¿Cómo funciona el sensor de temperatura y humedad?

¿Sabías que la capacidad de tu cuerpo para enfriarse del ambiente depende de la temperatura y la humedad? Ya sea para humanos, plantas o alimentos, usar un sensor de temperatura y humedad ambiental es esencial para mantener el confort. La temperatura y la humedad controlan las condiciones interiores y son cruciales para detectar las condiciones climáticas. De igual manera, la industria agrícola las utiliza para detectar el crecimiento de hongos o enfermedades en las plantas.

La relación entre la temperatura y la humedad nos ayuda a comprender el funcionamiento interno del sensor. Dependiendo del tipo de sensor elegido, existen diversas maneras de medir las condiciones ambientales. En este blog, descubriremos cómo funcionan estos sensores y sus aplicaciones en diversas aplicaciones domésticas o comerciales. Además, explicaremos su salida y su proceso de calibración.

Relación entre temperatura y humedad

La temperatura y la humedad están directamente relacionadas con la habitabilidad de humanos y plantas. Sin embargo, son cruciales para controlar los parámetros de proceso en aplicaciones industriales. Analicemos la ciencia que sustenta la temperatura y la humedad, ya que es esencial comprender el funcionamiento de los sensores:

◀ Temperatura: ¿caliente o fría?

La temperatura es una evaluación cuantitativa del grado de calor o frío del ambiente. A nivel atómico, representa la energía cinética promedio de los átomos al vibrar y colisionar entre sí. Los sensores de temperatura se utilizan a diario para cocinar, la refrigeración, el aire acondicionado y la detección del clima.

◀ Temperatura y calor

La transferencia de calor siempre ocurre de un objeto caliente a uno frío. Los átomos de movimiento rápido en un objeto caliente colisionan con los de movimiento lento en un objeto frío, lo que provoca la transferencia de calor. La temperatura es crucial para comprender los modos de transferencia de calor, como la conducción, la convección y la radiación.

◀ Escalas de temperatura

La medición cuantitativa de la temperatura depende de la escala que elijamos. Existen principalmente tres escalas para medir la temperatura:

● Celsius (°C)

● Fahrenheit (°F)

● Kelvin (K)

◀ Humedad: Agua en el aire

¿Alguna vez has tomado un baño de vapor? ¿O sentiste como si estuvieras tomando uno en medio de una densa niebla? En cualquier caso, la humedad ambiental alcanza entre el 95 % y el 100 %. Por definición, la humedad es la cantidad de vapor de agua presente en el aire. El aumento de la humedad del aire o la formación de una densa niebla pueden deberse a cambios repentinos de temperatura.

◀ Tipos de humedad

La medición de la humedad depende del tipo. Hay dos métodos principales para medir la humedad, y cada uno tiene sus propias aplicaciones.

Humedad absoluta: La masa de agua en un volumen específico de aire. Su unidad de medida es g/ ^m³ .

● Humedad relativa: La humedad relativa es la cantidad máxima de vapor de agua que el aire puede contener a una temperatura específica. Es la unidad estándar para medir la humedad y se expresa en porcentaje (HR%).

◀ Percepción de la temperatura en función de la humedad

Los humanos, los animales y las plantas perciben la humedad y la temperatura de diferentes maneras. Los humanos dependen del proceso de transpiración para mantener sus cuerpos frescos. Los animales utilizan otros métodos para refrescarse, como el acondicionamiento físico y la presencia de pelaje. Las plantas utilizan la transpiración para mantenerse frescas. Sin embargo, el proceso de transpiración y transpiración se ve directamente afectado por el nivel de humedad del aire. Si la humedad es del 100%, el intercambio de calor se detiene.

Para incorporar este efecto, hemos ideado una escala llamada índice de humedad. Se trata de un umbral determinado por científicos a partir del cual comienza a producirse estrés térmico. Es la razón principal por la que los sensores de temperatura y humedad siempre están presentes juntos en los sistemas de aire acondicionado.

