Misurazione della temperatura

Cosa c'è da sapere sulle termoresistenze?

Le termoresistenze sono utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni per la misurazione della temperatura. Si differenziano per il loro design - con testa di connessione o cavo di connessione - e per gli inserti di misura utilizzati, che possono essere dotati di diversi sensori di temperatura, ad esempio Pt100, Pt500 o Pt1000. Inoltre, per il collegamento delle termoresistenze si distingue tra tecnologia a due, tre e quattro fili.

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What is an RTD?

RTD stands for the term "Resistant Temperature Detector" and refers to a temperature sensor that makes use of the interaction of ohmic resistance and temperature. Therefore, the sensor is also referred to as a resistance thermometer. Depending on the application, RTDs are available with different resistance elements.

Which sensors are installed in RTDs?

Platinum chip temperature sensors are generally used in RTDs. From the user's point of view, platinum offers the great advantage of being very stable over the long term. A Pt100 sensor is usually used. The designation "Pt" stands for platinum and the number "100" for 100 Ω base resistance at 0 °C. The resistance of the Pt100 increases by about 0.38 Ω per Kelvin temperature increase. Pt1000 temperature sensors are also used in industrial applications. Here, the electrical characteristics are ten times greater (base resistance 1000 Ω and temperature coefficient about 3.8 Ω/ Kelvin).

Pt100 sensor as part of a resistance thermometer

How do resistance thermometers work?

A change in temperature has a direct effect on the electrical resistance of a metallic conductor and thus enables conclusions to be drawn about the temperature. The temperature coefficient or temperature coefficient of the platinum sensors (approx. 0.38 %/Kelvin) is based on the physical properties of platinum; the basic resistances result from specifications. The characteristic curve is fixed in the standard DIN EN 60751, so that the application of the RTDs is relatively simple. The RTD is connected to an evaluation unit and the field device determines the ohmic resistance. Usually, linearizations such as Pt100 and Pt1000 are available in the field devices, after which the device determines the sensor temperature from the ohmic resistance. For more information on the design and function of resistance thermometers, watch the video.


Com'è costruita una termoresistenza?

Esiste una grande varietà di termoresistenze. Le più comuni sono le termoresistenze con testa di connessione o con cavo di connessione.

Una termoresistenza con testa di connessione ha un design modulare: È composta dall'inserto di misurazione, dal tubo di protezione, dalla testa di connessione e dalla basetta di collegamento al suo interno, ed eventualmente anche da flange, raccordi al processo saldati o a compressione(“scorrevoli”). Solo la parte della termoresistenza su cui agisce direttamente la variabile misurata viene definita sensore di temperatura.

Nel caso di termoresistenze con cavo di collegamento, l'inserto di misura e la testa di connessione non sono presenti. Il sensore di temperatura è collegato direttamente al cavo di collegamento e inserito nel tubo di protezione. Il tubo di protezione viene crimpato o pressato più volte all'estremità (classe di protezione IP65). L'interno del tubo protettivo, dove alloggia il sensore di temperatura,  è solitamente riempito con un materiale termicamente conduttivo per migliorare la trasmissione del calore e dare stabilità meccanica alla sonde. La temperatura massima di misurazione è determinata principalmente dalle caratteristiche di resistenza termica dell’acciaio inossidabile del tubo di protezione e del materiale isolante del cavo di collegamento.

Structure of an RTD: 1 = sensor, 2 = inner line, 3 = connection line

Insertion thermometer with connection head

The connection head contains a connection socket for attaching the connection cable. The thermometer is fixed by a flange. Thermometers of this type allow measurement of up to 600 °C and are frequently used in furnace construction.

Screw-in thermometer with connection cable

Screw-in thermometers allow the pressure-tight termination of the process. In the case of thermometers with connecting cable, the maximum temperature is limited by the cable. Maximum temperatures of about 400 °C can be measured.

Surface probe

Surface probes have the advantage that they do not require a process connection. They measure the temperature of a surface and thus allow conclusions to be drawn about the medium temperature in a pipe system or tank. However, precision measurements are not possible with them.

Thermometer with connection plug

In order to allow easy mounting/dismounting of screw-in thermometers, it is often useful to obtain them with a connector plug. The connection systems shown below are frequently used.

