Nota sobre la calibración de temperatura
Medición
de
resistencia en corriente
alterna frente a
corriente continua
La capacidad de
medir la resistencia de manera precisa es la clave para conseguir medidas de
termometría de precisión, traduciendo la resistencia medida a temperatura a
través de una escala práctica de temperaturas (siendo la Escala Internacional de
Temperatura de 1990 la más conveniente). La medida de la resistencia se hace a
través de un puente de medida en el que se compara la resistencia a medir con
una cuyo valor se conoce casi exactamente y es muy constante frente a
variaciones de la temperatura. Dicho puente puede ser excitado usando corriente
alterna (CA) (excitación senoidal), o corriente continua (CC) y ambas tienen sus
ventajas y sus inconvenientes. La ventaja fundamental de la tecnología de CC es
simplicidad y con lo cual un coste más económico. En términos de prestaciones,
la tecnología de CA siempre es mejor, y es la que se elige siempre que se
requieran medidas más precisas y exactas. Las razones por las cuales los puentes
de CA ofrecen mejores resultados vienen de principios físicos fundamentales
asociados con la medida y la implementación de los dispositivos que conforman el
puente de medida.
Éstos son como
sigue:
El
transformador:
Este es el corazón de un puente de CA. Este sirve para suministrar el voltaje
adecuado a la resistencia de referencia para conseguir equilibrar el puente.
Teniendo en cuenta que el cociente del voltaje en un transformador sólo depende
del cociente de espiras que éste tenga siendo éste un número entero y fijo (no
se pueden ganar o perder espiras del transformador), esto representa un patrón
de medida fundamental. Esta estabilidad, inherente a la técnica utilizada, no ha
sido mejorada por ninguna otra técnica. La estabilidad de un puente ASL F18 fue
estudiada por un laboratorio nacional de metrología a lo largo de 6 meses. Los
resultados mostraron una reproducibilidad de 0,02 ppm (vea
la Figura 1).
Figura 1: Estabilidad
/ deriva puente de resistencia ASL
F18
En contraposición, los puentes de CC deben contar con muchos más componentes
para obtener unos resultados similares y nunca con la misma estabilidad. Aunque
actualmente se están probando modernas técnicas analógicas y estrategias de
calibración interna por medio de microprocesadores, los puentes de CC siguen sin
poder hacer frente a los de CA.
Eliminación de
fuerzas electromotrices (fems) térmicas y electroquímicas:
cualquier sistema de medida práctico está expuesto a fems térmicamente generadas
que surgen en el momento que uniones de diferentes metales, en la sonda de
temperatura, en la resistencia de referencia o en el circuito de medida están
expuestos a gradientes de temperatura (efecto Seebeck que es recíproco al
Peltier). Una medida del voltaje a través de la sonda de temperatura aplicando
una corriente continua daría un valor incorrecto de la resistencia. Actualmente
los puentes de corriente continua cambian el sentido de la corriente usando una
excitación de corriente alterna de baja frecuencia y se toma una media del
voltaje medido para evitar estos errores. Mientras esto elimina fems térmicas
estáticas y electroquímicas, cualquier cambio que ocurra durante el tiempo de
medida (que puede ser de varios minutos) puede causar errores. También esta
estrategia de cambiar la dirección de la corriente no elimina el efecto de
calentamiento Peltier que genera errores inevitables en sistemas de CC
reversibles. La corriente de medida fluyendo a través del circuito produce el
calentamiento esperado de la termo-resistencia y del circuito. Sin embargo esto
produce también calentamiento Peltier en cualquier unión inter-metálica. Estas
uniones emitirán o absorberán calor dependiendo del sentido de la corriente.
Cuando un puente de corriente continua cambia el sentido de la corriente, esto
también cambia el sentido del efecto Peltier correspondiente ( las uniones que
daban calor ahora absorben y viceversa) y esto cambia temperaturas de unión y
sus correspondientes fems térmicas. Esto siempre produce errores positivos en la
resistencia indicada.
En contraste los puentes de CA sólo miden la componente alterna de cualquier
voltaje y no dan tiempo a que se produzca un calentamiento o enfriamiento
significativo durante cada ciclo de medida (típicamente 7 milisegundos). Estos
puentes, por tanto, son inmunes a fems térmicas y electroquímicas.
