How-To, Effettuare misure tramite RTD

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Panoramica su RTD 

Una termoresistenza di platino, nota anche come RTD dall'acronimo inglese Resistance Temperature Detector, è una resistenza tipica di 100 Ω a temperatura di 0 °C. Essa è formata da un sottile strato di platino posto su uno di plastica. La sua resistenza varia al variare della temperatura ed è in grado di misurare temperature fino a 850 °C. Il passaggio di corrente attraverso una RTD genera una tensione lungo il dispositivo. La misura di questa tensione consente di determinare la resistenza e quindi la temperatura. La relazione tra la resistenza e la temperatura è relativamente lineare.

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Figure 1.  Architettura fisica di un RTD

Nozioni fondamentali sulle termoresistenze

Le termoresistenze funzionano secondo il principio delle variazioni di resistenza elettrica dei metalli puri e sono caratterizzate da una variazione lineare positiva della resitenza con la temperatura. Gli elementi tipici utilizzati per le termoresistenze includono il nichel (Ni) e il rame (Cu), ma finora il platino (Pt) è l’elemento più diffuso poichè offre un ampio intervallo di temperatura, accuratezza e stabilità.

Le termoresistenze vengono realizzate utilizzando una o due diverse configurazioni. Le resistenze spiralate sono realizzate avvolgendo un sottile cavo in una spirale. Una configurazione più comune utilizza l’elemento di una sottile pellicola formata da un sottile strato di metallo posta su un substrato di plastica o ceramica. Il basso costo e la grande diffusione di elementi basati su pellicola consente di ottenere resistenze nominali più elevate con minore quantità di filamenti di platino. Per una maggiore protezione, gli elementi della termoresistenza e i cavi di connessione vengono avvolti in un guaina di metallo.

Dotate di notevole stabilità, le termoresistenze resistituiscono un ottimo segnale lineare rispetto alla temperetura di un qualsiasi sensore elettronico di temperatura. Tuttavia, il loro utilizzo comporta un costo superiore per via dell’accurata realizzazione e del maggiore uso di filamenti di platino. Le termoresistenze sono inoltre caratterizzate da un tempo di risposta ridotto e di una bassa sensibilità, e poichè necessitano di una corrente di eccitazione, possono causare errori dovuti al surriscaldamento.

In genere le termoresistenze sono caratterizzate da loro resistenza nominale alla temperautra di 0 °C. I tipici valori nominali di resistenza della termoresistenza a filamenti di platino includono 100 and 1000 Ω. La relazione tra la resistenza e la temperatura e quasi lineare ed è data dalla seguente equazione.

   Per <0 °C R_T = R₀ [ 1 + a_T + b_T2 + c_T3 (T - 100) ] (Equazione 1)

   Per >0 °C R_T = R₀ [ 1 + a_T + b_T2 ]

Dove R_T = resistenza alla temperatura T
R₀ = resistenza nominale
a, b, e c = costanti utilizzate per scalare la termoresistenza

La curva di resistenza/temperatura per una termoresistenza di platino a 100 W, denominata come Pt100 è mostrata nella figura 1.

Figura 2. Curva di resistenza/temperature per una termoresistenza di platino a 100 Ω, a = 0.00385

Questa relazione appare relativamente lineare, ma l’elaborazione di curvatura è il modo più preciso per effettuare una misura accurata tramite termoresistenza.

Come effettuare una misura RTD

Misura della temperatura mediante termoresistenze

I cavi delle termoresistenze hanno in genere una calorazione rossa e nera oppure rossa e bianca. Il cavo rosso è quello di eccitazione, il cavo nero o bianco è quello di massa a terra. In caso di dubbi su come connettere i cavi all’elemento resistivo, è possibile utilizzare un multimetro digitale (DMM) per la misura della resistenza tra i conduttori. Se la resistenza è vicina a 0 Ω, i conduttori sono connessi allo stesso nodo. Se la resistenza è vicina alla resistenza nominale (100 Ω è una resistenza nominale comune di una termoresistenza), allora i cavi in fase di misura si trovano sul lato opposto dell'elemento resistivo. Inoltre, è necessario fare riferimento alla specifica della termoresistenza per trovare il livello di eccitazione per quel particolare dispositivo.

La maggior parte degli strumenti dispone di simili pedinature per misure di termoresistenze. Il seguente esempio dimostra la possibilità di effettuare questo tipo di misura mediante uno chassis NI CompactDAQ e un modulo per termoresistenze NI 9217 (vedi Figura 2).

