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 vidrio o cerámica resistente al calor, pero también se utilizan otras construcciones. El alambre RTD es un material puro, normalmente platino (Pt), níquel (Ni) o cobre (Cu). El material tiene una relación precisa entre resistencia y temperatura que se utiliza para proporcionar una indicación de la temperatura. Como los elementos RTD son frágiles, a menudo se alojan en sondas protectoras.
Los RTD, que tienen mayor precisión y repetibilidad , [a] están reemplazando lentamente a los termopares en aplicaciones industriales por debajo de los 600 ° C . [1]
Los elementos de detección RTD comunes para aplicaciones biomédicas fabricados con platino (Pt), níquel (Ni) o cobre (Cu) tienen una relación de resistencia versus temperatura ( R vs T ) repetible [b] y un 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. [1] El cambio relativo en la resistencia ( coeficiente de temperatura de la resistencia) varía solo levemente en el rango útil del sensor. [ cita requerida ]
El platino fue propuesto por Sir William Siemens como elemento para un detector de temperatura de resistencia en la conferencia Bakerian de 1871: [2] 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 temperaturas superiores a 150 °C (302 °F). [ cita requerida ]
La característica más importante de los metales utilizados como elementos resistivos es la aproximación lineal de la relación resistencia-temperatura entre 0 y 100 °C. Este coeficiente de temperatura de la resistencia se denota por α y se expresa generalmente en unidades de Ω /(Ω·°C): [ cita requerida ]
dónde
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 grado de laboratorio. [ cita requerida ] 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 estas normas se adoptaran ampliamente, se utilizaban varios valores α diferentes. Todavía es posible encontrar sondas más antiguas fabricadas con platino que tienen α = 0,003916 Ω/(Ω·°C) y 0,003902 Ω/(Ω·°C). [ cita requerida ]
Estos diferentes valores α para el platino se logran mediante dopaje , introduciendo cuidadosamente impurezas que se incrustan en la estructura reticular del platino y dan como resultado una curva R vs. T diferente y, por lo tanto, un valor α diferente. [ cita requerida ]
Para caracterizar la relación R vs 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 funcionan de manera lineal, se debe demostrar que son precisos con respecto a las temperaturas con las que realmente se utilizarán (consulte los detalles en la opción de calibración de comparación). Dos métodos de calibración comunes son el método de punto fijo y el método de comparación. [ cita requerida ]
Las tres categorías principales de sensores RTD son los de película fina, los de alambre bobinado y los de elementos en espiral. Si bien estos tipos son los más utilizados en la industria, también se utilizan otras formas más exóticas; por ejemplo, las resistencias de carbono se utilizan a temperaturas ultrabajas (de -273 °C a -173 °C). [5]
La norma internacional actual que especifica la tolerancia y la relación entre la temperatura y la resistencia eléctrica de los termómetros de resistencia de platino (PRT) es la IEC 60751:2008; en Estados Unidos también se utiliza la norma ASTM E1137. Los dispositivos más comunes que se utilizan en la industria tienen una resistencia nominal de 100 ohmios a 0 °C y se denominan sensores Pt100 ("Pt" es el símbolo del platino, "100" es la resistencia en ohmios a 0 °C). También es posible conseguir sensores Pt1000, donde 1000 es la resistencia en ohmios a 0 °C. La sensibilidad de un sensor estándar de 100 Ω es de 0,385 Ω/°C nominales. También hay disponibles RTD con una sensibilidad de 0,375 y 0,392 Ω/°C, así como una variedad de otros.
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 utilizan el efecto Seebeck para generar un voltaje, los termómetros de resistencia utilizan resistencia eléctrica y requieren una fuente de energía para funcionar. La resistencia varía idealmente de manera casi lineal con la temperatura según la ecuación de Callendar-Van Dusen .