Machine connector M12

Machine connector M12 × 1 4-pole according to IEC 60947-5-2

Connector according to DIN EN 175301

Connector according to DIN EN 175301

Cos'è un inserto di misura?

Gli inserti di misura sono unità pronte per l'uso, costituite da un sensore di temperatura e da una basetta di connessione. Il sensore di temperatura è alloggiato in un tubo di 6 o 8 mm di diametro, secondo la norma DIN 17 681 (fino a 300 °C). Viene inserito nel tubo di protezione vero e proprio, spesso in acciaio inox.

Come si collegano le termoresistenze?

Nelle termoresistenze, la resistenza elettrica cambia in funzione della temperatura. Per registrare il segnale di uscita, si misura la caduta di tensione causata da una corrente di misura costante.

Esistono tre tipi di collegamento: a due fili, a tre fili o a quattro fili. 

Per la tecnica a due fili, l'elettronica di valutazione e il sensore di temperatura sono collegati con un cavo a due fili. Per la tecnica a tre fili, un filo aggiuntivo viene collegato a un contatto della termoresistenza. In questo modo si creano due circuiti di misura, uno dei quali viene utilizzato come riferimento. La tecnica a quattro fili offre l'opzione di collegamento ottimale per le termoresistenze. Il risultato della misura non è influenzato dalle resistenze dei conduttori o dalle loro fluttuazioni in funzione della temperatura.

Field device with two-wire connection

Three-wire connection

With the three-wire connection, an additional wire connects the resistance sensor to the evaluation unit. The evaluation unit measures the voltage drop at the resistance sensor and the connecting leads (UM). With the help of the third conductor, the evaluation unit further determines the voltage drop at one conductor (U ). The double amount of this voltage is subtracted from UM and thus the voltage drop at the resistance sensor is determined. If all wires have the same resistance, no error results from the line resistances and the resistance of the sensor is determined without error. The three-wire connection is sufficient for most applications.


Field device with three-wire connection

Four-wire connection

The fourth wire is used to determine the exact voltage at the resistance sensor in the four-wire connection.


Field device with four-wire connection

In this way, the resistance value is always determined accurately - even if the wire or terminal resistances are different. It is used for high accuracy requirements such as in reference or resistance thermometers in the laboratory field.

Perché con la tecnologia a due fili possono verificarsi letture errate? 

Come qualsiasi altro conduttore elettrico, il filo tra il sensore di temperatura e l'elettronica di valutazione presenta una resistenza che è collegata in serie al sensore di temperatura. Ciò significa che le due resistenze si sommano, dando luogo a una lettura della temperatura sistematicamente più alta. Per cavi di collegamento lunghi, la resistenza di linea può raggiungere diversi ohm e causare una notevole innalzamento/falsificazione del valore misurato.

Per evitare i problemi della tecnica a 2 fili e poter comunque fare a meno dei cavi multipolari, si utilizzano trasmettitori di temperatura: il trasmettitore converte il segnale resistivo del sensore in un segnale di corrente standardizzato da 4…20 mA, proporzionale alla temperatura. Il trasduttore viene anche alimentato attraverso gli stessi due cavi di collegamento, utilizzando una corrente di riposo di 4 mA. Il trasmettitore a due fili offre anche il vantaggio di ridurre significativamente la sensibilità alle interferenze, amplificando il segnale.

Esistono due possibilità per il posizionamento del trasmettitore. Poiché la distanza tra sensore e trasmettitore deve essere mantenuta la più breve possibile per ridurre la suscettibilità del segnale alle interferenze, il trasmettitore può essere montato direttamente nel termometro nella sua testa di connessione. Tuttavia, questa soluzione ottimale è talvolta contraddetta dalle condizioni costruttive o dal fatto che il trasmettitore può essere difficile da raggiungere in caso di guasto. In questo caso, si utilizza un trasmettitore montato su guida DIN nel quadro elettrico. In questo caso il vantaggio di una migliore accessibilità ha il prezzo di una maggiore distanza percorsa dal segnale non amplificato.


Qual'è il vantaggio della terza linea nella tecnologia a tre fili?

Con il circuito a tre fili, la resistenza della linea può essere compensata sia nella sua quantità che nella sua dipendenza dalla temperatura. I tre conduttori devono essere identici. Poiché questo è vero con sufficiente precisione nella maggior parte dei casi, la tecnica a tre fili è oggi la più diffusa. Il bilanciamento delle linee non è necessario.