Termómetro de resistencia de platino estándar (SPRT)

introducción

Los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) son termómetros de alta precisión que utilizan la resistencia eléctrica del platino para medir temperaturas con la mayor precisión y repetibilidad. La Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) utiliza SPRT como herramienta de interpolación para establecer una base globalmente consistente y confiable para mediciones y calibraciones de temperatura.

¿Qué son los SPRT y por qué son importantes?

En el mundo de la tecnología de medición de precisión, los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) desempeñan un papel central cuando se trata de mediciones de temperaturas extremadamente precisas. Estos termómetros especializados aprovechan la propiedad de que la resistencia eléctrica del platino puro varía de manera predecible con la temperatura para proporcionar lecturas de la mayor precisión y repetibilidad.

Esta precisión convierte a los termómetros en una herramienta importante en laboratorios e industrias de todo el mundo, donde sirven como principales dispositivos de referencia. Son el estándar de oro en la medición de temperatura en el que se basan los estándares y calibraciones internacionales para garantizar la comparabilidad de las mediciones de temperatura a través de fronteras y disciplinas. Su uso es fundamental para mantener la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90), que sirve como guía global para la medición de la temperatura, respaldando significativamente la calidad y precisión en la ciencia, la medicina, la industria y el monitoreo ambiental.

¿SPRT y la escala de temperatura?

La Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) es la escala de temperatura actual establecida en todo el mundo como base para mediciones precisas de temperatura. El objetivo del ITS-90 es proporcionar una escala uniforme, precisa y reconocida mundialmente para garantizar la comparabilidad de las mediciones de temperatura. A diferencia de las escalas anteriores, la ITS-90 se basa principalmente en la definición de temperaturas de puntos fijos determinados por las propiedades físicas de sustancias puras. En particular, los puntos triples -estados en los que una sustancia se encuentra al mismo tiempo en fase sólida, líquida y gaseosa, como el punto triple del agua-, así como los puntos de solidificación de diversos metales, como el estaño, el zinc o Se utilizan aluminio. Estos puntos fijos ofrecen temperaturas de referencia extremadamente precisas y reproducibles.

Los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) se utilizan para calibrarlos en estos puntos fijos de temperatura que definen. La precisión de los puntos fijos de temperatura y del termómetro es importante para la implementación del ITS-90. Al utilizar estos puntos de temperatura fijos, el ITS-90 permite la mayor precisión y reproducibilidad en la medición de temperatura hasta la fecha, lo que lo hace indispensable para aplicaciones en investigación, industria y control de calidad.

Puede encontrar más información sobre el ITS-90 aquí: Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90)

Cómo funcionan los termómetros de resistencia

Los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) utilizan la relación definida con precisión entre la temperatura y la resistencia eléctrica del platino puro para medir temperaturas. Al medir el cambio en esta resistencia, puede determinar temperaturas con el más alto nivel de precisión y reproducibilidad.

¿La base física?

Los termómetros de resistencia de platino (SPRT) estándar se basan en el principio de que la resistencia eléctrica de un conductor metálico, en este caso platino, cambia con la temperatura. Esta dependencia de la resistencia con la temperatura está particularmente bien caracterizada y reproducible en el platino puro, lo que convierte al platino en el material ideal para mediciones precisas de temperatura. El funcionamiento de un SPRT se basa en el principio de resistencia eléctrica, más específicamente en la propiedad física conocida como coeficiente de resistencia a la temperatura. Para el platino, este coeficiente es positivo, lo que significa que la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura.

Los termómetros constan de un fino alambre de platino enrollado sobre un soporte no conductor, como por ejemplo el cuarzo. El diseño debe garantizar que el alambre de platino pueda expandirse completamente sin tensión. Este cable está incrustado en una atmósfera protectora para protegerlo de las influencias ambientales y al mismo tiempo garantizar que pueda exponerse directamente a la temperatura que se está midiendo.

Cuando se produce un cambio de temperatura, la resistencia eléctrica del alambre de platino cambia de manera predecible. Este cambio se mide utilizando un puente de medición de precisión que proporciona valores de resistencia muy precisos. Luego, la temperatura se puede determinar a partir de la resistencia medida utilizando relaciones conocidas.

La precisión se basa en la pureza del platino utilizado, la construcción del termómetro y la precisión de los instrumentos de medición utilizados para determinar la resistencia. Los estándares internacionales para los SPRT los establecen organizaciones como la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM), el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) con sede en Braunschweig y Berlín u otros INM. Los Institutos Nacionales de Metrología (INM), como el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Alemania, son instituciones centrales en todo el mundo para establecer y mantener estándares de medición nacionales y desempeñan un papel clave en la armonización global de los métodos de medición.

