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Elementi termosensibili Pt100

Termoresistenza Compendio Gratuito

Materiali per Termoresistenze

Esistono molti materiali che soddisfano l’esigenza fondamentale di avere una relazione nota, regolare e stabile della resistenza in funzione della temperatura: per esempio il rame, l’oro, il nichel, il platino e l’argento. Tra questi il rame, l’oro e l’argento hanno valori di resistività elettrica intrinsecamente bassi, perciò sono meno adatti per la termometria con termoresistenze, anche se il rame mostra una relazione resistenza temperatura pressoché lineare.

Per via di quest’ultima caratteristica e del suo basso costo, il rame è utilizzato in alcune applicazioni, con l’avvertenza che al disopra di temperature moderate ha tendenza ad ossidarsi, e che generalmente non è molto stabile né ripetibile. Nonostante questi limiti, si è imposto in applicazioni in cui le temperature medie richieste sono comprese tra -100°C e 180°C.

Il nichel e le sue leghe sono anche relativamente poco costosi, e hanno elevate resistività e elevati coefficienti di resistenza in funzione della temperatura, ciò che li rende molto sensibili. Tuttavia, hanno il difetto di non avere una relazione lineare con la temperatura e di essere sensibili allo sforzo. Mostrano anche un infelice punto di flesso vicino al punto di Curie (358°C) che rende le espressioni della derivata della resistenza sulla temperatura più complesse. Anche questi materiali sono pertanto limitati ad un intervallo di temperature compreso tra -100°C e 180°C.

Resta ovviamente il platino, che ha notevoli vantaggi che lo rendono adatto alla termometria con termoresistenze. Innanzitutto, essendo un metallo prezioso, ha un intervallo di temperatura esteso in cui non reagisce. In secondo luogo, la sua resistività è più di sei volte quella del rame. Terzo, ha una buona, semplice e nota relazione resistenza/temperatura sebbene non interamente lineare. Quarto, può essere ottenuto in una forma molto pura, e trafilato in fili sottili o strisce in modo riproducibile, ciò che rende la produzione di sensori intercambiabili relativamente facile.

Benché il platino non sia un materiale economico, poiché per produrre termometri a resistenza bastano minuscoli quantitativi, il suo costo non è un componente significativo del costo complessivo. Ha il difetto di potere essere contaminato da diversi materiali, in particolare se riscaldato, perciò i materiali del supporto e della guaina devono essere scelti attentamente. Inoltre, il trattamento termico del materiale è particolarmente importante in relazione alla presenza di difetti di spazi vuoti presenti a tutte le temperature, a meno di essere eliminate con la ricottura.

Oltre a questi materiali, esistono resistori a film in molibdeno con limiti stabili di temperatura di lavoro compresi tra -50 e +200°C. Esistono anche materiali semiconduttori, come termistori, ottenuti da diversi ossidi di metallo, i quali con l’avvento di migliori tecniche di produzione e migliori apparecchi di linearizzazione, possono coprire un intervallo molto vasto di temperature. Manca comunque una standardizzazione di questi strumenti che sono fuori dagli scopi di questo Compendio.

Citiamo ancora le termoresistenze in germanio sotto 100 K e particolarmente sotto 10 K, temperatura alla quale la resistività del platino è troppo piccola per applicazioni pratiche. Tuttavia, la relazione resistenza/temperatura non è particolarmente semplice, né la taratura. Si entra infine nel regno delle termoresistenze in vetro-carbonio che sono dotate di coefficienti di temperatura negativi e di elevata sensibilità alle temperature molto basse. Oltre questo, c’è la lega rodio-ferro per temperature che scendono fino a 0,5 K.

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Come si è visto nella parte teorica (Parte 1, sez.4), per ottenere un’elevata stabilità, gli elementi in platino che costituiscono il sensore devono essere e rimanere in uno stato di completa ricottura e incontaminati. Inoltre, i materiali che costituiscono il supporto, la guaina e la stessa struttura devono essere attentamente selezionati e puliti per evitare inquinamenti del sensore e tensioni meccaniche.

Mentre sotto 250°C la contaminazione è raramente un problema, al disopra di questa temperatura i materiali della struttura, di isolamento ecc. (in particolare i metalli comuni, alcune forme di mica e di vetro a base di silicato di boro) possono reagire o sciogliersi con il platino. Perciò, si deve ricorrere a particolari accorgimenti nel montaggio. Anche le termoresistenze ermeticamente chiuse richiedono un po’ di ossigeno nel gas di riempimento per mantenere ossidati gli elementi problematici e quindi relativamente poco dannosi per il sensore. Per quanto riguarda la purezza del platino, nelle termoresistenze industriali si utilizza un filo di platino con un coefficiente di purezza α (Parte1, sez. 4) inferiore a quello utilizzato nei termometri con campioni primari o in laboratori, perché l’applicazione si serve di un elemento fisicamente più solido che contamina meno l’ambiente che lo circonda. Così si ricorre a fili di puro platino mescolati con un altro metallo per raggiungere le specifiche standard delle norme IEC (resistenza in funzione della temperatura e limiti di tolleranza).

Un altro punto importante consiste nella necessità di costruire i sensori in modo tale che le tensioni termoelettriche generate dall’uso di metalli diversi tra di loro (come per le termocoppie) si autoeliminino. Inoltre, la resistenza di isolamento tra la termoresistenza (compresi i fili interni di connessione) e l’eventuale guaina protettiva deve essere adeguata (come da IEC 60751 – Parte 1 sez. 4.3). Gli avvolgimenti della bobina non devono essere induttivi, il passaggio di corrente non deve provocare un autoriscaldamento significativo (Parte 1, sez. 4.2) e si deve potere alimentare con corrente continua (DC) o alternata (AC) fino a 500 Hz. È anche importante verificare che la quantità di calore che sarà trasmessa per conduzione attraverso la guaina, i fili interni e gli isolatori sia trascurabile.

Prima di procedere con la descrizione di alcuni tipi di sonde, occorre evidenziare che i sensori descritti possono anche essere realizzati con metalli diversi dal platino a seconda dell’intervallo di temperatura, come si è visto in Parte 1, sez. 4.2. Queste sonde esistono in una grande varietà di forme e di dimensioni; i limiti principali sono i supporti del filo, la resistenza alla contaminazione e una resistenza elettrica adeguata con isolamento appropriato. Ad esempio zone di contatto per superfici possono essere estese in relazione al volume occupato per favorire una risposta rapida. Al contrario, si può fare una sonda a termoresistenza molto piccola per consentire una rilevazione per punti della temperatura. E ancora, il sensore potrebbe essere lungo o largo per facilitare una rilevazione media della temperatura su qualsiasi lunghezza o area desiderata.

Termoresistenze da Laboratorio



Se facciamo un passo indietro nel tempo per un attimo, vediamo che durante l’ultimo secolo sono stati seguiti vari metodi costruttivi nello sviluppo delle termoresistenze. Fra essi citiamo: quello originale di Callendar, con la sua crociera in mica attorno alla quale era avvolto un filo di platino (c’erano problemi di disidratazione e fragilità della mica per i sensori esposti e di condensazione nelle versioni riempite con gas e sigillate); quelli a crociera in porcellana con filo avvolto (pesanti e con problemi di ritardi); unità con strisce in silice avvolte per formare un sostegno elicoidale all’avvolgimento; a sostegni in ceramica con solchi lavorati a macchina per contenere l’avvolgimento, ecc.

Oggigiorno nella strumentazione da laboratorio l’elemento può essere un filo sottile (normalmente da 0,07 mm) avvolto in forma elicoidale e sostenuto strettamente dall’attrito con sottili pareti di vetro inserito in un tubo di silice o allumina . Può avere forma a U, o di due tubi separati attorcigliati uno sull’altro per reciproco sostegno, con avvolgimenti in platino in ciascuno di essi, collegati sul fondo da uno filo spesso in platino sigillato nel vetro e saldato agli avvolgimenti. Quattro fili di collegamento in platino sono saldati nella parte superiore, due per parte, e il tutto può essere rivestito esternamente con una protezione esterna in silice (vedi fig. 6.1). Tutti gli schemi cercano di realizzare termometri privi di sforzi che possano dilatarsi e contrarsi sotto l’effetto del riscaldamento e del raffreddamento senza che il filo subisca sfregamenti o graffi dal suo supporto.

