Sensores Pt100 RTD / Termorresistivos – Información Técnica

Para conseguir una mayor estabilidad en este tipo de sensor, se requieren unos niveles de calidad en la fabricación suficientemente altos donde los índices de contaminación y pureza del platino sea la correcta, véase capítulo 1, sección 4. Se deben seleccionar meticulosamente los materiales de construcción del sensor, como el encapsulado o soporte de fijación para evitar la posible contaminación del hilo de platino y evitar tensiones mecánicas que pueden provocar su rotura.

Mientras que por debajo de los 250ºC la contaminación no suele ser un problema, por encima de esta temperatura, los materiales utilizados para su fabricación (particularmente para aquellos materiales con base metálica, algunas variaciones de mica o borosilicato) pueden reaccionar o disolverse en el platino, por lo que se precisan métodos especiales de fabricación. Los sensores termorresistivos que están herméticamente sellados contienen algo de oxígeno en su interior que previene la reducción de impurezas.

El coeficiente a define la pureza del platino. Para termorresistencias industriales, habitualmente se utiliza hilo de platino con un menor coeficiente de pureza (ver capítulo 1, sección 4), que en los termómetros de laboratorio, debido a que es necesario un elemento más robusto físicamente y más permisivo con el ambiente que lo rodea en lo referente a contaminación.

Por lo tanto, se utiliza hilo de platino puro mezclado con otro metal para alcanzar las especificaciones que marca la normativa IEC referente a la relación entre temperatura/resistencia y los límites de tolerancia en la escala de temperatura correspondiente.

Uno de los puntos a destacar en la construcción de sondas termorresistivas está provocado por las diferentes aleaciones utilizadas en la fabricación (para la reducción de costes), que generan f.e.m. parásitas en los puntos de conexión, como ocurre en el caso de los termopares. Para conseguir su anulación, estas uniones deben estar expuestas al mismo gradiente de temperatura.

La resistencia de aislamiento entre el sensor (incluyendo los hilos internos de conexión) y la vaina de protección (si existe) debe ser la contemplada en la norma IEC 60751 (ver capítulo 1, sección 4.3). Los hilos no deben ser inductivos, el flujo de corriente no debe generar un autocalentamiento excesivo (ver capítulo 1, sección 4.2) y debe aceptar alimentación tanto en corriente continua como alterna (hasta 500Hz) sin que afecte a sus características fundamentales.

La sonda debe ser lo suficientemente sensible como para que pequeñas variaciones de temperatura sean apreciadas por el sensor. Debe adaptarse físicamente al entorno donde se realiza la medida, manteniendo siempre las características anteriormente descritas.

TIPOS DE TERMORRESISTENCIAS

Durante el último siglo, los diversos métodos de construcción han establecido el desarrollo actual de los sensores termorresistivos. Las primeras ejecuciones de Callendar estaban compuestas de una estructura de mica sobre la cual se arrollaba el hilo de platino (aparecen problemas derivados de la deshidratación, condensación y fragilidad de la mica). Otra forma de construcción, como el arrollamiento sobre elementos de porcelana con hilo de platino de forma helicoidal, provoca tiempos de respuestas largos y sensores poco ligeros o arrollados sobre otros tipos de materiales como cerámica conformadas para la adecuada adaptación del hilo.

Para las actuales termorresistencias estándar de laboratorio, el hilo de platino suele ser de 0.07mm bobinado de forma helicoidal sobre un sustrato encapsulado en un tubo protector de pequeñas dimensiones con paredes muy finas de vidrio, sílice o alúmina. Suele tener forma de U o ser dos tubos individuales entrelazados, con hilos de platino en su interior soldados en el extremo inferior mediante un hilo más grueso, sellado al vidrio y a los hilos.

Para realizar la salida del elemento, se sueldan dos conductores de platino de mayor sección para facilitar la conexión a los cables, esta transición esta sellada y aislada, insertando todo el conjunto en una vaina cerámica, véase figura 6.1. Este tipo de construcción esta diseñado para poder soportar las dilataciones producidas por los cambios térmicos de manera que evita la rotura o el contacto físico entre los hilos de platino.