Mejor rendimiento
por control del ruido:
Todos los sistemas electrónicos son susceptibles de generar ruido incrementando
así la incertidumbre en la medida. El espectro inherente del ruido en sistemas
electrónicos muestra una forma 1/f característica en la cual el ruido se
incrementa proporcionalmente con la inversa de la frecuencia por debajo de una
frecuencia dada.
Los puentes de CA trabajan por encima de esta frecuencia, luego tendrán un fondo
de ruido mucho menor que los puentes de CC, los cuales por definición operan a
una frecuencia cercana a cero. Por lo expresado la incertidumbre en la lectura
de la resistencia en un puente de CA será menor.
Velocidad de
respuesta:
Esto es una consecuencia de la característica de ruido apuntada en el apartado
anterior. Básicamente, ruido y velocidad de respuesta son parámetros de un
sistema electrónico que pueden tratarse. Dado que la CA ofrece un fondo de ruido
menor esto quiere decir que un puente de CA puede equilibrar una medida a la
misma precisión mucho más rápido que uno de CC. Además, los procesos del
auto-cero y de calibración interna que se realizan en un puente de CC no son
requeridos por un puente de CA, el cual da una medida continua de la
temperatura. Esto quiere decir que el tiempo de medida es menor y la tasa de
toma de medidas de cualquier sistema de medida con un puente de corriente
alterna. Esto es particularmente importante cuando el puente se usa con un
scanner ó multiplexor para tomar las lecturas de diferentes sondas.
Ideal para medidas
de temperatura:
Los puentes de CC fueron desarrollados en un primer momento para la metrología
de magnitudes eléctricas más que para la medida de temperaturas. Estos hacen
medidas secuenciales con la corriente en ambos sentidos causándose retrasos en
procesos complejos de auto-cero y calibración interna complejos cada vez que se
cambia el sentido de la corriente. Esto significa que los resultados de medida
son actualizados sólo cada varios segundos ó incluso minutos (para medidas más
precisas). Cuando se mide el valor de la resistencia fija, la cual es bastante
constante con la temperatura, un puente de CC es bastante adecuado para esta
tarea. Por otro lado la temperatura, y por tanto, la resistencia de una PRT son
propiedades dinámicas, sometidas a cambios significativos durante cortos
períodos de tiempo. La técnica rápida y continua de medida en que se basan los
puentes de CA es mucho más apropiada que la de los de CC. Los puentes de CA de
hecho se pueden utilizar para medidas de efectos dinámicos, mientras que con los
de CC prácticamente no sería posible.
Armonización con el
ruido de la sonda:
Los transformadores armonizadores de ruido se pueden suministrar con un puente
de CA, reduciendo así el ruido en la medida. Esto no se puede hacer en puentes
de CC.
Adaptación a la
frecuencia de red:
Las frecuencias de medida para un puente de CA son ajustadas a la frecuencia de
la red evitando así interferencias en todos sus armónicos. Un puente de CA es
capaz de evitar dichas interferencias ciclo a ciclo, mientras que uno de CC lo
tiene que hacer calculando la media sobre largos períodos de medida.
Necesidad nula de
tiempo de calentamiento:
Debido a que el núcleo de un puente de CA es un transformador que es
intrínsecamente estable, hace que el puente no requiera tiempo alguno de
calentamiento, por tanto se puede usar justo después de su encendido. Por el
contrario los de CC requieren un tiempo prudencial de calentamiento para que sus
circuitos internos se estabilicen.
Existe algún
inconveniente en los puentes de CA?:
Sólo hay un inconveniente ...el precio. La tecnología de los puentes de CA es
por naturaleza más complicada que la de los de CC, con lo cual requiere
soluciones más caras. Como con todas las cosas en la vida, uno consigue calidad
en función de lo que paga y los puentes de CA son simplemente lo mejor para la
medida de la temperatura. Ciertamente para laboratorios nacionales de metrología
no hay duda que los puentes de CA han sido y son la única elección para el
metrólogo de temperatura. Aún los laboratorios secundarios y los de calibración
industrial, dada la estabilidad, confianza en la medida, rapidez, etc. de los
mencionados puentes de CA también constituyen una más que buena elección, dando
al cliente grandes beneficios.
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