Il termometro a resistenza (Dispositivo termico a resistenza o RTD) è uno strumento che sfrutta una proprietà che gli oggetti hanno - la resistenza elettrica - per misurare la temperatura. Questa procedura è nota come misurazione di termoresistenza.
La resistenza elettrica è un parametro molto adatto, poiché in molti casi tende ad aumentare linearmente con la temperatura. Si dice che una certa proprietà X è termometrica, cioè può essere utilizzata per misurare la temperatura T, quando la relazione tra X e T è lineare:
X = k ∙ΔT
Dove k è una costante di proporzionalità da determinare.
Una proprietà termometrica ben nota è l'espansione del mercurio al riscaldamento, utilizzata in un termometro clinico. Altri termometri utilizzano gas, fogli di metallo che si espandono con l'aumentare della temperatura, della resistenza o utilizzano la luminosità di un filamento, tra le altre proprietà..
È conveniente avere questa gamma di possibilità perché la temperatura è una delle quantità più caratteristiche di qualsiasi sistema, sia esso biologico o inanimato. Questo è il motivo per cui è la grandezza che viene misurata maggiormente nei processi industriali e, per gli intervalli che vengono gestiti in ciascuno di essi, alcune proprietà termometriche sono preferibili ad altre..
Indice articolo
I termometri a resistenza hanno le seguenti caratteristiche:
-Sono molto semplici nel funzionamento. L'elemento sensore è costituito da un filo in metallo, platino, nichel, tungsteno e rame, essendo il più utilizzato..
-Offrono una lettura rapida.
-Alta precisione.
-Funziona in un'ampia gamma di temperature.
I materiali utilizzati per realizzare le termoresistenze sono conduttori il cui resistività quasi sempre aumenta con la temperatura. Resistenza e resistività non sono sinonimi, ma sono strettamente correlate.
Il resistività È il rapporto tra il campo elettrico che si crea all'interno del materiale quando circola la corrente e la densità di detta corrente. È quindi una proprietà del materiale.
Per alcuni materiali, chiamato ohmico, la relazione tra campo elettrico e densità di corrente è lineare. All'aumentare della temperatura, gli ioni del conduttore aumentano le loro vibrazioni e con essa l'opposizione al passaggio della corrente.
La resistenza è invece una proprietà del conduttore, determinata non solo dalla resistività del materiale, ma dalla geometria: lunghezza e area della sezione trasversale.
Se la sezione trasversale viene mantenuta costante, la relazione tra queste quantità è:
L'unità per la resistenza elettrica nel Sistema Internazionale è l'ohm (Ω), mentre la resistività è espressa in Ω ∙ m, sebbene sia comune trovare Ω ∙ mm.
Nei metalli, la resistività aumenta con la temperatura in modo lineare:
ρ (T) = ρo (1 + α ∙ ΔT)
Dove ρ è la resistività del materiale a una data temperatura, ρo è la resistività alla temperatura di riferimento, generalmente 0ºC o 20 ºC, α è il coefficiente termico del materiale e ΔT è la variazione di temperatura.
Poiché la resistenza dipende dalla resistività del materiale, se la differenza di temperatura non è molto grande, è vero che:
R (T) = Ro (1+ α ∙ ΔT)
La resistenza è facile da misurare e poiché la relazione con la temperatura è lineare, è una buona proprietà termometrica..
L'elemento centrale della termoresistenza è un filo metallico avvolto attorno a un supporto isolante, solitamente in mica, ceramica o vetro. È racchiuso in un tubo riempito di polvere isolante e avvolto in strati isolanti, sigillati contro l'umidità..
La pressione all'interno del tubo viene mantenuta bassa, per evitare la formazione di ossidi che causano errori nelle letture. L'assemblaggio è piccolo: tra 1-5 mm di diametro e 10-50 mm di lunghezza, ricoperto a sua volta da una controcassa che serve a proteggerlo, poiché il dispositivo è delicato e va maneggiato con cura.
Il platino, un metallo prezioso, è il materiale più utilizzato per produrre la resistenza, poiché è molto stabile in un ampio intervallo di temperature e fornisce misurazioni estremamente precise, al punto da servire come standard internazionale per la temperatura nell'intervallo di -260 ° C . - 630 ° C. Tuttavia, le termoresistenze al platino possono essere prodotte con una gamma molto più ampia..
