¿Sabías que un sistema HVAC en un entorno farmacéutico crítico puede tener entre 200 y 1000 sensores de humedad y temperatura? El uso de sensores de temperatura y humedad va más allá de las aplicaciones HVAC. Son vitales para el procesamiento de alimentos y bebidas, procesos en plantas de energía, centros de datos, salas de servidores, estaciones meteorológicas, centros de salud, dispositivos IoT y más. Sin embargo, su forma, tipos y capacidades de detección pueden variar.
Los sensores de humedad y temperatura pueden parecer instrumentos simples, pero varían según la aplicación. Considerando los aspectos técnicos, encontrar el sensor de temperatura y humedad ideal para tu sistema puede ayudar a ahorrar dinero y tiempo. Esta guía definitiva proporcionará información completa y detallada sobre los sensores de temperatura y humedad. ¡Vamos a ello!
Visión General y Principios de Funcionamiento de los Sensores de Temperatura y Humedad
Detectar la temperatura y la humedad del aire o del fluido que pasa a través de una tubería o conducto es vital para ajustar los requisitos de calefacción y refrigeración. Proporciona información valiosa sobre el proceso que conduce a una salida de mayor calidad. Aprender cómo funcionan los sensores de temperatura y humedad y su propósito puede ayudarnos a encontrar el adecuado para nuestra aplicación.
¿Qué son los Sensores de Temperatura y Humedad?
Los sensores de temperatura y humedad pueden detectar cambios ambientales alrededor de sus partes de detección para proporcionar retroalimentación al controlador para ajustes. Estos sensores solo pueden estar dentro de un motor, tubería o atmósfera de una habitación para monitorear y proporcionar información al usuario. Su última integración con la tecnología de hogares inteligentes ha aumentado aún más su importancia.
Las casas modernas tienen aplicaciones para teléfonos inteligentes acopladas con un termostato de hogar inteligente. Su propósito es controlar todos los dispositivos de calefacción y refrigeración del hogar. Tu casa podría tener dispositivos de control de temperatura para el suelo, agua de la piscina, agua doméstica, aire interior y muchos otros, como bombas de calor y acondicionadores de aire. Todos ellos tendrán sensores de temperatura que informan las condiciones de temperatura al termostato y ajustan la salida del dispositivo de control para proporcionar un ambiente cómodo de agua, suelo y aire.
En aplicaciones industriales, estos sensores de temperatura y humedad detectan el aire o las condiciones del proceso y las convierten en señales eléctricas. Los controladores detectan estas señales eléctricas, las convierten en datos valiosos y controlan el proceso para mejorar la productividad. Incluso el dispositivo que usas para leer el artículo tiene sensores de temperatura para protección contra sobrecalentamiento.
Principio de Funcionamiento de los Sensores de Temperatura
La tecnología para detectar la temperatura ha cambiado desde 1592. Detectar la contracción en una masa de aire fija al pasar de un ambiente cálido a uno frío representaba el cambio de temperatura. Los sensores de temperatura se han vuelto altamente sofisticados y versátiles con la electricidad y la electrónica moderna. Aquí hay tres tipos de sensores de temperatura:
● Termopares
Como su nombre indica, utiliza dos metales disímiles acoplados en la unión caliente. El otro extremo de los metales se conecta a la unión fría. Cuando la unión caliente se expone a cambios de temperatura, genera un voltaje que se puede detectar usando cables conductores. Los cambios en el voltaje son proporcionales a los cambios de temperatura de la unión caliente. Detectar el voltaje proporciona cambios de temperatura.
Los termopares tienen varias especificaciones que son relevantes para aplicaciones específicas y requisitos de presupuesto. Pueden variar según la temperatura, resistencia a la vibración, durabilidad y resistencia química. ANSI MC96.1 divide los termopares en varios tipos: J, K, T, E, R, S y B.
Los termopares son sensores de temperatura populares debido a su mayor rango de operación de temperatura, durabilidad y asequibilidad.
● Detectores de Temperatura de Resistencia (RTD)
El RTD funciona midiendo la resistencia de un cable expuesto a condiciones cambiantes de temperatura. Es una ciencia bien establecida que cambiar la temperatura del cable cambia su resistencia. A medida que cambia la temperatura, el controlador calibrado detecta el cambio en la resistencia para proporcionar un valor de temperatura.
Los RTD vienen en tres configuraciones: 2, 3 y 4 hilos. Aumentar el número de hilos o el grosor del cable puede llevar a una mejor precisión, ya que la resistencia del cable conductor puede obstaculizar los resultados de los RTD. El cable de resistencia puede estar hecho de diferentes materiales, lo que resulta en varios rangos de temperatura y precisión.
