2.2.5. Medida de la temperatura

Importancia de la temperatura en la industria

La temperatura es, con diferencia, la variable física más medida en el ámbito del control industrial. Su monitorización precisa es vital para asegurar el correcto procesado de alimentos, la fundición de metales, la polimerización química y el diagnóstico térmico de armarios de distribución eléctrica. La temperatura mide indirectamente el nivel de energía cinética interna de los átomos en una sustancia. Dependiendo del rango de temperatura de servicio y las exigencias de tiempo de respuesta y precisión del automatismo, se recurre a diferentes principios físicos de medición.

El cableado y la canalización de los sensores de temperatura hacia el armario eléctrico de control exigen cumplir las normas de diseño eléctrico del REBT y la norma UNE-EN 60751. Debido a las débiles corrientes y voltajes analógicos implicados, los cables de sensores deben estar debidamente trenzados y apantallados frente a los acoplamientos generados por líneas adyacentes de fuerza trifásica, asegurando que la conexión a masa de la pantalla se realice solo en la barra de tierras del propio armario.

Termorresistencias (RTD: PT100 y PT1000)

Las termorresistencias basan su funcionamiento en el coeficiente de temperatura positivo (PTC) de los metales puros. A medida que aumenta la temperatura de un metal, las vibraciones de sus átomos impiden el paso libre de los electrones libres de conducción, lo que eleva su resistencia óhmica. El metal más común en la industria es el platino debido a su excelente linealidad y estabilidad térmica temporal. El estándar indiscutible es la sonda PT100 (resistencia de 100 ohmios a 0 °C) y la sonda PT1000 (resistencia de 1000 ohmios a 0 °C).

En el cableado de una PT100 hacia el autómata o acondicionador, la resistencia inherente de los hilos de cobre de conexión añade un error apreciable a la medida si se cablea a dos hilos. Para corregir esto, se emplea el esquema a tres hilos: un conductor inyecta la corriente de medida y los otros dos retornan la información a un puente de Wheatstone interno, restando por hardware la resistencia del conductor. Para una precisión metrológica extrema, el esquema a cuatro hilos (conexión Kelvin) cancela por completo cualquier resistencia resistiva de la línea.

Termopares (Termocuplas)

Los termopares se destinan al control de altas temperaturas (desde 500 °C hasta más de 1700 °C), donde las RTDs de platino se fundirían. Se fundamentan en el Efecto Seebeck: cuando dos metales de naturaleza química diferente se unen por un extremo (unión caliente de medida) y los extremos libres se mantienen a menor temperatura (unión fría de referencia), se genera una fuerza electromotriz neta ($V$) del orden de microvoltios proporcional al gradiente térmico existente entre ambas uniones.

El conexionado de termopares requiere emplear de forma obligatoria Cables de Compensación o de extensión fabricados con las mismas aleaciones metálicas del termopar (ej. Cromel y Alumel en el Tipo K). No se puede realizar el empalme con cable de cobre genérico hacia el PLC, ya que cada unión metálica intermedia generaría termopares parásitos no compensados que falsearían por completo la medición analógica. Además, el módulo receptor del PLC debe disponer de compensación de unión fría (CJC) mediante una RTD interna en sus bornes.

Termistores (NTC y PTC)

Los termistores son semiconductores cerámicos cuya resistencia cambia de forma acusadamente no lineal con la temperatura:

NTC (Negative Temperature Coefficient): Su resistencia disminuye de forma exponencial al elevarse la temperatura debido al aumento de portadores de carga libres en el semiconductor. Son económicos y muy sensibles, ideales para automoción y climatización en rangos de -50 a 150 °C.

PTC (Positive Temperature Coefficient): Su resistencia aumenta bruscamente al alcanzar una temperatura crítica o de conmutación. En armarios eléctricos y devanados de motores trifásicos, se utilizan como sensores puntuales de protección térmica de sobrecalentamiento cableados a relés de protección térmica del cuadro.

Ecuación de Callendar-Van Dusen

La curva de variación de resistencia eléctrica de la sonda PT100 con la temperatura ($T$) por encima de los 0 °C se rige matemáticamente mediante la siguiente ecuación simplificada de Callendar-Van Dusen:

$$R(T) = R_0 \cdot (1 + A \cdot T + B \cdot T^2)$$

Donde $R_0 = 100\ Ω$, $A = 3.9083 \cdot 10^{-3}\ \text{°C}^{-1}$ y $B = -5.775 \cdot 10^{-7}\ \text{°C}^{-2}$. El término cuadrático $T^2$ introduce una pequeña no linealidad corregida de forma activa en el microprocesador del controlador analógico.

# Script para estimar la resistencia de una PT100 según la ecuación

# estándar de Callendar-Van Dusen para temperaturas mayores de 0 °C.

def calcular_resistencia_pt100(temp_c):

    """

    Calcula la resistencia nominal en ohmios para una sonda de platino PT100.

    """

    r0 = 100.0

    # Constantes normalizadas (UNE-EN 60751)

    a = 3.9083e-3

    b = -5.775e-7

    

    if temp_c < 0.0:

        return "Requiere incluir el término C en la ecuación de interpolación"

        

    resistencia = r0 * (1.0 + a * temp_c + b * (temp_c ** 2))

    return resistencia



# Simulación: Estimar la resistencia a una temperatura de proceso de 100 °C

t_proceso = 100.0

r_calc = calcular_resistencia_pt100(t_proceso)

print(f"?💡 Temperatura de proceso: {t_proceso} °C | Resistencia PT100: {r_calc:.3f} ohmios")