El cable detector de platino debe mantenerse libre de contaminación para permanecer estable. Un cable o película de platino se apoya sobre un soporte de tal manera que recibe una expansión diferencial mínima u otras tensiones de su soporte, pero es razonablemente resistente a la vibración. Los conjuntos RTD hechos de hierro o cobre también se utilizan en algunas aplicaciones. Los grados comerciales de platino exhiben un coeficiente de temperatura de resistencia de 0,00385/°C (0,385%/°C) (Intervalo Fundamental Europeo). [7] El sensor generalmente está hecho 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, [8] 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 se encuentra en este campo de estándares. Por lo tanto, el "estándar americano" difícilmente sea el estándar, incluso en los EE.UU.
La resistencia de los cables conductores también puede ser un factor; la adopción de conexiones de tres y cuatro cables, en lugar de dos cables, puede eliminar los efectos de la resistencia de los cables conductores en las mediciones (ver a continuación); 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.
Las ventajas de los termómetros de resistencia de platino incluyen:
Limitaciones:
Los RTD en aplicaciones industriales rara vez se utilizan por encima de los 660 °C. A temperaturas superiores a 660 °C, resulta cada vez más difícil evitar que el platino se contamine con impurezas de la vaina metálica del termómetro. Por eso, los termómetros estándar de laboratorio sustituyen la vaina metálica por una construcción de vidrio. A temperaturas muy bajas, por ejemplo, por debajo de los −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 lo tanto, no es útil. [ cita requerida ]
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 una estabilidad más pequeños.
Las dos formas más comunes de medir temperaturas para aplicaciones industriales son los detectores de temperatura de resistencia (RTD) y los termopares . La elección entre ellos suele estar determinada por cuatro factores.
Estos elementos casi siempre requieren cables aislados conectados. Los aisladores de PVC , caucho de silicona o PTFE se utilizan a temperaturas inferiores a unos 250 °C. Por encima de esto, se utilizan 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 es químicamente inerte al proceso que se está monitoreando. La selección y el diseño de las fundas de protección pueden requerir más cuidado que el sensor en sí, ya que la funda debe resistir ataques químicos o físicos y proporcionar puntos de conexión convenientes.
El diseño de la construcción del RTD se puede mejorar para soportar golpes y vibraciones al incluir polvo de óxido de magnesio (MgO) compactado dentro de la vaina. El MgO se utiliza para aislar los conductores de la vaina externa y entre sí. El MgO se utiliza debido a su constante dieléctrica, estructura de grano redondeado, capacidad para altas temperaturas y su inercia química.
La configuración más sencilla de un termómetro de resistencia utiliza dos cables. Se utiliza únicamente cuando no se requiere una gran precisión, ya que la resistencia de los cables de conexión se suma a la del sensor, lo que genera errores de medición. Esta configuración permite utilizar 100 metros de cable. Esto se aplica tanto a los sistemas de puente equilibrado como a los de puente fijo.
Para un puente equilibrado, la configuración habitual es con R2 = R1 y R3 en la mitad del rango del RTD. Por ejemplo, si vamos a medir entre 0 y 100 °C (32 y 212 °F), la resistencia del RTD oscilará entre 100 Ω y 138,5 Ω. Elegiríamos R3 = 120 Ω. De esa manera, obtenemos una pequeña tensión medida en el puente.
Para minimizar los efectos de las resistencias de los conductores, se puede utilizar una configuración de tres cables. La configuración sugerida para la configuración que se muestra es con R1 = R2 y R3 alrededor de la mitad del rango del RTD. Al observar 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. La caída de voltaje debido a la resistencia del conductor se ha cancelado. Esto siempre se aplica si R1 = R2 y R1, R2 >> RTD, 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.
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 tensión en los cables de medición como contribución al error. Para aumentar aún más la precisión, cualquier tensión termoeléctrica residual generada 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 una sola dirección. Al promediar las mediciones invertidas, se cancelan las tensiones de error termoeléctricas. [ cita requerida ]
Los termómetros de resistencia de platino de ultraprecisión (UPRT) son los que ofrecen la mayor precisión de todos los termómetros de resistencia de platino. Esta precisión se logra a expensas de la durabilidad y el costo. Los elementos UPRT están hechos de alambre de platino de calidad de referencia. Los cables conductores internos generalmente están hechos de platino, mientras que los soportes internos están hechos de cuarzo o sílice fundida. Las vainas generalmente están hechas de cuarzo o, a veces, de Inconel , según el rango de temperatura. Se utiliza un alambre de platino de mayor diámetro, lo que aumenta el costo y da como resultado una resistencia menor para la sonda (normalmente 25,5 Ω). Los UPRT tienen un amplio rango de temperatura (de −200 °C a 1000 °C) y tienen una precisión aproximada de ±0,001 °C en todo el rango de temperatura. Los UPRT solo son apropiados para uso en laboratorio.
