Diseños de elementos RTD

Contenido

1. Diseños de RTD de laboratorio
2. Diseños de RTD industriales
3. Termómetros de película
4. Resumen: elegir el diseño de elemento RTD adecuado

Los detectores de temperatura por resistencia (RTD) pueden construirse de diversas maneras según el entorno de medición. Desde dispositivos de laboratorio de precisión hasta conjuntos industriales robustos, las elecciones de diseño afectan la precisión, la durabilidad, la estabilidad y el costo. A continuación se presenta un resumen de las construcciones de elementos RTD más utilizadas, empezando por los diseños de grado de laboratorio.

Diseños de RTD de laboratorio

Los RTD de laboratorio priorizan la precisión y la estabilidad. Estos elementos se construyen cuidadosamente para minimizar la tensión en el elemento sensor y mantener una calibración excelente a lo largo del tiempo.

Diseños de bobina en tubo de precisión

En los laboratorios de estándares modernos, los elementos RTD más precisos se construyen utilizando:

• Alambre fino de platino (típicamente 0,07 mm de diámetro).
• Enrollados helicoidalmente y montados por fricción dentro de tubos de sílice, vidrio o alúmina.
• Configuraciones de cuatro hilos para mediciones de resistencia de alta precisión (ver Figura 6.1).
• Herméticamente sellados y rellenados con argón o aire/oxígeno para asegurar un ambiente oxidante para el platino.
• Los cables de conexión están cuidadosamente aislados con mica, sílice o zafiro para mantener una alta resistencia de aislamiento y minimizar las fugas.

Estos conjuntos permiten que el platino se expanda y contraiga libremente, garantizando estabilidad a largo plazo por encima de –189°C.

Cápsulas criogénicas

A temperaturas muy bajas, RTD en cápsula son preferibles. Estos diseños compactos:

• Usan tubos de platino de pared delgada llenos con gas helio para una excelente conductividad térmica.
• Generalmente miden alrededor de 50 mm de longitud y 5 mm de diámetro.
• Están selladas y son robustas, con una masa térmica muy baja (ver Figura 6.2).

Estos diseños son ideales para la calibración criogénica y entornos de medición de temperaturas ultrabajas.

Elementos de referencia de alta temperatura

Para temperaturas superiores a 660°C, los RTD de platino presentan problemas de resistencia de aislamiento y deriva. Para superar esto:

• RTD de baja resistencia se construyen utilizando múltiples hilos de platino en paralelo.
• Elementos como el diseño de “jaula de pájaro” del NBS reducen los efectos de la resistencia de los cables de conexión (ver Figura 6.3).
• La menor resistencia (p. ej., 0,2 Ω a 0°C) los hace menos sensibles a la derivación por corrientes de fuga, mejorando la precisión a temperaturas elevadas.

Diseños de RTD industriales

Los RTD industriales están construidos para sobrevivir en entornos más duros, donde la vibración, el choque térmico y el esfuerzo mecánico son comunes. Estos diseños equilibran la robustez con la estabilidad de la medición.

Elementos cerámicos de alambre bobinado

Los RTD industriales tradicionales utilizan carretes de cerámica o vidrio alrededor de los cuales se enrolla el alambre de platino:

• El bobinado se sella con cemento cerámico o vidrio para mantenerlo en su lugar (ver Figura 6.4).
• Las varillas cerámicas con ranuras en espiral son otra opción, donde el alambre está protegido de la vibración (ver Figura 6.5).

Estos diseños son robustos, pero pueden sacrificar algo de libertad de expansión del elemento de platino, lo que puede afectar la estabilidad a largo plazo.

Ensamblajes de bobina parcialmente soportados

Un diseño más avanzado utiliza bobinas de platino parcialmente soportadas:

• La bobina helicoidal se inserta en un tubo de alúmina de múltiples orificios.
• Solo ciertos puntos de contacto se fijan con vidrio, permitiendo que el resto del alambre se mueva libremente (ver Figura 6.6).
• Este diseño mejora notablemente la resistencia a las vibraciones, al tiempo que minimiza el esfuerzo mecánico.

Las unidades típicas miden 25 mm de largo y alrededor de 3 mm de diámetro. Se ajustan cuidadosamente para alcanzar 100 Ω a 0°C, garantizando la conformidad con las normas IEC.

Estos se encuentran entre los elementos industriales más estables disponibles, con deriva tan baja como unas centésimas de grado en todo el rango de –200°C a +850°C.

Termómetros de película

Los RTD de película son una evolución moderna en el diseño de sensores. En lugar de utilizar alambre, estos elementos se basan en capas delgadas o gruesas de platino depositadas sobre un sustrato.

Diseños de película delgada

• Se deposita al vacío una capa de platino muy delgada sobre un sustrato cerámico.
• Ideal para mediciones de temperatura de superficie o de aire de hasta alrededor de 500°C.
• Tiempo de respuesta rápido debido a la baja masa térmica y a la excelente resistencia a las vibraciones (véase la Figura 6.7).

Diseños de película gruesa

• Utilizan pastas de platino-vidrio serigrafiadas sobre una superficie plana y luego cocidas a altas temperaturas.
• Más comunes en entornos de menor costo o de producción por lotes.

Ventajas y limitaciones

Advantages:

• Producción por lotes altamente repetible.
• Rentables y con respuesta térmica rápida.
• Buena tolerancia a las vibraciones.

Limitations:

• Menor estabilidad a largo plazo en comparación con los tipos bobinados con alambre.
• La capa de platino es pequeña y susceptible a la contaminación.
• El esfuerzo mecánico durante los ciclos térmicos puede afectar la calibración.
• La variabilidad entre lotes puede limitar la intercambiabilidad.

Si bien los RTD bobinados con alambre de máxima calidad pueden alcanzar ±0.005% de estabilidad, los elementos de película generalmente ofrecen ±0.05%; aún suficiente para muchas aplicaciones industriales.

Resumen: elegir el diseño de elemento RTD adecuado

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