 Per termometria ad alta precisione sopra -189°C, l’elemento di resistenza è pulito e montato nel tubetto in vetro o silice con i fili che passano attraverso una chiusura sigillata in vetro posta in alto. La sonda è quindi svuotata e riempita di nuovo con aria secca o con argon ad elevata purezza con una piccola percentuale di ossigeno, per assicurare che il platino operi in ambiente ossidante piuttosto che riducente, in modo che eventuali inquinanti rimasti siano possibilmente ossidati durante il funzionamento. Inoltre, per aumentare al massimo la resistenza tra i fili alle temperature più elevate, si isolano tra di loro con mica, silice o zaffiro.

Per temperature molto basse, si preferiscono disegni a forma di capsula (vedi fig. 6.2). Un tubo di platino a pareti sottili di circa 50 mm di lunghezza e 5 mm di diametro con una estremità in vetro contiene la resistenza avvolta su un supporto. Per un buon contatto termico questo apparecchio è svuotato dell’aria che contiene, riempito di elio e sigillato.

Sonda a termoresistenza da laboratorio
Figura 6.1: Sonda a termoresistenza da laboratorio


Termoresistenza Sonda cilindrica con filo avvolto dentro una scanalatura
Figura 6.2: Sonda cilindrica con filo avvolto dentro una scanalatura


In tutti questi apparecchi, la resistenza a 0°C è abitualmente di 25 Ω, il valore α vale circa 0,003926/°C e la sensibilità circa 0,1 Ω/°C. Tuttavia, per temperature elevate, la resistenza (della termoresistenza) si riduce a un valore compreso tra 0,2 e 5 Ω (a 0°C) per minimizzare gli effetti di shunt causati dalla perdita di isolamento alle alte temperature. Esistono numerosi schemi per questo tipo di applicazione, e un classico è l’apparecchio a gabbia del National Bureau of Standards (USA) (fig. 6.3). È formato da otto aste parallele in platino passate attraverso dischi in silice collegati in serie, con una resistenza di 0,2 Ω a 0°C, che sale a 1 Ω a 1000°C. Tuttavia esistono anche altri schemi: crociere in silice con incavi, per l’avvolgimento di una bobina elicoidale bifilare o per altri tipi di avvolgimenti; barre in silice con scanalature elicoidali per l’avvolgimento, nastri in silice, anch’essi scanalati, ecc.

Termoresistenza per alte temperature in apparecchio a gabbia
Figura 6.3: Termoresistenza per alte temperature in apparecchio a gabbia


Termoresistenze per uso Industriale


Sarebbe bello operare con la precisione di un laboratorio trasferendo queste apparecchiature in ambito industriale, ma a livello pratico ciò non è realizzabile: il costo, la fragilità e la scarsa resistenza alle vibrazioni non lo consentono. Per resistere alle condizioni che si riscontrano all’interno di impianti sono state realizzate sonde di tipo industriale di uso generale. I risultati sono ottimi. Oggigiorno i livelli di accuratezza e di stabilità delle termoresistenze di tipo industriale raggiungono quelli delle sonde da laboratorio. I moderni materiali in pura ceramica, le tecniche per l’avvolgimento dei fili sui loro supporti in ceramica, particolari processi di ricottura e soluzioni progettuali avanzate per resistere alle vibrazioni ed avere al contempo elevata stabilità hanno avuto un impatto significativo.

Innanzitutto, si tende ad utilizzare un filo in platino con aggiunta di metallo a più basso coefficiente a , come prescritto dalle specifiche IEC ricordate sopra. Si passa un filo sottile attraverso un foro praticato in uno zaffiro con un laser o matrici di diamante per ottenere risultati del tutto ripetibili senza alcuna contaminazione. I produttori hanno cercato di realizzare supporti per i fili sempre più completi per ottenere una migliore resistenza alle vibrazioni e agli urti, ma lasciando i fili sufficientemente liberi di dilatarsi e contrarsi senza tensioni, ottenendo così la voluta stabilità: chiaramente una ricerca di compromesso.

Uno schema frequente è fatto di fili avvolti su un’anima cilindrica in vetro o ceramica avente coefficiente di dilatazione termica simile a quello del filo di platino. L’avvolgimento è quindi fissato e sigillato con un rivestimento in adesivo ceramico o vitreo (vedi fig. 6.4), scelto in modo da avere lo stesso coefficiente di dilatazione.

