La differenza tra termocoppia, termistore 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 le palline da tennis hanno più energia con l'aumentare della velocità, l'energia interna del corpo o il gas aumenta all'aumentare 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 di base della temperatura è il grado Kelvin. A 0 ° K (Elvin), ogni molecola del corpo è a riposo e non c'è più calore. Pertanto, non c'è possibilità di temperatura negativa perché non c'è uno stato di energia inferiore.

Nell'uso quotidiano, la pratica abituale è quella di utilizzare i gradi centigradi (precedentemente centigradi). Il suo punto zero è il punto di congelamento dell'acqua, che può essere facilmente riprodotto nella pratica. Ora 0 ° C non è affatto la temperatura più bassa, perché tutti lo sanno per esperienza. Estendendo la scala centigrada alla temperatura più bassa alla quale si ferma tutto il movimento molecolare, raggiungiamo – 273,15 gradi.

L'uomo ha la capacità di misurare la temperatura attraverso i suoi sensi in un intervallo limitato. Tuttavia, non è stato in grado di riprodurre con precisione le misurazioni quantitative. La prima forma di misurazione quantitativa della temperatura fu sviluppata a Firenze all'inizio del XVII secolo e si basava sull'espansione dell'alcol. L'incrostazione si basa sulle temperature più elevate in estate e in inverno. Un centinaio di anni dopo, l'astronomo svedese Celsius lo sostituì con i punti di fusione e di ebollizione dell'acqua. In questo modo il termometro ha la possibilità di ingrandire e rimpicciolire in qualsiasi momento e di riprodurre le letture in un secondo momento.

Misurazione elettrica della temperatura

La misurazione della temperatura è importante in molte applicazioni, come il controllo degli edifici, la lavorazione degli alimenti e la produzione di prodotti siderurgici e petrolchimici. Queste applicazioni molto diverse richiedono sensori di temperatura con strutture fisiche diverse e di solito tecnologie diverse

Nelle applicazioni industriali e commerciali, i punti di misura sono solitamente lontani dai punti di indicazione o di controllo. Di solito è necessaria un'ulteriore elaborazione delle misure in controller, registratori o computer. Queste applicazioni non sono adatte per l'indicazione diretta dei termometri perché li conosciamo dall'uso quotidiano, ma hanno bisogno di convertire la temperatura in un'altra forma di dispositivo, il segnale elettrico. Per fornire questo segnale elettrico remoto, di solito viene utilizzato l'RTD. Termistori e termocoppie.

RTD adotta la caratteristica della resistenza del metallo che cambia con la temperatura. Sono sensori a coefficiente di temperatura positivo (PTC) la cui resistenza aumenta con la temperatura. I principali metalli utilizzati sono il platino e il nichel. I sensori più utilizzati sono gli RTDS da 100 ohm o 1000 ohm o le termoresistenze al platino.

L'RTD è il sensore più accurato per le applicazioni industriali e offre anche la migliore stabilità a lungo termine. Il valore rappresentativo dell'accuratezza della resistenza al platino è + 0,5% della temperatura misurata. Dopo un anno, ci può essere un cambiamento di + 0,05 ° C attraverso l'invecchiamento. Le termoresistenze al platino hanno un intervallo di temperatura compreso tra – 200 e 800 ° C. 

Variazione di resistenza con la temperatura

La conduttività di un metallo dipende dalla mobilità degli elettroni conduttori. Se viene applicata una tensione all'estremità del filo, gli elettroni si spostano verso il polo positivo. I difetti nel reticolo interferiscono con questo movimento. Includono atomi del reticolo esterni o mancanti, atomi ai bordi dei grani e tra le posizioni del reticolo. Poiché queste posizioni di guasto sono indipendenti dalla temperatura, producono una resistenza costante. Con l'aumento della temperatura, gli atomi nel reticolo metallico mostrano maggiori oscillazioni 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 dall'oscillazione dipende direttamente dalla temperatura.

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

I termistori sono costituiti da alcuni ossidi metallici e la loro resistenza diminuisce con l'aumentare della temperatura. Poiché la caratteristica di resistenza diminuisce con l'aumentare della temperatura, si chiama 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 forte aumento. Questa evidente non linearità è uno svantaggio dei resistori NTC e limita il suo intervallo di temperatura effettivo a circa 100 ° C. Possono, naturalmente, essere linearizzati da computer automatizzati. Tuttavia, l'accuratezza e la linearità non possono soddisfare i requisiti di un ampio intervallo di misurazione. La loro deriva a temperature alternate è anche maggiore di quella dell'RTD. Il loro utilizzo è limitato al monitoraggio e all'indicazione di applicazioni in cui la temperatura non supera i 200 ° C. In questa semplice applicazione, sono in realtà superiori alle termocoppie e agli RTD più costosi, considerando il loro basso costo e i circuiti elettronici relativamente semplici richiesti.

La base della termocoppia è la connessione tra due metalli diversi, termistore. La tensione generata dalla termocoppia e dall'RTD aumenta con la temperatura. Rispetto alle termoresistenze, hanno un limite di temperatura superiore più elevato, con un vantaggio significativo di diverse migliaia di gradi Celsius. La loro stabilità a lungo termine è leggermente scarsa (diversi gradi dopo un anno) e la precisione della misurazione è leggermente scarsa (media + 0,75% dell'intervallo di misurazione). Sono spesso utilizzati in forni, fornaci, misurazione dei gas di combustione e altre aree in cui le temperature sono superiori a 250 ° C.

