I sensori Pt100 e Pt1000 sono dei rilevatori di temperatura ed in particolare sono termoresistenze (in inglese Resistance Temperature Detectors – RTD) in platino. Questi tipi di sonde termiche trovano applicazione in svariati settori ed applicazioni poiché permettono una misura precisa della temperatura. Il funzionamento dei sensori PT100 e PT1000 si basa sul principio fondamentale che la resistenza elettrica del platino cambia quasi linearmente con la temperatura.
A 0 °C, un Pt100 ha una resistenza di 100 ohm e un Pt1000 ha una resistenza di 1000 ohm. All’aumentare della temperatura, aumenta anche la resistenza, seguendo una relazione quasi lineare e prevedibile. Misurando questa variazione di resistenza, questi sensori possono fornire letture accurate della temperatura. La precisione degli RTD al platino, in particolare Pt100 e Pt1000, è uno dei motivi per cui sono ampiamente utilizzati in applicazioni in cui è fondamentale un controllo esatto della temperatura.
La capacità dei sensori Pt100 e Pt1000 di misurare con precisione la temperatura in ambienti di vario tipo, li rende indispensabili in settori quali lavorazione alimentare, produzione farmaceutica, sistemi di climatizzazione ed industria di processo. Oltre che negli ambienti industriali, sono utilizzati anche nella ricerca, nelle applicazioni mediche e nel settore aerospaziale, in cui il controllo della temperatura e la precisione sono fattori essenziali.
In questo articolo verrano presentate le caratteristiche fondamentali del sensore Pt100 e del sensore Pt1000, ne verrà spiegato il funzionamento e le modalità di impiego. Viene mostrata infine la tabella di corrispondenza tra temperatura e resistenza.
Che cos’è una termoresistenza al platino
La termoresistenza al platino è un sensore di temperatura la cui resistenza è realizzata in platino. Tale materiale è utilizzato perchè in grado di garantire una variazione della sua resistenza molto stabile rendendo possibile quindi una misura affidabile della temperatura. La variazione della temperatura del platino è pressoché lineare e quindi risulta molto facile, una volta misurata la sua resistenza, dedurne la temperatura.
Il platino ha un coefficiente di temperatura positivo, questo significa che la sua struttura atomica è tale da avere un aumento della resistenza elettrica (e quindi una diminuzione della sua conducibilità elettrica) all’aumentare della temperatura. Il coefficiente di temperatura del platino è 3,851*10-3 ºC-1.
Cosa vuol dire Pt100
Pt100 è un tipo di sensore di temperatura a termoresistenza: Resistance Temperature Detector (RTD). “Pt” sta per Platino, il materiale utilizzato nel sensore, e “100” indica che ha una resistenza di 100 ohm a 0°C.
Una sonda Pt100 è una termoresistenza in platino che garantisce una resistenza pari a 100 Ω alla temperatura di 0 ºC.
Caratteristiche principali:
- Materiale: Platino, scelto per la sua variazione di resistenza stabile e prevedibile con la temperatura.
- Variazione di resistenza: La resistenza di un Pt100 aumenta con la temperatura. Ad esempio:
- A 0°C → 100 Ω
- A 100°C → ~138,5 Ω
- A 200°C → ~175,8 Ω
- Precisione e stabilità: Più preciso delle termocoppie in intervalli di temperatura inferiori (fino a ~850°C).
Applicazioni comuni:
- Misurazione della temperatura industriale
- Laboratori
- Sistemi di climatizzazione
- Applicazioni automobilistiche
Cos vuol dire Pt1000
Pt1000 è un altro tipo di Resistance Temperature Detector (RTD), simile al Pt100, ma con un valore di resistenza più elevato. “Pt” sta per Platino, il materiale utilizzato nel sensore, e “1000” indica che ha una resistenza di 1000 ohm a 0°C.
Una sonda Pt1000 è una termoresistenza in platino che garantisce una resistenza pari a 1000 Ω alla temperatura di 0 ºC.
Caratteristiche principali:
- Materiale: Platino.
- Variazione di resistenza: La resistenza di un Pt1000 aumenta con la temperatura. Ad esempio:
- A 0°C → 1000 Ω
- A 100°C → ~1385,1 Ω
- A 200°C → ~1758,6 Ω
- Precisione e stabilità: Più preciso dei sensori PT100.
Applicazioni comuni:
- Sistemi di climatizzazione
- Controllo della temperatura in ambito industriale legato ad aspetti di sicurezza o monitoraggio del processo di produzione
- Monitoraggio della temperatura di precisione
- Applicazioni in cui è necessario un consumo di corrente estremamente basso
I sensori Pt1000, con la loro maggiore resistenza di base, sono particolarmente utili in applicazioni che richiedono misurazioni della temperatura ad alta risoluzione e in cui sono coinvolte lunghe tratte di cavi, poiché il segnale può essere misurato più facilmente con una perdita di segnale minima.
