Termoresistenze

Il principio di funzionamento dei termometri a resistenza metallici, più comunemente chiamati termoresistenze, si basa sulla variazione della resistenza elettrica di un metallo al variare della temperatura a cui è sottoposto.
Nel campo industriale i materiali maggiormente utilizzati sono il platino ed il nichel che, grazie alla loro elevata resistivit e stabilit , permettono di realizzare termoelementi molto riproducibili, di piccole dimensioni e con ottime caratteristiche dinamiche.
Le misure di temperatura effettuate con le termoresistenze sono di gran lunga più precise e affidabili rispetto a quelle effettuate con altri tipi di sensori quali termocoppie o termistori.
Normalmente i termometri a resistenza vengono identificati con la sigla del materiale utilizzato per la loro costruzione (platino = Pt, Nichel = Ni ecc.) seguito dalla loro resistenza nominale alla temperatura di 0°C.
Il campo di utilizzo dei termometri a resistenza industriali è compreso tra -200 e +850°C come riportato nella tabella.

Lo standard utilizzato da TERMOTECH per la costruzione dei termometri a resistenza di platino è riferito alla norma internazionale EN60751; a richiesta è possibile fornire elementi sensibili conformi ad altri standard quali ad esempio JIS C 1604 ecc.
Secondo lo standard EN 60751 per la costruzione dei termometri a resistenza è previsto l'utilizzo di platino con coefficiente di temperatura
alfa
= 3,851x10-3
La normativa EN 60751 prevede termoresistenze con valore nominale a 0 °C (Ro) compreso tra 5 e 1000 ohm; tuttavia i valori più comunemente utilizzati sono 100 ohm, 500 ohm e 1000 ohm.
La relazione che lega la resistenza alla temperatura t° (Rt) e la resistenza a 0° (Ro) è la seguente:

nel campo -200°C / 0 °C
Rt = Ro [ 1+At+Bt2+C (t-100) t3 ]

nel campo 0 °C / 850 °C
Rt = Ro (1+At+Bt2)

Dove i coefficienti A, B e C valgono:
A = 3,9083E-3
B = -5,775E-7
C = -4,183E-12

Le classi di precisione dei termometri a resistenza di platino sono riferite alla temperatura e sono così normalizzati:

Classe AA = 0,1+0,0017* | t | (°C)
Classe A = 0,15+0,002* | t | (°C)
Classe B = 0,3+0,005 | t | (°C)
Classe C = 0,6+0,01 | t | (°C)

Gli intervalli di temperatura di validit delle classi di tolleranza sopra esposte sono riportati nella tabella più avanti.
Tutti i termometri a resistenza con classe di tolleranza superiore alla B devono avere una configurazione a tre o quattro fili.

I termometri a resistenza di nichel sono normalizzati dalla norma tedesca DIN 43760.
A differenza del platino, il nichel ha un coefficiente di temperatura superiore (alfa = 6,17x10-3) che, sopperendo alla sua minore resistivit elettrica, ne rende la sensibilit paragonabile a quella delle termoresistenze in platino.
La scarsa resistenza all'ossidazione limita il campo di impiego dei termometri a resistenza di nichel nel campo di temperatura compreso tra -100°C e +200°C.
La relazione che lega la resistenza alla temperatura t° (Rt) e la resistenza a 0° (Ro) è la seguente:

nel campo -60°C / +180°C
Rt = Ro (1+ At + Bt2 + Ct4)

Dove i coefficienti A, B e C valgono:
A = 5,845E-03
B = 6,650E-06
C = 2,805E-11

È normalizzata una sola classe di precisione per i termometri a resistenza di nichel che è riferita alla temperatura:

Nel campo -60°C / 0°C: 0,4 + 0,028 | t | (°C)
Nel campo 0°C / 180°C: 0,4 + 0,007 | t | (°C)

Gli intervalli di temperatura di validit delle classi di tolleranza sopra esposte sono riportati nella tabella più avanti.
Tutti i termometri a resistenza con classe di tolleranza superiore alla B devono avere una configurazione a tre o quattro fili.