Termoresistenza a filo avvolto a cilindro secondo modello industriale classico
Figura 6.4: Termoresistenza a filo avvolto a cilindro secondo modello industriale classico


Benché solidi e più che adeguati nella maggior parte dei casi, questi apparecchi mostrano una scarsa stabilità durante cicli termici, un minore intervallo di funzionamento (fino a circa 500°C) e una maggiore isteresi rispetto alle termoresistenze con avvolgimenti sostenuti solo in parte. Non sono a diretto contatto con l’aria, per quanto questo possa essere importante. In un altro tipo di disegno, l’avvolgimento è inserito in una scanalatura (vedi figura 6.5).

Sonda cilindrica con filo avvolto dentro una scanalatura
Figura 6.5: Sonda cilindrica con filo avvolto dentro una scanalatura


Come alternativa, gli schemi con l’avvolgimento parzialmente sostenuto offrono una maggiore flessibilità nel bilanciamento tra solidità e flessibilità. Una soluzione frequente è costituita da avvolgimenti in platino elicoidali inseriti all’interno di fori realizzati in un tubo in allumina, con le spire ancorate tramite piccole quantità di vetro: si ottiene così un sostegno parziale anziché totale (vedi figura 6.6) e in questo modo una buona parte degli avvolgimenti è libera di muoversi. I fili sono collegati a fili più grossi di collegamento. Una variante consiste nell’immergere gli avvolgimenti di platino in polvere di allumina per ulteriormente ridurre gli effetti delle vibrazioni.


Figura 6.6: Supporto parziale ottenuto con un tubo in allumina a più fori


Queste soluzioni, se correttamente costruite, sono le più adatte a soddisfare le specifiche di un termometro standard a termoresistenza, offrendo una scelta tra bassa resistenza alle vibrazioni ma stabilità molto elevata o maggiore resistenza alle vibrazioni con minore stabilità (comunque ottima). Questi tipi di sonde industriali possono raggiungere stabilità dell’ordine di qualche centesimo di grado in un intervallo da -200°C a 850°C. Inoltre, non richiedono di essere ermeticamente sigillati, consentendo all’aria di circolare attorno al filo di platino quando l’ambiente lo permette. Normalmente, i sensori misurano circa 25 mm di lunghezza per circa 3 mm di diametro, e la resistenza corrisponde esattamente a 100 Ω a 0°C.

Termoresistenze a Film


Uno degli ultimi sviluppi nella fabbricazione delle termoresistenze in platino è quello del deposito di platino sotto forma di pellicola (film), spessa o sottile, sopra un substrato appropriato. Per il film sottile, si spruzza platino sul substrato con le tecniche di fabbricazione sotto vuoto dei semiconduttori, mentre per quelli a film spesso un impasto vetro/platino è praticamente serigrafato sopra il substrato. I due sistemi permettono di unire l’equivalente dell’elemento ad una superficie piana o cilindrica secondo necessità (figura 6.7). Oggigiorno le prestazioni possono quasi uguagliare quelle ottenute con i dispositivi a filo avvolto (sicuramente le versioni di base con rivestimento su vetro) e in particolare i sensori a film sottile su una scala da -50°C a 500°C. I vantaggi sono una risposta termica veloce (dovuta principalmente alla piccola massa e allo stretto contatto con il substrato), l’insensibilità alle vibrazioni, e il costo inferiore rispetto ai corrispondenti elementi a filo avvolto.

Termoresistenze a film avvolto (a spirale) contrapposte a quelle a film sottile
Figura 6.7: Termoresistenze a film avvolto (a spirale) contrapposte a quelle a film sottile


Si sta discutendo sulla stabilità intrinseca di questi dispositivi, in particolare entro intervalli estesi di temperatura. Innanzitutto, non sono così liberi di dilatarsi e contrarsi come i tipi a filo avvolto con supporto parziale (nonostante questa critica si possa applicare ugualmente alle unità con filo avvolto fissato nel vetro). In secondo luogo, poiché la quantità di platino utilizzata è limitata, sono più soggetti a contaminazione, e sigillarli nel vetro non è necessariamente la soluzione migliore. Terzo, le caratteristiche del film possono variare da una produzione all’altra, anche se molto meno oggigiorno. Tuttavia, come sensori di temperature di superficie e di temperatura dell’aria meno costosi, essendo dotati di una precisione medio alta (stabilità ± 0,05% su tutto l’intervallo di temperatura), hanno una funzione di grande utilità. Per inciso, ricordiamo che la stabilità di elementi a filo con supporto parziale è invece dell’ordine di ± 0,005%.

Informazioni sui sensori Pt100

Configurazione delle Termoresistenze

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Tolleranza in Funzione della Temperatura



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