Elementos de resistencia y RTD

Introducción

Los elementos RTD se presentan en muchos tipos que se ajustan a diferentes estándares, son capaces de funcionar en diferentes rangos de temperatura y están disponibles en varios tamaños y precisiones. Pero todos funcionan de la misma manera: cada uno tiene un valor de resistencia preespecificado a una temperatura conocida que cambia de forma predecible. De este modo, midiendo la resistencia del elemento, se puede determinar la temperatura del mismo a partir de tablas, cálculos o instrumentos. Estos elementos de resistencia son el corazón del RTD (detector de temperatura por resistencia). Por lo general, un elemento de resistencia desnudo es demasiado frágil y sensible para utilizarse en su forma original, por lo que debe protegerse incorporándolo en un RTD (pt100 o pt1000).

Detector de temperatura por resistencia es un término general para cualquier dispositivo que detecta la temperatura midiendo el cambio en la resistencia de un material. Los RTD vienen en muchas formas, pero por lo general aparecen en forma de revestimiento. Una sonda RTD es un conjunto compuesto por un elemento resistivo, una funda, un cable conductor y una terminación o conexión. La funda, un tubo cerrado en ambos extremos, inmoviliza el elemento y lo protege de la humedad y del Medio Ambiente que se va a medir. La funda también proporciona protección y estabilidad a los cables de conexión de los frágiles cables del elemento.

Algunas sondas RTD pueden combinarse con termopozos para una protección adicional. En este tipo de aplicación, el termopozal no solo añade protección al RTD, sino que también sella cualquier sistema que el RTD vaya a medir (por ejemplo, un depósito o una caldera) del contacto real con el RTD. Esto resulta de gran ayuda a la hora de sustituir el RTD sin necesidad de vaciar el recipiente o el sistema.

Los termopares son el método tradicional y probado para la medición eléctrica de la temperatura. Funcionan de forma muy diferente a los RTD, pero suelen tener la misma configuración: a menudo están revestidos y pueden estar dentro de un termopozal. Básicamente, funcionan según el efecto Seebeck, que da lugar a un cambio en la fuerza electromotriz termoeléctrica inducido por un cambio de temperatura. Muchas aplicaciones se prestan tanto a los RTD como a los termopares. Los termopares tienden a ser más resistentes, no presentan errores de autocalentamiento y admiten una gran variedad de instrumentos. Sin embargo, los RTD, especialmente los de platino, son más estables y precisos.

Metal Film RTD elements

En la técnica de construcción más reciente, se deposita o se serigrafía una película de platino o de lodo de metal y vidrio sobre un pequeño sustrato de cerámica plano, se graba con un sistema de recorte por láser y se sella. El RTD de película ofrece una reducción sustancial del tiempo de montaje y tiene la ventaja adicional de una mayor resistencia para un tamaño determinado. Debido a la tecnología de fabricación, el tamaño del dispositivo es pequeño, lo que significa que puede responder rápidamente a cambios bruscos de temperatura. Los RTD de película son actualmente menos estables que sus homólogos fabricados a mano, pero se están haciendo más populares debido a sus ventajas decisivas en cuanto a tamaño y coste de producción. Estas ventajas deberían impulsar la investigación futura necesaria para mejorar la estabilidad.

Metales: todos los metales producen un cambio positivo en la resistencia cuando se produce un cambio positivo en la temperatura. Esta es, por supuesto, la función principal de un sensor RTD. Como veremos en breve, el error del sistema se minimiza cuando el valor nominal de la resistencia RTD es grande. Esto implica un cable metálico con una alta resistividad. Cuanto menor sea la resistividad del metal, más material tendremos que utilizar.

La siguiente tabla enumera las resistividades de los materiales comunes para un termómetro de resistencia.

Debido a su menor resistividad, el oro y la plata rara vez se utilizan como elementos RTD. El tungsteno tiene una resistividad relativamente alta, pero es reservado para aplicaciones a temperaturas muy altas, ya que es extremadamente frágil y difícil de trabajar.

