sensores rtd

SENSORES DE RESISTENCIA METÁLICA RTD

JORGE MARTÍNEZ GÓMEZCARLOS ROJAS VERGARA

ANDRES TOUS CONTRERAS

Presentado a:Ing. Christian Quintero PhD.

Ing. Jamer Jiménez

Fundación Universidad del NorteDivisión de Ingenierías

Departamento de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaMediciones e Instrumentación

Barranquilla

2011

Índice

1. INTRODUCCIÓN 1

2. Sensores de resistencia metálica RTD 22.1. Descripción general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3. Curvas de calibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.4. Modelo matemático de la RTD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.5. Tipos de RTDs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.6. Parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.7. Acondicionamiento de la señal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.8. Ventajas y desventajas de los RTD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.9. Aplicaciones de los RTDs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3. CONCLUSIONES 14

4. REFERENCIAS 15

ÍNDICE DE FIGURAS

Índice de figuras

1. Símbolo y aspecto de sensores de temperatura de resistencia metálica RTDcomerciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Curvas de calibración. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43. Sensores de tipo bobinado y enroscado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54. Sensores de tipo enroscado y de anillo hueco. . . . . . . . . . . . . . . . . 65. Puente de Wheatstone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96. Configuración de dos hilos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97. Configuración de tres hilos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98. Configuración de cuatro hilos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109. Imagen de la configuración Siemens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1010. Diagrama esquemático del diagnóstico de anemia utilizando método foto-

térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1211. Sensor RTD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1212. Diagrama esquemático del sistema y sensor RTD utilizado. . . . . . . . . . 13

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1 INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCCIÓN

El censado de temperatura es uno de los procesos más realizados en las plantas defabricación, debido a la vitalidad que tiene conocer el estado de una mezcla o productoen su proceso de manufactura. Por lo cual en las industrias, laboratorios y demás sitios sehace uso de diferentes tipos de sensores que tienen como objetivo medir la temperatura. Lossensores de resistencia metálica o más comúnmente conocidos como RTD, son dispositivosque permiten medir temperatura mediante el cambio de la resistencia de un metal. Estos sonde uso general y poseen un comportamiento generalmente lineal que depende del tipo dematerial está fabricado, ya que los metales se caracterizan por poseer coeficientes térmicospositivos de variación de la resistencia eléctrica. A continuación se hablara más en detallede este tipo de sensores.

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2 SENSORES DE RESISTENCIA METÁLICA RTD

2. Sensores de resistencia metálica RTD

2.1. Descripción general

Los metales se caracterizan por poseer coeficientes térmicos positivos de variación de laresistencia eléctrica, esto es producto de que al aumentar su energía interna su resistividadaumenta. Dicha propiedad es la que desde hace mucho tiempo se emplea en el diseñode sensores de temperatura de resistencia metálica o también llamadas RTD (ResistanceTemperature Detector). La siguiente figura muestra la simbología de un RTD el aspectoexterior de algunos de estos sensores.

Figura 1: Símbolo y aspecto de sensores de temperatura de resistencia metálica RTD com-erciales

2.2. Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento establece la variación de la impedancia de un conductorcon respecto a su temperatura. Este tipo de variación no indica que el número de electronesen estado de conducción aumente o disminuya, sino que existirá una mayor vibración porparte de los iones del conductor, lo que implica una serie de choques entre los iones y loselectrones impidiendo el flujo de estos últimos. Al ocurrir esto, se presentará una menor cir-culacion de electrones en el conductor, aumentando su impedancia de manera proporcionals su temperatura.

Entrando más en detalle en el funcionamiento de los RTD, se tiene que los materialesconductores metálicos cumplen con la siguiente relación:

R =ρl

A(1)

Como ejemplo de esto se puede considerar un alambre delgado que es introducido en unmedio a cierta temperatura, si el volumen de dicho es insignificante en comparación con elvolumen del medio, este alcanzara el equilibrio térmico sin afectar la temperatura del medio.

