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Cada sensor tiene sus propias especificaciones para un rango de temperatura específico. Ahora, es el usuario quien decide qué tipo de sensor es el más adecuado para su aplicación.
La selección del sensor depende de una variedad de especificaciones, a saber: aplicación, tolerancia, precisión y dentro de la mayoría de los rangos de temperatura.
Ahora la cuestión es diferenciar entre los diferentes tipos de sensores, lo que incluirá el rango de temperatura, la tolerancia, la precisión, la intercambiabilidad y las fortalezas y debilidades relativas de cada tipo de sensor.
Revisión de los conceptos básicos de RTD y termopar
IDT (retroenlace) Contienen un elemento sensor, una resistencia eléctrica que cambia su resistencia con la temperatura. Este cambio de resistencia es bien conocido y repetible. El elemento sensor de un RTD suele contener una bobina de alambre o una rejilla de película conductora con un patrón conductor cortado. Se conectan cables de extensión al elemento sensor para poder medir su resistencia eléctrica a cierta distancia. Posteriormente, el elemento sensor se empaqueta para que pueda colocarse en una posición dentro del proceso donde alcance la misma temperatura existente.
Par termoeléctricoPor otro lado, los termopares contienen dos conductores eléctricos de diferentes materiales conectados por un extremo. El extremo de los conductores, expuesto a la temperatura del proceso, se denomina unión de medición. El punto donde terminan los conductores del termopar (generalmente donde se conectan al dispositivo de medición) se denomina unión de referencia. Cuando las uniones de medición y referencia de un termopar están a diferentes temperaturas, se forma un potencial de milivoltios dentro de los conductores.
Conocer el tipo de termopar utilizado, la magnitud del potencial en milivoltios dentro del termopar y la temperatura de la unión de referencia permite al usuario determinar la temperatura en la unión de medición. El potencial en milivoltios que se crea en los conductores del termopar varía según los materiales utilizados. Algunos materiales son mejores para fabricar termopares que otros porque sus potenciales en milivoltios son más repetibles y están mejor establecidos. Estos termopares han recibido designaciones de tipo específicas, como Tipo E, J, K, N, T, B, R y S.
Limitaciones de temperatura para RTD y termopares
Los materiales utilizados en RTD y termopares tienen limitaciones de temperatura que pueden ser una consideración importante en su uso.
RTD
Como se mencionó anteriormente, un RTD consta de un elemento sensor, cables para conectarlo al instrumento de medición y un soporte para posicionarlo en el proceso. Cada uno de estos materiales limita la temperatura a la que puede exponerse el RTD.
Rango de temperatura utilizable del material
Platino -260°C a 650°C
Níquel -100°C a 300°C
Cobre -70°C a 150°C
Níquel/Hierro 0°C a 200°F
El elemento sensor de un RTD generalmente contiene un alambre o película de platino, una carcasa de cerámica y
Cemento cerámico o vidrio para sellar el elemento sensor y sujetar el cable. Normalmente, los elementos sensores de platino pueden exponerse a temperaturas de hasta aproximadamente 650 °C. También se pueden utilizar otros materiales como níquel, cobre y aleaciones de níquel-hierro; sin embargo, sus rangos de temperatura útiles son bastante inferiores a los del platino. Los cables que conectan el elemento sensor a la lectura o instrumentación de control suelen estar hechos de materiales como níquel, aleaciones de níquel, cobre estañado, cobre plateado o cobre niquelado. El aislamiento del cable también influye directamente en la temperatura a la que puede exponerse el RTD. La tabla muestra los materiales de cable y aislamiento más utilizados y sus temperaturas máximas de uso.
Termopares
Los materiales de termopar están disponibles en los tipos E, J, K, N, T, R, S y B. Estos tipos de termopar se pueden separar en dos categorías: termopares de metal base y de metal noble.
Los termopares de tipo E, J, K, N y T se conocen como termopares de metal base porque están fabricados con materiales comunes como cobre, níquel, aluminio, hierro, cromo y silicio. Cada tipo de termopar tiene condiciones de uso preferidas; por ejemplo, el uso de termopares de tipo J (hierro/constantán) desnudos suele estar limitado a una temperatura máxima de 540 °C y no se recomienda su uso en atmósferas oxidantes o sulfurosas debido al deterioro del conductor de hierro. Los termopares de tipo T (cobre/constantán) desnudos no se utilizan por encima de 370 °C debido al deterioro del conductor de cobre.
Los termopares de tipo R, S y B se conocen como termopares de metal noble porque están hechos de platino y rodio. Estos termopares se utilizan en aplicaciones que superan las capacidades de los termopares de metal base. Los termopares de tipo R y S están clasificados para usarse a temperaturas entre 540 °C y 1480 °C, mientras que los de tipo B están clasificados para usarse entre 540 °C y 1700 °C. Si se prevé una exposición prolongada a temperaturas superiores a 13700 °C, es prudente especificar termopares de tipo B para prolongar su vida útil. Los termopares de tipo R y S pueden experimentar un crecimiento de grano significativo si se mantienen cerca de su límite superior de uso durante períodos prolongados.
Dado que los termopares no tienen elementos sensores, carecen de muchos de los materiales limitadores de temperatura que sí tienen los RTD. Normalmente, se construyen con conductores desnudos que luego se aíslan con polvo cerámico compactado o aislantes cerámicos formados. Esta construcción permite su uso a temperaturas mucho más altas que los RTD.
Tolerancia, precisión e intercambiabilidad
Tolerancia y precisión son los términos más incomprendidos en la medición de temperatura.
El término tolerancia se refiere a un requisito específico, que suele ser mayor o menor que una cantidad. La precisión, por otro lado, se refiere a un número infinito de tolerancias dentro de un rango especificado.
Por ejemplo, los RTD contienen un elemento sensor fabricado para tener una resistencia eléctrica específica a una temperatura específica. El ejemplo más común de este requisito es la norma DIN. Para cumplir con los requisitos de la norma DIN, un RTD debe tener una resistencia de 100 ohmios ±0,12 % (o 0,12 ohmios) a 0 °C para ser considerado un sensor de Grado B (un sensor de Grado A tiene 100 ohmios ±0,06%). La tolerancia de ±0,12 ohmios solo se aplica a la resistencia a 32 °C y no se puede aplicar a ninguna otra temperatura. Muchos proveedores ofrecen intercambiabilidad.
Los termopares, por otro lado, se especifican de forma diferente a los RTD porque su fabricación es distinta. A diferencia del elemento sensor de los RTD, el potencial en mV generado en un termopar depende de la composición del material y la estructura metalúrgica de los conductores. Por lo tanto, a los termopares no se les asigna un valor a una temperatura específica, sino límites de error que cubren todo un rango de temperaturas.
Estos límites asignados a los termopares se conocen como límites de error estándar o especiales.
Se recomienda a los usuarios realizar pruebas periódicamente para determinar el estado de los termopares utilizados en aplicaciones de alta confiabilidad o precisión cercana.
Comparación del tiempo de respuesta de diferentes sensores
Fortalezas y debilidades
Cada tipo de sensor de temperatura tiene fortalezas y debilidades particulares.
Puntos fuertes de RTD:
Los RTD se utilizan comúnmente en aplicaciones donde la repetibilidad y la precisión son consideraciones importantes. Los RTD de platino bien construidos presentan características de resistencia frente a la temperatura muy repetibles a lo largo del tiempo. Si un proceso se ejecuta a una temperatura específica, la resistencia específica del RTD a esa temperatura se puede determinar en el laboratorio y no variará significativamente con el tiempo. Los RTD también facilitan la intercambiabilidad, ya que su variación original es mucho menor que la de los termopares. Por ejemplo, un Termopar tipo K El uso a 400 °C tiene un límite de error estándar de ±4 °C. Un RTD de platino DIN de 100 ohmios, grado B, tiene una intercambiabilidad de ±2,2 °C a esta misma temperatura. Los RTD también pueden utilizarse con cables de instrumentación estándar para conectarlos a equipos de visualización o control, donde los termopares deben tener un cable de termopar compatible para obtener una medición precisa.
Debilidades de RTD:
En la misma configuración, puede esperar pagar de 2 a 4 veces más por un RTD que por un termopar de metal base. Los RTD son más caros que los termopares porque requieren mayor construcción, incluyendo la fabricación del elemento sensor, la conexión de cables de extensión y el ensamblaje del sensor.
Los RTD no funcionan tan bien como los termopares en entornos de alta vibración e impacto mecánico debido a la construcción del elemento sensor. Los RTD también tienen una temperatura limitada a aproximadamente 650 °C, mientras que los termopares pueden usarse hasta a 1700 °C.
Puntos fuertes del termopar:
Los termopares pueden utilizarse a temperaturas de hasta 1700 °C, suelen ser más económicos que los RTD y pueden reducirse (hasta aproximadamente 0,020" de diámetro) para una respuesta más rápida a la temperatura. Además, son más duraderos que los RTD y, por lo tanto, pueden utilizarse en aplicaciones con alta vibración e impacto.
Desventajas del termopar:
Los termopares son menos estables que los RTD cuando se exponen a temperaturas moderadas o altas. En aplicaciones críticas, los termopares deben retirarse y probarse en condiciones controladas para verificar su rendimiento. Se debe utilizar un cable de extensión para termopares al conectar los sensores a instrumentos o equipos de control. El uso de cable de instrumentación (cobre revestido) puede generar errores cuando la temperatura ambiente cambia.