La definición de requisitos estrictos para el diseño y calibración de estos termómetros garantiza que proporcionen mediciones de temperatura comparables en todo el mundo. Estos estándares permiten que los SPRT funcionen como termómetros de referencia primarios calibrados según los puntos fijos de temperatura de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90).

El papel del platino y por qué fue elegido como material.

El platino desempeña un papel fundamental en el funcionamiento de los termómetros de resistencia de platino (SPRT) estándar debido a varias propiedades únicas que lo convierten en el material ideal para mediciones de temperatura precisas. La elección del platino se basa en las siguientes razones principales:

Alta estabilidad química: el platino es un metal extremadamente inerte, es decir, no reacciona o reacciona muy ligeramente con otras sustancias. Esta estabilidad química garantiza que el material permanezca sin cambios incluso durante un uso prolongado en diversas condiciones ambientales, lo que mejora la confiabilidad y la estabilidad a largo plazo de las mediciones.

Dependencia uniforme de la temperatura: la resistencia eléctrica del platino cambia con la temperatura de manera predecible y uniforme. Esta propiedad permite realizar mediciones de temperatura precisas y reproducibles. La relación lineal entre temperatura y resistencia en el platino facilita la calibración y hace que los resultados de las mediciones sean comparables en todo el mundo.

Resistencia a altas temperaturas: El platino puede soportar altas temperaturas sin cambiar sus propiedades físicas o químicas. Esta resistencia a altas temperaturas amplía el rango de temperatura utilizable de los SPRT, haciéndolos adecuados para una amplia gama de aplicaciones, desde temperaturas muy bajas hasta temperaturas muy altas.

Buena conductividad eléctrica: como metal, el platino tiene buena conductividad eléctrica, lo cual es necesario para medir con precisión los cambios de resistencia. Esta conductividad contribuye a la precisión y sensibilidad de la medición de temperatura.

Estabilidad a largo plazo: además de su estabilidad química, el platino también muestra una excelente estabilidad a largo plazo en términos de sus propiedades físicas, incluida la resistencia eléctrica. Esta estabilidad es esencial para mantener la calibración y para mediciones repetidas durante largos períodos de tiempo.

La importancia de los SPRT en el ITS-90

Los SPRT sirven como herramientas principales de interpolación dentro de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) al permitir mediciones precisas entre puntos fijos definidos.

La base: Kelvin y Celsius

Un elemento central de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) es la definición de una serie de relaciones matemáticas y termodinámicas que son esenciales para el uso de termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT). La atención se centra en el Kelvin (K), la unidad básica de temperatura termodinámica (T), que constituye la base para mediciones precisas de temperatura.

En el uso práctico, las temperaturas a menudo se dan como temperaturas Celsius t90, donde la conversión es la siguiente:

Esto permite utilizar eficientemente tanto Kelvin como grados Celsius (°C) según el contexto. Especialmente a temperaturas bajo cero se prefiere Kelvin, mientras que por encima de esta temperatura se utilizan grados Celsius.

Valores W de SPRT

Un concepto clave dentro de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) es el uso de relaciones de resistencia, comúnmente conocidas como valores W. Estos valores W son la base para una medición y calibración precisas de la temperatura con termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT). La ecuación básica para el valor W se define de la siguiente manera:

Aquí RT90 representa la resistencia óhmica a la temperatura T90 y R(273,16K) la resistencia óhmica en el punto triple del agua, es decir, exactamente a 0,01°C.

La definición y los criterios de selección de los SPRT.

Dentro de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90), los valores W se utilizan para definir y seleccionar termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT). Estos criterios garantizan que solo se utilicen los termómetros más precisos para realizar mediciones de temperatura precisas según los estándares ITS-90.

Un SPRT debe cumplir relaciones de resistencia específicas, o valores W, para ser clasificado como tal. Los criterios son los siguientes:

A una temperatura de 29,7646°C, el valor W debe ser al menos 1,11807.

O o y a una temperatura de -38,8344°C el valor W debe ser como máximo de 0,844235.

Si se utiliza una termorresistencia de platino hasta el punto de solidificación de la plata, también se aplica lo siguiente:

Para los termómetros que se utilizan hasta el punto de solidificación de la plata (961,78°C), otro criterio es que el valor W debe ser al menos 4,2844. Estos requisitos específicos garantizan que los SPRT tengan suficiente linealidad en todo el rango de temperaturas.

