2.3 Otros sensores a resistencia .

A nivel comercial, hay varios tipos más de sensores de resistencia además de las termorresistencias de alambre de platino, níquel o cobre: semiconductores de germanio , y silicio, resistores de carbono y los novedosos Pt100 y Pt5OO en película fina (los Pt500 siguen la curva de Pt100 pero con valores de resistencia cinco veces mayores). Sin embargo, a los semiconductores y resistores de carbono normalmente no se los encuentra en el control y medición de temperaturas de procesos industriales debido a sus rangos limitados y/o limitaciones de amplitud de alcance, alinealidades, características de deriva e inexactitudes. No ocurre lo mismo con las Pt100 de película fina o metal depositado que cada vez se utilizan más.

En lo que hace a los resistores de semiconductores o carbono, puesto que lo que se mide son variaciones de resistencia que indican variaciones de temperatura, se los clasifica como sensores de resistencia.

Se los utiliza para medir baja temperaturas (cerca del cero absoluto) zona que está más allá de las posibilidades de la termorresistencia de platino. Sin embargo. puesto que su relación resistencia-temperatura es compleja, requieren calibración en muchos puntos. Los sensores del tipo de película fina (thin film) se utilizan cada vez más y se están constituyendo en uno de los avances más significativos de la construcción de sensores a termorresistencia.

Un sensor tal consiste de una película metálica (como ser platino) depositada sobre un material aislante con un sobrerrevestimiento que protege la película del medio ambiente. Previamente se calibra en forma automática a través de un láser que traza un circuito sobre el material aislante y lo calibra al mismo tiempo .Luego por medio de un sistema computarizado, selecciona los sensores separándolos en distintas clases según tolerancias.

El sensor que resulta de todo este proceso posee las propiedades eléctricas del metal original y sus características resistencia -temperatura son similares a las de los sensores del tipo alambre. Puesto que el sensor de película fina es de pequeño tamaño, responde rápidamente a las variaciones de temperatura y tiene un precio en comparación con las termorresistencias tradicionales, un 50% más económico.

Dispositivos de temperatura de resistencia

Los dispositivos de temperatura de resistencia o sensores de temperatura resistivos (RTD), están formados por una película de metal depositada sobre un molde o son resistencias de alambre enrollado. Los dispositivos luego se sellan dentro de un material compuesto vitrocerámico. La resistencia eléctrica de los metales puros es positiva y aumenta linealmente con la temperatura. La Tabla 1 da el coeficiente de temperatura de resistencia de algunos metales comunes usados en termómetros de resistencia. Estos dispositivos son precisos y se pueden utilizar para medir temperaturas de −300 a 1400 °F (−170 a 780 °C).

En un termómetro de resistencia, la variación de la resistencia con la temperatura está dada por

RT₂ = RT₁ (1 + coeficiente [T₂ - T₁])

donde RT₂ es la resistencia a la temperatura T₂ y RT₁ es la resistencia a la temperatura T₁.

Tabla 1- Coeficiente de temperatura de resistencia de algunos metales comunes

Figura - Sensor RTD

Ejemplo . ¿Cuál es la resistencia de un resistor de platino a 250 °C, si su resistencia a 20 °C es 1050 Ω?

Los dispositivos de resistencia se miden normalmente utilizando un sistema tipo puente de Wheatstone, pero se alimentan con una fuente de corriente constante. Se debe tener cuidado de evitar que la corriente eléctrica caliente el dispositivo y provoque lecturas erróneas. Un método para superar este problema es utilizar una técnica de impulsos. Cuando se utiliza este método, la corriente se activa durante, por ejemplo, 10 ms cada 10 s, y la resistencia del sensor se mide durante este período de tiempo de 10 ms. Esto reduce los efectos del calentamiento interno en 1000 a 1 o el error de calentamiento interno por este factor.

Los dispositivos sensores de temperatura de resistencia (RTD) se pueden conectar directamente a los amplificadores periféricos del controlador de procesos mediante una configuración de  dos, tres o cuatro cables; estos se muestran en la Fig. siguiente. El RTD es controlado por una fuente de corriente constante I que mide la caída de voltaje a través del mismo. La conexión de dos cables (a) es la más simple y económica, la conexión de tres cables (b) es un compromiso entre el costo y la precisión, y la conexión de cuatro cables (c) es la más cara pero la más precisa. Los conductores en todos los casos estarán formando cables apantallados.

Figura : Esquemas de conexión alternativos entre un RTD y un controlador de procesos (a) dos conductores, (b) tres conductores y (c) cuatro conductores.

En el caso de la conexión de dos cables, la caída de voltaje se mide entre los cables conductores y el RTD; la resistencia en los cables de dos conductores puede ser significativa, dando un grado de error relativamente alto.

En el caso de la conexión de tres cables, se agrega un cable de retorno directo desde el RTD al voltímetro, como se muestra en la figura. Se puede medir la caída de voltaje δ V entre la conexión a tierra y la conexión inferior del RTD, así como la caída de voltaje V entre la fuente de corriente y la conexión inferior del RTD. Si se supone que la resistencia en cada cable de alimentación al RTD es la misma, el voltaje a través del RTD es V - δ V corrigiendo el error causado por el cable conductor común. En la mayoría de los casos, cada cable tendrá aproximadamente la misma resistencia, por lo que este método es lo suficientemente preciso para la mayoría de las aplicaciones. Con la conexión de cuatro cables, el voltímetro se conecta directamente al RTD como se muestra en la figura (c) y debido a que no fluye corriente en los cables al voltímetro, no hay caída de voltaje en los cables de medición y se obtiene una lectura de voltaje RTD precisa.

Termocuplas versus termorresistencias : la controversia continúa .

Las termocuplas ya rondan por los 150 años de edad. Durante todo este tiempo han sido y todavía son el "caballito de batalla" de las mediciones de temperatura industriales. Y durante todo este tiempo, la termocupla ha operado básicamente sin modificaciones incluyendo el problema inherente de la producción de señales muy bajas (nanowatt) a tensiones muy bajas.

Ventajas y Desventajas de la RTD con la Termocupla

Ventajas RTD

• Alta Precisión
• Mejor Linealidad
• Mejor Estabilidad
• No requiere compensación por junta fría
• Los hilos no requieren especial extensión

Desventajas RTD

• Él limite de temperatura máxima es él mas bajo
• El tiempo de respuesta sin el termopozo es bajo
• ( El tiempo de respuesta es esencialmente equivalente cuando cualquier tipo de sensor es montado sin el terpopozo )

Las termocuplas son los sensores de temperatura más ampliamente utilizados a nivel industrial debido a sus positivos atributos de ser simples, poco costosos y confiables. Sin embargo, hay numerosos profesionales en instrumentación que considera que las termocuplas se caracterizan por ser simples, baratas y "miserables" debido a la facilidad con que las salidas pueden resultar erróneas.

¿Qué pasa con las termocuplas hoy en día?. Se dispone de mejores alambres, mejores paquetes y mucho, mucho mejor manejo de las señales a través de la electrónica., sin embargo, el dispositivo todavía es propenso a los problemas inherentes de la emisión de señales muy bajas: y en más de una oportunidad aparecen captaciones de ruido de fuerzas electromotrices  inductivas de corriente alterna y de otro origen que pueden oscurecer dichas señales .

Entonces, ¿cómo se explica que las termocuplas duraron tanto tiempo ?. Las razones son dos: primero, son poco costosas y los distintos tipos cubren prácticamente el rango completo de temperaturas medidas. Segundo, hasta la fecha no ha aparecido nada mejor - por supuesto considerando todos los factores involucrados- capaz de reemplazar a las termocuplas como "caballito de batalla" en la detección de temperatura.

Estamos todos de acuerdo que la mayor ventaja de las termocuplas es su bajo costo. Pero en cuanto a la aseveración de que son simples, esto requiere cierta aclaración. Las termocuplas son relativamente simples de fabricar; una vez obtenidas las aleaciones para los alambres, casi cualquiera puede fabricar una termocupla y esto casi siempre representa un problema para el que las utiliza. En cambio, el comportamiento real de las termocuplas no es simple. Junto a las contribuciones variables de los efectos Seebeck, Peltier y Thompson, la inhomogeneidad del alambre, las microimpurezas , la estructura y el envejecimiento, la atmósfera a la que está expuesta y la manera en que se formó el termopar, todos pueden afectar la salida de las termocuplas.