Esistono diversi metodi di collegamento dei termometri a resistenza con gli apparecchi di misura, la scelta di utilizzo di un metodo rispetto ad un altro dipende essenzialmente dalla precisione nella misura che si vuole ottenere.

Tecniche di collegamento delle termoresistenze

  1. A 2 fili
  2. A 3 fili
  3. A 4 fili voltamperometrica
  • La tecnica a due fili è la meno precisa e viene utilizzata solo nei casi in cui il collegamento della termoresistenza viene effettuato con fili di lunghezza ridotta e con bassa resistivit ; infatti esaminando il circuito elettrico equivalente, si nota come la resistenza elettrica misurata sia la somma di quella dell'elemento sensibile (e quindi dipendente dalla temperatura che si sta misurando) e della resistenza dei conduttori utilizzati per il collegamento.
    L'errore introdotto con questo tipo di misura non è costante ma dipende dalla temperatura.
    Collegamento a 2 fili
  • Grazie alla buona precisione ottenibile nella misura, la tecnica a tre fili è la più utilizzata in campo industriale.
    Con questa tecnica di misura infatti vengono eliminati gli errori provocati dalla resistenza dei conduttori impiegati per il collegamento della termoresistenza; infatti all'uscita del ponte di misura è presente una tensione dipendente unicamente dalla variazione della resistenza del termometro a resistenza e quindi dalla sola temperatura.
    Collegamento a 3 fili
  • La tecnica a quattro fili volt-amperometrica fornisce la migliore precisione possibile in senso assoluto; poco utilizzata nel campo industriale, viene utilizzata quasi esclusivamente nelle applicazioni di laboratorio.
    Dal circuito elettrico equivalente si nota come la tensione rilevata sia unicamente dipendente dalla resistenza del termoelemento; la precisione nella misura dipende esclusivamente dalla stabilit della corrente di misura e dalla precisione della lettura della tensione ai capi del termoelemento.
    Collegamento a 4 fili voltamperometrica

Esistono due tipologie costruttive per la termoresistenze: ad isolamento tradizionale o ad isolamento minerale MgO.
La tabella seguente mostra le principali caratteristiche delle due tipologie:

# Velocit di risposta Isolamento elettrico Resistenza alle vibrazioni Resistenza alle pressioni
Isolamento tradizionale Buono Ottimo Buono Buono
Isolamento minerale (MgO) Ottimo Buono Ottimo Ottimo

Le termoresistenze con isolamento tradizionale sono costituite da:

  1. elemento sensibile
    L'elemento sensibile è la parte più importante di tutto l'assieme, un elemento sensibile di scarsa qualit pregiudica il corretto funzionamento dell'intero sensore.
    Questo, una volta connesso con i fili di collegamento, viene posto all'interno della guaina di protezione. Sono disponibili elementi sensibili di diversa precisione e con doppio avvolgimento.
  2. fili di collegamento
    Il collegamento dell'elemento sensibile può essere effettuato a 2, 3 o 4-fili, il materiale degli stessi dipende dalle condizioni di impiego della sonda.
  3. isolatori ceramici
    Gli isolatori ceramici servono a prevenire corti circuiti e isolano i fili di collegamento dalla guaina di protezione.
  4. riempitivo
    Il riempitivo è composto da polvere di allumina finissima, essiccata e vibrata, la quale va a riempire qualunque interstizio proteggendo quindi il sensore dalle vibrazioni.
  5. guaina di protezione
    La guaina di protezione serve per proteggere l'elemento sensibile e fili di collegamento.
    Essendo a diretto contatto con il processo è importante che questa sia costituita dal giusto materiale e abbia le giuste dimensioni. In condizioni particolari è bene ricoprire la stessa con una ulteriore protezione (pozzetto termometrico).
  6. testa di connessione
    La testa di connessione contiene una morsettiera di materiale isolante (normalmente ceramica) che permette il collegamento elettrico della termoresistenza; in funzione delle condizioni di impiego possono essere usate custodie antideflagranti. Al posto della morsettiere è possibile installare un convertitore con uscita 4-20 mA.
Questa particolare tipologia costruttiva permette di realizzare termoresistenze di elevate prestazioni e con caratteristiche meccaniche eccellenti.
Caratteristiche principali che differenziano questo tipo di costruzione, oltre a quelle gi descritte, da quello tradizionale sono: la possibilit di piegare la guaina con raggi di curvatura molto ridotti, la possibilit di saldare la guaina al momento dell'installazione e la possibilit di realizzare sonde molto lunghe.
  1. Elemento sensibile
    Con l'utilizzo di particolari tecniche, l'elemento sensibile viene collegato ai conduttori del cavo isolato in ossido minerale. In funzione delle diverse esigenze è possibile l'utilizzo di elementi sensibili doppi e/o con diverse precisioni.
  2. Fili di collegamento
    Il collegamento dell'elemento sensibile può essere effettuato a 2, 3 o 4-fili.
  3. Guaina con isolamento minerale
    Questa è composta da una guaina metallica esterna con all'interno i conduttori isolati tra loro e dalla guaina per mezzo di ossidi metallici purissimi e altamente compressi; l'isolamento standard è l'ossido di magnesio (MgO).
  4. Testa di connessione
    La testa di connessione contiene una morsettiera in materiale isolante (normalmente ceramica) che permette il collegamento elettrico della termoresistenza; in funzione delle condizioni di impiego possono essere utilizzate custodie antideflagranti.
    Al posto della morsettiera è possibile installare un convertitore con uscita 4-20 mA.

La misura della temperatura con le termoresistenze è abbastanza semplice da eseguire rispetto a quella fatta con altri tipi di sensori.
Tuttavia è opportuno fare attenzione ad alcuni accorgimenti in modo da ovviare ad eventuali errori nella misura. Le principali cause di errore che si introducono nella misura della temperatura con le termoresistenze sono tre:

  • Errore dovuto all'autoriscaldamento dell'elemento sensibile
  • Errore dovuto allo scarso isolamento elettrico dell'elemento sensibile
  • Errore dovuto alla non sufficiente profondit di immersione dell'elemento sensibile.

L'autoriscaldamento dell'elemento sensibile si ha, in fase di misura, quando questo viene attraversato da una corrente troppo elevata che, per l'effetto Joule, ne fa' aumentare la temperatura.
Questo innalzamento della temperatura è dipendente sia dal tipo di elemento sensibile utilizzato che dalle condizioni di misura; infatti la stessa termoresistenza, a parit di temperatura, si auto riscalder meno se viene posta in acqua piuttosto che in aria; questo è dovuto al fatto che l'acqua ha un coefficiente di dissipazione più elevato rispetto all'aria. Normalmente tutti gli apparecchi di misura che utilizzano come sensore delle termoresistenze hanno una corrente di misura molto bassa tuttavia è buona norma non superare mai la corrente di misura di 1 mA (EN 60751).

Per una buona misura con le termoresistenze è molto importante che l'isolamento elettrico tra i conduttori e la guaina esterna sia adeguatamente elevato soprattutto alle alte temperature.
La resistenza di isolamento può essere vista come una resistenza elettrica posta in parallelo a quelle dell'elemento sensibile, risulta quindi evidente come, a temperatura costante, nel caso in cui l'isolamento elettrico diminuisca, anche la tensione rilevata ai capi dell'elemento sensibile diminuir introducendo quindi un errore nella misura.
L'abbassamento della resistenza di isolamento può verificarsi per l'utilizzo della sonda con temperature troppo elevate, in presenza di forti vibrazioni o per l'influenza di agenti fisici o chimici.

