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La sonda Pt100 è il tipo di rilevatore di temperatura a resistenza (RTD = Resistance Temperature Detector) più utilizzato e come tutte le termoresistenze, utilizza la resistenza elettrica per misurare la temperatura. Quindi, un termometro a resistenza non mostra direttamente le temperature, ma la quantità di resistenza in ohm in funzione della temperatura.
Il platino è il materiale primario principale utilizzato nei sensori di temperatura a resistenza ad alta precisione, tra cui il sensore Pt100. La Termoresistenza Pt100 è la sonda di temperatura più utilizzata nei controlli dei processi produttivi in quanto copre un’ampia gamma di temperature da -200 °C a +850 °C e vanta una buona accuratezza e ripetibilità della misura, requisito fondamentale anche per misurazioni in laboratori.
Per questi motivi la sonda Pt100 viene spesso preferita alla termocoppia.
La sonda Pt100 ha una resistenza di 100 ohm a 0 °C e 138,5 Ohm a 100 °C. La sua resistenza varia in modo lineare con la temperatura, ovvero, all’aumentare della temperatura, aumenta anche la resistenza della Pt100; quindi, se siamo in grado di misurare la resistenza, possiamo determinare la temperatura.
La termoresistenza di tipo Pt100 prende il nome dalla scala di misura di cui sono dotate.
La sigla “Pt” è il simbolo chimico del platino e indica che il sensore è realizzato in platino (Pt).
“100” indica che a 0 °C il sensore ha una resistenza di 100 ohm (Ω).
1) Elemento base
Diamo un’occhiata alle proprietà fisiche del platino. Il platino è un elemento base con il simbolo chimico Pt. (come detto, questa è la prima parte della designazione della termoresistenza Pt100).
Il platino possiede un peso molecolare di 195, conferendogli una notevole massa e confermandolo come un metallo piuttosto pesante. La presenza di elettroni liberi in esso lo rende capace di condurre elettricità in modo efficiente, sebbene la sua conducibilità non sia paragonabile a quella del rame o dell’argento.
2) Moda lineare
Il platino mostra una resistenza elettrica che varia in modo quasi lineare con la temperatura. Nel caso di Pt100 presenta una resistenza di 100 ohm a zero gradi Celsius. (seconda parte della designazione Pt100).
3) Proprietà inerte
Una ulteriore caratteristica del platino, che lo rende estremamente vantaggioso nell’ambito della misurazione della temperatura, è la sua elevata inerzia chimica. Infatti, esso mostra una notevole resistenza nel reagire con altre sostanze, conferendogli una stabilità fondamentale per questo tipo di applicazioni.
Vediamo come funziona il processo di misurazione della temperatura all’interno della sonda Pt100.
Come accennato, la sonda di temperatura Pt100 rientra nel gruppo di sensori chiamati “rilevatori di temperatura a resistenza”, comunemente detti “termoresistenze”.
La parte di rilevazione del termometro contiene un sensore di misurazione a resistenza; quando la temperatura cambia, la resistenza elettrica del sensore della Pt100 aumenta o diminuisce.
Quindi, la Pt100 misura la temperatura utilizzando una variazione di resistenza per indicare il valore della temperatura.
Per una Pt100, la resistenza a 0 °C è 100Ω, mentre a 100 °C è 138,5Ω. Pertanto, la variazione di resistenza per ogni variazione di grado Celsius è di 0,385Ω.
Esistono due tipi di pt100 che differiscono tra loro:
Resistenza film sottile pt100. Questo tipo è di dimensioni più ridotte e ha un’elevata resistenza alle vibrazioni. Attualmente, i termometri a resistenza Pt100 a film sottile sono i più utilizzati e sono adatti per l’utilizzo nell’intervallo da -50 °C a +500 °C.
Resistenza filo avvolto pt100. Le termoresistenze Pt100 a filo avvolto sono adatte per l’utilizzo nell’intervallo di temperatura compreso tra -200 °C e +600 °C. Sono spesso utilizzati in campi criogenici o ad alta temperatura.
La struttura di una sonda Pt100 può includere anche diverse resistenze Pt100: 1, 2 o 3 × Pt-100. La più comune è 1 × Pt-100.
La termoresistenza Pt100 può essere realizzata con la connessione a 2, 3 o 4 fili, dove la più accurata è la connessione a 4 fili
Nella versione standard, la sonda Pt100 è resistente alle vibrazioni ma può essere realizzata con particolari accorgimenti per renderla resistente alle forti vibrazioni e circostanze estreme.
Allo stesso modo, la sonda Pt100 può essere realizzata in versione ATEX, cioè idonea a misurare temperature in zone a rischio esplosione.
Un sensore Pt100 è tipicamente costruito avvolgendo un sottile filo di platino attorno a un nucleo non conduttivo che aiuta a sostenere il filo sottile. L’intero assieme, chiamato elemento sensibile, è racchiuso in una guaina per proteggere il sensore e dargli stabilità.
I sensori PT100 possono essere costruiti da un singolo filo di platino, fornendo un sensore con due conduttori oppure da due fili di platino fornendo un sensore doppio a uscite indipendenti tra loro.
