Tipo RTD
L'invenzione del termometro a resistenza è stata resa possibile dalla scoperta che la conduttività dei metalli diminuisce in modo prevedibile all'aumentare della loro temperatura. Il primo termometro a resistenza in assoluto è stato assemblato nel 1860 utilizzando filo di rame isolato, una batteria e un galvanometro. Tuttavia, il suo inventore, C.W. Siemens, scoprì ben presto che un elemento in platino forniva letture più accurate in un intervallo di temperature molto più ampio. Gli RTD disponibili oggi possono essere generalmente classificati in due tipi fondamentali, a seconda di come è costruito il loro elemento sensibile alla temperatura. Un tipo di RTD contiene elementi avvolti a filo e l'altro tipo di RTD contiene elementi a film sottile. Ciascun tipo è più adatto all'uso in determinati ambienti e applicazioni.
Gli RTD avvolti su filo (in particolare quelli con bobina interna) sono il tipo più preciso di RTD. Quelli con anima in vetro possono essere facilmente immersi in molti liquidi, mentre quelli con anima in ceramica possono essere utilizzati per misurare con precisione temperature estremamente elevate. Tuttavia, sono più costosi da produrre rispetto ai tipi a film sottile, poiché richiedono manodopera qualificata e impianti di assemblaggio avanzati. Inoltre, tendono ad essere più sensibili alle vibrazioni.
RTD a film sottile
Gli elementi RTD a film sottile sono realizzati depositando uno strato molto sottile di metallo (solitamente platino) su un materiale di substrato ceramico. Il film metallico viene tagliato al laser o inciso in un circuito elettrico che fornisce la quantità specificata di resistenza.Wire-wound RTDs (especially the inner-coil type) are the most accurate type of RTD. Those with glass cores can readily be immersed in many liquids, while those with ceramic cores can be used to accurately measure extremely high temperatures. However, they are more expensive to manufacture than thin-film types, requiring skilled labor and advanced assembly facilities. They also tend to be more vibration sensitive.
Thin-Film RTDs
Thin-film RTD elements are made by depositing a very thin layer of metal (usually platinum) onto a ceramic substrate material. The metal film is laser cut or etched into an electrical circuit pattern that provides the specified amount of resistance.Vengono quindi collegati i cavi conduttori e viene applicato un sottile rivestimento protettivo in vetro all'intero elemento.
Questo tipo di RTD è molto diffuso grazie alla sua robustezza, affidabilità e al basso costo. Gli elementi a film sottile sono più resistenti ai danni causati da urti o vibrazioni rispetto ad altri tipi di RTD. Il loro profilo piatto offre flessibilità di progettazione, consentendone l'uso in molteplici applicazioni industriali di controllo e strumentazione. Sono inoltre disponibili diverse opzioni di resistenza, tolleranza, dimensioni e forma.
In questi tipi di RTD, un film di platino o di metallo-vetro viene depositato o schermato su un piccolo substrato ceramico piatto, inciso con un sistema di rifinitura laser e sigillato. L'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.
Materiale dell'elemento resistivo
Diversi metalli sono comunemente utilizzati negli elementi resistivi e la purezza del metallo influisce sulle sue caratteristiche. Il platino è di gran lunga il più popolare grazie alla sua linearità con la temperatura. Altri materiali comuni sono il nichel e il rame, anche se questi stanno venendo sostituiti da elementi in platino.Metalli
Tutti i metalli producono una variazione positiva della resistenza al variare positivo della temperatura. Questa, ovviamente, è la funzione principale di un 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.| METALLO | RESISTIVITÀ | |
| Oro | Au | 13,00 |
| Argento | Ag | 8,8 |
| Rame | Cu | 9,26 |
| Platino | Pt | 59,00 |
| Tungsteno | W | 30,00 |
| Nichel | Ni | 36,00 |
Rilevatori di temperatura a resistenza (RTD) in platino
Il platino è il materiale più comunemente utilizzato per gli elementi di resistenza nei RTD per applicazioni industriali grazie alla sua elevata accuratezza, linearità con la temperatura, stabilità a lungo termine ed eccellente resistenza alla corrosione. Inoltre, gli RTD in platino sono resistenti alla corrosione e all'ossidazione e possono misurare un ampio intervallo di temperature.Rilevatori di temperatura a resistenza (RTD) in nichel
Anche il nichel è utilizzato come elemento resistivo per gli RTD nelle applicazioni industriali. Gli RTD in nichel hanno una buona resistenza alla corrosione e sono meno costosi di quelli in platino, ma il nichel invecchia rapidamente e, con il tempo, perde la sua accuratezza.Rilevatori di temperatura a resistenza in rame
Il rame è un materiale molto utilizzato per gli elementi resistivi nei sensori RTD per applicazioni industriali grazie alla sua eccellente conduttività elettrica, resistenza alla corrosione e basso costo di produzione. Il rame ha anche un ampio intervallo di temperature in cui è in grado di fornire misurazioni accurate, rendendolo ideale per una varietà di applicazioni industriali. Tuttavia, il rame è anche suscettibile all'ossidazione e può diventare fragile a causa dell'esposizione a temperature estreme. Inoltre, il rame è un metallo morbido, che lo rende più suscettibile ai danni causati dalle vibrazioni e dalle sollecitazioni meccaniche, che possono portare a letture inaccurate.Caratteristiche dell'elemento resistivo
Ci sono diversi dettagli molto importanti che devono essere specificati per identificare correttamente le caratteristiche dell'RTD: - Materiale dell'elemento resistivo (platino, nichel, ecc.)
