Elementi resistivi e RTD

Introduzione

Gli elementi RTD sono disponibili in molti tipi conformi a diversi standard, in grado di funzionare in diversi intervalli di temperatura, con varie dimensioni e precisoni disponibili. Tuttavia, funzionano tutti allo stesso modo: ciascuno ha un valore di resistenza predefinito a una temperatura nota che cambia in modo prevedibile. In questo modo, misurando la resistenza dell'elemento, è possibile determinarne la temperatura da tabelle, calcoli o strumentazione. Questi elementi resistivi sono il cuore dell'RTD (Resistance Temperature Detector, rilevatore di temperatura a resistenza). In genere, un elemento resistivo nudo è troppo fragile e sensibile per essere utilizzato nella sua forma grezza, quindi deve essere protetto incorporandolo in un RTD (pt100 o pt1000).

Rilevatore di temperatura a resistenza è un termine generico che indica qualsiasi dispositivo che rileva la temperatura misurando la variazione di resistenza di un materiale. Gli RTD sono disponibili in diverse forme, ma solitamente si presentano sotto forma di guaina. Una Sonda RTD è un insieme composto da un elemento resistivo, una guaina, un filo conduttore e una terminazione o connessione. La guaina, un tubo chiuso alle estremità, immobilizza l'elemento, proteggendolo dall'umidità e dall'ambiente da misurare. La guaina fornisce inoltre protezione e stabilità ai fili conduttori di transizione dai fragili fili dell'elemento.

Alcune sonde RTD possono essere combinate con pozzetti termometrici per una protezione aggiuntiva. In questo tipo di applicazione, il pozzetto termometrico non solo aggiunge protezione all'RTD, ma sigillare anche qualsiasi sistema che l'RTD deve misurare (ad esempio un serbatoio o una caldaia) dal contatto effettivo con l'RTD. Ciò diventa un grande aiuto nella sostituzione dell'RTD senza svuotare il serbatoio o il sistema.

Thermocouples are the old tried and true method of electrical temperature measurement. They function very differently from RTD’s but generally appear in the same configuration: often sheathed and possibly in a thermowell. Basically, they operate on the Seebeck effect, which results in a change in thermoelectric emf induced by a change in temperature. Many applications lend themselves to either RTD’s or thermocouples. Thermocouples tend to be more rugged, free of self-heating errors and they command a large assortment of instrumentation. However, RTD’s, especially platinum RTD’s, are more stable and accurate.

Elementi RTD a film metallico

Nella tecnica di costruzione più recente, un film di platino o di vetro metallico viene depositato o schermato su un piccolo substrato ceramico piatto, inciso con un sistema di rifinitura laser e sigillato. Il RTD a film offre una notevole riduzione dei tempi di assemblaggio e presenta l'ulteriore vantaggio di una maggiore resistenza per una data dimensione. Grazie alla tecnologia di produzione, le dimensioni del dispositivo sono ridotte, il che significa che può rispondere rapidamente ai cambiamenti di temperatura. Gli RTD a film sono attualmente meno stabili rispetto ai loro omologhi realizzati a mano, ma stanno diventando sempre più popolari grazie ai loro evidenti vantaggi in termini di dimensioni e costi di produzione. Questi vantaggi dovrebbero fornire lo slancio necessario per la ricerca futura volta a migliorare la stabilità.

Metalli - Tutti i metalli producono una variazione positiva della resistenza al variare positivo della temperatura. Questa, ovviamente, è la funzione principale del sensore RTD. Come vedremo tra poco, l'errore di sistema è ridotto al minimo quando il valore nominale della resistenza RTD è elevato. Ciò implica un filo metallico con un'alta resistività. Più bassa è la resistività del metallo, più materiale dovremo utilizzare.

La tabella seguente elenca le resistività dei materiali comuni per un termometro a resistenza.

A causa della loro bassa resistività, l'oro e l'argento sono raramente utilizzati come elementi RTD. Il tungsteno ha una resistività relativamente alta, ma è riservato ad applicazioni ad altissime temperature perché è estremamente fragile e difficile da lavorare.