Funciones de referencia e inversión SPRT

La Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) utiliza funciones específicas de referencia e inversión para garantizar mediciones de temperatura con termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT). Estas funciones están definidas para dos rangos de temperatura principales:

Rango de temperatura de 13,8033 K a 273,16 K

Para este rango de temperatura, el ITS-90 define una función de referencia que describe la relación matemáticamente ideal entre el valor W y la temperatura T90.

Para determinar la temperatura correspondiente a partir de un valor W medido, se utiliza una función inversa que permite una desviación máxima de sólo 0,1 mK de la función de referencia.

Los coeficientes A0, B0, Ai y Bi, necesarios para la aplicación de estas funciones, se pueden encontrar en la ITS-90.

Rango de temperatura de 0°C a 961,78°C:

También se proporcionan funciones específicas de referencia e inversión en este amplio rango de temperaturas.

La función de referencia define a su vez la relación ideal para mediciones precisas de temperatura, mientras que la función inversa con una desviación máxima baja de 0,13 mK permite determinar con precisión la temperatura T90 basándose en un valor W determinado.

Para implementar estas funciones se requieren los coeficientes C0, D0, Ci y Di, que también se especifican en la ITS-90.

Funciones de desviación SPRT

Las funciones de desviación son una herramienta esencial de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90). Estas funciones permiten calcular con precisión las temperaturas correspondientes a partir de los valores de resistencia medidos de los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT). De manera análoga a las funciones de referencia, las funciones de desviación se dividen en tres rangos de temperatura principales:

Rango de temperatura de 13,8033 K a 273,16 K

Rango de temperatura de 83,8058 K a 273,16 K

Rango de temperatura de -38,8344°C a 961,78°C

Las funciones de desviación reflejan la relación real entre los valores de resistencia medidos y las temperaturas del ITS-90, lo que permite cálculos de temperatura directos y precisos.

Un elemento clave de estas funciones son los coeficientes individuales a, b, cy d, que deben calcularse específicamente para cada termómetro. Estos coeficientes aseguran que la función de desviación tenga en cuenta las características individuales de cada termómetro, lo que requiere una calibración individual.

Esta adaptación es fundamental para la precisión de las mediciones de temperatura y resalta la necesidad de una calibración precisa e individual de cada SPRT según el ITS-90.

Ventajas y limitaciones de los SPRT

Los SPRT proporcionan una precisión y repetibilidad excepcionales en las mediciones de temperatura, respaldadas por su papel fundamental en el ITS-90. Las limitaciones incluyen costos elevados, cierta susceptibilidad a influencias mecánicas y químicas y una facilidad de uso limitada en rangos de temperatura extremos o entornos hostiles.

Ventajas de los SPRT sobre otros tipos de termómetros

Los termómetros de resistencia de platino (SPRT) estándar ofrecen una precisión y repetibilidad excepcionales en la medición de temperatura que los diferencia de otros tipos de termómetros. Su precisión se debe al cambio estable y predecible en la resistencia eléctrica del platino en función de la temperatura, lo que los convierte en instrumentos preferidos para mediciones de referencia primaria y calibración de otros termómetros. Además, la alta estabilidad química del platino y su baja susceptibilidad a los procesos de envejecimiento permiten la consistencia a largo plazo de los valores de medición, lo cual es esencial para aplicaciones donde es crucial una alta precisión durante largos períodos de tiempo.

En comparación con otros tipos de termómetros, como termistores, termopares o termómetros de líquido en vidrio, los SPRT ofrecen una precisión y estabilidad significativamente mayores. Estas propiedades los convierten en la primera opción para aplicaciones de investigación científica y metrología donde la precisión es primordial. Si bien se pueden preferir otros tipos de termómetros para determinadas aplicaciones debido a su simplicidad, robustez o rangos de temperatura específicos, la precisión y confiabilidad incomparables de los SPRT siguen siendo incomparables para estándares de temperatura fundamentales y tareas de medición de alta precisión.

Limitaciones o desafíos en el uso de SPRT

A pesar de su excelente precisión y reproducibilidad, los termómetros de resistencia de platino (SPRT) estándar también tienen limitaciones y desafíos que deben tenerse en cuenta al utilizarlos. Una de las principales limitaciones de los SPRT es su precio de adquisición y costos de calibración relativamente altos, lo que los hace menos prácticos para aplicaciones cotidianas o industriales donde se requieren grandes volúmenes o soluciones rentables. Además, los SPRT son sensibles al estrés mecánico y la contaminación, lo que significa que deben manipularse y almacenarse con cuidado para mantener su precisión y longevidad.