En termometría de alta precisión, por encima de -189ºC, el elemento resistivo debe mantenerse sin ningún tipo de impurezas y se ensambla sobre un tubo de vidrio o cerámico de protección, con los conductores de conexión a través de un sellante de vidrio en la parte superior. Se realiza vacío dentro del conjunto y se rellena con aire seco o argón de alta pureza con un pequeño porcentaje de oxígeno, para asegurarse que el platino funciona bajo condiciones de oxidación en lugar de reducción. Para maximizar la resistencia entre los conductores a altas temperaturas se aíslan entre ellas usando mica, cerámica o zafiro.

Para temperaturas muy bajas son preferibles los diseños tipo cápsula (ver figura 6.2). Una vaina de platino de pequeño espesor, 50mm de longitud y un diámetro externo de 5mm con la transición de vidrio, aloja el elemento resistivo alrededor de un soporte. Tras realizar el vacío se rellena con helio antes del sellado para favorecer la transferencia térmica.

Figura 6.1: Sensor termorresistivo típico de laboratorio



Figura 6.2: Sensor termorresistivo, diseño tipo cápsula

Para los sensores descritos anteriormente, la resistencia a una temperatura de 0ºC suele ser de 25 ohmios, el valor α alrededor de 0.003926/ºC y la sensibilidad es de aproximadamente 0.1ohm/ºC. No obstante, para aplicaciones de alta temperatura el valor de la termorresistencia se reduce (entre 0.2 y 5 ohmios a 0ºC) para minimizar los efectos de derivación causados por la pérdida de aislamiento a altas temperaturas.

Existen diversos diseños para este tipo de elementos, siendo uno clásico la jaula de pájaro del "National Bureau of Standards' (USA)" (ver figura 6.3), que consiste en ocho tramos paralelos de hilos de platino que atraviesan los discos aislantes de cerámica, conectados en serie, dando como resultado una resistencia a 0ºC de 0.2 ohmios y 1 ohmio a 1000ºC. No obstante, existen diversos diseños tales como soportes de cerámica con hendiduras para asentar los hilos de forma helicoidal (u otros tipos de bobinado), barras cerámicas con hendiduras helicoidales para el cableado, tiras cerámicas con hendiduras...etc.

Figura 6.3: Sensor termorresistivo para alta temperatura

DISEÑOS INDUSTRIALES DE TERMORRESISTENCIAS

Sería ideal que las sondas de uso industrial pudieran alcanzar la precisión obtenida por las de laboratorio, pero en la práctica no es posible por varias razones: precio, fragilidad y baja resistencia a las vibraciones que no permite su uso en un entorno industrial. Por este motivo se fabrican sensores industriales capaces de soportar las condiciones típicas de estas aplicaciones.

Hoy en día se han conseguido sensores de alto rendimiento capaces de equipararse a las características de las sondas de laboratorio, gracias principalmente a la pureza de los materiales utilizados, como las cerámicas cuyas características se han mejorado notablemente, las innovadoras técnicas de bobinado de los hilos a sus correspondientes soportes cerámicos junto con la combinación con los procesos de recocido y la sustancial mejora en las ejecuciones antivibratorias que han supuesto diseños de alta estabilidad, fiabilidad y precisión.

El hilo de platino tiende a doparse con otras aleaciones consiguiendo un coeficiente α más bajo, según la normativa IEC. Se trefila mediante matrices de zafiro o diamante perforados mediante láser obteniendo resultados óptimos e hilo libre de contaminación. Los fabricantes se esfuerzan en los procesos de construcción de los soportes para obtener los mejores resultados posibles: mayor resistencia ante choques y vibraciones pero permitiendo que el hilo posea una mayor libertad de expansión y contracción, sin que sufra ninguna deformación producida por las dilataciones ocasionadas por la temperatura.

El tipo de construcción típico para este tipo de sensores consiste en un hilo de platino bobinado sobre un cilindro cerámico encapsulado en un tubo de vidrio sellado mediante cemento cerámico o vidrio (ver figura 6.4). El coeficiente de expansión de los materiales que intervienen en esta ejecución suele ser parecido, para garantizar la homogeneidad ante las dilataciones.

