Detectores de temperatura de resistencia (RTD)

Los detectores de temperatura de resistencia (RTD) funcionan según el principio de que la resistencia eléctrica de ciertos metales puros aumenta de manera predecible con la temperatura, exhibiendo un coeficiente de temperatura positivo (PTC). Esta relación es principalmente lineal en un amplio rango, lo que permite una medición precisa de la temperatura mediante el seguimiento de los cambios de resistencia. La ecuación fundamental para esta aproximación lineal se deriva de la definición del coeficiente de temperatura de resistencia, α\alphaα, que viene dado por α=1R0dRdT\alpha = \frac{1}{R_0} \frac{dR}{dT}α=R0​1​dTdR​, donde R0R_0R0​ es la resistencia a una temperatura de referencia (normalmente 0 °C) y TTT es la temperatura. Suponiendo que α\alphaα es constante, la integración produce la forma lineal:

donde RtR_tRt​ es la resistencia a la temperatura ttt, ΔT=t−0\Delta T = t - 0ΔT=t−0, y para RTD basados en platino como el Pt100 común (100 Ω a 0°C), α=0.00385 Ω/Ω/∘\alpha = 0.00385 , \Omega/\Omega/^\circα=0.00385Ω/Ω/∘C.[15][16][17]

Los RTD se construyen en dos tipos principales: bobinados y de película delgada. Los RTD bobinados, como las variantes Pt100 y Pt1000 (100 Ω y 1000 Ω a 0 °C, respectivamente), cuentan con un elemento sensor hecho de una longitud enrollada de alambre de platino ultrafino (normalmente de 0,025 a 0,05 mm de diámetro) enrollado alrededor de un núcleo de cerámica o vidrio como soporte, luego encapsulado en vidrio o cerámica para proteger contra factores ambientales y garantizar el aislamiento. Esta construcción proporciona una excelente estabilidad pero requiere un manejo cuidadoso para evitar la tensión del cable. Los RTD de película delgada, por el contrario, depositan una fina capa de platino (de aproximadamente 10 a 100 nm de espesor) sobre un sustrato cerámico mediante pulverización catódica o evaporación, seguido de un patrón en una pista resistiva y pasivación con capas de vidrio; esto da como resultado un diseño más compacto y resistente a las vibraciones, adecuado para aplicaciones con espacio limitado, aunque con una estabilidad a largo plazo ligeramente menor en comparación con los tipos bobinados.[18][19][20]

Estos sensores normalmente funcionan en un rango de temperatura de -200 °C a 850 °C, dependiendo de la construcción y la pureza del platino, con una precisión de tan solo ±0,1 °C en clases de alta precisión (por ejemplo, IEC Clase AA) y tolerancias estándar de Clase B de ±0,3 °C a 0 °C. Los tiempos de respuesta varían de 0,5 a 5 segundos en medios líquidos o gaseosos, influenciados por la masa térmica del sensor y el método de instalación, como el diámetro de la funda en las configuraciones de la sonda.[21][22][23]

La calibración de los RTD de platino sigue la norma internacional IEC 60751, que define las relaciones resistencia-temperatura para uso industrial y de laboratorio, garantizando la intercambiabilidad. Debido a la ligera no linealidad en los extremos, la aproximación lineal se refina usando la ecuación de Callendar-Van Dusen: Para ΔT≥0∘C\Delta T \geq 0^\circ \text{C}ΔT≥0∘C:

Para ΔT<0∘C\Delta T < 0^\circ \text{C}ΔT<0∘C:

donde los coeficientes A=3.9083×10−3A = 3.9083 \times 10^{-3}A=3.9083×10−3, B=−5.775×10−7B = -5.775 \times 10^{-7}B=−5.775×10−7, y C=−4.183×10−12C = -4.183 \times 10^{-12}C=−4.183×10−12. Este polinomio corrige las desviaciones, lo que permite precisiones superiores a 0,01 °C en sistemas calibrados.[17][24][25]

Los RTD ofrecen alta precisión, estabilidad a largo plazo (deriva <0,05 °C/año) y excelente repetibilidad, lo que los hace ideales para aplicaciones de precisión, aunque tienen la desventaja de costos más altos (2 a 10 veces más que los termopares), fragilidad en formas de alambre bobinado y errores de autocalentamiento (hasta 0,1 a 1 °C/mW de la corriente de excitación). En comparación con los termistores, los RTD priorizan la precisión lineal sobre el costo para entornos exigentes.[26][27][23]

Las aplicaciones comunes incluyen monitoreo de procesos industriales en plantas químicas, generación de energía y procesamiento de alimentos; configuraciones de calibración de laboratorio; y sistemas HVAC, donde las sondas Pt100 garantizan un control confiable de las temperaturas del aire y los fluidos dentro de tolerancias de ±0,5 °C.[28][29][30]

Termistores

Los termistores son sensores de temperatura que aprovechan la variación significativa en la resistencia eléctrica de los materiales semiconductores con cambios de temperatura, ofreciendo alta sensibilidad a un costo relativamente bajo en comparación con otros sensores basados ​​en resistencia. En términos generales, se clasifican en dos tipos: termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC), donde la resistencia disminuye exponencialmente a medida que aumenta la temperatura, y termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC), donde la resistencia aumenta con la temperatura. Los tipos NTC dominan las aplicaciones de detección de temperatura debido a su pronunciada sensibilidad, mientras que los tipos PTC se utilizan a menudo en funciones protectoras.[31]

El principio de funcionamiento de los termistores se deriva de la conductividad de los semiconductores que depende de la temperatura. En los termistores NTC, la energía térmica excita más portadores de carga a través de la banda prohibida de energía, según las estadísticas de Boltzmann, lo que conduce a una disminución exponencial de la resistencia; esto se puede aproximar mediante R=R0exp⁡(B(1T−1T0))R = R_0 \exp\left( B \left( \frac{1}{T} - \frac{1}{T_0} \right) \right)R=R0​exp(B(T1​−T0​1​)), donde RRR es la resistencia a la temperatura absoluta TTT, R0R_0R0​ es la resistencia a la temperatura de referencia T0T_0T0​, y BBB es la constante material. Para un modelado preciso, especialmente en termistores NTC, se emplea la ecuación de Steinhart-Hart: 1T=A+Bln⁡(R)+C[ln⁡(R)]3\frac{1}{T} = A + B \ln(R) + C [\ln(R)]^3T1​=A+Bln(R)+C[ln(R)]3, con coeficientes AAA, BBB y CCC determinados a partir de datos de calibración a múltiples temperaturas; esta forma empírica se deriva de la distribución subyacente de Boltzmann de las concentraciones de portadores en los semiconductores. Los termistores PTC exhiben un coeficiente positivo debido a diferentes comportamientos de los materiales, como los efectos de los límites de grano en la cerámica, pero carecen de una ecuación estandarizada similar para la detección.[32]90026-0)[31]

Los termistores se construyen a partir de mezclas sinterizadas de óxidos metálicos, principalmente manganeso, níquel y cobalto para las variantes NTC, formados en formas compactas como cuentas, discos o chips, con cables o electrodos para conexión eléctrica; Los diseños NTC predominan en la detección debido a su simplicidad de fabricación y rendimiento. Estas estructuras cerámicas suelen estar encapsuladas en vidrio o epoxi para proteger el medio ambiente, lo que permite la miniaturización a tamaños tan pequeños como 0,5 mm. Los termistores PTC suelen utilizar cerámicas de titanato de bario o silicio dopado para sus características de conmutación.[31]

Los termistores NTC funcionan en rangos de temperatura de -100 °C a 300 °C, con intervalos comunes de -50 °C a 200 °C, mientras que los tipos PTC cubren de -30 °C a 160 °C alrededor de su punto Curie. Su alta sensibilidad se cuantifica mediante el parámetro β, típicamente 3000-4000 K para materiales NTC, lo que permite cambios de resistencia de varios porcentajes por grado Celsius cerca de la temperatura ambiente. La precisión alcanza de ±0,1 °C a ±0,5 °C después de la calibración, dependiendo del rango de temperatura y el grado de intercambiabilidad.[31]

Termopares

Los termopares son sensores de temperatura que generan un voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre dos uniones formadas por metales o aleaciones diferentes, operando por el efecto Seebeck.[36] Este efecto surge de la difusión de portadores de carga (electrones) impulsada por un gradiente de temperatura en un conductor. En un material sometido a un gradiente de temperatura ∇T, los portadores de carga en el extremo caliente tienen mayor energía cinética y se difunden hacia el extremo frío, creando una separación neta de carga y un campo eléctrico que se opone a una mayor difusión en estado estacionario. La densidad de corriente resultante en la aproximación del tiempo de relajación (RTA) de la ecuación de transporte de Boltzmann viene dada por

j=σE−σS∇T,\mathbf{j} = \sigma \mathbf{E} - \sigma S \nabla T,j=σE−σS∇T,

donde σ es la conductividad eléctrica, E es el campo eléctrico y S es el coeficiente de Seebeck, definido como

S=−1eT∫(−∂f∂E)(E−μ)v2τ(E)D(E) dE,S = -\frac{1}{eT} \int \left( -\frac{\partial f}{\partial E} \right) (E - \mu) v^2 \tau(E) D(E) , dE,S=−eT1​∫(−∂E∂f​)(E−μ)v2τ(E)D(E)dE,

con e la carga elemental, T la temperatura, f la distribución de Fermi-Dirac, μ el potencial químico, v la velocidad del portador, τ el tiempo de relajación y D (E) la densidad de estados. Para un circuito abierto (j = 0), esto produce E = S ∇T. En un termopar, dos materiales con coeficientes de Seebeck S_A y S_B forman un circuito cerrado con uniones a temperaturas T_h (caliente) y T_c (frío); el voltaje termoeléctrico neto es E = (S_A - S_B) (T_h - T_c) = α ΔT, donde α es el coeficiente de Seebeck relativo, típicamente del orden de 40 μV/°C.[36]

El termopar fue inventado en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck, quien observó que un circuito de dos metales diferentes con uniones a diferentes temperaturas producía una desviación magnética debido al voltaje generado, inicialmente mal interpretado como un efecto termomagnético. El desarrollo práctico como sensor de temperatura se produjo en la década de 1820, y los materiales, las tablas de calibración y las técnicas de medición maduraron hasta convertirse en formas estandarizadas en el siglo XX gracias a los esfuerzos de organizaciones como el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI).