Otra clasificación de los termómetros de resistencia de platino de laboratorio son los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT estándar). Se construyen como los UPRT, pero los materiales son más rentables. Los SPRT suelen utilizar alambre de platino de grado de referencia, de alta pureza y de diámetro más pequeño, vainas metálicas y aisladores de tipo cerámico. Los cables conductores internos suelen ser de aleación de níquel. Los termómetros de resistencia de platino 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.
Los PRT industriales están diseñados para soportar entornos industriales. Pueden ser casi tan duraderos como un termopar. Según la aplicación, los PRT industriales pueden utilizar elementos de película fina o bobinados. Los cables conductores internos pueden variar desde cobre niquelado trenzado con aislamiento de PTFE hasta cables de plata, según el tamaño del sensor y la aplicación. El material de la funda suele ser acero inoxidable; las aplicaciones de mayor temperatura pueden requerir Inconel. Se utilizan otros materiales para aplicaciones especializadas.
Contemporáneo al efecto Seebeck , el descubrimiento de que la resistividad de los metales depende de la temperatura fue anunciado en 1821 por Sir Humphry Davy . [10] La aplicación práctica 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 , sugiriendo el platino como un elemento adecuado. [10] Los métodos de construcción necesarios fueron establecidos por Callendar , Griffiths, Holborn y Wein entre 1885 y 1900.
En 1871, Carl Wilhelm Siemens inventó el detector de temperatura de resistencia de platino y presentó una fórmula de interpolación de tres términos. El RTD de Siemens cayó rápidamente en desgracia debido a la inestabilidad de la lectura de temperatura. Hugh Longbourne Callendar desarrolló el primer RTD de platino comercialmente exitoso en 1885.
En un artículo de 1971 de Eriksson, Keuther y Glatzel se identificaron 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, fácilmente disponible, que se utiliza en termopares. [11]
El transbordador espacial hizo un uso extensivo de termómetros de resistencia de platino. La única parada en pleno vuelo de un motor principal del transbordador espacial (misión STS-51F ) fue causada por múltiples fallos de los RTD, que se habían vuelto frágiles y poco fiables debido a múltiples ciclos de calor y frío. (Los fallos de los sensores sugirieron falsamente que una bomba de combustible se estaba sobrecalentando gravemente, y el motor se apagó automáticamente). Tras el incidente de la falla del motor, los RTD fueron reemplazados por termopares . [12]
Los sensores de temperatura suelen suministrarse con elementos de película fina. Los elementos de resistencia se clasifican de acuerdo con la norma BS EN 60751:2008 como:
Se pueden suministrar elementos termorresistentes que funcionan hasta 1000 °C. La relación entre temperatura y resistencia viene dada por la ecuación de Callendar-Van Dusen :
Aquí está la resistencia a la temperatura T , es la resistencia a 0 °C y las constantes (para un RTD de platino α = 0,00385) son:
Como los coeficientes B y C son relativamente pequeños, la resistencia cambia casi linealmente con la temperatura.
Para temperatura positiva, la solución de la ecuación cuadrática produce la siguiente relación entre temperatura y resistencia:
Luego, para una configuración de cuatro cables con una fuente de corriente de precisión de 1 mA [13], la relación entre la temperatura y el voltaje medido es
,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4a95892015229c5410f0f93dad9e86daa5bfbca8)
![{\displaystyle R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}\right]\;(0\;{}^{\circ }\mathrm {C} \leq T<850 \;{}^{\circ }\mathrm {C} ).}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c2dee8f5b1c906719f57def2cb23185fcb50620e)
