Sensores de platinaUna de las propiedades físicas más utilizadas para medir temperatura es la variación de la resistencia en función de la temperatura. Los sensores de temperatura que se utilizan de esta propiedad son los denominados RTDs (Resistance Temperature Detectors) o termorresistencias. Los materiales que poseen esta propiedad, y que son los más utilizados en la fabricación de este tipo de sensores son: Platino (Pt), Níquel (Ni) y Cobre (Cu), además de algunos semiconductores.

Por más de 100 años, en razón de su elevada pureza y de sus características físico-químicas tan particulares, el platino ha sido usado como el mejor material base para sensores de temperatura del tipo RTD. Los sensores que utilizan este metal precioso contemplan de manera ideal los requisitos necesarios para un perfecto y confiable funcionamiento durante muchos años de operación. Entre las varias ventajas del uso del Platino como material sensor, podemos destacar su gran estabilidad, la repetitividad y la posibilidad de operar de forma bastante lineal en un extenso rango de temperaturas (-200°C a +850°C, pudiendo llegar a los 1000°C en algunos casos especiales).

Las ventajas de las propiedades especiales del platino cuando es utilizado en la fabricación de sensores de temperatura son evidentes cuando son comparadas con sensores que utilizan otro tipo de materiales como por ejemplo semiconductores (KTY™) o termistores (NTC):

Tipo del Sensor Termoresistencia Termistor (NTC) Termopar KTY
Material del elemento sensor Platino Semicondutor cerámico Unión de dos metales Semiconductor de silicio
Principio de funcionamiento Variación de la resistencia óhmica Variación de la resistencia óhmica Junta caliente (EMF - Fuerza electromotriz) Variación de la resistencia óhmica
Costo del sensor Moderado a bajo Moderado a bajo Bajo Bajo
Costo del hardware Moderado Moderado a bajo Alto Bajo
Rango de temperatura -200ºC a +1000ºC (Típicamente 660ºC máx.) -100ºC a +300ºC, tipos especiales hasta +500 ºC (Típicamente 125ºC no máx.) -270ºC a +1800ºC, dependiendo del tipo. -55ºC a+300ºC
Valores fundamentales 25 hasta 10.000Ω 1KΩ hasta 1MΩ 10 mV @ 25°C 750mV @ 25°C
Precisión 0,03 °C Típica ± 1% en resistencia Para la clase 2 según el tipo ± 2.5ºC o 0.0075 |t| Típica ± 5%, mejor precisión en resistencia ± 0,5%
Intercambiabilidad ±0.06%, ±0.2ºC ±10%, ±2ºC ±0.5%, ±2ºC ±1%, ±3ºC
Estabilidad Excelente Moderada Baja Moderada
Sensibilidad 0.39% /ºC -4% /ºC 40mV /°C 10mV /°C
Linealidad Excelente Baja (logarítmica) Moderada Moderada
Coeficiente (α) Positivo Negativo Positivo Positivo
Sensibilidad al ruido Muy baja Baja Alta Baja
Requisitos especiales - Linearización Junta de referencia -

Entre las ventajas podemos mencionar:

  • Alta precisión
  • Bajo corrimiento
  • Baja histéresis
  • Vida útil extremadamente larga
  • Señal de salida alta y consecuentemente de fácil tratamiento electrónico
  • Amplio rango de temperatura, desde -200°C hasta 1000°C
  • Excelente linealidad de la curva dR/dT
  • Alta repetitividad
  • Totalmente intercambiable
  • Alta resistencia al choque térmico
  • Excelente estabilidad en cualquier faja de operación

Los sensores de platino tienen como definición mas común el valor de 100Ω a 0°C.

Por esta razón, RTDs de platino son normalmente llamados sensores Pt100, sin embargo existen en el mercado termoresistencias de platino con valores a 0°C de 25Ω, 500Ω, 1000Ω hasta 10.000Ω, dependiendo de la aplicación y de la tecnología de fabricación.

La curva típica de los sensores industriales de platino presenta un coeficiente nominal de 0,3850 Ω/K, también existen otros coeficientes que pueden ser utilizados, tales como: 0,3916 Ω/K, 0,3750 Ω/K o 0,3925 Ω/K.

Principio de funcionamiento de los sensores de platino

desenho-cww

 

Los sensores de temperatura que usan platino, tienen como principio de funcionamiento la variación de su resistencia eléctrica en función de la variación de temperatura. Esta variación de la resistencia genera una curva característica, la cual puede ser definida matemáticamente.

Esta curva característica es definida y aceptada internacionalmente a través de la Norma IEC-60751 que determina el coeficiente de temperatura del platino α (Alfa):

donde Rt es la resistencia a 100°C y Ro la resistencia a 0°C.

