Le termoresistenze Pt100 sono sensori di temperatura precisi e ampiamente utilizzati in diverse applicazioni industriali e scientifiche. Il loro principio si basa sulla variazione della resistenza elettrica di un filo di platino in funzione della temperatura. La sigla “Pt” in Pt100 sta per platino, il materiale di cui è fatto il filo, e “100” indica che la resistenza a 0°C è esattamente di 100 ohm.
Le termoresistenze Pt100 offrono un ampio intervallo di temperatura, da -200°C a +850°C, e sono caratterizzate da un’elevata precisione. La loro curva resistenza-temperatura è quasi lineare, il che facilita la calibrazione e l’interpretazione dei valori misurati.
Questi sensori cambiano la loro resistenza elettrica in proporzione alla variazione di temperatura. Il coefficiente di temperatura è di circa 0,385 Ohm/°C a 0°C. I sensori Pt100 hanno solitamente due, tre o quattro connessioni. Di conseguenza, possono essere utilizzati in diverse configurazioni di circuito, tra cui circuiti a 2 fili, 3 fili e 4 fili.
Per garantire misurazioni accurate, le termoresistenze Pt100 devono essere protette da influenze esterne come umidità e stress meccanico. Spesso questo viene fatto utilizzando dei tubi protettivi. Inoltre, devono essere calibrate regolarmente, sia in laboratori specializzati che utilizzando termometri di riferimento.
I sensori Pt100 sono utilizzati in numerose applicazioni, tra cui l’industria alimentare, i laboratori, la tecnologia di climatizzazione, l’industria automobilistica e l’ingegneria dei processi chimici.
Contenuti
Come funzionano le termometrie a resistenza?
Le termoresistenze sono spesso utilizzate per misurare con precisione la temperatura. L’intervallo di temperatura abituale è compreso tra circa -50 °C e 600 °C, anche se esistono applicazioni speciali in cui le termoresistenze vengono utilizzate da -200 °C a oltre 1000 °C. Il termometro a resistenza Pt100 mostrato qui proviene dal laboratorio di calibrazione Klasmeier.
Il principio di misurazione di questi termometri si basa sulla misurazione della resistenza elettrica dei resistori di misura, per i quali la legge di Ohm è fondamentale:
U = R ⋅ I = Costante
dove: U = tensione, R = resistenza, I = corrente
Nelle lezioni scolastiche, la legge di Ohm viene spesso rappresentata come un triangolo che illustra la relazione tra corrente, tensione e resistenza.
Se due di queste variabili sono note, la terza può essere calcolata. La legge di Ohm è rappresentata nello schema del circuito come nel seguente diagramma.
Le relazioni tra la misurazione della resistenza e quindi le termoresistenze possono anche essere mostrate graficamente in un diagramma.
In questo caso, il “maschio VOLT” (U – tensione) viene spinto attraverso un tubo dal “maschio AMP” (I – corrente), mentre il “maschio OHM” (R – resistenza) cerca di impedirlo restringendo il tubo. Il successo del “maschio OHM” dipende dalla temperatura: Più è caldo, più è difficile per il “maschio VOLT” spostare il “maschio AMP”. Poiché questo effetto dipendente dalla temperatura è riproducibile, il principio della misurazione della resistenza elettrica può essere utilizzato per misurare la temperatura. Una resistenza misurata R in ohm viene convertita in una temperatura T in °C o K utilizzando una relazione nota.
In linea di principio, qualsiasi conduttore elettrico a cui si applica la legge di Ohm può essere utilizzato come termometro. La resistenza specifica è la costante fisica che descrive questa proprietà. Una panoramica mostra le diverse resistenze specifiche dei materiali a 20°C.
Sebbene tutti i materiali citati possano essere generalmente utilizzati per la misurazione della temperatura, esistono alcuni criteri di selezione per la scelta del materiale dei termometri. Il materiale deve avere un’elevata resistenza specifica ed essere fondamentalmente adatto. Ad esempio, il sangue umano con 1,6×106 Ω⋅mm2 /m ha un’eccellente resistività, ma non è adatto alla produzione industriale di termometri. I metalli sono più adatti a questo scopo.
Oltre alla resistenza specifica, è importante anche il coefficiente lineare resistenza-temperatura. Questo coefficiente descrive la variazione di resistenza di un materiale per ogni grado Celsius ed è espresso in 1/K. Può anche essere indicato come sensibilità. Per ridurre al minimo i requisiti della tecnologia di misurazione, questo coefficiente dovrebbe essere il più alto possibile. È quindi importante trovare il miglior compromesso tra costo, idoneità di base del materiale, resistenza specifica e coefficiente di resistenza-temperatura.
Il nichel e il platino si sono dimostrati materiali adatti. Inizialmente, le resistenze di misura al nichel, come la Ni100, erano considerate le preferite, in quanto presentavano una sensibilità maggiore rispetto alle resistenze di misura al platino. Tuttavia, presentavano deviazioni limite più elevate e un intervallo di temperatura limitato. Lo standard per i termometri al nichel, DIN 43760, è stato ritirato negli anni Novanta. Da allora, le resistenze di misura in nichel sono state utilizzate principalmente in applicazioni tecniche speciali.
Nel corso del tempo, le resistenze di misura al platino, come la Pt100, si sono affermate. Sono ampiamente utilizzate nella tecnologia di misurazione industriale e oggi rappresentano lo standard per la misurazione della temperatura elettrica con termometri a resistenza.
La curva caratteristica delle termoresistenze Pt100 spiegata in modo semplice
I sensori di platino si sono affermati come termometri a resistenza. La relazione tra la temperatura e la resistenza nei termometri in platino non è descritta in modo proporzionale, ma con un polinomio di ordine superiore:
Questo significa che:
R(T) = Resistenza del termometro R0 = Resistenza del termometro a 0 °C A, B, C, …
= Parametri individuali del termometro o dello standard T = Temperatura
Per conto nostro
Calibrazione di termometri a resistenza
Klasmeier offre calibrazioni accreditate secondo la norma DIN EN ISO/IEC 17025 (DAkkS) per termometri a resistenza (ad esempio Pt100, Pt25). La calibrazione viene effettuata a punti di temperatura fissi o secondo il metodo del confronto, basato sulla linea guida DKD-R 5-1. L’intervallo di calibrazione va da -196 °C a 962 °C e si ottengono incertezze di misurazione fino all’ordine dei millikelvin.
Equazione Callendar-Van Dusen
L’equazione di Callendar-Van Dusen è una formula utilizzata per descrivere questa relazione tra la temperatura e la resistenza elettrica di un sensore di temperatura a resistenza in platino.
L’equazione di Callendar-Van Dusen è anche abbreviata in “CVD” e viene utilizzata sin dagli anni ’20. La curva caratteristica è standardizzata nella norma DIN EN 60751, che descrive le termoresistenze industriali in platino e i sensori di temperatura in platino. È stata pubblicata per la prima volta negli anni ’90 ed è tuttora valida nella sua ultima revisione, la DIN EN 60751:2009-05.
La stessa equazione di Callendar-Van Dusen può essere formulata in due parti, per temperature superiori e inferiori a 0 °C:
Per temperature T > 0 °C:
Per temperature T < 0 °C:
Ecco:
- R(T) la resistenza alla temperatura ( T )
- R0 la resistenza a 0 °C
- A, B e C sono coefficienti che dipendono dalla resistenza in platino della termometro
I coefficienti dell’equazione di Callendar-Van Dusen sono standardizzati nella norma DIN EN 60751:2009-05:
A=3,9083×10 -3 °C-1 B=-5,775×10 -7 °C-2 C=-4,183×10 -12 °C-4
Tuttavia, è anche possibile calibrare singoli termometri e calcolare coefficienti individuali. Questo ha il vantaggio che il termometro non deve più essere valutato sulla base delle deviazioni limite dello standard, ma può essere adattato individualmente alla propria curva caratteristica.
L’equazione di Callendar-Van Dusen permette di effettuare misurazioni della temperatura molto precise, inserendo la resistenza misurata del termometro nell’equazione di Callendar-Van Dusen e calcolando la temperatura.
Il seguente diagramma mostra i due intervalli di temperatura dell’equazione di Callendar-Van Dusen. L’intervallo di temperatura da -200 °C a 0 °C è indicato in blu, mentre l’intervallo di temperatura da 0 °C a 850 °C è indicato in rosso.
La resistenza nominale R0 delle termometrie a resistenza
La cosiddetta resistenza nominale R0 è stata introdotta nello standard DIN EN 60751 per classificare meglio le resistenze di misura. Essa descrive la resistenza elettrica del sensore di temperatura a 0 °C. Per esempio, un sensore di temperatura Pt100 ha una resistenza di 100 ohm a 0 °C. Lo standard elenca le seguenti resistenze nominali:
- Pt 10 = 10 Ohm a 0 °C
- Pt 100 = 100 Ohm a 0 °C
- Pt 500 = 500 Ohm a 0 °C
- Pt 1.000 = 1.000 Ohm a 0 °C
Le resistenze nominali devianti come Pt 25, Pt 2,5 o Pt 0,25 sono utilizzate nei termometri di precisione e spesso soddisfano i requisiti della normativa ITS-90. Queste resistenze sono indicate come SPRT o termometri standard. I termometri Pt 25 sono spesso preferiti per le applicazioni di laboratorio perché offrono un buon compromesso tra stabilità, sensibilità e autoriscaldamento.