● Sensores de Temperatura de Semiconductores
Otro tipo popular de sensor de temperatura es el sensor de semiconductores. Estos sensores vienen en circuitos integrados y también se llaman sensores de temperatura IC. Cuando la temperatura de los dos diodos cambia con el entorno, se crea un cambio de voltaje. Un circuito detecta la salida y luego la convierte en una señal de dispositivo digital.
Estos sensores son los más asequibles y los más adoptados por la industria electrónica. Computadoras, teléfonos inteligentes, centros de datos y todo otro hardware electrónico utilizan estos sensores para detectar cambios de temperatura. Sin embargo, no son ideales para aplicaciones de alta temperatura o de muy baja temperatura. Su precisión se reduce drásticamente con la temperatura.
Principio de Funcionamiento de los Sensores de Humedad
Los sensores de humedad son ampliamente utilizados en las industrias HVAC, alimentaria y médica. La humedad puede afectar directamente el confort humano y, en el caso de motores industriales, causar daños a los conductores eléctricos. Detectar y mantener la humedad es vital para las condiciones de proceso y ambientales. Principalmente hay tres tipos de sensores:
● Sensor de Humedad Capacitivo
Estos sensores pueden detectar humedad en el rango de 0% a 100% (HR) utilizando el simple mecanismo de medir la capacitancia. Un material dieléctrico separa dos materiales conductores. Cuando el material dieléctrico se expone a la humedad o a las moléculas de agua, su capacitancia cambia. La capacitancia es directamente proporcional a la humedad relativa (%HR)
El sensor detecta la humedad relativa cambiando el valor de la capacitancia y se utiliza ampliamente en sistemas de monitoreo ambiental y HVAC.
Estos sensores de humedad capacitiva tienen el tiempo de respuesta más rápido, menos de un segundo. Pueden proporcionar una precisión de ±2% HR.
● Sensor de Humedad Resistivo
Estos son los tipos más asequibles de sensores de humedad. Utilizan un material higroscópico, como la sal, que absorbe la humedad atmosférica. El material higroscópico se encuentra entre los dos conductores o electrodos. Cuando el material higroscópico absorbe humedad, su resistencia aumenta, lo que el circuito detecta para representar la humedad en el aire. Una curva de calibración (resistencia vs. %HR) proporciona el valor de humedad relativa contra la resistencia.
● Sensor de Humedad Termodinámico
Es uno de los tipos más caros de sensores de humedad, con un tiempo de respuesta lento pero alta precisión. Utilizan una superficie de espejo que se enfría con control de temperatura. A medida que la temperatura comienza a disminuir, comienzan a formarse gotas en el espejo. El sensor detecta este momento y registra la temperatura del punto de rocío, que puede traducirse en %HR.
Categorías de Sensores de Temperatura y Humedad
Considerando los diferentes tipos de sensores de temperatura y humedad, podemos dividirlos en cinco categorías principales:
- Sensor de Temperatura y Humedad Autónomo: Estos sensores no requieren sistemas de control. Las baterías pueden alimentarlos y contienen una pantalla o análogo con un puntero para indicar la temperatura y humedad.
- Sensor de Temperatura Infrarrojo: Los sensores de temperatura infrarrojos son ideales para aplicaciones donde el sensor no puede contactar directamente con el sólido o fluido. Por lo general, son portátiles y lanzan luz infrarroja sobre una superficie, que rebota en el detector de la máquina portátil. La parte del detector también se llama termopila. El IR se convierte en calor y luego en una señal eléctrica.
- Sensor de Temperatura y Humedad Inalámbrico: Esta categoría está ampliamente disponible para aplicaciones de hogares inteligentes. Una unidad de control central recopila datos de todos los sensores de temperatura y humedad inalámbricos y los envía a la aplicación del usuario. El usuario puede cambiar configuraciones como HVAC, calefacción de espacios y aplicaciones de calefacción de agua según sea necesario.
- Sensor de Temperatura y Humedad Analógico: Estos sensores son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales y HVAC. Miden cambios de temperatura y humedad con alta precisión para asegurar que el proceso o producción permanezca sin afectar por estos factores. Requieren un controlador y cableado para operar.
- Sensor de Temperatura y Humedad Digital: Estos son generalmente sensores IC o de semiconductores que generan salida en 0 y 1. Son ideales para monitorear la temperatura de chipsets de silicio u otro hardware electrónico para señales de retroalimentación y apagado de protección. Tienen un rango de detección de temperatura bajo, y su precisión solo es ideal para aplicaciones electrónicas.
Aplicaciones de los Sensores de Temperatura y Humedad
Aplicaciones en Sistemas HVAC
La calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) requieren múltiples sensores de temperatura y humedad para hacer que el ambiente sea adecuado para humanos, productos o procesos. Estos sensores toman valores en tiempo real para juzgar las condiciones y ajustar la salida del sistema HVAC en consecuencia.