En la construcción, un termopar consta de dos alambres de metal o aleación diferentes unidos en la unión de medición (caliente), donde se debe detectar la temperatura, mientras que la unión de referencia (fría) se mantiene a una temperatura más baja conocida, tradicionalmente 0 °C usando un baño de hielo.[38] La unión caliente se puede formar torciendo, soldando o soldando los cables (se prefiere la soldadura a altas temperaturas para evitar la aleación), a menudo encerrados en una funda protectora para mayor durabilidad. La compensación moderna de unión fría reemplaza el baño de hielo con un sensor de temperatura integrado (por ejemplo, un termistor o RTD) cerca de la unión para medir su temperatura y ajustar matemáticamente el voltaje de salida, lo que permite un funcionamiento estable en condiciones ambientales.

Los termopares se clasifican mediante designaciones de letras ANSI basadas en combinaciones de materiales, siendo los tipos K, J y T entre los tipos de metal base más comunes para uso general. La siguiente tabla resume las características clave:

Estos rangos y coeficientes son aproximados y varían ligeramente con la temperatura; Los límites especiales mejoran la precisión a ±1,1°C o mejor para los tipos K y J, y ±0,5°C para el tipo T.[39][40]

Los termopares ofrecen precisiones típicas de ±1 a 2 °C o ±0,75 % de lectura, según el tipo y la clase de calibración según los estándares ASTM E-230; el tipo T proporciona la mayor precisión entre los metales base.[40][41] Los tiempos de respuesta son rápidos, a menudo menos de 1 segundo para diseños de unión desnuda, debido a la pequeña masa térmica de la unión del cable.[41] Las ventajas incluyen un amplio rango operativo (hasta 1350 °C para el tipo K), robustez en entornos hostiles como atmósferas oxidantes y bajo costo, lo que los hace adecuados para uso industrial a alta temperatura.[41] Las desventajas incluyen señales de salida bajas (milivoltios), que requieren amplificación e instrumentación precisa; posible desviación de la calibración debido a faltas de homogeneidad u oxidación del material; y no linealidad que requiere correcciones polinómicas para la lectura de temperatura absoluta.[41]

Las aplicaciones comunes incluyen el monitoreo de temperatura en hornos y hornos para el control de procesos, donde las sondas tipo K resisten condiciones oxidantes de hasta 1350 °C, y en sistemas de escape de motores o cámaras de combustión para medir las temperaturas de los gases durante la operación.[42] Los termopares a menudo se integran con circuitos integrados para acondicionamiento de señales y compensación de juntas frías para mejorar la precisión de las mediciones en sistemas automatizados.[38]

Termopilas

Una termopila es un conjunto de múltiples termopares conectados en serie, diseñados para detectar radiación térmica o temperaturas promedio en un área amplificando el voltaje termoeléctrico generado a partir de diferencias de temperatura. Esta configuración evolucionó a principios del siglo XIX a partir de un trabajo fundamental sobre el efecto Seebeck, cuando Leopoldo Nobili y Macedonio Melloni desarrollaron termopilas prácticas alrededor de 1829-1831 utilizando uniones de bismuto y antimonio para radiometría y detección de calor por infrarrojos. Estos dispositivos se basaron en el descubrimiento de la termoelectricidad de Thomas Seebeck en 1821, permitiendo mediciones sensibles de la energía radiante que los termopares individuales no podían lograr de manera eficiente.

El principio de funcionamiento se basa en los efectos Seebeck aditivos en numerosas uniones, donde un gradiente de temperatura entre los lados frío y caliente produce un voltaje proporcional al número de pares de termopares. Para una termopila con nnn uniones, el voltaje de salida total EEE viene dado por

donde α\alphaα es el coeficiente de Seebeck relativo de los materiales, y ΔT\Delta TΔT es la diferencia de temperatura.[44] Esta conexión en serie mejora la sensibilidad para detectar pequeñas variaciones de temperatura, particularmente de la radiación infrarroja absorbida por la superficie de un cuerpo negro. La construcción generalmente implica tiras alternas de metales diferentes, como bismuto-antimonio, o semiconductores como silicio dopado con p y n, depositados sobre un sustrato aislante con aislamiento térmico entre uniones frías y calientes; Se añade una capa absorbente de radiación, a menudo una capa negra, al lado caliente para mejorar la eficiencia.[44]

Las termopilas encuentran un uso principal en termometría sin contacto, como termómetros de oído y frente para medir la temperatura del cuerpo humano, donde detectan emisiones infrarrojas sin contacto físico, y en analizadores de gases para la detección infrarroja diferencial en rangos de temperatura similares a los termopares individuales (normalmente -50 °C a 500 °C).[45] Ejemplos específicos incluyen termopilas micromecanizadas basadas en silicio integradas en dispositivos MEMS para detección infrarroja compacta en aplicaciones médicas e industriales.[46] Sus ventajas abarcan una salida de voltaje más alta y, por lo tanto, una mayor sensibilidad en comparación con un solo termopar, funcionamiento sin alimentación externa y idoneidad para mediciones basadas en radiación. Sin embargo, exhiben tiempos de respuesta más lentos debido a la masa térmica, necesitan compensación de la temperatura ambiente para evitar la deriva y son vulnerables a factores ambientales como la humedad y la luz solar.

Sensores basados ​​en conexiones

Los sensores de temperatura basados ​​en uniones utilizan la caída de tensión directa dependiente de la temperatura a través de una unión p-n en dispositivos semiconductores. En estos sensores, se aplica una corriente de polarización directa constante y la caída de voltaje resultante, VfV_fVf​, disminuye de manera predecible con el aumento de la temperatura debido a las propiedades intrínsecas de la unión. Para las uniones basadas en silicio, este cambio es de aproximadamente -2 mV/°C a corriente constante.[48] Este fenómeno surge de la ecuación de corriente del diodo I=Is(eqV/kT−1)I = I_s (e^{qV / kT} - 1)I=Is​(eqV/kT−1), donde al resolver VfV_fVf​ en III fijo se obtiene Vf≈Vg−kTqln⁡T+V_f \approx V_g - \frac{kT}{q} \ln T +Vf​≈Vg​−qkT​lnT+ constantes, con VgV_gVg​ como voltaje de banda prohibida, kkk la constante de Boltzmann, qqq la carga del electrón y la temperatura absoluta TTT.[49][50]

Los tipos comunes incluyen diodos de silicio y la unión base-emisor de transistores de unión bipolar (BJT), donde el voltaje base-emisor VBEV_{BE}VBE​ muestra un comportamiento similar al VfV_fVf​ de un diodo.[51] Por lo general, se construyen como componentes discretos, como diodos o transistores empaquetados, que funcionan en un rango de -55 °C a 150 °C con una precisión de ±1 °C cuando están polarizados y calibrados adecuadamente.[50] Su bajo costo y compatibilidad con los circuitos integrados de silicio los hacen ventajosos para un uso generalizado, aunque la respuesta no lineal requiere circuitos de compensación, y el autocalentamiento de la corriente de polarización puede introducir errores si no se minimiza.[50]

Estos sensores encuentran aplicaciones en criogenia, donde diodos de silicio especializados proporcionan mediciones precisas hasta casi el cero absoluto, y en sistemas automotrices para monitorear las temperaturas del motor y los componentes.[52] Los ejemplos representativos incluyen el diodo de silicio 1N4148, polarizado a 100 μA para detectar en el rango de 0 °C a 100 °C, y el transistor NPN BC547 configurado con un emisor de base conectado para medir variaciones de VBEV_{BE}VBE.[53][54] El concepto se originó en la década de 1960, con las primeras exploraciones de uniones de semiconductores para detección de temperatura destinadas a la compensación de circuitos integrados. También se hace referencia breve a ellos en diseños de circuitos integrados modernos para monitoreo térmico en chip.

Sensores IC digitales y analógicos

Los sensores de temperatura de circuitos integrados (IC) digitales y analógicos son dispositivos semiconductores completos que integran elementos sensores, acondicionamiento de señales e interfaces de salida para proporcionar mediciones directas de temperatura en la electrónica moderna. Estos sensores suelen emplear referencias de banda prohibida de silicio, donde se aprovecha la dependencia de la temperatura del voltaje directo a través de una unión de diodo (a menudo la base-emisor de un transistor bipolar) para generar una señal de salida predecible. El principio básico se basa en el coeficiente de temperatura negativo del voltaje directo del diodo, compensado por una fuente de corriente de temperatura proporcional a absoluta (PTAT) para producir una respuesta lineal.[56] Esto se basa brevemente en la detección basada en uniones, pero incorpora amplificación y linealización en el chip para un funcionamiento independiente sin circuitos externos.

