Termómetro de resistencia

Los termómetros de resistencia, también llamados detectores de temperatura de resistencia (RTD), son sensores que se utilizan para medir la temperatura. Muchos elementos RTD consisten en un trozo de alambre fino enrollado alrededor de un núcleo de cerámica o vidrio resistente al calor, pero también se utilizan otras construcciones. El cable RTD es un material puro, normalmente platino (Pt), níquel (Ni) o cobre (Cu). El material tiene una relación precisa de resistencia/temperatura que se utiliza para proporcionar una indicación de la temperatura. Como los elementos RTD son frágiles, suelen estar alojados en sondas protectoras.

Los RTD, que tienen mayor precisión y repetibilidad, están reemplazando lentamente a los termopares en aplicaciones industriales por debajo de 600 °C.

Relación resistencia/temperatura de los metales

Los elementos sensores RTD comunes para aplicaciones biomédicas construidos con platino (Pt), níquel (Ni) o cobre (Cu) tienen una relación repetible de resistencia versus temperatura (R vs T) y el rango de temperatura de funcionamiento. La relación R vs T se define como la cantidad de cambio de resistencia del sensor por grado de cambio de temperatura. El cambio relativo en la resistencia (coeficiente de temperatura de resistencia) varía sólo ligeramente en el rango útil del sensor.

El platino fue propuesto por Sir William Siemens como elemento para un detector de temperatura de resistencia en la conferencia Bakerian de 1871: es un metal noble y tiene la relación resistencia-temperatura más estable en el rango de temperatura más amplio. Los elementos de níquel tienen un rango de temperatura limitado porque el coeficiente de temperatura de resistencia cambia a temperaturas superiores a 300 °C (572 °F). El cobre tiene una relación resistencia-temperatura muy lineal; sin embargo, el cobre se oxida a temperaturas moderadas y no se puede utilizar a más de 150 °C (302 °F).

La característica significativa de los metales utilizados como elementos resistivos es la aproximación lineal de la relación resistencia versus temperatura entre 0 y 100 °C. Este coeficiente de temperatura de resistencia se denota por α y generalmente se expresa en unidades de Ω/(Ω·°C):

α α =R100− − R0100∘ ∘ C⋅ ⋅ R0,{displaystyle alpha ={frac {R_{100}-R_{0}{100}{circ }{text{C}cdot} R_{0}}}

dónde

R0{displaystyle R_{0} es la resistencia del sensor a 0 °C,

R100{displaystyle R_{100} es la resistencia del sensor a 100 °C.

El platino puro tiene α = 0,003925 Ω/(Ω·°C) en el rango de 0 a 100 °C y se utiliza en la construcción de RTD de laboratorio. Por el contrario, dos normas ampliamente reconocidas para RTD industriales, IEC 60751 y ASTM E-1137, especifican α = 0,00385 Ω/(Ω·°C). Antes de que estos estándares fueran ampliamente adoptados, se utilizaban varios valores α diferentes. Todavía es posible encontrar sondas más antiguas fabricadas con platino que tengan α = 0,003916 Ω/(Ω·°C) y 0,003902 Ω/(Ω·°C).

Estos diferentes valores α para el platino se logran mediante dopaje: introduciendo cuidadosamente impurezas, que quedan incrustadas en la estructura reticular del platino y dan como resultado una R frente a una T curva y por tanto valor α.

Calibración

Para caracterizar la relación R frente a T de cualquier RTD en un rango de temperatura que represente el rango de uso planificado, la calibración debe realizarse a temperaturas distintas de 0 °C. y 100 °C. Esto es necesario para cumplir con los requisitos de calibración. Aunque se considera que los RTD tienen un funcionamiento lineal, se debe demostrar que son precisos con respecto a las temperaturas con las que realmente se utilizarán (ver detalles en la opción de calibración de comparación). Dos métodos de calibración comunes son el método de punto fijo y el método de comparación.

