Termómetro de resistencia

Los termómetros de resistencia , también llamados detectores de temperatura por resistencia ( RTD ), son sensores que utilizan la resistencia eléctrica de una sustancia (como el platino ) para medir la temperatura. Muchos elementos RTD consisten en un hilo fino enrollado alrededor de un núcleo de cerámica o vidrio resistente al calor, pero también se utilizan otras construcciones. El hilo RTD suele ser de platino (Pt), níquel (Ni) o cobre (Cu). El material tiene una relación precisa entre temperatura y resistencia que se utiliza para proporcionar una indicación de la temperatura. El óxido de rutenio se utiliza comúnmente para fabricar RTD que funcionan a temperaturas criogénicas . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Como los elementos RTD son frágiles, a menudo se alojan en sondas protectoras llamadas termopozos . Los RTD tienen mayor precisión y repetibilidad ^{[ a ]} ​​que los termopares , razón por la cual los están reemplazando gradualmente en aplicaciones industriales por debajo de 600  ° C . ^{[ 3 ]}

Los elementos sensores RTD comunes para aplicaciones biomédicas, construidos de ^platino ( Pt), níquel (Ni) o cobre (Cu), tienen una relación ^{de resistencia} versus temperatura ( R vs T ) repetible 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. ^{[ 3 ]} El cambio relativo en la resistencia ( coeficiente de temperatura de la resistencia) varía solo ligeramente en el rango útil del sensor.

Sir William Siemens propuso el platino como elemento para un detector de temperatura por resistencia en la conferencia Bakeriana de 1871: ^{[ 4 ]} 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, se oxida a temperaturas moderadas y no puede utilizarse por encima de los 150  °C (302  °F).

La característica significativa 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 generalmente se expresa en unidades de Ω /(Ω·°C):

${\displaystyle \alpha ={\frac {R_{100}-R_{0}}{100~^{\circ }{\text{C}}\cdot R_{0}}},}$

dónde

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

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

El platino puro tiene una resistividad térmica α = 0,003925 Ω/(Ω·°C) en el  rango de 0 a 100 °C y se utiliza en la fabricación de termómetros de resistencia (RTD) de grado laboratorio. Por el contrario, dos normas ampliamente reconocidas para RTD industriales, la IEC 60751 y la ASTM E-1137, especifican α = 0,00385 Ω/(Ω·°C). Antes de la adopción generalizada de estas normas, se utilizaban varios valores de α diferentes. Todavía es posible encontrar sondas antiguas fabricadas con platino que presentan α = 0,003916 Ω/(Ω·°C) y 0,003902 Ω/(Ω·°C).

Estos diferentes valores de α para el platino se consiguen mediante el dopaje : se introducen cuidadosamente impurezas que se incorporan a la estructura reticular del platino, dando como resultado una curva R vs T diferente y, por lo tanto, un valor de α distinto.

Para caracterizar la relación R vs T de cualquier RTD en un rango de temperatura que represente el rango de uso previsto, es necesario realizar la calibración a temperaturas distintas de 0  °C y 100  °C. Esto es indispensable para cumplir con los requisitos de calibración. Si bien se considera que los RTD tienen un funcionamiento lineal, debe comprobarse su precisión con respecto a las temperaturas a las que se utilizarán realmente (consulte los detalles en la opción de calibración por 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 laboratorios nacionales de metrología. ^{[ 5 ]} Utiliza el punto triple, el punto de congelación o el punto de fusión de sustancias puras (como agua, zinc y estaño) y argón para generar una temperatura conocida y repetible. Estas celdas 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 sondas de grado industrial es el baño de hielo. El equipo es económico, fácil de usar y puede albergar varios sensores a la vez. El punto de hielo se designa como un 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

Se utiliza comúnmente con termómetros de resistencia de platino estándar secundario y RTD industriales. ^{[ 6 ]} Los termómetros que se calibran se comparan con termómetros calibrados mediante un baño cuya temperatura es uniformemente estable. A diferencia de las calibraciones de punto fijo, las comparaciones se pueden realizar a cualquier temperatura entre −100  °C y 500  °C (−148  °F a 932  °F). Este método podría ser más rentable, ya que se pueden calibrar varios sensores simultáneamente con equipos automatizados. Estos baños calentados eléctricamente y bien agitados utilizan aceites de silicona y sales fundidas como medio para las diferentes temperaturas de calibración.

