Informazioni e specifiche sulle Termoresistenze

Termoresistenza

Definizione

La Termoresistenza (chiamata anche Termometro a Resistenza) è un sensore di temperatura (vedi anche la Termocoppia) che determina la temperatura a cui è sottoposto sfruttando il principio che la resistenza di un determinato metallo varia con il variare della temperatura.

   

Come funziona

La Termoresistenza lavora su una correlazione di base tra metalli e temperatura. Al variare della temperatura esse hanno una corrispondente variazione di resistenza derivato dall’elemento sensibile costituito da determinati metalli (solitamente Platino,Nichel)

Alimentando la Termoresistenza con una corrente costante e misurando la caduta di tensione del resistore è possibile calcolare la resistenza elettrica di un metallo e determinare la temperatura.

Allo stesso modo, all’aumentare della temperatura dell’elemento di resistenza (elemento sensibile), aumenta la resistenza elettrica, misurata in ohm (Ω). Gli elementi RTD sono generalmente identificati in base alla loro resistenza in ohm a zero gradi Celsius (0 C).

 

Tipi di Termoresistenza

Le tipologie di termoresistenze sono classificate con l’abbreviazione del materiale utilizzato per la loro costruzione seguito dal valore di resistenza nominale, espresso in Ohm, in riferimento alla temperatura di 0 °C (punto di fusione del ghiaccio), secondo la normativa di riferimento IEC 751 (EN 60751).

Normalmente i termometri a resistenza vengono identificati con la sigla del materiale utilizzato per la loro costruzione (Platino = Pt, Nichel = Ni ) seguito dalla loro resistenza nominale alla temperatura di 0°C (esempio Pt100). Il campo di utilizzo dei termometri a resistenza industriali è compreso tra -200 e +850°C come riportato nella normativa EN 60751. Nel caso del platino la relazione tra resistenza e temperatura viene descritta dall’equazione di Callendar-Van Dusen (EN 60751)

Pt100

La termoresistenza PT100 è la più comune: a 0 °C l’elemento sensibile assume una resistenza nominale di 100 Ω.

Pt500

a 0 °C l’elemento sensibile assume una resistenza nominale di 500 Ω.

Pt1000

a 0 °C l’elemento sensibile assume una resistenza nominale di 1000 Ω.

 

Materiali dell’elemento sensibile (resistenza)

I materiali più comuni utilizzati per la costruzione dell’elemento sensibile sono:

  • Platino (abbreviazione Pt), più popolare e accurato
  • Nichel (abbreviazione Ni)
 

Termoresistenza al Platino

È la più utilizzata in applicazioni industriali in quanto il platino ha una eccellente resistenza alla corrosione, un’ottima stabilità nel lungo periodo ed un ampio intervallo di temperature (-200 … +850 °C).

Lo standard EN 60751 prevede che le termoresistenze debbano avere un valore nominale a 0 °C. Come detto, i valori più utilizzati sono 100 ohm (Pt100), 500 ohm (Pt500), 1000 ohm (Pt1000)

Termoresistenza al Nichel

Vengono armonizzati dalla normativa DIN 43760, sono meno costosi a livello costruttivo dell’elemento in platino e meno dipendenti alla corrosione.

Tuttavia, il nichel è più soggetto ad usura nel tempo perdendo accuratezza a temperature elevate. Inoltre, il range di temperatura è più limitato (-80 … +260 °C).

Ad oggi lo scarso utilizzo nel settore industriale li rende più costosi dei comuni elementi in Platino.

 

Costruzione dell’elemento sensibile (resistenza)

L’elemento a resistenza solitamente è costruito in tre modi: a filo avvolto, a spirale o a film.

  • A filo avvolto: il filo di resistenza è avvolto attorno ad un nucleo non conduttivo, solitamente in materiale ceramico
  • A spirale: il filo di resistenza è arrotolato in bobine di piccole dimensioni, inserite in materiale ceramico e riempito con polvere non conduttiva
  • A film sottile: presenta un sottile strato di materiale resistivo depositato su un materiale ceramico. Il materiale resistivo viene protetto con un sottile strato di vetro. Sono più piccoli e solitamente prodotti in serie.
 

Configurazione a 2 fili, 3 fili e 4 fili

Una Termoresistenza può essere configurata con 2, 3, 4 fili di collegamento

La scelta della configurazione deve tenere conto di diversi fattori per un appropriato processo di misurazione della temperatura

La connessione a 2 fili (Pt100 2 fili) è la meno accurata in quanto non è possibile calcolare la resistenza del filo conduttore dalla misurazione del sensore. Vengono utilizzati principalmente in processi con fili di collegamento corti e dove non è richiesta una precisione accurata.

