La differenza tra termopara, termistor e RTD

Il concetto di temperatura

Da un punto di vista fisico, il calore è una misura dell'energia contenuta nel corpo a causa del movimento irregolare delle sue molecole o atomi. Proprio come i pallini da tennis hanno più energia con l'aumentare della velocità, l'energia interna del corpo o del gas aumenta al crescere della temperatura. La temperatura è una variabile che, insieme ad altri parametri come la massa e il calore specifico, descrive il contenuto energetico del corpo.

La misura base della temperatura è il grado Kelvin. A 0 ° K (Elvin), ogni molecola nel corpo è ferma e non c'è più calore. Pertanto, non c'è possibilità di temperatura negativa perché non esiste uno stato di energia inferiore.

Nell'uso quotidiano, la pratica consueta è quella di utilizzare i gradi centigradi (in precedenza noti come gradi centesimali). Il suo punto zero corrisponde al punto di congelamento dell'acqua, che può essere facilmente riprodotto nella pratica. Ora, 0 °C non è affatto la temperatura più bassa, come tutti sanno per esperienza. Estendendo la scala centigrada fino alla temperatura più bassa in cui si ferma tutto il movimento molecolare, si raggiunge –273,15 gradi.

L'uomo ha la capacità di misurare la temperatura attraverso i propri sensi all'interno di un intervallo limitato. Tuttavia, non era in grado di riprodurre misure quantitative con precisione. La prima forma di misura quantitativa della temperatura fu sviluppata a Firenze all'inizio del XVII secolo e si basava sull'espansione dell'alcol. La scalatura si fondava sulle temperature massime estive e invernali. Un secolo dopo, l'astronomo svedese Celsius la sostituì con i punti di fusione e ebollizione dell'acqua. Ciò permette al termometro di ingrandire o ridurre l'intervallo di lettura in qualsiasi momento e di riprodurre le letture successivamente.

Misurazione della temperatura elettrica

La misurazione della temperatura è importante in molte applicazioni, come il controllo edilizio, l'elaborazione dei cibi e la produzione di acciaio e prodotti petrochimici. Queste applicazioni molto diverse richiedono sensori di temperatura con strutture fisiche diverse e solitamente tecnologie diverse.

Nelle applicazioni industriali e commerciali, i punti di misurazione sono generalmente lontani dai punti di indicazione o controllo. Di solito è necessario un ulteriore elaborazione delle misurazioni nei controller, nei registratori o nei computer. Queste applicazioni non sono adatte per l'indicazione diretta dei termometri come li conosciamo dall'uso quotidiano, ma richiedono la conversione della temperatura in un'altra forma di segnale, il segnale elettrico. Per fornire questo segnale elettrico a distanza, viene generalmente utilizzato un RTD. Termistori e termopari.

I RTD adottano la caratteristica del cambiamento della resistenza metallica con la temperatura. Sono sensori a coefficiente di temperatura positivo (PTC) la cui resistenza aumenta con la temperatura. I metalli principali utilizzati sono il platino e il nichel. I sensori più diffusi sono da 100 ohm o 1000 ohm RTDS o termometri a resistenza di platino.

RTD è il sensore più preciso per applicazioni industriali e offre anche la migliore stabilità a lungo termine. Il valore rappresentativo di precisione della resistenza di platino è + 0,5% della temperatura misurata. Dopo un anno, può verificarsi un cambiamento di + 0,05 ° C dovuto all'invecchiamento. I termometri a resistenza di platino hanno un intervallo di temperatura compreso tra – 200 e 800 ° C.

Cambiamento di resistenza con la temperatura

La conducibilità di un metallo dipende dalla mobilità degli elettroni conduttori. Se si applica una tensione alla fine del filo, gli elettroni si muovono verso il polo positivo. I difetti nella struttura a griglia interferiscono con questo movimento. Essi includono atomi esterni o mancanti nella griglia, atomi ai confini di grano e tra le posizioni della griglia. Poiché queste posizioni di errore sono indipendenti dalla temperatura, esse producono una resistenza costante. Con l'aumentare della temperatura, gli atomi nella griglia metallica mostrano oscillazioni aumentate vicino alle loro posizioni stazionarie, ostacolando così il movimento degli elettroni conduttori. Poiché l'oscillazione aumenta linearmente con la temperatura, l'aumento di resistenza causato dalle oscillazioni dipende direttamente dalla temperatura.

