Come funzionano i sensori di temperatura PT100?

L’elettronica applicata in campo industriale ha migliorato il settore fornendolo di strumenti sempre più precisi, sia per le lavorazioni attraverso macchinari, che le misurazioni tramite sensori. Per i rilevamenti termici vengono impiegati delle sonde specifiche per il tipo di lavoro che si deve eseguire. Ogni sensore ha le sue caratteristiche ben definite, come tolleranza, precisione, durabilità, ecc… tra questi, molto diffusi sono i pt100, ma come funzionano i sensori pt100? cosa sono? Approfondiamo nei prossimi paragrafi.

I sensori PT100 sono dei componenti elettronici termo resistenti in platino, che vengono utilizzati in applicazioni industriali o in ambienti come laboratori, per la misurazione delle temperature durante le sessioni di lavoro. La resistenza nominale di tali sensori è stabilita dalla normativa IEC 751 ed è di 100 Ω in una condizione di temperatura pari a 0°. Esistono due acronimi che indicano questi componenti, ma si tratta soltanto di due differenti modi, di chiamare lo stesso elemento, infatti, l’RTD è il nome europeo, dall’inglese Resistance Temperature Detector, mentre in italiano è conosciuto come PRT, ossia termometro a resistenza di platino.

Oltre alla resistenza PT100, esistono altri due tipi, sempre utilizzati in campo industriale, le PT500 e le PT1000, con valori nominali e caratteristiche diverse. L’utilizzo di una termo resistenza nei PT100, comporta la possibilità di lavorare in un intervallo di temperatura più ampio, tra i -200 e gli 850 °C, con un’ottima precisione e intercambiabilità, in modo stabile e duraturo.

Esistono due tipi di elementi PT100:

Quello “a filo avvolto”, prende il nome dal rivestimento del filamento di platino, avvolto su un nucleo in termo ceramica o vetro. Mediamente hanno una dimensione da 1 a 5 mm di diametro e tra i 10 e 50 mm di lunghezza. La caratteristica di questi elementi è che garantiscono elevate prestazioni e stabilità e sono anche molto robusti, perfetti per essere impiegati in condizioni industriali difficili.
Gli elementi PT100 “a film sottile”, vengono realizzati utilizzando materiali e processi impiegati anche per la realizzazione dei circuiti integrati. Una pellicola di platino viene sovrapposta su una di ceramica e vengono incapsulati. Questa tecnica è utilizzata per ottenere componenti sempre più piccoli, ma comunque in grado di sopportare ritmi elevati, con risposte più rapide.

Come funzionano i sensori PT100?

Il principio di funzionamento dei pt100 è di misurare la resistenza dell’elemento di platino. La differenza di un solo grado, provoca la variazione di resistenza di 0,384 Ω (Ohm), quindi un minimo errore nella rilevazione della temperatura, può provocare errori di larga scala. Per misurare in modo preciso, i sensori dispongono di quattro fili, due per forzare corrente e due per la misurazione della tensione sull’elemento di platino. Esistono anche sensori a due e tre fili, col presupposto che la resistenza sia uguale in ognuno di esso ma per maggiore precisione, è sempre meglio utilizzare componenti a quattro fili.

Qual è il processo fisico che permette la misurazione?

La corrente passante attraverso i fili, produce calore che viene registrato dal sensore ma se questo non viene dissipato in modo efficiente, si registreranno temperature più elevate di quella reale. Generalmente questo problema viene risolto utilizzando dei sensori più grandi.

Con una corrente di 1mA, il segnale sarà di solo 100mV. Il cambio di resistenza per un solo grado di differenza è minimo, quindi anche se l’errore della misurazione della tensione a monte è piccolo, quello registrato nella rilevazione della temperatura sarà invece grande. Parliamo di scale e margini millimetrici, un solo mA determinerà un errore di quasi mezzo grado.

Quale sensore bisogna scegliere in base al tipo di lavoro?

Per diverse applicazioni vanno scelti differenti sensori in quanto hanno un funzionamento differente. La buona scelta della sonda più appropriata e del cavo più idoneo, determinerà una precisione migliore per le misurazioni. Le considerazioni da prendere per la scelta della sonda più adatta, vanno fatte sempre in base al tipo di liquidi o metalli, corrosivi o conduttivi, ai quali la sonda deve essere esposta.

Bisogna conoscere anche le caratteristiche delle varie classi dei sensori. Quelli più comunemente utilizzati in campo industriale sono:

Sensori di classe B (DIN 43760) con una precisione di ± 0.3 °C a 0 °C.
Sensori di classe A con una precisione di ± 0.15 °C o 1/10 DIN a 0 °C

Esistono sensori molto più precisi che arrivano fino a 0.001 °C, ma questo valore si riferisce al solo sensore e non considera l’errore dovuto all’imprecisione dello strumento utilizzato.

I sensori PT100 vengono utilizzati in diversi modi, le misurazioni possono avvenire sia a contatto diretto, sia attraverso immersione e dispongono, in alcuni casi, di una testa di connessione per eseguire rilevamenti e regolazioni generiche sugli impianti. Un raccordo filettato, saldato direttamente sulla guaina, ne assicura il fissaggio, mentre il collegamento elettrico avviene tramite una morsetta in ceramica che si trova all’interno della testa di connessione.

Per meglio adattarsi alle esigenze dell’utente, in fase di progettazione vengono curati con assoluta precisione, parametri indispensabili come: