Principios de Temperatura, Transferencia Térmica y Sensores RTD

Conceptos Fundamentales de Temperatura y Calor

¿Qué representa la magnitud temperatura?

La temperatura representa la capacidad de un cuerpo para comunicar calor a otros cuerpos y cuantifica el grado de agitación de sus moléculas (energía cinética).

¿Qué es la capacidad calorífica?

La capacidad calorífica es la cantidad de calor que debe suministrarse a un cuerpo de masa 1 kg para elevar su temperatura 1 Kelvin (K). Sus unidades de medida son Julios por kilogramo y Kelvin (J/(kg·K)).

Mecanismos de Transferencia de Energía Térmica

Existen tres tipos principales de transferencia de energía térmica. (Se recomienda utilizar un dibujo para complementar esta definición):

• Conducción térmica: Es un mecanismo de transferencia que consiste en la propagación de calor entre dos cuerpos o partes de un mismo cuerpo a diferentes temperaturas. Esto ocurre debido a la agitación térmica de las moléculas, sin que exista un desplazamiento real de estas. La conducción térmica está gobernada por la ley de Fourier.
• Convección térmica: Implica la transmisión de calor con movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este fenómeno solo se presenta en fluidos (líquidos o gases) como consecuencia de la mezcla entre sus masas. El movimiento en los fluidos provoca el desplazamiento de las partículas, de forma que el calor se transporta sin interrumpir la continuidad física del medio. La convección térmica está gobernada por la ley de enfriamiento de Newton.
• Radiación térmica: Es la transmisión de calor entre cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas mediante la emisión y absorción de ondas electromagnéticas. Este proceso se produce sin que exista contacto físico entre los cuerpos y está gobernada por la ley de Stefan-Boltzmann.

Sensores de Temperatura por Contacto: RTD

(Información basada en la Lección 1: Sensores de temperatura por contacto)

Expresión básica de la resistencia de un RTD y definición de parámetros

La resistencia de un Detector de Temperatura por Resistencia (RTD) se puede modelar con la siguiente expresión:

R(T) = R₀(1 + αT)

Donde:

• R(T): Resistencia del RTD a la temperatura T.
• R₀: Resistencia del RTD a 0 °C.
• α (alfa): Coeficiente de temperatura (positivo), expresado en °C^-1.
• T: Temperatura en grados Celsius (°C).

¿Qué se entiende por el término Pt100?

Un Pt100 es un tipo específico de RTD fabricado con platino (Pt) que presenta una resistencia nominal (R₀) de 100 ohmios (Ω) a 0 °C.

Características deseadas en los metales para construir RTD

Los metales utilizados para construir RTD deben poseer ciertas características deseables para asegurar un rendimiento óptimo. Estas características justifican su elección:

• Elevado coeficiente de temperatura (α alto): Esto proporciona una alta sensibilidad del sensor a los cambios de temperatura.
• Elevada resistividad (R₀ alta): Permite construir sensores de tamaño reducido y minimiza el efecto de la resistencia de los cables de conexión.
• Linealidad en la relación resistividad-temperatura: Facilita la calibración y la conversión de la resistencia medida a temperatura de forma más sencilla.
• Rigidez y ductilidad: Estas propiedades mecánicas facilitan la fabricación del sensor y le confieren robustez para su uso en diversas aplicaciones.
• Estabilidad temporal de la resistividad: Es crucial que la resistividad del material se mantenga constante a lo largo del tiempo. Esto se logra utilizando metales de alta pureza y evitando la contaminación.

Equivalente térmico básico de un RTD, parámetros y respuesta transitoria

El comportamiento térmico de un RTD se puede aproximar, comúnmente, a un sistema de primer orden. Este modelo se caracteriza por los siguientes parámetros (se recomienda dibujar el equivalente térmico básico):

• R_th (Resistencia térmica): Medida en °C/W (grados Celsius por vatio). Su valor depende del entorno de funcionamiento del sensor (por ejemplo, si está en aire quieto, aire en movimiento, agua, aceite, etc.).
• C_th (Capacidad térmica): Medida en J/°C (Julios por grado Celsius). Este parámetro condiciona el tiempo de respuesta del sensor.
• P (Potencia disipada): Es la potencia disipada por el RTD debido a la corriente de polarización necesaria para medir su resistencia.

La expresión que permite determinar la respuesta transitoria del sensor frente a un escalón de temperatura se deriva de este modelo de primer orden.