I cavi di collegamento possono essere collegati a una scheda I/O progettata per accettare ingressi RTD, oppure possono essere collegati a un trasmettitore di temperatura, che emetterà un segnale standard da 4-20 milliampere proporzionale al segnale ricevuto dalla termoresistenza.
In entrambi i casi, la scheda I/O o il trasmettitore avrà un firmware che determinerà la temperatura letta dall’RTD dalla resistenza misurata.
La classe di tolleranza di una sonda Pt100 indica la precisione con cui il sensore può misurare la temperatura definita dalla norma IEC 60751.
Le classi di tolleranza più comuni per le sonde Pt100 sono la classe AA, A, B e C.
Ci sono anche classi di tolleranza più accurate, come 1/5 DIN o 1/10 DIN costruite come frazioni dei valori della classe di tolleranza B.
Tuttavia, queste classi di tolleranza sono meno comuni e di solito sono più costose rispetto alle classi A, B e C. Inoltre, per garantire una classe di tolleranza così precisa hanno campi di utilizzo ristretti.
Un sensore di temperatura resistivo come la termoresistenza può essere collegato alla strumentazione di lettura con 2, 3 o 4 fili.
La scelta della connessione dipende dal grado di precisione richiesto nella misura di temperatura e dal tipo di applicazione del processo.
La Pt100 a 2 fili è la meno precisa in quanto la resistenza del cavo di collegamento si somma come errore alla misura della resistenza alla temperatura rilevata.
Come detto, questo tipo di connessione non compensando la resistenza del cavo di collegamento, può influenzare notevolmente la lettura di misura, in maggior misura al crescere della lunghezza del cavo.
La Pt100 2 fili è la configurazione più semplice ma meno precisa e affidabile rispetto alla Pt100 a 3 fili e Pt100 a 4 fili. Viene solitamente utilizzata con conduttori corti o dove non è richiesta una precisione elevata.
Per compensare la resistenza aggiunta, un secondo filo di platino viene aggiunto al sensore in corrispondenza del terzo conduttore.
Il terzo conduttore viene utilizzato per determinare la resistenza stessa del conduttore che viene sottratta dalla resistenza di misura complessiva, fornendo la vera resistenza dovuta alla sola variazione di temperatura.
Il requisito è che il diametro dei conduttori, e quindi le loro resistenze, siano le stesse, come si suppone da un collegamento a 3 fili.
Detto in altra maniera la Pt100 3 fili è una termoresistenza che utilizza tre fili per connettere il sensore alla strumentazione di lettura, consentendo una compensazione delle variazioni del cavo elettrico.
La Pt100 3 fili è la più utilizzata tra le applicazioni industriali dove la precisione della misura della temperatura è migliore rispetto la Pt100 2 fili, ma meno precisa e affidabile della Pt100 4 fili.
La termoresistenza Pt100 4 fili è molto precisa e viene spesso utilizzata nei laboratori, per misurare la temperatura di fluidi e gas e dove è richiesta la massima precisione di lettura.
La Pt100 4 fili si differisce dalla Pt100 3 fili per la presenza di un filo supplementare per ogni polo del sensore. Questi fili di compensazione eliminano l’effetto delle variazioni dei cavi elettrici che portano il segnale alla strumentazione di lettura.
Quindi la termoresistenza Pt100 4 fili risulta più precisa e affidabile della Pt100 3 fili grazie alla compensazione delle resistenze dei cavi utilizzati per la misura.
Come detto, il principio di funzionamento è misurare la resistenza di un elemento di platino. Il tipo più comune (PT100) ha una resistenza di 100 ohm a 0 °C e 138,4 ohm a 100 °C.
Per un sensore PT100, una variazione di temperatura di 1 °C causerà una variazione di resistenza di 0,384 ohm, quindi anche un piccolo errore nella misurazione della resistenza (ad esempio, la resistenza dei fili che portano al sensore) può causare un grande errore nella la misurazione della temperatura.
Quindi, per misure di precisione è necessario adottare termoresistenze Pt100 a 4 fili: due per trasportare la corrente di rilevamento e due per misurare la tensione attraverso l’elemento sensore.
È anche possibile optare per sensori a tre fili, sebbene questi operino sul presupposto (non necessariamente valido) che la resistenza di ciascuno dei tre fili sia la stessa.
Infatti, solo il collegamento a 4 fili compensa completamente l’effetto della resistenza del filo dell’intero circuito del cavo.
Con collegamenti a 2 o 3 fili è possibile programmare manualmente la resistenza del cavo misurata come parametro del trasmettitore per correggere la lettura finale. Ma anche in questi casi il parametro risulta corretto solo alla temperatura ambiente al momento della misura del cavo, perdendo la sua precisione al variare della temperatura ambiente.
Il collegamento a 4 fili compensa anche le variazioni di temperatura ambiente.
In Italia, i colori dei fili della Pt100 possono variare a seconda dello standard utilizzato dal produttore o dell’applicazione specifica.
Tuttavia, lo standard più comune in Italia è quello stabilito dalla norma EN 60751, che prevede i seguenti colori:
Ci sono molte opzioni da considerare quando bisogna scegliere la sonda di temperatura adatta alle proprie esigenze:
