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

A través de este texto conocerás a profundidad ¿Qué 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.

El objetivo es que al finalizar el post, todas tus dudas respecto al uso de este sensor, se hayan ido, así que comencemos.

Antes de iniciar debemos 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.

🔥 ¿Qué es un sensor de temperatura?

En definición, el sensor de temperatura (ST) 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.

• Si quieres saber más, visita mis post de sensores de humedad para profundizar en el tema.

🔥 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

El termopar es uno de los sensores más utilizados en las aplicaciones, donde utilizamos al sensor de temperatura 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 del 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.

¿Cómo seleccionar el sensor de temperatura adecuado?

Para seleccionar el sensor de temperatura adecuado se deben considerar varios factores como:

1. Rango de temperatura: el rango de temperaturas a medir es un factor importante ya que no todos los sensores pueden medir la misma gama de temperaturas.
2. Precisión: la precisión necesaria para la medición es otro factor importante. Dependiendo de la aplicación, se puede necesitar una precisión alta o baja.
3. Ambiente de la aplicación: el ambiente en el que se va a utilizar el sensor es un factor a considerar, ya que algunos sensores pueden ser más adecuados para entornos corrosivos o peligrosos que otros.
4. Tipo de salida: algunos sensores proporcionan una salida analógica, mientras que otros proporcionan una salida digital. Dependiendo de la aplicación, se puede requerir uno u otro tipo de salida.
5. Tamaño y forma: el tamaño y la forma del sensor pueden ser importantes dependiendo de la aplicación. En algunos casos, el sensor puede necesitar ser pequeño y compacto, mientras que en otros casos se puede permitir un sensor más grande.
6. Costo: por último, el costo del sensor es un factor importante a considerar, ya que algunos sensores pueden ser más caros que otros.

Al considerar estos factores, se puede seleccionar el sensor de temperatura adecuado para la aplicación específica.

Especificaciones técnicas de los sensores de temperatura

Los sensores de temperatura pueden variar en especificaciones técnicas dependiendo de su diseño y aplicación. Algunas especificaciones comunes incluyen:

1. Rango de medición: se refiere al rango de temperaturas que el sensor puede medir de manera precisa.
2. Precisión: indica qué tan cerca del valor real está la medición del sensor.
3. Resolución: es la mínima diferencia de temperatura que el sensor puede detectar.
4. Tiempo de respuesta: se refiere a la rapidez con la que el sensor puede detectar cambios en la temperatura.
5. Estabilidad a largo plazo: se refiere a la capacidad del sensor para mantener su precisión a lo largo del tiempo.

Es importante tener en cuenta estas especificaciones al seleccionar un sensor de temperatura adecuado para una aplicación específica.

Mantenimiento y cuidado del sensor de temperatura

El mantenimiento y cuidado del sensor de temperatura dependerá del tipo de sensor utilizado. A continuación, se presentan algunas consideraciones generales:

• Protección física: es importante proteger físicamente el sensor de temperatura, evitando golpes y caídas que puedan dañar el dispositivo.
• Limpieza: algunos sensores de temperatura pueden acumular suciedad y polvo con el tiempo, lo que puede afectar su precisión. En estos casos, se recomienda realizar una limpieza periódica utilizando un paño suave y seco. Si el sensor está muy sucio, se puede utilizar un poco de alcohol isopropílico para limpiarlo.
• Calibración: algunos sensores de temperatura pueden requerir una calibración periódica para mantener su precisión. Es importante seguir las instrucciones del fabricante para realizar la calibración adecuadamente.

Es importante tener en cuenta que, en algunos casos, los sensores de temperatura pueden ser sensibles a factores externos como la humedad o los cambios en la presión atmosférica. En estos casos, es importante asegurarse de que el sensor esté correctamente instalado y protegido para minimizar los efectos de estos factores externos.

Problemas comunes y soluciones de los sensores de temperatura

Algunos problemas comunes y soluciones de los sensores de temperatura son:

Lecturas inexactas

• Si el sensor de temperatura está leyendo temperaturas inexactas, esto podría deberse a una variedad de factores, como la ubicación del sensor, la calibración incorrecta o la interferencia electromagnética.
• Para solucionar este problema, asegúrate de que el sensor esté ubicado en un lugar adecuado, calibra el sensor correctamente y aleja el sensor de cualquier dispositivo electrónico que pueda causar interferencia.

Falla en la conexión

• Si el sensor de temperatura no está conectando adecuadamente con el dispositivo de lectura, es posible que la conexión esté suelta o que los cables estén dañados.
• Para solucionar este problema, verifica la conexión del sensor y asegúrate de que esté bien sujeta. Si los cables están dañados, reemplázalos.

Error de rango

• Si el sensor de temperatura no puede medir temperaturas dentro del rango requerido, es posible que el rango del sensor no sea el adecuado para la aplicación.
• Para solucionar este problema, verifica que el rango del sensor sea adecuado para la temperatura que se está midiendo y reemplaza el sensor si es necesario.

Es importante tener en cuenta que algunos problemas de los sensores de temperatura pueden ser causados por factores ambientales, como la humedad o la contaminación. En estos casos, puede ser necesario proteger el sensor o limpiarlo regularmente para mantener un rendimiento óptimo.

