Le termoresistenze sono dispositivi che consentono di rilevare sperimentalmente un livello termico. Le caratteristiche vantaggiose di questi sensori sono principalmente le seguenti: hanno un’ottima linearità della caratteristica di funzionamento (il rapporto tra la grandezza da misurare in input e la grandezza misurata in output è pressoché lineare in tutto il range di misura), presentano un ampio intervallo di temperatura di impiego (leggermente inferiore a quello delle termocoppie).
Le temperature massime di misura si attestano intorno ai 900 °C. Il principio di funzionamento delle termoresistenze, o termometri metallici a resistenza, si fonda sulla variazione della resistenza elettrica del metallo contenuto all’interno del sensore al variare della temperatura alla quale è sottoposto il sensore stesso. I metalli maggiormente impiegati nella fabbricazione di questi trasduttori sono il Platino (la sigla chimica è Pt) e il Nichel (la sigla chimica è Ni).
Infatti questi due metalli possiedono ottime proprietà che rendono favorevole l’applicazione nel campo dei rilievi termici: hanno un’elevata resistività e sono molto stabili. Per i motivi appena dichiarati, si può affermare con sicurezza che le misurazioni effettuate mediante l’utilizzo delle termoresistenze risultano essere decisamente più precise e affidabili rispetto a quelle ottenuto dall’impiego delle termocoppie. I termometri metallici a resistenza sono identificati mediante la sigla del metallo contenuto in essi: se si utilizza il Platino la designazione è Pt, se si utilizza il Nichel la designazione è Ni. La sigla è normalmente seguita dal valore della resistenza nominale alla temperatura di riferimento (0 °C). Generalmente il range di misura delle termoresistenze industriali spazia dai -200 °C ai +850 °C. I trasmettitori più diffusi in ambito industriale sono raggruppati in due tipologie: sensori Pt100 e senori Ptc. In questa breve guida tecnica viene svolta una disamina accurata delle caratteristiche e delle prestazioni dei sensori Pt100.
Caratteristiche generali dei sensori Pt100
Le termoresistenze Pt100 sono elementi termosensibili adatti ai rilievi sperimentali di temperatura grazie alle elevate prestazioni in termini di sensibilità, precisione e affidabilità di misura. Le sonde Pt100 reperibili in commercio si diversificano in forma, materiale e dimensioni; ovviamente ogni versione di prodotto è ottimale per la specifica applicazione e ottempera alle esigenze del cliente. I campi applicativi delle termoresistenze Pt100 possono essere i più disparati e le elevate efficienze di funzionamento sono garantite per temperature che stazionano intorno ai 650 °C. I principali vantaggi delle sonde Pt100 sono riassumibili nei seguenti punti: massima affidabilità nel tempo, elevate prestazioni realizzate con ingombri ridotti e ottima precisione di misurazione.
Parametri tecnici delle sonde Pt100
I sensori Pt100 possono essere attrezzate con apposita testa di connessione per eseguire le misure e le regolazioni sugli impianti, inoltre con questi sensori sono consentiti gli utilizzi a immersione. Il fissaggio del trasduttore viene realizzato mediante un apposito raccoldo filettato che viene saldato direttamente sulla guaina (rappresenta un vincolo fisso). Si possono effettuare le operazioni di fissaggio anche attraverso altri meccanismi: usando appositi giunti a compressione oppure adoperando flange scorrevoli.
La connessione elettrica viene effettuata all’interno della testa di connessione impiegando una morsettiera ceramica. In uscita dal trasduttore si può scegliere alternativamente una grandezza elettrica analogica a 4 mA oppure a 20 mA. I parametri tecnici principali da tenere sotto controllo, sia durante le fasi di progettazione che di individuazione della sonda Pt100 più adatta alle richieste dell’utente, sono i seguenti: lunghezza totale del trasduttore, diametro della sonda, tipo e dimensioni dell’attacco, altri elementi di rilievo e specifiche esigenze del cliente.
