Nozioni di base sui sensori di temperatura RTD

 
Un sensore di temperatura RTD è un dispositivo comunemente usato per misurare la temperatura in diverse applicazioni industriali. In questo articolo vediamo come funzionano e elenchiamo le tipologie più comuni, con i relativi vantaggi e svantaggi.

 

L'acronimo "RTD" sta per "Resistance Temperature Detector" (rilevatore di temperatura a resistenza). Tipicamente gli RTD contengono fili di platino, nichel o rame, materiali caratterizzati da un coefficiente di temperatura positivo. Questo significa che l'aumento della temperatura si traduce in un aumento della resistenza (la variazione della resistenza viene poi utilizzata per rilevare e misurare le variazioni di temperatura).

 

RTD in platino

I sensori RTD in platino sono quelli più comunemente utilizzati nelle applicazioni industriali. Il platino ha un'altissima resistenza alla corrosione, un'eccellente stabilità a lungo termine e la capacità di misurare temperature su un range esteso (-200…+850°C).

 

RTD in nichel

I sensori RTD in nichel sono meno costosi di quelli in platino e offrono una buona resistenza alla corrosione. Il nichel però invecchia più rapidamente e perde precisione alle alte temperature. L'utilizzo del nichel è limitato a un range di misura di -80…+260°C.

 

RTD in rame

I sensori RTD in rame offrono la migliore resistenza alla linearità termica, tra i tre tipi di RTD, oltre a un basso costo. Il rame però si ossida alle alte temperature. L'utilizzo del rame è limitato a un range di misura di -200…+260°C.

 

 

 

Come sono realizzati i sensori RTD

Nella maggior parte dei casi i sensori RTD sono costruiti in uno dei tre modi seguenti: RTD a filo avvolto, RTD con elementi a bobina e RTD Thin Film.

 

 

RTD a filo avvolto

 

 

In un sensore RTD a filo avvolto , si avvolge un filo resistivo attorno a un'anima non conduttiva, di solito di ceramica. Il produttore del sensore taglia con precisione il filo resistivo alla lunghezza opportuna per ottenere la resistenza specificata a 0°C, quella che si definisce “R0”.

 

Si collegano quindi i terminali al filo resistivo e infine si applica un rivestimento di vetro o di ceramica sul filo, come protezione. All'aumentare della temperatura, la lunghezza del filo resistivo aumenta leggermente. In fase di progettazione occorre prestare attenzione affinché il filo resistivo non si attorcigli e non si deformi all'aumentare della temperatura. Questo è importante perché le sollecitazioni meccaniche determinano una variazione della resistenza del filo.

 

Nei sensori RTD da laboratorio utilizzati nei laboratori di calibrazione e di standardizzazione si eliminano questi potenziali errori avvolgendo il filo resistivo su un supporto non conduttivo e lasciandolo lento. I sensori RTD di questo tipo possono essere estremamente precisi, ma sono fragili e non risultano adatti alla maggior parte delle applicazioni industriali.

 

 

Elemento RTD a bobina 

 

 

In un elemento RTD a bobina , il filo resistivo viene avvolto in piccole bobine che si inseriscono in un contenitore di ceramica, il quale viene poi riempito con polvere non conduttiva. Il filo resistivo è libero di dilatarsi e di contrarsi al variare della temperatura, riducendo al minimo l'errore causato dalle sollecitazioni meccaniche. La polvere velocizza il trasferimento del calore alle bobine, migliorando così il tempo di risposta. Gli elementi RTD a bobina di solito sono protetti da una guaina metallica e si utilizzano in applicazioni industriali.

 

 

RTD Thin Film

 

 

I sensori RTD Thin Film sono prodotti in grandi quantità e costano meno degli altri tipi di RTD. Sono più piccoli e offrono una velocità di risposta superiore, il che è un vantaggio in molte applicazioni. Si costruiscono depositando una sottile pista di platino su una base di ceramica.

 

Il produttore regola la resistenza a 0°C aprendo dei varchi (shunt) paralleli nel percorso, con un raggio laser. Più shunt vengono aperti, maggiore è la resistenza a 0°C. I sensori RTD Thin Film non sono precisi come gli altri tipi perché:

 

  • La R0 non si può regolare con la stessa precisione degli altri tipi.
  • La base di ceramica e il rivestimento di platino hanno coefficienti di dilatazione leggermente diversi. Si ha così un errore dovuto alla deformazione alle alte temperature.
  • Poiché gli RTD Thin Film sono più piccoli, la corrente di eccitazione dell'RTD causa un errore leggermente maggiore dovuto all'auto-riscaldamento dell'RTD

 

Coefficiente di resistenza TD

Il termine "coefficiente di resistenza" fa riferimento alla pendenza media del grafico della temperatura rispetto alla resistenza quando la temperatura dell'RTD passa da 0°C a +100°C. L'espressione del coefficiente di resistenza è:

 

(R100-R0) / R0

 

Dove:

R100 = Resistenza dell'RTD a 100°C.

