Selección de Instrumentos para Medición de Temperatura. Parte I (RTD)
Para la selección de instrumentos de temperatura se debe tener en cuenta distintos aspectos técnicos, como ser la funcionalidad del equipo, el software del instrumento, la exactitud especificada por el fabricante, el tipo de sensor del equipo, entre otros.
El tipo de sensor del instrumento es una de las características que menos se tiene en cuenta a la hora de seleccionar un instrumento de medición y es posiblemente una de las más importantes.
AKRIMET quiere hacerle llegar información para la selección de sensores en nuestras notas técnicas. En la presente nota técnica daremos una introdución a los termómetros de resistencia de platino (RTD por su nombre en ingles) conocidos comúnmente como Pt100.
Los termómetros de Resistencia de platino (RTD) pueden operar en un rango de -260 a 960°C con exactitudes que llegan hasta 0.001 °C, aunque el rango más común es de -260 a 420 °C.
Las RTDs requieren estimulación externa en forma de corriente de excitación para su medición, esto hace que se debe estudiar en detalle la medición de resistencia para poder reconocer las fuentes de incertidumbre en mediciones donde se usan RTDs y usar equipamiento de alta calidad para las mediciones.
Construcción de los sensores RTD
Existen tres tipos de sensores:
Parcialmente sostenidos, totalmente sostenidos y de film delgado
En todos los casos el rango del sensor depende en gran parte en el material de la vaina de la RTD, el cual es una fuente importante de contaminantes.
Parcialmente sostenidos
El sensor es muy frágil y se deben evitar los golpes, vibraciones y movimientos bruscos. Muchos de estos sensores están cubiertos con acero, pero esto no debe interpretarse como un signo de fortaleza y deben ser tratadas con sumo cuidado.
Este tipo de sensores se fabrican con el cable de más alta calidad y son los sensores de mejor especificación pudiendo tener derivas tan chicas como 0.001°C al año.
Totalmente sostenidos
Los sensores totalmente sostenidos son más robustos que los parcialmente sostenidos. Están montados en vidrio o cerámico de alúmina. Al encapsular el cable completamente disminuye la susceptibilidad a las vibraciones y a los choques mecánicos. Lo que se gana en un sensor más robusto se pierde en que estos sensores tienen peor estabilidad a largo plazo y una histéresis mayor debido a los efectos de expansión termal del cable y del soporte.
En general las RTDs completamente sostenidas tienen exactitudes de entre 0.02°C y 0.2°C. Con mucha mayor fortaleza que las parcialmente sostenidas.
Film delgado
Estos pueden ser fabricados de forma automática lo cual disminuye el precio. Son más rápidos y más baratos que los parcialmente y totalmente sostenidos lo cual los hace útiles para muchas aplicaciones industriales.
Son fabricados depositando el platino sobre un cuadrado de alúmina que tiene un grabado en forma zigzagueante y luego protegiéndolo con esmalte.
En general tienen la misma exactitud que los sensores totalmente sostenidos, pero tienen un rango menor de temperaturas. Pueden tener más problemas por expansión térmica con lo cual su histéresis y deriva puede ser grande.
Vainas
Las vainas pueden ser metálicas (acero inoxidables e inconel) o no metálicas (vidrio, alúmina o cuarzo). El tipo de vaina determina el rango de temperatura del sensor.
Las vainas metálicas son más fuertes y más fáciles de fabricar, pero es más probable que contaminen el sensor que las otras. Otro problema es que un sensor con vaina metálica se percibe como más fuerte y se tiende a cuidar menos de vibraciones o movimientos bruscos que uno con vaina no metálica con el consiguiente deterioro del elemento sensor. Para el uso por sobre 250°C las vainas metálicas deben ser tratadas con aire u oxígeno para pasivar el metal.
Aislación
La aislación del cable de platino es crítica en el armado de la RTD. Si el cable de platino toca la vaina metálica se produce un cambio de resistencia, por lo tanto el mismo es aislado con algún material cerámico. Es importante que el sensor este aislado del ambiente para prevenir la entrada de humedad al sensor que cambiara la aislación eléctrica.
