Sensor de temperatura de resistencia

¿Qué es un sensor de temperatura de resistencia?

Los termómetros de resistencia, también llamados detectores de temperatura de resistencia (RTD), son sensores utilizados para medir la temperatura. Muchos elementos RTD están diseñados con alambre delgado envuelto alrededor de un núcleo de cerámica o vidrio, pero también se utilizan otras construcciones. El cable RTD es un material puro, generalmente platino, níquel o cobre. 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, a menudo se alojan en un objeto plástico o metálico para protegerlos.

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

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Relación resistencia / temperatura de metales

Los elementos de detección RTD comunes hechos de platino, cobre o níquel tienen una relación de resistencia en función de la temperatura repetible (R / T) y un rango de temperaturas de funcionamiento. La relación R / T se define como la cantidad de cambio en la resistencia del sensor por grado de cambio en la temperatura. La variación relativa de la resistencia (coeficiente de resistencia térmica) varía muy poco en el rango útil del sensor.

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El platino se propuso en la conferencia de Bakerian en 1871: es un metal noble con la relación resistencia-temperatura más estable en el rango de temperatura más amplio. Los elementos de níquel tienen un rango de temperatura limitado porque R / T se vuelve no lineal a temperaturas superiores a 300 ° C. El cobre tiene una relación muy lineal de resistencia-temperatura; sin embargo, el cobre se oxida a temperaturas moderadas y no se puede usar por encima de 150 ° C.

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 resistencia se observa α y generalmente se da en unidades de Ω / (Ω · ° C ):

  = (R100-R0) / (100°C.R0)

durante el cual

R0 es la resistencia del sensor a 0 ° C,

R100 es la resistencia del sensor a 100 ° C.

El platino puro a α = 0,003925 Ω / (Ω ° C) en el rango de 0 a 100 ° C se utiliza en la construcción de sensores de resistencia de laboratorio. Por el contrario, dos estándares reconocidos para RTD industriales IEC 60751 y ASTM E-1137 especifican α = 0,00385 Ω / (Ω · ° C). Antes de la adopción generalizada de estos estándares, se utilizaron varios valores α diferentes. Todavía es posible encontrar sensores de platino más antiguos con α = 0.003916 Ω / (Ω · ° C) y 0.003902 Ω / (Ω · ° C).

Estos diferentes valores de α para platino se obtienen mediante dopaje al introducir cuidadosamente las impurezas en el platino. Las impurezas introducidas durante el dopaje se hunden en la estructura reticular del platino y causan una curva R vs T diferente y, por lo tanto, un valor α.

Calibración

2_2.pngCalibración de punto fijo Para caracterizar la relación R vs T de cualquier RTD en un rango de temperatura que represente el rango de uso previsto, la calibración debe realizarse a temperaturas distintas de 0 ° C y 100 ° C. Esto es necesario para responder requisitos de calibración Si bien se considera que los RTD funcionan linealmente, debe demostrarse que son precisos con respecto a las temperaturas con las que realmente se utilizarán. Los métodos de calibración comunes son el método de punto fijo y el método de comparación.

Se utiliza para calibraciones de máxima precisión por laboratorios de metrología. Utiliza el punto triple, el punto de congelación o el punto de fusión de sustancias puras como agua, zinc, estaño y argón para generar una temperatura conocida y reproducible. 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 (hasta ± 0,001 ° C). El baño de hielo es un método de calibración de punto fijo común para sensores de grado industrial. El equipo es económico, fácil de usar y puede alojar varios sensores al mismo tiempo. El punto de hielo se designa como estándar secundario porque su precisión es de ± 0,005 ° C, en comparación con ± 0,001 ° C para los puntos fijos principales.

Calibraciones comparativas

Se usa comúnmente con SPRT secundarios y RTD industriales. Los termómetros que se calibran se comparan con los termómetros calibrados por medio de un baño cuya temperatura es uniformemente estable. A diferencia de las calibraciones de punto fijo, las comparaciones se pueden hacer a cualquier temperatura entre -100 ° C y 500 ° C. Este método podría ser más rentable, ya que múltiples sensores pueden calibrarse simultáneamente con equipos automatizados. Estos baños calentados eléctricamente y bien agitados usan aceites de silicona y sales fundidas como medio para las diferentes temperaturas de calibración.