Figura 6.4: Sensor termorresistivo con bobinado clásico para uso industrial

Aunque en la mayoría de aplicaciones este tipo de sensor cubre los requisitos demandados, especialmente por su robustez. Sin embargo, su rango de temperatura está limitado a unos 500ºC aproximadamente y su estabilidad ante cambios de temperatura no es excesivamente alta, con una histéresis considerable respecto a aquellas cuya fabricación se realiza mediante soporte con hendidura para el arrollamiento (ver figura 6.5).

Figura 6.5: Sensor termorresistivo con bobinado sobre hendiduras

La construcción típica mas comúnmente utilizada (ver figura 6.6) consiste en un sensor fabricado mediante un hilo termorresistivo bobinado sobre si mismo con forma helicoidal introducido a través de orificios paralelos longitudinalmente dispuestos, en un cilindro de alúmina. La fijación se realiza mediante pequeñas partículas de vidrio que aportan cierto grado de movilidad al hilo y permite el bobinado de un gran número de espiras. Un sistema alternativo consiste en compactar el bobinado utilizando polvo de alúmina para reducir aún más los efectos producidos por las vibraciones.

Los nuevos sistemas de fabricación son optimizados por los fabricantes, permitiendo que los elementos termorresistivos satisfagan enteramente los requisitos de los usuarios más exigentes, pudiendo ofrecer sensores con una gran estabilidad en aquellos casos donde a penas existen vibraciones y, por el contrario, sensores con una gran resistencia a las vibraciones con menor precisión, pero siempre dentro de los requisitos más exigentes. Se pueden alcanzar precisiones de varias centésimas de grado en un rango de -200 a 850ºC.

Además, no se precisa un sellado hermético, permitiendo la circulación de aire siempre que el entorno lo permita. Las dimensiones típicas de estos elementos son de 25mm de longitud con un diámetro de 3mm y una resistencia de 100 ohmios cuando la temperatura es de 0ºC.

Figura 6.6: Técnica de bobinado parcial con soporte de alúmina

ELEMENTOS DE PELÍCULA FINA

Un desarrollo relativamente reciente de las técnicas de fabricación de semiconductores mediante vació, permite depositar en forma de película delgada o gruesa un circuito resistivo de platino sobre un sustrato adecuado. En los procesos de fabricación de sondas de película fina, el platino es depositado por evaporación. El método de fabricación de sondas de película gruesa, se basa en la deposición mediante procedimientos fotoquímicos gracias a una pasta fabricada de vidrio y platino. Ambos métodos permiten el montaje tanto en una superficie plana como cilíndrica, dependiendo de la aplicación (ver figura 6.7). El tiempo de respuesta de este tipo de elementos es similar a los sensores de hilo bobinado, principalmente en las versiones más básicas cubiertas de vidrio y particularmente con las de película fina en el rango de -50 a 500ºC. Entre sus beneficios cabe destacar: rápida respuesta térmica (debido a su reducida masa y el excelente contacto con el sustrato), insensibilidad a las vibraciones y menor coste que sus homólogos de hilo bobinado.

Figura 6.7: Elementos termorresistivos de película fina

Por el contrario, la estabilidad de este tipo de ejecución es bastante discutible, especialmente en algunos rangos. Durante los procesos de expansión y contracción, los hilos de platino no se desplazan con la misma libertad que en los elementos fabricados mediante hilo parcialmente bobinado o fijados con vidrio. En segundo lugar, debido a la cantidad reducida de platino utilizado, sufren mayor contaminación, si bien aunque están protegidas por vidrio, no es ésta la solución ideal. En tercer lugar, las características de las deposiciones pueden variar según el lote, aunque con las innovadoras técnicas de fabricación este fenómeno se produce cada vez menos. No obstante, los elementos de película fina ofrecen soluciones económicas para realizar medidas de temperatura superficial o de gases con precisiones en torno al ±0.05% del rango, elevado si se compara con el ±0.005% que ofrecen los elementos de hilo parcialmente bobinado.