¿Qué sensor de resistencia térmica de platino y función? Componentes y selección de sensores de resistencia térmica PT100 y PT1000

Los sensores de resistencia, también llamados detectores de temperatura de resistencia (RTD), son sensores que se utilizan para medir la temperatura. Muchos elementos RTD consisten en un tramo de alambre fino enrollado alrededor de un núcleo de vidrio o cerámica, 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 sondas protectoras.

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

Relación resistencia / temperatura de los metales

Los elementos sensores comunes de RTD construidos de platino, cobre o níquel tienen una resistencia repetible en función de la relación de temperatura (R vs T) y rango de temperatura de funcionamiento. La relación R vs T se define como la cantidad de cambio de resistencia del sensor por grado de cambio de temperatura. El cambio relativo en la resistencia (coeficiente de temperatura de resistencia) varía solo ligeramente en el rango útil del sensor.

El platino fue propuesto por Sir William Siemens como un elemento para un detector de temperatura de resistencia: es un metal noble y tiene la relación resistencia-temperatura más estable en el rango de temperatura más grande. Los elementos de níquel tienen un rango de temperatura limitado porque la cantidad de cambio en la resistencia por grado de cambio en la temperatura se vuelve muy no lineal a temperaturas superiores a 300 ° C (572 ° F). El cobre tiene una relación resistencia-temperatura muy lineal; sin embargo, el cobre se oxida a temperaturas moderadas y no se puede utilizar a más de 150 ° C (302 ° F).

La característica significativa de los metales usados ​​como elementos resistivos es la aproximación lineal de la relación resistencia versus temperatura entre 0 y 100 ° C. Este coeficiente de temperatura de resistencia se denota por α y generalmente se expresa en unidades de Ω / (Ω · ° C):

El platino puro tiene α = 0,003925 Ω / (Ω · ° C) en el rango de 0 a 100 ° C y se utiliza en la construcción de RTD de laboratorio. Por el contrario, dos estándares ampliamente reconocidos para RTD industriales IEC 60751 y ASTM E-1137 especifican α = 0.00385 Ω / (Ω · ° C). Antes de que estos estándares fueran ampliamente adoptados, se usaban varios valores α diferentes. Todavía es posible encontrar sondas más antiguas fabricadas con platino que tienen α = 0.003916 Ω / (Ω · ° C) y 0.003902 Ω / (Ω · ° C).

Estos diferentes valores de α para el platino se logran mediante el dopaje, introduciendo cuidadosamente las impurezas, que se incrustan en la estructura reticular del platino y dan como resultado una curva R frente a T diferente y, por lo tanto, un valor α.

Calibración

Para caracterizar la relación R vs T de cualquier RTD en un rango de temperatura que representa el rango de uso planificado, la calibración debe realizarse a temperaturas distintas de 0 ° C y 100 ° C. Esto es necesario para cumplir con los requisitos de calibración. Aunque se considera que los RTD tienen un funcionamiento lineal, se debe demostrar que son precisos con respecto a las temperaturas con las que realmente se utilizarán. Dos métodos de calibración comunes son el método de punto fijo y el método de comparación.
Calibración de punto fijo
se utiliza para las calibraciones de la más alta precisión por los laboratorios de metrología nacionales. 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 repetible. 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 (dentro de ± 0,001 ° C). Un método común de calibración de punto fijo para sondas de grado industrial es el baño de hielo. El equipo es económico, fácil de usar y puede alojar varios sensores a la vez. El punto de hielo se designa como estándar secundario porque su precisión es de ± 0,005 ° C (± 0,009 ° F), en comparación con ± 0,001 ° C (± 0,0018 ° F) para los puntos fijos primarios.
Calibraciones de comparación
se utiliza comúnmente con SPRT secundarios y RTD industriales. Los termómetros que se calibran se comparan con los termómetros calibrados mediante un baño cuya temperatura es uniformemente estable. A diferencia de las calibraciones de punto fijo, las comparaciones se pueden realizar a cualquier temperatura entre −100 ° C y 500 ° C (−148 ° F a 932 ° F). Este método podría ser más rentable, ya que se pueden calibrar varios sensores simultáneamente con equipos automatizados. Estos baños calentados eléctricamente y bien agitados utilizan aceites de silicona y sales fundidas como medio para las distintas temperaturas de calibración.

Tipos de elementos

Las tres categorías principales de sensores RTD son elementos de película delgada, bobinados y bobinados. Si bien 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 ultrabajas (-273 ° C a -173 ° C).

