Termómetro de resistencia: características, funcionamiento, usos
El termómetro de resistencia (Resistance Thermal Device o RTD) es un instrumento que aprovecha una propiedad que tienen los objetos -la resistencia eléctrica-, para medir la temperatura. Este procedimiento se conoce como medida por termo resistencia.
La resistencia eléctrica es un parámetro muy adecuado, ya que en muchos casos suele aumentar linealmente con la temperatura. Se dice que una determinada propiedad X es termométrica, o sea que se puede utilizar para medir la temperatura T, cuando la relación entre X y T es lineal:
X = k∙ΔT
Donde k es una constante de proporcionalidad a determinar.
Una propiedad termométrica bien conocida es la expansión del mercurio al calentarse, usada en un termómetro clínico. Otros termómetros emplean gas, láminas metálicas que se dilatan con el aumento de la temperatura, resistencia o se sirven del brillo de un filamento, entre otras propiedades.
Es conveniente disponer de este abanico de posibilidades porque la temperatura es una de las magnitudes más características de cualquier sistema, sea biológico o inanimado. Por eso es la magnitud que más se mide en procesos industriales, y para los rangos que se manejan en cada uno de ellos, ciertas propiedades termométricas son preferibles a otras.
Índice del artículo
- 1 Características del termómetro de resistencia
- 2 Funcionamiento
- 3 Usos/aplicaciones del termómetro de resistencia
- 4 Ventajas y desventajas
- 5 Referencias
Los termómetros de resistencia tienen las siguientes características:
-Son de funcionamiento muy simple. El elemento sensor consiste en un alambre fabricado de metal, siendo los más empleados el platino, níquel, tungsteno y cobre.
-Ofrecen una lectura rápida.
-Alta precisión.
-Operan en un amplio rango de temperaturas.
Los materiales usados para fabricar termómetros de resistencia son conductores cuya resistividad casi siempre aumenta con la temperatura. La resistencia y la resistividad no son sinónimos, pero sí están muy relacionadas.
La resistividad es la relación existente entre el campo eléctrico creado en el interior del material cuando circula la corriente y la densidad de dicha corriente. Es, por lo tanto, una propiedad del material.
Para ciertos materiales, llamados óhmicos, la relación entre campo eléctrico y densidad de corriente es lineal. A medida que la temperatura sube, los iones del conductor aumentan sus vibraciones y con ello la oposición al paso de la corriente.
En cambio, la resistencia es una propiedad del conductor, determinada no solamente por la resistividad del material, sino por la geometría: longitud y área de la sección transversal.
Si la sección transversal se mantiene constante, la relación entre estas magnitudes es:
La unidad para la resistencia eléctrica en el Sistema Internacional es el ohmio (Ω), mientras que la resistividad viene en Ω∙m, aunque es habitual encontrar Ω∙mm.
En los metales, la resistividad aumenta con la temperatura de manera lineal:
ρ (T) = ρo (1+α∙ΔT)
Donde ρ es la resistividad del material a determinada temperatura, ρo es la resistividad a la temperatura de referencia, generalmente 0ºC o 20 ºC, α es el coeficiente térmico del material y ΔT es la variación de temperatura.
Como la resistencia depende de la resistividad del material, si la diferencia de temperaturas no es muy grande, se cumple que:
R (T) = Ro (1+ α∙ΔT)
La resistencia es fácil de medir, y puesto que la relación con la temperatura es lineal, resulta una buena propiedad termométrica.
El elemento central del termómetro de resistencia es un alambre de metal que se enrolla en un soporte aislante, hecho por lo general de mica, cerámica o vidrio. Se encierra en un tubo lleno de polvo aislante y envuelto en capas también aislantes, sellado a prueba de humedad.
La presión en el interior del tubo se mantiene baja, para evitar la formación de óxidos que causan error en las lecturas. El conjunto es pequeño: entre 1-5 mm de diámetro y 10-50 mm de largo, recubierto a su vez por una carcasa exterior que sirve para protegerlo, ya que el dispositivo es delicado y debe manipularse con cuidado.
El platino, un metal precioso, es el material más empleado para fabricar la resistencia, por ser muy estable en un amplio rango de temperaturas y brindar medidas sumamente precisas, hasta el punto de servir como patrón internacional estándar de temperatura en el rango -260 ºC – 630ºC. Sin embargo, se pueden fabricar termómetros de resistencia de platino con un rango mucho mayor.