Los sensores IC analógicos generan un voltaje o corriente continuo proporcional a la temperatura, siguiendo la relación Vout=k(T−T0)V_{out} = k (T - T_0)Vout​=k(T−T0​), donde kkk es la sensibilidad (por ejemplo, 10 mV/°C para el LM35), TTT es la temperatura medida en °C y T0T_0T0​ es una temperatura de referencia (a menudo 0°C). El LM35 de Texas Instruments es un ejemplo de esto, ya que proporciona una salida de voltaje lineal con un factor de escala de +10 mV/°C, calibrado para una precisión de 0,5 °C a 25 °C y operable de -55 °C a 150 °C.[58] De manera similar, el AD590 de Analog Devices ofrece una salida de corriente de 1 µA/K entre -55 °C y +150 °C, ideal para detección remota debido a su diseño de dos terminales que minimiza la caída de voltaje en cables largos.[59] El TMP36, también de Analog Devices, genera 10 mV/°C con una compensación de 500 mV a 0°C, logrando una precisión de ±2°C entre -40°C y +125°C y un bajo consumo de energía (50 µA máx.).[60] Estos sensores presentan tiempos de respuesta del orden de milisegundos debido a su baja masa térmica.[61]

Los sensores IC digitales convierten la señal analógica a un formato digital en serie a través de convertidores analógicos a digitales (ADC) en el chip, lo que permite una fácil integración con microcontroladores a través de protocolos como I²C, SPI o 1-Wire. El DS18B20 de Analog Devices (anteriormente Maxim Integrated) utiliza una interfaz de 1 cable para una resolución de 9 a 12 bits, que ofrece una precisión de ±0,5 °C de -10 °C a +85 °C y un rango de -55 °C a +125 °C, con alarmas programables y direccionamiento multisensor en un solo bus. Requiere una resistencia pull-up de 4,7 kΩ (1/4 W, cualquier tolerancia) para su bus de comunicación de un solo cable para garantizar una señalización de datos estable. La interfaz 1-Wire permite encadenar múltiples sensores, generalmente de 5 a 10, en un solo bus usando pocos cables, lo que facilita la detección distribuida en sistemas con cableado limitado. Los sensores DS18B20 originales, identificables por sus marcas grabadas con láser, como "DS18B20+" con el logotipo de Maxim/Analog Devices en el paquete TO-92 y una marca precisa en la muesca trasera, brindan confiabilidad a largo plazo sin una desviación significativa, en contraste con los clones falsificados que generalmente tienen marcas impresas, como "MY18E20", carecen de esta marca de muesca precisa y, a menudo, exhiben variaciones de temperatura que exceden las especificaciones, inestabilidad, altos niveles de ruido y fallas prematuras.[62][63][64][65] El LM75 de Texas Instruments emplea una interfaz I²C con resolución de 9 bits, que proporciona una precisión de ±2 °C de -25 °C a 100 °C (que se extiende a ±3 °C sobre -55 °C a 125 °C) y detección de sobretemperatura incorporada.[66] Para usos especializados, el MAX30205 de Analog Devices apunta a aplicaciones médicas con una precisión de ±0,1 °C en el rango de 37 °C a 39 °C a través de I²C, utilizando un ADC sigma-delta de alta resolución para el monitoreo de la temperatura del cuerpo humano de grado clínico.[67]

Estos sensores ofrecen ventajas como una interfaz simple (no se necesita amplificación externa), un bajo consumo de energía (a menudo <1 mW) y salidas inherentemente lineales, lo que los hace adecuados para dispositivos que funcionan con baterías.[68] Sin embargo, están limitados a rangos de temperatura moderados (normalmente de -55 °C a 150 °C) y pueden generar costos más altos para las variantes de alta precisión en comparación con los sensores discretos.[57] Las aplicaciones comunes incluyen sistemas basados ​​en microcontroladores para monitoreo ambiental, computadoras personales para administración térmica de CPU y electrónica de consumo como teléfonos inteligentes. El DS18B20 es particularmente adecuado para proyectos de bricolaje que involucran monitoreo de bombas de calor debido a su precisión, cableado simple y capacidad para admitir una regulación eficiente del sistema y optimización del rendimiento, como cálculos del coeficiente de rendimiento (COP). En contextos médicos, sensores como el MAX30205 permiten termómetros portátiles y detección de fiebre.[69][70]

El desarrollo de sensores de temperatura IC comenzó en la década de 1970 con los primeros dispositivos analógicos de pioneros como Analog Devices (por ejemplo, AD590) y National Semiconductor, centrándose en salidas lineales basadas en banda prohibida.[57] En la década de 1990, la integración digital avanzó con los estándares I²C y 1-Wire, como se ve en el LM75. Las iteraciones modernas de la década de 2020 incorporan calibración en chip, resoluciones más altas (hasta 16 bits) y características como modos de bajo consumo para IoT, ejemplificados por la serie TMP11x de Texas Instruments con una precisión de ±0,1°C.[71]

Sensores de radiación infrarroja

Los sensores de radiación infrarroja miden la temperatura detectando la radiación térmica emitida por los objetos, lo que permite un funcionamiento sin contacto en una variedad de distancias. Estos sensores funcionan según el principio de que todos los objetos con una temperatura superior al cero absoluto emiten radiación infrarroja, cuya intensidad se correlaciona con la temperatura del objeto. La relación fundamental se describe mediante la ley de Stefan-Boltzmann, que establece que la potencia total radiada por unidad de superficie de un cuerpo negro está dada por P=σT4P = \sigma T^4P=σT4, donde σ=5,67×10−8\sigma = 5,67 \times 10^{-8}σ=5,67×10−8 W/m²K⁴ es el La constante de Stefan-Boltzmann y TTT es la temperatura absoluta en Kelvin.[72] Esta ley surge de la integración de la ley de Planck sobre la radiación del cuerpo negro en todas las longitudes de onda, lo que produce la dependencia T4T^4T4 para el poder emisivo hemisférico. Para materiales reales, que no son cuerpos negros perfectos, la ecuación se modifica a P=εσT4P = \varepsilon \sigma T^4P=εσT4, donde ε\varepsilonε (0 < ε\varepsilonε ≤ 1) es la emisividad, que representa la capacidad de la superficie para emitir radiación en relación con un cuerpo negro; Las superficies de baja emisividad, como los metales pulidos, requieren ajustes de calibración para evitar errores de medición.[72]

Los sensores infrarrojos se clasifican en detectores térmicos y detectores de fotones según su mecanismo de transducción. Los detectores térmicos absorben la radiación infrarroja en forma de calor, convirtiéndola en un cambio de temperatura o voltaje medible; los ejemplos incluyen bolómetros, que utilizan elementos resistivos cuya resistencia eléctrica varía con el calor absorbido, y detectores piroeléctricos, que generan un voltaje a partir de cambios de polarización inducidos por la temperatura en materiales ferroeléctricos. Los detectores de fotones, por el contrario, convierten directamente los fotones entrantes en pares electrón-hueco mediante el efecto fotoeléctrico, lo que ofrece una mayor sensibilidad; Los materiales comunes incluyen seleniuro de plomo (PbSe) para detección de infrarrojo medio y antimonuro de indio (InSb) para una respuesta espectral más amplia, que a menudo requiere enfriamiento criogénico para un rendimiento óptimo.[75] Los sensores infrarrojos basados ​​en termopilas, que utilizan conjuntos de termopares para amplificar el voltaje de los gradientes térmicos, se aplican ampliamente en dispositivos compactos para su funcionamiento y estabilidad a temperatura ambiente.[74]

La construcción de estos sensores generalmente implica ópticas para enfocar la radiación infrarroja en un chip detector, alojado en una carcasa protectora con filtros espectrales para aislar longitudes de onda relevantes (por ejemplo, 8 a 14 μm para temperaturas terrestres). Una lente, a menudo hecha de germanio o silicio para la transparencia infrarroja, recoge y dirige la radiación, mientras que el detector, como un conjunto de microbolómetros o un fotodiodo, está integrado en un sustrato de silicio para el procesamiento de la señal. Los rangos de funcionamiento suelen abarcar desde -50 °C hasta más de 1000 °C, según el tipo de detector y la óptica, y se pueden lograr precisiones de ±1 a 2 °C en condiciones controladas mediante la calibración de fábrica con respecto a referencias de cuerpo negro.[77]

Las ventajas clave de los sensores de radiación infrarroja incluyen su naturaleza sin contacto, lo que permite mediciones de objetos en movimiento, peligrosos o inaccesibles, y tiempos de respuesta rápidos (milisegundos para detectores de fotones), lo que permite un seguimiento en tiempo real.[78] Sin embargo, las desventajas surgen de las variaciones de emisividad, que pueden introducir errores de hasta el 20% si no se compensan, y de interferencias ambientales como el polvo, la humedad o los gradientes de temperatura ambiente que atenúan o dispersan la señal.[79]

