Los sensores de temperatura son instrumentos de medición esenciales para garantizar la seguridad y eficacia de innumerables procesos industriales. Aunque tanto los sensores RTD como los termopares ofrecen precisión y fiabilidad, cada uno tiene ventajas y desventajas que los hacen más adecuados para aplicaciones concretas.
Las termorresistencias (RTD) y los termopares son los tipos más comunes de sensores de temperatura electrónicos utilizados en procesos industriales. La elección de uno u otro depende de varios factores. En primer lugar, veamos qué son los sensores RTD y los termopares y en qué se diferencian.
¿Qué es un sensor RTD y cómo funciona?
Sensor RTD
RTD son las siglas en inglés de detector de temperatura por resistencia. Este instrumento también se denomina termorresistencia y, de modo redundante, sonda RTD o sensor RTD.
Dentro de un sensor RTD hay un elemento sensor (resistencia) que utiliza el cambio en la resistencia eléctrica del metal para determinar la temperatura. El metal más común en los sensores RTD es el platino (Pt), ya que es químicamente muy inerte y tiene una relación casi lineal entre temperatura y resistencia. Los sensores RTD de platino suelen denominarse sensores Pt100 o Pt1000: el número se refiere a la resistencia nominal del platino (ohm Ω) a 0 °C. Otros metales utilizados en los sensores RTD son el cobre, el níquel y el tungsteno, pero los RTD de WIKA se fabrican con platino principalmente porque este metal tiene una excelente estabilidad, resiste la contaminación y su resistencia eléctrica no se degrada con el tiempo.
Independientemente del metal utilizado, su resistencia eléctrica a determinadas temperaturas es una constante conocida. A medida que cambia la temperatura, también cambia la resistencia del metal. Por lo tanto, comparando la resistencia conocida con la resistencia medida, se puede calcular la temperatura.
Tipos de sensor RTD
Termorresistencia de capa fina (izquierda) y de hilo.
En la actualidad se utilizan dos tipos principales de termómetros de resistencia: de capa fina y de hilo bobinado.
- Las resistencias de capa fina consisten en una capa muy delgada de platino depositada sobre cerámica y sellada por vidrio.
- Las resistencias bobinadas consisten en un hilo enrollado e insertado en una carcasa de vidrio o cerámica.
La elección entre las resistencias de película fina y las de hilo depende principalmente de la precisión deseada, los intervalos de temperatura que deben medirse y la presencia de vibraciones importantes en la aplicación.
Los sensores RTD también están disponibles con un número diferente de hilos en el cable.
- Los RTD de 2 hilos son los más sencillos, ya que los dos hilos conductores crean un circuito. Este circuito añade la resistencia de los hilos a la resistencia de la sonda RTD, reduciendo su precisión.
- Los RTD de 3 hilos tienen un hilo adicional para compensar la resistencia de los hilos, lo que da como resultado mediciones de temperatura más precisas.
- Los RTD de 4 hilos son aún más precisos, ya que la configuración permite una compensación constante. Este tipo de RTD es el sensor de temperatura preferido para aplicaciones de laboratorio.
Ventajas e inconvenientes de los sensores RTD
Los RTD son populares por muchas razones:
- Alta precisión, hasta clase AA (RTD de 4 hilos)
- Alta repetibilidad
- Excelente linealidad (Pt100 y Pt1000)
- Amplia compatibilidad con instrumentos y procesos debido a su uso generalizado
- Excelente estabilidad a largo plazo
- Fácil instalación al no requerir cables de extensión
- Fácil calibración
- Adecuadas para temperaturas entre -196°C y 600°C
Por otro lado, las sondas RTD no pueden soportar temperaturas extremadamente altas, como las que se encuentran en aplicaciones químicas, petroquímicas y de refinería. Además, en comparación con los termopares, los sensores RTD tienen un tiempo de respuesta más lento y son más susceptibles a golpes y vibraciones extremas.
¿Qué es un termopar y cómo funciona?
Termopar con cable de conexión.
Los termopares son sensores de temperatura con un par de hilos metálicos distintos, cada uno con una propiedad eléctrica diferente a distintas temperaturas. El principio de funcionamiento de los termopares es que la energía térmica se convierte en energía eléctrica. En un extremo del termopar, los dos hilos están soldados o conectados de otra forma: éste es el punto de medición. Cuando la temperatura cambia en este punto, la densidad de electrones de cada metal también cambia. La diferencia de temperatura entre los dos metales crea una tensión termoeléctrica. Como la relación entre temperatura y tensión es conocida, la tensión medida se utiliza para determinar la lectura de temperatura.
Tipos de termopares
Existen diferentes tipos de termopares, basados en el acoplamiento de metales distintos. Algunos de los acoplamientos metálicos más comunes son:
- Hierro y cobre-níquel (tipo J)
- Cobre y cobre-níquel (tipo T)
- Níquel-cromo y níquel-aluminio (tipo K)
Los termopares están formados por dos metales con diferente densidad electrónica.
La mayoría de los termopares se fabrican con metales comunes relativamente baratos, aunque algunos tienen acoplamientos metálicos que contienen platino, rodio, renio y tungsteno, que son más caros.
Ventajas e inconvenientes de los termopares
La principal ventaja de los termopares es su capacidad para soportar temperaturas extremadamente altas, de hasta 2.300 °C (4.172 °F). Esto los convierte en el sensor de temperatura ideal para aplicaciones de amoníaco, unidades de recuperación de azufre, hornos de refinerías, reactores de gas de síntesis, producción de vidrio, aeroespacial, semiconductores, etc. Los termopares también son fiables en entornos de alta presión y vibración.
Además de su robustez en condiciones extremas, los termopares también son menos caros que los termómetros de resistencia y tienen un tiempo de respuesta más rápido debido a su menor diámetro.
Por otro lado, los termopares son menos estables que las termorresistencias; su relación temperatura/tensión es menos lineal. Con el tiempo, los termopares sufren envejecimiento y deriva, y las temperaturas extremadamente altas pueden provocar la formación de granos.
Cómo elegir entre un sensor RTD y un termopar
En algunas aplicaciones, no importa realmente si se utiliza una termorresistencia o un termopar. Otras veces, un tipo es definitivamente mejor que el otro. En general, los termopares son mejores para procesos a alta temperatura y con muchas vibraciones, para aplicaciones que requieren tiempos de respuesta rápidos y para las que disponen de poco espacio. Las sondas RTD ofrecen mayor precisión, repetibilidad y estabilidad.
A la hora de elegir un sensor de temperatura, deben tenerse en cuenta las siguientes características de aplicación:
- Rango de temperatura
- Rango de presión
- Humedad
- Choques y vibraciones
- Fluidos (sólidos, líquidos o gaseosos, corrosivos, peligrosos)
- Caudal
Además, algunas aplicaciones requieren el uso de un termopozo para proteger el sensor de temperatura de los fluidos del proceso, lo que afecta al tiempo de respuesta.
La elección del sensor de temperatura adecuado puede ser compleja. Para obtener resultados óptimos, póngase en contacto con los especialistas en temperatura de WIKA para que le asesoren individualmente sobre el sensor más adecuado para su aplicación.