Per misurare i cambiamenti nella resistenza del filo, deve essere incorporato in un circuito speciale chiamato Ponte di Wheatstone, utilizzato per misurare resistenze o impedenze sconosciute.
Questo viene fatto utilizzando sottili fili di rame (due, tre o quattro fili di rame, più fili, più preciso è il termometro, quelli di tre sono i più comuni).
Affinché il dispositivo funzioni, è necessario fornire una piccola corrente di misura, il cui valore è prossimo a 1 mA (più è basso, meglio è per evitare un riscaldamento eccessivo) e viene misurata la caduta di tensione prodotta. Conoscendo la corrente e la tensione, la resistenza del sensore viene determinata con la legge di Ohm e attraverso di essa la temperatura.
La linearità del rapporto tra resistenza e temperatura non è sempre soddisfatta con totale precisione in tutti gli intervalli di temperatura, questo dipende molto dal materiale del filo.
Il problema della non linearità può essere superato impiegando un circuito aggiuntivo o semplicemente facendo uso del grafico resistenza contro temperatura, chiamato curva caratteristica, come quello mostrato:
Curva caratteristica della termoresistenza al platino Pt-100 o 100 Ω. Fonte: Wikimedia Commons.
Le termoresistenze al platino sono realizzate in base alla resistenza della bobina: Pt-25, Pt-100 e Pt-1000 sono le più utilizzate.
Le lettere "Pt" si riferiscono al simbolo chimico del platino e il numero è la resistenza del filo alla temperatura di riferimento di 0ºC. Maggiore è la resistenza, più sensibile è il termometro, poiché offre una maggiore variazione di resistenza a parità di variazione di temperatura. Tuttavia, il Pt-100 è il più utilizzato a livello industriale, con una risoluzione di un decimo di grado..
Invece di avvolgimenti di filo o bobina, alcuni produttori utilizzano un sottile strato di platino depositato sopra un substrato ceramico isolante. Ciò riduce le dimensioni del dispositivo e lo rende ancora più preciso e veloce..
La termoresistenza è preferibilmente utilizzata nell'industria chimica, farmaceutica e alimentare, nonché in aree dove è richiesta un'elevata precisione nella misura della temperatura per garantire prodotti di qualità.
Il produttore dello strumento indica la gamma di temperature che può misurare con precisione. Fuori dalla loro portata, i termometri non forniscono misurazioni accurate e nel peggiore dei casi l'elemento sensibile è danneggiato.
La misurazione accurata della temperatura ambiente è importante nell'industria automobilistica, i cui processi di assemblaggio, saldatura e test del motore producono molto calore nell'ambiente. In questi casi si preferisce generalmente la termoresistenza in rame..
Per misurare la temperatura del motore di un'auto, viene utilizzata una resistenza elettrica come elemento termometrico.
Per determinare la temperatura di forni fusori industriali, caldaie, frigoriferi e reattori nucleari.
Inoltre, il controllo preciso della temperatura è molto importante per l'industria alimentare, poiché le mantiene fresche e prive di germi più a lungo..
Le termoresistenze al platino vengono utilizzate per rilevare le onde gravitazionali. Il dispositivo creato per questo scopo è costituito da due interferometri, che sono strumenti ottici per misurare le interferenze dalla luce..
Gli interferometri utilizzano specchi per dirigere correttamente i raggi laser e la loro temperatura viene continuamente monitorata per garantire che mantengano la curvatura corretta e assicurino misurazioni accurate..
I vantaggi includono:
-Alta precisione.
-Varietà di usi.
-Ampia gamma di misurazione che consente loro di essere utilizzati in vari settori.
-Rimangono stabili a lungo.
-Sono lineari o molto vicini alla linearità su un'ampia gamma di temperature.
Sebbene le limitazioni includono:
-Non vengono utilizzati per temperature superiori a 660ºC.
-Né inferiore a -270 ºC.
-Devono essere maneggiati con cura.
-Sono meno sensibili dei dispositivi più economici come i termistori e in alcune applicazioni il loro tempo di risposta è più lungo di questi.
-I termometri al platino sono costosi.
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