Medición y control industrial

Cómo selecionar sensores de temperatura

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2. Termorresistencias ( RTD )

La termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura.

Las termorresistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad.

La relación fundamental para el funcionamiento será así:

Rt = Ro * (1 + Alpha * t)

donde:

  • Ro: resistencia en ohmios a 0 grados Celsius
  • Rt: resistencia a la temperatura t grados Celsius
  • Alpha: coeficiente de temperatura de la resistencia.Los materiales utilizados para los arrollamientos de termorresistencias son fundamentalmente platino, níquel, níquel-hierro, cobre y tungsteno.

Como se puede observar, se esta suponiendo de antemano, que el material que será usado debe tener un comportamiento lineal, dentro del rango de trabajo asignado. De no ser así, la función debería tener más términos.

El método de medición de la temperatura no es directo, ya que lo que se mide es una resistencia mediante un puente de Wheastone, luego se lee el valor de la temperatura correspondiente de tabla de comportamiento de la citada resistencia. Este proceso, en la actualidad, ya esta automatizado, gracias a los sistemas de control avanzados y la electrónica digital.

El platino encuentra aplicación dentro de un amplio rango de temperaturas y es el material más estable y exacto. En efecto, la relación resistencia temperatura correspondiente al alambre de platino es tan reproducible que la termorresistencia de platino se utiliza como estándar internacional de temperatura desde - 260 ºC hasta 630 ºC .

Desde el 1871 , año en que William Siemens utilizó por primera vez una termorresistencia, hasta hoy día han sido desarrolladas numerosas calibraciones resistencia - temperatura correspondientes al platino, y varias de ellas se han transformado en estándares nacionales en distintos países: RC21-4-1966 de SAMA (Scientífic Apparatus Makers Association) en los EE.UU ; DIN 43760 - 1968 (Deutsches Institut für Normung e.V.) en Alemania , etc. Está. proliferación de distintos estándares nacionales comenzaron a crear problemas a medida que se iba incrementando el comercio a escala mundial. Y luego de varios años de análisis, se ha aceptado internacionalmente la curva DIN alemana bajo la estandarización de IEC identificada como IEC 751 .

Además del hecho de que la termorresistencia de platino está siendo utilizada como estándar internacional, el alambre de platino es el material elegido con más frecuencia para las termorresistencias de uso industrial. Las termorresistencias de platino pueden medir el rango más amplio de temperaturas son las mas exactas y estables por no ser fácilmente contaminadas por el medio en que se encuentran, y su relación resistencia -temperatura es más lineal que la de cualquier otro material con la excepción del cobre.

Este tipo de sensores tiene una ventaja fundamental; son sumamente precisos y producen medidas altamente reproducibles. Su construcción permite disponer de ellos como elementos simples, dobles y, en casos muy especiales, hasta triples.

METAL RANGO DE OPERACIÓN º Celsius PRECISIÓN (grados )
Platino -200 a 950 0.01
Níquel -150 a 300 0.50
Cobre -200 a 120 0.10

En su forma general el sensor viene introducido dentro de un tubo protector metálico de acero inoxidable pero posible, según el caso, disponer de camisas protectoras y termopozos construidos de acero especiales o aleaciones como el Inconel, Incoloy y Hastelloy.

Las termorresistencias de platino tienen normalmente un valor de 100 Ohms a 0°C con un intervalo de 38,5 Ohms.

Su construcción puede hacerse con 2, 3 o 4 cables, según la necesidad del proceso.

2.1. Termorresistencias disponibles comercialmente .

La termorresistencia Industrial de alambre de platino más ampliamente utilizada se la calibra con una resistencia de 100 ohms a 0 ºC ,

Las termorresistencias de platino estándar fabricadas comercialmente resultan adecuadas para mediciones en el rango de – 250 ºC a 850 ºC. Las tolerancias de fabricación según IEC 751 pueden verse en la Tabla 10 y figura 12; en forma aproximada, estas tolerancias pueden estimarse, para la Clase B. entre 0,8 % y 0,5 %, siendo menores a temperaturas más elevadas.

En este punto es conveniente detenerse para mencionar el frecuente uso que hacen algunos fabricantes de calibrar las termorresistencias según curvas de respuesta distintas a las normalizadas, lo que los convierte en seguros proveedores de los reemplazos . Es por este motivo que debe tratarse de adecuar las instalaciones dentro de la normalización , ya que, justamente una de las grandes virtudes de las termorresistencias es su intercambiabilidad sin practicar una nueva calibración en el sistema de medición .

Las termorresistencias de níquel no están en condiciones de medir temperatura tan elevadas como lo hacen los sensores de platino. Los limites de alcance para las termorresistencias de níquel están aproximadamente en - 60 ºC y 180 ºC .Con exactitudes menores que las de platino (Tabla 11). Normalmente se calibran a 100 ohms en 0 ºC. pudiendo existir otras calibraciones especiales .

La. principal ventaja del níquel, además de posibilitar termorresistencias más económicas, es su capacidad de ser linealizado ( suministrando una salida que es lineal con la temperatura) con bastante facilidad utilizando un circuito puente. Esta ventaja sin embargo, ya no es tan importante hoy en día cuando la introducción de componentes semiconductores de bajo costo han hecho posible la linealización de los sensores de platino a un costo comparable al de los sensores de níquel.

Las termorresistencias de cobre presentan la más lineal relación resistencia - temperatura entre todas las termorresistencias pero también tienen las desventajas de un rango estrecho de temperatura entre – 200 ºC y 150 ºC y una baja resistividad. La baja resistividad implica la necesidad de usar alambres finos de poco diámetro.

La demanda de termorresistencias de níquel y cobre en las industrias de proceso se halla limitada básicamente al reemplazo de unidades existentes puesto que la gran mayoría de las nuevas instalaciones de termorresistencias se hacen con sensores de platino de 100 ohms a 0ºC.

Las termorresistencias de tungsteno no han encontrado una utilización amplía puesto que el tungsteno ha probado ser menos estable que otros materiales. Sin embargo, su mayor resistencia mecánica permite emplear alambres extremadamente finos, lográndose de esta manera termorresistencias de elevada resistencia eléctrica.

Para una termorresistencia de platino de 100 ohms a 0ºC, la variación de resistencia promedio para una variación de temperatura de 10 0ºC es de 0,385 ohm; un circuito de medición con una fuente de corriente de 1 mA. registraría 38,5 mV para cada 100ºC de variación de temperatura. Este valor de tensión es diez veces mayor que la salida de una termocupla Tipo K, y esto explica por qué los alambres de conexión de termorresistencias resultan menos susceptibles de sufrir interferencias provenientes de la cercanía de equipos eléctricos y líneas de potencia. Sin embargo una buena instalación requiere cables de conexión blindados tanto para termocuplas como para termorresistencias.

La interconexión entre termorresistencias e Instrumentos se realiza con cable común de cobre. En cambio, en el caso de las termocuplas deben emplearse cables especiales de compensación, de costo superior.

La magnitud de la corriente de medición de una termorresistencia es crítica. Si es muy alta, se produce el autocalentamiento, que aparecerá como un error de medición. En la Tabla 12 se indican los valores de las corrientes de medición que pueden circular en distintos tipos de termorresistencias Pt100 con un autocalentamiento máximo de 0. 1 ºC.

Tabla 11 - Valores básicos de termorresistencias con arrollamiento de níquel desde -60°C hasta 180°C ( cada 10°C) .

Tabla 10 - Tolerancias de termorresistencias Pt100 según norma IEC751 . 

Fig. 12 - Tolerancias de termorresistencias Pt100 según norma IEC751

2.2. Construcción de termorresistencias .

El aspecto exterior de las termorresistencias industriales es prácticamente idéntico al de las termocuplas. Se aplican las mismas consideraciones ambientales y de instalación y se debe prestar la misma cantidad de atención a los conceptos de presión , temperatura , ataque químico, abrasión , vibración, porosidad y velocidad de fluido, requiriéndose los mismos tipos de vainas de protección (fig. 13).

