SENSORI DI TEMPERATURA



 

TERMO-RESISTORI: RTD  (Pt100)

I termo-resistori o RTD (Resistance temperature detectors) sono costituiti da elementi resistivi, a filo metallico, caratterizzati da un coefficiente di temperatura della resistività positivo e di modesto valore. Si è già detto che il legame fra temperatura e resistenza elettrica di un elemento metallico non è lineare, e può essere espresso mediante un modello matematico del tipo:

                                

in cui R(T) è la resistenza dell'elemento alla temperatura generica T ed R0 è il valore della resistenza alla temperatura di riferimento T0; a, b, c sono infine delle costanti il cui valore dipende dal tipo di metallo impiegato per la costruzione dell'elemento sensibile. m Scegliendo opportunamente la composizione chimica del metallo usato per costruire il sensore, si possono ottenere dei valori dei coefficienti a e b tali da poter ritenere trascurabili, nei campi usuali di temperatura, gli effetti dei termini cubici e superiori: per il platino, per esempio, si hanno i seguenti valori:

                                   a = 3.91 10-3 °C-1

                                   b = -5.80 10-7 °C-2 .

Indicando nella (18) con il simbolo DT la differenza (T-T0) si può ricavare la espressione della variazione relativa di resistenza  

 

per cui, ipotizzando un DT = 100 °C, si ottiene che la variazione di resistenza, espressa in termini relativi, vale:

   = 0.391 - 0.006 = 0.385

Come si può notare il comportamento del sensore può ancora essere considerato lineare in quanto il rapporto fra il termine quadratico e quello lineare è assai modesto.
I sensori RTD più diffusi sono quelli a platino (Pt) e quelli a lega di nickel e rame (NiCu). I primi, in particolare, sono preferiti per la elevata stabilità del platino che reagisce modestamente con gli altri elementi chimici ‑il platino è un "metallo nobile"‑. I sensori al platino sono spesso costruiti per presentare una resistenza di 100 ohm alla temperatura di 0 °C: in questo caso vengono chiamati "Resistenze Pt100".
I principali difetti dei sensori RTD sono costituiti dalla bassa sensibilità, dall'elevato costo, dalla impossibilità di essere usati per misure di temperatura puntuale, dalla influenza delle resistenze di contatto e quindi dalla necessità di essere usati in configurazione a quattro morsetti, dalla sensibilità agli urti ed alle accelerazioni.

TERMISTORI : PTC E NTC

I termistori sono elementi ceramici caratterizzati da un elevato valore del coefficiente di temperatura della resistività. Si possono realizzare termistori con coefficiente positivo, chiamati usualmente PTC, oppure negativo detti NTC, ma per le migliori caratteristiche metrologiche mostrate da questi ultimi, i sensori di temperatura sono basati esclusivamente sui materiali a coefficiente negativo. In questi elementi il legame fra la resistenza e la temperatura è difficilmente riportabile ad un modello matematico e, solamente in un campo ristretto, è possibile applicare una espressione empirica:

I valori di resistenza tipici degli NTC sono molto elevati, compresi ‑come mostra la figura 31‑ fra i 100 ohm ed 1 Mohm; valori tanto elevati permettono di trascurare le influenze delle resistenze parassite dei contatti e dei reofori. Al tempo stesso, come si può sempre notare dalla figura 1, il legame fra la resistenza e la temperatura è fortemente non lineare è può essere linearizzato localmente solamente in campi di temperature molto ristretti.

 Andamento della resistenza di alcuni termistori NTC  e di un termoresistore Pt100 al variare della temperatura

Fig. 1: andamento della resistenza di alcuni termistori NTC  e di un termoresistore Pt100 al variare della temperatura

Il principale requisito dei termistori è costituito dalla elevatissima sensibilità che, se confrontata con quella delle termo-resistenza al platino, fa comprendere come questi sensori possano egregiamente essere utilizzati per controlli a soglia oppure per sistemi di sicurezza.
Il problema principale che deve essere tenuto presente da chi fa uso di termistori NTC è costituito dalle conseguenze termiche del coefficiente negativo di resistività: supponendo di alimentare il termistore controllando il valore della corrente, un lento e progressivo aumento di questa si riflette in un conseguente aumento della potenza dissipata per effetto Joule sul termistore ed in un aumento della temperatura. L'aumento della temperatura, d'altro canto, provoca una progressiva diminuzione della  resistenza del componente che, superato un punto di massimo per la potenza dissipata, inizia a vedere calare progressivamente la caduta di tensione cui è sottoposto. Se la alimentazione fosse attuata mediante un controllo di tensione anziché di corrente, la caratteristica negativa potrebbe portare il componente ad operare in una regione in cui un aumento della temperatura del termistore, causando una diminuzione della resistenza, provocherebbe un aumento della corrente richiamata. Si avrebbe allora un conseguente aumento della potenza dissipata ed un ulteriore aumento di temperatura: il fenomeno, per la auto esaltazione conseguente, potrebbe così provocare una instabilità termica del componente che, in assenza di adeguate protezioni, porterebbe al danneggiamento del sensore.