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En este el alambre presentara una resistencia proporcional a la temperatura de equilibrio,pero si la temperatura del medio aumenta, la resistividad del alambre crece, además de sulongitud y área debido a la dilatación del material. Pero si se consideran los cambios en lasdimensiones pequeños en comparación con la variación de la resistividad del material y estaa su vez con la temperatura, se puede concluir que ante un cambio en la temperatura delmedio se producirá un cambio en la resistencia del RTD, guardando una relación lineal entreestos.

Debido a lo anterior no todos los metales son aptos para la fabricación de sensoresde resistencia metálica, ya que algunos de estos no cumplen con una relación lineal entresu resistividad y la temperatura. A continuación se muestra una tabla que cuenta con losmetales que generalmente son utilizados para esto:

Metales Resistividad ρ Coeficiente Térmico K−1

Platino ( Pt) 10.6×10−8 3.9×10−3Níquel (Ni) 6.84×10−8 7×10−3

Wolframio (W) 5.6×10−8 4.5×10−3Cobre(Cu) 1.68×10−8 4.3×10−3

Molibdeno (Mo) 5.7×10−8 3.7×10−3

Cuadro 1: Materiales más usados en la fabricación de RTDs.

Como se puede ver de la tabla anterior el platino es el de mayor resistividad lo cual permiteconstruir hilos muy finos de este material con una resistencia considerable, en comparacióncon los otros que para alcanzar resultados similares necesitan de una gran longitud. Sinembargo el Níquel cuenta con un coeficiente térmico elevado en comparación con los otrosmateriales, por tanto este es el más sensible a los cambios de temperatura. Pero el níqueles muy susceptible al cambio de sus dimensiones, por lo que ofrece una característica deresistencia en función de la temperatura con una gran no linealidad. Por tanto es necesariopara la selección adecuada del material tener en cuenta tanto su resistividad como coeficientetérmico.

2.3. Curvas de calibración

Los fabricantes proporcionan para cada RTD una tabla de calibración que contiene unalista de valores de la resistencia R para cada temperatura T. Con estos puede construirse lacurva de calibración de la RTD. Esta gráfica es de resistencia de la RTD en función de sutemperatura. A continuación se muestra muestran algunas de estas curvas.

En la figura 2 se muestra la curva de calibración para el platino Pt100, y las curvasnormalizadas para tres RTDs de diferentes materiales. Ro es el valor de la resistencia en

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Figura 2: Curvas de calibración.

la cual la temperatura es igual a cero grados centígrados. Se puede observar en la gráficanormalizada de varios materiales que la RTD de peor sensibilidad es la de platino, quees superada por el cobre y el níquel. Pero si se analiza la linealidad de las curvas, la delníquel presenta una gran no linealidad, lo cual causa que los RTDs de platino y cobre seanmayormente usados en la mayoría de las aplicaciones.

2.4. Modelo matemático de la RTD.

La aproximación matemática que mejor se aproxima a la curva de calibración de unRTD, desde un punto de vista estático está dada por la siguiente expresión:

RT = R0(1 + α∆T + β∆T 2 + γ∆T 3...) (2)

Donde R0 es la resistencia de la RTD a la 0° C, ∆T la variación de la temperatura yα, β,? etc., son los coeficientes del modelo para los términos lineal, cuadrático, cubico, etc.Pero los coeficientes a partir de γ, β etc.poseen un valor muy bajo en comparación con eltérmino lineal. Por lo cual se suele aproximar el modelo a:

RT = R0(1 + α∆T ) (3)

Cuando los RTD son recubiertos, para la protección mecánica y aislamiento eléctrico respec-to al medio, dichos recubrimientos aportan resistencias térmicas que hacen que el sistemacambie su estado, produciendo un atraso en el tiempo de establecimiento o duración nece-saria para que se alcance el 99% de la temperatura final para la RTD.

2.5. Tipos de RTDs.

Dependiendo de su forma, tamaño, el medio, el tipo de metal utilizado,R0, y precisión,existen diferentes tipos de RTD. A continuación se muestran la clasificación de estos:

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Forma constructiva: En esta categoría, los RTD pueden ser clasificados en distintasformas:

Sensor de tipo bobinado: Estos tipos de sensores se encuentran diseñados conuna cubierta cerámica con embobinado en el núcleo. La bobina del núcleo puede sercircular o plano, pero siempre debe estar acompañado de algún aislante eléctrico. Setoma específicamente un acero inoxidable en el núcleo para cerrar la unión de la ex-pansión con el platino, Luego es templado y se recubre, proporcionando un completosellamiento de la sensibilidad del elemento.

Sensor de tipo laminado: Está fabricado depositando una delgada capa de platinoen un sustrato de cerámica. La envoltura de platino es cubierta con una resina ovidrio, ayudando a proteger la envoltura de platino disminuyendo la deformación delos cables. Sus ventajas son su bajo costo y su baja masa térmica, haciendo que elsensor manifieste respuestas en corto tiempo de manera práctica. Sin embargo, estostipos de sensores no son tan estables comparados con los sensores de tipo bobinado.

Figura 3: Sensores de tipo bobinado y enroscado.

Sensor de tipo enroscado: Se construyen a partir de una bobina helicoidal dealambre de platino. Los conductores se insertan a través de un tubo de óxido de alu-minio con 4 agujeros equiespaciados. Los orificios son rellenados con polvo cerámico,evitando cortocircuitos y posibles vibraciones durante la medición.

Sensor de tipo de anillo hueco: El sensor de anillo hueco utiliza un metal decomposición abierta aumentando el fluido del contacto con masa térmica pequeña, loque ayuda a proporcionar un tiempo de respuesta más rápido. Su área externa estátotalmente recubierta con material aislante. Una desventaja de estos tipos de sensoreses su alto costo.

Tamaño: Este criterio está estrechamente relacionado con la velocidad de respuestadel sensor, se pueden encontrar RTDs en miniatura utilizadas donde se requiera medirla temperatura en un punto medio, hasta RTDs de varios centímetros de longitudutilizadas en aplicaciones para medir la temperatura promedio de un medio.

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Figura 4: Sensores de tipo enroscado y de anillo hueco.

Características del medio: En esta categoría, se evidencian dos grandes grupos,que son los de inmersión en fluidos y los de contacto superficial. Los primeros suelenser bobinados, protegidos con una envolvente metálica que generalmente es aceroinoxidable. Mientras que los de contacto superficial suelen ser de película delgadaensamblados sobre sustratos planos o flexibles para adaptarse a la forma de las super-ficies.

Tipo de metal utilizado: La linealidad juega un papel importante en esta categoría.

Platino: Es el material más utilizado para la construcción de los RTDs, debido asu estabilidad y a que es naturalmente predecible. Además se caracterizan por su re-sistencia a la corrosión y oxidación, y presentan medidas reproducibles a temperaturaselevadas.

Los RTDs de platino de construyen en dos clases, dependiendo de su exactitud: claseA y clase B, en donde la clase A se considera de alta exactitud y su tolerancia enpunto de hielo es ±0,06Ω y clase B, de exactitud estándar su tolerancia es de ±0,12Ω.

Níquel: Su nivel de impedancia va a ser mas elevada con respecto a la variación dela temperatura. No presenta linealidad entre su resistencia y la temperatura. Presentaproblemas de oxidación poniendo en riesgo la reproductibilidad de las medidas y suutilización para las distintas aplicaciones. Sin embargo, una ventaja del níquel ademásde presentar mayor sensibilidad que el platino es la posibilidad de ser linealizado, uti-lizando un circuito de acondicionamiento de Wheaston equilibrado a una temperaturaespecífica.

Cobre: Su comportamiento de resistencia con respecto a la temperatura es uniforme.Es más económico que el platino y el níquel. Sin embargo, presenta una baja resis-tividad y además sus características impiden su utilización en temperaturas mayores a180ºC. Esto indica que aunque presente una mayor relación lineal con respecto a lasdemás, maneja un estrecho rango de medidas.