Errores en mediciones de RTDs
Inmersión: Debido a que el sensor tiene un tamaño mayor y una exactitud menor que otros sensores la inmersión del sensor es realmente importante. En general se asume una inmersión de entre 15 y 20 veces el diámetro del sensor.
Atraso y estabilización: Los RTDs tienen tiempo de estabilización de entre 1 y 20 segundos, esto significa que mientras el 95% de la estabilización puede ocurrir relativamente rápido, en unos 20 segundos, el 5% de los errores restantes pueden tomar minutos en irse. Con lo cual conviene tener este tipo de sensores por lo menos 10 minutos en un baño estable antes de tomar lecturas.
Radiación: En los sensores de cuarzo o vidrio el vidrio conduce radiación desde y hasta el elemento lo cual termina cambiando su temperatura. A bajas temperaturas aumenta las lecturas y a altas las disminuye. En sensores con vaina de acero o inconel esto es nulo.
Autocalentamiento: Al pasar una corriente por una resistencia se produce una potencia que genera calor. En el caso de un elemento de 100Ω y 1mA de corriente de excitación en hielo se produce una potencia de 0.1mW que sería un autocalentamiento de entre 0.001 y 0.005°C. Para calcular el autocalentamiento se calcula la potencia generada y luego se convierte a temperatura con coeficientes de tablas o dados por el fabricante.
Golpes mecánicos y vibraciones: los golpes mecánicos y las vibraciones causan deriva de las RTDs, ya que el cable de platino se dobla y cambia su estructura con lo cual cambia su resistencia. A pesar de su apariencia de ser un instrumento fuerte las RTDs de acero deben tratarse con tanto cuidado como las de cuarzo o vidrio.
Efectos por expansión térmica: En algunos casos el platino y la sustancia que lo mantiene en su lugar (en general cerámica) pueden expandir en distinta forma, lo cual lleva a una deformación temporal del cable. Esto puede dar lugar a una histéresis y a una deriva. Muchos de los errores debido a expansión térmica y vibraciones pueden corregirse con annealing o recocido (llevar el sensor a su máxima temperatura y dejar por un tiempo ahí y luego bajar la temperatura lentamente).
Contaminación: RTDs sometidas a temperaturas mayores a 250°C son más susceptibles a contaminación. El error más común es la migración de metales desde la vaina al cable de platino incrementando la resistencia del elemento. Este daño es irreversible a diferencia de daño de vibraciones o expansión térmica, este daño no es corregido por annealing. Para evitar este daño se puede crear una capa de óxido en el interior de la vaina pasando oxigeno o aire.
Corriente de fuga: A altas temperaturas la resistencia de los aisladores comienza a cambiar y se produce una pérdida de corriente por fuga. A bajas temperaturas la humedad produce una resistencia de aislación menor. Para calcular este efecto se puede suponer que son 2 resistencias en paralelo.
Interferencia electromagnética: Son corrientes o tensiones que se originan fuera del circuito de medición. Transmisiones de radios o TVs, motores, cables de alta tensión o transformadores pueden ser fuentes de esta interferencia. La forma de disminuir este problema es colocar los equipos para la medición de temperatura lo más lejos posibles de fuentes que generen interferencia electromagnética y retorcer los cables (twisted pair).
Ecuaciones para la medición de RTDs
Las RTDs se miden en resistencia pero se usan para determinar la temperatura, con lo cual se debe buscar un método para convertir de resistencia a temperatura. Existen dos fórmulas para esto Callendar-Van Dusen e ITS-90. En ambas e puede determinar coeficientes y corregir las desviaciones del sensor.
En general las RTDs son sensores que brindan una muy buena exactitud y son los sensores preferidos cuando se requieren exactitudes mejores a 0.5°C para las mediciones entre -200 y 420°C.
En las próximas nota técnicas brindaremos información sobre otros tipos de sensores como termistores, termopares (comúnmente llamados termocuplas) y termómetros de liquido en vidrio.
AKRIMET | División Metrológica de AKRIBIS