Linealización para termopares y RTD

La linealización supone un reto mayor para los termopares que para los detectores de temperatura por resistencia (RTD). Los termopares presentan una relación no lineal entre su salida termoeléctrica (FEM) y la temperatura—salvo en rangos muy estrechos. Por este motivo, debe corregirse la respuesta de FEM frente a la temperatura para obtener mediciones precisas.

La norma IEC 60584-1 proporciona tablas completas de FEM frente a temperatura para todos los tipos de termopar estándar, asumiendo una unión de referencia de 0 °C. También describe aproximaciones matemáticas de estas relaciones. Por ejemplo, el termopar de tipo K utiliza una serie de potencias de ocho términos más un término exponencial, con constantes dadas con 11 cifras significativas. El tipo R es similar pero aún más complejo—para cubrir el rango de -50 °C a 1767,6 °C se requieren cuatro ecuaciones polinómicas diferentes, que van de tercer a séptimo orden.

Los RTD, en cambio, presentan una respuesta resistencia–temperatura mucho más predecible. Los RTD de platino estándar siguen una ecuación cuadrática relativamente simple, definida en la IEC 60751. En la mayoría de los casos, esto puede modelarse mediante un polinomio de segundo orden; como mucho, puede ser necesario un término de tercer orden. Otros materiales de RTD, como el cobre, exhiben un cambio de resistencia casi lineal en su rango de operación, lo que hace que la linealización sea aún más simple.

Sin embargo, los RTD aún pueden verse afectados por no linealidades—no por el propio sensor, sino por el sistema de medición. Si el RTD se mide con un puente de balance nulo o un sistema potenciométrico, no hay error añadido. Pero en circuitos de puente fijo puede aparecer cierta no linealidad debido al consumo de potencia constante del puente. Si el sistema utiliza un amplificador de alta impedancia o una lectura digital, esto generalmente no es un problema. Pero cuando se emplean dispositivos de baja impedancia, como los galvanómetros, estos efectos deben corregirse.

Hoy en día, la mayor parte de la linealización se realiza digitalmente mediante sistemas basados en microprocesador. El enfoque típico implica ajuste de curvas—dividir la relación de FEM o de resistencia en pequeños segmentos lineales almacenados en una tabla de consulta. Estos segmentos son continuos en sus límites pero difieren en pendiente, y la precisión mejora con el número de segmentos. Dado que los instrumentos digitales modernos cuentan con amplia memoria y potencia de procesamiento, este método puede ajustarse muy bien a las tablas de referencia oficiales para termopares y RTD. Muchos instrumentos admiten múltiples tipos de sensores, conmutando entre distintos segmentos de ROM para ajustarse a los requisitos de linealización.

Alternativamente, la linealización puede implementarse como una función continua mediante electrónica analógica. Estos circuitos combinan módulos logarítmicos, exponenciales, de potencia y de raíz para simular la característica del sensor. Sin embargo, su precisión suele estar limitada a alrededor de ±0,2 % en unos pocos cientos de grados.

En la práctica, la mayoría de los instrumentos digitales modernos utilizan linealización digital en tiempo real inmediatamente después de la conversión analógico-digital. Estos sistemas modelan la respuesta del termopar o del RTD usando coeficientes almacenados en memoria, eliminando las discontinuidades de los enfoques segmentados y permitiendo una precisión de medida muy alta.