¿Qué Es Un Termómetro De Resistencia y Dónde Se Utiliza?

Existen diferentes instrumentos para medir la temperatura, pero uno de ellos es el termómetro de resistencia, que fue ideado con la ayuda de que su resistencia interna varía con la temperatura.

Términos importantes

A continuación se presentarán algunos términos importantes antes de abordar al termómetro de resistencia.

Resistencia

La resistencia de un material representa la capacidad que tiene el mismo para oponerse a la corriente, es decir, a mayor resistencia mayor será la oposición que dicho material presenta al flujo de corriente.

Corriente

Lo anterior es importante tenerlo claro para comprender la dependencia que tiene la intensidad de la corriente con los cambios en la resistencia, es decir, la corriente se modifica cuando se modifica su resistencia, como se puede observar en la siguiente expresión.

R = V/I                                                                                                   (1-1)

donde:

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R = Es la resistencia eléctrica.

V = Es el voltaje en la resistencia.

I = Es la corriente en la resistencia.

Si reacomodamos la expresión anterior obtenemos la siguiente ecuación:

I = V/R                                                                                                   (1-2)

Quiere decir que la corriente que fluye a través de la resistencia es igual al voltaje en ella misma entre su propia resistencia.

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Resistividad

Dicha resistencia depende de algunas características tal y como se ve en la siguiente ecuación.

R = ρl/A                                                                                                   (1-3)

Donde:

R = Es la resistencia de un material tipo cable.

ρ = Es la resistividad del material.

l = Es la longitud del material.

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A = Es el área de la sección transversal del material.

Según lo anterior se puede decir que un material de longitud l y área de sección transversal A constante tiene una resistencia constante si su resistividad no cambia.

Tal propiedad, resistividad, nombrada anteriormente es la que se utiliza para hacer valer al termómetro de resistencia, debido a que la resistividad depende de la temperatura y por ende de los cambios en esta última.

¿Qué es un termómetro de resistencia?

Un termómetro de resistencia es aquel que tiene la capacidad de variar su resistencia en función de los cambios de temperatura, es decir, que cuando la temperatura cambia, los valores de resistencia son diferentes para cada uno de estos cambios.

Por lo tanto, se hace uso de cada uno de estos valores de resistencia para obtener el valor correspondiente de temperatura.

Los elementos apropiados que se utilizan para estas aplicaciones son los IPRT o RTD, que quiere decir termómetro de resistencia industrial de platino o detector de temperatura resistivo respectivamente, por ser el platino un material que se comporta de forma lineal para sus cambios en la resistencia.

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Sin embargo, otros tipos de materiales como el cobre y el tungsteno se utilizan para el diseño de termómetros de resistencia.

De forma general se puede decir que los termómetros de resistencia pueden medir temperaturas desde los -200 °C hasta los 3568 °C.

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Diseño del sensor bobinado

Para el caso de los termómetros de resistencia bobinados o RTD bobinados el sensor se diseña enrollando un alambre de platino alrededor de una base de cerámica.

El cuerpo anterior, la bobina de platino y la base de cerámica se envuelven con una cubierta de vidrio y se dejan dos conductores de platino hacia su lado exterior para su posterior conexión y funcionamiento.

En la siguiente imagen se puede observar el sensor de temperatura en un RTD bobinado.

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¿Cómo funciona un termómetro de resistencia?

Se hace fluir una corriente eléctrica constante a través de una resistencia que cambia con los cambios en la temperatura, debido a que la corriente es constante, la caída de tensión en la resistencia se verá únicamente afectada por los cambios en la resistencia que a su vez se deben  a cambios en la temperatura.

Por lo tanto los cambios en la temperatura se traducen en cambios en la resistencia y de esta manera se puede conocer cuál es el valor de la temperatura.

Cada resistencia cuenta con una curva llamada curva característica de resistencia, en la misma se puede observar como varía la resistencia en función de los cambios en la temperatura.

Los comportamientos de estas curvas pueden ser lineales, lo quiere decir, que la resistencia cambia proporcionalmente para cada cambio de temperatura.

Sin embargo, no todas las resistencias cambian linealmente con los cambios de temperatura, lo que quiere decir que las curvas características no serán lineales sino más bien tendrán un comportamiento distinto.

El comportamiento de las resistencias se obtiene previamente al uso de las mismas puesto que cada fabricante dispone de las curvas características correspondientes a la resistencia que se desee adquirir.

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Dicho comportamiento se inserta en el sistema de obtención temperatura para que el mismo pueda indicar la temperatura adecuada para cuando la resistencia cambia en función de esta última.

Entre los diferentes termómetros de resistencia que se pueden obtener tenemos los RTD, los cuales se pueden llamar indistintamente termómetro de resistencia o sensor de temperatura.

Curva característica de una resistencia en un RTD

La resistencia puede variar en función de la temperatura tal y como se indica en la siguiente ecuación.

R = R0 (1 + αΔt)                                                                                                   (1-4)

donde:

R = La resistencia resultante después del cambio de temperatura.

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R0 = La resistencia inicial antes del cambio de temperatura.

Δt = La variación en la temperatura.

α = El coeficiente de temperatura del conductor a 0 °C.