Las aplicaciones abarcan la termografía de edificios para detectar defectos de aislamiento o fugas de energía mediante mapeo de temperatura de la superficie y detección de fiebre en entornos de salud pública, donde lectores de imágenes portátiles o fijos identifican temperaturas elevadas de la piel como indicadores de infección.[80] Los ejemplos específicos incluyen el circuito integrado MLX90614, un sensor basado en termopila con un rango de medición de -70°C a 380°C y una precisión de ±0,5°C cerca de la temperatura ambiente, utilizado en monitoreo médico e industrial.[81] Las cámaras térmicas FLIR, que emplean conjuntos de microbolómetros, admiten aplicaciones de termografía con resoluciones de hasta 640 × 480 píxeles y rangos de hasta 650 °C, lo que facilita el mantenimiento predictivo en los sistemas eléctricos.[82]

Históricamente, el primer termómetro infrarrojo práctico surgió en 1880 con el bolómetro de Samuel Langley, un detector térmico lo suficientemente sensible como para medir las variaciones de la radiación solar. Los avances modernos posteriores al año 2000 han integrado la tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS), lo que permite sensores miniaturizados y de bajo costo, como termopilas compatibles con CMOS para dispositivos electrónicos de consumo y dispositivos IoT.[84] A partir de 2025, otras innovaciones incluyen procesamiento mejorado con IA para análisis de datos en tiempo real y precisión mejorada en condiciones variables, integración inalámbrica para aplicaciones de la Industria 4.0 y diseños energéticamente eficientes para hogares inteligentes e IoT, junto con la adquisición de OPTRIS por parte de Hikvision en marzo de 2025 para ampliar las capacidades industriales de detección de infrarrojos.[85][86][87]

Fibra Óptica y Sensores Ópticos

Los sensores de temperatura de fibra óptica miden la temperatura detectando cambios en las propiedades ópticas de la luz que se propaga a través de fibras ópticas, como cambios de longitud de onda, cambios de fase o patrones de dispersión inducidos por efectos térmicos. Estos sensores son valorados por su inmunidad a interferencias electromagnéticas, resistencia a la corrosión y capacidad de detección remota o distribuida en entornos hostiles, incluidos entornos industriales de alta temperatura como hornos y motores aeroespaciales. A diferencia de los sensores tradicionales, permiten mediciones sin contacto o mínimamente invasivas en distancias de hasta varios kilómetros sin degradación de la señal.[88]

Los principales tipos de sensores de temperatura de fibra óptica se clasifican según sus principios operativos: interferométricos, basados ​​en rejillas, basados ​​en fluorescencia, basados ​​en radiación de cuerpo negro y sistemas de detección distribuidos. Los sensores interferométricos, como los interferómetros Fabry-Pérot (FPI), funcionan según el principio de interferencia óptica que surge de cambios inducidos por la temperatura en la longitud del camino óptico dentro de una cavidad formada por extremos de fibra o espacios de aire; Ofrecen alta sensibilidad, con resoluciones de hasta 0,1 °C y rangos de hasta 1600 °C en diseños basados ​​en zafiro, lo que los hace adecuados para mediciones puntuales precisas en monitoreo biomédico y estructural.[88][89] Los sensores basados ​​en rejillas, en particular las rejillas de fibra de Bragg (FBG), se basan en modulaciones periódicas del índice de refracción en el núcleo de la fibra que reflejan una banda estrecha de longitud de onda, cambiando con la temperatura debido a la expansión térmica y los efectos termoópticos; Los FBG de sílice funcionan hasta 1000 °C con sensibilidades de alrededor de 10 a 14 pm/°C, mientras que las variantes de zafiro se extienden hasta 1900 °C para condiciones extremas como el monitoreo de turbinas de gas.[88][90]

Los sensores basados ​​en fluorescencia aprovechan la dependencia de la temperatura de la vida útil o la intensidad de la fluorescencia de materiales dopados, como el Cr³⁺ en cristales de YAG, donde el tiempo de desintegración se acorta con el aumento de la temperatura; estos proporcionan mediciones absolutas inmunes a las fluctuaciones de la fuente, funcionan de -50 °C a 1800 °C con resoluciones de 0,5 a 1 °C y se utilizan comúnmente en registros de pozos petroleros y tratamientos de hipertermia.[88][91] Los sensores de radiación de cuerpo negro, aplicables por encima de 600°C, detectan la emisión térmica de una punta de fibra recubierta con materiales de alta emisividad como el iridio, siguiendo la ley de Planck para inferir la temperatura a partir de la radiación espectral; alcanzan rangos de 600-2300°C pero requieren calibración para temperaturas más bajas y se utilizan en metalurgia para monitorear el metal fundido.[88]

Sensores basados ​​en expansión

Los sensores de temperatura basados ​​en expansión miden la temperatura aprovechando la expansión física de los materiales (sólidos, líquidos o gases) en respuesta al calor, lo que provoca cambios de longitud, área o volumen debido al aumento de las vibraciones atómicas. En sólidos, esto es principalmente una expansión lineal descrita por ΔL=L0αΔT\Delta L = L_0 \alpha \Delta TΔL=L0​αΔT, donde ΔL\Delta LΔL es el cambio de longitud, L0L_0L0​ es la longitud original, α\alphaα es el coeficiente de expansión lineal y ΔT\Delta TΔT es el cambio de temperatura; la expansión del volumen sigue ΔV=V0βΔT\Delta V = V_0 \beta \Delta TΔV=V0​βΔT con β≈3α\beta \approx 3\alphaβ≈3α. Los líquidos exhiben una mayor expansión de volumen que los sólidos debido a fuerzas intermoleculares más débiles, mientras que los gases muestran la expansión más pronunciada debido a grandes distancias intermoleculares, a menudo regidas por la ley de los gases ideales. Estos sensores proporcionan indicación mecánica directa sin componentes eléctricos, aunque generalmente son menos precisos que las alternativas modernas para aplicaciones de alta precisión.

Los termómetros de líquido en vidrio, un diseño común basado en expansión, cuentan con una bombilla de vidrio sellada que contiene un fluido termométrico conectado a un fino orificio capilar dentro de un vástago grabado con una escala. La bombilla se llena con mercurio para rangos estándar o alcohol (como etanol) para temperaturas más bajas, ya que el líquido se expande volumétricamente con el calor y se eleva visiblemente en el capilar para una lectura directa. Las versiones a base de mercurio funcionan desde -38,9 °C (punto de congelación) hasta su punto de ebullición de aproximadamente 357 °C, aunque los límites prácticos suelen ser de 0 °C a 350 °C para evitar la ebullición, el ablandamiento del vidrio o la degradación del líquido; sin embargo, debido a la toxicidad del mercurio, estos se eliminarán gradualmente en todo el mundo a partir de 2025, y muchos países prohibirán su producción y uso en favor de alternativas más seguras, como los termómetros digitales o llenos de alcohol.[4] Ciertos líquidos orgánicos de baja temperatura, como el tolueno o el pentano, se extienden hasta -200 °C pero tienen una expansión térmica menor, lo que requiere capilares más anchos. Su simplicidad permite una interpretación visual sencilla sin fuentes de energía, lo que los hace adecuados para usos educativos y de monitoreo básico. Sin embargo, la construcción de vidrio los hace frágiles y propensos a romperse, el rango está inherentemente limitado por las propiedades del fluido y los tiempos de respuesta se retrasan entre 2 y 10 segundos incluso en medios agitados debido a la inercia térmica.

Las raíces históricas de los termómetros de líquido en vidrio se encuentran en la invención de Galileo Galilei en 1593 de un termoscopio que utilizaba agua en un tubo sellado para detectar variaciones de temperatura a través de cambios en el nivel del líquido. Los refinamientos culminaron con el desarrollo de la escala llena de mercurio por parte de Daniel Gabriel Fahrenheit en 1724, estableciendo el sistema Fahrenheit con puntos fijos en el hielo (32°F) y la temperatura del cuerpo humano (96°F). Las variantes específicas incluyen termómetros clínicos, que restringen el capilar con una torsión para retener lecturas máximas de temperatura corporal de alrededor de 35-42°C, lo que facilita una reutilización segura después de agitar el hilo. Los termómetros de máximas y mínimas, empleados en meteorología, utilizan alcohol como fluido principal con índices de hierro o gotas de mercurio magnetizadas para rastrear las posiciones máximas y mínimas a lo largo del tiempo, lo que permite los extremos diarios sin una observación constante.

Los termómetros de gas aplican la ley de los gases ideales, PV=nRTPV = nRTPV=nRT, donde PPP es la presión, VVV es el volumen, nnn son los moles de gas, RRR es la constante del gas y TTT es la temperatura absoluta en Kelvin, para cuantificar la expansión. En los tipos de volumen constante, el gas (a menudo aire o hidrógeno) está confinado en un bulbo rígido conectado a un manómetro; a medida que aumenta la temperatura, la presión aumenta proporcionalmente desde P∝TP \propto TP∝T en VVV fijo y nnn. Para derivar la temperatura, calibre con respecto a una referencia: a partir de P1/T1=P2/T2P_1 / T_1 = P_2 / T_2P1​/T1​=P2​/T2​ (variante de la ley de Boyle a VVV constante), al resolver se obtiene T2=T1(P2​/P1)T_2 = T_1 (P_2 / P_1)T2​=T1​(P2​/P1​), con la punto triple del agua (273,16 K) como referencia ideal para una precisión que se acerca a la escala termodinámica a bajas presiones. Las variantes de presión constante mantienen PPP y nnn fijos mediante un pistón o depósito móvil, donde el volumen se expande como V∝TV \propto TV∝T; por lo tanto, T=Tref(V/Vref)T = T_{\text{ref}} (V / V_{\text{ref}})T=Tref​(V/Vref​), derivado de manera similar de la ley de los gases ideales al reorganizar V1/T1=V2/T2V_1 / T_1 = V_2 / T_2V1​/T1​=V2​/T2​. Estos proporcionan una alta precisión cercana al cero absoluto, pero requieren un sellado cuidadoso y no son prácticos para el uso rutinario debido a su volumen.