Pt100 principio di funzionamento
Il funzionamento di una termoresistenza in generale e quindi anche di quelle al platino prevede che questa venga posta in diretto contatto con l’elemento di cui si vuole conoscere la temperatura e, misurando la variazione di resistenza del sensore si determina la temperatura dell’oggetto. In alcune applicazione la sonda viene detta ad immersione in quanto è immersa nel fluido di cui si vuole misurare la temperatura.
Il principio su cui si basa il funzionamento di un sensore Pt100, ed analogamente del Pt1000, è che la resistenza elettrica del platino aumenta linearmente con l’aumentare della temperatura.
Caratteristiche di base
- Il sensore Pt100 contiene un elemento sensibile realizzato in platino.
- A 0°C, la sua resistenza è esattamente di 100 ohm (1000 ohm per il Pt1000).
- Ad un aumento della temperatura corrisponde un aumento di resistenza.
- Ad una abbassamento della temperatura corrisponde una diminuzione della resistenza.
- Questa variazione di resistenza viene misurata e convertita in una lettura della temperatura.
Per poter misurare il valore di temperatura di interesse, occorre far in modo che l’elemento sensibile sia attraversato da una (piccola) corrente e quindi misurarne la caduta di tensione. A questo punto dalla legge di Ohm è possibile ricavare il valore di resistenza e dedurre la temperatura dall’equazione caratteristica oppure dalla tabella resistenza-temperatura dei Pt100.
Relazione resistenza-temperatura
La caratteristica temperatura resistenza delle termoresistenza al platino è descritta dall’equazione semplificata di Van Dusen per temperature nell’intervallo di temperatura tra inferiori a 0°C mentre dall’equazione di Callendar per temperature superiori a 0°C. Complessivamente si è soliti dire che la funzione temperatura-resistenza di un RTD in platino è descritta dal sistema di equazioni Callendar–Van Dusen mostrato di seguito.
Per temperature < 0°C:
![\[ R_t=R_0[1+At+Bt^2+C(t-100°C)t^3] \]](https://masterblob.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-739308ba6f1be474eb0fe402c7fc66b9_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Per temperature ≥ 0°C:
![\[ R_t=R_0(1+At+Bt^2) \]](https://masterblob.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-e72c0915c580ab320a19f58a7bd22e13_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
dove:
- t è il valore di temperatura
- Rt è il valore di resistenza elettrica alla temperatura t
- R0 è il valore di resistenza elettrica a 0°C
- A = 3,9083 * 10-3 °C-1
- B = -5,775 * 10-7 °C-2
- C = -4,183 * 10-12 °C-4
Occorre tuttavia considerare un intervallo di tolleranza dovuto al processo di fabbricazione della sonda stessa e che il produttore della sonda è tenuto a dichiarare e che sono: classe AA, A, B, C.
Classi di tolleranza termoresistenza al platino
Le termoresistenze sono classificate secondo una particolare codifica a seconda dei valori di tolleranza in determinati intervalli di temperatura. Le tolleranze che i fabbricanti di termoresistenze devono rispettare sono diverse a seconda che si tratti di termoresistenze a resistori oppure a termometri. Una ulteriore suddivisione è fatta sulla base del fatto che la termoresistenza sia a filo oppure a film.
| Classe di tolleranza | Intervallo di temperatura (ºC) | Valore di tolleranza (ºC) |
|---|---|---|
| W 0.1 | – 100 ÷ + 350 | +/- ( 0,1 + 0,0017 * |t| ) |
| W 0.15 | – 100 ÷ + 450 | +/- ( 0,15 + 0,002 * |t| ) |
| W 0.3 | – 196 ÷ + 660 | +/- ( 0,3 + 0,005 * |t| ) |
| W 0.6 | – 196 ÷ +660 | +/- ( 0,6 + 0,01 * |t| ) |
Sulla base delle caratteristiche realizzative diverse rispetto ai componenti a filo avvolto, le termoresistenze a film hanno intervalli di temperatura più ridotti e seguono una diversa codifica.
| Classe di tolleranza | Intervallo di temperatura (ºC) | Valore di tolleranza (ºC) |
|---|---|---|
| F 0.1 | 0 ÷ +150 | +/- ( 0,1 + 0,0017 * |t| ) |
| F 0.15 | -30 ÷ +300 | +/- ( 0,15 + 0,002 * |t| ) |
| F 0.3 | -50 ÷ +500 | +/- ( 0,3 + 0,005 * |t| ) |
| F 0.6 | -50 ÷ +600 | +/- ( 0,6 + 0,01 * |t| ) |
Le termoresistenze a termometro che siano realizzate a filo avvolto oppure a film sono classificate con la stessa codifica. In questo caso i valori di tolleranza ammissibili per una determinata classe di tolleranza sono funzione del valore assoluto della temperatura.
