Medición de Temperatura en Procesos Industriales: Conociendo los RTDs

La temperatura es una de las variables de control clave que garantizan la calidad de los productos fabricados en diversos segmentos de la industria. Actualmente, los dos elementos más utilizados para la medición electrónica de la temperatura son los termopares y los detectores de temperatura resistivos (RTDs). En este artículo te compartiré qué son los RTDs, cómo funcionan y cómo se transmite su señal.

Un Detector de Temperatura Resistivo, comúnmente conocido como RTD, es un instrumento que detecta la temperatura basándose en la resistividad. Para entender los principios de funcionamiento de los RTDs, es esencial comprender qué es la resistencia eléctrica y qué factores influyen en ella.

La resistencia eléctrica se define como la capacidad de un cuerpo para oponerse al flujo de corriente eléctrica. La unidad de resistencia en el sistema internacional es el Ohmio (Ω), nombrado así en honor al físico alemán Georg Simon Ohm. Una sustancia que tiene electrones libres y donde la carga puede moverse relativamente libremente se llama conductor. Cuando un conductor se somete a una diferencia de potencial, como estar conectado a una batería, una corriente eléctrica pasa a través de él, constituida por el movimiento de electrones libres dentro del conductor.

Cuando estos electrones libres se mueven, comienzan a colisionar entre sí y con los átomos en el conductor. Cada conductor, de hecho, cada material, está compuesto por átomos que vibran constantemente debido a su energía. Cuanto mayor sea el número de colisiones, mayor será la dificultad que encontrará la corriente eléctrica para atravesar el conductor. Esta dificultad para mover las cargas caracteriza la resistencia eléctrica. La resistencia varía dependiendo de la longitud, el ancho y la naturaleza del material conductor, así como la temperatura a la que está sometido.

La resistencia es directamente proporcional a la longitud del conductor, es decir, cuanto mayor sea la longitud, mayor será la resistencia. También es inversamente proporcional al área del conductor, ya que cuanto mayor sea el área, más fácil será el paso de los electrones y, en consecuencia, menor será la resistencia del material. Además, la resistencia eléctrica puede variar según la variación de voltaje y corriente eléctrica en un conductor. A mayor intensidad de la corriente eléctrica, menor dificultad enfrentan los portadores de carga para moverse, es decir, menor resistencia.

Cuando el conductor se calienta, sus átomos absorben esta energía térmica, aumentando su vibración. Cuando la corriente eléctrica atraviesa el conductor, el número de colisiones entre electrones y átomos aumenta, dificultando el flujo de corriente. Entendiendo qué es la resistencia, podemos analizar los RTDs.

La resistencia eléctrica de los metales aumenta a medida que la temperatura sube y los metales se calientan, mientras que disminuye a medida que la temperatura baja y los metales se enfrían. Esto significa que, a medida que aumenta el calor, la capacidad de un metal para oponerse al flujo de corriente eléctrica también aumenta, permitiendo que fluya menos corriente. Por otro lado, cuando la temperatura disminuye, la capacidad del metal para oponerse al flujo de corriente eléctrica se reduce, permitiendo que fluya más corriente. Los sensores RTD utilizan esta variación en la resistencia eléctrica para medir el cambio de temperatura.

Para que las lecturas de estos productos sean interpretables, los metales utilizados en los sensores deben tener resistencias eléctricas conocidas y registradas. Los sensores RTD más populares son los de platino, como el PT100 y el PT1000, que tienen 100 y 1000 ohmios de resistencia a 0 grados Celsius respectivamente, y los de níquel, como el NI500, con 500 ohmios de resistencia a 0 grados Celsius

Los componentes de un RTD incluyen el elemento de resistencia o sensor, que es la parte literal que detecta la temperatura. Este elemento está ubicado en el extremo del sensor, donde detecta la temperatura del proceso. Está compuesto por un hilo de metal enrollado en una bobina o una rejilla grabada en un sustrato, y puede estar hecho de varios materiales como platino, cobre o níquel. La protección del tubo, que suele ser de acero inoxidable, se utiliza para ensamblajes hasta 500 grados Fahrenheit, protegiendo el dispositivo del ambiente exterior y la humedad.

El RTD también tiene una conexión de proceso, que es un accesorio estándar. Hay varias configuraciones de cables disponibles para los RTDs: dos, tres y cuatro hilos, siendo el de tres hilos el más comúnmente utilizado en aplicaciones industriales. La unidad que ofrece el RTD es en ohmios, y necesitamos convertir esta delta en resistencia a una delta en voltaje o corriente para usar esta señal. Esto se logra conectando los cables del RTD a un transmisor, un PLC, un DCS o incluso un controlador PID. Un circuito puente conocido como el puente de Wheatstone se utiliza para este propósito.

El puente de Wheatstone está compuesto por tres resistencias, una fuente de energía y un voltímetro o un transductor de voltaje. El puente está en equilibrio nulo cuando la corriente medida de las dos patas del puente es cero, es decir, los puntos cero de salida de temperatura del RTD. A medida que aumenta la temperatura, también aumenta el voltaje o corriente leída por el voltímetro o el transductor de voltaje.

En conclusión, los RTDs son dispositivos cuyo principio de funcionamiento se basa en la variación de la resistencia eléctrica de sus elementos conductores debido al cambio de temperatura en el entorno al que están sometidos. Los RTDs son instrumentos de detección que consisten en material resistivo, usualmente hecho de platino, cobre, níquel, entre otros. Los RTDs funcionan con el principio de que cada metal tiene una composición y resistencia únicas a la corriente eléctrica. La resistencia de un material es relativa a su cambio de temperatura, ya que sus átomos absorben o dispersan más energía, dificultando o facilitando el flujo de electrones a través de él.