Cómo medir la temperatura evitando quemaduras en el proceso, parte 4

Los orígenes de los RTD

Entra en juego el telégrafo

En 1843, a la edad de veintiocho años, el ingeniero eléctrico alemán Werner Siemens (1816-1892, von Siemens desde 1888) disfrutaba de una cómoda situación económica. Recientemente había vendido los derechos de propiedad intelectual de su primer invento, un método práctico de galvanoplastia viable para la protección contra la corrosión, al industrial británico George Richards Elkington (1801-1865). Elkington disfrutó de un éxito notable al producir joyas y cubiertos de acero inoxidable en Gran Bretaña durante el siglo XIX.

Werner Siemens redirigió rápidamente su interés hacia la telegrafía (la tecnología más avanzada de la época), e inventó un telégrafo provisto de una aguja la cual podía ser apuntada a un conjunto de letras en lugar de enviar mensajes codificados en Morse. Esta innovación, denominada telégrafo de puntero, hizo posible que cualquier persona pudiera usar el dispositivo y no solamente las personas que conocían el código Morse. Para comercializar esta tecnología, W. Siemens fundó en 1847 una compañía llamada Telegraphen-Bauanstalt von Siemens & Halske (Compañía constructora de telégrafos de Siemens y Halske).

Esa empresa evolucionaría para terminar transformándose en el conglomerado Siemens AG, el cual es hoy en día la empresa de fabricación industrial más grande de Europa.

El tendido de líneas para telegrafía requería de kilómetros de cable de cobre de alta pureza, y la mala conductividad era un problema grave para la adopción de esta tecnología de comunicaciones. Para abordar este problema, Werner Siemens desarrolló un método para medir e indicar el nivel de resistividad eléctrica y la sensibilidad a los cambios de temperatura en el alambre de cobre.

La Asociación Británica para el Avance de la Ciencia entra en acción

El Consejo de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia se interesó por el trabajo de Siemens. El Consejo formó un comité para establecer estándares de medición para las diferentes propiedades eléctricas recientemente descubiertas.

Este comité estaba dirigido por William Thompson (más tarde Lord Kelvin) e incluía a varios pioneros con nombres que cualquier persona que tenga algún conocimiento de electricidad puede reconocer, como el profesor Wheatstone, el profesor Maxwell y Carl William (Karl Wilhelm) Siemens, un hermano de Werner Siemens que había emigrado a Inglaterra para supervisar la subsidiaria de la empresa Siemens ubicada allí.

El ohm fue la primera unidad definida por el comité. Karl Wilhelm Siemens estaba en el lugar correcto en el momento correcto, vendiendo equipos de telégrafo de Siemens a un mercado cada vez más hambriento.

En ese momento, hubo varios intentos de tender un cable transatlántico para las comunicaciones telegráficas, pero no tuvieron éxito debido a defectos de fabricación en la construcción y el diseño del cable. De hecho, el primer cable transatlántico que funcionó lo hizo solo por 3 semanas.

C. W. Siemens adquirió una amplia experiencia en cables submarinos como parte de su trabajo en la empresa Siemens & Halske; Por lo tanto, trabajó como asesor de la comisión que investigó las razones detrás de la rotura del primer cable telegráfico transatlántico.

Finalmente C. W. Siemens abriría una fábrica de alambre de cobre de alta calidad en Woolwich, Londres, la cual se mantuvo en funcionamiento hasta 1960. También ofrecía servicios de edición de calidad para otros fabricantes.

C. W. Siemens se dio cuenta de que el cable de cobre se dañaría si su núcleo alcanzaba una temperatura superior a 30 ⁰C durante un período prolongado, el mismo envejecía y su rendimiento se veía afectado. Por lo tanto, tuvo que medir con precisión las variaciones de temperatura en el cable de cobre y tratar de minimizar los cambios.

Había un gran interés en tener una conexión de comunicación telegráfica confiable entre Europa y los EE. UU. debido a las crecientes relaciones comerciales que comenzaron a aparecer a través del Océano Atlántico.

Algunos historiadores estiman que el comercio transatlántico creció un 8% anual después de que las comunicaciones transatlánticas se volvieron confiables.