Los termómetros de expansión sólida se basan en la expansión lineal de una varilla o alambre metálico, típicamente latón o acero, anclado en un extremo dentro de un marco de material de baja expansión como invar para amplificar el movimiento relativo. A medida que aumenta la temperatura, la varilla se alarga de acuerdo con ΔL=L0αΔT\Delta L = L_0 \alpha \Delta TΔL=L0​αΔT, impulsando un enlace mecánico, como un piñón y cremallera o una palanca, para desviar un puntero a través de un dial calibrado. Este diseño se adapta a entornos hostiles como hornos industriales, ofreciendo mayor durabilidad que los sensores basados ​​en fluidos, aunque la sensibilidad depende del α\alphaα del material (por ejemplo, 18 × 10^{-6} /°C para el acero) y generalmente es más baja que la de los tipos gaseosos o líquidos.

Sensores de deflexión bimetálicos y mecánicos

Las tiras bimetálicas son sensores de temperatura mecánicos construidos uniendo dos tiras delgadas de metales con diferentes coeficientes de expansión térmica, como níquel (α ≈ 13,3 × 10⁻⁶/°C) e Invar (α ≈ 1,2 × 10⁻⁶/°C), a lo largo de su longitud para formar un único elemento laminado. Al calentarse, el metal con el coeficiente de expansión más alto se alarga más que el otro, lo que hace que la tira se doble o se desvíe hacia el lado con el coeficiente de expansión más bajo; el enfriamiento revierte este efecto.[5] Este principio de expansión diferencial permite una respuesta mecánica directa a los cambios de temperatura sin requerir energía externa.

La deflexión δ de una tira bimetálica se puede aproximar mediante la fórmula δ≈3(α2−α1)L2ΔT8t\delta \approx \frac{3 (\alpha_2 - \alpha_1) L^2 \Delta T}{8 t}δ≈8t3(α2​−α1​)L2ΔT​, donde α2\alpha_2α2​ y α1\alpha_1α1​ son los coeficientes de expansión térmica de los dos metales, LLL es la longitud de la tira, ΔT\Delta TΔT es el cambio de temperatura y ttt es el espesor total de la tira.[6] Esto surge de la ecuación de expansión térmica lineal ΔL=αLΔT\Delta L = \alpha L \Delta TΔL=αLΔT aplicada a cada capa de metal; el desajuste en ΔL\Delta LΔL induce una curvatura 1/R≈(α2−α1)ΔT/t1/R \approx (\alpha_2 - \alpha_1) \Delta T / t1/R≈(α2​−α1​)ΔT/t (para espesores pequeños ttt), lo que lleva a una deflexión de la punta δ≈L2/(2R)\delta \approx L^2 / (2R)δ≈L2/(2R) en una configuración en voladizo según la teoría de vigas de Timoshenko.[7] La derivación enfatiza que la deflexión es proporcional a la diferencia del coeficiente de expansión, al cuadrado de la longitud de la tira, a la variación de temperatura e inversamente al espesor, proporcionando una salida mecánica cuantificable para la detección de temperatura.

Las tiras bimetálicas encuentran un uso generalizado en aplicaciones que requieren un control de temperatura simple y confiable, como termostatos para sistemas de calefacción, alarmas contra incendios que se activan a temperaturas elevadas y controles de hornos para mantener los puntos de ajuste.[8] Estos sensores normalmente funcionan en un rango de -70 °C a 600 °C, aunque los límites prácticos dependen de los metales seleccionados y las condiciones ambientales.[9] Sus principales ventajas incluyen el bajo costo de fabricación debido a una construcción simple y operación pasiva sin energía eléctrica, lo que los hace adecuados para dispositivos resistentes e independientes.[5] Sin embargo, tienen desventajas como una precisión limitada de ±1–2 °C y efectos de histéresis, donde la trayectoria de deflexión difiere ligeramente durante los ciclos de calentamiento versus enfriamiento debido a la viscoelasticidad del material y las imperfecciones de unión.[10]

Otros sensores de deflexión mecánicos emplean principios similares pero en configuraciones helicoidales o enrolladas para amplificar el movimiento y obtener una indicación precisa. Por ejemplo, los elementos bimetálicos en espiral o helicoidales, similares a los diseños de tubos Bourdon pero que dependen únicamente de la expansión del metal sólido, se desenrollan o aprietan con los cambios de temperatura para mover un puntero a través de un dial. La tira bimetálica fue inventada por primera vez por el relojero inglés John Harrison en la década de 1720 como mecanismo de compensación de temperatura para cronómetros marinos, y posteriormente adaptada para la termometría general.

Detectores de temperatura de resistencia (RTD)

Los detectores de temperatura de resistencia (RTD) funcionan según el principio de que la resistencia eléctrica de ciertos metales puros aumenta de manera predecible con la temperatura, exhibiendo un coeficiente de temperatura positivo (PTC). Esta relación es principalmente lineal en un amplio rango, lo que permite una medición precisa de la temperatura mediante el seguimiento de los cambios de resistencia. La ecuación fundamental para esta aproximación lineal se deriva de la definición del coeficiente de temperatura de resistencia, α\alphaα, que viene dado por α=1R0dRdT\alpha = \frac{1}{R_0} \frac{dR}{dT}α=R0​1​dTdR​, donde R0R_0R0​ es la resistencia a una temperatura de referencia (normalmente 0 °C) y TTT es la temperatura. Suponiendo que α\alphaα es constante, la integración produce la forma lineal:

donde RtR_tRt​ es la resistencia a la temperatura ttt, ΔT=t−0\Delta T = t - 0ΔT=t−0, y para RTD basados en platino como el Pt100 común (100 Ω a 0°C), α=0.00385 Ω/Ω/∘\alpha = 0.00385 , \Omega/\Omega/^\circα=0.00385Ω/Ω/∘C.[15][16][17]

Los RTD se construyen en dos tipos principales: bobinados y de película delgada. Los RTD bobinados, como las variantes Pt100 y Pt1000 (100 Ω y 1000 Ω a 0 °C, respectivamente), cuentan con un elemento sensor hecho de una longitud enrollada de alambre de platino ultrafino (normalmente de 0,025 a 0,05 mm de diámetro) enrollado alrededor de un núcleo de cerámica o vidrio como soporte, luego encapsulado en vidrio o cerámica para proteger contra factores ambientales y garantizar el aislamiento. Esta construcción proporciona una excelente estabilidad pero requiere un manejo cuidadoso para evitar la tensión del cable. Los RTD de película delgada, por el contrario, depositan una fina capa de platino (de aproximadamente 10 a 100 nm de espesor) sobre un sustrato cerámico mediante pulverización catódica o evaporación, seguido de un patrón en una pista resistiva y pasivación con capas de vidrio; esto da como resultado un diseño más compacto y resistente a las vibraciones, adecuado para aplicaciones con espacio limitado, aunque con una estabilidad a largo plazo ligeramente menor en comparación con los tipos bobinados.[18][19][20]

Estos sensores normalmente funcionan en un rango de temperatura de -200 °C a 850 °C, dependiendo de la construcción y la pureza del platino, con una precisión de tan solo ±0,1 °C en clases de alta precisión (por ejemplo, IEC Clase AA) y tolerancias estándar de Clase B de ±0,3 °C a 0 °C. Los tiempos de respuesta varían de 0,5 a 5 segundos en medios líquidos o gaseosos, influenciados por la masa térmica del sensor y el método de instalación, como el diámetro de la funda en las configuraciones de la sonda.[21][22][23]

La calibración de los RTD de platino sigue la norma internacional IEC 60751, que define las relaciones resistencia-temperatura para uso industrial y de laboratorio, garantizando la intercambiabilidad. Debido a la ligera no linealidad en los extremos, la aproximación lineal se refina usando la ecuación de Callendar-Van Dusen: Para ΔT≥0∘C\Delta T \geq 0^\circ \text{C}ΔT≥0∘C:

Para ΔT<0∘C\Delta T < 0^\circ \text{C}ΔT<0∘C:

donde los coeficientes A=3.9083×10−3A = 3.9083 \times 10^{-3}A=3.9083×10−3, B=−5.775×10−7B = -5.775 \times 10^{-7}B=−5.775×10−7, y C=−4.183×10−12C = -4.183 \times 10^{-12}C=−4.183×10−12. Este polinomio corrige las desviaciones, lo que permite precisiones superiores a 0,01 °C en sistemas calibrados.[17][24][25]

Los RTD ofrecen alta precisión, estabilidad a largo plazo (deriva <0,05 °C/año) y excelente repetibilidad, lo que los hace ideales para aplicaciones de precisión, aunque tienen la desventaja de costos más altos (2 a 10 veces más que los termopares), fragilidad en formas de alambre bobinado y errores de autocalentamiento (hasta 0,1 a 1 °C/mW de la corriente de excitación). En comparación con los termistores, los RTD priorizan la precisión lineal sobre el costo para entornos exigentes.[26][27][23]