La costruzione a 3 fili (Pt100 3 fili) è ampiamente utilizzata nelle applicazioni industriali. Il terzo filo contribuisce a compensare la resistenza media del filo conduttore dalla misurazione del sensore. La termoresistenza a 3 fili è una valida alternativa ad una configurazione a 4 fili quando esistono lunghe distanze tra il sensore e lo strumento di misura/controllo.

La termoresistenza a 4 fili (Pt100 4 fili) viene utilizzata in processi dove è richiesta una elevata accuratezza nella misurazione della temperatura, come per esempio nei laboratori. Il circuito a 4 fili funziona con metodo volt-amperometrico, dove una coppia di fili è dedicata alla misura della tensione e la seconda coppia è dedicata alla generazione della corrente nota. Con questo metodo viene ricavata la resistenza ed inoltre il circuito permette di compensare eventuali differenze nelle resistenze dei cavi.

Tutti i termometri con classe di tolleranza superiore alla classe B devono avere una configurazione a 3 o a 4 fili, così da evitare l’errore introdotto dalla resistenza del conduttore a cui è collegato l’elemento sensibile. I termometri a resistenza possono essere realizzati con uno o due elementi sensibili e con configurazioni interne del filo di collegamento secondo la tabella seguente (EN 60751):

Termoresistenza configurazione 2, 3 e 4 fili
 

Le classi di Tolleranza

I valori di tolleranza dei termometri a resistenza termometrica sono classificati nella tabella seguente secondo la normativa EN 60751. Queste tolleranze si applicano ai termometri con qualunque valore di R0.

Classi di Tolleranza dei Termometri a Resistenza

Le classi speciali di tolleranza (ad esempio 1/3 DIN, 1/5 DIN …) sono costruite come multipli o frazioni dei valori della classe di tolleranza B. Una classe speciale di tolleranza deve essere accompagnata dall’intervallo di temperatura operativo in cui può lavorare.

Esempio per la definizione della classe di tolleranza 1/3 DIN e 1/10 DIN

1⁄3 DIN = ± 1⁄3 * (0.3 + 0.005*t) °C oppure 100.00 Ω ± 0.10 Ω a 0 °C

1⁄10 DIN = ± 1⁄10 * (0.3 + 0.005*t) °C oppure 100.00 Ω ± 0.03 Ω a 0 °C

 

Vantaggi

  • Buona Stabilità
  • Alta Accuratezza
  • Buona Linearità
  • Deriva Limitata
  • Buona intercambiabilità
  • Stabilità a lungo termine
  • Collegabili con comuni fili in rame

Svantaggi

  • Costose
  • Alimentazione necessaria
  • Bassa resistenza assoluta
  • Auto riscaldamento
  • Sensibile alle vibrazioni
       

Definizione, Funzionamento, Tipologie e Utilizzo

Termocoppia

Che cos’è la Termocoppia

La Termocoppia è un Trasduttore di Temperatura il cui funzionamento si basa sull’effetto Termoelettrico EMF (Electromagnetic Field).

E’ adatta per numerose applicazioni grazie alla possibilità di poter essere realizzata con varie combinazioni di metalli che ne determinano la tipologia ed il campo di temperatura di utilizzo, il tutto definito dalle normative internazionali.

Per la determinazione dell’intervallo di temperatura di utilizzo, oltre alla tipologia della Termocoppia, deve anche essere considerato il diametro dei singoli fili conduttori utilizzati per la realizzazione.

   

Come funziona

La Termocoppia è costituita da un circuito elettrico formato da due diverse combinazioni di fili metallici (conduttori) uniti/saldati insieme alle loro estremità.

Quando queste giunzioni sono sottoposte ad una variazione di temperatura, per effetto Seebeck, si crea una differenza di potenziale elettrico.

La giunzione sottoposta alla temperatura da misurare è definita giunto caldo o giunto di misura, mentre l’altra estremità che viene aperta al sistema di misura della tensione (forza elettromotrice) è definita giunto freddo o di riferimento (solitamente ad una temperatura nota di 0 °C).

 

Il principio di funzionamento

La termocoppia funziona secondo il principio dell’effetto Seebeck.

Nel 1821 il fisico Thomas Johann Seebeck scoprì che quando si verifica una differenza di temperatura tra le giunzioni di due conduttori elettrici di metalli o lega diversi, viene prodotta una corrispondente forza elettro motrice (f.e.m.).

Questo fenomeno è ora noto come effetto Seebeck o effetto termoelettrico.

 

Come è costruita

Come detto, la Termocoppia è costituita da due conduttori metallici diversi collegati ad una estremità chiamata “giunto”.

Al variare della temperatura varia la tensione che si può leggere ai capi dei conduttori e questa variazione fornisce una misura della temperatura a cui si trova il giunto.