R0 = Resistenza dell'RTD a 0°C.

 

Il coefficiente di resistenza dipende dal tipo e dal grado di purezza del metallo utilizzato per realizzare l'RTD. In generale gli RTD con un alto valore di R0 e un alto coefficiente di resistenza consentono di eseguire più facilmente misure di precisione, ma altre caratteristiche del metallo utilizzato per il filo resistivo influenzano comunque la precisione intrinseca dell'RTD.

 

 

Gli RTD in platino utilizzati nelle applicazioni industriali di solito sono conformi alla norma IEC 60751. Hanno un coefficiente di resistenza pari a (138,5 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,385 Ω / °C. Nelle applicazioni industriali, generalmente gli RTD di questo tipo vengono protetti inserendoli in una guaina di acciaio inox.

 

Gli standard per gli RTD di laboratorio prevedono di usare platino più puro, con un coefficiente di resistenza superiore: (139,2 Ω - 100 Ω) / 100 Ω = 0,392 Ω / °C. A temperature superiori a +670°C, gli ioni metallici liberati dalla sonda in acciaio inox contaminano il platino ad alta purezza, modificandone il coefficiente di resistenza. Per questo motivo, questi RTD sono protetti da una sonda in vetro di quarzo o platino. Questi materiali per sonde sono inerti anche alle alte temperature, così il sensore RTD rimane incontaminato.

 

I sensori RTD in nichel conformi alla norma DIN 43760 hanno un coefficiente di resistenza uguale a (161,7805 Ω – 100 Ω) / 100 Ω = 0,618 Ω / °C. I sensori RTD in nichel comunemente utilizzati negli USA hanno un coefficiente di resistenza uguale a (200,64 Ω – 120 Ω) / 120 Ω = 0,672 Ω / °C  (grafico sopra).

 

Gli RTD in rame[1] sono disponibili con R0 = 9,035 Ω o 100 Ω. Entrambi i tipi hanno un coefficiente di resistenza uguale a 0,427:

 

(12,897 Ω - 9,035 Ω) / 9,035 Ω = 0,427 Ω / °C.

(142,7 Ω – 100 Ω) / 100 Ω = 0,427 Ω / °C.

 

 

Vantaggi dei sensori RTD in nichel o in rame

Il nichel offre un'alta resistenza a 0°C e un alto coefficiente di resistenza, facilitando le misure con questo sensibile RTD. Queste caratteristiche riducono al minimo l'errore dovuto alla resistenza dei terminali. Per un RTD, l'errore approssimativo dovuto alla resistenza dei terminali è:

 

Resistenza dei terminali / (R100-R0) x 0,01

 

Ad esempio:

Un RTD in nichel a 2 fili misura la temperatura di un condotto dell'aria. Ogni terminale ha una resistenza di 0,25 Ω, per una resistenza totale dei terminali pari a 0,5 Ω.

 

L'errore dovuto alla resistenza dei terminali si può quindi calcolare come segue:

0,5 Ω / (161,78 – 100) x 0,01 = 0,81°C. Una buona approssimazione per molte applicazioni.

 

Per fare un confronto, ecco i valori di un RTD in platino a 2 fili con terminali aventi la stessa resistenza:

0,5 Ω / (138,5 – 100) x 0,01 = 1,3°C.

 

Grazie all'alta sensibilità degli RTD in nichel, è possibile misurare i valori dell'RTD con una precisione accettabile anche usando un trasmettitore a basso costo e di bassa precisione. Gli RTD in nichel si utilizzano nelle applicazioni di tipo HVAC e in altre applicazioni dove occorre contenere i prezzi.

 

Gli RTD in rame hanno la stessa velocità di dilatazione termica e la stessa isteresi elettromagnetica degli avvolgimenti in rame utilizzati nei motori elettrici e nei generatori. Ecco perché a volte si usano gli RTD in rame per misurare la temperatura degli avvolgimenti.

 

Il rame ha anche un rapporto temperatura/resistenza estremamente lineare, quindi consente di misurare con precisione un piccolo range di temperatura senza ulteriori linearizzazioni.

 

Ad esempio:

Un RTD Cu100 ha una resistenza di 100 Ω a 0°C e di 142,743 Ω a 100°C. Con un'estrapolazione lineare si ricava la resistenza teorica a 50°C: (R100 – R0)/2 + R0

 

= (142,743 – 100)/2 + 100 = 121,3715 Ω

 

In base alle tabelle della resistenza in funzione della temperatura pubblicate, l'RTD ha una resistenza di 121,3715 Ω a 50°C, quindi è funzionalmente lineare nel range 0…+100°C.