Función de los sensores de temperatura y humedad

Los sensores de temperatura y humedad, en conjunto, detectan, miden e informan sobre la humedad y el grado de calor o frío. Existen diversos tipos de sensores de temperatura y humedad, y su uso depende principalmente de la aplicación.

▍ Diferentes tipos de sensores de temperatura

● Termistores NTC

NTC significa Coeficiente de Temperatura Negativo. A medida que la temperatura aumenta, la resistencia a través del termistor disminuye. Debido a su comportamiento no proporcional, la precisión del NTC era difícil de controlar. Sin embargo, los circuitos digitales modernos solucionaron este problema y ahora el NTC ofrece un mejor coeficiente de sensibilidad a la temperatura, aproximadamente diez veces superior al de los RTD más comunes. El rango de medición de los termistores NTC se encuentra entre -55 °C y +200 °C.

● Detectores de temperatura de resistencia (RTD)

Un RTD es un sensor de temperatura que utiliza resistencia para medir la temperatura. La resistencia de los RTD es directamente proporcional a la temperatura ambiente. Consiste en un alambre delgado enrollado alrededor de un núcleo de vidrio o cerámica. Dependiendo de la precisión de los detectores, el RTD puede tener tres o cuatro alambres de platino enrollados alrededor de un núcleo. Medimos continuamente la resistencia a través de este alambre, que aumenta con la temperatura. Los RTD pueden responder a los cambios de temperatura en un plazo de 0,5 a 5 segundos, lo que los hace ideales para aplicaciones a gran escala. El rango de medición de los RTD oscila entre -200 y 600 °C.

● Termopares

Los sensores de termopar utilizan el efecto Seebeck para medir la temperatura. Dos metales diferentes se unen en un extremo, que se calienta. El otro extremo de los metales se conecta a una unión fría que se mantiene a una temperatura de referencia. Un voltímetro mide la variación de voltaje entre los dos cables, lo que representa la temperatura. Existen muchos tipos de termopares, como los de tipo K, J, N, R, S, B, T y E. Cada uno tiene un rango de tolerancia específico y una codificación de colores. Algunos tipos pueden medir de 0 a 1600 °C.

● Sensores basados ​​en semiconductores

Los sensores de temperatura que utilizan semiconductores se basan en la unión PN. Cuando un circuito aplica polarización directa a la unión PN, el sensor semiconductor actúa en su núcleo. Provoca un flujo de corriente directamente proporcional a la temperatura, lo que los convierte en ideales para la electrónica. Su rango de temperatura suele estar entre –55 °C y +150 °C.

▍ Diferentes tipos de sensores de humedad

● Sensores de humedad capacitivos

La capacitancia es la propiedad de un material de almacenar corriente eléctrica. Sin embargo, esta capacidad puede variar según el contenido de humedad del aire. Los materiales que cambian su capacitancia con la humedad se denominan dieléctricos higroscópicos. Un sensor de humedad capacitivo utiliza una configuración similar a una galleta. El dieléctrico se encuentra entre dos electrodos. Uno de ellos es poroso para permitir el paso de la humedad. La diferencia de voltaje a través del elemento y la carga almacenada en el dieléctrico representan su capacitancia. Puede proporcionar la HR en porcentaje.

● Sensores de humedad resistivos

Se coloca un material higroscópico, como la sal, entre dos electrodos para formar un sensor de humedad resistivo. A medida que aumenta la humedad, la resistencia del circuito cambia, lo que proporciona directamente la humedad relativa del aire.

● Sensores de humedad térmica

La humedad absoluta, la presencia total de agua en el aire independientemente de la temperatura, se calcula mediante sensores de humedad térmica. Dos sensores de temperatura forman un sensor de humedad térmica. Un sensor de temperatura está expuesto directamente a la humedad, mientras que el otro se mantiene seco. La comparación de la conductividad térmica de los sensores secos y húmedos proporciona la humedad absoluta.

¿Cómo funcionan los sensores de temperatura y humedad ?