Las tres categorías principales de sensores RTD son los de película delgada, los de hilo bobinado y los de bobina. Si bien estos tipos son los más utilizados en la industria, también se emplean otras formas más inusuales; por ejemplo, las resistencias de carbono se utilizan a temperaturas ultrabajas (de -273 °C a -173 °C). ^{[ 7 ]}  

elementos de resistencia de carbono

Son económicos y de uso generalizado. Ofrecen resultados muy reproducibles a bajas temperaturas. Son los más fiables en un rango de temperaturas extremadamente amplio. Por lo general, no presentan histéresis significativa ni efectos de galga extensométrica.

Elementos libres de tensiones

Utilizan una bobina de alambre con soporte mínimo dentro de una carcasa sellada llena de un gas inerte (como el argón). Estos sensores funcionan hasta 961,78 °C (1763,20 °F) y se utilizan en los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) que definen la norma ITS-90. Consisten en un alambre de platino enrollado libremente sobre una estructura de soporte, lo que permite que el elemento se expanda y contraiga con la temperatura. Son muy sensibles a los golpes y las vibraciones, ya que las espiras de platino pueden oscilar, provocando deformaciones.  

Elementos de película delgada

Tienen un elemento sensor que se forma depositando una capa muy delgada de material resistivo, normalmente platino, sobre un sustrato cerámico ( chapado ). Esta capa suele tener solo de 10 a 100 angstroms (1 a 10 nanómetros) de espesor. ^{[ 8 ]} Esta película se recubre luego con una resina epoxi o vidrio que ayuda a proteger la película depositada y también actúa como alivio de tensión para los cables conductores externos. Las desventajas de este tipo son que no son tan estables como sus contrapartes bobinadas o enrolladas. También solo pueden usarse en un rango de temperatura limitado debido a las diferentes tasas de expansión del sustrato y el material resistivo depositado, lo que produce un efecto de " galga extensométrica " ​​que se puede observar en el coeficiente de temperatura resistivo. Estos elementos funcionan con temperaturas de hasta 300 °C (572 °F) sin encapsulado adicional, pero pueden operar hasta 600 °C (1112 °F) cuando se encapsulan adecuadamente en vidrio o cerámica. Con el encapsulado adecuado, se pueden utilizar elementos RTD especiales de alta temperatura de hasta 900 °C (1652 °F) .      

Elementos bobinados

Puede ofrecer mayor precisión, especialmente en rangos de temperatura amplios. El diámetro de la bobina proporciona un equilibrio entre la estabilidad mecánica y la expansión del cable para minimizar la tensión y la consiguiente deriva. El cable sensor se enrolla alrededor de un mandril o núcleo aislante. El núcleo del bobinado puede ser redondo o plano, pero debe ser un aislante eléctrico. El coeficiente de dilatación térmica del material del núcleo del bobinado se ajusta al del cable sensor para minimizar cualquier tensión mecánica. Esta tensión en el cable del elemento provocará un error en la medición térmica. El cable sensor se conecta a un cable más grueso, generalmente denominado cable de conexión o cable del elemento. Este cable se selecciona para que sea compatible con el cable sensor, de modo que la combinación no genere una fuerza electromotriz que distorsione la medición térmica. Estos elementos funcionan con temperaturas de hasta 660  °C.

Elementos en espiral

Han sustituido en gran medida a los elementos bobinados en la industria. Este diseño cuenta con una bobina de alambre que puede expandirse libremente con la temperatura, mantenida en su lugar por un soporte mecánico que le permite conservar su forma. Este diseño "libre de tensión" permite que el alambre sensor se expanda y contraiga sin la influencia de otros materiales; en este sentido, es similar al SPRT, el estándar primario en el que se basa el ITS-90 , a la vez que proporciona la durabilidad necesaria para uso industrial. La base del elemento sensor es una pequeña bobina de alambre sensor de platino. Esta bobina se asemeja a un filamento de bombilla incandescente. La carcasa o mandril es un tubo de óxido cerámico de alta temperatura con orificios igualmente espaciados que discurren transversalmente a los ejes. La bobina se inserta en los orificios del mandril y se rellena con un polvo cerámico muy fino. Esto permite que el alambre sensor se mueva, manteniendo un buen contacto térmico con el proceso. Estos elementos funcionan a temperaturas de hasta 850  °C.

