Termopar vs RTD vs termistor: cómo elegir

El controlador de un horno cerámico, el registrador de una cadena de frío en Culiacán y el monitor de un paquete de baterías miden temperatura, y casi nunca usan el mismo sensor. La elección entre termopar vs RTD vs termistor se suele explicar con una tabla de tres renglones: termopar para lo caliente, RTD para lo exacto, termistor para lo barato. La tabla no está mal, pero esconde los errores que de verdad deciden un diseño: la compensación de unión fría en el termopar, la resistencia de los cables y el autocalentamiento en la RTD, y la no linealidad en el termistor. Aquí te explico cómo funciona cada sensor, le pongo números a esos errores y te doy una forma de elegir que parte de tu rango y de tu presupuesto de error.

Puntos clave

• El rango decide primero. El termopar tipo K se especifica de −270 a 1,370 °C; la RTD y el termistor cubren mucho menos.
• Un termopar tipo K produce unos 39.5 µV/°C cerca de 0 °C. Su lectura vale lo que vale la medición de su unión fría.
• Una RTD Pt100 cambia unos 0.39 Ω/°C. Diez metros de cable a dos hilos pueden sumar más de 4 °C de error; las conexiones a tres y cuatro hilos eliminan casi todo.
• Un termistor NTC puede cambiar alrededor de 4 % por °C a temperatura ambiente (con un valor B típico), cientos de veces lo que cambia una RTD en ohms, pero su curva es muy no lineal.
• Las clases de tolerancia estándar son muy distintas: una Pt100 clase B tiene ±0.8 °C a 100 °C; un termopar tipo K clase 2 tiene ±3.75 °C a 500 °C.

“¿Qué sensor de temperatura uso?”

La pregunta aparece todo el tiempo en foros de ingeniería, y las respuestas suelen empezar con “depende”. Aquello de lo que depende es muy concreto.

¿Qué rango necesita la medición? Arriba de unos 600 °C, de los tres, el termopar suele ser la única opción práctica.

¿Qué tan exacta debe ser la lectura y por cuánto tiempo? Un proceso que debe mantenerse en ±0.5 °C durante años no tiene las mismas necesidades que el control de un ventilador.

¿Qué tan lejos está el sensor de la electrónica? La longitud y el recorrido del cable afectan distinto a cada sensor: los microvolts de un termopar en un tendido largo captan interferencia, y los ohms de los cables se suman directo a una RTD a dos hilos.

¿Cuánto procesamiento de señal tienes? Un termistor leído por un microcontrolador con una tabla de búsqueda es barato; un termopar leído a 0.1 °C necesita un convertidor de bajo ruido y un sensor de unión fría.

Cómo funciona cada sensor y de dónde salen sus errores

Termopares: dos metales y una referencia que tienes que medir

Un termopar son dos metales distintos unidos en el punto de medición. La diferencia de temperatura entre esa unión y el punto donde los alambres se conectan al cobre (la unión fría o de referencia) produce un voltaje pequeño: el efecto Seebeck. La guía de termopares de Joseph Wu para Texas Instruments da la sensibilidad del tipo K en 39.48 µV/°C a 0 °C y enlista los rangos especificados de los tipos comunes: tipo K de −270 a 1,370 °C, tipo J de −210 a 1,200 °C, tipo T de −200 a 400 °C y tipo S hasta 1,768 °C.

De la física salen dos consecuencias. Primero, la señal es diminuta. Resolver 0.1 °C con un tipo K implica resolver unos 4 µV, y por eso la guía de TI recomienda convertidores delta-sigma de bajo ruido. Segundo, el termopar mide una diferencia. La electrónica tiene que conocer la temperatura de la unión fría, normalmente con una RTD, un termistor o un diodo en la bornera. Cualquier error en esa medición pasa directo al resultado, más o menos grado por grado.

La guía de TI señala algo más que hace tropezar a muchos firmwares. La relación entre voltaje y temperatura no es lineal, así que lo correcto es convertir la temperatura de la unión fría a su voltaje equivalente de termopar, sumarlo al voltaje medido y convertir la suma a temperatura. Sumar directamente las dos temperaturas da un error; el ejemplo de la guía con tipo K muestra 1.5 °C. Las funciones de referencia para esa conversión las publica el NIST en la Monografía 175 y las adopta la IEC 60584-1.

Los termopares también tienen las tolerancias estándar más holgadas de los tres. Según la IEC 60584-2, tal como la tabula la guía de TI, el tipo K clase 1 es el mayor entre ±1.5 °C y ±0.4 % de la temperatura, y la clase 2 es el mayor entre ±2.5 °C y ±0.75 %. A 500 °C, la clase 2 permite ±3.75 °C.