Con la ecuación (1-4) se construyen las curvas características de cada resistencia, la cual representa su comportamiento para variaciones de temperatura tal y como se muestra en la siguiente figura.

En la figura anterior se puede observar la zona de utilización, que es aquella donde la resistencia se comporta de manera lineal, dicha zona resulta de gran interés puesto que en la misma su comportamiento puede ser descrito de forma sencilla, hecho que sería distinto para un comportamiento no lineal.

Por ende los comportamiento lineales son más efectivos debido a que es más fácil conocer y describir el posible comportamiento de las resistencia.

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Tener las curvas características de cada RTD hace el trabajo de obtención de la temperatura eficaz, puesto que se puede elegir la resistencia que más se apague a las características de operación en la cual estará operando y así obtener una mayor precisión en las medidas. 

También permite identificar los rangos de temperatura para los cuales la resistencia se comporta de una manera dada, lo cual es necesario conocer para determinar para qué intervalos es conveniente usar dicha resistencia de manera lineal.

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Instrumentación industrial

En la instrumentación industrial se utilizan diferentes tipos de termómetros, sondas o sensores de temperatura, entre ellos, lo más utilizados son los detectores de temperatura resistivos o RTD.

Los mismos miden la resistencia a través de un sensor RTD de platino el cual varía su resistencia de forma lineal para cada cambio de temperatura, los valores entre los cuales puede operar un RTD están estipulados por un conjunto de normas.

Cuando la temperatura cambia, junto con dicho cambio la resistencia eléctrica en el sensor aumenta o disminuye, el comportamiento de estos cambios, es decir, la manera en cómo aumenta o disminuye propiamente la resistencia dependerá de su curva característica, la cual define sus cambios en función de la temperatura.

Al medir la resistencia la temperatura se puede determinar con mucha exactitud gracias a su curva, los RTD están disponibles en diferentes clases de exactitud.

Para las versiones estándares si se aumenta la exactitud se reduce el rango aplicable, es decir, que si se desean obtener mediciones mucho más precisas se podrán hacer pero en intervalos de temperatura más pequeños, también la elección entre un sensor estratificado o bobinado afecta al rango de medición de temperatura.

De acuerdo con la norma IEC 60751 los RTD estándares con sensor bobinado clase B pueden medir temperaturas desde los -196 °C hasta un máximo de 600 °C.

Si los RTD exceden o caen por debajo del rango de medición para el cual fueron diseñados los valores medidos comienzan a salirse de la exactitud especificada en el estándar, tal y como se muestra en la figura correspondiente a una curva característica mostrada anteriormente cuando se está fuera de la zona de utilización, lo que quiere decir que se desvían, por lo tanto el resultado de la medición ya no es exacto.

Este efecto es más pronunciado en sensores estratificados que en los bobinados, también es importante destacar que si se usa un RTD fuera de su rango de medición se puede dañar el sensor RTD, debido a que se dirige a zonas en donde su comportamiento es completamente distinto al adecuado.

Sin embargo, no se puede garantizar la exactitud de los valores medidos dentro de su rango, pero son mucho más precisos.

La versión estándar del sensor para aplicaciones industriales, es el sensor PT100 tiene una resistencia eléctrica de 100 Ω y en casos especiales también se utilizan sensores PT 25 o PT 1000, es decir, resistencias de 25 Ω y 1000 Ω respectivamente a 0 °C.

Partes de un RTD industrial

• Un RTD o detector de temperatura resistivo consta de un cabezal de conexión que sirve para evitar movimientos inoportunos.
• Una coneccion electrica para informar el valor de una temperatura correspondiente a la medición a través de su resistencia.
• Un transmisor que se encarga de enviar el valor de temperatura recolectado en el área del sensor a la zona de conexión eléctrica.

• El neck tube que no es más que el cuello del RTD que tiene diferentes medidas dependiendo de su aplicación, en los que dependiendo de esta se necesitarán unos más largos o cortos.
• El proceso de conexión que es la unión entre la zona de medida de temperatura y la zona de entrega de la temperatura.
• La insertion probe que es la parte del RTD destinada y utilizada para la colocación del mismo, en los lugares donde se desea aplicar la medición de temperatura, es decir, es la parte que se usa para llegar a la zona de temperatura.
• El sensor stem se refiere al contenedor cilíndrico del sensor.
• Y por último el sensor que se tiene en la parte inferior del RTD que es el propio componente que se utiliza para realizar las mediciones de temperatura.
• El sensor RTD varía su resistencia de forma adecuada en función de su curva característica, el cual puede ser estratificado o bobinado, tal y como se mostró en la figura correspondiente al diseño de un sensor bobinado. 

Conclusión

El instrumento adecuado para aplicaciones industriales para medir la temperatura en sus diferentes ámbitos es el termómetro de resistencia de platino o RTD, debido a la característica lineal que presentan dichas resistencias para los cambios de temperatura.

Los rangos aplicables y exactitud requerida dependen uno del otro, es decir, para un mayor rango de utilización se tendrá una menor exactitud y para un menor rango de utilización una mayor exactitud.

Los rangos de temperatura en general que pueden tener abarcan desde los -200 °C hasta los 3568 °C, sin embargo para aplicaciones lineales dichos rangos se mantienen entre los -200 °C y 800 °C aproximadamente.