 

La non-linearità del rame non si manifesta, a meno che si eseguano le misure in un range esteso. Ad esempio, se si misura nel range 0…+200°C, da un'estrapolazione lineare si ottiene la resistenza teorica a 100°C di (185,675 - 100) / 2 + 100 = 142,838 Ω. Secondo le tabelle, tuttavia, la resistenza dell'RTD resistance a 100°C è di 142,743 Ω.

 

Una differenza di +0,095 Ω, che rispetto ai °C darebbe: 0,095 Ω / 0,427 Ω per grado = errore di +0,222°C.

 

Tolleranza dei sensori RTD

La maggior parte dei produttori di sensori costruisce RTD in platino con livelli di precisione conformi alle norme IEC 60751 o ASTM E1137 RTD.

 

La norma IEC 60751 definisce quattro classi di tolleranza: classe AA, A, B e C. La norma ASTM E1137 definisce due gradi di tolleranza: grado A e B.

 

 

 

Tenere presente che la norma IEC 60751 specifica un range massimo di temperatura per ogni classe. Ad esempio, un sensore di classe A con un elemento RTD a bobina deve garantire la tolleranza specificata nel range -100…+450°C. Se viene utilizzato fuori da tale range di temperatura, la precisione del sensore potrebbe essere di classe B.

 

I sensori conformi ai gradi di tolleranza A o B della ASTM E1137 devono garantire la tolleranza specificata nel range -200…+650°C.

 

Questa tabella mostra la tolleranza calcolata per ogni classe e grado degli RTD. Tenere presente che gli RTD di classe C hanno una grande tolleranza (±6,6°C) a 600°C. La maggior parte delle applicazioni industriali richiede l'utilizzo di RTD di classe B o con una tolleranza migliore.

 

 

 

Il grafico seguente mostra le tolleranze degli RTD conformi alla norma IEC 60751. Si può vedere che gli RTD sono più precisi a 0°C e mostrano un errore maggiore quando la temperatura aumenta o diminuisce rispetto a 0°C.

 

 

 

Molti costruttori di sensori offrono RTD con una tolleranza migliore di quella di classe AA. La tolleranza di questi RTD ad alta precisione generalmente è indicata come frazione della tolleranza di classe B. Nel grafico qui sotto, un RTD "1/5 classe B" ha una tolleranza di appena ±(0,06+0,001 ǀ t ǀ) nel range -30…150°C: cinque volte migliore rispetto alla tolleranza di un RTD di classe B.

 

 

 

Equazioni di Callendar-Van Dusen

Le equazioni di Callendar-Van Dusen descrivono la relazione tra temperatura e resistenza degli RTD in platino per uso industriale. Esistono due equazioni di Callendar-Van Dusen:

 

Per temperature < 0°C, la resistenza dell'RTD a una specifica temperatura vale:

Rt = R0[1 + At + Bt² + C (t - 100) t³]

 

Per temperature ≥ 0°C, la resistenza dell'RTD a una specifica temperatura vale:

Rt = R0(1 + At + Bt²)

 

I coefficienti A, B, C, α, δ, β sono univoci per ogni RTD. I seguenti valori si applicano agli RTD conformi alle norme IEC 60751 e ASTM E1137:

 

A = 3,9083 x 10-3

B = -5,775 x 10-7

C = -4,183 x 10-12

α = 3,85 x 10-3 *

β = 1,5°C

δ = 0,1086

 

* “α” è la costante "alfa". L'alfa corrisponde al coefficiente di resistenza/100:

α = (R100 – R0) / (100 x R0).

L'alfa di un RTD in platino conforme alla norma IEC 60751 è:

(138,5 – 100) / (100 x 100)

= 0,00385

 

L'alfa di un RTD in nichel è pari a:

0,672 / 100 = 0,00672.

 

L'alfa di un RTD in rame è pari a:

0,427 / 100 = 0,00427.

 

Caratterizzazione degli RTD

Neanche gli RTD di alta qualità seguono esattamente la curva IEC 60751 / ASTM E1137 R:T. Per migliorare ulteriormente la precisione, un laboratorio di calibrazione può "caratterizzare" un RTD. Per farlo si misura accuratamente la resistenza dell'RTD a diverse temperature, quindi si usano questi dati per ricavare i coefficienti α, δ, β, A, B e C.

 

Il 5437 trasmettitore di temperatura a 2 fili HART 7, il 5337 trasmettitore con protocollo HART e il 6337 trasmettitore HART a 2 fili si possono programmare con questi coefficienti, abbinando con cura il trasmettitore a un RTD caratterizzato, per misurare con una precisione eccezionale.

 

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[1] NOTE: Un RTD Cu100 ha un valore R100-R0, superiore e consente di misurare più facilmente rispetto a un RTD Cu9.035.

 

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