Elementos de resistencia de carbono
son baratos y muy utilizados. Tienen resultados muy reproducibles a bajas temperaturas. Son la forma más confiable a temperaturas extremadamente bajas. Por lo general, no sufren histéresis significativa o efectos de galgas extensométricas.

Elementos libres de tensiones
utilice una bobina de alambre mínimamente soportada dentro de una carcasa sellada llena de un gas inerte. Estos sensores funcionan hasta 961,78 ° C y se utilizan en los SPRT que definen ITS-90. Consisten en alambre de platino enrollado sin apretar sobre una estructura de soporte, por lo que el elemento puede expandirse y contraerse libremente con la temperatura. Son muy susceptibles a golpes y vibraciones, ya que los bucles de platino pueden oscilar hacia adelante y hacia atrás, provocando deformaciones.

Elementos de película fina
tienen un elemento sensor que se forma depositando una capa muy fina de material resistivo, normalmente platino, sobre un sustrato cerámico (enchapado). Esta capa suele tener un grosor de solo 10 a 100 ångströms (1 a 10 nanómetros). Luego, esta película se recubre con un epoxi o vidrio que ayuda a proteger la película depositada y también actúa como un alivio de tensión para los cables conductores externos. Las desventajas de este tipo son que no son tan estables como sus contrapartes enrolladas o enrolladas con alambre. Además, solo se pueden usar en un rango de temperatura limitado debido a las diferentes tasas de expansión del sustrato y el depósito resistivo, lo que da un efecto de "extensímetro" que se puede ver en el coeficiente de temperatura resistiva. Estos elementos funcionan con temperaturas de hasta 300 ° C (572 ° F) sin más empaque, pero pueden operar hasta 600 ° C (1,112 ° F) cuando se encapsulan adecuadamente en vidrio o cerámica. Se pueden usar elementos RTD especiales de alta temperatura hasta 900 ° C (1,652 ° F) con la encapsulación adecuada.

PRT bobinado
puede tener una mayor precisión, especialmente para amplios rangos de temperatura. El diámetro de la bobina proporciona un compromiso entre la estabilidad mecánica y permitir la expansión del alambre para minimizar la tensión y la deriva consecuente. El cable sensor se envuelve alrededor de un mandril o 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 sensor para minimizar cualquier esfuerzo mecánico. Esta tensión en el cable del elemento resultará en un error de medición térmica. El cable sensor está conectado a un cable más grande, generalmente denominado cable o cable del elemento. Este cable se selecciona para que sea compatible con el cable sensor, de modo que la combinación no genere una fem que distorsione la medición térmica. Estos elementos trabajan con temperaturas de hasta 660 ° C.
El estándar internacional actual que especifica la tolerancia y la relación entre la temperatura y la resistencia eléctrica para los termómetros de resistencia de platino (PRT) es IEC 60751: 2008; ASTM E1137 también se usa en los Estados Unidos. Con mucho, los dispositivos más comunes 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 la resistencia en ohmios a 0 ° C). También es posible obtener sensores Pt1000, donde 1000 es para la resistencia en ohmios a 0 ° C. La sensibilidad de un sensor estándar de 100 Ω es nominal de 0,385 Ω / ° C. También están disponibles RTD con una sensibilidad de 0.375 y 0.392 Ω / ° C, así como una variedad de otros.

Función

Los termómetros de resistencia Sensor se construyen en varias formas y ofrecen mayor estabilidad, precisión y repetibilidad en algunos casos 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 según la ecuación de Callendar-Van Dusen.

El cable detector de platino debe mantenerse libre de contaminación para permanecer estable. Un alambre o película de platino se apoya sobre un formador de tal manera que obtiene una expansión diferencial mínima u otras tensiones con respecto al anterior, pero es razonablemente resistente a las vibraciones. Los conjuntos RTD hechos de hierro o cobre también se utilizan en algunas aplicaciones. Los grados de platino comerciales exhiben un coeficiente de temperatura de resistencia de 0,00385 / ° C (0,385% / ° C) (intervalo fundamental europeo). El sensor generalmente está hecho para tener una resistencia de 100 Ω a 0 ° C. Esto se define en BS EN 60751: 1996 (tomado de IEC 60751: 1995). El intervalo fundamental estadounidense es 0,00392 / ° C, [8] basado en el uso de un grado de platino más puro que el estándar europeo. El estándar estadounidense es de la Asociación de Fabricantes de Aparatos Científicos (SAMA), que ya no se encuentran en este campo de estándares. Como resultado, el "estándar estadounidense" difícilmente es el estándar incluso en los EE. UU.