 
Figura 3. Chassis NI CompactDAQ Chassis e modulo NI 9217 RTD

Una termoresistenza è un dispositivo passivo di misura che deve necessariamente essere alimentato con una corrente di eccitazione e successivamente letto il valore di tensione attraverso i suoi terminali. In seguito è possibile trasformare facilmente queste letture in temperartura tramite un semplice algoritmo. Al fine di evitare il surriscaldamento, causato dal flusso di corrente attraverso la termoresistenza, è necessario ridurre il più possibile la corrente di eccitazione. Sostanzialmente esistono tre metodi diversi per la misura della temperatura mediante termoresistenze.

Connessione di segnali di termoresistenze a due cavi

Inserire il connettore rosso della termoresistenza sul polo di eccitazione positivo. Cortocircuitare il connettore positivo di eccitazione al canale positivo sul dispositivo di acquisizione dati. Introdurre il connettore nero o bianco della termoresistenza al polo negativo di eccitazione. Cortocircuitare il connettore positivo di eccitazione al canale positivo sul dispositivo di acquisizione dati.

Figura 4. Misura mediante termoresistenza a due cavi

Nel metodo a due cavi, i due cavi che forniscono alla termoresistenza la corrente di eccitazione e i due cavi attorno ai quali la tensione della termoresistenza viene misurata, sono gli stessi.

Il modo più semplice per eseguire una lettura di temperatura con una termoresistenza prevede l’utilizzo del metodo a due cavi. Tuttavia, lo svantaggio di questo metodo è rappresentato dall’eventuale elevata resistenza della connessione che porta la tensione misurata VO, a valori notevolmente più alti della tensione presente lungo la termoresistenza stessa. Il modulo NI 9217 non supporta configurazioni di misura a due cavi.

Connessione di segnali di termoresistenze a tre cavi

Inserire il connettore rosso della termoresistenza sul polo di eccitazione positivo. Cortocircuitare il connettore positivo di eccitazione al canale positivo sul dispositivo di acquisizione dati. Connettere uno dei connettori nero (o bianco) della termoresistenza al polo negativo di eccitazione e l’altro al canale negativo. La figura 4 mostra le connessioni esterne per la misura nonchè i connettori per il modulo di termoresistenza NI 9217.

Figura 5. Misura mediante termoresistenza a due cavi 

Connessione di segnali di termoresistenze a quattro cavi

Per connettere questa termoresistenza, è necessario inserire semplicemente ciascuno dei conettori rossi sul polo positivo dell’elemento resistivo al polo positivo di eccitazione e al canale positivo sul dispositivo di acquisizione dati. Collegare i connettori nero (o bianco) sul polo negativo dell’elemento resistivo al canale negativo di eccitazione sul dispositivo di acquisizione dati. I due connettori aggiuntivi provenienti da una termoresistenza a due cavi aumentano l'accuratezza raggiugibile. La figura 5 mostra le connessioni esterne per la misura nonchè i connettori per il modulo di termoresistenza NI 9217.

Figura 6. Misura mediante termoresistenza a quattro cavi

Il metodo a quattro cavi ha il vantaggio di non essere influenzato dalle resistenze dei cavi poichè ques’ultime si trovano su un percorso ad elevata impedenza che attraversa il dispositivo in fase di misura di tensione; quindi, è possibile ottenere una misura più accurata della tensione attraverso la termoresistenza.

Considerazione sulla presenza di disturbo nelle termoresistenza

Generalmente i segnali di output della termoresistenza operano nell'intervallo del millivolt, pertanto sono soggetti a fattori di disturbo. I filtri passa basso sono in genere presenti nei sistemi di acquisizione dati di termoresistenze e sono in grado di eliminare effettivamente i disturbi di alte frequenze nelle misure di termoresistenze. Ad esempio, i filtri passa basso sono utili per rimuovere il disturbo della linea di alimentazione di 60 Hz presente in molti laboratori e impianti.

È possibile inoltre incrementare ulteriormente le prestazioni di disturtbo del proprio sistema amplificando le tensioni di basso livello della termoresistenza vicine al segnale sorgente. Poichè i livelli di output di tensione della termoresistenza sono molto bassi, è necessario scegliere un guadagno per ottimizzare i limiti di input del convertitore ADC (analog-to-digital).

Visualizza le operazioni di misura: NI LabVIEW

Dopo aver connesso il sensore allo strumento di misura, è possibile utilizzare l’ambiente di programmazione grafica LabVIEW per visualizzare e analizzare i dati quando richiesto.

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Figura 7. Misure di termoresistenze tramite LabVIEW

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