Il rame è usato occasionalmente come elemento RTD. La sua bassa resistività costringe l'elemento ad essere più lungo di un elemento in platino, ma la sua linearità e il costo molto basso lo rendono un'alternativa economica. Il suo limite di temperatura superiore è solo di circa 120 °C.

Gli RTD più comuni sono realizzati in platino, nichel o leghe di nichel. I fili economici derivati dal nichel sono utilizzati in un intervallo di temperatura limitato. Sono piuttosto non lineari e tendono a deviare nel tempo. Per l'integrità della misurazione, il platino è la scelta più ovvia.

Resistance Element Characteristics

There are several very important details that must be specified in order to properly identify the characteristics of the RTD:

1. 1. Material of Resistance Element (Platinum, Nickel, etc.)
2. 2. Temperature Coefficient
3. 3. Nominal Resistance
4. 4. Temperature Range of Application>
5. 5. Physical Dimensions or Size Restrictions
6. 6. Accuracy

1. Material of Resistance Element

Several metals are quite common for use in resistance elements and the purity of the metal affects its characteristics. Platinum is by far the most popular due to its linearity with temperature. Other common materials are nickel and copper, although most of these are being replaced by platinum elements. Other metals used, though rarely, are Balco (an iron-nickel alloy), tungsten and iridium.

2.Temperature Coefficient

The temperature coefficient of an element is a physical and electrical property of the material. This is a term that describes the average resistance change per unit of temperature from ice point to the boiling point of water. Different organizations have adopted different temperature coefficients as their standard. In 1983, the IEC (International Electrotechnical Commission) adopted the DIN (Deutsche Institute for Normung) standard of Platinum 100 ohm at 0ºC with a temperature coefficient of 0.00385 ohms per ohm degree centigrade. This is now the accepted standard of the industry in most countries, although other units are widely used. A quick explanation of how the coefficient is derived is as follows: Resistance at the boiling point (100ºC) =138.50 ohms. Resistance at ice point (0ºC) = 100.00 ohms. Divide the difference (38.5) by 100 degrees and then divide by the 100 ohm nominal value of the element. The result is the mean temperature coefficient (alpha) of 0.00385 ohms per ohm per ºC.

Alcuni dei materiali e dei coefficienti di temperatura meno comuni sono:
Pt TC = .003902 (standard industriale statunitense)
Pt TC = .003920 (vecchio standard degli Stati Uniti)
Pt TC = .003923 (SAMA)
Pt TC = .003916 (JIS)
Rame TC = .0042
Nichel TC = 0.00617 (DIN)
Nichel TC = .00672 (sempre meno comune negli Stati Uniti)
Balco TC = .0052
Tungsteno TC = 0,0045
Si prega di notare che i coefficienti di temperatura sono valori medi compresi tra 0 e 100 °C. Ciò non significa che le curve di resistenza rispetto alla temperatura siano realmente lineari nell'intervallo di temperatura specificato.

3. Resistenza nominale

La resistenza nominale è il valore di resistenza prestabilito a una data temperatura. La maggior parte delle norme, compresa la IEC-751, utilizzano 0 °C come punto di riferimento. Lo standard IEC è 100 ohm a 0 °C, ma sono disponibili altre resistenze nominali, come 50, 200, 400, 500, 1000 e 2000 ohm.

4.Intervallo temperatura di applicazione

A seconda della configurazione meccanica e dei metodi di produzione, gli RTD possono essere utilizzati da -270 °C a 850 °C. Le specifiche per l'intervallo temperatura saranno diverse, ad esempio per i tipi a film sottile, a filo avvolto e incapsulati in vetro.

5. Dimensioni fisiche o restrizioni dimensionali

La dimensione più critica dell'elemento è il diametro esterno (O.D.), poiché l'elemento deve spesso inserirsi all'interno di una guaina protettiva. Gli elementi di tipo a film non hanno una dimensione O.D. Per calcolare una dimensione equivalente, è necessario trovare la diagonale di una sezione trasversale terminale (questa sarà la distanza massima attraverso l'elemento quando viene inserito in una guaina).

