Sonda di temperatura a termistore NTC

Una sonda di temperatura a termistore NTC misura la temperatura attraverso un elemento semiconduttore la cui resistenza scende quando si scalda. Quel comportamento è l’opposto degli elementi in platino usati nei rilevatori di temperatura a resistenza di processo, ed è il motivo per cui questa famiglia è specificata da una sua coppia di numeri invece che da una sigla Pt: la resistenza a una temperatura di riferimento, e la costante B che descrive quanto ripidamente la resistenza cambia attraverso il campo.

La costruzione di questa pagina è la variante 10K, con un nominale di 10 kΩ a 25 °C e un valore B25/50 di 3950 K, entrambi tenuti a ±1%. L’elemento sensibile sta in una sonda in acciaio inox 304 da 5×25 mm, portata all’esterno su fili e terminata in capicorda a spina XH-2P, così che la sonda possa essere inserita direttamente in una scheda di controllo o in un modulo di acquisizione invece che approdata su una morsettiera.

Poiché la resistenza a 25 °C e la costante B sono entrambe tolleranzate, i due valori che una scheda di controllo deve avere per linearizzare il segnale sono specificati e non nominali. È questa la differenza pratica fra una sonda che segue un valore fissato in un elettrodomestico termostatico e una che si limita a commutare nelle sue vicinanze.

Come funziona un sensore a termistore NTC

Un termistore è un semiconduttore la cui concentrazione di portatori cambia con la temperatura, e per un elemento a coefficiente di temperatura negativo la resistenza scende quando l’elemento si scalda. Il cambiamento è ripido rispetto a un elemento metallico, e qui sta l’origine insieme dei suoi punti di forza e dei suoi limiti. Su un intervallo ristretto attorno alla temperatura ambiente un termistore produce una grande variazione di resistenza per una piccola variazione di temperatura, così che un circuito semplice possa risolvere un incremento fine. Su un intervallo ampio la stessa curva è fortemente non lineare, quindi la lettura va linearizzata rispetto all’elemento specifico, che è esattamente ciò che la coppia R25 e B descrive.

È per questo che due sonde con la stessa resistenza nominale non sono intercambiabili. Due elementi da 10 kΩ con costanti B diverse seguono curve diverse, e una scheda linearizzata per una leggerà con uno scostamento dall’altra lungo tutto il campo anche se entrambe coincidono a 25 °C. Il materiale fornito qui dichiara il valore B solo per la costruzione 10K e lascia le altre opzioni di resistenza senza uno, quindi quelle opzioni non possono essere trattate come lo stesso dispositivo con una resistenza di riferimento diversa.

Il corpo della sonda e il modo in cui incontra il mezzo stabiliscono cosa l’elemento vede davvero. Un rivestimento in acciaio inox dà all’elemento protezione meccanica e un percorso termico definito, e la costante di tempo termica di 3 secondi misurata in acqua agitata è una proprietà di quell’insieme e non del solo semiconduttore: diametro del rivestimento e spessore della parete, e quanto saldamente l’elemento vi siede dentro, contano più del tipo di elemento. La stessa sonda in aria ferma è un dispositivo più lento, e il materiale lo dice esso stesso misurando la costante in acqua agitata.

L’auto-riscaldamento è il secondo effetto da tenere d’occhio. La costante di dissipazione di 3,6 mW/°C è la potenza che alza il corpo sensibile di 1 °C in aria ferma, e i 256 mW di potenza massima sono un limite di distruzione e non un valore di lavoro. Fra i due sta la decisione di progetto: abbastanza corrente di eccitazione da risolvere la temperatura, non tanta che l’elemento si scaldi da sé. In aria ferma, dove il calore esce lentamente, quel tetto è molto più basso che in un liquido.

Come scegliere la sonda NTC giusta

Si parta da ciò che la lettura deve comandare. Un termostato, un distacco di protezione e un indicatore di temperatura pongono tutti requisiti diversi alla stessa sonda, e i due numeri che decidono se una scheda può usarla sono la resistenza a 25 °C e la costante B. Dove una scheda è già costruita per una coppia, cambiare il valore di resistenza o il valore B cambia la temperatura visualizzata, quindi la sonda va abbinata all’ingresso e non comprata allo stesso valore nominale.

Poi l’intervallo di temperatura. I due campi dichiarati nel materiale fornito non concordano, e il materiale stesso segnala la discrepanza, quindi un’applicazione calda andrebbe ingegnerizzata sul valore più basso finché quello non è confermato. Una sonda scelta vicino al massimo di un campo non lascia margine per la tolleranza dell’elemento né per la differenza fra la temperatura del mezzo e quella all’elemento.

Poi l’idoneità meccanica. La sonda standard è da 5×25 mm e il materiale offre altre dimensioni a richiesta, ma la dimensione della sonda non è solo una questione di montaggio: un rivestimento maggiore risponde più lentamente, e uno più piccolo raggiunge luoghi dove un maggiore non arriva. Dove la sonda è premuta contro una superficie invece di essere immersa, l’area di contatto e la forza di serraggio decidono la lettura quanto l’elemento.

Per ultimo il collegamento. Il connettore XH-2P si addice a una scheda con un connettore maschio corrispondente. Dove la tratta è lunga o l’ambiente è umido, la lunghezza dei fili e il loro isolamento vanno stabiliti, e nessuno dei due è dichiarato nel materiale fornito.

Limiti e punti da confermare

La famiglia di elementi è il primo limite. Questo è un termistore e non un RTD al platino, quindi non può essere sostituito su un ingresso PT100 e non può essere usato dove è richiesta una temperatura documentata e tracciabile senza una tabella R-T e un registro di taratura. Dove il processo ha bisogno di una temperatura che possa essere riferita indietro a una norma, la famiglia del platino è quella da usare e questa sonda non ne è un equivalente.

Il secondo è che il materiale fornito non dà alcuna tabella resistenza-temperatura. La coppia R25 e B descrive la curva, ma una scheda di controllo è di solito linearizzata contro una tabella e non contro due valori, e diverse delle prove di affidabilità sono date come deriva ammessa sulla resistenza, il che può essere convertito in un errore di temperatura solo quando quella tabella è disponibile.

Terzo, il materiale non dichiara alcun grado di protezione, alcuna lunghezza dei fili, alcun valore di temperatura dei fili e alcuna certificazione. Sono pubblicati su questa pagina come informazione richiesta e non stimati. I valori di rigidità dielettrica e di resistenza di isolamento sono stati misurati in acqua, il che riguarda l’isolamento elettrico dell’insieme dei fili, ma non sono una dichiarazione su quanto a lungo la sonda possa restare immersa o in quali mezzi.

Per ultimo, l’identificazione è aperta. Il prodotto non porta una denominazione di modello nel materiale fornito, quindi dove un ordine è passato vanno dichiarati il valore di resistenza, il valore B, le dimensioni della sonda, la lunghezza dei fili e la forma dei capicorda, invece di citarli come un codice.