La diferencia entre termopar, termistor y RTD

               

El concepto de temperatura

Desde un punto de vista físico, el calor es una medida de la energía contenida en el cuerpo debido al movimiento irregular de sus moléculas o átomos. Al igual que las pelotas de tenis tienen más energía con el aumento de la velocidad, la energía interna del cuerpo o gas aumenta a medida que aumenta la temperatura. La temperatura es una variable que, junto con otros parámetros como la masa y el calor específico, describe el contenido energético del cuerpo.

La medida básica de la temperatura es el grado Kelvin. A 0 ° K (Elvin), todas las moléculas del cuerpo están en reposo y no hay más calor. Por lo tanto, no hay posibilidad de temperatura negativa porque no hay un estado de menor energía.

En el uso diario, la práctica habitual es usar centígrados (antes centígrados). Su punto cero está en el punto de congelación del agua, que se puede reproducir fácilmente en la práctica. Ahora bien, 0 ° C no es de ninguna manera la temperatura más baja, porque todos lo saben por experiencia. Al extender la escala centígrada a la temperatura más baja en la que se detiene todo el movimiento molecular, alcanzamos – 273,15 grados.

El hombre tiene la capacidad de medir la temperatura a través de sus sentidos en un rango limitado. Sin embargo, no pudo reproducir con precisión las mediciones cuantitativas. La primera forma de medición cuantitativa de la temperatura se desarrolló en Florencia a principios del siglo XVII y se basó en la expansión del alcohol. El escalado se basa en las temperaturas más altas en verano e invierno. Cien años después, el astrónomo sueco Celsius lo reemplazó con los puntos de fusión y ebullición del agua. Esto le da al termómetro la oportunidad de acercar y alejar el zoom en cualquier momento y reproducir las lecturas más tarde.

Temperatura de medición eléctrica

La medición de la temperatura es importante en muchas aplicaciones, como el control de edificios, el procesamiento de alimentos y la fabricación de productos siderúrgicos y petroquímicos. Estas aplicaciones tan diferentes requieren sensores de temperatura con diferentes estructuras físicas y, por lo general, diferentes tecnologías

En aplicaciones industriales y comerciales, los puntos de medición suelen estar lejos de los puntos de indicación o control. Por lo general, se requiere un procesamiento adicional de las mediciones en controladores, registradores u computadoras. Estas aplicaciones no son adecuadas para la indicación directa de termómetros porque los conocemos del uso diario, sino que necesitamos convertir la temperatura en otra forma de dispositivo, la señal eléctrica. Para proporcionar esta señal eléctrica remota, generalmente se usa RTD. Termistores y termopares.

RTD adopta la característica de resistencia del metal que cambia con la temperatura. Son sensores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) cuya resistencia aumenta con la temperatura. Los principales metales utilizados son el platino y el níquel. Los sensores más utilizados son los termómetros RTDS de 100 ohmios o de 1000 ohmios o los termómetros de resistencia de platino.

RTD es el sensor más preciso para aplicaciones industriales y también proporciona la mejor estabilidad a largo plazo. El valor representativo de la precisión de la resistencia del platino es + 0,5% de la temperatura medida. Después de un año, puede haber un cambio de + 0.05 ° C a través del envejecimiento. Los termómetros de resistencia de platino tienen un rango de temperatura de – 200 a 800 ° C. 

Cambio de resistencia con la temperatura

La conductividad de un metal depende de la movilidad de los electrones conductores. Si se aplica un voltaje al extremo del cable, los electrones se mueven al polo positivo. Los defectos en la red interfieren con este movimiento. Incluyen átomos de red externos o faltantes, átomos en los límites de grano y entre posiciones de red. Dado que estas ubicaciones de falla son independientes de la temperatura, producen una resistencia constante. Con el aumento de la temperatura, los átomos en la red metálica exhiben oscilaciones aumentadas cerca de sus posiciones estacionarias, lo que dificulta el movimiento de los electrones conductores. Dado que la oscilación aumenta linealmente con la temperatura, el aumento de la resistencia causado por la oscilación depende directamente de la temperatura.