 

Las termorresistencias se fabrican en varios tipos de configuración de los alambres de conexión, los que se muestran en la figura 14.

La configuración A se usa en un circuito básico bifilar, con una conexión a cada extremo de la termorresistencia. En este diseño la resistencia de los dos cables de conexión, como así también las variaciones de resistencia con la temperatura ambiente, serán incluidas en la medición de la resistencia de la termorresistencia. Este tipo de circuito puede utilizarse cuando los alambres de conexión son tan cortos que su resistencia es despreciable, por ejemplo en el caso de conjuntos transmisor-termorresistencia integrales que contienen tanto la termorresistencia como el circuito de medición.

La configuración B es el circuito trifilar estándar. Los conductores que conectan la termorresistencia al circuito de medición tienen resistencias cuyos efectos tienden a cancelarse si dichos alambres tienen la misma longitud, se hallan sujetos a la misma temperatura y el sistema puente de Wheatstone que utiliza a la entrada el instrumento de medición se encuentra casi balanceado.

La configuración C consiste de cuatro cables de conexión y brinda mejor exactitud que las configuraciones A y B. Si los cuatro cables de conexión son de idéntica sección, longitud y material y se hallan sujetos a la misma temperatura ambiente, y si los dos pares de alambres se encuentran en partes opuestas del circuito puente, las resistencias de los alambres no tendrán efecto alguno en la medición de la resistencia de la termorresistencia.

El costo adicional del diseño de cuatro conductores normalmente se justifica en instalaciones con distancias superiores a los 20 metros. Los circuitos trifilares brindan suficiente exactitud para la mayoría de las mediciones industriales hasta 20 metros, además de que pueden emplearse conductores de sección menor o de mayor longitud que en el caso de la conexión bifilar. Por ejemplo, para conductores de 0,75 mm2 de sección, se puede alcanzar un largo de conductores de 10 km. muy superior en comparación al máximo de 430 metros aceptables para el sistema bifilar, límite dado por una resistencia de 10 ohms.

En el caso le la conexión bifilar la limitación es la resistencia Rj, que se utiliza para compensar la resistencia propia de los conductores; normalmente se utiliza Rj = 10 ohms y se calibra el sistema de medición para Rj (resistencia de la Pt100 + Rj (10 ohms).

En el caso de tres hilos, las resistencias Rj se utilizan para igualar las resistencias de esos conductores.

Fig. 13 - Sistemas de conexión de termorresistencias a) Bifilar , b) Trifilar , c) Cuatrifilar .

Existen tres tipos de termoresistencias, de acuerdo a su construcción y cableado:

- de dos hilos
- de tres hilos
- de cuatro hilos

Como ya se había mencionado, la evaluación, del valor de la resistencia Rt, se hace en un puente de Wheastone, entonces es aquí, donde se hace importante la diferencia entre ambos tipos de termoresistencias.

Para las primeras, de dos hilos o bifilar , será necesario estimar la longitud del conductor del puente a la resistencia en el punto de toma del proceso, para poder calcular el valor de la resistencia.

Para las de tres hilos o trifilar , si además, ajustamos el puente de tal forma que R1/R2=1, y como la longitud por lado de conductor se hace igual, podremos ajustar el valor de la resistencia R3 para equilibrio, y ese será directamente el valor de la resistencia x.

Dado que en equilibrio la ecuación del puente será:

R1 / (R3 + K * a) = R2 / (x + K * b)

Según esquemático de conexión, que se muestra debajo.

Circuito RTD dos hilos o bifilar

La RTD simple reemplaza uno de los elementos del puente y causa un desbalance y así como también cambios de resistencia. La salida se lee directamente o es usada para manejar otro circuito en el transmisor. Si la RTD esta localizada a una distancia desde el transmisor y puente entonces esta conduce por los dos hilos cuando un material más económico es usado para conectar la RTD al puente.