Coefficiente di temperatura per termometri a resistenza
La differenza tra i termometri standardizzati e i termometri standard secondo la norma ITS-90 si può notare nel cosiddetto coefficiente di temperatura, che nello standard è definito da una misurazione della resistenza a 0 °C e 100 °C:
Questo significa che:
alfa = incremento del termometro in 1/K R100 = resistenza a 100 °C in ohm R0 = resistenza a 0 °C in ohm
Il valore alfa dei sensori di temperatura industriali secondo lo standard è di 3,85 10^-3/K, mentre il valore alfa dei termometri standard secondo la norma ITS-90 è di 3,92875 10^-3/K. Questo valore corrisponde alla sensibilità del platino spettralmente puro in questo intervallo di temperatura. Questo valore corrisponde alla sensibilità del platino spettralmente puro in questo intervallo di temperatura.
Sensibilità delle termoresistenze
La sensibilità di una termoresistenza descrive quanto cambia la resistenza del sensore in relazione a una variazione di temperatura. È una misura della precisione con cui il sensore reagisce alle variazioni di temperatura. Con la Pt100, la resistenza cambia di circa 0,385 ohm per ogni grado Celsius di variazione della temperatura. Questo tasso di variazione, noto come coefficiente di temperatura, è una misura diretta della sensibilità del sensore. La sensibilità è fondamentale per l’accuratezza e la risoluzione del sensore. Un sensore con una sensibilità più elevata è in grado di rilevare variazioni di temperatura minori e di fornire misurazioni della temperatura più accurate. Questo è particolarmente importante nelle applicazioni in cui è richiesto un controllo preciso della temperatura, come nei laboratori o nel controllo dei processi industriali.
Tuttavia, bisogna anche considerare che i sensori di temperatura con una sensibilità elevata spesso presentano un alto livello di autoriscaldamento e sono meno stabili a lungo termine. Per questo motivo, il rapporto tra il valore nominale e la sensibilità di un sensore di temperatura deve essere scelto con molta attenzione.
Per ottenere una resistenza nominale definita, viene regolata la lunghezza o il diametro del filo di platino nel resistore di misura. In questo modo non solo si modifica la resistenza, ma anche la sensibilità dei sensori:
- Pt 10 = 0,04 Ohm / K
- Pt 100 = 0,4 Ohm / K
- Pt 500 = 2 Ohm / K
- Pt 1.000 = 4 Ohm / K
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Termometro di precisione eXacal
I termometri di precisione eXacal di Klasmeier sono progettati per misurazioni e calibrazioni accurate della temperatura in un ampio intervallo di temperature, da -200 °C a 1200 °C. Disponibili come termometri a resistenza e termocoppie in metallo prezioso, rappresentano una robusta alternativa ai termometri standard ITS-90. Sono adatti sia per applicazioni industriali che per calibrazioni di laboratorio. Sono adatti sia per applicazioni industriali che per calibrazioni di laboratorio e sono realizzati a mano nel nostro stabilimento.
Tecnologie di connessione per termometri a resistenza
Le termoresistenze possono essere collegate a dispositivi di misura, data logger o ponti di misura, ed esistono diverse tecniche per farlo.
- Tecnologia a due fili
- Tecnologia a tre fili
- Tecnologia a quattro fili
Tecnologia a due fili
La tecnica a due fili mostra come collegare un sensore di temperatura a un dispositivo di misurazione, come mostrato nell’immagine. È importante tenere conto della resistenza del cavo di collegamento perché è collegato in serie con la resistenza di misurazione.
La misurazione risultante è la somma della resistenza della linea 1, del resistore di misurazione (il sensore di temperatura effettivo) e della linea 2, il che comporta un aumento della misurazione. È quindi essenziale correggere il risultato della misurazione per eliminare gli errori di misura.
Un esempio di calcolo dimostra l’entità della deviazione della misurazione in determinate condizioni di applicazione. Supponiamo che un sensore di temperatura sia collegato con un cavo di rame nelle seguenti condizioni:
- Resistenza specifica del cavo di rame a temperatura ambiente: 0,017
- Sezione del cavo: 0,5 mm^2
- Lunghezza del cavo: circa 50 m
La deviazione di misura dovuta al cavo di collegamento può essere calcolata con l’equazione
può essere determinato, per cui:
- R è la resistenza del conduttore,
- \rho la resistenza specifica,
- L è la lunghezza del conduttore e
- A rappresenta l’area della sezione trasversale.
In questo contesto, si ottiene una resistenza del conduttore di 3,4 Ohm:
Tenendo conto della sensibilità ( E ) di un sensore di temperatura PT 100 di circa 0,385 Ohm / K, questo si traduce in una deviazione di misura di 8,8 K.
La lunghezza del cavo di circa 50 m deve essere considerata due volte per il “percorso di andata” (cavo 1) e per il “percorso di ritorno” (cavo 2).
Storicamente, era abbastanza convenzionale collegare i termometri negli impianti di produzione utilizzando la tecnologia a due fili. Prima dell’avvento della tecnologia digitale, che semplifica la correzione degli errori sistematici, venivano utilizzate delle tabelle di correzione per ottenere letture accurate.
Un esempio illustra i valori di correzione di un cavo di collegamento lungo 10 m in funzione della sezione del cavo.
Per un cavo di collegamento con una sezione di 0,5 mm^2, la resistenza in un circuito a due fili lungo 10 m è di 0,6 ohm. Ciò significa che i valori misurati devono essere corretti per questo fattore. Con una Pt100, ciò corrisponde a circa 1,6 °C.
Il seguente grafico mostra i valori di correzione per una Pt100 in relazione alla sezione trasversale di un cavo di rame lungo 10 m in tecnologia bifilare.
Tecnologia a tre fili
La tecnologia a tre fili rappresenta un’ottimizzazione rispetto alla tecnologia a due fili, in particolare per quanto riguarda la minimizzazione degli errori di misurazione dovuti alla resistenza dei conduttori. In questa configurazione vengono utilizzati tre fili, con due fili collegati in parallelo al resistore di misura e un terzo filo per compensare la resistenza del filo.
La resistenza dei cavi viene compensata dal ponte di misura, che tiene conto della resistenza del terzo cavo e quindi sottrae la resistenza totale dei cavi di collegamento. In questo modo si ottiene una misurazione più precisa dell’effettiva resistenza di misura, poiché l’influenza dei cavi di collegamento viene ridotta al minimo.
Sebbene la tecnologia a tre fili rappresenti un miglioramento significativo rispetto a quella a due fili, è comunque soggetta a errori dovuti alle variazioni di temperatura e alle diverse lunghezze dei cavi, che possono influenzare la compensazione della resistenza del cavo.
Tecnologia a quattro fili
La tecnica a quattro fili, nota anche come misurazione Kelvin a quattro fili, rappresenta un’ulteriore ottimizzazione della precisione della misurazione della resistenza, soprattutto per le applicazioni in cui è richiesta la massima accuratezza. Questa tecnica utilizza due fili aggiuntivi per erogare la corrente di misura e misurare la caduta di tensione attraverso il sensore, eliminando l’influenza della resistenza dei fili.
In questa configurazione, la corrente di misurazione passa attraverso due delle linee (linee di corrente), mentre le altre due linee (linee di tensione) sono utilizzate per misurare la caduta di tensione direttamente attraverso il sensore. Poiché la corrente di misurazione non passa attraverso le linee di tensione, la resistenza di linea di queste linee non viene inclusa nella misurazione, il che comporta una maggiore precisione di misurazione.
La tecnologia a quattro fili è particolarmente vantaggiosa per le applicazioni con bassi valori di resistenza e lunghezze di cavo, in quanto consente una misurazione precisa e priva degli effetti della resistenza del cavo.
In sintesi, le tecniche a tre e quattro fili offrono una maggiore precisione e affidabilità rispetto alla tecnica a due fili, minimizzando o eliminando l’influenza della resistenza dei conduttori. La scelta della tecnica più adatta dipende dai requisiti specifici dell’applicazione, come l’accuratezza della misurazione, le condizioni ambientali e le considerazioni economiche.
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Termometro di precisione ad alta temperatura Pt100 modello HS (da 0 °C a 850 °C)
Il termometro di precisione per alte temperature Pt100 di Klasmeier è adatto per misurazioni precise fino a 850 °C. Dotato di una protezione in ceramica a tenuta di gas e di una resistenza di misura Pt100 fatta a mano, offre solo basse incertezze di misurazione. Ideale per essere utilizzato come standard di calibrazione. Disponibile come opzione con calibrazione accreditata in conformità alla norma DIN EN ISO/IEC 17025 (DAkkS).
Fonti
- Frank Bernhard: Manuale di misurazione della temperatura tecnica, 2a edizione
- Thomas Klasmeier: libro da tavolo “Temperatura”, edizione 3
- Termometri industriali a resistenza in platino e sensori di temperatura in platino (IEC 60751:2022)
- Termometro a punto di rame ISOTECH n. 108462 fino a circa 1100°C.
- Resistenza specifica
- DIN 43760
- Legge di Ohm