El platino ha sido ampliamente aceptado en la medición industrial. Sus ventajas incluyen la estabilidad química, la fabricación relativamente fácil (especialmente para la fabricación de alambre), la posibilidad de obtenerlo en forma de alta pureza y propiedades eléctricas reproducibles. Estas características hacen que el sensor de resistencia de platino sea el sensor de temperatura más intercambiable.

Los termistores están hechos de algunos óxidos metálicos y su resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. Debido a que la característica de resistencia disminuye con el aumento de la temperatura, se denomina sensor de coeficiente de temperatura negativo (NTC).

Debido a la naturaleza del proceso básico, el número de electrones conductores aumenta exponencialmente con la temperatura; Por lo tanto, la característica muestra un fuerte aumento. Esta evidente no linealidad es una desventaja de las resistencias NTC y limita su rango de temperatura efectiva a unos 100 ° C. Pueden, por supuesto, ser linealizados por computadoras automatizadas. Sin embargo, la precisión y la linealidad no pueden cumplir con los requisitos de un gran tramo de medición. Su deriva a temperaturas alternas también es mayor que la de RTD. Su uso se limita a monitorear e indicar aplicaciones donde la temperatura no supera los 200 ° C. En esta sencilla aplicación, en realidad son superiores a los termopares y RTD más caros, teniendo en cuenta su bajo coste y los circuitos electrónicos relativamente sencillos que se requieren.

La base del termopar es la conexión entre dos metales diferentes, el termistor. El voltaje generado por el termopar y el RTD aumenta con la temperatura. En comparación con los termómetros de resistencia, tienen un límite superior de temperatura más alto, con una ventaja significativa de varios miles de grados centígrados. Su estabilidad a largo plazo es ligeramente pobre (varios grados después de un año) y la precisión de la medición es ligeramente pobre (promedio + 0,75% del rango de medición). A menudo se utilizan en hornos, hornos, medición de gases de combustión y otras áreas donde las temperaturas son superiores a 250 ° C.

Efecto termoeléctrico

Cuando dos metales están conectados entre sí, se produce voltaje termoeléctrico debido a la diferente energía de enlace de los electrones y los iones metálicos. El voltaje depende del propio metal y de la temperatura. Para que este voltaje térmico genere corriente, los dos metales deben, por supuesto, estar conectados entre sí en el otro extremo para formar un circuito cerrado. De esta manera, se genera un voltaje térmico en la segunda unión. El efecto termoeléctrico fue descubierto por Seebeck en 1822. Ya en 1828, Becquerel sugirió el uso de un termopar de platino y paladio para la medición de la temperatura.

Si hay la misma temperatura en ambos cruces, no hay flujo de corriente porque las presiones parciales generadas en los dos puntos se anulan entre sí. Cuando la temperatura en la unión es diferente, el voltaje generado es diferente y la corriente fluye. Por lo tanto, el termopar solo puede medir la diferencia de temperatura.

El punto de medición es una unión expuesta a la temperatura medida. La unión de referencia es una unión a una temperatura conocida. Dado que la temperatura conocida suele ser más baja que la temperatura medida, la unión de referencia suele denominarse unión fría. Para calcular la temperatura real del punto de medición, se debe conocer la temperatura del extremo frío.

Los instrumentos más antiguos utilizan cajas de conexiones de control termostático para controlar la temperatura de la unión fría a valores conocidos, como 50 ° C. Los instrumentos modernos utilizan RTD de película delgada en el extremo frío para determinar su temperatura y calcular la temperatura del punto de medición.

El voltaje producido por el efecto termoeléctrico es muy pequeño y es de solo unos pocos microvoltios por grado centígrado. Por lo tanto, los termopares no se usan normalmente en el rango de -30 a + 50 ° C, porque la diferencia entre la temperatura de la unión de referencia y la temperatura de la unión de referencia es demasiado pequeña para producir una señal sin interferencia.

Cableado RTD

En un termómetro de resistencia, la resistencia varía con la temperatura. Para evaluar la señal de salida, una corriente constante pasa a través de ella y se mide la caída de voltaje a través de ella. Para esta caída de voltaje, se obedece la ley de Ohm, v = IR.