Para medir los cambios en la resistencia del alambre, hay que incorporarlo a un circuito especial llamado puente de Wheatstone, usado para medir resistencias o impedancias desconocidas.
Esto se hace mediante delgados alambres de cobre (dos, tres o cuatro hilos de cobre, cuantos más hilos, más preciso el termómetro, los de tres son los más comunes).
Para que el dispositivo funcione hay que suministrarle una pequeña corriente de medición, cuyo valor es cercano a 1 mA (mientras más baja mejor para evitar el calentamiento excesivo) y se mide la caída de tensión producida. Conociendo la corriente y el voltaje, se determina la resistencia del sensor con la ley de Ohm y a través de ella la temperatura.
La linealidad de la relación entre resistencia y temperatura no siempre se cumple con total exactitud en todos los rangos de temperatura, eso depende mucho del material del alambre.
El problema de la no linealidad puede subsanarse empleando un circuito adicional o simplemente mediante haciendo uso de la gráfica resistencia versus temperatura, llamada curva característica, como la que se muestra:
Curva característica del Pt-100 o termómetro de resistencia de platino de 100 Ω. Fuente: Wikimedia Commons.
Los termómetros de resistencia de platino se fabrican acuerdo a la resistencia de la bobina: Pt-25, Pt-100 y Pt-1000 son los más usados.
Las letras “Pt” aluden al símbolo químico del platino, y el número es la resistencia del alambre a la temperatura de referencia 0ºC. Cuanto mayor la resistencia más sensible es el termómetro, por ofrecer una mayor variación de la resistencia con el mismo cambio de temperatura. Sin embargo, el Pt-100 es el que más se utiliza a nivel industrial, con resolución de una décima de grado.
En vez de enrollados de alambre o bobinas, algunos fabricantes emplean una delgada capa de platino depositada encima de un sustrato aislante de cerámica. Esto disminuye el tamaño del dispositivo y lo hace aún más preciso y rápido.
El termómetro de resistencia se emplea preferentemente en la industria química, farmacéutica y de alimentos, así como en áreas en las que se requiere una gran precisión en la medida de la temperatura para garantizar productos de calidad.
El fabricante del instrumento indica el rango de temperaturas que puede medir con precisión. Fuera de su rango, los termómetros no arrojan medidas precisas y en el peor de los casos el elemento sensor se daña.
Medir la temperatura ambiente con precisión es importante en la industria automotriz, cuyos procesos de ensamblaje, soldadura y pruebas de motor producen mucho calor en el ambiente. En estos casos por lo general se prefiere el termómetro de resistencia de cobre.
Para medir la temperatura del motor de un automóvil se emplea una resistencia eléctrica como elemento termométrico.
Para determinar la temperatura de los hornos industriales de fundición, en calderas, refrigeradores y reactores nucleares.
Asimismo el control preciso de temperatura es importantísimo para la industria de los alimentos, pues los mantiene frescos y libres de gérmenes por más tiempo.
Los termómetros de resistencia de platino se emplean en la detección de las ondas gravitacionales. El dispositivo creado para este fin consta de dos interferómetros, que son instrumentos ópticos para medir la interferencia de la luz.
Los interferómetros usan espejos para dirigir adecuadamente rayos láser, y su temperatura es monitoreada continuamente para garantizar que mantienen la curvatura apropiada y asegurar la precisión de las medidas.
Entre las ventajas cabe mencionar:
-Alta precisión.
-Variedad de usos.
-Amplio rango de medición que les permite ser utilizados en diversas industrias.
-Se mantienen estables por mucho tiempo.
-Son lineales o muy cercanos a la linealidad en un gran rango de temperaturas.
Mientras que entre las limitaciones se pueden citar:
-No se emplean para temperaturas mayores a 660ºC.
-Tampoco por debajo de -270 ºC.
-Deben manipularse con cuidado.
-Son menos sensibles que otros dispositivos más económicos como los termistores, y en algunas aplicaciones, su tiempo de respuesta es mayor que estos.
-Los termómetros fabricados con platino son costosos.
- Cambatronics online. Pt100: Explicación básica y conexionado. Recuperado de: youtube.
- Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volume 2. Pearson.
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