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 , [a] están reemplazando lentamente a los termopares en aplicaciones industriales por debajo de 600 ° C . [1]
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 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 sólo ligeramente en el rango útil del sensor. [ cita necesaria ]
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 más de 150 °C (302 °F). [ cita necesaria ]
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 da en unidades de Ω /(Ω·°C): [ cita necesaria ]
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 laboratorio. [ cita necesaria ] Por el contrario, dos estándares ampliamente reconocidos 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). [ cita necesaria ]
Estos diferentes valores de 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 curva R vs. T diferente y, por lo tanto, un valor de α. [ cita necesaria ]
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 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. [ cita necesaria ]
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). [5]
La norma internacional actual que especifica la tolerancia y la relación temperatura-resistencia eléctrica para los termómetros de resistencia de platino (PRT) es IEC 60751:2008; ASTM E1137 también se utiliza en los Estados Unidos. Los dispositivos más comunes utilizados en la industria tienen con diferencia 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 obtener sensores Pt1000, donde 1000 corresponde a la resistencia en ohmios a 0 °C. La sensibilidad de un sensor estándar de 100 Ω es nominal de 0,385 Ω/°C. También están 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 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). [7] 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, [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 están en este campo de estándares. Como resultado, el "estándar americano" no es el estándar ni siquiera en los EE.UU.
La resistencia del cable conductor 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.
Las ventajas de los termómetros de resistencia de platino incluyen:
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. [ cita necesaria ]
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.
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.
Estos elementos casi siempre requieren cables aislados conectados. Los aisladores de PVC , caucho de silicona o PTFE se utilizan a temperaturas inferiores a aproximadamente 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 impactos 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.
La configuración más simple de termorresistencia 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 puente equilibrado, la configuración habitual es con R2 = R1 y R3 alrededor de la mitad del rango del RTD. Así, por ejemplo, si vamos a medir entre 0 y 100 °C (32 y 212 °F), la resistencia RTD oscilará entre 100 Ω y 138,5 Ω. Elegiríamos R3 = 120 Ω. De esta manera obtenemos una pequeña tensión medida en el puente.
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 >> 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 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. [ cita necesaria ]
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 todo 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 calidad 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 (-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. Dependiendo de la aplicación, los PRT industriales pueden utilizar elementos de película delgada o bobinados. Los cables conductores internos pueden variar desde cobre niquelado trenzado aislado con PTFE hasta cables de plata, según el tamaño y la aplicación del sensor. El material de la funda suele ser acero inoxidable; las aplicaciones de mayor temperatura pueden requerir Inconel. Otros materiales se utilizan 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 temperatura fue descrita por primera vez por Sir William Siemens en la Conferencia Bakerian de 1871 ante la Royal Society de Gran Bretaña , sugiriendo 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 al platino y presentó una fórmula de interpolación de tres términos. El RTD de Siemens rápidamente cayó en desgracia debido a la inestabilidad de la lectura de temperatura. Hugh Longbourne Callendar desarrolló el primer RTD de 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. [11]
El transbordador espacial utilizó ampliamente 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 . [12]
Los sensores de temperatura normalmente se suministran con elementos de película fina. Los elementos de resistencia están clasificados de acuerdo con BS EN 60751:2008 como:
Se pueden suministrar elementos de termorresistencia que funcionen 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
![{\displaystyle R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}+CT^{3}(T-100)\right]\;(-200\;{}^{\ círculo }\mathrm {C} <T<0\;{}^{\circ }\mathrm {C} ),}](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)