Le classi di tolleranza vanno dalla AA (bassa tolleranza quindi alta precisione) alla C (alto valore di tolleranza possibile e quindi minore precisione):
- classe di tolleranza AA
- classe di tolleranza A
- classe di tolleranza B
- classe di tolleranza C
Le classi di tolleranza sono stabilite per diversi intervalli di temperatura e per diverse caratteristiche costruttive dei sensori di temperatura.
| Classe di tolleranza | Intervallo di temperatura (ºC) – resistori a filo avvolto | Intervallo di temperatura (ºC) – resistori a film | Valore di tolleranza (ºC) |
|---|---|---|---|
| AA | -50 ÷ +250 | 0 ÷ + 150 | +/- ( 0,1 + 0,0017 * |t| ) |
| A | -100 ÷ +450 | -30 ÷ +300 | +/- ( 0,15 + 0,002 * |t| ) |
| B | -196 ÷ +600 | -50 ÷ +500 | +/- ( 0,3 + 0,005 * |t| ) |
| C | -196 ÷ +600 | -50 ÷ +600 | +/- ( 0,6 + 0,01 * |t| ) |
Di seguito viene riportato il grafico dell’incertezza di misura per classe di tolleranza di una sonda RTD al platino.
Le classi di tolleranza forniscono una indicazione importante relativamente il range di errore atteso nella rilevazione della temperatura. Le classi dipendono esclusivamente dalla qualità costruttiva della sonda in platino.
Tabella dei valori di resistenza PT100
Nella tabella seguente sono mostrati i valori di resistenza elettrica di una sonda RTD Pt100 in platino al variare della temperatura.
| Temperatura (°C) | Resistenza (Ω) |
|---|---|
| -200 °C | 18,52 Ω |
| -150 °C | 39,72 Ω |
| -100 °C | 60,26 Ω |
| -50 °C | 80,31 Ω |
| 0 °C | 100,00Ω |
| 50 °C | 119,40 Ω |
| 100 °C | 138,51 Ω |
| 150 °C | 157,33 Ω |
| 200 °C | 175,86 Ω |
| 250 °C | 194,10 Ω |
| 300 °C | 212,05 Ω |
| 350 °C | 229,72 Ω |
| 400 °C | 247,09 Ω |
| 450 °C | 264,18 Ω |
| 500 °C | 280,98 Ω |
| 550 °C | 297,49 Ω |
| 600 °C | 313,71 Ω |
| 650 °C | 329,64 Ω |
| 700 °C | 345,28 Ω |
| 750 °C | 360,64 Ω |
| 800 °C | 375,70 Ω |
| 850 °C | 390,48 Ω |
Per ottenere i valori di resistenza elettrica per un Pt1000 è sufficiente moltiplicare per 10 i valori di resistenza mostrati in tabella.
Differenza tra PT100 e PT1000
Le principali differenze tra PT100 e PT1000 sono riassunte nella tabella seguente.
| Caratteristiche | Pt100 | Pt1000 |
|---|---|---|
| Resistenza a 0°C | 100 Ω | 1000 Ω |
| Sensibilità | Inferiore | Superiore (la variazione di resistenza per °C in un Pt1000 è 10 volte superiore di un Pt100) |
| Assorbimento di corrente | Superiore | Inferiore (aiuta a ridurre l’autoriscaldamento) |
| Effetto di resistenza del cablaggio | Più influenzato | Meno influenzato (adatto per lunghe tratte di cavi) |
La scelta sull’utilizzo di un sensore PT100 oppure di uno PT1000 dipende dalle specifiche dell’applicazione cui è destinato. Entrambi sono realizzati con l’elemento sensibile in platino il che assicura linearità nella derivazione della temperatura a partire dalla misura della resistenza.
I Pt100 sono i più diffusi in ambito industriale e quindi è facile che la strumentazione già presente nel sistema sia configurabile per il loro utilizzo. La differenza principale è legata al valore di resistenza nominale a 0 ºC che nei Pt1000 è 10 volte superiore quella dei Pt100. Ne deriva che la sensibilità nella misura che, nei Pt1000 è 10 volte superiore a quella dei Pt100 permettendo quindi una misura più precisa. Allo stesso tempo, avendo i Pt1000 una resistenza superiore, ne risulta che la misura di temperatura risentirà meno di possibili errori dovuti alla resistenza dei cavi di collegamento e quindi sono ideali per configurazioni a 2 cavi. Inoltre i Pt1000, avendo una resistenza superiore, richiedono meno corrente riducendo gli effetti di autoriscaldamento del sensore ed essendo quindi più efficienti dal punto di vista energetico.
Riassumendo, per configurazioni a due fili oppure per cablaggi molto lunghi, è meglio preferire i Pt1000, in tutti gli altri casi le prestazioni di Pt100 e Pt1000 sono paragonabili, a parità di precisione richiesta.