Son muchas las opciones que se pueden tomar a la hora de seleccionar los dispositivos de medición de temperatura para los sistemas industriales. A la hora de tomar estas decisiones, hay que tener en cuenta muchos factores: precisión, sensibilidad, precio, rango de temperatura necesario, etc.
En este artículo se exponen tres tipos de dispositivos de medición de la temperatura, una breve descripción del funcionamiento de cada uno de ellos y algunas de las ventajas y desventajas de cada uno de ellos en función de la forma en que se utilizan para medir la temperatura.
Termocuplas
En las aplicaciones industriales, las termocuplas utilizan dos hilos de materiales diferentes que se unen en un extremo para crear una diferencia de tensión en el extremo opuesto de los hilos. La diferencia de temperatura a lo largo de cada cable crea un campo magnético que varía para cada uno debido a los diferentes materiales utilizados en los dos cables. Los dos campos magnéticos hacen que se genere un potencial de tensión en el extremo no conectado de los cables. En las aplicaciones de PLC, este potencial es medido por el procesador. La mayoría de las tarjetas de I/O utilizadas para medir temperaturas a través de termopares tendrán valores preprogramados para la tasa de cambio del voltaje medido frente a la temperatura. En el caso de los termopares de tipo J, fabricados con alambres de hierro y constantano, esta tasa de cambio es de aproximadamente 50µV/ºC. Este valor se utiliza contra la temperatura conocida en la tarjeta de I/O para calcular la temperatura en el montaje del termopar.
Aquí es donde entran en juego los CJC (compensadores de unión fría). Los CJC son esencialmente termocuplas adicionales utilizados para medir la temperatura en la tarjeta de I/O. Si no se utiliza un CJC, no hay temperatura de referencia, lo que hace que la señal de tensión recibida del termopar sea esencialmente inútil. Esto también demuestra por qué es tan importante utilizar el tipo de cable correcto en las aplicaciones industriales. Si se instala un termopar de tipo K, pero se utiliza un cable de cobre para conectarlo al dispositivo de medición, el campo magnético que se crea a través de los dos cables de cobre debe ser esencialmente el mismo, por lo que no se generará tensión en estos cables. El campo magnético que se crea a través de los dos cables del termopar será creado por la diferencia de temperatura entre el lugar donde se unen los cables y el extremo de los mismos. La temperatura en el extremo de estos cables será probablemente muy diferente a la temperatura en el gabinete del PLC causando errores.
Cualquier corrosión o interferencia de otras señales tendrá un gran efecto en la precisión de la medición con termopares. La corrosión puede hacer que el campo magnético creado por la diferencia de temperatura a través de los cables sea mucho menor de lo esperado y las señales de muy baja tensión son muy susceptibles a las interferencias. Como la mayoría de los dispositivos de medición de la temperatura, la relación entre la señal medida y la temperatura no es realmente lineal, sino que se supone que lo es, lo que también puede ser una fuente de cierto error. Sin embargo, dado que el cable es esencialmente el único factor limitante, los rangos de temperatura de los termopares pueden ser muy amplios, lo que los hace útiles para aplicaciones en las que se necesitan mediciones de temperaturas muy altas o muy bajas.
RTD's (Dispositivos de Temperatura Resistiva)
Los RTD utilizan la resistencia medida de una bobina de alambre para calcular la temperatura. Los RTDs PT100 son el tipo más común de RTD utilizado en aplicaciones industriales. Los RTD PT100 se fabrican con una bobina de alambre de platino y 100 es la medida de la resistencia del dispositivo en ohmios a 0ºC. El níquel y el cobre son otros materiales que pueden utilizarse para una bobina de RTD.
