¿Por qué mi sensor de temperatura falló en la calibración?

La temperatura es el parámetro de medición más común en el mundo. Los sensores de temperatura son empleados para diseñar instrumentos que miden la temperatura. Para contar con una buena exactitud, todos los sensores de temperatura deben ser calibrados incluso si son sensores patrón.

Ocasionalmente, el sensor de temperatura puede fallar durante la calibración. Esto puede suceder, aunque el sensor de temperatura pareciera estar funcionando correctamente antes de enviarse a calibrar.

Sensores de temperatura más comunes

Los termistores, termómetros de resistencia de platino (PRTs) y termopares son los instrumentos por elección más comunes para medir en aplicaciones de temperatura. Cada uno tiene características específicas y limitaciones. Normalmente, estos instrumentos son seguros y te proporcionan años de servicio libres de problemas. Sin embargo, si son maltratados de alguna forma su exactitud y vida útil pueden ser afectadas en gran medida, por lo tanto, es necesario que se manejen y utilicen apropiadamente. Para ello, debes entender cómo funcionan y qué limitaciones tienen.

Termistores

Los termistores de temperatura están entre los más robustos de todos los sensores de temperatura. Son fabricados con dispositivos de estado sólido que actúa como una resistencia variable, cuando cambia la temperatura, también lo hace su resistencia. Estos dispositivos tienen una excelente sensibilidad y exactitud. Vienen en un amplio intervalo de valores de resistencia. Tienen unas excelentes características de estabilidad a largo plazo y no son sensibles a golpes, no requieren las precauciones que los otros sensores necesitan. Debido a que no son sensibles a golpes, su calibración generalmente no se ve afectada por las vibraciones de menor importancia, al ser golpeado o tirado. Sin embargo, su intervalo de temperatura es por lo general limitado a un alcance de 100 °C.

Termómetros de resistencia de platino (PRTs)

El PRT es quizá el más versátil de todos los sensores de temperatura debido a su amplio intervalo de temperatura y alta exactitud. La mayoría se pueden usar en un intervalo de -196 °C a 420 °C, con pocas excepciones que alcanzan hasta 500 °C o incluso mayores. Esto por supuesto, depende de las especificaciones individuales del modelo y de sus respectivas calibraciones. Aunque los PRT´s son muy exactos y cubren un amplio intervalo de temperatura, tienen sus propias limitaciones. A diferencia de los termistores, los PRT´s sufren cambios en la calibración si el alambre o hilo de platino está contaminado, expuesto a vibración, golpeado o si ha sufrido caídas. Los cambios en la calibración a través de estos procesos son acumulativos. Por lo tanto, los PRT´s deben ser tratados con mucho cuidado.

Termopares

Los termopares de base de metal tienen ventajas por su amplio intervalo de temperatura y su bajo costo. Entre sus desventajas se incluye su relativa baja exactitud y en muy altas temperatura, estos pueden ser susceptibles a la falta de homogeneidad. Los termopares de metales nobles tienen un muy amplio intervalo de temperatura con una alta exactitud, pero a un costo mayor. Como los termopares con base de metal, también son susceptibles a la falta de homogeneidad.

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8 razones por las que puede fallar tu sensor

1. Autocalentamiento en termistores y PRT´s

Cuando los termistores y PRT´s son calibrados, una corriente nominal de excitación es aplicada. La cantidad de corriente que es requerida generalmente se indica en el reporte de calibración o en las especificaciones del fabricante.

Aprendimos de la Ley de Ohm que cuando la corriente fluye a través de un resistor, se disipa potencia (I2R). Esta potencia causa el calentamiento del sensor; es lo que conocemos como “autocalentamiento”. Cuando el sensor de temperatura es calibrado, este calentamiento automático se ha tomado en cuenta para ello. Cuando uses cualquiera de estos sensores, asegúrate de ajustar el indicador a la corriente de excitación adecuada. Muy poca o demasiada corriente causará errores de medición.