Il platino è ampiamente accettato nella misurazione industriale. I suoi vantaggi includono stabilità chimica, relativa facilità di fabbricazione (soprattutto per la produzione di fili), la possibilità di ottenerlo in forma di alta purezza e proprietà elettriche riproducibili. Queste caratteristiche rendono il sensore di resistenza in platino il sensore di temperatura più ampiamente intercambiabile.

I termistori sono realizzati con alcuni ossidi metallici e la loro resistenza diminuisce con l'aumentare della temperatura. Poiché la caratteristica di resistenza diminuisce con l'aumento della temperatura, viene chiamato sensore a coefficiente di temperatura negativo (NTC).

A causa della natura del processo di base, il numero di elettroni conduttori aumenta esponenzialmente con la temperatura; pertanto, la caratteristica mostra un aumento significativo. Questa evidente nonlinearità è uno svantaggio dei resistori NTC e limita il loro intervallo di temperatura efficace a circa 100 °C. Essi possono ovviamente essere linearizzati da computer automatizzati. Tuttavia, la precisione e la linearità non possono soddisfare i requisiti di un ampio intervallo di misura. La loro deriva a temperature alternate è anche maggiore rispetto a quella dei RTD. Il loro utilizzo è limitato alle applicazioni di monitoraggio e indicazione dove la temperatura non supera i 200 °C. In questa semplice applicazione, essi sono effettivamente superiori ai più costosi termocoppie e RTD, considerando il loro basso costo e i relativamente semplici circuiti elettronici richiesti.

La base del termocoppia è la connessione tra due metalli diversi, termistor. La tensione generata dal termocoppia e dal RTD aumenta con la temperatura. In confronto ai termometri a resistenza, essi hanno un limite superiore di temperatura più elevato, con un vantaggio significativo di alcune migliaia di gradi Celsius. La loro stabilità a lungo termine è leggermente inferiore (alcuni gradi dopo un anno) e la precisione di misura è leggermente peggiore (media + 0,75% dell'intervallo di misura). Vengono spesso utilizzati in forni, fornaci, misurazione dei gas di scarico e in altri settori dove le temperature superano i 250 °C.

Effetto termoelettrico

Quando due metalli sono connessi insieme, si genera una tensione termoelettrica a causa della diversa energia di legame degli elettroni e degli ioni metallici. La tensione dipende dal metallo stesso e dalla temperatura. Affinché questa tensione termica generi una corrente, i due metalli devono naturalmente essere connessi all'altro capo per formare un circuito chiuso. In questo modo, si genera una tensione termica nella seconda giunzione. L'effetto termoelettrico è stato scoperto da Seebeck nel 1822. Già nel 1828, Becquerel ha suggerito l'uso di una termopila di platino-palladio per la misura della temperatura.

Se la temperatura è la stessa in entrambe le giunzioni, non c'è flusso di corrente poiché le pressioni parziali generate nei due punti si annullano a vicenda. Quando la temperatura nella giunzione è diversa, la tensione generata è diversa e la corrente scorre. Pertanto, la termopila può misurare solo la differenza di temperatura.

Il punto di misura è una giunzione esposta alla temperatura misurata. La giunzione di riferimento è una giunzione a una temperatura nota. Poiché la temperatura nota è generalmente inferiore alla temperatura misurata, la giunzione di riferimento viene solitamente chiamata giunzione fredda. Per calcolare la temperatura effettiva del punto di misura, deve essere nota la temperatura della giunzione fredda.

Strumenti più vecchi utilizzano scatole di controllo termostatico per mantenere la temperatura della giunzione fredda a valori noti come 50°C. Gli strumenti moderni utilizzano RTD a film sottile all'estremità fredda per determinarne la temperatura e calcolare la temperatura del punto di misura.

La tensione prodotta dall'effetto termoelettrico è molto piccola e ammonta solo a pochi microvolti per grado centigrado. Pertanto, i termocoppie non vengono normalmente utilizzati nell'intervallo di -30 a +50 °C, poiché la differenza tra la temperatura della giunzione di riferimento e quella della giunzione fredda è troppo piccola per produrre un segnale non interferente.

Cablaggio RTD

In un termometro a resistenza, la resistenza varia con la temperatura. Per valutare il segnale di uscita, una corrente costante passa attraverso di esso e si misura la caduta di tensione. Per questa caduta di tensione, viene rispettata la legge di Ohm, v = IR.

