RTD: la clave para obtener mediciones de temperatura industriales precisas

Lo primero es lo primero 

Un sensor de temperatura RTD es un pequeño dispositivo que se usa normalmente para medir la temperatura en una amplia gama de aplicaciones industriales. «RTD» son las siglas de «resistance temperature detector» (detector de temperatura resistivo). Este tipo de sensor es, por lo general, más preciso y estable que los termopares y otras sondas de temperatura cuando se monitoriza dentro de los rangos recomendados. 

Ahora que ya hemos establecido lo que es un RTD, vamos a ver tres de los tipos más frecuentes que existen (platino, níquel y cobre, respectivamente) y en qué se diferencian entre sí. 

RTDs de platino

RTDs de platino  se identifican mediante el prefijo Pt, seguido de un número que indica la resistencia nominal a 0°C, por ejemplo, Pt100. 

Son el tipo de RTD más usados en aplicaciones industriales por una buena razón.  Esto se debe a que el platino tiene una excelente resistencia a la corrosión, una excelente estabilidad a largo plazo y mide un amplio rango de temperaturas (-200...+850°C). Sin embargo, son la opción más cara. 

RTDs de níquel

RTDs de niquel se identifican mediante el prefijo Ni seguido de un número que indica la resistencia nominal a 0°C, por ejemplo, Ni120.

Estos son menos caros que el platino y tienen una buena resistencia a la corrosión.  Sin embargo, el níquel envejece más rápidamente con el tiempo y pierde precisión a temperaturas más altas. El níquel se limita a un rango de medición de -80...+260°C.

RTDs de cobre

Copper RTDs se identifican mediante el prefijo Cu seguido de un número que indica la resistencia nominal a 0°C, por ejemplo, Cu10.

Estos  tienen la mejor linealidad entre resistencia y temperatura de los 3 tipos y el cobre es un material barato. Sin embargo, el cobre se oxida a temperaturas más altas. El cobre está limitado a un rango de medición de -200...+260°C.

¿Qué estructura tienen los RTD? 

Existen tres maneras de construir los RTD (detectores de temperatura resistivos): RTDs de hilo enrollado, RTDs de elemento en espiral y RTDs de capa fina. Vamos a ver cada una de ellas.

RTD de hilo enrollado

En primer lugar, tenemos el RTD de hilo enrollado. En este caso, un cable resistivo se enrolla alrededor de un cuerpo no conductor hecho de cerámica. El fabricante del sensor cuidadosamente ajusta la longitud del cable resistivo para conseguir la especificada resistencia a ºC. Es la llamada resistencia “R0”. 

Luego, se conectan hilos conductores al hilo de resistencia, y a continuación se aplica un recubrimiento de vidrio o cerámica sobre el hilo para protegerlo. A medida que aumenta la temperatura, la longitud del cable de resistencia aumenta ligeramente. Se debe tener cuidado en el diseño para asegurar que el hilo de resistencia no se retuerza ni se deforme a medida que aumenta la temperatura. Esto se debe a que la tensión mecánica provoca un cambio en la resistencia del hilo.

Los RTDs de laboratorio utilizados por los laboratorios de calibración y normas eliminan esta fuente de errores enrollando con holgura el hilo de resistencia alrededor de una estructura de soporte no conductora. Este tipo de RTD puede ser extremadamente preciso, pero es frágil y no es adecuado para la mayoría de aplicaciones industriales.

RTD de elemento en espiral 

El segundo tipo de RTD es el RTD de elemento en espiral, en el que el cable resistivo se enrolla en pequeñas bobinas que se insertan en un molde cerámico que se rellena con polvo no conductivo. El cable de la resistencia se expande y contrae libremente a medida que cambia la temperatura, minimizando los errores causados por la tensión mecánica. El polvo aumenta el índice de transferencia de calor a las bobinas mejorando así el tiempo de respuesta. Los RTDs de elemento en espiral suelen estar protegidos por una cubierta metálica y se utilizan en aplicaciones industriales.

RTD de capa fina

Y, por último, los RTDs de capa fina producidos en masa y a menor coste que los anteriores. Son más pequeños y tienen un tiempo de respuesta más rápido que los otros, lo cual es deseable en muchas aplicaciones. Se fabrican depositando una fina vía de platino sobre una base de cerámica.

El fabricante ajusta la resistencia a 0°C abriendo derivaciones paralelas en la trayectoria con un rayo láser. Cuantas más derivaciones se abran, mayor será la resistencia a 0°C. Los RTDs de capa fina no son tan precisos como los otros tipos por los siguientes motivos:

• La resistencia R₀ no se puede ajustar con la misma precisión que en los otros tipos.
• La base de cerámica y el recubrimiento de platino tienen índices de expansión ligeramente diferentes. Esto crea un error de deformación en altas temperaturas.
• Puesto que los RTDs de capa fina son más pequeños, la corriente de excitación causa un ligero error debido al sobre-calentamiento del sensor. 

Configuraciones de hilos de los RTD

Los detectores de temperatura resistivos pueden configurarse con 2 hilos, 3 hilos o 4 hilos, y cada uno de ellos ofrece distintas ventajas.

• Configuración de 2 hilos: Es la opción más sencilla y económica, apta para distancias cortas en las que la resistencia de los hilos de conexión no afecta de manera significativa a la precisión. Suele utilizarse en aplicaciones industriales en las que no es imprescindible una elevada precisión.
  
  
• Configuración de 3 hilos: Es la configuración más utilizada, que compensa la resistencia añadida por los propios hilos, que puede distorsionar las lecturas de temperatura. Esta configuración es preferible para obtener una mayor precisión en distancias moderadas.
  
  
• Configuración de 4 hilos: Proporciona el grado de precisión más elevado al eliminar la influencia de la resistencia de los hilos. Esta configuración es ideal para las mediciones de precisión en laboratorios en los que se necesita la máxima precisión.

Conocer estas configuraciones es esencial para seleccionar la opción de RTD correcta teniendo en cuenta las necesidades específicas de la aplicación, el equilibrio de coste, la comodidad y la precisión.

Relación de resistencia TD

El término "relación de resistencia" describe la pendiente media de la temperatura frente a la resistencia a medida que la temperatura del RTD cambia de 0°C a +100°C. La expresión para la relación de resistencia es:

(R₁₀₀-R₀) / R₀

Donde:

R₁₀₀ = Resistencia RTD a 100°C.

R₀ = Resistencia RTD a 0°C.

La relación de resistencia se ve afectada por el tipo y la pureza del metal utilizado para fabricar el RTD. En general, es más fácil que los RTDs que tienen un alto valor de R₀ combinado con una alta relación de resistencia miden con precisión, pero las características del metal utilizado en la resistencia del cable siguen afectando a la precisión inherente del RTD.

Los RTDs de platino que se encuentran en aplicaciones industriales normalmente son conformes a la norma IEC 60751. Estos RTDs tienen una relación de resistencia de (138,5 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,385 Ω / °C. En una aplicación industrial típica, este tipo de RTD se protege introduciéndolo en una vaina de acero inoxidable.

En los estándares de RTD de laboratorio se utiliza platino de mayor pureza con una mayor relación de resistencia: (139,2 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,392 Ω / °C. A temperaturas superiores a +670°C, los iones metálicos liberados de la sonda de acero inoxidable contaminarán el platino de alta pureza, cambiando su relación de resistencia. Por eso, estos RTDs están protegidos por una sonda de vidrio de sílice o platino. Estos materiales de la sonda permanecen inertes a altas temperaturas, por lo que el RTD no se contamina.

Los RTDs de níquel conformes a DIN 43760 tienen una relación de resistencia de (161,7805 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,618 Ω / °C. Los RTDs de níquel comúnmente utilizados en los EE.UU. tienen una relación de resistencia de (200,64 Ω - 120 Ω) / 120 Ω = 0,672 Ω / °C  (como se muestra en el gráfico anterior).

Los RTDs de cobre[1] están disponibles con R₀ = 9,035 Ω o 100 Ω. Ambos tipos tienen una relación de resistencia de 0,427:

(12,897 Ω - 9,035 Ω) / 9,035 Ω = 0,427 Ω / °C.

(142,7 Ω – 100 Ω) / 100 Ω = 0,427 Ω / °C.