El primer RTD

Durante este período, Siemens pensó en métodos para medir la temperatura de los cables de cobre con un alto grado de precisión. Sabía que la conductividad del alambre de cobre variaba en una proporción inversamente proporcional a su temperatura. Después de algunos experimentos infructuosos con alambres de cobre causados por la presencia de impurezas, se dio cuenta de que el material más adecuado para esta aplicación sería el platino. 

 Detalló esta idea en una carta, publicada más tarde por la Revista Filosófica en 1861, con el título "Sobre un nuevo termómetro de resistencia".

¡Finalmente se había inventado el primer sensor de temperatura RTD!

¿Por qué platino?

El platino es el metal más adecuado para fabricar RTDs por los siguientes motivos:

Punto de fusión: aproximadamente 1,770 °C o 3,220 °F, suficiente para la mayoría de las aplicaciones industriales, incluyendo el procesamiento de acero y metales.

Alta maleabilidad y ductilidad: El platino es altamente maleable y dúctil, por lo que puede convertirse fácilmente en alambres, hilos y películas conservando su estabilidad dimensional.

Alta resistencia a la corrosión: Es un material inerte, el platino no reacciona con la mayoría de las sustancias existentes. Esto también explica por qué las prótesis humanas están hechas de este metal.

Propiedades eléctricas estables: Ofrece una alta estabilidad física y química y su comportamiento cuando se expone a temperaturas crecientes es altamente repetible, con mínimas fluctuaciones de su resistencia medida.

Alta resistencia al desgaste y al deslustre: puede exponerse a fluctuaciones de temperatura, cargas externas, vibraciones mecánicas y golpes sin más consecuencias.

Estabilidad química: el platino ofrece una reactividad insignificante y una estabilidad extrema frente a entornos químicos agresivos.

Sin embargo, tiene una desventaja: es un material caro.

El platino funciona mal si no es puro.

La Asociación Británica para el Avance de la Ciencia organizó una serie de ensayos para verificar las afirmaciones de C. W. Siemens sobre la utilidad de los termómetros de resistencia de platino. Esta tarea era crítica, porque las fórmulas de C. W. Siemens cubrían un rango de temperaturas mucho más amplio que las existentes, que dejaban de ser útiles cuando la temperatura superaba los 200 °C.  Las ecuaciones propuestas por C. W. Siemens aspiraban a ser útiles hasta los  1000 °C, como argumentó en su conferencia Bakeriana en la Royal Society en 1871.

Un joven estudiante de química y física llamado George Carey Foster (1835 – 1919) fue puesto a cargo de las evaluaciones que se llevaban a cabo en el University College de Londres.

Desafortunadamente, aunque los RTD de Siemens tuvieron un buen desempeño en el corto plazo, cuando se probaron meses después mostraron diferencias significativas. El comité de la Asociación Británica recibió el informe negativo e iba a rechazar el uso de la invención de Siemens como dispositivo de precisión. Pero el único químico miembro del comité, el profesor Williamson, recordó que el deterioro del platino podría ser causado por la reducción del sílice (SiO2) presente en los soportes de arcilla utilizados para mantener los alambres de platino en su lugar.

El problema del sílice

El sílice no puede contaminar el platino, pero se convierte en silicio en una atmósfera reductora. El silicio crea un eutéctico que debilita la estructura del grano del platino, aumentando la fragilidad y modificando su resistividad. Si el horno utiliza combustibles ricos en azufre, como probablemente en los ensayos de Foster, el problema empeora porque el silicio y el azufre forman disulfuro de silicio (SiS2), que puede corroer el platino.

Lamentablemente, esta explicación no fue descubierta hasta 1884, un año después de la muerte de William Siemens.

Thomson encuentra al hombre, y su nombre es Callendar.

En 1884, el físico británico Joseph John Thomson (1856-1940) empezó a desempeñarse en el Profesorado Cavendish de Física Experimental en la Universidad de Cambridge. Este evento tuvo un efecto significativo en la comunidad científica local, ya que Thomson tenía solo 27 años en ese momento. La trayectoria profesional de Thomson tuvo su mayor reconocimiento por su descubrimiento del electrón, por lo cual recibió el Premio Nobel de Física en 1906.