Como convención, el coeficiente de temperatura de los sensores de platino, se escribe:

°C-1

La curva padrón se da a través de la ecuación de Callendar Van-Dussen que define la resistencia en función de la temperatura de la siguiente forma:

Para -200 ≤ t < 0°C:

Para t ≥ 0°C:

Donde:

Rt = Resistencia a la temperatura t en Ω

Ro = Resistencia a 0°C en Ω

y las constantes:

A = 3.9083 x 10-3 °C-1

B = -5.775 x 10-7 °C-2

C = -4.183 x 10-12 °C-4

Para realizar el cálculo inverso, o sea calcular la temperatura (°C) en función de la resistencia, debemos usar las ecuaciones enunciadas en la norma ASTM E 1137 / E 1137M como sigue:

Para -200 ≤ t < 0°C:

Para t ≥ 0°C:

Donde:

t = temperatura ITS-90 en °C

Rt = resistencia a la temperatura t en Ω

Ro = resistencia a 0 °C en Ω

y las constantes:

A = 3.9083 3 10−3 °C−1

B = −5.775 3 10−7 °C−2

D1 = 255.819 °C

D2 = 9.14550 °C

D3 = −2.92363 °C

D4 = 1.79090 °C

Normas y Tolerancias

Como se ha mencionado anteriormente, las RTDs son especificadas por sus respectivos coeficientes de temperatura y para eso existen algunas normas.

En las últimas décadas la tendencia mundial, fue la de adoptar como padrón la norma IEC 60751. Los rangos de temperatura, así como las clases de tolerancia de la norma, son basadas en la experiencia práctica con los elementos sensores RTDs fabricados con dos tecnologías a saber:

  • Elemento sensor espiral en cerámica (CWW)
  • Película plana (Thin Film)

Valores de Tolerancia

Los valores de tolerancia de los RTDs son clasificados en dos tablas distintas, de acuerdo a su tecnología de fabricación. Cada tabla a su vez se divide en cuatro clases de tolerancia, de acuerdo con los valores mostrados abajo:

Tolerancia clase (CWW) Rango de temperatura (CWW) Tolerancia clase (Thin Film)) Rango de temperatura (Thin Film) Tolerancia (°C)
W0.1 -100 a +350 °C F0.1 0 a +150 °C ± (0,1 + 0.0017 |t|)
W0.15 -100 a +450 °C F0.15 -30 a +300 °C ± (0,15 + 0.002 |t|)
W0.3 -196 a +660 °C F0.3 -50 a +500 °C ± (0,3 + 0.005 |t|)
W0.6 -196 a +660 °C F0.6 -50 a +600 °C ± (0,6 + 0.01 |t|)

|t|, modulo de temperatura en °C

Tolerancias Especiales

Existen otras dos clases de tolerancia que hasta el momento no fueron normalizadas, entretanto la IEC 60751 acepta esas clases especiales, desde que las RTDs con esas tolerancias sean de común acuerdo entre fabricante y usuario. Las clases especiales más aceptadas y usadas en el mercado mundial son respectivamente, W0.06 ± (0,06 + 0,001 |t|) y W0.03 ± (0,03 + 0,0005 |t|).
Además de las tolerancias, las clases especiales pueden definir también fajas de temperaturas de trabajo mas extendidas, que pueden cubrir valores de -200°C hasta 900°C, dependiendo del fabricante y de la tecnología de fabricación.

Corriente de Medición

La corriente de medición de un RTD, de acuerdo con la norma IEC 60751 debe ser limitada a un valor, cuyo auto-calentamiento (expresado en °C/mW), sea como máximo 25% del valor de la tolerancia de la clase en condiciones de máxima corriente.

La corriente de medición, por convención, no debe ser mayor a 1mA para un sensor cerámico de 100Ω.

Configuración de los alambres de conexión

Los sensores montados con clases de tolerancia W0.3 o F0.3 deben ser conectados al circuito electrónico con una configuración de 3 o 4 alambres. Los sensores montados pueden ser construidos con uno o dos sensores RTDs.

Para ambos casos, la norma IEC 60751 define las configuraciones de conexión tal como está indicado en la tabla siguiente:

Aislación de los sensores de temperatura montados

Los sensores montados deben tener una resistencia mínima de aislación, caso contrario, la baja resistencia de aislación puede provocar inestabilidad en la lectura del sensor. Los valores de resistencia de aislación versus la temperatura exigidos por la norma son los siguientes:

TEMPERATURA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO
Hasta 250 °C 20 MΩ
251 a 450 °C 2 MΩ
451 a 650 °C 0,5 MΩ
651 a 850 °C 0,2 MΩ

Tecnologías de fabricación de RTDs

Las tecnologías de construcción de RTDs de platino más utilizados industrialmente, pueden ser divididas en dos importantes categorías: cerámica (CWW – Ceramic Wire Wound o espiral de platino en cuerpo cerámico) y película plana (Thin Film).

Cada tecnología tiene sus características y aplicaciones típicas. El sensor de cerámica tiene como característica principal la construcción clásica, en la que una bobina de platino está alojada dentro de un tubo cerámico de alta pureza. Ya el sensor de película plana se caracteriza por una capa delgada de platino en forma de meandro, aplicado sobre un sustrato cerámico de alta pureza.