Estos sensores incluso se pueden dañar si se le aplica demasiada corriente. Algunos indicadores eligen automáticamente la corriente apropiada cuando cualquiera de los dos sensores son seleccionados “termistor” o “PRT´s”. Otros pueden necesitar establecerse manualmente. Los ajustes generalmente están en el menú de configuración del sensor. Si seleccionas la corriente manualmente, siempre debes tomar en cuenta las especificaciones del termómetro o el informe de calibración para seleccionar la corriente apropiada.

2. Resistencia de bajo aislamiento y corrientes de fuga

A la resistencia de bajo aislamiento en ocasiones se le llama resistencia de derivación (shunt), ya que la corriente puede fluir fuera del circuito de medición. Eléctricamente es como si se pusiera otra resistencia en paralelo con el sensor. Cuando se produce una resistencia de bajo aislamiento, frecuentemente la unión de transición se calienta bastante. (El mango no debe estar caliente como para que duela al tocarlo).

También se puede presentar la resistencia de bajo aislamiento si la funda se ha doblado o si el sello ha sido violado, permitiendo que la humedad llegue al sensor y a los cables conductores. Normalmente se puede evitar este problema con un uso y manejo apropiado del sensor.

La resistencia del aislamiento entre la funda metálica y cualquiera de los cuatro conductores PTR evita las corrientes de fuga.

3. Uniones de transición

Los termistores y los PRT´s tienen en general uniones de transición. La unión de transición es en donde se unen los hilos conductores externos con los hilos conductores del sensor. Los hilos conductores se pueden soldar de manera tradicional o con soldadura de punto. Si están soldados y la unión se calienta demasiado, la soldadura se fundirá provocando una apertura en la conexión o una condición intermitente.

Por lo general, la unión está sellada con epoxi para evitar la humedad y otros contaminantes. Si el sello se somete a temperaturas que van más allá de lo que el epoxi puede soportar, el sello puede agrietarse. Esto permite que la humedad y otros contaminantes penetren el sello y llegue a los cables conductores y al sensor. La acumulación de humedad es más notable cuando la temperatura del sensor se deja bajar a temperaturas inferiores al ambiente o si la humedad ambiental es alta.

Los PRT´s son a menudo llenados de un material aislante en polvo. Este material hace al PRT menos susceptible al estrés causado por golpes. A menos que exista un buen sello, a bajas temperaturas el aislamiento absorbe la humedad del aire. La humedad u otros contaminantes crean errores en las mediciones y hacen que el sensor de temperatura salga mal en la calibración. La humedad atrapada también puede presentar un problema de seguridad. Si el aislamiento ha absorbido una gran cantidad de humedad y el sensor de temperatura se coloca en una fuente de calor a altas temperaturas la humedad se convertirá en vapor, lo que podría producir que el sello se desprenda o se rompa la funda.

4. Hilos conductores rotos o irregulares

Si el cable del sensor de temperatura se jala, se somete a un exceso de trabajo o estrés mecánico los hilos conductores pueden romperse causando una apertura o irregularidad en la conexión. En ocasiones, puede presentarse la apertura o irregularidades en los sensores o en los hilos del sensor. Algunas irregularidades o intermitencias no se notan hasta que el sensor de temperatura se calienta, causando que los hilos se expandan y separen.

Aunque se hayan tomado medidas de cuidado para evitar las conexiones rotas o intermitentes, todavía pueden ocurrir daños dados por el tiempo de uso. La repetida expansión y contracción de los hilos conductores y el conductor del sensor puede llegar a pasar factura, haciendo que el conductor se rompa.

5. Contaminación

La contaminación puede ser causada por los productos químicos, iones metálicos o la oxidación. La contaminación química puede ocurrir en un PRT si un líquido alcanza el plomo o los cables del sensor.

Esto puede cambiar la pureza del platino, alterando sus características eléctricas. Cualquier cambio en la pureza puede ser permanente. La contaminación del hilo de platino con iones metálicos generalmente ocurre a 600 °C y temperaturas más altas. Debido a que se fabrican sensores PRT con hilo de platino de alta pureza, éstos son los más susceptibles a este tipo de contaminación. La contaminación por iones metálicos no es reversible y producirá un PRT con constantes derivaciones en temperaturas superiores. Esto es particularmente notable en el punto triple del agua, donde la temperatura de referencia es extremadamente estable.