En 1885, Hugh Longbourne Callendar (1863-1930) se unió al laboratorio de Thomson como nuevo estudiante de investigación. Thomson se dio cuenta rápidamente de que Callendar era un excelente experimentador y lo puso a la tarea de medir la resistencia del platino, cómo variaba con la temperatura y si podía permitirle funcionar como un termómetro de alta temperatura. Callendar era matemático y nunca había trabajado en una investigación de caracter experimental. Solo leía publicaciones científicas como un pasatiempo. 

 ¡¡¡Éxito!!!

Callendar se concentró en las tareas requerida por Thomson y decidió sellar las bobinas de platino sobre un trozo de mica, que montó en la burbuja de vidrio del termómetro de aire que utilizaba como referencia. Con este método, pudo resolver los problemas anteriores con las impurezas y pudo crear una fórmula confiable que describe la relación entre la resistencia y la temperatura. En 1886 presentó un documento con sus hallazgos a la Royal Society y obtuvo una beca del Trinity College. Al año siguiente presentó su patente sobre el termómetro de resistencia.

La ecuación de Callendar es la siguiente:

donde R (0) es la resistencia del platino a 0 ⁰C, T es la temperatura y A, B y C son constantes características de la sustancia empleada en el sensor

Esta ecuación es válida si 0 ⁰C ≤T< 661⁰C

No se puede subestimar la importancia de los avances logrados por Callendar. Su trabajo con el termómetro de resistencia de platino permitió a la Asociación Británica establecer una escala estándar de temperaturas.

Esta propuesta fue aceptada por el Comité de Normas Eléctricas, y Callendar fue seleccionado para el Sub-Comité de Termometría de Platino, junto con otros científicos que estaban trabajando en paralelo, Callendar terminó asociándose con uno de los miembros llamado Ernest Howard Griffiths (1851-1932), quien había estado trabajando en sensores de temperatura de platino de forma independiente al mismo tiempo. Calendar y Griffiths se acercaron a Horace Darwin, el jefe de la Cambridge Instrument Company, con la propuesta de comenzar la producción de sensores de temperatura RTD. Ese diseño se ha utilizado desde entonces con una amplia aceptación por parte de la industria.

La ecuación de Callendar fue refinada en 1925 por el químico estadounidense Milton S. Van Dusen. Trabajando en la Oficina Nacional de Estándares, más tarde NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología), Van Dusen investigaba métodos de prueba relacionados con el aislamiento térmico relacionado con la refrigeración para mediciones por debajo de 0 ⁰C.

La ecuación modificada de Callendar-Van Dusen es la siguiente:

donde R (0) es la resistencia del platino a 0 ⁰C, T es la temperatura y A y B son constantes características de la sustancia empleada en el sensor

La cual es válida si -200 ⁰C <T< 0⁰C

Estas ecuaciones se mencionan en las siguientes Normas Internacionales para RTD de platino: funciones de resistencia frente a temperatura DIN/IEC 60751 (también llamada IEC 751), también adoptada como BS-1904, y con algunas modificaciones, JIS C1604. Eso significa que todavía están en uso, 140 años después de que se presentaran.

Es difícil comprender completamente la importancia del desarrollo de las ecuaciones de Callendar-Van Dusen, porque cualquier computadora puede realizar cálculos con cualquier nivel de precisión que sea necesario. Pero resolver ecuaciones de tercer grado a finales de 1800 y principios de 1900 era una tarea complicada, que requería grupos de personas especialmente entrenadas, comúnmente conocidas como computadoras, que pasaban sus horas de trabajo realizando cálculos numéricos como un servicio.

Mirko Torrez Contreras es consultor y formador en Automatización de Procesos. Después de unos días de clima cálido proveniente de Brasil, Buenos Ares está de vuelta en el invierno más frío experimentado desde principios de la década de 2000. Uno de los dispositivos basados en la ley de Ohm que utiliza para generar calor en su apartamento dejó de funcionar anoche. Por lo tanto, se enfrenta al dilema entre conseguir uno nuevo o enviar el roto a reparar.

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