Effetto termoelettrico

Quando due metalli sono collegati insieme, la tensione termoelettrica viene prodotta 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 corrente, i due metalli devono ovviamente essere collegati insieme all'altra estremità per formare un circuito chiuso. In questo modo si genera una tensione termica alla seconda giunzione. L'effetto termoelettrico fu scoperto da Seebeck nel 1822. Già nel 1828, Becquerel suggerì l'uso di una termocoppia di platino e palladio per la misurazione della temperatura.

Se c'è la stessa temperatura in entrambe le giunzioni, non c'è flusso di corrente perché le pressioni parziali generate nei due punti si annullano a vicenda. Quando la temperatura alla giunzione è diversa, la tensione generata è diversa e la corrente scorre. Pertanto, la termocoppia 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 solitamente inferiore alla temperatura misurata, la giunzione di riferimento è solitamente chiamata giunzione fredda. Per calcolare la temperatura effettiva del punto di misura, è necessario conoscere la temperatura del punto freddo.

Gli strumenti più vecchi utilizzano scatole di giunzione di controllo termostatico per controllare la temperatura di giunzione fredda a valori noti come 50 ° C. Gli strumenti moderni utilizzano l'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 ed è di pochi microvolt per grado centigrado. Pertanto, le termocoppie non vengono normalmente utilizzate nell'intervallo da – 30 a + 50 ° C, perché la differenza tra la temperatura di giunzione di riferimento e la temperatura di giunzione di riferimento è troppo piccola per produrre un segnale di non interferenza.

Cablaggio RTD

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

La corrente di misurazione deve essere la più piccola possibile per evitare il riscaldamento del sensore. Si può considerare che la corrente di misura di 1mA non introdurrà alcun errore evidente. La corrente produce una caduta di tensione di 0,1 V in PT 100 a 0 °C. Questa tensione del segnale deve ora essere trasmessa attraverso il cavo di collegamento al punto di indicazione o al punto di valutazione con modifiche minime. Esistono quattro diversi tipi di circuiti di collegamento:

Circuito a 2 fili

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

Circuito a 3 fili

Al fine di ridurre al minimo l'influenza della resistenza di linea e la sua fluttuazione con la temperatura, viene solitamente utilizzato un circuito a tre fili. Include l'esecuzione di cavi aggiuntivi su uno dei contatti dell'RTD. Ciò si traduce in due circuiti di misura, uno dei quali viene utilizzato come riferimento. Il circuito a 3 fili può compensare la resistenza di linea in termini di numero e variazione di temperatura. Tuttavia, tutti e tre i conduttori devono avere le stesse caratteristiche ed essere esposti alla stessa temperatura. Questo di solito viene applicato in misura sufficiente per rendere i circuiti a 3 fili il metodo più utilizzato oggi. Non è richiesto alcun bilanciamento della linea. 

Circuito a 4 fili

La migliore forma di connessione della termoresistenza è il circuito a 4 fili. La misura non dipende né dalla resistenza di linea né dalle variazioni indotte dalla temperatura. Non è richiesto alcun bilanciamento della linea. Il termometro fornisce la corrente di misura attraverso un collegamento 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 di linea, quest'ultima può essere ignorata. La caduta di tensione così determinata è indipendente dalle caratteristiche del filo di collegamento. Questa tecnica viene solitamente utilizzata solo per strumenti scientifici che richiedono una precisione di misura del centesimo.

Trasmettitore a 2 fili

Utilizzando un trasmettitore a 2 fili invece di un cavo multifilo, 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 di 4-20 mA, che è proporzionale alla temperatura. Anche l'alimentazione del trasmettitore funziona attraverso le stesse due connessioni, utilizzando una corrente di base di 4 mA. Il trasmettitore a 2 fili offre un ulteriore vantaggio, ovvero l'amplificazione del segnale riduce notevolmente l'impatto delle interferenze esterne. Ci sono due disposizioni per posizionare il trasmettitore. Poiché la distanza tra i segnali non amplificati dovrebbe essere la più breve possibile, l'amplificatore può essere installato direttamente sul termometro nella sua testa terminale. Questa soluzione migliore a volte non è possibile a causa di motivi strutturali o considerazioni che il trasmettitore potrebbe essere difficile da raggiungere in caso di guasto. In questo caso, il trasmettitore montato su guida è installato nell'armadio di controllo. Il vantaggio di un accesso migliorato è che viene acquistato al costo di una distanza maggiore che il segnale non amplificato deve percorrere.

Cablaggio termistore

La resistenza di un termistore è solitamente di diversi ordini di grandezza maggiore di quella di qualsiasi filo conduttore. Pertanto, l'effetto della resistenza del piombo sulle letture della temperatura è trascurabile, mentre i termistori sono quasi sempre collegati in una configurazione a 2 fili.

Cablaggio termocoppia

A differenza dell'RTDS e dei termistori, le termocoppie hanno gambe positive e negative, quindi la polarità deve essere rispettata. Possono essere collegati direttamente al trasmettitore locale a 2 fili e il filo di rame può essere restituito allo strumento ricevente. Se lo strumento ricevente è in grado di accettare direttamente l'ingresso della termocoppia, è necessario utilizzare lo stesso cavo della termocoppia o la prolunga della termocoppia fino allo strumento ricevente.