Calibración de punto fijo

es utilizado para las calibraciones de mayor precisión por los laboratorios nacionales de metrología. Utiliza el triple punto, punto de congelación o punto de fusión de sustancias puras como agua, zinc, estaño y argón para generar una temperatura conocida y repetible. Estas células permiten al usuario reproducir las condiciones reales de la escala de temperatura ITS-90. Las calibraciones de punto fijo proporcionan calibraciones extremadamente precisas (dentro de ±0,001 °C). Un método común de calibración de punto fijo para las sondas de grado industrial es el baño de hielo. El equipo es barato, fácil de usar, y puede acomodar varios sensores a la vez. El punto de hielo es designado como estándar secundario porque su precisión es de ±0.005 °C (±0.009 °F), en comparación con ±0.001 °C (±0.0018 °F) para los puntos fijos primarios.

Calibraciones de comparación

comúnmente se utiliza con termómetros de resistencia de platino estándar secundario y RTDs industriales. Los termómetros calibrados se comparan con los termómetros calibrados por medio de un baño cuya temperatura es uniformemente estable. A diferencia de las calibraciones de puntos fijos, las comparaciones se pueden realizar a cualquier temperatura entre −100 °C y 500 °C (−148 °F a 932 °F). Este método puede ser más rentable, ya que varios sensores pueden ser calibrados simultáneamente con el equipo automatizado. Estos baños eléctricos y bien calentados utilizan aceites de silicona y sales fundidas como medio para las diversas temperaturas de calibración.

Tipos de elementos

Las tres categorías principales de sensores RTD son elementos de película delgada, bobinados y enrollados. Si bien estos tipos son los más utilizados en la industria, se utilizan otras formas más exóticas; por ejemplo, las resistencias de carbono se utilizan a temperaturas ultrabajas (de −273 °C a −173 °C).

Elementos de resistencia al carbono

son baratos y ampliamente utilizados. Tienen resultados muy reproducibles a bajas temperaturas. Son las temperaturas más fiables y extremadamente amplias. Generalmente no sufren de una histeresis significativa o efectos de medidor de tensión.

Elementos libres de heces

use una bobina de alambre mínimamente soportada dentro de una carcasa sellada llena de gas inerte. Estos sensores funcionan hasta 961.78 °C (1,763.20 °F) y se utilizan en los SPRTs que definen ITS-90. Consisten de alambre de platino enrollado sobre una estructura de soporte, por lo que el elemento es libre de expandirse y contraer con temperatura. Son muy susceptibles al choque y la vibración, ya que los bucles de platino pueden deslizarse hacia atrás y hacia adelante, causando deformación.

Elementos de carga

tienen un elemento de detección que se forma mediante el depósito de una capa muy fina de material resistivo, normalmente platino, en un sustrato cerámico (placado). Esta capa suele ser de 10 a 100 ångströms (1 a 10 nanometros) de espesor. Esta película se recubre con un epoxi o vidrio que ayuda a proteger la película depositada y también actúa como un alivio de la tensión para los cables de plomo externos. Las desventajas de este tipo son que no son tan estables como sus contrapartes de alambre o coiled. También se pueden utilizar sólo a lo largo de un rango de temperatura limitado debido a las diferentes tasas de expansión del sustrato y depósito resistivo que da un efecto "manómetro de entrenamiento" que se puede ver en el coeficiente de temperatura resistiva. Estos elementos funcionan con temperaturas hasta 300 °C (572 °F) sin más embalaje, pero pueden operar hasta 600 °C (1,112 °F) cuando se encapsula adecuadamente en vidrio o cerámica. Los elementos especiales de RTD de alta temperatura se pueden utilizar hasta 900 °C (1,652 °F) con la encapsulación correcta.

Elementos de alambre

puede tener mayor precisión, especialmente para amplios rangos de temperatura. El diámetro de la bobina proporciona un compromiso entre la estabilidad mecánica y permitiendo la expansión del alambre para minimizar la tensión y la deriva consiguiente. El alambre de detección está envuelto alrededor de un mandril aislante o núcleo. El núcleo de viento puede ser redondo o plano, pero debe ser un aislante eléctrico. El coeficiente de expansión térmica del material del núcleo de enrollamiento se corresponde con el alambre de detección para minimizar cualquier cepa mecánica. Esta tensión en el cable de elemento dará lugar a un error de medición térmica. El alambre de detección está conectado a un alambre más grande, generalmente conocido como el elemento plomo o alambre. Este cable se selecciona para ser compatible con el alambre de detección, de modo que la combinación no genera un emf que distorsiona la medición térmica. Estos elementos funcionan con temperaturas hasta 660 °C.

