I sensori di temperatura sono strumenti di misura essenziali per garantire la sicurezza e l’efficienza di innumerevoli processi industriali. Sebbene sensore di temperatura RTD e termocoppia offrano entrambi precisione e affidabilità, ciascuno di essi presenta pro e contro che li rendono più adatti a particolari applicazioni.
Le termoresistenze (RTD) e le termocoppie sono le tipologie più comuni di sensori elettronici di temperatura utilizzati nei processi industriali. La scelta di quale utilizzare dipende da una serie di fattori. Per prima cosa, diamo un’occhiata a cosa sono i sensori RTD e le termocoppie e a come si differenziano tra loro.
Che cos’è un sensore RTD e come funziona?
Sensore RTD
RTD sta per rilevatore di temperatura a resistenza. Questo strumento è chiamato anche termoresistenza e, in modo ridondante, sonda RTD o sensore RTD.
All’interno di un sensore RTD si trova un elemento sensibile (resistenza) che utilizza la variazione della resistenza elettrica del metallo per determinare la temperatura. Il metallo più comune nei sensori RTD è il platino (Pt), poiché è chimicamente molto inerte e presenta una relazione quasi lineare tra temperatura e resistenza. I sensori RTD al platino sono spesso indicati come sensori Pt100 o Pt1000; il numero si riferisce alla resistenza nominale del platino (ohm Ω) a 0°C. Altri metalli utilizzati nei sensori RTD sono il rame, il nichel e il tungsteno, ma gli RTD WIKA sono realizzati in platino principalmente perché questo metallo ha un’eccellente stabilità, resiste alla contaminazione e la sua resistenza elettrica non si degrada nel tempo.
Indipendentemente dal metallo utilizzato, la sua resistenza elettrica a temperature specifiche è una costante nota. Al variare della temperatura, cambia anche la resistenza del filo metallico. Quindi, confrontando la resistenza nota con quella misurata, si può calcolare la temperatura.
Tipolgie di RTD
Termoresistenza a film sottile (a sinistra) e a filo avvolto
Esistono due tipologie principali di termoresistenze oggi utilizzate: a film sottile e a filo avvolto.
- Le resistenze a film sottile sono costituite da un sottilissimo strato di platino depositato su ceramica e sigillato da vetro.
- Le resistenze a filo sono costituite da un filo avvolto e inserito in un involucro di vetro o ceramica.
La scelta tra film sottile e filo avvolto dipende principalmente dall’accuratezza desiderata, dagli intervalli di temperatura da misurare e dalla presenza di vibrazioni significative nell’applicazione.
I sensori RTD sono disponibili anche con un numero diverso di fili nel cavo.
- Gli RTD a 2 fili sono il tipo più semplice, con i due fili conduttori che creano un circuito. Questo circuito aggiunge la resistenza dei fili alla resistenza della sonda RTD, riducendone la precisione.
- Gli RTD a 3 fili hanno un filo in più per compensare la resistenza dei fili, con il risultato di misure di temperatura più accurate.
- Gli RTD a 4 fili sono ancora più precisi, poiché la configurazione consente una compensazione costante. Questo tipo di RTD è il sensore di temperatura preferito per le applicazioni di laboratorio.
Pro e contro dei sensori RTD
Le termoresistenze sono diffuse per molte ragioni:
- Alta precisione, fino alla classe AA (RTD a 4 fili)
- Elevata ripetibilità
- Eccellente linearità (Pt100 e Pt1000)
- Ampia compatibilità con gli strumenti e i processi grazie alla loro ampia diffusione
- Eccellente stabilità a lungo termine
- Facilità di installazione, poiché non sono necessari cavi di estensione
- Facilità di taratura
- Adatto a temperature comprese tra -196°C e 600°C
D’altra parte, le sonde RTD non sono in grado di resistere a temperature estremamente elevate, come quelle delle applicazioni chimiche, petrolchimiche e di raffineria. Inoltre, rispetto alle termocoppie, le termoresistenze hanno un tempo di risposta più lento e sono più suscettibili a urti e vibrazioni estreme.
Che cos’è una termocoppia e come funziona?
Termocoppia con cavo di collegamento
Le termocoppie sono sensori di temperatura dotati di una coppia di fili metallici dissimili, ciascuno con una proprietà elettrica diversa a temperature diverse. Il principio di funzionamento delle termocoppie è che l’energia termica viene convertita in energia elettrica. A un’estremità della termocoppia, i due fili sono saldati o collegati in altro modo: questo è il punto di misurazione. Quando la temperatura cambia in questo punto, cambia anche la densità di elettroni di ciascun metallo. La differenza di temperatura tra i due metalli crea una tensione termoelettrica. Poiché la relazione tra temperatura e tensione è nota, la tensione misurata viene utilizzata per determinare la lettura della temperatura.
Tipologie di termocoppie
Le termocoppie sono disponibili in diversi tipi, in base all’accoppiamento di metalli dissimili. Alcuni degli accoppiamenti metallici più comuni sono:
- Ferro e rame-nichel (tipo J)
- Rame e rame-nichel (tipo T)
- Nichel-cromo e nichel-alluminio (tipo K)
Le termocoppie sono costituite da due metalli con densità elettronica diversa.
La maggior parte delle termocoppie è costituita da metalli di base relativamente economici, anche se alcune presentano accoppiamenti metallici contenenti platino, rodio, renio e tungsteno, più costosi.
Pro e contro delle termocoppie
Il vantaggio principale delle termocoppie è la loro capacità di resistere a temperature estremamente elevate, fino a 2.300 °C (4.172 °F). Questo le rende il sensore di temperatura ideale per applicazioni con ammoniaca, unità di recupero dello zolfo, forni di raffineria, reattori di syngas, produzione di vetro, settore aerospaziale, semiconduttori e altro ancora. Le termocoppie sono affidabili anche in ambienti ad alta pressione e ad alta vibrazione.
Oltre alla loro robustezza in condizioni estreme, le termocoppie sono anche meno costose delle termoresistenze e hanno un tempo di risposta più rapido grazie al loro diametro ridotto.
D’altro canto, le termocoppie sono meno stabili delle termoresistenze, la loro relazione temperatura/tensione è meno lineare. Nel corso del tempo, le termocoppie subiscono un invecchiamento e una deriva e le temperature estremamente elevate possono provocare la formazione di grani.
Come scegliere tra sensore RTD e termocoppia
In alcune applicazioni, non ha molta importanza se si utilizza una termoresistenza o una termocoppia. Altre volte, un tipo è decisamente migliore dell’altro. In generale, le termocoppie sono migliori per i processi ad alta temperatura e ad alta vibrazione, per le applicazioni che richiedono tempi di risposta rapidi e per quelle con spazio limitato. Le sonde RTD offrono una migliore precisione, ripetibilità e stabilità.
Quando si sceglie un sensore di temperatura, è necessario considerare le seguenti caratteristiche dell’applicazione:
- Campo di temperatura
- Campo di pressione
- Umidità
- Urti e vibrazioni
- Fluidi (solidi, liquidi o gassosi; corrosivi; pericolosi)
- Portata
Inoltre, alcune applicazioni richiedono l’uso di un pozzetto termometrico per proteggere il sensore di temperatura dai fluidi di processo, il che influisce sul tempo di risposta.
La scelta del giusto sensore di temperatura può essere complessa. Per ottenere risultati ottimali, contattate gli specialisti della temperatura di WIKA per una consulenza personalizzata su quali sono i sensori più adatti alla vostra applicazione.