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Existen otros materiales con los que se puede construir estos tipos de sensores, co-mo por ejemplo, el Tungsteno, que presenta características importantes, como sucapacidad de realizar mediciones a temperaturas mayores que el platino alcanza. Sinembargo,no son utilizados en la industria, ya que debido propiedades presenta unabaja estabilidad.

Valor de R0: La resistencia a cero grados centígrados es otro criterio para clasificarlos RTDs, siendo los valores más utilizados 100Ω, 500Ω y 1000Ω. A continuación semuestra una tabla en la cual se presenta información de la resistencia de cero gradoscentígrados en contraste con el margen útil de temperatura:

Metal Margen útil de Temperatura (°C) Valores de Ro (Ω)Platino -260 a 900 25, 100,400, 5000, 1000 y 2000

Wolframio -100 a 1200 10, 50, 100, 1000 y 2000Níquel -200 a 430 120, 1000Cobre -200 a 260 10, 100, 1000Balco -100 a 230 100, 1000 y 2000

Cuadro 2: Valores de R0 y margen útil de temperatura.

Como se puede observar de la tabla anterior el platino a pesar de ser un metal preciosoy de alto costo, los RTDs construidos con este metal son los más difundidos por suamplio margen de trabajo, linealidad y estabilidad.

Precisión: Para clasificar los RTDs en función de sus tolerancias existen ciertasnormas, como la UNE-EN60751 que precisa dos clases de tolerancia para las RTDs deplatino, los clase A y B. En la clase A, el error en la temperatura en °C se encuentraacotado en 0,15 ± 0,002T y en las de clase B en 0,3 ± 0,002T, donde T esta enKelvin.

2.6. Parámetros

Auto-Calentamiento Al momento de utilizar un RTD en un sistema de medidade temperatura, generalmente se debe hacer circular una corriente eléctrica por él.Esta corriente produce una disipación de energía en el sensor que puede hacer quesu temperatura t sea más alta que la del medio en que se encuentra, lo cual puedecausar errores significativos en un proceso. Dicho incremento que sufre el RTD estádado por la siguiente expresión:

∆T = t− tmedio = RI2Rt[C] (4)

Donde R es la resistencia térmica de la RTD con el medio, I es el valor efectivo de lacorriente que circula por el sensor, Rt es la resistencia de la RTD a la temperatura t,

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y tmedio es la temperatura del medio. Se debe tener cuidado con este error, ya quelo ideal es que sea el mínimo permisible.

Precisión Este parámetro es importante para asegurar la intercambiabilidad de lossensores. La repetibilidad define la habilidad del sensor RTD de reproducir previosvalores cuando se repiten mediciones a temperaturas como por ejemplo 0°C, 100°C,150°C, 37°C, y de nuevo 0°C.

Tiempo de Respuesta Este esta definido como el tiempo necesario para que unsensor alcance el 63,2% del paso de cambio de temperatura. En otras palabras esel tiempo que demora el sensor en estar en equilibrio térmico con el medio. Esto sepuede ver claramente en la siguiente tabla:

Diámetro de la envoltura Tiempo de Respuesta (s)1/8 ” 1,53/16" 2,51/4" 5

Cuadro 3: Tiempos de respuesta.

Resistencia de Aislamiento. En general los RTD a 21°C con superficies externassecas, la resistencia entre cualquier conductor y la envoltura del sensor es 100MΩ omás a 100V en DC.

2.7. Acondicionamiento de la señal.

Para medir la temperatura implica medir la resistencia de la RTD, mediante su curvao tabla de calibración. Pero este método no ofrece una señal eléctrica proporcional a latemperatura objeto de medición que pueda ser registrada o medida fácilmente. Si se hacecircular una corriente I conocida teniendo en cuenta la limitación que impone el auto ca-lentamiento, por la RTD, se mide la tensión a través dela misma, esta señal eléctrica serádirectamente proporcional a la temperatura.

El puente de Wheatstone es un dispositivo eléctrico de medida utilizado para medirresistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Conformado por 4resistencias, una fuente de tensión y un galvanómetro. Las sondas de resistencias se conectana estos puentes, en configuraciones de dos, tres o cuatro hilos.