Los RTD vienen en configuraciones de dos, tres o cuatro hilos. Los RTD de dos hilos son los más sencillos, ya que los dos hilos son los extremos opuestos de un único elemento resistivo utilizado para medir la temperatura. Los RTD de tres hilos añaden un hilo más que se utiliza para compensar la resistencia del cable que va desde la instrumentación hasta el RTD en el campo. Esto se consigue esencialmente midiendo la resistencia entre los dos cables que están en el mismo lado del RTD y restándola de la resistencia medida a través del dispositivo. Los RTD de cuatro hilos toman esencialmente dos mediciones diferentes de la resistencia y las utilizan para eliminar cualquier efecto magnético similar al de los termopares, causado por la diferencia de los hilos, o cualquier problema de caída de tensión que pueda producirse por la longitud de los cables.
La temperatura se calcula para las entradas de RTD utilizando lo que se llama el coeficiente de temperatura de la resistencia del material utilizado para el RTD. Por lo general, este valor debe especificarse en el dispositivo de medición en el momento de la configuración. Un valor común utilizado es el Platino-385, que tiene un valor de coeficiente de temperatura de resistencia de 0,00385/ºC. Esto significa que para el dispositivo PT100 mencionado anteriormente, la pendiente de la gráfica de la resistencia en función de la temperatura será de aproximadamente 0,00385% o R=0,385(T)+100. A 50ºC, la resistencia medida sería de aproximadamente 119Ω.
Los RTD utilizan el coeficiente de temperatura de la resistencia calculado entre 0ºC y 100ºC. Esto, junto con otros factores, limita el rango de temperatura al que pueden utilizarse los RTD en comparación con los termopares, aunque sigue siendo lo suficientemente amplio para la mayoría de las aplicaciones (de -300ºF a 1500ºF para el PT100-385, por ejemplo). Los RTD tienen un tiempo de respuesta bastante lento, por lo que para temperaturas que cambian rápidamente, pueden ser preferibles otros dispositivos de medición. Sin embargo, los RTD son muy precisos para la mayoría de los rangos de temperatura en aplicaciones industriales y pueden durar mucho más tiempo con menos irregularidades que muchos otros dispositivos de medición de temperatura.
Termistores (resistencias térmicas)
Los termistores son idénticos a los RTD en su concepto, pero difieren en el material utilizado. Los termistores suelen estar fabricados con elementos cerámicos en lugar de metálicos, lo que cambia la resistencia con respecto a la temperatura. Los termistores suelen tener un rango de resistencia muy amplio en comparación con los RTD (del orden de entre 4kΩ y 100kΩ en el rango de 0ºC a 100ºC para un termistor de 20kΩ). La clasificación de los termistores también difiere de la de los RTD en que un termistor de 10kΩ tiene ese valor de resistencia a 25ºC y no a 0ºC como la clasificación de los RTD. Los termistores de tipo NTC (coeficiente de temperatura negativo) se utilizan habitualmente en aplicaciones industriales. Esto significa que a medida que la temperatura aumenta, la resistencia del dispositivo disminuye.
La medición de la temperatura mediante termistores es más compleja, ya que la relación entre la resistencia y la temperatura es muy poco lineal en comparación con la misma relación en los RTD o los termopares. Esto limita en gran medida el rango de temperatura en el que se pueden utilizar los termistores. Sin embargo, los termistores suelen alcanzar una buena precisión y tienen una sensibilidad mucho mayor que los RTD dentro del rango de temperatura limitado en el que se pueden utilizar (aproximadamente de -130ºF a 250ºF.) Esto hace que los termistores sean buenos para aplicaciones en las que hay cambios rápidos dentro de un rango de temperatura estrecho.
Conclusión
Al elegir un dispositivo de medición de la temperatura, es importante tener en cuenta todos los factores y las condiciones específicas de la aplicación. Si se desea una gran precisión y el coste es un factor menor, probablemente se recomiende utilizar un RTD. Si la precisión es menos importante, entonces un termopar podría ser más beneficioso. Sea cual sea el camino que elija, es útil entender cómo funciona su dispositivo de medición de temperatura. Con suerte, después de leer este artículo, estará un paso más cerca de lograr su objetivo.