Características adicionales de los sensores de temperatura

Además de las especificaciones técnicas, los sensores de temperatura pueden tener características adicionales que los hacen más útiles y precisos. Algunas de estas características pueden incluir:

1. Compensación de temperatura: algunos sensores de temperatura están diseñados para compensar los cambios de temperatura que puedan afectar su precisión.
2. Linealidad: la linealidad se refiere a la capacidad del sensor de producir una salida que varía proporcionalmente a la entrada de temperatura. Los sensores lineales son más precisos que los no lineales.
3. Tiempo de respuesta: esto se refiere a la rapidez con la que el sensor puede detectar cambios en la temperatura. Los sensores de respuesta más rápida pueden detectar cambios de temperatura más pequeños y más rápidos.
4. Precisión: la precisión se refiere a la capacidad del sensor para medir con precisión la temperatura. La precisión depende de varios factores, como la estabilidad a largo plazo, la sensibilidad, el ruido y la resolución.
5. Rango de temperatura: algunos sensores están diseñados para medir temperaturas en un rango específico, por lo que es importante elegir un sensor que sea adecuado para la aplicación específica.

Tendencias y novedades en el mundo de los sensores de temperatura

En los últimos años, los avances tecnológicos han permitido el desarrollo de sensores de temperatura más precisos, pequeños y versátiles. Algunas tendencias y novedades en el mundo de los sensores de temperatura son:

• Sensores de temperatura inalámbricos: Estos sensores no requieren de cables para transmitir la información de la temperatura, lo que permite una mayor flexibilidad en su instalación y uso.
• Sensores de temperatura de fibra óptica: Utilizan la tecnología de la fibra óptica para medir la temperatura en áreas de difícil acceso, como tuberías, y pueden medir la temperatura en varios puntos a lo largo de la fibra.
• Sensores de temperatura basados en inteligencia artificial: Estos sensores utilizan técnicas de aprendizaje automático para detectar patrones y predecir la temperatura en tiempo real, lo que los hace ideales para aplicaciones industriales.
• Sensores de temperatura autocalibrados: Estos sensores pueden ajustar automáticamente su calibración para garantizar mediciones precisas y confiables a lo largo del tiempo.

🔥 ¿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.

Ejemplo con Arduino: Circuito con sensor de temperatura

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.

¿Dónde 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.

Sobre el sensor de temperatura DS18B20

El DS18B20 es un sensor de temperatura digital de alta precisión y bajo costo que se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones. Aquí hay algunos puntos importantes que debe tener un artículo respecto al sensor de temperatura DS18B20:

Funcionamiento del sensor de temperatura DS18B20

• El DS18B20 funciona digitalmente, es decir, convierte la señal de temperatura en un código binario que puede ser leído por un microcontrolador.
• El sensor se comunica con el microcontrolador a través del protocolo 1-Wire, lo que significa que solo se requiere un cable de datos para la comunicación y la alimentación del sensor.

Precisión del sensor de temperatura DS18B20

• El DS18B20 tiene una precisión de ±0.5°C en el rango de temperatura de -10°C a +85°C, lo que lo hace ideal para aplicaciones que requieren una medición de temperatura precisa.

Características adicionales del sensor de temperatura DS18B20

• El DS18B20 tiene algunas características adicionales que lo hacen atractivo para su uso en aplicaciones específicas.
• Por ejemplo, el sensor tiene una memoria EEPROM incorporada que se puede usar para almacenar información de calibración o de configuración.
• También tiene la capacidad de alimentarse a través del cable de datos, lo que lo hace adecuado para su uso en aplicaciones con limitaciones de energía.

Selección del sensor de temperatura DS18B20

• Al seleccionar un DS18B20, es importante tener en cuenta la precisión y el rango de temperatura requeridos para su aplicación.
• También es importante asegurarse de que el sensor esté encapsulado adecuadamente para su uso en entornos específicos, como exteriores o ambientes húmedos.

Mantenimiento del sensor de temperatura DS18B20

• El DS18B20 no requiere mucho mantenimiento, ya que es un sensor sólido y confiable.
• Sin embargo, es importante asegurarse de que esté protegido contra la humedad y la contaminación, ya que esto puede afectar su precisión.

Problemas comunes del sensor de temperatura DS18B20

• Los problemas comunes con el DS18B20 incluyen errores de medición debido a problemas de conexión o interferencia electromagnética.
• Estos problemas se pueden solucionar asegurándose de que el cableado esté conectado correctamente y de que no haya fuentes de interferencia cerca del sensor.

Tendencias y novedades del sensor de temperatura DS18B20

• A medida que la demanda de sensores de temperatura continúa creciendo en diversas aplicaciones, se están desarrollando nuevas versiones del DS18B20 con características mejoradas, como mayor precisión y rango de temperatura extendido.
• También se están desarrollando sensores de temperatura inalámbricos que pueden conectarse a la red IoT y transmitir datos de temperatura a la nube para su análisis y monitoreo remoto.

El protocolo serial nos da la ventaja de recibir y enviar información utilizando una sola vía (cable), de ahí su nombre. A continuación, te dejo un resumen de 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?

Si aun no tienes tu sensor DS18B20 te dejo algunas opciones para que puedas comprarlo desde tu casa

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: 

• OneWire
• DallasTemperature.

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.

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.

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.

Código fuente

/* 
 *  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:

¡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!