Las aplicaciones comunes incluyen monitoreo de procesos industriales en plantas químicas, generación de energía y procesamiento de alimentos; configuraciones de calibración de laboratorio; y sistemas HVAC, donde las sondas Pt100 garantizan un control confiable de las temperaturas del aire y los fluidos dentro de tolerancias de ±0,5 °C.[28][29][30]

Termistores

Los termistores son sensores de temperatura que aprovechan la variación significativa en la resistencia eléctrica de los materiales semiconductores con cambios de temperatura, ofreciendo alta sensibilidad a un costo relativamente bajo en comparación con otros sensores basados ​​en resistencia. En términos generales, se clasifican en dos tipos: termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC), donde la resistencia disminuye exponencialmente a medida que aumenta la temperatura, y termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC), donde la resistencia aumenta con la temperatura. Los tipos NTC dominan las aplicaciones de detección de temperatura debido a su pronunciada sensibilidad, mientras que los tipos PTC se utilizan a menudo en funciones protectoras.[31]

El principio de funcionamiento de los termistores se deriva de la conductividad de los semiconductores que depende de la temperatura. En los termistores NTC, la energía térmica excita más portadores de carga a través de la banda prohibida de energía, según las estadísticas de Boltzmann, lo que conduce a una disminución exponencial de la resistencia; esto se puede aproximar mediante R=R0exp⁡(B(1T−1T0))R = R_0 \exp\left( B \left( \frac{1}{T} - \frac{1}{T_0} \right) \right)R=R0​exp(B(T1​−T0​1​)), donde RRR es la resistencia a la temperatura absoluta TTT, R0R_0R0​ es la resistencia a la temperatura de referencia T0T_0T0​, y BBB es la constante material. Para un modelado preciso, especialmente en termistores NTC, se emplea la ecuación de Steinhart-Hart: 1T=A+Bln⁡(R)+C[ln⁡(R)]3\frac{1}{T} = A + B \ln(R) + C [\ln(R)]^3T1​=A+Bln(R)+C[ln(R)]3, con coeficientes AAA, BBB y CCC determinados a partir de datos de calibración a múltiples temperaturas; esta forma empírica se deriva de la distribución subyacente de Boltzmann de las concentraciones de portadores en los semiconductores. Los termistores PTC exhiben un coeficiente positivo debido a diferentes comportamientos de los materiales, como los efectos de los límites de grano en la cerámica, pero carecen de una ecuación estandarizada similar para la detección.[32]90026-0)[31]

Los termistores se construyen a partir de mezclas sinterizadas de óxidos metálicos, principalmente manganeso, níquel y cobalto para las variantes NTC, formados en formas compactas como cuentas, discos o chips, con cables o electrodos para conexión eléctrica; Los diseños NTC predominan en la detección debido a su simplicidad de fabricación y rendimiento. Estas estructuras cerámicas suelen estar encapsuladas en vidrio o epoxi para proteger el medio ambiente, lo que permite la miniaturización a tamaños tan pequeños como 0,5 mm. Los termistores PTC suelen utilizar cerámicas de titanato de bario o silicio dopado para sus características de conmutación.[31]

Los termistores NTC funcionan en rangos de temperatura de -100 °C a 300 °C, con intervalos comunes de -50 °C a 200 °C, mientras que los tipos PTC cubren de -30 °C a 160 °C alrededor de su punto Curie. Su alta sensibilidad se cuantifica mediante el parámetro β, típicamente 3000-4000 K para materiales NTC, lo que permite cambios de resistencia de varios porcentajes por grado Celsius cerca de la temperatura ambiente. La precisión alcanza de ±0,1 °C a ±0,5 °C después de la calibración, dependiendo del rango de temperatura y el grado de intercambiabilidad.[31]

Termopares

Los termopares son sensores de temperatura que generan un voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre dos uniones formadas por metales o aleaciones diferentes, operando por el efecto Seebeck.[36] Este efecto surge de la difusión de portadores de carga (electrones) impulsada por un gradiente de temperatura en un conductor. En un material sometido a un gradiente de temperatura ∇T, los portadores de carga en el extremo caliente tienen mayor energía cinética y se difunden hacia el extremo frío, creando una separación neta de carga y un campo eléctrico que se opone a una mayor difusión en estado estacionario. La densidad de corriente resultante en la aproximación del tiempo de relajación (RTA) de la ecuación de transporte de Boltzmann viene dada por

j=σE−σS∇T,\mathbf{j} = \sigma \mathbf{E} - \sigma S \nabla T,j=σE−σS∇T,

donde σ es la conductividad eléctrica, E es el campo eléctrico y S es el coeficiente de Seebeck, definido como

S=−1eT∫(−∂f∂E)(E−μ)v2τ(E)D(E) dE,S = -\frac{1}{eT} \int \left( -\frac{\partial f}{\partial E} \right) (E - \mu) v^2 \tau(E) D(E) , dE,S=−eT1​∫(−∂E∂f​)(E−μ)v2τ(E)D(E)dE,

con e la carga elemental, T la temperatura, f la distribución de Fermi-Dirac, μ el potencial químico, v la velocidad del portador, τ el tiempo de relajación y D (E) la densidad de estados. Para un circuito abierto (j = 0), esto produce E = S ∇T. En un termopar, dos materiales con coeficientes de Seebeck S_A y S_B forman un circuito cerrado con uniones a temperaturas T_h (caliente) y T_c (frío); el voltaje termoeléctrico neto es E = (S_A - S_B) (T_h - T_c) = α ΔT, donde α es el coeficiente de Seebeck relativo, típicamente del orden de 40 μV/°C.[36]

El termopar fue inventado en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck, quien observó que un circuito de dos metales diferentes con uniones a diferentes temperaturas producía una desviación magnética debido al voltaje generado, inicialmente mal interpretado como un efecto termomagnético. El desarrollo práctico como sensor de temperatura se produjo en la década de 1820, y los materiales, las tablas de calibración y las técnicas de medición maduraron hasta convertirse en formas estandarizadas en el siglo XX gracias a los esfuerzos de organizaciones como el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI).

En la construcción, un termopar consta de dos alambres de metal o aleación diferentes unidos en la unión de medición (caliente), donde se debe detectar la temperatura, mientras que la unión de referencia (fría) se mantiene a una temperatura más baja conocida, tradicionalmente 0 °C usando un baño de hielo.[38] La unión caliente se puede formar torciendo, soldando o soldando los cables (se prefiere la soldadura a altas temperaturas para evitar la aleación), a menudo encerrados en una funda protectora para mayor durabilidad. La compensación moderna de unión fría reemplaza el baño de hielo con un sensor de temperatura integrado (por ejemplo, un termistor o RTD) cerca de la unión para medir su temperatura y ajustar matemáticamente el voltaje de salida, lo que permite un funcionamiento estable en condiciones ambientales.

Los termopares se clasifican mediante designaciones de letras ANSI basadas en combinaciones de materiales, siendo los tipos K, J y T entre los tipos de metal base más comunes para uso general. La siguiente tabla resume las características clave:

Estos rangos y coeficientes son aproximados y varían ligeramente con la temperatura; Los límites especiales mejoran la precisión a ±1,1°C o mejor para los tipos K y J, y ±0,5°C para el tipo T.[39][40]

Los termopares ofrecen precisiones típicas de ±1 a 2 °C o ±0,75 % de lectura, según el tipo y la clase de calibración según los estándares ASTM E-230; el tipo T proporciona la mayor precisión entre los metales base.[40][41] Los tiempos de respuesta son rápidos, a menudo menos de 1 segundo para diseños de unión desnuda, debido a la pequeña masa térmica de la unión del cable.[41] Las ventajas incluyen un amplio rango operativo (hasta 1350 °C para el tipo K), robustez en entornos hostiles como atmósferas oxidantes y bajo costo, lo que los hace adecuados para uso industrial a alta temperatura.[41] Las desventajas incluyen señales de salida bajas (milivoltios), que requieren amplificación e instrumentación precisa; posible desviación de la calibración debido a faltas de homogeneidad u oxidación del material; y no linealidad que requiere correcciones polinómicas para la lectura de temperatura absoluta.[41]

Las aplicaciones comunes incluyen el monitoreo de temperatura en hornos y hornos para el control de procesos, donde las sondas tipo K resisten condiciones oxidantes de hasta 1350 °C, y en sistemas de escape de motores o cámaras de combustión para medir las temperaturas de los gases durante la operación.[42] Los termopares a menudo se integran con circuitos integrados para acondicionamiento de señales y compensación de juntas frías para mejorar la precisión de las mediciones en sistemas automatizados.[38]

Termopilas

Una termopila es un conjunto de múltiples termopares conectados en serie, diseñados para detectar radiación térmica o temperaturas promedio en un área amplificando el voltaje termoeléctrico generado a partir de diferencias de temperatura. Esta configuración evolucionó a principios del siglo XIX a partir de un trabajo fundamental sobre el efecto Seebeck, cuando Leopoldo Nobili y Macedonio Melloni desarrollaron termopilas prácticas alrededor de 1829-1831 utilizando uniones de bismuto y antimonio para radiometría y detección de calor por infrarrojos. Estos dispositivos se basaron en el descubrimiento de la termoelectricidad de Thomas Seebeck en 1821, permitiendo mediciones sensibles de la energía radiante que los termopares individuales no podían lograr de manera eficiente.