- Coefficiente di temperatura
- Resistenza nominale
- Intervallo di temperatura di applicazione>
- Dimensioni fisiche o restrizioni dimensionali
- Accuratezza
Coefficiente di temperatura
Il coefficiente di temperatura di un elemento è una proprietà fisica ed elettrica del materiale. Si tratta di un termine che descrive la variazione media di resistenza per unità di temperatura dal punto di congelamento al punto di ebollizione dell'acqua. Diverse organizzazioni hanno adottato coefficienti di temperatura diversi come standard. Nel 1983, la IEC (International Electrotechnical Commission) ha adottato lo standard DIN (Deutsche Institute for Normung) di platino 100 ohm a 0 °C con un coefficiente di temperatura di 0,00385 ohm per grado centigrado. Questo è ora lo standard accettato dal settore nella maggior parte dei paesi, sebbene siano ampiamente utilizzate anche altre unità.Una breve spiegazione di come viene derivato il coefficiente è la seguente:
- Resistenza al punto di ebollizione (100 °C) = 138,50 ohm Resistenza al punto di congelamento (0 °C) = 100,00 ohm Dividere la differenza (38,5) per 100 gradi e poi dividere per il valore nominale di 100 ohm dell'elemento Il risultato è il coefficiente di temperatura medio (alfa) di 0,00385 ohm per ohm oC
- Pt TC = .003902 (standard industriale statunitense)
- Pt TC = 0,003920 (vecchio standard statunitense)
- Pt TC = 0,003923 (SAMA)
- Pt TC = 0,003916 (JIS)
- TC rame = 0,0042
- TC nichel = 0,00617 (DIN)
- Nickel TC = .00672 (Sempre meno comune negli Stati Uniti)
- Balco TC = .0052
- Tungsteno TC = .0045
Resistenza nominale
La resistenza nominale è il valore di resistenza prestabilito a una data temperatura. La maggior parte degli standard, compreso lo standard IEC-751, utilizza °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.Intervallo di 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 relative all'intervallo di temperatura variano a seconda dei diversi tipi (ad esempio, a film sottile, a filo avvolto e incapsulati in vetro).Dimensioni fisiche o restrizioni dimensionali
La dimensione più critica dell'elemento è il diametro esterno (O.D.), poiché l'elemento deve spesso inserirsi in una guaina protettiva. Gli elementi di tipo a film non hanno dimensioni O.D. Per calcolare una dimensione equivalente, è necessario trovare la diagonale di una sezione trasversale terminale (che corrisponderà alla distanza massima tra i due lati dell'elemento inserito nella guaina).Ad esempio, utilizzando un elemento di 10 x 2 x 1,2 mm, la diagonale può essere calcolata estraendo 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, è bene ricordare che qualsiasi elemento di larghezza pari o inferiore a 2 mm si inserirà in una guaina con diametro esterno di 1/8" e pareti di 0,010", in linea generale. Gli elementi di 1,5 mm di larghezza si inseriscono tipicamente in una guaina con foro di 0,084" (fare riferimento alla Figura 1).
Precisione
Le specifiche IEC 751 per le termocoppie in platino hanno adottato i requisiti DIN 43760 per la precisione. Gli elementi DIN-IEC Classe A e Classe B sono mostrati nella Figura 2 e nella Figura 3.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 diametro 1/4" 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.Corrente di misura e autoriscaldante
La misura 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 misurazione della temperatura Δ T (ºC) può quindi essere calcolato da Δ T = P x S.Specifiche dell'elemento resistivo
- Stabilità: migliore di 0,2 oC dopo 10.000 ore alla temperatura massima (1 anno, 51 giorni, 16 ore in continuo)
- Resistenza alle vibrazioni: 50 g a 500 oC; 200 g a 20 oC; 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 di autoriscaldamento 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.
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