Una de las limitaciones de la RTD de dos hilos es que los hilos conductores añadidos a la resistencia del circuito pueden causar errores de lectura.

Fig. Circuito RTD dos hilos o bifilar

Circuito RTD tres hilos o trifilar

Para ayudar a eliminar el error introducido por los hilos conectores se usa comúnmente una RTD de tres hilos con este propósito los efectos de la resistencia de cada uno de los hilos conductores ( A y B ) son eliminados por el puente debido a que cada uno es la conexión opuesta del puente. El tercer hilo ( C ) es un conductor de equilibrio.

Los tres hilos unidos no eliminan todos los efectos de los hilos conductores, pero debido a que los sensores están localizados justamente cercanos a los transmisores, los efectos de los hilos conductores son pequeños y la aproximación provee una exactitud razonable.

Fig. Circuito RTD tres hilos o trifilar

Circuito RTD cuatro hilos o cuatrifilar

La vía más efectiva para eliminar los efectos de los hilos conductores es con cualquiera de las versiones de cuatro hilos. Es una aproximación que no requiere puente como se indica en la figura siguiente, en este método una corriente constante es conectada a dos de los hilos de la RTD, la caída de voltaje en la RTD es medida en los otros dos conductores, la caída de voltaje es independiente de los efectos de los hilos conductores.

Fig. Circuito RTD cuatro hilos o cuatrifilar


 

Tabla 8 . Valores de termorresistencias Pt100 ohm a 0°C según IEC 751 para temperaturas desde -250°C hasta 0°C (grado por grado ) . >> Ver tabla >>

Tabla 9 . Valores de termorresistencias Pt100 ohm a 0°C según IEC 751 para temperaturas desde 0°C hasta 400°C (grado por grado ) .>> Ver tabla >>


Fig. 14. Construcción de un sensor a termorresistencia

A Sonda intercambiable. a. Bornes - b. Zócalo cerámico - c. Base de sujeción - d. Conductores - e. Vaina metálica - f. Aisladores cerámicos - g. Unión de elementos y conductores - h. Termorresistor - l. Largo de inserción

B. Corte de una construcción con vaina y rosca a proceso con cabezal de conexiones y sonda colocada según DIN 16110 a. Cabezal - b. Cuello - c. Rosca a proceso - d. Aislador cerámico - e. Vaina metálica - f. Termorresistencia - g. Largo del elemento sensor - h. Largo de vaina - i. Largo de cuello

Muchos de los sistemas de termorresistencias de platino utilizan sensores que van construidos en forma de espiral y recubiertos o encerrados en un cuerpo aislante de cerámica o vidrio, el cual posee una relación de expansión vs. Temperatura muy similar a la del platino dentro del rango de trabajo (Figura 15)

Fig. 15

Las termorresistencias de platino se pueden fabricar con una gran variedad de tubos de protección y con los terminales adecuados para la conexión con el resto del circuito así como con diferentes tipos de termopozos para lograr una protección total del elemento sensible (Figura 16)

 

Fig. 16

 

TERMORRESISTENCIAS DE USO GENERAL

Esta disposición se puede usar con o sin termopozos en una infinidad de procesos que incluyen tanques, hornos, estufas, tuberías, ductos, sistemas de incubación, fermentación, refrigeración. Los tubos protectores se hacen del largo, diámetro y material requerido por el cliente; este tipo de sensores posee además opciones de respuesta rápida o con camisa para medición de gases secos.

Termorresistencias con elementos de inmersión variable

Este tipo de construcción posee un conector ajustable que permite variar el largo de inmersión del elemento.

Termorresistencias tipo “ SPRING LOADED ”

Dispositivo que permite que el elemento y el termopozo estén en contacto firme durante su operación. Esto permite controlar la variación o golpeteo dentro del termopozo, aumenta la velocidad de respuesta y facilita enormemente la instalación del sensor.

 

 

 

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