Detector de Temperatura por Resistencia o RTD | Construcción y Principio de Funcionamiento
¿Qué es un RTD (Detector de Temperatura por Resistencia)?
Un Detector de Temperatura por Resistencia (también conocido como Termómetro de Resistencia o RTD) es un dispositivo electrónico utilizado para determinar la temperatura midiendo la resistencia de un cable eléctrico. Este cable se conoce como sensor de temperatura. Si queremos medir la temperatura con alta precisión, un RTD es la solución ideal, ya que tiene buenas características lineales en un amplio rango de temperaturas. Otros dispositivos electrónicos comunes utilizados para medir la temperatura incluyen un termopar o un termistor.
La variación de la resistencia del metal con la variación de la temperatura se da como,
Donde, Rt y R0 son los valores de resistencia a toC y t0oC respectivamente. α y β son constantes que dependen de los metales.
Esta expresión es para un amplio rango de temperatura. Para un rango de temperatura pequeño, la expresión puede ser,
En los dispositivos RTD; el cobre, el níquel y el platino son los metales más utilizados. Estos tres metales tienen diferentes variaciones de resistencia con respecto a las variaciones de temperatura. Esto se llama características de resistencia-temperatura.
El platino tiene un rango de temperatura de 650oC, y luego el cobre y el níquel tienen 120oC y 300oC respectivamente. La figura 1 muestra la curva de características de resistencia-temperatura de los tres metales diferentes. Para el platino, su resistencia cambia aproximadamente 0.4 ohmios por grado Celsius de temperatura.
La pureza del platino se comprueba midiendo R100 / R0. Porque, los materiales que realmente estamos utilizando para fabricar el RTD deben ser puros. Si no son puros, se desviarán de la gráfica convencional de resistencia-temperatura. Así, los valores de α y β cambiarán dependiendo de los metales.
Construcción de un Detector de Temperatura por Resistencia o RTD
La construcción es típicamente tal que el cable está enrollado en una forma (en una bobina) en un marco cruzado de mica dentado para lograr un tamaño pequeño, mejorando la conductividad térmica para disminuir el tiempo de respuesta y obtener una alta tasa de transferencia de calor. En los RTD industriales, la bobina está protegida por una vaina de acero inoxidable o un tubo protector.
De esta manera, la tensión física es insignificante ya que el cable se expande e incrementa su longitud con el cambio de temperatura. Si la tensión en el cable aumenta, entonces la tensión también aumenta. Debido a esto, la resistencia del cable cambiará, lo cual es indeseable. Por lo tanto, no queremos que la resistencia del cable cambie por otros cambios no deseados, excepto los cambios de temperatura. Esto también es útil para el mantenimiento del RTD mientras la planta está en operación. Se coloca mica entre la vaina de acero y el cable de resistencia para una mejor aislamiento eléctrico. Debido a la menor tensión en el cable de resistencia, debe enrollarse cuidadosamente sobre la hoja de mica. La fig.2 muestra la vista estructural de un Detector de Temperatura por Resistencia Industrial.
Acondicionamiento de Señal del RTD
Podemos encontrar este RTD en el mercado. Pero debemos conocer el procedimiento de cómo usarlo y cómo hacer la circuitería de acondicionamiento de señal. De esta manera, se pueden minimizar los errores de los cables de conexión y otros errores de calibración. En este RTD, el cambio en el valor de resistencia es muy pequeño con respecto a la temperatura.
Por lo tanto, el valor del RTD se mide utilizando un circuito puente. Al suministrar una corriente eléctrica constante al circuito puente y midiendo la caída de voltaje a través del resistor, se puede calcular la resistencia del RTD. A partir de ahí, también se puede determinar la temperatura. Esta temperatura se determina convirtiendo el valor de resistencia del RTD usando una expresión de calibración. Los diferentes módulos de RTD se muestran en las siguientes figuras.
En el puente RTD de dos cables, el cable falso está ausente. La salida se toma de los dos extremos restantes, como se muestra en la fig.3. Sin embargo, las resistencias de los cables de extensión son muy importantes de considerar, porque la impedancia de los cables de extensión puede afectar la lectura de temperatura. Este efecto se minimiza en el circuito puente RTD de tres cables conectando un cable falso C.
Si los cables A y B están correctamente emparejados en términos de longitud y área de sección transversal, entonces sus efectos de impedancia se cancelarán, ya que cada cable está en posición opuesta. Así, el cable falso C actúa como un conductor de detección para medir la caída de voltaje a través de la resistencia del RTD y no lleva corriente. En estos circuitos, el voltaje de salida es directamente proporcional a la temperatura. Por lo tanto, necesitamos una ecuación de calibración para encontrar la temperatura.
Expresiones para un Circuito RTD de Tres Cables
Si conocemos los valores de VS y VO, podemos encontrar Rg y luego podemos encontrar el valor de temperatura usando la ecuación de calibración. Ahora, supongamos que R1 = R2:
Si R3 = Rg; entonces VO = 0 y el puente está equilibrado. Esto se puede hacer manualmente, pero si no queremos hacer un cálculo manual, simplemente podemos resolver la ecuación 3 para obtener la expresión de Rg.
Esta expresión asume, cuando la resistencia del cable de conexión RL = 0. Supongamos, si RL está presente en una situación, entonces la expresión de Rg se convierte en,
Así, hay un error en el valor de resistencia del RTD debido a la resistencia RL. Por eso, necesitamos compensar la resistencia RL como ya hemos discutido, conectando un cable falso 'C' como se muestra en la fig.4.