Para mejorar el rendimiento de tu sistema HVAC, considera la gama de productos integral de Alsavos. Su línea de productos incluye termostatos, sensores de temperatura, sensores de humedad, actuadores térmicos, válvulas de radiador termostáticas y otros accesorios. Estos productos son adecuados para aplicaciones residenciales, comerciales e industriales, proporcionando soluciones para optimizar el rendimiento del sistema HVAC, mejorar la eficiencia energética y mejorar el confort y el control.
Según el Manual de Cumplimiento de OSHA para la Industria General, el rango de temperatura ideal, también conocido como la "zona de confort", se encuentra entre 22 °C y 27 °C y una humedad relativa del 40% al 60%. Los sistemas HVAC ajustan el ambiente a través de la retroalimentación de los sensores de temperatura y humedad.
Aplicaciones en Entornos Industriales
El uso de sensores de temperatura y humedad es inevitable en aplicaciones industriales como medicina, almacenes, logística, etc. En el almacén, la temperatura y la humedad se monitorean y ajustan constantemente para mantener la calidad del material almacenado y prevenir daños. Del mismo modo, la calidad del producto y las reacciones químicas pueden cambiar drásticamente en medicina bajo diferentes rangos de temperatura y humedad. Los sensores de temperatura y humedad pueden usarse a escala industrial.
Aplicaciones en Dispositivos IoT
Los dispositivos IoT con transmisión de datos inalámbrica para monitoreo y control del usuario son ideales si tienes un sistema de refrigeración/calefacción de suelos, agua o aire. Utilizan internet y WiFi para comunicarse y permiten a los usuarios ajustar las condiciones de temperatura y humedad. Juegan un papel vital en los hogares inteligentes. Sin embargo, su implementación reciente en la agricultura y equipos médicos ha crecido rápidamente debido a su naturaleza inalámbrica. No hay cables, lo que reduce drásticamente el costo de instalación de tales sistemas. Termostatos, temperatura y sensores de humedad mantienen la temperatura y humedad objetivo.
Cómo Elegir el Sensor de Temperatura y Humedad Adecuado
Debido a la gran cantidad de opciones de sensores de temperatura y humedad, encontrar el adecuado para tu aplicación puede ser un desafío. Aquí están los aspectos simples a buscar en los sensores para tomar una decisión informada.
Aplicabilidad
Evalúa tus requisitos según la aplicación. Los dispositivos IoT son adecuados para todas las aplicaciones donde se involucra el confort humano. Sin embargo, el uso de detectores con alta precisión, durabilidad, resistencia química y resistencia a la vibración son esenciales en aplicaciones industriales. Aquí hay una tabla que menciona los sensores de temperatura y humedad adecuados para varias aplicaciones:
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Aplicación |
Tipo de Sensor de Temperatura |
Tipo de Sensor de Humedad |
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Sistemas HVAC |
Termopares, RTD, Sensores de Semiconductores |
Capacitivo, Resistivo, Termodinámico |
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Entornos Industriales (por ejemplo, procesamiento de alimentos, farmacéuticos) |
Termopares, RTD, Sensores de Semiconductores |
Capacitivo, Resistivo, Termodinámico |
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Centros de Datos, Salas de Servidores |
Sensores de Semiconductores |
Capacitivo |
|
Estaciones Meteorológicas |
Termopares, RTD |
Capacitivo, Resistivo |
|
Centros de Salud |
Sensores de Semiconductores |
Capacitivo, Resistivo |
Precisión y Resolución
Controlar la temperatura y la humedad es crítico para lograr los resultados deseados en aplicaciones industriales y científicas. La precisión y resolución pueden variar dependiendo del tipo de sensor. Aquí hay una tabla que representa la precisión y resolución de diferentes tipos de sensores de humedad y temperatura. Considera estos factores según tus requisitos.
