un kit de sensores para tus practicas.

 

¿Qué es un sensor de temperatura?

Primero, te conviene recordar que un sensor es un dispositivo que tiene la capacidad de detectar magnitudes físicas o químicas, las cuales puedes encontrarlas también como variables de instrumentación.

En la mayoría de los casos, los sensores se encargan de transformar la medición de estos valores de instrumentación en señales eléctricas conectadas en algún sistema que controle esa comunicación.

Un ejemplo de estas variables es:

  • La aceleración
  • Distancia
  • Intensidad lumínica
  • Y por supuesto, la temperatura, la cual trataremos específicamente en este post.

En definición, el sensor de temperatura es un dispositivo electrónico que se encarga de detectar variaciones en la temperatura en el aire o en el agua.

Estas variaciones las transforma en señales eléctricas que llegan hasta un sistema electrónico el cual se encarga de interpretar de manera aplicada estas señales eléctricas, e incluso regular el ambiente.

  • Estos dispositivos funcionan, como dice el propio nombre, gracias a las variaciones de temperatura.

Los sensores de temperatura se utilizan en muchas aplicaciones y campos de la industria, como:

  • La manipulación de productos químicos
  • En la industria de alimentos
  • Climatización
  • En el campo de la medicina
  • Control ambiental
  • Y en aplicaciones diversas en el campo automotriz.

Un ejemplo de este último son los diversos ST que contiene el motor para poder funcionar correctamente.

 

¿Cómo funciona el sensor de temperatura?

El funcionamiento del ST depende directamente de qué tipo de sensor de temperatura se esté trabajando, debes saber que hay distintos tipos de sensores y estos se puede clasificar en función de sus características.

Generalmente, los ST trabajan directa y únicamente con la magnitud física de temperatura, sin embargo, hay variantes del sensor de temperatura que, además de medir esta magnitud, también es posible que detecte los cambios de humedad dentro de un ambiente determinado.

Un ejemplo es el sensor de temperatura DHT11, el cual es un sensor de temperatura y humedad que trabaja con Arduino.

 

Circuito ejemplo sensor de temperatura conectado a un arduino

 

Tipos de sensores de temperatura

Como te había mencionado anteriormente, los sensores de temperatura se pueden clasificar en varios tipos, dependiendo su principio de funcionamiento.

 

Sensores de temperatura con contacto

Los cuales para calcular la temperatura necesitan estar en contacto con el objeto, en esta clasificación se encuentran:

  • Los termistores
  • Y termopares (los más usados)

 

Sensores de temperatura sin contacto

También podemos encontrar la clasificación de ST sin contacto, los cuales se encargan de medir la temperatura gracias a la radiación térmica que puede emitir la fuente de calor.

Dentro de esta clasificación de sensores, radican los diferentes tipos que existen. A partir de lo anterior mencionado, también puedes encontrar subtipos, que iremos conociendo poco a poco.

 

Sensores de temperatura Termopares

Este es uno de los sensores más utilizados en las aplicaciones donde tengamos que utilizar ST gracias a la versatilidad en su manejo y en su precio económico, lo cual, resulta fácil encontrarlos y ajustarlo a las aplicaciones que necesitemos.

No obstante, la única desventaja que presenta este tipo de ST, es su velocidad de respuesta, ya que, suele ser considerablemente baja si lo comparamos con otros ST.

 

Principio de funcionamiento termopar

Su funcionamiento se basa principalmente en dos uniones que son formados a partir de dos metales diferentes.

  • Una unión representa la temperatura de referencia.
  • Y la otra la temperatura que se está por medir.

Es por eso que a estas uniones se les llama juntas de medición, para generar el voltaje que representa una señal, cuenta con un extremo que está separado, el cual es llamado junta fría.

La diferencia de temperatura que existe entre la junta de medición y la junta fría, es la responsable de ese voltaje.

  • Como dato extra, cuando la diferencia de temperatura produce un voltaje, se le llama efecto Seebeck.

El termopar también consta de subtipos, los cuales se diferencian principalmente en el funcionamiento al cual son destinados y a sus rangos de temperatura. A continuación, te los explico. 