La resistencia del cable también puede ser un factor; la adopción de conexiones de tres y cuatro cables, en lugar de dos cables, puede eliminar los efectos de la resistencia de los cables de conexión de las mediciones (ver más abajo); La conexión de tres cables es suficiente para la mayoría de los propósitos y es una práctica industrial casi universal. Las conexiones de cuatro cables se utilizan para las aplicaciones más precisas.

Ventajas y limitaciones

Las ventajas de los termómetros de resistencia de platino incluyen:

Alta precisión
Deriva baja
Amplio rango operativo
Idoneidad para aplicaciones de precisión.
Limitaciones:
Los RTD en aplicaciones industriales rara vez se utilizan por encima de 660 ° C. A temperaturas superiores a 660 ° C se vuelve cada vez más difícil evitar que el platino se contamine con las impurezas de la cubierta metálica del termómetro. Es por eso que los termómetros estándar de laboratorio reemplazan la cubierta de metal con una construcción de vidrio. A temperaturas muy bajas, digamos por debajo de -270 ° C (3 K), debido a que hay muy pocos fonones, la resistencia de un RTD está determinada principalmente por las impurezas y la dispersión de los límites y, por lo tanto, es básicamente independiente de la temperatura. Como resultado, la sensibilidad del RTD es esencialmente cero y, por lo tanto, no es útil.

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 una estabilidad más pequeños.

Construcción

Estos elementos casi siempre requieren cables aislados conectados. Los aislantes de PVC, caucho de silicona o PTFE se utilizan a temperaturas por debajo de aproximadamente 250 ° C. Por encima de esto, se utilizan fibra de vidrio o cerámica. El punto de medición, y por lo general la mayoría de los cables, requieren una carcasa o manguito protector, a menudo de una aleación de metal que es químicamente inerte para el proceso que se monitorea. La selección y el diseño de fundas de protección pueden requerir más cuidado que el sensor real, ya que la funda debe resistir ataques químicos o físicos y proporcionar puntos de sujeción convenientes.

El diseño de la construcción del RTD se puede mejorar para manejar golpes y vibraciones al incluir polvo de óxido de magnesio (MgO) compactado dentro de la funda. El MgO se utiliza para aislar los conductores de la cubierta externa y entre sí. El MgO se utiliza debido a su constante dieléctrica, estructura de grano redondeado, capacidad de alta temperatura y su inercia química.

Clasificaciones de RTD

La mayor precisión de todos los PRT son los termómetros de resistencia de platino ultraprecisos (UPRT). Esta precisión se logra a expensas de la durabilidad y el costo. Los elementos UPRT están enrollados con alambre de platino de calidad de referencia. Los cables conductores internos generalmente están hechos de platino, mientras que los soportes internos están hechos de cuarzo o sílice fundida. Las vainas suelen estar hechas de cuarzo o, a veces, de Inconel, según el rango de temperatura. Se utiliza un cable de platino de mayor diámetro, lo que aumenta el costo y da como resultado una menor resistencia para la sonda (típicamente 25,5 Ω). Los UPRT tienen un amplio rango de temperatura (−200 ° C a 1000 ° C) y tienen una precisión aproximada de ± 0,001 ° C en el rango de temperatura. Los UPRT solo son apropiados para uso en laboratorio.

Otra clasificación de los PRT de laboratorio son los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT estándar). Están construidos como el UPRT, pero los materiales son más rentables. Los SPRT comúnmente usan alambre de platino de diámetro más pequeño, de alta pureza y grado de referencia, cubiertas metálicas y aislantes de tipo cerámico. Los cables conductores internos suelen ser una aleación a base de níquel. Los PRT estándar tienen un rango de temperatura más limitado (-200 ° C a 500 ° C) y tienen una precisión aproximada de ± 0,03 ° C en el rango de temperatura.

Los PRT industriales están diseñados para soportar entornos industriales. Pueden ser casi tan duraderos como un termopar. Dependiendo de la aplicación, los PRT industriales pueden utilizar elementos de película delgada o bobinados. Los cables conductores internos pueden variar desde cobre trenzado niquelado con aislamiento de PTFE hasta cables de plata, según el tamaño y la aplicación del sensor. El material de la funda es típicamente acero inoxidable; las aplicaciones a temperaturas más altas pueden requerir Inconel. Se utilizan otros materiales para aplicaciones especializadas.