3. Sensor de temperatura¶

Un sensor de temperatura es un componente electrónico que devuelve una señal eléctrica que depende de la temperatura del sensor. A partir de la señal eléctrica se puede conocer la temperatura real a la que se encuentra el sensor.

Existen muchos tipos diferentes de sensores de temperatura. Cada tipo de sensor se adapta bien a una aplicación concreta. En estas prácticas se van a estudiar solo sensores de bajo precio que alcanzan un rango de temperaturas moderado, de -40ºC hasta 150ºC. Con una exactitud moderada, desde 1ºC hasta 0,1ºC de error.

Sensor de temperatura NTC.

Sensor de temperatura basado en circuito integrado LM35.

Circuito integrado sensor de temperatura LM35.

Los sensores de temperatura son muy útiles para construir aparatos de medida de temperatura y máquinas que regulan de forma automática la temperatura. A continuación se listan algunos ejemplos prácticos.

Termómetro digital para medir la temperatura del cuerpo.

Termostato digital de una casa.

Termostato de temperatura de un horno.

Sensor de incendios.

Termostato de acuario o de terrario.

Termómetro digital de temperatura ambiente.

Funcionamiento de un sensor NTC¶

Una resistencia NTC es un componente que reduce su resistencia cuando aumenta la temperatura. Este sensor no es lineal. Esto quiere decir que su exactitud no es muy buena en rangos amplios de temperatura, comparada con otros sensores. A pesar de eso un sensor NTC bien ajustado puede medir temperaturas con bastante exactitud, 0,1ºC en un intervalo pequeño de temperaturas.

La siguiente gráfica representa la resistencia de un sensor NTC en su rango de medición de temperaturas.

Curva de resistencia-temperatura de un sensor NTC

Como se puede ver, la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura. La forma de la curva es no lineal, lo que da problemas a la hora de calcular con exactitud la temperatura. La siguiente fórmula puede utilizarse para calcular la resistencia en función de la temperatura.

$R = A \cdot exp(B/T)$

R = Resistencia del sensor NTC

T = Temperatura en grados kelvin

B = Temperatura característica del material. Entre 2000ºK y 5000ºK

A = Constante del termistor. Depende del material.

Los coeficientes $A$ y $B$ dependen de cada componente y se pueden encontrar en las hojas de características de los fabricantes o bien se pueden calcular para un sensor NTC concreto a partir de un ensayo, midiendo la resistencia a varias temperaturas.

Especificaciones de un sensor NTC¶

Se ha escogido para este apartado un sensor NTC con un valor nominal de 10k Ohmios a la temperatura de 25ºC

Resistencia a 25ºC = 10k Ohmios

Bandas de color = Marrón Negro Naranja

Tiempo de respuesta = 1,2 segundos

Constante A = 0,01618 Ohmios

Constante B = 3977 ºK

A continuación se muestra una imagen con la curva de tensión que suministra este sensor NTC conectado a 5 voltios, con una resistencia de polarización de 10k Ohmios conectada a masa.

Curva de tensión-temperatura de un sensor NTC polarizado

Tabla de datos con los valores de la curva.

Temperatura Tensión

-40 0,117

-35 0,165

-30 0,230

-25 0,314

-20 0,422

-15 0,555

-10 0,717

-5 0,908

0 1,128

5 1,373

10 1,638

15 1,918

20 2,203

25 2,486

30 2,760

35 3,020

40 3,260

45 3,480

50 3,676

55 3,851

60 4,004

65 4,138

70 4,253

75 4,353

80 4,439

Esta tabla se puede utilizar para buscar valores intermedios de tensión o de temperatura mediante la orden map().

Para calcular otros valores fuera de rango o calcular valores de un sensor NTC diferente, se puede utilizar la hoja excel adjunta NTC.

Esquema de conexión de un transistor calentador¶

En la siguiente imagen puede verse el cableado necesario para realizar un calentador basado en un transistor BD135.

Esquema de cableado de un transistor calentador BD135

Este circuito es capaz de consumir hasta 200 miliamperios a 5 voltios, proporcionando 1 vatio de potencia. Esta potencia es suficiente para aumentar la temperatura del transistor 100 grados centígrados al aire libre. Si se coloca algún tipo de aislamiento, la temperatura puede subir todavía más, destruyendo el componente.

Por esta razón es necesario tener especial cuidado en no encender a máxima potencia al transistor y tomar las precauciones necesarias para que no se produzcan quemaduras.

El siguiente programa permite probar el calentamiento del transistor.

// Enciende el transistor conectado al pin digital 3

void setup() {
   pinMode(3, OUTPUT);    // Define el pin 3 como salida
}

void loop() {
   analogWrite(3, 128);   // Señal en pin 3 encendida al 50%
}

Esquema de conexión de un sensor NTC¶

Para que el sensor NTC pueda dar una tensión útil que se pueda medir, es necesario añadir una resistencia de polarización. Esta resistencia se coloca entre el sensor y masa como muestra el siguiente esquema.

Autocalentamiento: El autocalentamiento consiste en el aumento de temperatura que produce en el sensor NTC la corriente que se le suministra para poder medir la temperatura. Si el sensor recibe mucha corriente, esta aumentará de forma artificial la temperatura interior produciendo una lectura de temperatura mayor que la temperatura real.

Si por el contrario la resistencia recibe poca corriente, la señal de tensión será difícil de medir y el ruido eléctrico producirá también errores de medición.

Los valores de resistencia entre 5k ohmios y 50k Ohmios mantienen un buen equilibrio entre estos dos efectos contrarios cuando funcionan en el rango de 0 a 5 voltios. Por esa razón se ha escogido un sensor NTC de 10k Ohmios.

Resistencia de polarización El valor de la resistencia de polarización debe ser aproximadamente igual al valor de resistencia del sensor NTC a temperatura ambiente. de esta forma se podrá medir con mayor precisión el rango de temperaturas cercanas a la temperatura ambiente. En este montaje se ha escogido un sensor NTC que tiene una resistencia de 10k Ohmios a 20ºC y por lo tanto la resistencia de polarización tiene ese mismo valor.

Entrada analógica La señal del sensor NTC se ha conectado a una entrada analógica que puede medir con precisión tensiones en el rango de 0 a 5 voltios. Una entrada digital no puede medir más que dos valores distintos de tensión de entrada y por lo tanto no es capaz de leer correctamente el valor de tensión de un sensor NTC.

El siguiente programa permite medir la tensión generada por el sensor NTC

// Mide el valor de tensión del sensor NTC conectado en
// el pin analógico A0

void setup() {
   Serial.begin(115200);  // Inicializar el puerto serie
}

void loop() {
   // Lee la señal analógica del pin analógico
   int ntc = analogRead(A0);

   // Convierte el valor del conversor analógico-digital
   // en un valor de tensión de 0 a 5 voltios
   float volt = ntc * (5.0 / 1024.0);

   // Envía el valor de tensión por el puerto serie
   Serial.print("Volt =\t");
   Serial.println(volt);

   // Espera un segundo antes de continuar
   delay(1000);
}

Ejercicios¶

Montar el esquema de conexión del sensor de temperatura con el transistor de calentamiento. Completar la tabla siguiente con los valores de tensión medidos en el sensor para diferentes potencias del transistor de calentamiento.

Transistor Tensión NTC

0

50

100

150

200

250

Cada vez que cambie la potencia del calentador, será necesario esperar a que la tensión medida en el sensor NTC se estabilice. La duración depende de los componentes y puede ser de dos o tres minutos para conseguir la máxima exactitud.

// Control de temperatura en lazo abierto.
// Calentador: Transistor BD135
// Sensor de temperatura: NTC de 10k Ohmios

const int potencia = 0;

void setup() {
   pinMode(3, OUTPUT);    // Define el pin 3 como salida
   Serial.begin(115200);  // Inicializar el puerto serie
}

void loop() {
   // Establece la potencia del transistor
   analogWrite(3, potencia);

   // Lee la señal analógica del pin analógico
   int ntc = analogRead(A0);

   // Convierte el valor del conversor analógico-digital
   // en un valor de tensión de 0 a 5 voltios
   float volt = ntc * (5.0 / 1024.0);

   // Envía el valor de tensión por el puerto serie
   Serial.print("Volt =\t");
   Serial.println(volt);

   // Espera un segundo antes de continuar
   delay(1000);
}

El siguiente programa controla en lazo cerrado la temperatura del sensor. El esquema de funcionamiento se denomina todo/nada. Al comenzar, el programa enciende el calentador a máxima potencia. Cuando la temperatura supera el valor deseado, el calentador se apaga por completo.

// Control de temperatura en lazo cerrado.
// Esquema de control Todo / Nada
// Calentador: Transistor BD135
// Sensor de temperatura: NTC de 10k Ohmios

void setup() {
   pinMode(3, OUTPUT);    // Define el pin 3 como salida
   Serial.begin(115200);  // Inicializar el puerto serie
}

void loop() {
   // Lee la señal analógica del pin analógico
   int ntc = analogRead(A0);

   // Convierte el valor del conversor analógico-digital
   // en un valor de tensión de 0 a 5 voltios
   float volt = ntc * (5.0 / 1024.0);

   // Apaga el calentador si la temperatura supera
   // el nivel establecido.
   if (volt > 3.5) {
      Serial.print("OFF  ");
      analogWrite(3, 0);
   }
   else {
      Serial.print("ON   ");
      analogWrite(3, 255);
   }

   // Envía el valor de tensión por el puerto serie
   Serial.print("Volt =\t");
   Serial.println(volt);

   // Espera un segundo antes de continuar
   delay(1000);
}