¿Cuáles son los tipos de elementos resistivos?

Las tres categorías principales de sensores RTD son elementos de bobina y película delgada. Aunque 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 extremadamente bajas (-173 ° C a -273 ° C). Más información.

Elementos de resistencia al carbono.

Son baratos y ampliamente utilizados. Tienen resultados reproducibles a bajas temperaturas. Son la forma más confiable a temperaturas extremadamente bajas. No están sujetos a histéresis significativa o efecto de galgas extensométricas.

Elementos sin restricciones

Use un carrete de alambre con un soporte mínimo en un recinto sellado lleno de un gas inerte. Estos sensores operan hasta 961,78 ° C y se usan en los SPRT que definen el ITS-90. Consisten en alambre de platino ligeramente enrollado en una estructura de soporte, de modo que el elemento es libre de expandirse y contraerse con la temperatura. Son muy sensibles a los golpes y las vibraciones, porque los bucles de platino pueden balancearse y deformarse.

Elementos de película delgada

Tener un elemento sensible que se forma depositando una capa muy delgada de material resistivo, normalmente platino, sobre un sustrato cerámico (enchapado). Esta capa es generalmente de 10 a 100 ångströms (1 a 10 nanómetros) de espesor. Luego, esta película se cubre con un epóxico o vidrio que ayuda a proteger la película depositada y también sirve como alivio de tensión para los cables conductores externos. Las desventajas de este tipo son que no son tan estables como sus contrapartes en espiral. También se pueden usar solo en un rango de temperatura limitado debido a las diferentes tasas de expansión del sustrato y del depósito resistivo que da un efecto visible de "medidor de deformación" sobre el coeficiente de temperatura resistiva. Estos elementos operan a temperaturas de hasta 300 ° C sin otro embalaje, pero pueden operar hasta 600 ° C cuando se encapsulan adecuadamente en vidrio o cerámica. Se pueden utilizar elementos RTD especiales de alta temperatura hasta 900 ° C con la encapsulación correcta.

Elementos bobinados

puede tener mayor precisión, especialmente para amplios rangos de temperatura.El diámetro de la bobina ofrece un compromiso entre la estabilidad mecánica y la expansión del cable para minimizar el estrés y la deriva resultante. El cable de detección se enrolla alrededor de un mandril o un núcleo aislante. El núcleo del devanado puede ser redondo o plano, pero debe ser un aislante eléctrico. El coeficiente de expansión térmica del material del núcleo del devanado se adapta al cable de detección para minimizar cualquier esfuerzo mecánico. Esta tensión en el cable del elemento causará un error de medición térmica. El cable de detección está conectado a un cable más grande, generalmente llamado cable o elemento del elemento. Este cable se selecciona para ser compatible con el cable de detección, de modo que la combinación no genere una fuerza electromotriz que distorsione la medición térmica.

Elementos en espiral

Han reemplazado en gran medida los elementos de la herida en la industria. Este diseño tiene un carrete de alambre que puede expandirse libremente por encima de la temperatura, sostenido en su lugar por un soporte mecánico, permitiendo que el carrete mantenga su forma. Este diseño "libre de estrés" permite que el cable sensor se expanda y contraiga sin la influencia de otros materiales; a este respecto, es similar a SPRT, el estándar principal en el que se basa ITS-90, al tiempo que proporciona la durabilidad necesaria para uso industrial. La base del elemento sensor es un pequeño carrete de alambre de detección de platino. Esta bobina se parece a un filamento en una bombilla incandescente. La carcasa o mandril es un tubo de óxido cerámico de cocción dura con orificios equidistantes que se extienden transversalmente a los ejes. La bobina se inserta en los orificios del mandril y luego se empaqueta con polvo cerámico muy finamente molido. Esto permite que el cable sensor se mueva mientras permanece bien en contacto térmico con el proceso. Estos elementos funcionan a temperaturas de hasta 850 ° C.

El estándar internacional actual que especifica la tolerancia y la relación entre la resistencia y la resistencia eléctrica de los termómetros de resistencia de platino es IEC 60751: 2008; ASTM E1137 también se usa en los Estados Unidos. Los dispositivos más utilizados 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" para 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 0,385 Ω / ° C. RTD con una sensibilidad de 0,375 y 0,392 Ω / ° C, así como muchos otros, también están disponibles.

¿Cómo funciona un sensor de resistencia?

Los termómetros de resistencia se construyen de varias formas y, en algunos casos, ofrecen mayor estabilidad, precisión y repetibilidad 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. La resistencia idealmente varía casi linealmente con la temperatura de acuerdo con la ecuación de Callendar - Van Dusen.

El cable de detección de platino debe permanecer libre de contaminación para permanecer estable. Un alambre o película de platino se apoya en una plantilla para lograr una expansión diferencial mínima u otra deformación de su plantilla, mientras resiste razonablemente la vibración. Los conjuntos RTD hechos de hierro o cobre también se usan en ciertas aplicaciones. Los grados comerciales de platino tienen un coeficiente de resistencia a la temperatura de 0,00385 / ° C (0,385% / ° C) (rango fundamental europeo). El sensor está generalmente diseñado para tener una resistencia de 100 Ω a 0 ° C. Esto se define en la norma BS EN 60751: 1996 (tomada de IEC 60751: 1995). El intervalo estadounidense fundamental es 0,00392 / ° C, basado en el uso de una calidad de platino más puro que el estándar europeo. El estándar estadounidense proviene de la SAMA (Asociación de Fabricantes de Aparatos Científicos), que ya no está en este campo de estándares.

La resistencia del cable conductor también puede ser un factor; Al adoptar conexiones de tres y cuatro cables, en lugar de dos cables, se puede restar la resistencia de las conexiones. La conexión de tres cables es suficiente en la mayoría de los casos y es una práctica industrial casi universal. Las conexiones de cuatro hilos se utilizan para las aplicaciones más precisas.

Ventajas y limitaciones.

Las ventajas de los termómetros de resistencia de platino:

- Alta precisión

- Baja deriva

- Amplio rango de operación

- Adecuado para aplicaciones de precisión.

Límites:

Los RDT en aplicaciones industriales rara vez se usan por encima de 660 ° C. A temperaturas superiores a 660 ° C, es cada vez más difícil evitar que el platino se contamine con impurezas de la cubierta metálica. del termómetro. Esta es la razón por la cual los termómetros de laboratorio estándar reemplazan la cubierta metálica con una construcción de vidrio. A temperaturas muy bajas, por ejemplo, por debajo de -270 ° C (3 K), debido a la escasez de fonones, la resistencia de un RTD está determinada principalmente por impurezas y límite de difusión, y por lo tanto es fundamentalmente independiente de la temperatura. Como resultado, la sensibilidad del RTD es esencialmente cero y, por lo tanto, innecesaria.

En comparación con los termistores, los RTD de platino son menos sensibles a los 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 vs termopares

Los dos métodos más comunes de medición de temperatura para aplicaciones industriales son los detectores de temperatura de resistencia (RTD) y los termopares. La elección entre ellos generalmente está determinada por cuatro factores.

Temperatura

Si la temperatura del proceso está entre -200 y 600 ° C (podemos ofrecer sensores de platino hasta 1000 ° C para necesidades específicas), el RTD es la opción más adecuada. Los termopares tienen un rango de -270 a 2 ° C.

Tiempo de respuesta

Si el proceso requiere una respuesta muy rápida a los cambios de temperatura, un termopar es la mejor opción. El tiempo de respuesta se mide sumergiendo el sensor en agua que se mueve a 1 m / s. El tiempo requerido para alcanzar el 63,2% del valor establecido corresponde al tiempo de respuesta.

Forma

Una funda RTD estándar tiene un diámetro de 1,5 mm a + 6 mm; Los diámetros de la vaina del termopar pueden ser inferiores a 1,5 mm.

Precisión y requisitos de estabilidad.

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

Construcción

Estos elementos casi siempre requieren conductores aislados. El aislamiento de PVC, caucho de silicona o PTFE se usa a temperaturas inferiores a aproximadamente 250 ° C. Por encima, se usa fibra de vidrio o cerámica. El punto de medición, y generalmente la mayoría de los conductores, requieren una carcasa o funda protectora, a menudo hecha de una aleación de metal químicamente inerte para el proceso a monitorear. La selección y el diseño de las vainas protectoras pueden requerir más cuidado que el propio sensor, ya que deben resistir ataques químicos o físicos y constituir puntos de fijación prácticos.

