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.
RTD è l'acronimo di "Resistant Temperature Detector" (rilevatore di temperatura resistente) e si riferisce a un sensore di temperatura che sfrutta l'interazione tra resistenza ohmica e temperatura. Per questo motivo, il sensore viene anche definito termometro a resistenza. A seconda dell'applicazione, le RTD sono disponibili con diversi elementi di resistenza.
Generalmente nelle RTD vengono installati sensori di temperatura a chip di platino. Dal punto di vista del cliente, il platino offre il grande vantaggio di essere molto stabile a lungo termine. Di solito si utilizza un sensore Pt100. La designazione "Pt" sta per platino e il numero "100" per la resistenza base di 100 Ω a 0 °C. La resistenza del Pt100 aumenta di circa 0,38 Ω per ogni aumento di temperatura Kelvin. I sensori di temperatura Pt1000 sono utilizzati anche nelle applicazioni industriali. In questo caso, le caratteristiche elettriche sono dieci volte superiori (resistenza di base 1000 Ω e coefficiente di temperatura di circa 3,8 Ω/ Kelvin).
Sensore Pt100 come parte di una termoresistenza
Una variazione di temperatura ha un effetto diretto sulla resistenza elettrica di un conduttore metallico e consente quindi di trarre conclusioni sulla temperatura. Il coefficiente di temperatura dei sensori in platino (circa 0,38%/Kelvin) si basa sulle proprietà fisiche del platino; le resistenze di base derivano dalle specifiche. La curva caratteristica è fissata nella norma DIN EN 60751, per cui l'applicazione delle RTD è relativamente semplice. L'RTD viene collegata a un'unità di valutazione e il dispositivo di campo determina la resistenza ohmica. Di solito, nei dispositivi di campo sono disponibili linearizzazioni come Pt100 e Pt1000, dopodiché il dispositivo determina la temperatura del sensore dalla resistenza ohmica. Per ulteriori informazioni sulla progettazione e sul funzionamento delle termoresistenze, guardate il video.
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
La testa di connessione contiene una presa per il collegamento del cavo di connessione. Il termometro è fissato da una flangia. I termometri di questo tipo consentono di misurare fino a 600 °C e sono spesso utilizzati nella costruzione di forni.
I termometri a vite consentono di terminare il processo a pressione. Nel caso dei termometri con cavo di collegamento, la temperatura massima è limitata dal cavo. È possibile misurare temperature massime di circa 400 °C.
Le sonde di superficie hanno il vantaggio di non richiedere una connessione al processo. Misurano la temperatura di una superficie e consentono quindi di trarre conclusioni sulla temperatura del fluido in un sistema di tubazioni o in un serbatoio.
Termometro a inserimento con testa di connessione
Termometro a vite con cavo di collegamento
Sensore di contatto
Per consentire un facile montaggio/smontaggio dei termometri a vite, è spesso utile dotarli di un connettore. I sistemi di connessione illustrati di seguito sono frequentemente utilizzati.
Connettore M12 × 1 a 4 poli secondo IEC 60947-5-2
Connettore secondo DIN EN 175301
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.
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.
Dispositivo con collegamento a due fili
Con il collegamento a tre fili, un filo aggiuntivo collega il sensore di resistenza all'unità di valutazione. L'unità di valutazione misura la caduta di tensione sul sensore di resistenza e sui conduttori di collegamento (UM). Con l'aiuto del terzo conduttore, l'unità di valutazione determina ulteriormente la caduta di tensione su un conduttore (UL½ ). Il doppio di questa tensione viene sottratto da UM e si determina così la caduta di tensione sul sensore di resistenza. Se tutti i conduttori hanno la stessa resistenza, le resistenze di linea non generano alcun errore e la resistenza del sensore viene determinata senza errori. Il collegamento a tre fili è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni.
Field device with three-wire connection
Il quarto filo viene utilizzato per determinare la tensione esatta del sensore di resistenza nel collegamento a quattro fili.
Dispositivo con collegamento a quattro fili
In questo modo, il valore della resistenza viene sempre determinato con precisione, anche se le resistenze dei fili o dei terminali sono diverse. Viene utilizzato per requisiti di elevata precisione, come nel caso di termometri di riferimento o a resistenza nel campo del laboratorio.
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.
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.