Afortunadamente, iguala lo que ocurre con muchos temas estudiados en termodinámica, si se tiene suficiente cuidado en el control de las variables y las condiciones, la termocupla se comporta realmente de una manera repetitiva y, por lo tanto, predecible.

Posiblemente, el mayor problema de las termocuplas sea el hecho de que su salida pueda variar artificialmente o que la señal pueda perderse parcialmente, de modo que muchas veces la lectura errónea no puede ser detectada en forma inmediata. Esto lleva el concepto de "confiabilidad" que realmente es el punto crucial en cualquier controversia relacionada con termocuplas.

Según encuestas llevadas a cabo en los EE.UU., algo más de la mitad de las mediciones de temperatura se realizan con termocuplas. Las temor resistencias encuentran aplicación en casi un tercio de las mediciones, y juego vienen los sistemas de dilatación.

En dichas encuestas, se pudo apreciar la importancia que se le da al transporte de la señal en la gran mayoría de las aplicaciones de las termocuplas. Por lo general se deben observar bastante estrictamente las prácticas recomendadas para señales de bajo nivel , o sea la aislación respecto de fuentes de energía de alto nivel y conductores de corriente. Algunas instalaciones requieren aislación física del conjunto de la termocupla respecto de tierra y filtrado en el instrumento receptor.

En lo que hace a la selección de sensores desde el punto de vista de la velocidad de respuesta y exactitud, la mayor parte de las respuesta se inclinaron por las termocuplas (desnudas) para una respuesta rápida, y por las termorresistencias en cuanto a exactitud.

Las exactitudes consignadas estaban en los ± 1 ó 2ºC para temperaturas no muy elevadas hasta 300ºC. A mayores temperaturas se puede hablar de exactitudes de 3 a 5ºC ó 0.75%. Como ejemplo de exactitudes en operaciones cotidianas se informó sobre el uso de termorresistencia de platino de 100 ohm con ± 0. 15ºC en 0ºC para uso comercial.

En lo relativo a respuestas rápidas, se logra respuestas dentro de unas pocas décimas de segundo con termocuplas y unos pocos segundos con termorresistencias.

El futuro parece no aportar claridad en la controversia. Algunos desarrollos corrientes tendrán un efecto importante sobre los posibles usos de las termocuplas. Sensores "inteligentes" utilizando termorresistencias de película fina pueden llegar a ser competitivos en el costo con esos mismos sensores "inteligentes" provistos de termocuplas. Pero, por otra parte, estos sensores "inteligentes" con termocuplas inherentemente eliminan los problemas de los conductores .

TERMOPOZOS

Es un elemento de conexión a proceso tal que, protegerá al elemento primario de temperatura, de los agentes corrosivos, abrasivos que este elemento no podría resistir por sí mismo. El termopozo puede adoptar varias configuraciones para su montaje, las cuales pueden ser en forma recta, cónica, reducción, con brida soldada y espacios reducidos.

Guía para la selección de tubos o vainas de protección .

PIROMETROS DE RADIACIÓN

Existen casos donde no es posible tomar, por contacto directo con el proceso, la temperatura que sea necesaria para evaluar un proceso.

Uno de los instrumentos de NO CONTACTO más común, es el pirometro de radiación. Se fundamenta en el principio que dice que la intensidad de la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura del cuerpo. En términos funcionales:

W = K * T⁴

Los pirómetros ópticos son un juego de lentes de diferentes colores de acuerdo a las tonalidades que toma determinado material a diferentes rangos de temperatura.

El pirómetro de radiación consta de una serie de termocuplas en serie con un lente que hace convergir el haz de radiación hacia esas termocuplas. De esta forma, la radiación captada a cierta distancia del medio, es amplificada y calculada con bastante precisión.

La medición de temperatura sin contacto es altamente necesaria cuando estamos hablando de procesos donde las temperaturas son tan elevadas que el elemento primario podría hundirse o no trabajar (t>1500 grados centígrados), como por ejemplo: fundiciones, estudios científicos, reactores nucleares, etc.