Los RTDs pueden construirse con 2,3 o 4 hilos conductores extendidos desde el sensor.Es importante considerar:

Exactitud requerida.

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Figura 5: Puente de Wheatstone.

Estabilidad.

Ubicación del dispositivo receptor.

Condiciones ambientales.

Rando y resistencia nominal del sensor.

RTD de dos conductores: Es la configuración más simple y menos costosa. El aplicareste dispositivo proporciona una medida de temperatura acertada cuando el dispositivoreceptor se encuentra conectado directamente al receptor, sin utilizar cables de extensión.

Figura 6: Configuración de dos hilos.

RTD de tres conductores: La sonda se encuentra conectada mediante tres hilos alpuente. De esta forma, la temperatura ni la longitud de los cables afectan la medida. Estaconfiguración también se encuentra sujeta a corrosión

Figura 7: Configuración de tres hilos.

RTD de cuatro conductores: Se utiliza para obtener la mayor precisión posible enla medida, como en el caso de los convertidores digitales de temperatura o la calibración

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Figura 8: Configuración de cuatro hilos.

de patrones de resistencias. Se pueden utilizar conductores de menor calibre, ya que no hayproblema con la resistencia del cable.

Acondicionamiento de un RTD: Existen casos en el que el sensor y el puente seencuentren físicamente alejados, por lo tanto es inevitable la presencia de conexiones entreel sensor y el puente. La salida de éste último es función de la resistencia del sensor, mas laresistencia de los conductores.

Esta resistencia en los cables conductores, está determinado mediante un coeficiente detemperatura, introduciendo un error en la medida. Éste error puede ser considerable, ya quea temperatura ambiente, el cobre presenta un coeficiente de temperatura similar al de unsensor RTD.

Este error introducido, se puede eliminar utilizando el método de Siemens. Éste métodosi Rh1 = Rh3 = Rh, la impedancia de los cables se reparte el 50% entre R2 y R3. Loscables 1 y 3 experimentan la misma variaciones térmicas. Las características de resistenciasdel cable 2 son irrelevantes, pues, debido a la alta impedancia de entrada del dispositivo demedida de la tensión de salida del puente, la corriente que circula es mínima.

Figura 9: Imagen de la configuración Siemens.

2.8. Ventajas y desventajas de los RTD

Ventajas

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Salida de gran amplitud.

Rango amplio de medidas de temperatura.

Sensibilidad a cambios de temperatura alta.

Excelente linealidad.

Alta exactitud, estabilidad, repetibilidad y resistencia de choques térmicos.

Sensibilidad 10 veces mayor a la de un termopar.

Desventajas

Velocidad de reacción baja, comparada con un termopar o termistor.

Afectados por el auto-calentamiento.

Inestables ante vibraciones o choques mecánicos.

2.9. Aplicaciones de los RTDs.

Debido a que este tipo de sensores están enfocados a la medición de temperatura,las aplicaciones dependen más del área en la cual estos son aplicados, ya que por suscaracterísticas medias entre los demás sensores de temperatura, los RTDs pueden ser usadosen la mayoría de los procesos industriales. Como por ejemplo existen empresas como RTDCompany que se dedican a la manufactura de este tipo de sensores para distintas áreas, comola industria de generación de energía, la medicina, la industria farmacéutica, la industriaalimenticia, motores, procesos de manufactura entre otras aplicaciones.

1. Diagnóstico de anemia utilizando dispositivos RTD.Esta aplicación consiste en el diseño de un biosensor térmico que cumple la función dediagnosticar la anemia sin tratamiento químico utilizando incrementos en la temper-atura de los glóbulos rojos presentes en la sangre. Esto ocurre cuando las moléculasde hemoglobina absorben fotones a una longitud de onda específica convirtiéndolasen energía térmica.Para medir los cambios de temperatura se utiliza un dispositivo de resistencia metálicaRTD compuesto de platino. Además se fabricó un sistema de control para mantener latemperatura ambiente constante, y un módulo de onda continua con una longitud deonda de 532nm, utilizado para calentar las células sanguíneas. Utilizando este sistemase pueden medir variaciones de temperatura en 10 diferentes muestras y se determinala concentración de hemoglobina.