Cuando un PRT es fabricado para temperaturas extremadamente altas, se construyen de tal manera que el sensor esté protegido de la contaminación con iones, las fundas de los sensores de temperatura están generalmente selladas para evitar la contaminación, los sensores de temperatura industrial y de tipo secundario no están al vacío antes de ser sellados. Por lo tanto, generalmente habrá algo de aire seco dentro de ellos.

Cuando se exponen a diversas temperaturas se puede formar oxidación en la superficie del alambre. La oxidación afecta principalmente a los sensores de temperatura cuyos elementos sensores contienen alambre de platino. La oxidación provoca un aumento en la RTPW (resistencia del punto triple del agua) en RTD´s metálicos.

6. Histéresis y no repetibilidad

La histéresis es una condición en donde la lectura de temperatura de los sensores pareciera quedarse retrasada o presentara un efecto de memoria al exponer el termómetro a intervalos secuenciales de temperatura. Los valores de medición dependen de una temperatura previa a la cual el sensor o el hilo estuvieron expuestos. Si el sensor de temperatura se lleva a ciertos puntos de temperatura la primera vez – por ejemplo de frío a caliente – éste seguirá una curva particular. Si las mediciones se repiten de manera inversa, (de caliente a frío en nuestro ejemplo), el termómetro presentará una compensación respecto de las mediciones anteriores en caso de que tuviera un problema de histéresis. Si se repite este ejercicio, la cantidad de compensación podría no siempre ser igual.

La histéresis no debe ocurrir con termómetros de resistencia de platino sin daño (SPRT´s), porque los SPRT´s están diseñados libres de esfuerzos. Los PRT´s que están diseñados para ser robustos, no están diseñados libres de esfuerzos. El ingreso de la humedad o humedad dentro del sensor de temperatura provoca histéresis en los RTD´s de cualquier tipo.

7. Falta de homogeneidad

Cuando un termopar es usado a altas temperatura, el alambre puede empezar a contaminarse. Esto causa que el coeficiente de Seebeck cambie de su estado inicial. En otras palabras, esto altera la sensibilidad del alambre a los cambios de temperatura. Sin embargo, la temperatura a la que se expone el alambre, así como la contaminación a lo largo del mismo puede no ser uniforme. El coeficiente Seebeck se vuelve entonces una función de la posición a lo largo del termopar. Esto conduce a mediciones erróneas que dependen del perfil de temperatura al que el termopar es expuesto a todo lo largo del termopar, no solo de la temperatura en la unión de medición.

8. Estabilidad a corto plazo

La repetibilidad de la medición es un término que puede ser usado de diferentes formas. Éste debe ser definido por la persona que lo esté usando. Generalmente se refiere a la repetibilidad de la RTPW (Resistencia en el punto triple del agua) durante un segmento de ciclos térmicos o un proceso de calibración.

Cuando el sensor no cumple la especificación de estabilidad a corto plazo, significa que la desviación entre mediciones a una temperatura en particular está fuera de especificaciones. Esto puede ser causado por una gran desviación estándar o por lecturas que continuamente se desvían en una dirección.

La probable causa de problemas de estabilidad a corto plazo es: humedad, contaminación, esfuerzos, fuga de corriente, golpes mecánicos y falta de homogeneidad.

Maneras de ayudar a prevenir el fallo del sensor de temperatura.

Para evitar la contaminación, toma las precauciones debidas cuando utilices el sensor de temperatura en ambientes hostiles. No utilices la unión de transición a temperaturas más altas o bajas que las que la unión de transición pueda manejar. Consulta las especificaciones del sensor de temperatura o al fabricante del sensor de temperatura para conocer las especificaciones de la unión de transición. Si existe la posibilidad de que una unión de transición sea expuesta a altas o incluso ligeramente a temperaturas altas, es recomendable utilizar un disipador de calor o un escudo térmico.