La giunzione che è esposta alla temperatura da misurare è detta giunto caldo o giunto di misura mentre la giunzione tra i conduttori della termocoppia ed il circuito di misura è detta giunto freddo o giunto di riferimento

Il punto di giunzione è classificato in tre tipologie:

  • Giunto caldo esposto

Il giunto è a diretto contatto con l’ambiente in cui si deve misurare la temperatura. Ne consegue un tempo di risposta molto veloce. Questo tipo di lavorazione è ovviamente sconsigliato in ambienti corrosivi o dove esistono condizioni estreme

  • Giunto caldo a massa

Il giunto di misura è integrato nella guaina di protezione. Anche in questo caso il tempo di risposta è abbastanza veloce. Viene utilizzata in ambienti corrosivi o in condizioni di alte pressioni

  • Giunto caldo isolato

In questo caso il giunto caldo è completamente isolato dalla guaina di protezione. I tempi di risposta si allungano leggermente comparati con il giunto caldo a massa ed esposto.

Sono indicate per esecuzioni dove sono presenti forze elettromotrici parassite causa di potenziali falsature delle misure.

 

Tipi di Termocoppia

Una grande varietà di Termocoppie sono disponibili con caratteristiche proprie a seconda delle combinazioni dei fili metallici utilizzati che le rendono specifiche per differenti processi e settori di applicazione.

Le termocoppie in metallo base sono utilizzate in una ampia gamma di applicazioni a bassa e media temperatura.

Rientrano in questa categoria la Termocoppia tipo K, Tipo J, Tipo T, Tipo E e Tipo N

Le termocoppie in metallo nobile vengono utilizzate maggiormente dove sussiste l’esigenza di misurare temperature elevate.

Hanno una resistenza maggiore dalle termocoppie in metallo base ma sono più costose.

Rientrano in questa categoria la Termocoppia Tipo S, Tipo R e Tipo B.

 

Termocoppie in metallo Base

In questa categoria di termocoppie, il metallo base è realizzato con materiali comuni ed economici come nichel, ferro, rame.

 

Termocoppia Tipo K

E’ composta da fili metallici in Nichel-Cromo (Ni-Cr) (+) e Nichel-Alluminio (Ni-Al) (-)

Questo tipo di Termocoppia è la più diffusa in campo industriale ed è disponibile in una grande varietà di formati.

Il limite massimo di temperatura è di circa 1100 °C, anche se per brevi esposizioni si può arrivare a 1200 °C. La sensibilità è di 41 µV/°C.

Se esposte in atmosfere ossidanti nell’intervallo di temperatura tra gli 815 ºC e 1040 ºC, l’ossidazione può essere la causa di una deriva termica della sua calibrazione.

L’elemento è adatto anche per applicazioni fino a -200 °C

La termocoppia K, benché largamente adoperato per via del suo ampio intervallo di funzionamento e del suo basso costo, non è così stabile come altri sensori a metalli comuni di uso corrente.

A temperature comprese tra 250°C e 600°C, e in particolare a 300°C e 550°C, l’isteresi termica può provocare errori di diversi gradi.

Inoltre, nelle tipo K, le alte temperature possono portare sostanziali variazioni del segnale in uscita dovuti alla riduzione del cromo presente nel conduttore positivo (rischio ossidazione).

 

Termocoppia Tipo J

È composta da fili metallici in Ferro (Fe) (+) e Costantana (Cu-Ni) (-)

Il suo intervallo di misura va da -40 °C a 750 °C ed essendo più limitato del tipo K, le rende meno diffuse di queste ultime.

Sono spesso utilizzate nel settore di produzione stampaggio plastica.

Le termocoppie Tipo J sono caratterizzate da un basso costo ed una notevole sensibilità (51,7 µV/°C), ma non possono essere utilizzate sopra i 760 °C a causa di una transizione magnetica che fa perdere loro la calibrazione.

Poiché il problema dell’ossidazione è associato al ferro, è necessario prendere alcune precauzioni quando si utilizza questo tipo di termocoppia in un ambiente ossidante.

Sotto la temperatura ambiente bisogna fare attenzione al potenziale infragilimento dei conduttori, mentre in ambienti umidi alla condensa che potrebbe formare ruggine sul conduttore in ferro.

 

Termocoppia Tipo T

È composta da fili metallici in Rame (Cu) (+) e Costantana (Cu-Ni) (-)

Il suo intervallo di misura va da -200 °C a 400 °C con una sensibilità di48,2 µV/°C.

Le Termocoppie Tipo T è molto stabile e viene spesso utilizzata in applicazioni a temperature molto basse ritagliandosi una nicchia di mercato nelle misure di temperature effettuate in Laboratorio nonostante presenti una rapida ossidazione per esposizioni sopra l’intervallo di temperatura.