  • Tipo J: El termopar tipo J está fabricado de hierro y una aleación de cobre y níquel, se utiliza principalmente en entornos oxidantes. el rango de temperatura va de los 0°C a los 750°C
  • Tipo T: Este tipo de sensores se aplica más cuando hay necesidad de medir temperatura en entornos húmedos. Está hecho de cobre y níquel y su rango de temperatura va de los -250°C a los 350°C. 
  • Tipo K: Este tipo de sensor termopar es el más usado, ya que su uso es muy variado, principalmente por su rango de temperatura muy versátil (300°C a 1100°C). Está hecho de aleaciones de cromo y aluminio con níquel. 
  • Tipo E: Es el menos utilizado y disponible, está hecho de cromo, cobre y níquel, su rango de medición es de -200° a 800°C.

 

Sensores de temperatura Termistores

Este tipo de sensores de temperatura tienen gran diferencia con los termopares en el ámbito de funcionamiento, ya que el termistor es de uso más eficiente. Este tipo de sensores consisten de un semiconductor cerámico cuya resistencia eléctrica es sensible a la temperatura.

  • El fundamento de los termistores depende de la resistencia que poseen los semiconductores con la temperatura.

Esta dependencia varia con presencia de impurezas, y si el dopado es muy intenso, ya que el semiconductor mantiene propiedad metálica con temperaturas positivas. 

Este tipo de sensores de temperatura también tiene variantes, las cuales, al igual que en el sensor termopar, se diferencian en su principio de funcionamiento entre otras características. 

  • Termistor NTC: Este sensor funciona basándose en el principio de “a mas temperatura, menos resistencia”. Puede estar fabricado de níquel, cobre, e incluso cobalto. Se utiliza mayoritariamente cuando se tiene amplios rangos de temperatura. 
  • Temperatura PTC: Funciona basándose en el principio de “a mayor temperatura, mayor será la resistencia”. Son fabricados usualmente de titanio de bario y se utilizan cuando se desea un mejor control de la temperatura.

Los termistores sirven para medir y sensar la temperatura de gases:

  • Sólidos
  • Y líquidos

Cabe destacar que, al ser muy pequeños, por lo general se encuentran en módulos o alojamientos especiales que son especialmente diseñados para protegerlos y poder posicionarlos en cualquier medio.

 

Sensores RTD (Resistance Temperature Detector)

Este tipo de sensores basa directamente su funcionamiento en la resistencia a la temperatura del material, con el que se esté trabajando.

Por lo tanto, estos sensores miden la temperatura por medio de la correlación del elemento del RTD con la temperatura. Consiste en un trozo de alambre envuelto con un núcleo de cerámica o vidrio. 

Pueden utilizarse diversos materiales como elementos resistores, por ejemplo:

  • El cobre
  • Níquel
  • Platino

Los RTD son, en esencia, bobinas de alambre enrolladas alrededor de soportes de material aislante.

 

Circuito ejemplo 2 del sensor de temperatura conectado con arduino

 

¿Cuál es la diferencia entre termostato y el sensor de temperatura?

Ahora que ya conoces muy bien los tipos de sensores de temperatura, debes saber que usualmente se puede llegar a confundir el termostato con el sensor de temperatura, cosa que puede llegarse a tomar por alto, pero que no debe ser así. 

La diferencia de estos reside principalmente en que el sensor de temperatura produce una medición de temperatura, ya sea digital o analógica. Mientras tanto, el termostato se utiliza para activar una alerta en forma de señal para avisar cuando se supera cierta temperatura ajustada. 

Para que lo entiendas mejor, el termostato solo es un sistema que se utiliza para activar o desactivar una función específica. En el sensor, nuestro objetivo principal es usar la medición o detección de la temperatura, para que posteriormente la podamos controlar o supervisar con base a un parámetro.

 

Aplicaciones principales de los sensores de temperatura

Como te mencioné al principio de este post, los ST tienen una gran variedad de aplicaciones y usos, tanto en proyectos aficionados, como en la industria especializada.

Y esto gracias a la gran variedad y a la versatilidad que presentan estos sensores. En forma de lista, te mencionaré las aplicaciones principales que tienen este tipo de sensores. 

  • Fabricación de alimentos y medicinas. 
  • Sistemas preventivos de seguridad ante sobrecalentamiento. 
  • Seguridad ambiental en laboratorios. 
  • Se utilizan en la industria automotriz, el motor tiene un sensor de temperatura para controlar mejor la potencia de este y prevenir sobrecalentamientos. 
  • Se utilizan en los procesamientos de energía, como los aerogeneradores. 
  • En la industria alimentaria se utilizan en frigoríficos especializados.

 

Sensor de temperatura, aplicación de ejemplo con Arduino

Muy bien, finalmente hemos llegado al final, y ese final viene acompañado de una buena práctica la cual te ayudará bastante a aplicar los conocimientos que previamente has obtenido. 

Para este pequeño ejemplo práctico, necesitaras lo siguiente: 

  • Un Arduino Uno. 
  • Módulo de sensor de temperatura DS18B20, el cual trabaja con un LM35. Si por casualidad no encuentras el modulo completo, puedes trabajar con el LM35 por sí solo, son los mismos pines y conexiones, defiriendo solo en una resistencia. En el diagrama que te explicaré más adelante. 
  • Una resistencia de 4.7kohm a ¼ W
  • Un protoboard o tablilla de pruebas. 
  • Cables jumpers macho-macho.

 

¿Donde comprar Arduinos y sensores de temperatura?

Aquí te dejo algunos links y productos para que puedas comprar tus componentes en línea y te vuelvas un master en electrónica.

 

 

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ELEGOO UNO R3 ATmega328P ATMEGA16U2


Realiza tus proyectos de Arduino con esta estupenda tarjeta, yo la uso y la verdad es que va muy bien, es barata y hasta ahorita no me ha decepcionado:

 PROS 

  • Es mas barata y gracias al entorno que ha creado ELEGOO permite hacer muchas pruebas fácilmente.
  • Controla sensores y muchos periféricos tal y como la harías con Arduino.
  • Es de gran calidad y lo puedes encontrar en Amazon o AliExpress a súper precio.

 

Otras características:

  • Microcontrolador ATmega328P
  • Voltaje IN: 7v - 12v
    • 5v : 500mA
    • 3.3v: 50mA
  • 14 conexiones I/O Digitales (6 salidas PWM)
  • 6 Entradas analógicas
  • 32k Memoria Flash
  • 16Mhz velocidad de Reloj
  • Lista de Componentes incluidos:
    • 1pcs Placa UNOR3 de desarrollo
    • 1pcs Cable USB

 CONTRAS 

  • Lo único que vería en contra es que no es el original
  • Si lo pides en AliExpress tarda en llegar un par de meses si vives en México en Europa y Asia es la mejor opción.

En fin espero que te animes a mi en lo personal me ha gustado bastante.

 

Arduino ELEGOO UNO R3

 

 

 

Productos destacados

 

Sobre el sensor de temperatura DS18B20

Este sensor de temperatura DS18B20 es un sensor que se comunica digitalmente gracias a que ocupa un protocolo serial de tipo digital, llamado OneWire.

Este protocolo nos da la ventaja de recibir y enviar información utilizando una sola vía (cable), de ahí su nombre. A continuación, te dejo las especificaciones de este sensor de temperatura: 

  • Sensor de comunicación digital. 
  • Rango de operación de temperatura: -50 a 125 grados Centígrados. 
  • Precisión de +-0.5 grados. 
  • Resolución: 9-12 bits.
  • Tiene 3 pines: Uno de Voltaje (VCC), tierra (GND) y el pin de datos (DATA).

 

¿Dónde comprar un DS18B20?

 

Librerías especiales:

Para que nuestro sensor controlado por medio del Arduino pueda leer la temperatura y entregar esa temperatura, debemos hacer uso de dos librerías especiales que debemos descargar e instalar e nuestro IDE de Arduino antes de empezar a programar. 

Las librerías que necesitan son las siguientes: 

En la parte de “herramientas” del IDE de Arduino, podemos encontrar la opción de “incluir librerías”. Justo ahí es donde agregamos estas dos librerías previamente descargadas en formato ZIP.

 

Agregar librerías al IDE de Arduino

 

Ya que tienes las librerías instaladas, podemos pasar al diagrama y código.

 

Diagrama de conexión

Hay dos formas de conectar el sensor DS18B20:

En el primer diagrama muestra la conexión del sensor si solo tenemos disponible el LM35 sin modulo, necesitas conectar una resistencia de 4.7k Ω entre la salida que va al pin #5 del Arduino.

Ejemplo 1 de conexión del DS18B20 con Arduino

 

En el segundo diagrama se conecta directamente, sin otro componente más que el modulo del sensor de temperatura DS18B20. Es el que se usa en el ejemplo práctico.

 

Ejemplo 2 conexión del sensor DS18B20 con Arduino

 

Código fuente

Código de sensor de temperatura con arduino

Puedes copiar el código o puedes descargarlo desde aquí.

 

/* 
 *  PROGRAMA DEMOSTRATIVO DE SENSOR DE TEMPERATURA DS18B20.  
 *  MEDICION DE TEMPERATURA POR MEDIO DEL MONITOR SERIAL. 
 *  BY: EWEBIK
 */

//Importamos las librerias necesarias para el nuestro sensor de temperatura.
#include <OneWire.h> 
#include <DallasTemperature.h> 

#define Pin 5                                   //definimos los pines que utilizaremos en el arduino.
 
OneWire ourWire(Pin);                          //Aqui definimos el pin que previamente declaramos como bus para el protocolo de comunicacion OneWire
DallasTemperature sensors (&ourWire);          //Mandamos a llamar a la libreria DallasTemperature

void setup() {
  delay(1000); 
  Serial.begin(9600);                              //Iniciamos el monitor serial a 9600 budios
  sensors.begin();                                 //Iniciamos los sensores 
}

void loop() {
  sensors.requestTemperatures();                   //Prepara el sensor para la lectura de la temperatura
  Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0));        //Aqui radica la magia: Se lee la temperatura e imprime en Centigrados. 
  Serial.println(" °C");                           //Se imprime en el monitor serial. 

  delay(1000);             
}

 

Como puedes observar, hacemos uso de las librerías que te mencione anteriormente, estas librerías son muy importantes para el funcionamiento de este tipo de sensor, ya que nos va a permitir que las lecturas de temperaturas sean más eficientes y podamos ver las mediciones en grados centígrados.

 

void loop() {
  sensors.requestTemperatures();                   //Prepara el sensor para la lectura de la temperatura
  Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0));        //Aqui radica la magia: Se lee la temperatura e imprime en Centigrados. 
  Serial.println(" °C");                           //Se imprime en el monitor serial. 

  delay(1000);             
}

 

Pruebas

Si has montado todo bien, debes ver el siguiente resultado

 

Resultados del ejemplo del sensor de temperatura con Arduino

 

¡Muy bien! Te felicito mucho por haber llegado hasta aquí, hemos concluido todo sobre los sensores de temperatura y todos los conceptos que rodean a este tema de suma importancia si es de tu interés abordar de lleno el mundo de los sensores. 

Ahora te es posible explicar que son los ST, así como aplicar conocimiento práctico si deseas manejar este tipo de sensores, independientemente del sistema electrónico con el que lo hagas.

En la última parte aplicamos todo lo aprendido en un Arduino y su programación, pero déjame decirte que puede ser también como otros dispositivos, como la familia PIC de microcontroladores. 

Como ya es costumbre, te dejo algunos puntos que son muy importantes y valen la pena ser recordados. 

  • En esencia, un ST es aquel dispositivo que tienen como objetivo transformar las variaciones de temperatura en señales eléctricas que son procesadas por un sistema electrónico. 
  • Hay muchos tipos de ST:
    • Termopar (Los que más se suelen utilizar son los termopares)
    • Termistor
    • Y los RTD
  • Tienes que recordar que un termostato NO es lo mismo que un sensor de temperatura. Realizan cosas muy distintas. 
  • El ST tiene muchas aplicaciones y, dependiendo el destino de su uso, es el tipo de sensor que debes escoger. 
  • En el ejemplo con Arduino utilizamos el módulo de ST DS18B20. 

Ya hemos concluido y cumplido con el objetivo establecido. Espero que hayas aprendido muchísimo sobre los ST y su importancia en distintas aplicaciones. 

No me despido sin decirte que jamás dejes de aprender. La curiosidad es una herramienta muy valiosa. 

¡Hasta pronto!

 

 

 



https://sensormania.org

Juan Carlos G


Estudie ingeniería Eléctrica - Electrónica y me apasiona hablar de sensores, motores y programación, por eso traigo para ti esta página donde veremos la mayaría de sensores que existen. Haremos algunos proyectos con Arduino y PICs, solo tenerme paciencia con las actualizaciones es un trabajo arduo.

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