La norma internacional vigente que especifica la tolerancia y la relación temperatura-resistencia eléctrica para termómetros de resistencia de platino (PRT) es la IEC 60751:2008; en Estados Unidos también se utiliza la ASTM E1137. Los dispositivos más comunes en la industria tienen una resistencia nominal de 100 ohmios a 0  °C y se denominan sensores Pt100 ("Pt" es el símbolo del platino y "100" la resistencia en ohmios a 0  °C). También existen sensores Pt1000, donde 1000 representa la resistencia en ohmios a 0  °C. La sensibilidad de un sensor estándar de 100  Ω es de 0,385 Ω/°C. También se encuentran disponibles RTD con una sensibilidad de 0,375 y 0,392  Ω/°C, así como otros modelos.

Los termómetros de resistencia se fabrican en diversas formas y, en algunos casos, ofrecen mayor estabilidad, precisión y repetibilidad que los termopares . Mientras que los termopares utilizan el efecto Seebeck para generar un voltaje, los termómetros de resistencia emplean la resistencia eléctrica y requieren una fuente de alimentación para funcionar. Idealmente, la resistencia varía de forma casi lineal con la temperatura, según la ecuación de Callendar-Van Dusen .

El hilo detector de platino debe mantenerse libre de contaminación para conservar su estabilidad. Un hilo o película de platino se apoya sobre un soporte de tal manera que recibe una mínima expansión diferencial u otras tensiones de su soporte, a la vez que es razonablemente resistente a la vibración. En algunas aplicaciones también se utilizan conjuntos RTD de hierro o cobre. Los grados comerciales de platino presentan un coeficiente de temperatura de resistencia de 0,00385/°C (0,385 %/°C) (Intervalo Fundamental Europeo). ^{[ 9 ]} El sensor suele tener una resistencia de 100  Ω a 0  °C. Esto se define en la norma BS EN 60751:1996 (tomada de la norma IEC 60751:1995). El Intervalo Fundamental Americano es de 0,00392/°C, ^{[ 10 ]} basado en el uso de un grado de platino más puro que el estándar europeo. El estándar americano es de la Scientific Apparatus Manufacturers Association (SAMA), que ya no participa en este campo de normalización. Como resultado, el "estándar estadounidense" dista mucho de ser el estándar incluso en los Estados Unidos.

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

Las ventajas de los termómetros de resistencia de platino incluyen:

• Alta precisión
• Baja deriva
• Amplio rango de funcionamiento
• Adecuado para aplicaciones de precisión.

Limitaciones:

Los termómetros de resistencia (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 provenientes de la vaina metálica del termómetro. Por ello, los termómetros de laboratorio estándar sustituyen la vaina metálica por una de vidrio. A temperaturas muy bajas, por ejemplo, por debajo de -270  °C (3  K), debido a la escasa cantidad de fonones , la resistencia de un RTD está determinada principalmente por impurezas y dispersión en los límites , siendo, por lo tanto, prácticamente independiente de la temperatura. En consecuencia, la sensibilidad del RTD es prácticamente nula y, por lo tanto, inservible.

En comparación con los termistores , los sensores 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 menores.

Estos elementos casi siempre requieren cables aislados. Se utilizan aislantes de PVC , caucho de silicona o PTFE  a temperaturas inferiores a unos 250 °C. Por encima de esta temperatura, se utilizan fibra de vidrio o cerámica. El punto de medición, y generalmente la mayoría de los cables, requieren una carcasa o funda protectora, a menudo fabricada con una aleación metálica químicamente inerte al proceso que se monitoriza. La selección y el diseño de las fundas protectoras 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 la construcción del RTD puede mejorarse para soportar golpes y vibraciones mediante la inclusión de polvo compactado de óxido de magnesio (MgO) en el interior 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, su estructura de grano redondeado, su capacidad para soportar altas temperaturas y su inercia química.

Termómetros de resistencia de platino de ultra precisión (UPRT)

Los termómetros de resistencia de platino de ultra alta precisión (UPRT) son los que ofrecen la mayor exactitud . Esta precisión se logra a costa de la durabilidad y el costo. Los elementos de los UPRT están bobinados con hilo de platino de grado de referencia. Los cables internos suelen ser de platino, mientras que los soportes internos son de cuarzo o sílice fundida. Las vainas suelen ser de cuarzo o, en ocasiones, de Inconel , según el rango de temperatura. Se utiliza hilo de platino de mayor diámetro, lo que incrementa el costo y resulta en una menor resistencia para la sonda (típicamente 25,5 Ω). Los UPRT tienen un amplio rango de temperatura (de -200  °C a 1000  °C) y una precisión aproximada de ±0,001  °C en todo el rango. Los UPRT solo son adecuados para uso en laboratorio.