El principio de funcionamiento se basa en los efectos Seebeck aditivos en numerosas uniones, donde un gradiente de temperatura entre los lados frío y caliente produce un voltaje proporcional al número de pares de termopares. Para una termopila con nnn uniones, el voltaje de salida total EEE viene dado por

donde α\alphaα es el coeficiente de Seebeck relativo de los materiales, y ΔT\Delta TΔT es la diferencia de temperatura.[44] Esta conexión en serie mejora la sensibilidad para detectar pequeñas variaciones de temperatura, particularmente de la radiación infrarroja absorbida por la superficie de un cuerpo negro. La construcción generalmente implica tiras alternas de metales diferentes, como bismuto-antimonio, o semiconductores como silicio dopado con p y n, depositados sobre un sustrato aislante con aislamiento térmico entre uniones frías y calientes; Se añade una capa absorbente de radiación, a menudo una capa negra, al lado caliente para mejorar la eficiencia.[44]

Las termopilas encuentran un uso principal en termometría sin contacto, como termómetros de oído y frente para medir la temperatura del cuerpo humano, donde detectan emisiones infrarrojas sin contacto físico, y en analizadores de gases para la detección infrarroja diferencial en rangos de temperatura similares a los termopares individuales (normalmente -50 °C a 500 °C).[45] Ejemplos específicos incluyen termopilas micromecanizadas basadas en silicio integradas en dispositivos MEMS para detección infrarroja compacta en aplicaciones médicas e industriales.[46] Sus ventajas abarcan una salida de voltaje más alta y, por lo tanto, una mayor sensibilidad en comparación con un solo termopar, funcionamiento sin alimentación externa y idoneidad para mediciones basadas en radiación. Sin embargo, exhiben tiempos de respuesta más lentos debido a la masa térmica, necesitan compensación de la temperatura ambiente para evitar la deriva y son vulnerables a factores ambientales como la humedad y la luz solar.

Sensores basados ​​en conexiones

Los sensores de temperatura basados ​​en uniones utilizan la caída de tensión directa dependiente de la temperatura a través de una unión p-n en dispositivos semiconductores. En estos sensores, se aplica una corriente de polarización directa constante y la caída de voltaje resultante, VfV_fVf​, disminuye de manera predecible con el aumento de la temperatura debido a las propiedades intrínsecas de la unión. Para las uniones basadas en silicio, este cambio es de aproximadamente -2 mV/°C a corriente constante.[48] Este fenómeno surge de la ecuación de corriente del diodo I=Is(eqV/kT−1)I = I_s (e^{qV / kT} - 1)I=Is​(eqV/kT−1), donde al resolver VfV_fVf​ en III fijo se obtiene Vf≈Vg−kTqln⁡T+V_f \approx V_g - \frac{kT}{q} \ln T +Vf​≈Vg​−qkT​lnT+ constantes, con VgV_gVg​ como voltaje de banda prohibida, kkk la constante de Boltzmann, qqq la carga del electrón y la temperatura absoluta TTT.[49][50]

Los tipos comunes incluyen diodos de silicio y la unión base-emisor de transistores de unión bipolar (BJT), donde el voltaje base-emisor VBEV_{BE}VBE​ muestra un comportamiento similar al VfV_fVf​ de un diodo.[51] Por lo general, se construyen como componentes discretos, como diodos o transistores empaquetados, que funcionan en un rango de -55 °C a 150 °C con una precisión de ±1 °C cuando están polarizados y calibrados adecuadamente.[50] Su bajo costo y compatibilidad con los circuitos integrados de silicio los hacen ventajosos para un uso generalizado, aunque la respuesta no lineal requiere circuitos de compensación, y el autocalentamiento de la corriente de polarización puede introducir errores si no se minimiza.[50]

Estos sensores encuentran aplicaciones en criogenia, donde diodos de silicio especializados proporcionan mediciones precisas hasta casi el cero absoluto, y en sistemas automotrices para monitorear las temperaturas del motor y los componentes.[52] Los ejemplos representativos incluyen el diodo de silicio 1N4148, polarizado a 100 μA para detectar en el rango de 0 °C a 100 °C, y el transistor NPN BC547 configurado con un emisor de base conectado para medir variaciones de VBEV_{BE}VBE.[53][54] El concepto se originó en la década de 1960, con las primeras exploraciones de uniones de semiconductores para detección de temperatura destinadas a la compensación de circuitos integrados. También se hace referencia breve a ellos en diseños de circuitos integrados modernos para monitoreo térmico en chip.

Sensores IC digitales y analógicos

Los sensores de temperatura de circuitos integrados (IC) digitales y analógicos son dispositivos semiconductores completos que integran elementos sensores, acondicionamiento de señales e interfaces de salida para proporcionar mediciones directas de temperatura en la electrónica moderna. Estos sensores suelen emplear referencias de banda prohibida de silicio, donde se aprovecha la dependencia de la temperatura del voltaje directo a través de una unión de diodo (a menudo la base-emisor de un transistor bipolar) para generar una señal de salida predecible. El principio básico se basa en el coeficiente de temperatura negativo del voltaje directo del diodo, compensado por una fuente de corriente de temperatura proporcional a absoluta (PTAT) para producir una respuesta lineal.[56] Esto se basa brevemente en la detección basada en uniones, pero incorpora amplificación y linealización en el chip para un funcionamiento independiente sin circuitos externos.

Los sensores IC analógicos generan un voltaje o corriente continuo proporcional a la temperatura, siguiendo la relación Vout=k(T−T0)V_{out} = k (T - T_0)Vout​=k(T−T0​), donde kkk es la sensibilidad (por ejemplo, 10 mV/°C para el LM35), TTT es la temperatura medida en °C y T0T_0T0​ es una temperatura de referencia (a menudo 0°C). El LM35 de Texas Instruments es un ejemplo de esto, ya que proporciona una salida de voltaje lineal con un factor de escala de +10 mV/°C, calibrado para una precisión de 0,5 °C a 25 °C y operable de -55 °C a 150 °C.[58] De manera similar, el AD590 de Analog Devices ofrece una salida de corriente de 1 µA/K entre -55 °C y +150 °C, ideal para detección remota debido a su diseño de dos terminales que minimiza la caída de voltaje en cables largos.[59] El TMP36, también de Analog Devices, genera 10 mV/°C con una compensación de 500 mV a 0°C, logrando una precisión de ±2°C entre -40°C y +125°C y un bajo consumo de energía (50 µA máx.).[60] Estos sensores presentan tiempos de respuesta del orden de milisegundos debido a su baja masa térmica.[61]

Los sensores IC digitales convierten la señal analógica a un formato digital en serie a través de convertidores analógicos a digitales (ADC) en el chip, lo que permite una fácil integración con microcontroladores a través de protocolos como I²C, SPI o 1-Wire. El DS18B20 de Analog Devices (anteriormente Maxim Integrated) utiliza una interfaz de 1 cable para una resolución de 9 a 12 bits, que ofrece una precisión de ±0,5 °C de -10 °C a +85 °C y un rango de -55 °C a +125 °C, con alarmas programables y direccionamiento multisensor en un solo bus. Requiere una resistencia pull-up de 4,7 kΩ (1/4 W, cualquier tolerancia) para su bus de comunicación de un solo cable para garantizar una señalización de datos estable. La interfaz 1-Wire permite encadenar múltiples sensores, generalmente de 5 a 10, en un solo bus usando pocos cables, lo que facilita la detección distribuida en sistemas con cableado limitado. Los sensores DS18B20 originales, identificables por sus marcas grabadas con láser, como "DS18B20+" con el logotipo de Maxim/Analog Devices en el paquete TO-92 y una marca precisa en la muesca trasera, brindan confiabilidad a largo plazo sin una desviación significativa, en contraste con los clones falsificados que generalmente tienen marcas impresas, como "MY18E20", carecen de esta marca de muesca precisa y, a menudo, exhiben variaciones de temperatura que exceden las especificaciones, inestabilidad, altos niveles de ruido y fallas prematuras.[62][63][64][65] El LM75 de Texas Instruments emplea una interfaz I²C con resolución de 9 bits, que proporciona una precisión de ±2 °C de -25 °C a 100 °C (que se extiende a ±3 °C sobre -55 °C a 125 °C) y detección de sobretemperatura incorporada.[66] Para usos especializados, el MAX30205 de Analog Devices apunta a aplicaciones médicas con una precisión de ±0,1 °C en el rango de 37 °C a 39 °C a través de I²C, utilizando un ADC sigma-delta de alta resolución para el monitoreo de la temperatura del cuerpo humano de grado clínico.[67]

Estos sensores ofrecen ventajas como una interfaz simple (no se necesita amplificación externa), un bajo consumo de energía (a menudo <1 mW) y salidas inherentemente lineales, lo que los hace adecuados para dispositivos que funcionan con baterías.[68] Sin embargo, están limitados a rangos de temperatura moderados (normalmente de -55 °C a 150 °C) y pueden generar costos más altos para las variantes de alta precisión en comparación con los sensores discretos.[57] Las aplicaciones comunes incluyen sistemas basados ​​en microcontroladores para monitoreo ambiental, computadoras personales para administración térmica de CPU y electrónica de consumo como teléfonos inteligentes. El DS18B20 es particularmente adecuado para proyectos de bricolaje que involucran monitoreo de bombas de calor debido a su precisión, cableado simple y capacidad para admitir una regulación eficiente del sistema y optimización del rendimiento, como cálculos del coeficiente de rendimiento (COP). En contextos médicos, sensores como el MAX30205 permiten termómetros portátiles y detección de fiebre.[69][70]

