I trasduttori di temperatura analogici: esempio di circuito

Esempio di circuito di condizionamento con l'utilizzo di due trasduttori di temperatura PT100.

I trasduttori di temperatura analogici: esempio di circuito

La maggior parte dei trasduttori di temperatura utilizzati in ambito industriale sono dispositivi analogici, anche se in commercio sono disponibili anche trasduttori di temperatura digitali.

Caratteristiche ottimali per un trasduttore

  • elevata sensibilità
  • uscita lineare
  • stabilità di funzionamento nel tempo

Per discutere il funzionamento dei trasduttori di temperatura, procederemo direttamente a illustrare alcuni trasduttori commerciali fondamentali, senza tuttavia addentrarci troppo nelle infinite varianti che di ogni modello esistono.

Il trasduttore PT100 (RTD)

Il trasduttore PT100, detto anche termoresistenza RTD, è una resistenza di precisione il cui valore RT è funzione della temperatura T.

PT100 termoresistenza

In generale, il valore nominale della resistenza del dispositivo è di 100 Ω.

La caratteristica RT/T è lineare e crescente:

R_{T}=R_{0}(1+\alpha T)

dove:

  • RT è il valore della resistenza alla temeperatura genericaT;
  • R0 è il valore nominale della resistenza alla temperatura di 0 °C;
  • α=3,85*10-3 °C-1 è il coefficiente medio dimensionale.

Nella pratica, sarà necessario eseguire una conversione resistenza/tensione. Ad esempio, qui sotto viene illustrato un convertitore RT/V che utilizza un generatore di corrente costante. In questo schema, viene usato un regolatore di tensione LM317, in grado di erogare una corrente I≥ 10 mA.

L’intensità di corrente costante è uguale a:

\frac{1.2}{R}

e per I=10 mA si ha:

R=\frac{1.2}{10*10^{-3}}=120 \Omega

Ad esempio, se T=20 °C, poichè dai datasheet si ricava RT=107.79 Ω e imponendo I=10 mA, la tensione di uscita vale VO=1.077 V.

Se la termoresistenza è posta a distanza dal sistema di controllo, i fili di collegamento introducono una resistenza aggiuntiva nella conversione resistenza/tensione. A questo proposito, le case costruttrici producono resistenze a tre fili e a quattro fili adatte a eliminare l’errore dovuto alla resistenza dei fili di collegamento.

Un esempio

Realizziamo un circuito di condizionamento per un trasduttore di temperatura PT100 in grado di fornire una tensione di uscita compresa tra 0 e 5 V quando la temperatura T varia nell’intervallo 0-50 °C. Nello shema proposto viene proposto l’integrato INA111.

I trasduttori di temperatura analogici: come funzionano

Supponendo che la corrente in uscita dall’operazionale sia I=2 mA, ogni ramo del ponte di Wheatstone è attraversato da una corrente di 1 mA tale da non autoriscaldare le termoresistenze RT.

Nell’ipotesi che l’amplificatore CA3140 si possa considerare ideale, dal circuito rappresentato in figura si ricava:

\\R_{l}=\frac{V_{REF}}{I}=\frac{5}{2*10^{-3}}=2500 \Omega =2.2 k\Omega +500\Omega

Per T=0 °C si ha R=RT(0 °C)=100 Ω e per T=50 °C si ha RT(50 °C)=119.25 Ω. Quindi si ha:

\\\Delta R=R_{T}(50)-R_{T}(0)=19.39\Omega \\V_{ab}=\frac{\Delta R}{2}\frac{V_{REF}}{R_{l}}=\frac{19.39}{2}\frac{5}{2500}=19.39mV

Il guadagno G dell’amplificatore INA111 e la resistenza RG sono:

\\G=\frac{Vo}{V_{AB}}\frac{5}{19.39*10^{-3}}=257.86\\R_{G}=\frac{50*10^{-3}}{G-1}=\frac{50*10^{-3}}{256.86}=194.65\Omega =(150\Omega +100\Omega )

Taratura del circuito

E’ possibile eseguire la taratura del circuito con questa procedura:

  1. agire sul trimmer Rl per fissare una I=2 mA;
  2. sostituire le PT100 con due resistenze di precisione da 100 Ω±0.1% per simulare la condizione di funzionamento dei trasduttori per una temperatura T=0 °C. In tale condizione si deve avere Vo=0 V;
  3. sostituire adesso le due resistenze di precisione precedenti con due da 119.25 Ω per simulare il funzionamento dei trasduttori per una temperatura di T=50 °C. In tale condizione si deve avere Vo=5 V. Infatti, a tale temperatura, si ha RT=100(1+αT)=100(1+3.85*10-3*50)=119.25 Ω
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