Qualità del trasmettitore Pt100
Nel momento in cui si effettua l’acquisto del prodotto desiderato, è necessario verificare che il produttore sottoponga la sonda Pt100 in questione alle doverose prove di qualità e di sicurezza, nel rispetto delle normative di riferimento. Si fa ciò per essere certi delle prestazioni del sensore e che queste ultime vengano garantite durante l’intero arco temporale di utilizzo. La normativa prevede che il valore della resistenza (Ro) alla temperatura di riferimento (0 °C) sia compreso tra i 5 e i 1000 Ohm. I valori più utilizzati nello sviluppo delle sonde Pt100 sono: 100 Ohm, 500 Ohm e 1000 Ohm.
- La relazione analitica che lega la resistenza alla temperatura di misura (t) e la resistenza alla temperatura di 0°C (Ro) nel campo di misura che va dai -200 °C agli 0°C è la seguente: Rt=Ro[1+At+Bt^2+C(t-100)t^3]
- La relazione analitica che lega la resistenza alla temperatura di misura (t) e la resistenza alla temperatura di 0°C (Ro) nel campo di misura che va dagli 0 °C agli 850°C è la seguente: Rt=Ro[1+At+Bt^2]
Nelle formulazioni sopra riportate, i parametri A,B e C sono costanti caratteristiche della sonda Pt100 considerata. Per quanto concerne la classe di precisione del termometro a resistenza Pt100, vengono definite quattro classi di precisione differenziate dall’incertezza introdotta dallo strumento di misura sul valore di temperatura misurato (t).
Si riportano nel seguito le incertezze delle classi di precisione:
- – 0,1+0,0017*|t| °C di incertezza garantiti dai sensori Pt100 di Classe AA;
- – 0,15+0,002*|t| °C di incertezza garantiti dai sensori Pt100 di Classe A;
- – 0,3+0,005*|t| °C di incertezza garantiti dai sensori Pt100 di Classe B;
- – 0,6+0,01*|t| °C di incertezza garantiti dai sensori Pt100 di Classe C.
Come si può facilmente comprendere: all’aumentare della classe di precisione dello strumento di misura, diminuisce l’incertezza introdotta dalla sonda Pt100 sul valore di temperatura misurato. Per cui, nel caso in cui si acquisti un sensore Pt100, è molto importante verificare la classe di precisione. Così facendo si controllare se il prodotto acquistato soddisfa le esigenze del cliente, ovviamente il prezzo dello strumento di misura cresce all’aumentare della classe di precisione. Il sensore PT100 è fondamentalmente una sonda che consente di eseguire la misura della temperatura con un’elevata precisione, all’interno di un’ampia gamma di valori. In virtù della loro elevata sensibilità, precisione e affidabilità, i sensori PT100 sono utilizzati da diversi anni in numerose applicazioni industriali, commerciali, nei laboratori e ovunque vi sia la necessità di misurare con precisione una temperatura.
Come funziona
Il sensore PT100 contiene al suo interno una resistenza elettrica il cui valore cambia con la temperatura (la sonda stessa viene perciò anche detta “termo resistenza”). Più precisamente, il valore della resistenza interna aumenta al crescere della temperatura: si dice in questo che il sensore ha un coefficiente di temperatura positivo, indicato con l’abbreviazione PT (acronimo del termine anglosassone “Positive Temperature”). Il numero “100” presente nel nome del sensore indica invece che lo stesso presenta un valore nominale di resistenza interna pari a 100 Ω riferito alla temperatura di 0 °C, come indicato dalla norma IEC 751 (EN 60751).