La ripetitività è eccellente tra -200°C e 200°C (± 0,1°C) con una elevata conducibilità termica del conduttore in rame.

 

Termocoppia Tipo E

È composta da fili metallici in Nichel-Cromo (Ni-Cr) (+) e Costantana (Cu-Ni) (-)

Il suo intervallo di temperatura è compreso tra -250 °C e 900 °C con una elevata sensibilità di 68 µV/°C rendendole adatte ad applicazioni a bassa temperatura.

A temperatura moderata le Termocoppie Tipo E offrono una maggiore stabilità rispetto al tipo K e al tipo J presentando valori di temperatura più stabili.

Tuttavia presentano quasi gli stessi svantaggi delle tipo K in quanto anche nella tipo T è presente il Cromo nel conduttore positivo (rischio ossidazione).

La Termocoppia E viene considerata più stabile della Termocoppia K e più adatta per misure accurate. Ciò nonostante, la Termocoppia Tipo N segna qualche punto in più a suo favore per la stabilità e l’intervallo di temperature.

 

Termocoppia Tipo N

È composta da fili metallici in Nicrosil (Ni-Cr-Si) (+)Nisil (Ni-Si) (-)

L’intervallo di temperatura è compreso tra 650 °C e i 1250 °C.

Le Termocoppie Tipo N in molti casi possono essere una perfetta alternativa alle più costose termocoppie al platino (Termocoppie di metallo nobile Tipo B, R, S) grazie alla loro stabilità e resistenza alle alte temperature.

Con la giusta scelta dei materiali della guaina esterna sono quelle più indicate per le misure di alta temperatura in condizioni di vuoto (per pressioni al di sotto della Pressione Atmosferica) ed in ambienti ossidanti grazie all’aggiunta di Silicio nella composizione dei conduttori.

 

Termocoppie in metallo Nobile

Rientrano in questa tipologia le Termocoppie realizzate con metalli come il Platino e Rodio.

Hanno un’alta stabilità e vengono utilizzate quasi esclusivamente per misure di alte temperatura anche a causa della loro bassa sensibilità (10 µV/°C)

 

Termocoppia Tipo B

È composta da fili metallici in platino – 30% rodio (+) e platino- 6% rodio (-)

Le Termocoppie Tipo B sono idonee per misure di temperatura fino a 1800 °C (la più alta tra tutte le Termocoppie) mantenendo la massima stabilità e precisione.

 

Termocoppia Tipo S

È composta da fili metallici in platino – 10% rodio (+) e Platino (-)

Le Termocoppie Tipo S sono adatte per temperature fino a 1600 °C e per brevi esposizioni fino a 1700 °C.

In tutte le applicazioni, tranne quelle in condizioni di elevatissima pulizia, l’elemento deve essere protetto con una guaina ceramica affinché piccole quantità di vapore metallico non provochino il deterioramento e perciò la riduzione della f.e.m. prodotta.

L’uso continuo ad elevata temperatura può causare deterioramento a causa di una diffusione di rodio nel conduttore in platino con conseguente riduzione del segnale di uscita.

 

Termocoppia Tipo R

È composta da fili metallici in platino – 13% rodio (+) e platino (-)

Le Termocoppie Tipo R sono simili alle Termocoppie Tipo S per misure fino a 1.600 °C ma hanno il vantaggio di avere un segnale di uscita leggermente più forte e una migliore stabilità.

Vengono spesso preferite alle Termocoppie S nonostante abbiano un costo più elevato a causa della maggior percentuale di rodio.

 

Vantaggi

  • Possibilità di realizzare diametri molto piccoli (da 0,2 mm)
  • Robusta e utilizzabile in ambienti con forti vibrazioni
  • Tempi di risposta rapidi, Adatte a registrare rapidi cambiamenti di temperatura
  • Ampio intervallo operativo delle temperature, da -200 °C a + 1800 °C
  • Più economici dei termometri a resistenza (termoresistenze)
  • Adatte per misurare temperature di superfici
  • Buone proprietà meccaniche
 

Svantaggi

  • Minore Accuratezza
  • Sono soggette ad una sovente taratura
  • Stabilità nel tempo meno soddisfacente
  • Richiedono cavi di estensione o di compensazione
  • Linearità talvolta limitata
     

Sonda temperatura a contatto e penetrazioneTermoresistenza
Pt100 a 2 fili
Range di lavoro da -40 °C a +250 °C
Classe di tolleranza B, IEC751
Isolamento semplice con pasta conduttiva in punta
Guaina in AISI316 con punta a spillo
Impugnatura in acciaio inox piegata a 90°
Cavo di estensione in Fibra di Vetro