Medida de temperatura

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Los sensores de temperatura son ubicuos, con multitud de aplicaciones. La más evidente es el control de procesos, en especial cuando involucran calentamientos o enfriamientos (calderas, equipos de aire acondicionado…), pero también cuando son sensibles a esta medida -por ejemplo, cuando implican reacciones químicas-. Otra importante función es la protección de equipos, normalmente para evitar altas temperaturas (bombas, transformadores, electrónica…), aunque también bajas, principalmente cuando pueden producirse congelaciones. Pero el uso de este tipo de sondas va más allá, porque muchos otros instrumentos (galgas extensiométricas, conductivímetros, niveles por presión diferencial, etc.) requieren ajuste de los valores en función de temperatura, y por tanto incorporan una PT100 o un termopar para corregir la salida.
A continuación describiré brevemente los distintos tipos de sensores de temperatura existente, su principio de funcionamiento y características.

  • Detector de temperatura resistivo o RTC (resistance temperature detector). Como su nombre indica, aprovechan la variación de la resistencia eléctrica que se produce en los metales cuando cambia su temperatura. Este comportamiento es aproximadamente lineal, y se puede modelar por medio de un coeficiente, el mismo que se emplea en los cálculos de secciones de conductores. A partir del cambio de conductividad de un hilo metálico de pequeña sección, se determina la temperatura a la que se encuentra. Dicho hilo normalmente se enrolla alrededor de un trozo de vidrio o cerámica y se sella para protegerlo. El material más empleado es el platino, por comportarse linealmente en un rango de temperaturas bastante amplio, de -200..850ºC, si bien también se usan cobre o níquel. Es habitual denominar a estos sensores por el símbolo del elemento que lo compone seguido de un número que expresa la resistencia en ohmios a los 0ºC. Así, una Pt100 está fabricada en platino y su sección y longitud es tal que a dicha temperatura ofrece una resistencia al paso de la corriente de 100Ω. Son también habituales las sondas Pt500 y Pt1000.
    Un inconveniente que presentan este tipo de sensores es que la medida se ve afectada por el cable con el que se conectan al conversor. Puesto que su sección será comparativamente mucho mayor, para longitudes pequeñas su efecto es despreciable. Sin embargo, si se extiende bastantes metros, en el conversor se verá una resistencia sensiblemente mayor y, por tanto, mediremos una temperatura más elevada. Para corregir este error se extiende un tercer cable paralelo a los dos que llegan al sensor, y se puentea en el extremo. Este tercer conductor nos arroja exactamente la resistencia que se debe descontar de la medida. Esta construcción se denomina a tres hilos. También se puede hacer una conexión a cuatro hilos para la misma función.

    Conexión a dos hilos
    Conexión a dos hilos
    Conexión a tres hilos
    Conexión a tres hilos
    Conexión a cuatro hilos
    Conexión a cuatro hilos
  • Termopar. Este tipo de sondas hace uso del efecto Seebeck o termoeléctrico. En la unión de dos metales diferentes se genera una pequeña diferencia de potencial, del orden de milivoltios, que es función del salto de temperatura entre esta unión y los extremos opuestos de los cables. A la soldadura se le denomina punto caliente y a los cabos contrarios, extremo frío.
    Termopar
    Termopar

    El potencial creado no es tan lineal como en los RTD, pero se puede aproximar polinómicamente para alcanzar igual precisión. La diferencia más notable es que es necesario disponer de una temperatura de referencia para poder determinar la del punto de medida. Para esta segunda temperatura se puede aprovechar algún fenómeno físico; por ejemplo, introducir los extremos en agua en el punto de congelación, a 0ºC. Una alternativa, obviamente, es emplear una segunda sonda de un tipo distinto. Los conversores de este tipo de instrumentación suelen contener un sensor de semiconductor para proporcionar el valor de referencia. Anotar que este sensor de referencia normalmente trabaja a temperatura ambiente y en un rango pequeño, por lo que sus exigencias son menores.
    Es importante, si es necesario prolongar los cables de un termopar, conservar los mismos metales conductores. Si se usan otros, se estarían añadiendo nuevos puntos de unión que generan potencial y falsean la medida. Dado el caso, habría que realizar una corrección en función de la temperatura de estas uniones intermedias.

    Termopar con dos temperaturas de referencia
    Termopar con dos temperaturas de referencia

    Los metales que conforman los termopares son típicamente aleaciones. Sus composición y características se definen mediante una letra, que sirve para denominarlos:

    Tipo Positivo Negativo Rango Características
    K cromel (Ni-Cr) alumel (Ni-Al) -180..1300ºC El más habitual, por bajo costo. Buena resistencia a oxidación. Debido al magnetismo del níquel, presenta desviación al superar el punto de Curie.
    J hierro constantán (Cu-Ni) -180..800ºC Alta sensibilidad, pero desviación a altas temperaturas, por el hierro.
    N crinosil (Ni-Cr-Si-Mg) nisil (Ni-Si-Mg) -270..1300ºC Buena resistencia a oxidación y estabilidad.
    R Pt-Rh Pt -50..1700ºC Altas temperaturas, pero baja sensibilidad.
    S Pt-Rh Pt -50..1750ºC Similar a la R. Se usa para medir el punto de fusión del oro, por su estabilidad.
    B Pt-Rh Pt-Rh 50..1820ºC Válido para muy altas temperaturas, pero su curva posee un mínimo a 21ºC que limita su uso a bajas temperaturas.
    T cobre constantán (Cu-Ni) -250..400ºC Bajo rango, pero buena sensitividad. El cobre permite medida diferencial.
    E cromel (Ni-Cr) constantán (Cu-Ni) -40..900ºC Alta sensibilidad.
  • Termistor. Como las RTD, aprovechan la variación de la resistencia con la temperatura, pero en su lugar emplean semiconductores. En su caso, la curva presenta poca linealidad, y se aproxima mejor por una hipérbole. Se agrupan en dos categorías en función del signo de coeficiente de temperatura: NTC (negative temperature coefficient) y PTC (positive temperature coefficient). Hay que recalcar que este coeficiente no es constante, sino que varía fuertemente con la temperatura. Al aumentar el número de portadores presente, la resistencia disminuye (NTC) si saltan a la banda de conducción, o aumenta (PTC) si se forman barreras de potencial en las fronteras del grano.
    Estos dos comportamientos diferentes orientan su uso de forma diferenciada. Los NTC se emplean en medición directa de temperatura, en rangos muy limitados. También para limitar las corrientes de arranque; una vez se calientan, la resistencia desciende acorde al paso a régimen nominal.
    Los PTC se usan en protecciones contra sobrecorrientes, a modo de fusibles reseteables. Conforme el semiconductor se calienta, aumenta la resistencia que se opone al paso de la corriente. Aprovechando dicho fenómeno, también se usan como temporizadores en bobinas desmagnetidoras, resistencias calefactoras con temperatura estable, etc.
  • Basado en semiconductor. Muy empleados en electrónica, por poder incluirse a bajo coste en un circuito integrado, hacen uso del cambio de voltaje que se produce en una unión PN al aumentar la temperatura. El sensor está formado en esencia por un transistor con base y colector acortados, aunque en la práctica se rodea de la circuitería adecuada para eliminar efectos de saturación de corriente (alternando entre dos fuentes), amplificar la señal, digitalizarla, etc.
    Sensor de temperatura de semiconductor. Autor: Biezl
    Sensor de temperatura de semiconductor. Autor: Biezl

    Su rango de temperatura es limitado (-50..150ºC). A cambio, ofrecen gran linealidad, sensibilidad, bajo coste y un tamaño muy reducido. Se usan ampliamente para proteger la electrónica de sobretemperaturas, aunque también en equipos de aire acondicionado, automóviles, equipos portátiles, etc.

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