RTD: platino, una cuadrática y el cableado alrededor

Una RTD es una resistencia de platino cuyo valor sube con la temperatura, descrita por la ecuación de Callendar–Van Dusen con coeficientes normalizados en la IEC 60751. Callendar mostró en 1887 el comportamiento casi cuadrático del platino, y por eso el platino sigue siendo la referencia para medir temperatura con exactitud en la industria. Una Pt100 tiene 100 Ω a 0 °C y cambia unos 0.39 Ω/°C cerca de 0 °C.

Las clases de tolerancia son estrechas. La guía de RTD de Joseph Wu para TI da la clase A de la IEC 60751 como ±(0.15 + 0.002|T|) °C y la clase B como ±(0.3 + 0.005|T|) °C, es decir, ±0.35 °C y ±0.8 °C a 100 °C.

Los errores que importan en la práctica están alrededor del sensor, no dentro.

Resistencia de los cables. En una conexión a dos hilos, la resistencia de los cables se suma directo a la RTD. Como ejemplo ilustrativo, 10 m de cobre calibre 24 AWG son unos 0.84 Ω por conductor, así que los dos cables suman 1.68 Ω. Entre 0.385 Ω/°C, son 4.4 °C de error. La conexión a tres hilos cancela los cables si son iguales; la de cuatro hilos los saca por completo de la medición, y la guía de TI la describe como la configuración más exacta.

Autocalentamiento. La corriente de excitación calienta el elemento. La guía de TI da el error como ΔT = I²R / E, donde E es el coeficiente de autocalentamiento: unos 2.5 mW/°C en elementos pequeños de película delgada y hasta unos 65 mW/°C en elementos más grandes de alambre embobinado. Con 1 mA, una Pt100 a 0 °C disipa 0.1 mW, unos 0.04 °C en un elemento pequeño de película delgada. La guía recomienda mantener casi todas las corrientes de excitación por debajo de 1 mA.

Termistores: mucha señal en un rango estrecho

Un termistor NTC es un semiconductor cerámico cuya resistencia baja con fuerza cuando sube la temperatura. Su atractivo es la sensibilidad. Con un modelo común y un valor B ilustrativo de 3,950 K, un termistor de 10 kΩ cambia alrededor de −4.4 %/°C a 25 °C, unos 444 Ω/°C, contra 0.39 Ω/°C de una Pt100. Un divisor sencillo hacia el ADC de un microcontrolador alcanza para resolver cambios pequeños.

El precio es la no linealidad. Con el mismo modelo ilustrativo, la resistencia es de unos 33.6 kΩ a 0 °C y 1.09 kΩ a 85 °C, y la sensibilidad baja a unos −3.1 %/°C a 85 °C. Una conversión en línea recta solo sirve para unos cuantos grados. La solución estándar viene de la oceanografía: en 1968, John Steinhart y Stanley Hart publicaron en Deep-Sea Research una ecuación empírica, 1/T = A + B ln R + C (ln R)³, que ajusta muy de cerca las curvas de los termistores con tres puntos de calibración. Sigue siendo la opción por defecto en el firmware de termistores.

Los termistores también tienen rango limitado (normalmente dentro de −50 a 150 °C, según la pieza) y, igual que las RTD, se autocalientan. Su alta resistencia hace que la resistencia de los cables importe menos que en una RTD.

Termopar vs RTD vs termistor, comparados

Propiedad	Termopar (tipo K)	RTD (Pt100)	Termistor NTC (10 kΩ, ilustrativo)
Rango especificado	−270 a 1,370 °C	Típicamente −200 a 850 °C (según clase y construcción)	Típicamente dentro de −50 a 150 °C
Señal	≈39.5 µV/°C	≈0.39 Ω/°C	≈−4.4 %/°C a 25 °C
Ejemplo de tolerancia estándar	Clase 2: ±3.75 °C a 500 °C	Clase B: ±0.8 °C a 100 °C	La fija la hoja de datos de la pieza
Linealidad	Moderada; requiere funciones de referencia	Casi lineal; Callendar–Van Dusen	Muy no lineal; Steinhart–Hart
Principal error oculto	Compensación de unión fría	Resistencia de cables, autocalentamiento	No linealidad, autocalentamiento
Excitación	Ninguna (genera su propia señal)	Fuente de corriente, idealmente ≤1 mA	Divisor o fuente de corriente
Usos típicos	Hornos, escapes, calderas	Control de procesos, laboratorios, farmacéutica	Baterías, HVAC, equipos de consumo

Qué hacer

Elige primero por rango

Si la medición pasa de unos 600 °C, empieza con un termopar. Si se queda más o menos entre −50 y 150 °C y pesan el costo o la sencillez, empieza con un termistor. En medio, o cuando dominan la exactitud y la estabilidad, empieza con una RTD.

Escribe el presupuesto de error, con todo y el término oculto

Para un termopar, incluye la tolerancia del sensor y la medición de la unión fría. Para una RTD, la tolerancia de su clase, la resistencia de los cables según tu cableado y el autocalentamiento. Para un termistor, el error de interpolación de tu conversión y el autocalentamiento.

