LE TERMORESISTENZE
Le termoresistenze sono dei trasduttori di temperatura visto che al variare della temperatura esse hanno una corrispondente variazione di resistenza. Se però inseriamo le RTD in un ramo del ponte di Wheatstone si fa si che diventino dei sensori, infatti vi è una trasformazione d'energia termica in energia elettrica. I trasduttori possono dividersi in due categorie, la prima detta dei trasduttori autogeneranti, la seconda corrispondente ai trasduttori modulanti, in relazione al fatto che, nel primo caso il trasduttore per generare il segnale di uscita utilizza esclusivamente l'energia del segnale d'ingresso che si vuole trasdurre, mentre nel secondo caso per generare il segnale di uscita è necessario, oltre che a quella d'ingresso, un'altra forma di energia, detta energia di attivazione. La nostra termoresistenza semplice non è un trasduttore modulante ma lo diventa una volta inserita nel ponte di Wheatstone la cui energia di attivazione è costituita dalla f.e.m. con cui si alimenta il ponte stesso.
Le termoresistenze da noi utilizzate sono del tipo PT100 in platino, così denominate per via del fatto che a 0 gradi centigradi corrisponde una resistenza di 100W .
La relazione fisica che lega le variazioni di resistenza a quelle di temperatura per l'intervallo da –200°C a 0°C è:
Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100°C)t3],
mentre quella per il range da 0°C a 850°C è:
Rt=R0(1+At+Bt2).
In entrambe le equazioni si può notare la presenza, oltre che ovviamente delle variabili temperatura (t) e resistenza (R), del valore della resistenza del platino a zero gradi centigradi (R0=100W ) e quella di tre costanti sperimentali (A=3,9083x10-3 °C-1, B=-5,775x10-7 °C-2, C=-4,183x10-12 °C-4) i cui valori ci sono stati forniti dalla casa costruttrice. La caratteristica del dispositivo è sicuramente non lineare.
Nel caso, come nel nostro, in cui vi sia una certa distanza tra il punto in cui vengono effettuate le misure ed il punto in cui vengono condizionati i segnali vi è il rischio che i fili di collegamento siano particolarmente lunghi la loro e quindi la resistenza può influire su quella del trasduttore falsando così le letture. Per compensare le variazioni di resistenza della linea di collegamento abbiamo utilizzato una termoresistenza a tre fili di cui riportiamo lo schema , anche se una a quattro sarebbe ancora più appropriata per questo scopo.
Se R11 e R12 variano o per variazione della temperatura o della lunghezza non influenzano la indicazione della termoresistenza perché R11 e R12 sono sistemati su due lati adiacenti del ponte. In pratica i vertici del ponte diventano A,B,C, vicino alla Rt e D. La resistenza R13 non ha influenza perché risulta fuori del ponte e nei fili di alimentazione.
Le termoresistenze si basano sul fatto che la resistività dei conduttori metallici aumenta con la temperatura secondo una legge caratteristica di ogni metallo. In pratica le termoresistenze sono costruite esclusivamente con filo di platino, nichel o rame, per l’alto grado di purezza con cui possono essere ottenuti questi metalli e la buona riproducibilità delle loro caratteristiche elettriche. Il rame ha un coefficiente di temperatura simile a quello del platino e può essere usato convenientemente nel campo che varia da –50°C a 250°C, il nichel può sostituire il platino nel campo da –200°C a 350°C e per di più ha un coefficiente di temperatura di circa 1.5 volte superiore.
Le teroresistenze di platino possono essere usate nel range da –200°C a 600°C.
L’intervallo fondamentale di una termoresistenza è definito come la differenza di resistenza tra 100°C e 0°C, solitamente, per i sensori da laboratorio tale intervallo è di 1/10 W ; per termoresistenze di uso industriale l’intervallo vale fino a 100 W , con conseguente aumento di sensibilità.
La termoresistenza può essere costituita da un filo metallico sottile avvolto su una piastrina di mica, o un supporto di ceramica o steatite; il tutto è ricoperto di smalto ceramico, e introdotto in una custodia protettiva metallica. L’avvolgimento è eseguito a doppia elica per rendere la termoresistenza insensibile alle f.e.m. introdotte da campi magnetici variabili. Le giunzioni con i cavi di collegamento dovranno essere eseguite evitando resistenze di contatto, e possibilità di generazione di f.e.m. termoelettriche, facendo in modo che i collegamenti tra metalli diversi siano sempre isotermi.
Per avere una buona velocità di risposta, per poter eseguire misure di temperatura rapidamente variabili è necessario che il bulbo e la termoresistenza abbiano piccola inerzia termica, cioè in definitiva piccole dimensioni, e buona trasmissione del calore al sensore; l'esigenza di avere piccole dimensioni contrasta ovviamente con l'esigenza di avere elevate sensibilità.