La corrente di misura dovrebbe essere il più piccola possibile per evitare il riscaldamento del sensore. Si può considerare che una corrente di misura di 1mA non introdurrà alcun errore evidente. La corrente genera una caduta di tensione di 0,1V nel PT 100 a 0 ℃. Questo segnale di tensione deve ora essere trasmesso attraverso il cavo di connessione al punto di indicazione o di valutazione con modifiche minime. Esistono quattro tipi differenti di circuiti di connessione:

circuito a 2 fili

Un cavo con 2 conduttori viene utilizzato per la connessione tra il termostato ed l'elettronica di valutazione. Come qualsiasi altro conduttore elettrico, il cavo ha una resistenza in serie con il termostato a resistenza. Di conseguenza, le due resistenze vengono sommate insieme ed l'elettronica le interpreta come un aumento di temperatura. Per distanze maggiori, la resistenza del cavo può raggiungere diversi ohm e produrre un offset significativo nel valore misurato.

circuito a 3 fili

Al fine di minimizzare l'influenza della resistenza del cavo e la sua variazione con la temperatura, viene generalmente utilizzato un circuito a tre fili. Include l'installazione di fili aggiuntivi su uno dei terminali dell'RTD. Ciò porta alla creazione di due circuiti di misura, uno dei quali viene utilizzato come riferimento. Il circuito a tre fili può compensare la resistenza del cavo in termini di valore e variazione termica. Tuttavia, tutti e tre i conduttori devono avere le stesse caratteristiche ed essere esposti alla stessa temperatura. Questo è generalmente applicato in modo sufficiente da rendere i circuiti a tre fili il metodo più diffuso oggi. Non è richiesto alcun bilanciamento del cavo.

circuito a 4 fili

La migliore forma di connessione per un termometro a resistenza è il circuito a 4 fili. La misura non dipende né dalla resistenza del cavo né dalle variazioni indotte dal calore. Non è richiesto alcun bilanciamento del cavo. Il termometro fornisce la corrente di misura attraverso una connessione di alimentazione. La caduta di tensione sulla linea di misura viene rilevata dalla linea di misura. Se la resistenza di ingresso di un dispositivo elettronico è molte volte maggiore della resistenza del cavo, quest'ultima può essere ignorata. La caduta di tensione determinata in questo modo è indipendente dalle caratteristiche del filo di connessione. Questa tecnica viene solitamente utilizzata solo per strumenti scientifici che richiedono un'accuratezza di misura di un centesimo.

trasmettitore a 2 fili

Utilizzando un trasmettitore a 2 fili invece di un cavo con più fili, è possibile evitare il problema di un circuito a 2 fili come descritto sopra. Il trasmettitore converte il segnale del sensore in un segnale di corrente normalizzato da 4 a 20mA, proporzionale alla temperatura. L'alimentazione del trasmettitore avviene anche attraverso le stesse due connessioni, utilizzando una corrente base di 4 mA. Il trasmettitore a 2 fili offre un vantaggio aggiuntivo: l'amplificazione del segnale riduce notevolmente l'impatto delle interferenze esterne. Esistono due configurazioni per la posizionamento del trasmettitore. Poiché la distanza tra i segnali non amplificati dovrebbe essere il più breve possibile, l'amplificatore può essere installato direttamente sul termometro nella sua testa terminale. Questa soluzione migliore talvolta non è possibile per ragioni strutturali o per la considerazione che il trasmettitore potrebbe essere difficile da raggiungere in caso di guasto. In questo caso, il trasmettitore montato su rastrello viene installato nell'armadietto di controllo. Il vantaggio di un accesso migliorato si ottiene a spese di una maggiore distanza che il segnale non amplificato deve percorrere.

Connessione del termistor

La resistenza di un termistor è generalmente di diversi ordini di grandezza maggiore di quella di qualsiasi filo di connessione. Pertanto, l'effetto della resistenza del filo sulla lettura della temperatura è trascurabile, mentre i termistors vengono quasi sempre collegati in una configurazione a 2 fili.

Connessione del termocoppia

A differenza degli RTDs e dei termistors, le termocoppie hanno gambe positive e negative, quindi è necessario osservare la polarità. Possono essere collegate direttamente al trasmettitore locale a 2 fili e il filo di rame può essere riportato all'istrumento ricevente. Se l'istrumento ricevente può accettare direttamente l'ingresso della termocoppia, lo stesso filo di termocoppia o il filo di estensione della termocoppia deve essere utilizzato fino all'istrumento ricevente.