Otro desafío es el rango de temperatura en el que se pueden utilizar los SPRT. Aunque son adecuados para un amplio rango de temperaturas, no son óptimos para temperaturas extremadamente altas o condiciones muy duras, donde tipos alternativos de termómetros, como los termopares, pueden ser más adecuados. Además, aprovechar toda la precisión de los SPRT requiere el uso de equipos de medición especializados y experiencia para realizar mediciones precisas e interpretar correctamente los datos. Estos requisitos normalmente limitan su uso a entornos de laboratorio o aplicaciones industriales especializadas donde se encuentran disponibles los recursos y la experiencia necesarios.

Aplicaciones de los SPRT en la práctica

Los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) y la escala internacional de temperatura de 1990 (ITS-90) encuentran uso práctico en una variedad de aplicaciones donde se requiere precisión y confiabilidad en las mediciones de temperatura. Una aplicación clave de los SPRT es la calibración de otros termómetros y en metrología, donde sirven como termómetros de referencia primarios. Los SPRT se utilizan en los institutos nacionales de metrología para implementar los estándares de temperatura necesarios para la trazabilidad de las mediciones de temperatura en la industria, la investigación y el control de calidad.

Además, los SPRT desempeñan un papel importante en la investigación y el desarrollo, particularmente en las ciencias físicas y de materiales, donde el control y la medición precisos de la temperatura son cruciales para comprender las propiedades y los fenómenos térmicos. En la industria farmacéutica y la biotecnología, los SPRT y el ITS-90 se utilizan para controles precisos de temperatura en la producción y almacenamiento de productos sensibles a la temperatura, como vacunas y medicamentos. Los SPRT y el ITS-90 también son de gran importancia en la investigación y el seguimiento ambiental, donde se necesitan datos precisos de temperatura para modelos climáticos y estudios ecológicos.

El estricto cumplimiento de ITS-90 permite mediciones de temperatura comparables en todo el mundo, lo cual es esencial para las relaciones comerciales internacionales, los estándares de calidad y las normas de seguridad. Ya sea en el aseguramiento de la calidad de los alimentos, el monitoreo de procesos industriales o la calibración de dispositivos médicos, la precisión y confiabilidad de los SPRT y el cumplimiento de ITS-90 garantizan la confianza y la seguridad en muchos aspectos de la vida diaria y la ciencia.

¿Cómo se enfría un termómetro de resistencia de platino estándar (SPRT)?

Una discusión común que siempre surge es la pregunta: ¿Cómo se deben enfriar adecuadamente los termómetros de precisión, como los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT)? A menudo hay opiniones divergentes sobre si se debe enfriar rápidamente, lentamente o con rampas de temperatura.

Además de los efectos térmicos y mecánicos que pueden ocurrir durante el calentamiento y enfriamiento, la oxidación tridimensional del platino también juega un papel importante. Curiosamente, no existe una respuesta universal a esta pregunta. Sin embargo, hay dos publicaciones muy buenas que pueden ayudar:

Publicación especial del NIST 250-81: “Calibración del termómetro de resistencia de platino estándar desde Ar TP hasta Ag FP” por GF Strouse

Esta publicación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) describe un procedimiento detallado para enfriar SPRT utilizados a temperaturas de hasta 675 °C . El proceso es el siguiente:

• El SPRT se calienta de 475°C a 675°C durante un período de 30 minutos.
• Luego se mantiene a 675°C durante 2,5 horas .
• El enfriamiento se produce lentamente al reducir la temperatura de 675 °C a 475 °C durante tres horas .
• Finalmente, el HTSPRT se retira del horno a 475 °C .

Guía CCT: “Guía para la Realización del ITS-90: Termometría de Resistencia al Platino”

Esta publicación, que hace referencia a la Escala Internacional de Temperatura (ITS-90) , describe el procedimiento para enfriar los SPRT utilizados hasta 660 °C . El proceso es el siguiente:

• Primero, el SPRT se recoce en un horno de envejecimiento entre 480 °C y 500 °C .
• Luego se aumenta lentamente la temperatura hasta aproximadamente 675°C durante un período de 45 a 60 minutos .
• El SPRT se recoce a esta temperatura durante cuatro horas para reducir las tensiones térmicas.
• El enfriamiento se produce lentamente hasta aproximadamente 480 °C durante un período de cuatro horas antes de que el SPRT alcance directamente la temperatura ambiente.

