Modulo trasmettitore di temperatura

Un modulo trasmettitore di temperatura prende il segnale grezzo di un RTD o di una termocoppia e lo trasforma in un segnale standard di anello che il resto di un sistema di controllo può leggere. Esiste perché le due famiglie di sensori producono segnali che una scheda di ingresso PLC, un registratore o un indicatore da pannello non possono usare direttamente: un RTD restituisce una piccola resistenza che dipende anche dalla lunghezza dei conduttori, e una termocoppia restituisce qualche decina di millivolt che dipendono dalla temperatura dei morsetti tanto quanto dalla temperatura misurata. Condizionare quel segnale al sensore, e non all’estremo di una linea lunga, è il lavoro del modulo.

Il modulo di questa pagina è una soluzione a due fili su un’alimentazione da 24 VDC, con un’uscita di 4-20 mA di serie e una versione a 0-10 V sullo stesso involucro. Gli ingressi coprono i comuni elementi a resistenza di platino e di rame e otto tipi di termocoppia, con i tipi al tungsteno-renio e il Pt1000 disponibili su richiesta, e il valore di accuratezza dichiarato nel materiale è 0,2%FS. La base è di 44×40 mm con una morsettiera a passo di 8 mm, due potenziometri di regolazione e viti di montaggio M3×5, e l’involucro è in nylon PA66 autoestinguente.

Poiché il tipo di ingresso è una configurazione e non uno strumento separato, un solo tipo di modulo serve un intervallo molto ampio di temperature di processo: lo stesso involucro copre un Pt100 a -200 °C e una termocoppia di tipo B a 1800 °C, con le differenze nell’ingresso impostato all’ordine e nell’escursione d’uscita che gli si assegna.

Come lavora un trasmettitore di temperatura

La catena di misura comincia dall’elemento. Un elemento a resistenza si legge facendolo attraversare da una piccola corrente di eccitazione e misurando la tensione che ne risulta; il materiale dà quella corrente in 0,2 mA, abbastanza bassa perché l’autoriscaldamento dell’elemento resti contenuto. Una termocoppia si legge come tensione, e poiché quella tensione è generata fra il giunto caldo e i morsetti dove arrivano i conduttori, la temperatura di quei morsetti va conosciuta e compensata. Questa compensazione è la ragione per cui una termocoppia si collega a un trasmettitore con il cavo per termocoppia corretto e non con rame: le giunzioni in rame introducono tensioni proprie nel punto in cui il cavo per termocoppia termina.

Il segnale viene poi linearizzato e scalato. Un RTD segue una curva pubblicata e una termocoppia segue un polinomio del proprio tipo, e il front end risolve il segnale in entrata abbastanza finemente perché la linearizzazione non sia l’errore limitante: il materiale fornito dichiara un convertitore sigma-delta a 24 bit, che è molta più risoluzione di quanta ne serva al valore di accuratezza di 0,2%FS. Risoluzione e accuratezza sono grandezze diverse, e sono il valore di accuratezza, insieme al coefficiente di temperatura, a descrivere ciò che il modulo eroga davvero.

Lo stadio di uscita pilota un anello di corrente. In una soluzione a due fili la stessa coppia di conduttori porta l’alimentazione e il segnale, e la corrente che il modulo assorbe è la misura, quindi il modulo deve funzionare sulla tensione che resta dopo che la resistenza di anello ha preso la sua parte. È per questo che carico e alimentazione sono legati: un carico di 250 Ω o di 500 Ω più la resistenza del cavo è ciò che l’alimentazione da 24 VDC deve pilotare, e il materiale dichiara un limite alla resistenza dei conduttori per questa ragione e non come raccomandazione sul cavo.

Due potenziometri stanno sul modulo per lo zero e per l’escursione. Sono lì perché il trasmettitore è il punto dell’anello dove l’assieme installato può essere regolato: la tolleranza dell’elemento, la resistenza dei conduttori e il resistore di carico finiscono tutti in un unico scostamento e in un unico errore di guadagno, e entrambi si possono correggere al modulo contro un termometro di riferimento.

Come scegliere il trasmettitore giusto

Cominci dal sensore, perché il tipo di ingresso è fissato per il modulo. Un Pt100 è la scelta usuale dove la temperatura deve essere difendibile e resta dentro il suo campo; una termocoppia subentra dove la temperatura è abbastanza alta, o il punto abbastanza piccolo, da rendere impraticabile un elemento a resistenza. Il materiale elenca Pt100, Cu50, Cu100 e Pt1000 sul lato della resistenza, e i tipi B, E, J, K, N, R, S e T più WRe3-25 e WRe5-26 sul lato della termocoppia.