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Figura 10: Diagrama esquemático del diagnóstico de anemia utilizando método foto-térmico

2. Medición de calidad en la gasolina y diesel.Para prolongar la vida útil de los motores marinos diesel y gasolina, es importantevigilar y controlar las temperaturas de los gases de escape, lo que requiere un sensorde temperatura preciso.Los sensores RTD tienen una fuerte señal óhmica, no son sensibles al ruido electronicoy no requieren cables especiales.

Figura 11: Sensor RTD.

3. Control de sistemas en computadores.Estos dispositivos suelen ser utilizados como sistemas de control en computadoresde escritorio. Los microprocesadores actuales están compuestos por varias capas detransistores a nivel de circuito integrado, generando un nivel de calor en el sistemaque puede llegar a ser tan alto que alcance a estropear los circuitos, si no se manejauna ventilación apropiada. Estos tipos de sensores se aplican de manera que cuandose presente un nivel de temperatura alto, el sensor envíe una señal que apague elsistema.

4. Medidor de humedad en la piel.Se propone como un dispositivo térmico para medir el contenido de agua en la piel.Un sensor de presión embebido se utiliza para estimar condición térmica. La diferencia

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en el contenido de agua se manifiesta con la respuesta al impulso de un sensor RTDen escala micrométrica, que también trabaja como un generador de calor.

Figura 12: Diagrama esquemático del sistema y sensor RTD utilizado.

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3 CONCLUSIONES

3. CONCLUSIONES

En el mercado existen distintos tipos de sensores de temperatura. Uno de estos son lossensores con resistencia metálica (RTD), estos son dispositivos implementados en distintossectores, como lo son las industrias, petroquímicas, laboratorios médicos, motores, etc. Estetipo de sensores miden temperatura a partir de los cambios en la resistividad del materialde su fabricación. Estos son utilizados en aplicaciones donde es necesaria la exactitud, sen-sibilidad y repetitividad.

En la selección de RTDs, es necesario tener en cuenta varios aspectos. El medio en elcual este sensor va a ser implementado es uno de estos, ya que en el mercado existen distin-tos modelos de RTDs que fueron diseñados para usos específicos. Otro aspecto importantees el material de fabricación, uno de estos materiales es el platino, los RTDs fabricados coneste material tienen un rango de medición de -200 a 900 °C exhibiendo un comportamientolineal, por esta razón es que el sensor RTD fabricado con platino es muy cotizado debidoa su exactitud y linealidad a pesar del elevado costo de este. Por último si se hace unapequeña comparación con sensores como las termocuplas y los termistores con los RTDstienen características medias entre estos. Por lo cual los RTDs son de uso general y puedenser utilizados en muchas aplicaciones.

Para finalizar se enuncian algunos campos donde son empleado los sensores RTDs:Aeroespacial, temperatura en motores, farmacéutico, medición de temperatura de calderas,temperatura en los ductos de HVAC.

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4 REFERENCIAS

4. REFERENCIAS

PÉREZ GARCÍA, Miguel Ángel. Instrumentación Electrónica. 1ª Edición. ParaninfoS.A.

http://www.rdfcorp.com/anotes/pa-r/pa-r_01.shtml

http://www.galeon.com/termometria/metodos_electricos.htm

Randall Gauthier,What is an RTD?

http://canteach.candu.org/library/20030701.pdf

http://www.rtdcompany.com/

K. Katoh, Y. Ichikawa, E. Iwase, K. Matsumoto and I. Shimoyama. thermal-basedskin moisture device with contact pressure sensor. University of tokyo, Japan.

Bong Seop Kwak„ Hyung Joon Kim,Hyun Ok Kim, Hyo-Il Jung. Direct Photo-thermalDiagnosis of Anemia using Platinum Resistance Temperature Detector. Yonsei Uni-versity, Korea.

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