La corriente de medición debe ser lo más pequeña posible para evitar el calentamiento del sensor. Se puede considerar que la corriente de medición de 1 mA no introducirá ningún error evidente. La corriente produce una caída de tensión de 0,1 V en PT 100 a 0 °C. Esta tensión de señal debe transmitirse ahora a través del cable de conexión hasta el punto de indicación o el punto de evaluación con una modificación mínima. Hay cuatro tipos diferentes de circuitos de conexión:

Circuito de 2 hilos

Se utiliza un cable de 2 hilos para la conexión entre el termómetro y la electrónica de evaluación. Como cualquier otro conductor eléctrico, el cable tiene una resistencia en serie con un termómetro de resistencia. Como resultado, las dos resistencias se suman y la electrónica lo interpreta como un aumento de temperatura. Para distancias más largas, la resistencia de línea puede alcanzar varios ohmios y producir un desplazamiento significativo en el valor medido. 

Circuito de 3 hilos

Para minimizar la influencia de la resistencia de la línea y su fluctuación con la temperatura, generalmente se usa un circuito de tres hilos. Incluye el tendido de cables adicionales en uno de los contactos del RTD. Esto da como resultado dos circuitos de medición, uno de los cuales se utiliza como referencia. El circuito de 3 hilos puede compensar la resistencia de la línea en términos de su número y variación de temperatura. Sin embargo, se requiere que los tres conductores tengan las mismas características y estén expuestos a la misma temperatura. Esto generalmente se aplica en una medida suficiente para hacer que los circuitos de 3 hilos sean el método más utilizado en la actualidad. No se requiere balanceo de línea. 

Circuito de 4 hilos

La mejor forma de conexión del termómetro de resistencia es el circuito de 4 hilos. La medición no depende ni de la resistencia de la línea ni de los cambios inducidos por la temperatura. No se requiere balanceo de línea. El termómetro proporciona corriente de medición a través de una conexión de alimentación. La caída de tensión en la línea de medición es recogida por la línea de medición. Si la resistencia de entrada de un dispositivo electrónico es muchas veces mayor que la resistencia de línea, esta última puede ser ignorada. La caída de tensión determinada de esta manera es independiente de las características del cable de conexión. Esta técnica generalmente se usa solo para instrumentos científicos que requieren una precisión de medición de una centésima.

Transmisor de 2 hilos

Al utilizar un transmisor de 2 hilos en lugar de un cable de varios hilos, se puede evitar el problema de un circuito de 2 hilos como se describió anteriormente. El transmisor convierte la señal del sensor en una señal de corriente normalizada de 4-20 mA, que es proporcional a la temperatura. La fuente de alimentación del transmisor también funciona a través de las mismas dos conexiones, utilizando una corriente básica de 4 mA. El transmisor de 2 hilos proporciona una ventaja adicional, es decir, la amplificación de la señal reduce en gran medida el impacto de las interferencias externas. Hay dos arreglos para colocar el transmisor. Dado que la distancia entre las señales no amplificadas debe ser lo más corta posible, el amplificador se puede instalar directamente en el termómetro en su cabezal terminal. Esta mejor solución a veces no es posible debido a razones estructurales o consideraciones de que el transmisor puede ser difícil de alcanzar en caso de fallo. En este caso, el transmisor montado en riel se instala en el gabinete de control. La ventaja de un acceso mejorado es que se compra a costa de una mayor distancia que debe recorrer la señal no amplificada.

Cableado del termistor

La resistencia de un termistor suele ser varios órdenes de magnitud mayor que la de cualquier cable conductor. Por lo tanto, el efecto de la resistencia del plomo en las lecturas de temperatura es insignificante, mientras que los termistores casi siempre están conectados en una configuración de 2 hilos.

Cableado de termopar

A diferencia de los RTDS y los termistores, los termopares tienen tramos positivos y negativos, por lo que se debe observar la polaridad. Se pueden conectar directamente al transmisor local de 2 hilos y el cable de cobre se puede devolver al instrumento receptor. Si el instrumento receptor puede aceptar la entrada de termopar directamente, se debe usar el mismo cable de termopar o cable de extensión de termopar hasta el instrumento receptor.