Ambos enfoques son útiles y brindan orientación, pero no son idénticos. Sin duda sería deseable un enfoque uniforme. Ambos métodos tienen como objetivo minimizar las tensiones en el platino del SPRT, pero difieren en sus detalles. Ambos enfoques están probados, pero no se ha establecido un procedimiento uniforme. El enfoque correcto a menudo depende de los requisitos y aplicaciones específicos.

El futuro de las mediciones de temperatura y el papel de los SPRT

El futuro de las mediciones de temperatura ve una evolución continua hacia una precisión, confiabilidad y rangos de aplicación aún mayores, y se espera que los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) sigan desempeñando un papel central. Con la búsqueda de materiales mejorados, métodos de medición más avanzados y la integración de tecnologías digitales, se espera que la precisión y aplicabilidad de las mediciones de temperatura sigan aumentando. Los SPRT, que ya forman la base para la medición de temperatura de alta precisión, podrían mejorar aún más en su rendimiento y versatilidad a través de estas innovaciones.

Al mismo tiempo, es probable que la importancia de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) se complemente o se amplíe con el desarrollo de escalas de temperatura nuevas y revisadas que proporcionen estándares de medición aún más precisos y universales. La investigación en física cuántica y los nuevos descubrimientos en ciencia de materiales podrían conducir a enfoques completamente nuevos para la medición de la temperatura, produciendo SPRT en nuevas configuraciones o incluso tipos de termómetros de referencia completamente nuevos.

A pesar de estos desarrollos futuros, es probable que continúe el papel de los SPRT como instrumentos estándar de alta precisión para la medición de temperatura, especialmente en áreas donde se requiere la mayor precisión y confiabilidad de medición. Su capacidad para servir como referencia fundamental para la calibración y verificación de otros termómetros seguirá siendo fundamental para garantizar la comparabilidad de las mediciones de temperatura en todo el mundo.

Conclusión

En resumen, los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) y la escala internacional de temperatura de 1990 (ITS-90) representan componentes indispensables en el campo de las mediciones precisas de temperatura. Los SPRT ofrecen una gran estabilidad química y una dependencia precisa de la temperatura. de resistencia y estabilidad a largo plazo, precisión y reproducibilidad excepcionales, lo que los convierte en instrumentos esenciales para la calibración y en aplicaciones científicas e industriales. El ITS-90 define estos instrumentos de precisión para permitir una medición de temperatura comparable y consistente a nivel mundial, lo cual es fundamental para la investigación, el control de calidad y diversos procesos industriales.

No se puede subestimar el papel de los SPRT y el ITS-90 para garantizar la precisión de las mediciones, ya que contribuyen directamente a la seguridad, la eficiencia y la innovación en muchas áreas de la vida diaria y la economía global. Los desarrollos futuros en la medición de la temperatura, impulsados ​​por los avances tecnológicos y la investigación científica, prometen métodos de medición aún más precisos y versátiles. Se espera que los SPRT, y potencialmente sus sucesores avanzados, sigan desempeñando un papel central en el establecimiento de estándares de precisión y confiabilidad.

La importancia de las mediciones precisas de temperatura y el papel de los SPRT y el ITS-90 se extienden mucho más allá del laboratorio. Son cruciales para avanzar en el conocimiento científico, mejorar los procesos industriales y garantizar la calidad de los productos, lo que en última instancia contribuye a mejorar la calidad de vida y la seguridad ambiental. El desarrollo y la adaptación continuos de estos estándares y tecnologías de medición seguirán siendo una tarea importante en el futuro para satisfacer las crecientes necesidades de un mundo en rápido desarrollo.

Fuentes

• Walter Blanke: La escala internacional de temperatura de 1990: ITS-90
• Frank Bernhard: Manual de medición técnica de temperatura, segunda edición
• Thomas Klasmeier: Libro de mesa “Temperatura”, edición 3
• Strouse, Calibraciones del termómetro de resistencia de platino estándar GF desde Ar TP hasta Ag FP . Publicación especial del NIST 250-81, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, 2008.
• Comité Consultivo de Termometría. Guía para la Realización del ITS-90: Termometría de Resistencia de Platino . Oficina Internacional de Pesos y Medidas, 2008.