Ad esempio, utilizzando un elemento di 10 x 2 x 1,5 mm, la diagonale può essere trovata calcolando la radice quadrata di (22 + 1,52).Pertanto, l'elemento si inserirà in un foro con diametro interno di 2,5 mm (0,98"). Per motivi pratici, ricordare che qualsiasi elemento largo 2 mm o meno si inserirà in una guaina con diametro esterno di 1/8" e pareti di 0,010", in linea generale. Gli elementi larghi 1,5 mm si inseriscono tipicamente in una guaina con foro di 0,084". Fare riferimento alla Figura 1.

6. Accuratezza

Le specifiche IEC 751 per i termometri a resistenza in platino hanno adottato i requisiti DIN 43760 per l'accuratezza. Gli elementi DIN-IEC Classe A e Classe B sono riportati nel grafico in questa pagina.

7. Tempo di risposta

La risposta al 50% è il tempo necessario all'elemento del termometro per raggiungere il 50% del suo valore di stato stazionario. La risposta al 90% è definita in modo simile. Questi tempi di risposta degli elementi sono indicati per acqua che scorre a una velocità di 0,2 m/s e aria che scorre a 1 m/s. È possibile calcolarli per qualsiasi altro mezzo con valori noti di Conducibilità termica. In una guaina di 1/4" di diametro immersa in acqua che scorre a 3 piedi al secondo, il tempo di risposta al 63% di una variazione graduale della temperatura è inferiore a 5,0 secondi.

8. Corrente di misura e autoriscaldamento

La misurazione della temperatura viene effettuata quasi esclusivamente con corrente continua. Inevitabilmente, la corrente di misura genera calore nell'RTD. Le correnti di misura ammissibili sono determinate dalla posizione dell'elemento, dal mezzo da misurare e dalla velocità dei mezzi in movimento. Un fattore autoriscaldante, "S", fornisce l'errore di misura per l'elemento in ºC per milliwatt (mW). Con un dato valore di corrente di misura, I, il valore in milliwatt P può essere calcolato da P = I2R, dove R è il valore di resistenza dell'RTD. L'errore di misura della temperatura Δ T (ºC) può quindi essere calcolato da Δ T = P x S.

Specifiche dell'elemento resistivo

Stabilità: Migliore di 0,2 °C dopo 10.000 ore alla temperatura massima (1 anno, 51 giorni, 16 ore in continuo).

Resistenza alle vibrazioni: 50 g a 500 °C; 200 g a 20 °C; a frequenze da 20 a 1000 cps.

Resistenza agli shock termici: In aria forzata: su tutto l'intervallo di temperatura. In un raffreddamento ad acqua: da 200 a 20 °C.

Sensibilità alla pressione: inferiore a 1,5 x 10-4 C/PSI, reversibile.

Errori autoriscaldanti e tempi di risposta: fare riferimento alle pagine specifiche del Manuale delle temperature per il tipo di elemento selezionato.

Autoinduttanza dalla corrente di rilevamento: può essere considerata trascurabile per gli elementi a film sottile; tipicamente inferiore a 0,02 microhenry per gli elementi a filo avvolto.

Capacità: Per gli elementi a filo avvolto: calcolata inferiore a 6 picofarad; per gli elementi a film: la capacità è troppo piccola per essere misurata ed è influenzata dal collegamento del filo conduttore. I collegamenti dei fili con l'elemento possono indicare una capacità di circa 300 pF.

Prodotti correlati Scopri di più su  RTD-2-F3105 ELEMENTO RTD STILE 3, 4 FILI CON CONNESSIONE PER HH804 Ordina ora

Articoli correlati a: Elementi resistivi e RTD

Product Info

Che cos'è un riscaldatore a immersione? Tipi di elementi riscaldanti a immersione Che cos'è un riscaldatore a immersione?

Product Info

Che cos'è un riscaldatore elettrico industriale? Che cos'è un riscaldatore industriale?