Sensores práticos: as várias maneiras de medir o calor eletronicamente

Medir a temperatura acaba por ser uma função fundamental para um grande número de dispositivos. O termostato programável e os relógios digitais do seu forno são exemplos óbvios. Se você só precisa saber se uma determinada temperatura foi excedida, pode usar uma bobina bimetálica e um microinterruptor (ou um interruptor de mercúrio, como era o método dos termostatos antigos). Mas hoje em dia queremos precisão em várias leituras, por isso existem termopares que geram uma pequena tensão, RTDs que alteram a resistência com a temperatura, termistores que também alteram a resistência com a temperatura, sensores infravermelhos e sensores de fio vibratório. A tensão de bandgap de uma junção semicondutora varia com a temperatura e isso também é previsível e mensurável. Provavelmente também existem outros métodos, alguns dos quais provavelmente bastante criativos.

A questão é que existem várias maneiras de medir qualquer coisa, mas em todos os casos, você está convertendo o que deseja saber (temperatura) em algo que sabe como medir, como tensão, corrente ou posição física. Vamos dar uma olhada em como alguns dos sensores de temperatura mais interessantes fazem isso.

Os termopares tiram proveito de algo chamado efeito Seebeck. Quando dois metais diferentes formam uma junção e experimentam um gradiente de temperatura, forma-se um potencial elétrico. A chave é que é um gradiente de temperatura que faz o dispositivo funcionar. Os termopares têm uma junção quente e uma junção fria. Se você deseja medir a temperatura, precisa de uma junção de referência. Como um aparte, o efeito funciona ao contrário - o efeito Peltier - onde a passagem da corrente através de um par de junções torna um lado quente e o outro frio.

Antigamente, você mergulhava a junção fria em um balde de gelo. Hoje, é mais provável que você use outro método para obter a temperatura da junção fria e depois compensar. Existem chips que farão isso por você, é claro.

A desvantagem é que a leitura da temperatura não é linear. Você verá diferentes tipos de termopares e cada tipo usa dois materiais de fio diferentes. O tipo informa qual curva de calibração usar e, é claro, você seleciona o metal para a aplicação de que precisa. Por exemplo, um tipo J usa ferro como um dos dois fios e um tipo T usa cobre.

A única outra grande consideração é como você passa os fios até o termopar. Como o dispositivo opera em uma junção entre dois tipos diferentes de fios, você deve ter cuidado ao conectar outros fios ao dispositivo. Quer saber mais? [Bil Herd] mergulhou fundo em como construir um amplificador de termopar.

Os termopares que medem o infravermelho à distância são conhecidos como termopilhas. Estes são comuns em termômetros sem contato e sensores infravermelhos passivos (PIR). Um sensor PIR detecta a diferença de temperatura entre dois sensores e infere que algo mudou no campo de visão.

Existem vários tipos diferentes de materiais que podem apresentar mudanças de temperatura com resistência. O maior fator é se o dispositivo tem um coeficiente de temperatura positivo ou negativo. Em outras palavras, a resistência aumenta ou diminui em resposta a uma mudança de temperatura?

Os termistores são ligeiramente diferentes em construção dos detectores de temperatura de resistência, ou RTDs. Normalmente, os termistores têm menos problemas de histerese e autoaquecimento do que os RTDs à base de metal (geralmente de platina). No entanto, em ambos os casos, você terá que medir a resistência e ajustá-la a uma curva para obter a temperatura real.

A leitura de termistores é uma operação muito comum e existem muitos truques que as pessoas desenvolveram ao longo dos anos. Você também pode gastar processamento matemático para obter melhores ajustes de curva ou fazer cálculos simples e obter menos precisão.

A tensão de bandgap do material semicondutor varia previsivelmente com a temperatura. Se você se aprofundar no projeto de estado sólido, verá o termo T na equação do diodo e todas as suas manifestações. Não é surpresa, portanto, que muitos CIs usem essa propriedade para detectar a temperatura.