El cobre se utiliza ocasionalmente como elemento RTD. Su baja resistividad obliga a que el elemento sea más largo que un elemento de platino, pero su linealidad y su bajo coste lo convierten en una alternativa económica. Su límite superior de temperatura es de solo unos 120 ºC.

Los RTD más comunes están fabricados con platino, níquel o aleaciones de níquel. Los cables derivados del níquel, más económicos, se utilizan en un rango de temperaturas limitado. Son bastante no lineales y tienden a desviarse con el tiempo. Para garantizar la integridad de la medición, el platino es la opción más obvia.

Características del elemento resistivo

Hay varios detalles muy importantes que deben especificarse para identificar correctamente las características del RTD:

1. 1. Material del elemento resistivo (platino, níquel, etc.)
2. 2. Coeficiente de temperatura
3. 3. Resistencia nominal
4. 4.
5. 5. Dimensiones físicas o restricciones de tamaño
6. 6. Precisión

1. Rango de temperaturas>

Varios metales son bastante comunes para su uso en elementos resistivos y la pureza del metal afecta a sus características. El platino es, con diferencia, el más popular debido a su linealidad con la temperatura. Otros materiales comunes son el níquel y el cobre, aunque la mayoría de ellos están siendo sustituidos por elementos de platino. Otros metales utilizados, aunque raramente, son el Balco (una aleación de hierro y níquel), el tungsteno y el iridio.

2. Coeficiente de temperatura

El coeficiente de temperatura de un elemento es una propiedad física y eléctrica del material. Se trata de un término que describe el cambio medio de resistencia por unidad de temperatura desde el punto de congelación hasta el punto de ebullición del agua. Diferentes organizaciones han adoptado diferentes coeficientes de temperatura como estándar. En 1983, la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) adoptó el estándar DIN (Instituto Alemán de Normalización) de platino 100 ohmios a 0 ºC con un coeficiente de temperatura de 0,00385 ohmios por grado centígrado. Este es ahora el estándar aceptado por la industria en la mayoría de los países, aunque se utilizan ampliamente otras unidades. A continuación se ofrece una breve explicación de cómo se obtiene el coeficiente: Resistencia en el punto de ebullición (100 ºC) = 138,50 ohmios. Resistencia en el punto de congelación (0 ºC) = 100,00 ohmios. Se divide la diferencia (38,5) por 100 grados y luego se divide por el valor nominal de 100 ohmios del elemento. El resultado es el coeficiente de temperatura promedio (alfa) de 0,00385 ohmios por ohmio por ºC.

Algunos de los materiales y coeficientes de temperatura menos comunes son:
Pt TC = 0,003902 (estándar industrial estadounidense)
Pt TC = 0,003920 (antiguo estándar estadounidense)
Pt TC = 0,003923 (SAMA)
Pt TC = .003916 (JIS)
TC del cobre = .0042
TC del níquel = 0.00617 (DIN)
TC del níquel = 0,00672 (cada vez menos común en EE. UU.)
Balco TC = 0,0052
Tungsteno TC = 0,0045
Tenga en cuenta que los coeficientes de temperatura son los valores medios entre 0 y 100 ºC. Esto no quiere decir que las curvas de resistencia frente a temperatura sean realmente lineales en el rango de temperatura especificado.

3. Resistencia nominal

La resistencia nominal es el valor de resistencia preespecificado a una temperatura determinada. La mayoría de los estándares, incluida la IEC-751, utilizan 0 ºC como punto de referencia. El estándar IEC es de 100 ohmios a 0 ºC, pero otras resistencias nominales son disponibles, como 50, 200, 400, 500, 1000 y 2000 ohmios.

4. Rango de temperaturas de aplicación

Dependiendo de la configuración mecánica y los métodos de fabricación, los RTD pueden utilizarse entre -270 ºC y 850 ºC. Las especificaciones para el rango de temperatura serán diferentes, por ejemplo, para los tipos de película delgada, bobinados y encapsulados en vidrio.

