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 R_T è funzione della temperatura T.

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

La caratteristica R_T/T è lineare e crescente:

dove:

• R_T 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 R_T/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:

e per I=10 mA si ha:

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

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 R_T.

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

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

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

Taratura del circuito

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

1. agire sul trimmer R_l 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 V_o=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 V_o=5 V. Infatti, a tale temperatura, si ha R_T=100(1+αT)=100(1+3.85*10^-3*50)=119.25 Ω