Termómetros de resistencia de platino estándar (PRT estándar o SPRT)

Otra clasificación de termómetros de resistencia de platino (PRT) de laboratorio son los termómetros de resistencia de platino estándar (PRT estándar o SPRT). Su construcción es similar a la de los UPRT, pero los materiales son más económicos. Los SPRT suelen utilizar hilo de platino de referencia, de alta pureza y diámetro reducido, vainas metálicas y aislantes cerámicos. Los conductores internos suelen ser de una aleación de níquel. Los PRT estándar tienen un rango de temperatura más limitado (de -200  °C a 500  °C) y una precisión aproximada de ±0,03  °C en dicho rango.

Pruebas de reconocimiento de patrones industriales

Los sensores PRT industriales están diseñados para soportar entornos industriales. Su durabilidad es casi comparable a la de un termopar. Según la aplicación, pueden utilizar elementos de película delgada o bobinados. Los conductores internos pueden ser de cobre niquelado trenzado con aislamiento de PTFE o de plata, dependiendo del tamaño del sensor y la aplicación. La vaina suele ser de acero inoxidable; para aplicaciones de alta temperatura, puede requerirse Inconel. Se utilizan otros materiales para aplicaciones especializadas.

Contemporáneo al efecto Seebeck , el descubrimiento de que la resistividad en los metales depende de la temperatura fue anunciado en 1821 por Sir Humphry Davy . ^{[ 12 ]} 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 Bakeriana de 1871 ante la Royal Society de Gran Bretaña , sugiriendo el platino como un elemento adecuado. ^{[ 12 ]} 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 por resistencia de platino y presentó una fórmula de interpolación de tres términos. El detector de Siemens cayó rápidamente en desuso debido a la inestabilidad de la lectura de temperatura. Hugh Longbourne Callendar desarrolló el primer detector de temperatura por resistencia de platino de éxito comercial 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 resistencia-temperatura aproximadamente lineales. La aleación 63Pt37Rh es similar al alambre de aleación 70Pt30Rh, fácilmente disponible, utilizado en termopares. ^{[ 13 ]}

El transbordador espacial utilizó ampliamente termómetros de resistencia de platino. La única parada en vuelo de un motor principal del transbordador espacial —la misión STS-51F— fue causada por múltiples fallas de los RTD, que se habían vuelto quebradizos e inestables debido a los múltiples ciclos de calentamiento y enfriamiento. (Las fallas de los sensores sugirieron erróneamente que una bomba de combustible se estaba sobrecalentando críticamente, y el motor se apagó automáticamente). Tras el incidente de la falla del motor, los RTD fueron reemplazados por termopares . ^{[ 14 ]}

Los sensores de temperatura suelen suministrarse con elementos de película delgada. Los elementos resistivos se clasifican de acuerdo con la norma BS EN 60751:2008 como:

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

${\displaystyle R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}+CT^{3}(T-100)\right]\;(-200\;{}^{\circ }\mathrm {C} <T<0\;{}^{\circ }\mathrm {C} ),}$

${\displaystyle R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}\right]\;(0\;{}^{\circ }\mathrm {C} \leq T<850\;{}^{\circ }\mathrm {C} ).}$

Aquí${\displaystyle R_{T}}$es la resistencia a la temperatura T ,${\displaystyle R_{0}}$es la resistencia a 0  °C, y las constantes (para un RTD de platino α = 0,00385) son:

${\displaystyle A=3.9083\times 10^{-3}~^{\circ }{\text{C}}^{-1},}$

${\displaystyle B=-5.775\times 10^{-7}~^{\circ }{\text{C}}^{-2},}$

${\displaystyle C=-4.183\times 10^{-12}~^{\circ }{\text{C}}^{-4}.}$

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

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

${\displaystyle T={\frac {-A+{\sqrt {A^{2}-4B\left(1-{\frac {R_{T}}{R_{0}}}\right)}}}{2B}}.}$

Luego, para una configuración de cuatro hilos con una fuente de corriente de precisión de 1 mA ^{[ 15 ],} la relación entre la temperatura y el voltaje medido${\displaystyle V_{T}}$es

${\displaystyle T={\frac {-A+{\sqrt {A^{2}-40B(0.1-V_{T})}}}{2B}}.}$

• Termopozo
• Termistor
• Termostato
• Par termoeléctrico

El platino fue propuesto por Williams Siemens en el año 1874.