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Tipo |
Precisión |
Resolución |
|
Termopar |
±0.1°C a ±1°C |
0.01°C a 0.1°C |
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Detector de Temperatura de Resistencia (RTD) |
±0.1°C a ±0.5°C |
0.01°C a 0.1°C |
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Sensor de Temperatura de Semiconductores |
±0.5°C a ±1°C |
0.1°C |
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Sensor de Humedad Capacitivo |
±1% HR a ±3% HR |
0.1% HR a 0.5% HR |
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Sensor de Humedad Resistivo |
±2% HR a ±5% HR |
0.1% HR a 1% HR |
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Sensor de Humedad Termodinámico |
±0.5% HR |
0.1% HR |
Tiempo de Respuesta
El tiempo de respuesta es el tiempo que el sensor requiere para alcanzar un valor estable en línea con el ambiente. El tiempo de respuesta en aplicaciones domésticas no necesita ser alto. Mientras tanto, un sensor de alta respuesta es crítico en aplicaciones industriales para permitir que el sistema ajuste los parámetros lo más rápido posible. Aquí están los tiempos de respuesta generales de los sensores:
- Termopar: Rápido (segundos a minutos)
- Detector de Temperatura de Resistencia (RTD): Rápido (segundos a minutos)
- Sensor de Temperatura de Semiconductores: Muy rápido (milisegundos)
- Sensor de Humedad Capacitivo: Rápido (segundos)
- Sensor de Humedad Resistivo: Lento (minutos)
- Sensor de Humedad Termodinámico: Lento (minutos)
Durabilidad y Adecuación Ambiental
El equipo debe ser duradero en un ambiente altamente corrosivo, químico, húmedo, de temperatura, vibración y polvoriento. Un usuario que considere comprar un sensor de temperatura y humedad debe tener una visión profunda de los siguientes factores antes de realizar la compra:
- Compatibilidad Química
- Resistencia a la Corrosión
- Rango de Tolerancia de Temperatura
- Resistencia a la Vibración
- Resistencia al Polvo
- Calificación IP
- Tolerancia a la Humedad
- Uso al Aire Libre
Desarrollos Futuros y Tendencias Tecnológicas
Avances en la Tecnología de Sensores
El mundo está avanzando en todos los campos, y debido a la masiva industrialización, la innovación en la tecnología de sensores es inevitable. En el futuro, los sensores tendrán mayor precisión, resolución y un tiempo de respuesta ultrabajo. La tecnología de materiales permitirá que los sensores operen en condiciones extremas sin daños. WiFi y 4G se implementan actualmente en dispositivos IoT para hogares inteligentes. Su madurez y la esperada integración de 5G pronto harán que su informe sea ultrarrápido.
Sostenibilidad y Eficiencia Energética
Los sistemas HVAC fueron los mayores contribuyentes a los gases de efecto invernadero, pero los científicos encontraron de inmediato el problema de reemplazar los refrigerantes con gases amigables con el ozono. De manera similar, la tecnología avanzada de inversores y sensores precisos mejoran el control de temperatura y la eficiencia. Los sistemas HVAC modernos consumen menos energía y brindan más confort. La industria de procesamiento de alimentos, las plantas de energía y las estaciones meteorológicas se están volviendo más eficientes en la detección, lo que lleva a una mejor eficiencia y producción del proceso.
Preguntas Frecuentes
- ¿Qué tan precisos son los sensores de temperatura y humedad en condiciones extremas?
Un sensor tipo termopar puede proporcionar una precisión de ±0.5°C a ±1°C (para temperaturas entre -200°C y 1300°C). Sin embargo, tiene un tiempo de respuesta lento. En comparación, los RTD pueden proporcionar una precisión de ±1°C a ±2°C (para temperaturas entre -200°C y 850°C). Siempre puede haber excepciones a estos rangos, pero son sensores especializados que generalmente tienen precios premium.
- ¿Puede un solo sensor monitorear tanto la temperatura como la humedad?
Sí, los sensores para uso industrial y doméstico pueden detectar temperatura y humedad juntos. Para uso industrial, el propósito es proporcionar puertos adicionales que ahorran espacio en tuberías de proceso o conductos, mientras que en aplicaciones domésticas, ahorra en costos y molestias de instalación. Su precisión y rango pueden no ser tan robustos como los de sensores dedicados industriales.
- ¿Con qué frecuencia necesitan calibración los sensores de temperatura y humedad?
En aplicaciones industriales, estos sensores se calibran utilizando planes de mantenimiento preventivo, que generalmente se establecen con una frecuencia anual. Las características del material del sensor y del cableado pueden cambiar con el tiempo, afectando la curva de calibración. El controlador debe ajustarse al cambio para una lectura precisa al menos una vez al año.
- ¿Cuál es la diferencia entre sensores de temperatura analógicos y digitales?
Los sensores analógicos detectan el cambio de temperatura y proporcionan una salida analógica, mientras que los sensores de temperatura digitales proporcionan una salida digital. Sin embargo, la producción de un sensor analógico puede ser un cambio de voltaje o resistencia a través del sensor. De manera similar, los sensores digitales proporcionan salida en 0s y 1s que es detectable por circuitos digitales.
- ¿Cómo ayudan los sensores de temperatura y humedad a optimizar la eficiencia del HVAC?
Los sistemas HVAC necesitan retroalimentación sobre la temperatura y la humedad de las condiciones reales para ajustar sus configuraciones. Los sistemas HVAC modernos vienen con compresores basados en inversores que pueden cambiar su velocidad para ajustar los requisitos de enfriamiento generados por los sensores de temperatura y humedad. Esto lleva a fluctuaciones de temperatura más bajas con un menor consumo de energía durante la operación.