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

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¿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 midan la temperatura. Para ser exacto, todos los
sensores de temperatura deben ser calibrados a pesar de ser
patrones. Sólo la estabilidad a corto plazo es comprobada durante
la calibración. La estabilidad a largo plazo debería monitorearse y
determinarse por el mismo usuario.
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. Este artículo le dará algunas de las razones básicas acerca
de las fallas de los sensores de temperatura y le ofrece algunas
sugerencias para asegurar la exactitud y maximizar la vida útil del
sensor. Además, le daremos ciertos conocimientos acerca de cada
tipo de sensor de temperatura, incluyendo las características
básicas y sus limitaciones.
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 le proporcionan años de servicio libres de
problemas. Maltratarlos, sin embargo, afecta en gran medida su exactitud y vida útil, por lo tanto es necesario
que se manejen y utilicen apropiadamente. Para ello, debe entender como funcionan y que limitantes tienen.
Termistores
Los termistores 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 tienen. 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 quizás 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 PRTs son muy
exactos y cubren un amplio intervalo de temperatura,
tienen sus propias limitaciones. A diferencia de los
termistores, los PRTs sufren cambios en la calibración si
el alambre o hilo de platino está contaminado, expuesto
a vibración, golpeado o si ha sufrido caídas (vea la
imagen en la siguiente página). Los cambios en la
calibración
a través de estos procesos son
acumulativos. Por lo tanto, deben ser tomados con
mucho cuidado cuando se manipulan o usan los PRTs.
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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.
Bobina de un sensor dañada por caída
Causas de falla durante la calibración
Auto calentamiento en termistores y PRTs
Cuando los termistores y PRTs son calibrados, una corriente nominal de excitación es aplicada. La cantidad
de corriente que es requerida generalmente se indica en el reporte de la 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 (I 2R).
Esta potencia causa el calentamiento del sensor; es lo que conocemos como “Auto calentamiento”. Cuando
el sensor de temperatura es calibrado, este calentamiento automático se ha tomado en cuenta para ello.
Cuando use cualquiera de estos sensores, asegúrese 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 “PRTs”.
Otros pueden necesitar establecerse manualmente. Los ajustes generalmente están en el menú de
configuración del sensor. Si selecciona la corriente manualmente, refiérase siempre a las especificaciones del
termómetro o al informe de calibración para la corriente apropiada.
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 (Ver ilustración de la resistencia).
La resistencia del aislamiento
entre la funda metálica y
cualquiera de los cuatro
conductores PTR evita las
corrientes de fuga.
Uniones de transición
Los termistores y los PRT tienen en general uniones de transición. La unión de transición es
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
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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 a la ambiente o si la
humedad ambiental es alta.
Los PRT son a menudo llenados de un material aislante en polvo. Este material hace al PRT menos
susceptibles 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.
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 pueden
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 suficiente tiempo en 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.
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 RTDs metálicos.
Afortunadamente, la oxidación puede ser eliminada por el
recocido de la RTD siguiendo el procedimiento y
temperatura recomendados en las instrucciones del
fabricante. Antes y después del recocido se debe
comparar el sensor de temperatura con un patrón de
precisión superior tal como una celda del punto triple del
agua. Esto le permite para determinar si el procedimiento
fue exitoso y le ayuda a mantener un historial de
rendimiento del sensor de temperatura.
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 un offset respecto de las mediciones
anteriores si tiene un problema de histéresis. Si se repite este ejercicio, la cantidad de offset podría no
siempre ser el mismo.
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La histéresis no debe ocurrir con termómetros de resistencia de platino sin daño (SPRTs), porque los SPRTs
están diseñados libres de esfuerzos. Los PRTs que están diseñados para ser robustos, no estan diseñados
libres de esfuerzos. El ingreso de la humedad, o humedad dentro del sensor de temperatura provoca
histéresis en los RTDs de cualquier tipo.
Falta de homogeneidad
Cuando un termopar es usado a altas temperatura, el alambre puede a 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.
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 esta 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 son 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, tome las precauciones debidas cuando utilice el sensor de temperatura en
ambientes hostiles. No utilice la unión de transición a temperaturas más altas o más bajas que las que la
unión de transición pueda manejar. Refiérase a 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.
Otras maneras para evitar una falla.
 No tire, golpee o agite un PRT.
 Nunca doble la funda que no está diseñada
para ser doblada. Incluso leves dobladuras
pueden afectar de manera adversa la
calibración o la vida del sensor de temperatura.
 Nunca sumerja la unión de transición en un
líquido.
 Nunca exceda la especificación de temperatura
del sensor.
 No sumerja al sensor de temperatura por
periodos largos de tiempo, particularmente a
temperaturas donde es posible que se oxide.
 No jale o estrese demasiado el cable del sensor
de temperatura.
 Si un sensor de temperatura necesita un
recocido, use las temperaturas y técnicas
recomendadas. Después de esto, siempre

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verifique la exactitud del sensor de temperatura
comparándola contra un patrón.
Periódicamente compare la exactitud del sensor
de temperatura contra un patrón primario como
una celda del punto triple del agua o un SPRT
calibrado
(standard
platinum
resistance
thermometer – termómetro de resistencia de
platino patrón).
Traducción y adaptación del documento original
Temperature Calibration Equipment and Services
Why did my temperature sensor fail calibration?
Pag.93-95 | (www.fluke.com)
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