¿RTD de níquel o cobre? Ventajas de cada uno

El níquel crea una alta resistencia a 0°C y tiene una alta relación de resistencia, lo que hace que este sensible RTD sea fácil de medir. Estas cualidades también minimizan los errores debidos a la resistencia del hilo conductor. Para un RTD, el error aproximado debido a la resistencia del hilo conductor es:

Resistencia del hilo conductor / (R₁₀₀-R₀) x 0,01

Por ejemplo:

Un RTD de níquel de 2 hilos mide la temperatura de un conducto de aire. Cada hilo conductor tiene una resistencia de 0,25 Ω, lo que hace una resistencia total de hilo conductor de 0,5 Ω.

Por lo tanto, el error debido a la resistencia del hilo conductor puede calcularse de la siguiente manera:

0,5 Ω / (161,78 – 100) x 0,01 = 0,81°C. Se trata de una aproximación suficiente para muchas aplicaciones.

Para comparar, aquí están las cifras de un RTD de platino de 2 hilos con la misma resistencia de hilo conductor:

0,5 Ω / (138,5 – 100) x 0,01 = 1,3°C.

Como los RTDs de níquel son muy sensibles, un transmisor de bajo coste y baja precisión puede medir el RTD con una precisión aceptable. Las RTDs de níquel se encuentran en HVAC y otras aplicaciones que exigen soluciones económicas.

Los RTDs de cobre tienen el mismo índice de expansión térmica e histéresis electromagnética que los bobinados de cobre utilizados en motores eléctricos y generadores. Por eso, a veces se utilizan RTDs de cobre para medir la temperatura del bobinado.

El cobre también tiene una relación extremadamente lineal entre temperatura y resistencia. Por eso, es posible medir con precisión un reducido intervalo de temperatura sin necesidad de una linealización adicional.

Por ejemplo:

Un RTD Cu100 crea 100 Ω de resistencia a 0°C y 142,743 Ω de resistencia a 100°C. Una extrapolación lineal da la resistencia teórica a 50°C: (R₁₀₀ – R₀)/2 + R₀

= (142,743 – 100)/2 + 100 = 121,3715 Ω

Según las tablas de resistencia frente a temperatura publicadas, el RTD crea una resistencia de 121,3715 Ω a 50°C, por lo que el RTD es funcionalmente lineal entre 0...+100°C.

La no linealidad del cobre no se hace aparente a menos que se mida un amplio espectro. Por ejemplo, si se mide 0...+200°C, una extrapolación lineal da la resistencia teórica a 100°C como (185,675 - 100) / 2 + 100 = 142,838 Ω. Sin embargo, según las tablas, la resistencia RTD a 100°C es de 142,743 Ω.

La diferencia de +0,095 Ω en °C: 0,095 Ω / 0,427 Ω por grado = un error de +0,222°C.

Tolerancia RTD

La mayoría de los fabricantes de sensores fabrican RTDs de platino con niveles de precisión que cumplen las normas RTD IEC 60751 o ASTM E1137.

La norma IEC 60751 define cuatro clases de tolerancia: Clase AA, A, B y C. La norma ASTM E1137 define dos grados de tolerancia: Grados A y B.

Hay que tener en cuenta que la norma IEC 60751 especifica un rango de temperatura máximo para cada clase. Por ejemplo, un sensor de clase A equipado con un elemento RTD en espiral debe mantener la tolerancia especificada de -100...+450°C. Si funciona fuera de ese rango de temperatura, la precisión del sensor puede ser de clase B.

Los sensores conformes a la norma ASTM E1137 con tolerancia de grado A o grado B deben mantener la tolerancia especificada de -200...+650°C.

Esta tabla muestra la tolerancia calculada para cada clase y grado de RTD. Observe que los RTDs de clase C tienen una amplia tolerancia de ±6,6°C a 600°C. La mayoría de aplicaciones industriales requieren RTDs con tolerancia de clase B o mejor.

El siguiente gráfico muestra la tolerancia de los RTDs conformes a la norma IEC60751. Puede ver que las RTDs son más precisas a 0°C, y muestran una mayor probabilidad de error a medida que la temperatura supera o baja de 0°C.