Particolarmente importante per una buona misura è anche la profondit di immersione dell'elemento sensibile; questa, a differenza che per le termocoppie la cui misura può considerarsi puntiforme, se non è adeguata, può arrecare errori nella misura anche nell'ordine parecchi gradi °C. Questo è dovuto al fatto che la guaina, solitamente metallica, con cui viene protetto l'elemento sensibile dissipa calore in maniera proporzionale alla differenza di temperatura presente tra la zona calda e quella fredda; si è quindi in presenza di un gradiente termico su parte della lunghezza della guaina. La profondit di immersione dovr quindi essere sufficiente per fare in modo che l'elemento sensibile posto all'interno della guaina, non sia sottoposto a questo gradiente termico.
Tale profondit minima dipender sia dalle condizioni fisiche di misura che dalle dimensioni della termoresistenza (lunghezza dell'elemento ecc.)

Termoresistenza tipo Ni100 ohm 0°C secondo DIN 43760 (IPTS 68)

°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 °C
Ohm
0 100,0 94,6 89,3 84,2 79,1 74,3 69,5 0
°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 °C
°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 °C
Ohm
0 100,0 105,6 111,2 117,1 123,0 129,1 135,3 141,7 148,3 154,9 0
100 161,8 168,8 176,0 183,3 190,9 198,7 206,6 214,8 223,2 100
°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 °C

Termoresistenza tipo Pt100 ohm 0°C secondo EN 60751

°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 °C
Ohm
-200 18,49 14,45 10,49 6,99 4,26 2,51 -200
-100 60,26 56,19 52,11 48,00 43,88 39,72 65,54 31,34 27,10 22,83 -100
0 100,0 96,09 92,16 88,22 84,27 80,31 76,33 72,33 68,33 64,30 0
°C 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 °C
°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 °C
Ohm
0 100,00 103,90 107,79 111,67 115,54 119,40 123,24 127,08 130,90 134,71 0
100 138,51 142,29 146,07 149,83 153,58 157,33 161,05 164,77 168,48 172,17 100
200 175,86 179,53 183,19 186,84 190,47 194,10 197,71 201,31 204,90 208,48 200
300 212,05 215,61 219,15 222,68 226,21 229,72 233,21 236,70 240,18 243,64 300
400 247,09 250,53 253,96 257,38 260,78 264,18 267,56 270,93 274,29 277,64 400
500 280,98 284,30 287,62 290,92 294,21 297,49 300,75 304,01 307,25 310,49 500
600 313,71 316,92 320,12 323,30 326,48 329,64 332,79 335,93 339,06 342,18 600
700 345,28 348,38 351,46 354,53 357,59 360,64 363,67 366,70 369,71 372,71 700
800 375,70 378,68 381,65 384,60 387,55 390,48 800
°C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 °C

Termoresistenza tipo Pt100 ohm 0°C secondo EN 60751

Classe di tolleranza Intervallo di temperatura di validit °C Valori di tolleranza °C
Resistori a filo avvolto Resistori a film
AA -50 ÷ +250 -0 ÷ +150 ±(0,1 + 0.0017 *| t |)
A -100 ÷ +450 -30 ÷ +300 ±(0,15 + 0.002 *| t |)
B -196 ÷ +600 -50 ÷ +500 ±(0,3 + 0.005 *| t |)
C -196 ÷ +600 -50 ÷ +600 ±(0,6 + 0.001 *| t |)

| t |= valore assoluto della temperatura, espresso in °C, indipendente dal segno

Possono essere definite anche classi di tolleranza speciali per intervalli di temperature estesi o limitati

Termoresistenza tipo Ni100 ohm 0°C (DIN 43760)

Temp. °C 0,4+0,07*| t | (°C) 0 °C<t<180 °C
0,4+0,028*| t | (°C) -60 °C<t<0 °C
Ohm °C
-60 ±1,00 ±2,10
0 ±0,20 ±0,40
100 ±0,80 ±1,10
180 ±1,30 ±1,70

| t | = Temperatura (°C)