Elementos en espiral

han reemplazado en gran medida los elementos de los alambres en la industria. Este diseño tiene una bobina de alambre que puede expandirse libremente sobre la temperatura, sostenida por algún soporte mecánico, lo que permite que la bobina mantenga su forma. Este diseño “strain free” permite que el alambre de detección se amplíe y contrate libre de influencia de otros materiales; a este respecto es similar al SPRT, el estándar primario en el que se basa ITS-90, al tiempo que proporciona la durabilidad necesaria para uso industrial. La base del elemento de detección es una pequeña bobina de alambre de detección de platino. Esta bobina se asemeja a un filamento en una bombilla incandescente. La carcasa o mandril es un tubo de óxido de cerámica de disparo duro con borrones igualmente espaciados que corren transversalmente a los ejes. La bobina se inserta en los bores del mandril y luego se empaca con un polvo de cerámica muy finamente molido. Esto permite que el alambre de detección se mueva, mientras que aún permanece en buen contacto térmico con el proceso. Estos elementos funcionan con temperaturas hasta 850 °C.

El estándar internacional actual que especifica la tolerancia y la relación de resistencia entre temperatura y electricidad para los termómetros de resistencia al platino (PRTs) es IEC 60751:2008; ASTM E1137 también se utiliza en los Estados Unidos. Los dispositivos más comunes utilizados en la industria tienen una resistencia nominal de 100 ohmios a 0 °C y se llaman sensores Pt100 ("Pt" es el símbolo de platino, "100" para la resistencia en ohmios a 0 °C). También es posible obtener sensores Pt1000, donde 1000 es para la resistencia en ohms a 0 °C. La sensibilidad de un sensor estándar de 100 Ω es un sensor nominal 0,385 Ω/°C. También están disponibles RTDs con sensibilidad de 0.375 y 0.392 Ω/°C, así como una variedad de otros.

Función

Los termómetros de resistencia se construyen en varias formas y ofrecen mayor estabilidad, precisión y repetibilidad en algunos casos que los termopares. Mientras que los termopares usan el efecto Seebeck para generar voltaje, los termómetros de resistencia usan resistencia eléctrica y requieren una fuente de energía para funcionar. Idealmente, la resistencia varía casi linealmente con la temperatura según la ecuación de Callendar-Van Dusen.

El cable detector de platino debe mantenerse libre de contaminación para permanecer estable. Un alambre o película de platino se soporta sobre un formador de tal manera que obtenga una expansión diferencial mínima u otras tensiones de su formador, pero que sea razonablemente resistente a la vibración. En algunas aplicaciones también se utilizan conjuntos RTD fabricados de hierro o cobre. Los grados comerciales de platino exhiben un coeficiente de temperatura de resistencia de 0,00385/°C (0,385%/°C) (intervalo fundamental europeo). El sensor suele estar fabricado para tener una resistencia de 100 Ω a 0 °C. Esto se define en BS EN 60751:1996 (tomado de IEC 60751:1995). El intervalo fundamental americano es 0,00392/°C, basado en el uso de un grado de platino más puro que el estándar europeo. El estándar americano es de la Asociación de Fabricantes de Aparatos Científicos (SAMA), que ya no están en este campo de estándares. Como resultado, el "estándar americano" No es el estándar ni siquiera en Estados Unidos.

La resistencia del cable también puede ser un factor; la adopción de conexiones de tres y cuatro cables, en lugar de dos cables, puede eliminar los efectos de resistencia de los cables de conexión de las mediciones (ver más abajo); La conexión de tres cables es suficiente para la mayoría de los propósitos y es una práctica industrial casi universal. Las conexiones de cuatro cables se utilizan para las aplicaciones más precisas.

Ventajas y limitaciones

Las ventajas de los termómetros de resistencia de platino incluyen:

• Alta precisión
• Baja deriva
• Amplia gama de operaciones
• Adecuación para aplicaciones de precisión.

