RTDs
RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR
DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS ( RTD )
Los detectores de temperatura basados en la variación de una resistencia eléctrica se suelen designar con sus siglas inglesas RTD (Resistance Temperature Detector).Dado que el material empleado con mayor frecuencia para esta finalidad es el platino, se habla a veces de PRT (Platinum Resistance Thermometer).
El símbolo general para estos dispositivos es el de la figura; la línea recta en diagonal sobre el resistor indica que varía de forma intrínseca lineal, y la anotación junto a dicha línea denota que la variación es debida a la temperatura y tiene coeficiente positivo.
Principio de funcionamiento.
El principio de funcionamiento de las RTD se basa en la propiedad de algunos metales de variar su conductividad eléctrica, y por tanto su resistencia, por efecto de la temperatura. Los metales son elementos que se caracterizan por tener electrones libres en los niveles de la banda de conducción, así, en presencia de calor aumenta la energía interna del metal lo cual produce una mayor vibración de los átomos, apareciendo con ello átomos en la banda de conducción. Ello aumenta el número de obstáculos para los electrones, aumenta el número de colisiones, dificultándose el paso de éstos. En otras palabras, un aumento en la temperatura implica una disminución de la conductividad y por tanto un aumento de la resistividad eléctrica.
Curva usuales de termómetros de resistencia para alambre de Platino, Cobre, Níquel, en donde R1 es igual a la Resistencia a la Temperatura t y Ro es la resistencia a O°C
La relación entre estos factores, se puede ver en la expresión lineal siguiente
Rt = Ro (1 + a t)
donde
Rt =es la resistencia en ohmios a t °C
Ro=es la resistencia en ohmios a 0 °C
a = es el coeficiente de temperatura de la resistencia
En el caso de una resistencia fabricada con material semiconductor (termistores) la variación con la temperatura es muchísimo más grande, pero tiene el gran inconveniente de ser de tipo exponencial.
Rt = Ro (1 - a t - b t2 - d t3 ... )
De las expresiones anteriores se deduce claramente que una resistencia metálica aumenta su valor con la temperatura, mientras que en los semiconductores, aumenta su valor al disminuir la temperatura. Las resistencias de tipo metálico son de uso frecuente debido a que suelen ser casi lineales durante un intervalo de temperaturas bastante elevado.
El empleo de un conductor para la medida de temperaturas, basándose en el comportamiento descrito anteriormente está sometido a varias limitaciones. En primer lugar, es obvio que no se podrán medir temperaturas próximas ni superiores a la de fusión del conductor. En segundo lugar, para poder medir una temperatura determinada con este método es necesario que el sensor esté precisamente a dicha temperatura. Habrá que evitar, pues, auto calentamientos provocados por el circuito de medida.
Otra limitación a considerar es la posible presencia de deformaciones mecánicas, provocan también un cambio en el valor de la resistencia eléctrica de un conductor. Esta situación puede darse, inadvertidamente, al medir, por ejemplo temperaturas superficiales mediante un elemento adherido a la superficie.
CARACTERISTICAS QUE DEBEN POSEER LOS MATERIALES QUE FORMAN EL CONDUCTOR DE LA RESISTENCIA
- Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible.
- Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada, mayor será la variación por grado; mayor sensibilidad.
- Relación lineal resistencia-temperatura.
- Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta).
MATERIALES USADOS NORMALMENTE EN LAS SONDAS
A) PLATINO
Es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y estabilidad, pero presenta el inconveniente de su coste. En general la sonda de resistencia de Pt utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 0ºC. por esta razón, y por las ventajosas propiedades físicas del Pt fue elegido este termómetro como patrón para la determinación de temperaturas entre los puntos fijos desde el punto del Oxigeno (-183ºC) hasta el punto de Sb (630'5).
Con un termómetro de este tipo convenientemente graduado, se pueden hacer medidas con una exactitud de 0'01ºC y cambios de temperatura de 0'001ºC pueden medirse fácilmente.
El valor elegido para Ro es de ordinario 25'5 ohmios aproximadamente; la resistividad del platino aumenta aproximadamente 0'39% de la resistividad a 0ºC por grado de elevación de temperatura.
A 100ºC el valor de Rt será por consiguiente 35'5 ohmios, aumento de 0'1 ohmios por grado.
Para medir hasta 0'01 con un error menor que 1% habría que medirse Rt con aproximación de 0'00001 ohmios. El elemento medidor puede ser un puente de Wheaston o un potenciómetro de precisión.
El Platino se emplea mucho en los termómetros de resistencia industriales, en escala de temperatura aproximadamente -50ºC hasta 550ºC.
Los arrollamientos están protegidos contra desperfectos por tubos de metal y dispuestos de manera que permiten rápido intercambio de calor en el arrollamiento y el medio en que está colocado el tubo
Sonda termométrica de platino
B) NÍQUEL
Mas barato que el Pt y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado, el interés de este material lo presenta su sensibilidad; hay una falta de linealidad en su relación R - Tª. Efectivamente en el intervalo de temperatura de 0 a 100ºC, la resistencia de Níquel aumenta en un 62% mientras que el Pt solo aumenta en un 38%. Sin embargo los problemas relativos a su oxidación u otro tipo de deterioro químico, limitan su utilización e incluso ponen en peligro la reproducibilidad de sus medidas. Otro problema añadido es la variación que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados.
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Termómetro de resistencia de níquel |
Los termómetros de resistencia de níquel se usan mucho. Su intervalo de valor de Ro es de 10 a 10000 ohmios; los valores superiores se usan para eliminar el error debido a la variación de resistencia de conductores y contactos.
C) COBRE
El cobre tiene una variación de resistencia uniforme en el rango de temperatura cercano a la ambiente; es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad, ya que hace que las variaciones relativas de resistencia sean menores que las de cualquier otro metal. Por otra parte sus características químicas lo hacen inutilizable por encima de los 180ºC.
D) TUNGSTENO
Tiene una sensibilidad térmica superior a la del platino, por encima de 100ºC y se puede utilizar a temperaturas más altas, incluso con una linealidad superior. Asimismo se puede hacer hilo muy fino, de manera que se obtengan resistencias de valor elevado, pero como consecuencia de sus propiedades mecánicas su estabilidad es muy inferior a la del platino. Las técnicas actuales de fabricación de láminas delgadas por evaporación, serigrafía u otro procedimiento ligado a la microelectrónica permiten depositar en superficies muy pequeñas resistencias de los materiales indicados anteriormente
Características de sondas de resistencia
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METODOS DE MEDIDA
Uno de los metodos mas usados para la determinación del valor de la resistencia. El método de medida de resistencias con el puente de Wheastone, utilizando resistencias de dos, tres o cuatro hilos.
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La sonda de resistencia se conecta a uno de los brazos del puente. Es el montaje más sencillo, pero presenta el inconveniente de que la resistencia de los hilos a y b de conexión de la sonda al puente varía cuando cambia la temperatura y esta variación falsea por los tanto la indicación de temperatura; aunque estos hilos sean de baja resistencia y esta sea conocida, las longitudes que puede haber en entre la sonda y el panel donde esté el instrumento receptor, añaden una gran resistencia al brazo de la sonda.
MONTAJE DE TRES HILOS
Es el más utilizado en la práctica. En este circuito la sonda está conectada mediante tres hilos al puente. De este modo, la medida no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura ya que esta influye a la vez en dos brazos adyacentes del puente, siendo la única condición que la resistencia de los hilos a y b sea exactamente la misma
MONTAJE DE CUATRO HILOS
Se utiliza para obtener la mayor precisión posible en la medida como es el caso de calibración de patrones de resistencia en laboratorio. Se basa en efectuar dos mediciones de la resistencia de la sonda combinando las conexiones de modo tal que la sonda pase de un brazo del puente al adyacente. De este modo se compensan las resistencias desiguales de los hilos de conexión.
Finalmente, el procedimiento que más se utiliza, aunque su precisión dependa total y exclusivamente del aparato de medida, es la medida de la diferencia de potencial entre los extremos del sensor alimentado por una fuente de corriente constante. Este corresponde al método de las cuatro puntas de determinación de resistencias. Muchos multímetros vienen preparados para la determinación de resistencias por este método o por el de dos puntas únicamente. También cabe indicar que hay numerosos multímetros que tienen incorporado en su sistema de medida de resistencias la posibilidad de que ésta se corresponda con un termómetro de platino, y por tanto, visualiza directamente los valores de la temperatura en la escala elegida.