La salida de todos los sensores es voltaje, corriente o capacitancia. Estos valores son solo números hasta que se procesan, filtran y amplifican hasta que la calidad de la señal es adecuada para la adquisición de datos. Para comprenderlo, podemos dividir el funcionamiento de los sensores de temperatura y humedad en cinco pasos:

1. Calibración

La calibración y la estandarización van de la mano. Cada sensor puede ofrecer un resultado único según el proceso de fabricación y las características del material. Es fundamental garantizar la precisión de las lecturas del sensor. Un instrumento o dispositivo de alta precisión es un referente para todos los sensores de temperatura y humedad en producción. El dispositivo es trazable según especificaciones nacionales o internacionales para garantizar la precisión y la consistencia.

2. Acondicionamiento de señales

Aquí se aplican técnicas de filtración, amplificación o cualquier otra técnica de procesamiento de señales para garantizar la precisión del resultado de salida.

3. Conversión de analógico a digital

La salida de un sensor de humedad o temperatura es corriente, voltaje o capacitancia. Es esencial convertirla en una señal digital, que posteriormente puede ingresarse en el sistema de procesamiento. Los convertidores analógico-digitales (ADC) a veces están integrados en el sensor o dentro del dispositivo de procesamiento de datos.

4. Tratamiento de datos

Un microprocesador o dispositivo computacional convierte los datos en valores de temperatura y humedad perceptibles.

5. Conversión de unidades

Finalmente, el sistema convierte los valores a las unidades deseadas por el usuario, como Fahrenheit, Celsius, Kelvin, humedad relativa (%), o humedad absoluta (g/m3 ^).).

Industrias que utilizan sensores de temperatura y humedad

♦ Aplicaciones de sensores de temperatura y humedad

● Agricultura (monitoreo de cultivos, riego)

● Atención médica (comodidad del paciente, almacenamiento de medicamentos)

● Sistemas HVAC (eficiencia energética, confort)

● Meteorología (previsión meteorológica)

● Industria alimentaria (control de calidad, almacenamiento)

♦ Tipos de sensores según la aplicación

➔ Sensor de humedad de las hojas

Los sensores capacitivos de humedad son esenciales para la industria agrícola, ya que proporcionan datos cruciales para optimizar la gestión de los cultivos y prevenir brotes de enfermedades. El sensor tiene forma de hoja. La constante dieléctrica cambia a medida que la humedad o el agua se acumulan en la superficie de la hoja. El cambio en la capacidad dieléctrica se convierte directamente en valores de humedad que pueden ayudar en la prevención de enfermedades, la gestión del riego, la predicción de heladas y la selección del momento de pulverización.

➔ Sensor de temperatura y humedad atmosférica

Estos sensores se dirigen principalmente a la industria meteorológica, pero a veces pueden utilizarse en otras industrias manufactureras. Consisten principalmente en un material protector con clasificación de protección de entrada (IP). La carcasa protectora puede albergar múltiples sensores, como los de temperatura, humedad y presión. El rango de detección de temperatura oscila entre -40 °C y 60 °C. La humedad relativa se encuentra entre 0 % y 100 % y la presión, entre 10 y 110 kPa. Son útiles para la detección y predicción meteorológica.

➔ Sensor de temperatura y humedad HVAC

En los sistemas de aire acondicionado, los sensores de temperatura y humedad desempeñan un papel fundamental para mantener la habitabilidad de los residentes. Las personas se sienten cómodas con una temperatura de entre 22 °C y 27 °C y una humedad relativa del 40 % al 60 %. Los sensores de temperatura y humedad de los sistemas de climatización (HVAC) garantizan que el sistema de ventilación se ajuste a la demanda de refrigeración y calefacción o aumente el contenido de humedad según su detección.

Conclusión

La invención de las computadoras y los microprocesadores ha impulsado un cambio global significativo. Los sensores modernos de temperatura y humedad utilizan tecnología digital para mejorar su capacidad de detección y proporcionar resultados precisos. Desde la agricultura y la sanidad hasta los procesos industriales y la monitorización ambiental, estos sensores desempeñan un papel fundamental para garantizar condiciones óptimas y proteger la salud humana. A medida que la tecnología avanza, prevemos cambios que seguirán mejorando.