Limitaciones:

Los RTD en aplicaciones industriales rara vez se utilizan por encima de 660 °C. A temperaturas superiores a 660 °C resulta cada vez más difícil evitar que el platino se contamine con impurezas de la funda metálica del termómetro. Por este motivo, los termómetros estándar de laboratorio sustituyen la funda metálica por una de vidrio. A temperaturas muy bajas, digamos por debajo de -270 °C (3 K), debido a que hay muy pocos fonones, la resistencia de un RTD está determinada principalmente por las impurezas y la dispersión de límites y, por lo tanto, es básicamente independiente de la temperatura. Como resultado, la sensibilidad del RTD es esencialmente cero y, por tanto, no es útil.

En comparación con los termistores, los RTD de platino son menos sensibles a pequeños cambios de temperatura y tienen un tiempo de respuesta más lento. Sin embargo, los termistores tienen un rango de temperatura y estabilidad más pequeños.

RTD frente a termopares

Las dos formas más comunes de medir temperaturas para aplicaciones industriales son con detectores de temperatura de resistencia (RTD) y termopares. La elección entre ellos suele estar determinada por cuatro factores.

Temperatura

Si las temperaturas de proceso son entre −200 y 500 °C (−328.0 y 932.0 °F), una RTD industrial es la opción preferida. Los termopares tienen una gama de −180 a 2.320 °C (−292.0 a 4,208.0 °F), por lo que para temperaturas superiores a 500 °C (932 °F) es el dispositivo de medición de temperatura de contacto comúnmente encontrado en laboratorios de física.

Tiempo de respuesta

Si el proceso requiere una respuesta muy rápida a los cambios de temperatura (fracciones de un segundo en lugar de segundos), entonces un termopar es la mejor opción. La respuesta del tiempo se mide sumergir el sensor en movimiento de agua a 1 m/s (3,3 pies/s) con un cambio de paso del 63,2%.

Tamaño

Una vaina estándar RTD es de 3.175 a 6.35 mm (0.1250 a 0.2500) de diámetro; diámetros de vaina para termopares puede ser inferior a 1.6 mm (0.063 in).

Requisitos de precisión y estabilidad

Si una tolerancia de 2 °C es aceptable y el nivel más alto de repetibilidad no es necesario, un termopar servirá. Los RTD son capaces de mayor precisión y pueden mantener la estabilidad durante muchos años, mientras que los termopares pueden derivar dentro de las primeras horas de uso.

Construcción

Estos elementos casi siempre requieren cables aislados conectados. Los aislantes de PVC, caucho de silicona o PTFE se utilizan a temperaturas inferiores a unos 250 °C. Por encima se utiliza fibra de vidrio o cerámica. El punto de medición, y normalmente la mayoría de los cables, requieren una carcasa o funda protectora, a menudo hecha de una aleación de metal que sea químicamente inerte al proceso que se está monitoreando. La selección y el diseño de fundas de protección pueden requerir más cuidado que el propio sensor, ya que la funda debe resistir ataques químicos o físicos y proporcionar puntos de fijación convenientes.

El diseño de construcción del RTD se puede mejorar para soportar golpes y vibraciones incluyendo polvo de óxido de magnesio (MgO) compactado dentro de la funda. Se utiliza MgO para aislar los conductores de la funda externa y entre sí. El MgO se utiliza debido a su constante dieléctrica, estructura de grano redondeado, capacidad de alta temperatura y su inercia química.

Configuraciones de cableado

Configuración de dos cables

La configuración más simple de termómetro de resistencia utiliza dos cables. Sólo se utiliza cuando no se requiere una alta precisión, ya que la resistencia de los cables de conexión se suma a la del sensor, lo que provoca errores de medición. Esta configuración permite el uso de 100 metros de cable. Esto se aplica igualmente al puente equilibrado y al sistema de puente fijo.

Para un ajuste de puente equilibrado habitual es con R2 = R1, y R3 alrededor de la mitad de la gama de la RTD. Así, por ejemplo, si vamos a medir entre 0 y 100 °C (32 y 212 °F), la resistencia RTD varia de 100 Ω a 138.5 Ω. Elegíamos R3 = 120 Ω. De esa manera obtenemos un pequeño voltaje medido en el puente.

Configuración de tres cables

Para minimizar los efectos de las resistencias de los cables, se puede utilizar una configuración de tres cables. La configuración sugerida para la configuración que se muestra es con R1 = R2 y R3 alrededor del medio del rango del RTD. Mirando el circuito del puente de Wheatstone que se muestra, la caída de voltaje en el lado inferior izquierdo es V_rtd + V_lead, y en el lado inferior derecho es V_R3 + V_lead, por lo tanto, el voltaje del puente (V_b) es la diferencia, V_rtd - V_R3. Se ha anulado la caída de tensión debida a la resistencia del cable. Esto siempre se aplica si R1=R2 y R1, R2 >> IDT, R3. R1 y R2 pueden servir para limitar la corriente a través del RTD; por ejemplo, para un PT100, limitar a 1 mA y 5 V sugeriría una resistencia limitadora de aproximadamente R1 = R2 = 5/0,001 = 5000 ohmios.

Configuración de cuatro cables

La configuración de resistencia de cuatro cables aumenta la precisión de la medición de la resistencia. La detección de cuatro terminales elimina la caída de voltaje en los cables de medición como contribución al error. Para aumentar aún más la precisión, cualquier voltaje termoeléctrico residual generado por diferentes tipos de cables o conexiones atornilladas se elimina invirtiendo la dirección de la corriente de 1 mA y los cables al DVM (voltímetro digital). Las tensiones termoeléctricas se producirán en un solo sentido. Al promediar las mediciones invertidas, se cancelan los voltajes de error termoeléctrico.

Clasificaciones de RTD

Los PRT de mayor precisión son los termómetros de resistencia de platino ultraprecisos (UPRT). Esta precisión se logra a expensas de la durabilidad y el costo. Los elementos UPRT están enrollados con alambre de platino de calidad de referencia. Los cables internos suelen estar hechos de platino, mientras que los soportes internos están hechos de cuarzo o sílice fundida. Las fundas suelen estar hechas de cuarzo o, a veces, de Inconel, según el rango de temperatura. Se utiliza alambre de platino de mayor diámetro, lo que aumenta el costo y da como resultado una menor resistencia para la sonda (normalmente 25,5 Ω). Los UPRT tienen un amplio rango de temperatura (-200 °C a 1000 °C) y tienen una precisión aproximada de ±0,001 °C en el rango de temperatura. Los UPRT solo son apropiados para uso en laboratorio.

Otra clasificación de PRT de laboratorio son los Termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT estándar). Están construidos como los UPRT, pero los materiales son más rentables. Los SPRT suelen utilizar alambre de platino de menor diámetro, alta pureza y grado de referencia, vainas metálicas y aisladores de tipo cerámico. Los cables internos suelen ser una aleación a base de níquel. Los PRT estándar tienen un rango de temperatura más limitado (de −200 °C a 500 °C) y tienen una precisión aproximada de ±0,03 °C en todo el rango de temperatura.

PRT industrial están diseñados para soportar entornos industriales. Pueden ser casi tan duraderas como un termopar. Dependiendo de la aplicación, los PRT industriales pueden utilizar elementos de carga fina o de bobina. Los alambres de plomo internos pueden oscilar entre el cobre de niquelado de PTFE y el alambre de plata, dependiendo del tamaño y la aplicación del sensor. El material de vaina es típicamente acero inoxidable; aplicaciones de alta temperatura pueden exigir Inconel. Se utilizan otros materiales para aplicaciones especializadas.

Historia

La aplicación de la tendencia de los conductores eléctricos a aumentar su resistencia eléctrica con el aumento de la temperatura fue descrita por primera vez por Sir William Siemens en la Conferencia Bakerian de 1871 ante la Royal Society de Gran Bretaña. Los métodos de construcción necesarios fueron establecidos por Callendar, Griffiths, Holborn y Wein entre 1885 y 1900.

El transbordador espacial hizo un uso extensivo de termómetros de resistencia de platino. La única parada en vuelo del motor principal de un transbordador espacial (la misión STS-51F) fue causada por múltiples fallos de los RTD que se habían vuelto frágiles y poco fiables debido a los múltiples ciclos de calor y frío. (Las fallas de los sensores sugirieron falsamente que una bomba de combustible se estaba sobrecalentando críticamente y el motor se apagó automáticamente). Después del incidente de falla del motor, los RTD fueron reemplazados por termopares.

En 1871 Carl Wilhelm Siemens inventó el Detector de Temperatura de Resistencia Platinum y presentó una fórmula de interpolación de tres plazos. La RTD de Siemens cayó rápidamente por la inestabilidad de la lectura de temperatura. Hugh Longbourne Callendar desarrolló el primer RTD platino comercialmente exitoso en 1885.

Un artículo de 1971 de Eriksson, Keuther y Glatzel identificó seis aleaciones de metales nobles (63Pt37Rh, 37Pd63Rh, 26Pt74Ir, 10Pd90Ir, 34Pt66Au, 14Pd86Au) con características de temperatura de resistencia aproximadamente lineales. La aleación 63Pt37Rh es similar al alambre de aleación 70Pt30Rh disponible que se utiliza en termopares.

Datos de termómetro de resistencia estándar

Los sensores de temperatura generalmente se suministran con elementos de película delgada. Los elementos de resistencia están clasificados de acuerdo con BS EN 60751:2008 como:

Se pueden suministrar elementos de termorresistencia que funcionan hasta 1000 °C. La relación entre temperatura y resistencia viene dada por la ecuación de Callendar-Van Dusen:

<math alttext="{displaystyle R_{T}=R_{0}left[1+AT+BT^{2}+CT^{3}(T-100)right];(-200;{}^{circ }mathrm {C} <TRT=R0[1+AT+BT2+CT3()T− − 100)]()− − 200∘ ∘ Cc)Tc)0∘ ∘ C),{displaystyle R_{T}=R_{0}left[1+AT+BT^{2}+CT^{3}(T-100)right];(-200;{}^{circ }mathrm {C}<img alt="{displaystyle R_{T}=R_{0}left[1+AT+BT^{2}+CT^{3}(T-100)right];(-200;{}^{circ }mathrm {C} <T

<math alttext="{displaystyle R_{T}=R_{0}left[1+AT+BT^{2}right];(0;{}^{circ }mathrm {C} leq TRT=R0[1+AT+BT2]()0∘ ∘ C≤ ≤ Tc)850∘ ∘ C).{displaystyle R_{T}=R_{0}left[1+AT+BT^{2}right];(0;{}^{circcirc }mathrm {C} leq T won850;{} {circ }mathrm {C}).<img alt="{displaystyle R_{T}=R_{0}left[1+AT+BT^{2}right];(0;{}^{circ }mathrm {C} leq T

Aquí. RT{displaystyle R_{T} es la resistencia a la temperatura T, R0{displaystyle R_{0} es la resistencia a 0 °C, y las constantes (para un α = 0.00385 platino RTD) son:

A=3.9083× × 10− − 3∘ ∘ C− − 1,{displaystyle A=3.9083times 10^{-3}~{circ }{text{C}^{-1}

B=− − 5.775× × 10− − 7∘ ∘ C− − 2,{displaystyle B=-5.775times ¿Qué?

C=− − 4.183× × 10− − 12∘ ∘ C− − 4.{displaystyle C=-4.183times ¿Qué?

Desde B y C los coeficientes son relativamente pequeños, la resistencia cambia casi linealmente con la temperatura.

Para la temperatura positiva, la solución de la ecuación cuadrática produce la siguiente relación entre temperatura y resistencia:

T=− − A+A2− − 4B()1− − RTR0)2B.{displaystyle T={frac {-A+{sqrt {2}-4Bleft(1-{frac} {R_{T} {R_}}}} {2B}}

Luego para una configuración de cuatro hilos con una corriente de precisión de 1 mA la relación entre la temperatura y el voltaje medido VT{displaystyle V_{T} es

T=− − A+A2− − 40B()0.1− − VT)2B.{displaystyle T={frac {-A+{sqrt {2}-40B(0.1-V_{T}}{2B}}}

Resistencias dependientes de la temperatura para varios termómetros de resistencia populares