Il valore della resistenza interna alla temperatura di 100 °C è invece pari a 138,4 Ω. La resistenza interna di questo tipo di sensori (noti anche con il termine inglese RTD, acronimo di “Resistance Temperature Detector”) è realizzata in platino, in quanto questo metallo presenta delle ottime caratteristiche di stabilità, linearità e ripetibilità nei confronti delle variazioni di temperatura. Storicamente, dobbiamo a Sir Humphrey Davy la scoperta che la resistenza dei metalli varia significativamente con la temperatura, mentre fu Sir William Siemens a introdurre l’utilizzo del platino come elemento per la realizzazione delle termoresistenze. Dal punto di vista costruttivo, esistono due tipi principali di sensori PT100: a filo avvolto e a film sottile. I sensori PT100 a filo avvolto sono costituiti da uno spezzone di sottile filo di platino purissimo avvolto attorno a un nucleo di ceramica oppure di vetro. I sensori a film sottile, che rappresentano la maggioranza dei sensori PT100, utilizzano tecnologie e materiali analoghi a quelli impiegati nella fabbricazione dei circuiti integrati. Uno sottile strato di platino viene depositato su un supporto ceramico e incapsulato all’interno di in un contenitore ermetico, realizzando così un sensore robusto e affidabile.
Vantaggi
Numerosi sono i vantaggi derivanti dall’utilizzo di un sensore PT100, principalmente attribuibili alle caratteristiche chimico-fisiche del platino e alle tecniche utilizzate per la sua fabbricazione. Possiamo anzitutto citare l’intervallo di temperature misurabili, molto ampio e compreso tra circa -200 °C e +850 °C, la curva caratteristica quasi perfettamente lineare, l’elevata precisione e intercambiabilità, la stabilità, la robustezza e la durata nel tempo. Per quanto riguarda il discorso dell’accuratezza, occorre fare riferimento alla normativa internazionale IEC 751, la quale indica le tolleranze applicabili ai sensori industriali con termoresistenza di platino. In particolare sono state specificate quattro classi di tolleranze, così definite:
- classe AA: tolleranza di ± 0,1 °C a 0 °C;
- classe A: tolleranza di ± 0,15 °C a 0 °C;
- classe B: tolleranza di ± 0,3 °C a 0 °C;
- classe C: tolleranza di ± 0,6 °C a 0 °C.
Applicazioni
Il sensore PT100 standard è composto dall’elemento sensibile protetto da un opportuno involucro, con due terminali conduttori che ne facilitano il collegamento. Le dimensioni estremamente ridotte, la rapidità di risposta alle variazioni di temperatura e la semplicità della sua struttura rendono questo sensore economicamente conveniente in svariate applicazioni di misura della temperatura, quali ad esempio: misura della temperatura in macchine utensili, motori elettrici, compressori, refrigeratori, e altro ancora. Il valore della corrente che viene fatta circolare nella termoresistenza deve essere scelto con particolare attenzione.
Il valore della corrente non deve infatti essere eccessivamente elevato (in modo tale da non introdurre un surriscaldamento del componente per effetto Joule, che avrebbe effetti negativi sulla misura) ma nemmeno troppo ridotto (in tal caso le tensioni in gioco sarebbero troppo piccole e quindi maggiormente soggette ai disturbi). I valori tipici sono dell’ordine dei milliampere. I sensori PT100, disponibili sul mercato in diversi tipi di contenitori, rappresentano una soluzione per la misura della temperatura robusta, precisa, affidabile e insensibile alle interferenze elettriche. Queste caratteristiche li rendono adatti per l’impiego in numerose applicazioni (industriali e non), anche in prossimità di motori elettrici, generatori e altri dispositivi ad alta tensione, oppure in immersione per rilevare la temperatura di sostanze liquide o fluidi. I sensori PT100 sono anche disponibili sotto forma di sonda, nella quale il sensore è integrato con l’aggiunta di cavi elettrici per il collegamento, guaina isolante di protezione e testa di connessione.
Nei sensori PT100 una minima oscillazione della temperatura produce una variazione sensibile della resistenza interna al platino, pertanto è necessario ridurre al minimo l’errore di misura della resistenza. Per consentire di eseguire misure di temperatura di elevata precisione, i sensori vengono equipaggiati con 4 fili: due sono utilizzati per applicare la corrente al circuito di misura e due sono utilizzati per misurare la tensione sulla resistenza al platino. Esistono anche delle versioni di sensore con 3 fili, in cui si presuppone che la resistenza dei tre fili sia la stessa. Anche se l’immunità alle interferenze elettromagnetiche è molto buona, è sempre bene collegare i sensori PT100 utilizzando cavi schermati con lo schermo a massa.