Configuraciones de cableado

Configuración de dos hilos

La configuración de termómetro de resistencia más simple utiliza dos cables. Solo se usa cuando no se requiere alta precisión, porque la resistencia de los cables de conexión se agrega a la del sensor, lo que conduce a errores de medición. Esta configuración permite el uso de 100 metros de cable. Esto también se aplica al puente equilibrado y al sistema de puente fijo.

Para un puente equilibrado, la configuración habitual es R2 = R1 y R3 en el medio del rango RTD. Entonces, por ejemplo, si medimos entre 0 y 100 ° C, la resistencia RTD estará entre 100 Ω y 138,5 Ω. Elegiríamos R1 = 120 Ω. De esta manera, obtenemos un pequeño voltaje medido en el puente.

Configuración de tres hilos

Para minimizar los efectos de las resistencias de los conductores, se puede utilizar una configuración de tres hilos. La configuración sugerida para la configuración que se muestra es con R1 = R2 y R3 en el medio del rango de 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 el tamaño inferior derecho en V_R3 + V_lead, por lo que el voltaje del puente (V_b) es la diferencia, V_rtd - V_R3. Se ha cancelado la caída de tensión debido a la resistencia del cable. Esto todavía se aplica si R1 = R2 y R1, R2 >> RTD, R3. R1 y R2 se pueden usar para limitar la corriente a través del RTD. Por ejemplo, para un PT100 limitado a 1 mA y 5 V, una resistencia de limitación aproximada de R1 = R2 = 5 / 0,001 = 5 Ohms.

Configuración de cuatro hilos

La configuración de resistencia de cuatro hilos aumenta la precisión de la medición de resistencia. La detección de cuatro terminales elimina la caída de voltaje a través de los cables de prueba como una contribución al error. Para aumentar aún más la precisión, todos los voltajes termoeléctricos residuales generados por diferentes tipos de cables o conexiones de tornillo se eliminan al invertir la dirección de la corriente de 1 mA y los cables al DVM (voltímetro digital). Los voltajes termoeléctricos solo se producirán en una dirección. Al promediar las mediciones invertidas, se eliminan los voltajes de error termoeléctricos.

Clasificaciones RTD

Los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) son la más alta precisión de cualquier herramienta PRT. Esta precisión se logra a expensas de la durabilidad y el costo. Los elementos SPRT se enrollan con alambre de platino de referencia. Los hilos conductores internos suelen ser de platino, mientras que los soportes internos son de cuarzo o sílice fundida. Las vainas generalmente están hechas de cuarzo. Se utiliza un cable de platino de mayor diámetro, lo que aumenta el costo y reduce la resistencia del sensor (típicamente 25,5 Ω). Los SPRT tienen un amplio rango de temperatura (-200 ° C a 1000 ° C) y una precisión de aproximadamente ± 0,001 ° C sobre el rango de temperatura. Los SPRT solo son adecuados para uso en laboratorio.

Otra clasificación estándar de PRT de platino son los termómetros de resistencia de platino estándar secundarios (SPRT). Están construidos como el SPRT, pero los materiales son más rentables. Los SPRT usan comúnmente alambre de platino, vainas metálicas y aislantes cerámicos de mayor calidad y menor pureza. Los cables conductores internos son generalmente una aleación a base de níquel. Los SPRT secundarios están más limitados en el rango de temperatura (-200 ° C a 500 ° C) y tienen una precisión aproximada de ± 0,03 ° C para el rango de temperatura.

Los PRT industriales están diseñados para soportar entornos industriales. Pueden ser casi tan durables como un termopar. Dependiendo de la aplicación, los PRT industriales pueden usar películas delgadas o elementos enrollados. Los cables de conexión interna pueden variar desde cobre trenzado niquelado aislado con PTFE hasta cable plateado, según el tamaño del sensor y la aplicación. El material de la cubierta es generalmente de acero inoxidable. Otros materiales se utilizan para aplicaciones especializadas.

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