Cablea según el sensor

Usa conexiones a cuatro hilos (o a tres hilos iguales) para las RTD en cualquier distancia real. Usa cable de extensión del tipo correcto para los termopares y mantén el sensor de unión fría a la misma temperatura que las terminales.

Convierte bien en el firmware

Usa las funciones de referencia del NIST y la IEC para termopares (con compensación de unión fría en voltaje), Callendar–Van Dusen para RTD y Steinhart–Hart o la tabla del fabricante para termistores.

Qué no hacer

No sumes la temperatura de la unión fría a la temperatura del termopar; suma voltajes. Y no alimentes una Pt100 con varios miliamperes para tener más señal sin calcular el error por autocalentamiento.

Cómo ponerlo en práctica

Si tienes una hora

Para tu diseño actual, anota el rango, la exactitud requerida y la longitud del cable, y calcula el error oculto de tu tipo de sensor: la incertidumbre de la unión fría, la resistencia de los cables o el error de linealización.

Si tienes un sprint

Pon un termómetro de referencia junto a tu sensor en un baño agitado o un bloque seco a tres temperaturas del rango y compara. Los residuos te dicen si el error viene de la clase del sensor, del cableado o de la conversión.

Si quieres que dure toda la vida del producto

Registra el tipo de sensor, la clase, el cableado y el método de conversión en la documentación del diseño, y repite la comparación contra la referencia cuando cambie cualquiera de ellos. Los termopares en particular derivan con la exposición a alta temperatura, así que planea un intervalo de reemplazo o recalibración.

La pregunta que debes hacerte: “¿Cuál es el error más grande de mi sistema que no aparece en la hoja de datos del sensor, y ya lo medí?”

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre un termopar, una RTD y un termistor?

Un termopar genera un voltaje pequeño a partir de la diferencia de temperatura entre dos uniones de metales distintos. Una RTD es una resistencia de platino cuyo valor sube casi linealmente con la temperatura. Un termistor es una resistencia semiconductora que cambia de forma pronunciada y no lineal, normalmente bajando cuando sube la temperatura.

¿Qué sensor de temperatura es más exacto?

De los tres, la RTD de platino suele dar la mejor exactitud y estabilidad en un rango amplio; la clase A de la IEC 60751 es ±0.35 °C a 100 °C. Un termistor calibrado puede ser muy exacto en un rango estrecho. El termopar tiene el rango más amplio pero las tolerancias estándar más holgadas.

¿Por qué el termopar necesita compensación de unión fría?

Porque su voltaje depende de la diferencia de temperatura entre la unión de medición y el punto donde se conecta a la electrónica. La electrónica tiene que medir esa temperatura de referencia y compensarla, de preferencia convirtiéndola a un voltaje equivalente antes de convertir el total a temperatura.

¿Uso una RTD a 2, 3 o 4 hilos?

A dos hilos solo con cables muy cortos o si la exactitud no importa mucho, porque la resistencia de los cables se suma directo a la lectura. A tres hilos se cancela la resistencia de los cables si son iguales, y a cuatro hilos se elimina de la medición y es lo más exacto.

¿Qué es la ecuación de Steinhart–Hart?

Es una ecuación empírica, 1/T = A + B ln R + C (ln R)³, publicada por Steinhart y Hart en 1968, que relaciona la resistencia de un termistor con la temperatura absoluta. Los tres coeficientes se obtienen calibrando a tres temperaturas.

Lecturas relacionadas: calibración de sensores: offset, ganancia y linealidad, cómo leer la hoja de datos de un sensor y tierra y blindaje de señales de sensores.

Fuentes

1. Steinhart, J. S., y Hart, S. R. (1968). “Calibration Curves for Thermistors.” Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts, 15(4), 497–503. https://doi.org/10.1016/0011-7471(68)90057-0
2. Callendar, H. L. (1887). “On the Practical Measurement of Temperature: Experiments Made at the Cavendish Laboratory, Cambridge.” Philosophical Transactions of the Royal Society of London A, 178, 161–230. https://doi.org/10.1098/rsta.1887.0006
3. Burns, G. W., Scroger, M. G., Strouse, G. F., Croarkin, M. C., y Guthrie, W. F. (1993). Temperature-Electromotive Force Reference Functions and Tables for the Letter-Designated Thermocouple Types Based on the ITS-90. NIST Monograph 175. https://doi.org/10.6028/NIST.MONO.175
4. International Electrotechnical Commission. IEC 60751, Industrial platinum resistance thermometers and platinum temperature sensors; IEC 60584-1 y 60584-2, Thermocouples.
5. Wu, J. (2018, rev. 2023). “A Basic Guide to Thermocouple Measurements.” Texas Instruments, reporte de aplicación SBAA274A. https://www.ti.com/lit/an/sbaa274a/sbaa274a.pdf
6. Wu, J. (2018, rev. 2023). “A Basic Guide to RTD Measurements.” Texas Instruments, reporte de aplicación SBAA275A. https://www.ti.com/lit/an/sbaa275a/sbaa275a.pdf