El desarrollo de sensores de temperatura IC comenzó en la década de 1970 con los primeros dispositivos analógicos de pioneros como Analog Devices (por ejemplo, AD590) y National Semiconductor, centrándose en salidas lineales basadas en banda prohibida.[57] En la década de 1990, la integración digital avanzó con los estándares I²C y 1-Wire, como se ve en el LM75. Las iteraciones modernas de la década de 2020 incorporan calibración en chip, resoluciones más altas (hasta 16 bits) y características como modos de bajo consumo para IoT, ejemplificados por la serie TMP11x de Texas Instruments con una precisión de ±0,1°C.[71]

Sensores de radiación infrarroja

Los sensores de radiación infrarroja miden la temperatura detectando la radiación térmica emitida por los objetos, lo que permite un funcionamiento sin contacto en una variedad de distancias. Estos sensores funcionan según el principio de que todos los objetos con una temperatura superior al cero absoluto emiten radiación infrarroja, cuya intensidad se correlaciona con la temperatura del objeto. La relación fundamental se describe mediante la ley de Stefan-Boltzmann, que establece que la potencia total radiada por unidad de superficie de un cuerpo negro está dada por P=σT4P = \sigma T^4P=σT4, donde σ=5,67×10−8\sigma = 5,67 \times 10^{-8}σ=5,67×10−8 W/m²K⁴ es el La constante de Stefan-Boltzmann y TTT es la temperatura absoluta en Kelvin.[72] Esta ley surge de la integración de la ley de Planck sobre la radiación del cuerpo negro en todas las longitudes de onda, lo que produce la dependencia T4T^4T4 para el poder emisivo hemisférico. Para materiales reales, que no son cuerpos negros perfectos, la ecuación se modifica a P=εσT4P = \varepsilon \sigma T^4P=εσT4, donde ε\varepsilonε (0 < ε\varepsilonε ≤ 1) es la emisividad, que representa la capacidad de la superficie para emitir radiación en relación con un cuerpo negro; Las superficies de baja emisividad, como los metales pulidos, requieren ajustes de calibración para evitar errores de medición.[72]

Los sensores infrarrojos se clasifican en detectores térmicos y detectores de fotones según su mecanismo de transducción. Los detectores térmicos absorben la radiación infrarroja en forma de calor, convirtiéndola en un cambio de temperatura o voltaje medible; los ejemplos incluyen bolómetros, que utilizan elementos resistivos cuya resistencia eléctrica varía con el calor absorbido, y detectores piroeléctricos, que generan un voltaje a partir de cambios de polarización inducidos por la temperatura en materiales ferroeléctricos. Los detectores de fotones, por el contrario, convierten directamente los fotones entrantes en pares electrón-hueco mediante el efecto fotoeléctrico, lo que ofrece una mayor sensibilidad; Los materiales comunes incluyen seleniuro de plomo (PbSe) para detección de infrarrojo medio y antimonuro de indio (InSb) para una respuesta espectral más amplia, que a menudo requiere enfriamiento criogénico para un rendimiento óptimo.[75] Los sensores infrarrojos basados ​​en termopilas, que utilizan conjuntos de termopares para amplificar el voltaje de los gradientes térmicos, se aplican ampliamente en dispositivos compactos para su funcionamiento y estabilidad a temperatura ambiente.[74]

La construcción de estos sensores generalmente implica ópticas para enfocar la radiación infrarroja en un chip detector, alojado en una carcasa protectora con filtros espectrales para aislar longitudes de onda relevantes (por ejemplo, 8 a 14 μm para temperaturas terrestres). Una lente, a menudo hecha de germanio o silicio para la transparencia infrarroja, recoge y dirige la radiación, mientras que el detector, como un conjunto de microbolómetros o un fotodiodo, está integrado en un sustrato de silicio para el procesamiento de la señal. Los rangos de funcionamiento suelen abarcar desde -50 °C hasta más de 1000 °C, según el tipo de detector y la óptica, y se pueden lograr precisiones de ±1 a 2 °C en condiciones controladas mediante la calibración de fábrica con respecto a referencias de cuerpo negro.[77]

Las ventajas clave de los sensores de radiación infrarroja incluyen su naturaleza sin contacto, lo que permite mediciones de objetos en movimiento, peligrosos o inaccesibles, y tiempos de respuesta rápidos (milisegundos para detectores de fotones), lo que permite un seguimiento en tiempo real.[78] Sin embargo, las desventajas surgen de las variaciones de emisividad, que pueden introducir errores de hasta el 20% si no se compensan, y de interferencias ambientales como el polvo, la humedad o los gradientes de temperatura ambiente que atenúan o dispersan la señal.[79]

Las aplicaciones abarcan la termografía de edificios para detectar defectos de aislamiento o fugas de energía mediante mapeo de temperatura de la superficie y detección de fiebre en entornos de salud pública, donde lectores de imágenes portátiles o fijos identifican temperaturas elevadas de la piel como indicadores de infección.[80] Los ejemplos específicos incluyen el circuito integrado MLX90614, un sensor basado en termopila con un rango de medición de -70°C a 380°C y una precisión de ±0,5°C cerca de la temperatura ambiente, utilizado en monitoreo médico e industrial.[81] Las cámaras térmicas FLIR, que emplean conjuntos de microbolómetros, admiten aplicaciones de termografía con resoluciones de hasta 640 × 480 píxeles y rangos de hasta 650 °C, lo que facilita el mantenimiento predictivo en los sistemas eléctricos.[82]

Históricamente, el primer termómetro infrarrojo práctico surgió en 1880 con el bolómetro de Samuel Langley, un detector térmico lo suficientemente sensible como para medir las variaciones de la radiación solar. Los avances modernos posteriores al año 2000 han integrado la tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS), lo que permite sensores miniaturizados y de bajo costo, como termopilas compatibles con CMOS para dispositivos electrónicos de consumo y dispositivos IoT.[84] A partir de 2025, otras innovaciones incluyen procesamiento mejorado con IA para análisis de datos en tiempo real y precisión mejorada en condiciones variables, integración inalámbrica para aplicaciones de la Industria 4.0 y diseños energéticamente eficientes para hogares inteligentes e IoT, junto con la adquisición de OPTRIS por parte de Hikvision en marzo de 2025 para ampliar las capacidades industriales de detección de infrarrojos.[85][86][87]

Fibra Óptica y Sensores Ópticos

Los sensores de temperatura de fibra óptica miden la temperatura detectando cambios en las propiedades ópticas de la luz que se propaga a través de fibras ópticas, como cambios de longitud de onda, cambios de fase o patrones de dispersión inducidos por efectos térmicos. Estos sensores son valorados por su inmunidad a interferencias electromagnéticas, resistencia a la corrosión y capacidad de detección remota o distribuida en entornos hostiles, incluidos entornos industriales de alta temperatura como hornos y motores aeroespaciales. A diferencia de los sensores tradicionales, permiten mediciones sin contacto o mínimamente invasivas en distancias de hasta varios kilómetros sin degradación de la señal.[88]

Los principales tipos de sensores de temperatura de fibra óptica se clasifican según sus principios operativos: interferométricos, basados ​​en rejillas, basados ​​en fluorescencia, basados ​​en radiación de cuerpo negro y sistemas de detección distribuidos. Los sensores interferométricos, como los interferómetros Fabry-Pérot (FPI), funcionan según el principio de interferencia óptica que surge de cambios inducidos por la temperatura en la longitud del camino óptico dentro de una cavidad formada por extremos de fibra o espacios de aire; Ofrecen alta sensibilidad, con resoluciones de hasta 0,1 °C y rangos de hasta 1600 °C en diseños basados ​​en zafiro, lo que los hace adecuados para mediciones puntuales precisas en monitoreo biomédico y estructural.[88][89] Los sensores basados ​​en rejillas, en particular las rejillas de fibra de Bragg (FBG), se basan en modulaciones periódicas del índice de refracción en el núcleo de la fibra que reflejan una banda estrecha de longitud de onda, cambiando con la temperatura debido a la expansión térmica y los efectos termoópticos; Los FBG de sílice funcionan hasta 1000 °C con sensibilidades de alrededor de 10 a 14 pm/°C, mientras que las variantes de zafiro se extienden hasta 1900 °C para condiciones extremas como el monitoreo de turbinas de gas.[88][90]

Los sensores basados ​​en fluorescencia aprovechan la dependencia de la temperatura de la vida útil o la intensidad de la fluorescencia de materiales dopados, como el Cr³⁺ en cristales de YAG, donde el tiempo de desintegración se acorta con el aumento de la temperatura; estos proporcionan mediciones absolutas inmunes a las fluctuaciones de la fuente, funcionan de -50 °C a 1800 °C con resoluciones de 0,5 a 1 °C y se utilizan comúnmente en registros de pozos petroleros y tratamientos de hipertermia.[88][91] Los sensores de radiación de cuerpo negro, aplicables por encima de 600°C, detectan la emisión térmica de una punta de fibra recubierta con materiales de alta emisividad como el iridio, siguiendo la ley de Planck para inferir la temperatura a partir de la radiación espectral; alcanzan rangos de 600-2300°C pero requieren calibración para temperaturas más bajas y se utilizan en metalurgia para monitorear el metal fundido.[88]