5. Dimensiones físicas o restricciones de tamaño

La dimensión más crítica del elemento es el diámetro exterior (O.D.), ya que el elemento a menudo debe encajar dentro de una funda protectora. Los elementos de tipo película no tienen dimensión de diámetro exterior. Para calcular una dimensión equivalente, necesitamos encontrar la diagonal de una sección transversal final (esta será la distancia más ancha a través del elemento cuando se inserta en una funda).

Por ejemplo, si se utiliza un elemento de 10 x 2 x 1,5 mm, la diagonal se puede calcular tomando la raíz cuadrada de (22 + 1,52). Por lo tanto, el elemento encajará en un orificio con un diámetro interior de 2,5 mm (0,98"). A efectos prácticos, recuerde que cualquier elemento de 2 mm de ancho o menos encajará en una funda de 1/8" de diámetro exterior con paredes de 0,010", en términos generales. Los elementos de 1,5 mm de ancho suelen encajar en una funda con un diámetro interior de 0,084". Consulte la Figura 1.

6. Precisión

Las especificaciones de la norma IEC 751 para termómetros de resistencia de platino han adoptado los requisitos de precisión de la norma DIN 43760. Los elementos DIN-IEC Clase A y Clase B se muestran en la tabla de esta página.

7. Tiempo de respuesta

La respuesta del 50 % es el tiempo que necesita el elemento del termómetro para alcanzar el 50 % de su valor de estado estable. La respuesta del 90 % se define de manera similar. Estos tiempos de respuesta de los elementos se dan para agua que fluye a una velocidad de 0,2 m/s y aire que fluye a 1 m/s. Se pueden calcular para cualquier otro medio con valores conocidos de conductividad térmica. En una funda de 1/4" de diámetro sumergida en agua que fluye a 3 pies por segundo, el tiempo de respuesta al 63 % de un cambio escalonado de temperatura es inferior a 5,0 segundos.

8. Medición de la corriente y autocalentamiento

La medición de la temperatura se realiza casi exclusivamente con corriente continua. Inevitablemente, la corriente de medición genera calor en el RTD. Las corrientes de medición admisibles vienen determinadas por la ubicación del elemento, el medio que se va a medir y la velocidad de los medios en movimiento. Un factor de autocalentamiento, «S», proporciona el error de medición del elemento en ºC por milivatio (mW). Con un valor dado de corriente de medición, I, el valor en milivatios P se puede calcular a partir de P = I2R, donde R es el valor de resistencia del RTD. El error de medición de temperatura Δ T (ºC) se puede calcular a partir de Δ T = P x S.

Especificaciones del elemento de resistencia

Estabilidad: Mejor que 0,2 ºC después de 10 000 horas a la temperatura máxima (1 año, 51 días y 16 horas continuas).

Resistencia a las vibraciones: 50 g a 500 ºC; 200 g a 20 ºC; a frecuencias de 20 a 1000 cps.

Resistencia al choque térmico: En aire forzado: en todo el rango de temperaturas. En enfriamiento con agua: de 200 a 20 ºC.

Sensibilidad a la presión: Menos de 1,5 x 10-4 C/PSI, reversible.

Errores de autocalentamiento y tiempos de respuesta: Consulte las páginas específicas del Manual de temperaturas para el tipo de elemento seleccionado.

Autoinductancia de la corriente de detección: Se puede considerar insignificante para los elementos de película delgada; normalmente inferior a 0,02 microhenrios para los elementos bobinados.

Capacitancia: Para elementos bobinados: calculada en menos de 6 picofaradios; para elementos de película: la capacitancia es demasiado pequeña para medirse y se ve afectada por la conexión del cable conductor. Las conexiones de los cables con el elemento pueden indicar una capacitancia de unos 300 pF.

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