Poi l’escursione d’uscita, che è la decisione che in pratica influenza di più la lettura. L’anello 4-20 mA porta un intervallo di corrente fisso, e l’escursione che gli si assegna decide quanto temperatura rappresenta ogni milliampere. Assegnare un’escursione stretta attorno al campo di lavoro dà una lettura più fine su quel campo, ma tutto ciò che ne sta fuori viene tagliato. Il materiale elenca le escursioni assegnabili da -20-60 °C fino a 0-600 °C negli scalini dati nella tabella di selezione, e una marcatura 0-100 °C compare sulla versione a 0-10 V.

Poi l’anello in sé. L’alimentazione è a 24 VDC e il carico è dichiarato come 250 Ω o 500 Ω, con un limite alla resistenza dei conduttori da rispettare. Dove la linea è lunga, o lo strumento ricevente presenta un carico più pesante, è la tensione disponibile al modulo a vincolare la disposizione, e il materiale offre una costruzione su richiesta dove la resistenza dei conduttori su una linea con Pt100 supera i 35 Ω.

Poi l’ambiente e il montaggio. Il materiale dà un campo di esercizio da -30 a 80 °C nella tabella dei parametri, ma descrive da -20 a +60 °C come campo di lavoro usuale, ed elenca inoltre un campo di trasporto e di immagazzinaggio da -40 a 120 °C. L’involucro è una base di 44×40 mm con viti M3×5, che si addice a un quadro o a un corpo da campo e non a una parete.

Infine la sonda abbinata. Il materiale documenta sonde da usare con il modulo, compresa una Pt100 a elemento incamiciato di φ4×30 mm su un conduttore impermeabile da 0,5 m, una Pt100 piatta di 7,5×20×3,6 mm, una versione filettata impermeabile su conduttore da 1,5 m con filettatura M6×1, e una versione ad alta temperatura su filettatura M12×1 qualificata fino a 420 °C. L’isolamento dei conduttori non è lo stesso in tutte queste opzioni, e solo i conduttori in treccia metallica portano la qualifica per alte temperature.

Limiti e punti da confermare

L’affermazione di accuratezza ha bisogno di un riferimento per essere significativa. 0,2%FS è una percentuale dell’escursione assegnata e non della temperatura misurata, quindi un’escursione 0-600 °C e una 0-50 °C producono errori assoluti molto diversi dallo stesso valore. Il materiale non dichiara alcun campione di riferimento dietro di esso, quindi il valore va letto come la specifica del fornitore e confermato contro un certificato dove l’applicazione dipende da esso.

I due coefficienti di temperatura non sono conciliati. Un ≤25 ppm/°C FS generale e un ≤250 ppm/K FS proprio dell’ingresso Pt100 su un’escursione di 100 °C differiscono di un ordine di grandezza, e il materiale non dice quali ingressi copra il valore generale. Dove il modulo lavora lontano dalla temperatura di taratura, quella distanza conta più del valore di accuratezza, e finché non è risolta il valore più ampio è quello prudente da assumere.

Alcuni limiti del materiale vanno letti con attenzione. Il limite di resistenza dei conduttori è dato come inferiore a 80 Ω sia per un carico di 500 Ω sia per uno di 250 Ω, il che è insolito: la resistenza dei conduttori ammessa di solito scende quando il carico sale, perché entrambi consumano la stessa tensione di anello. Il valore è stato segnalato anziché pubblicato come due limiti distinti verificati. Anche il limite di corrente di uscita di 20,3 mA è un valore di saturazione, e non un punto di lavoro.

Diversi parametri che una specifica di solito dichiara sono assenti: il grado di protezione, i limiti di umidità, la tensione di isolamento fra ingresso e uscita e la stabilità nel tempo. Su questa pagina compaiono come informazione richiesta e non come stime. Il materiale dichiara inoltre che i componenti sono importati, senza nominare una qualità o una provenienza: ciò non è pubblicato qui, perché non può essere giustificato dal documento fornito.

Due punti pratici sull’assieme. Il materiale dichiara che le sonde abbinate sono assemblate a mano e possono portare variazioni di misura, quindi la coppia sonda e trasmettitore va trattata come un assieme da regolare e non come due parti indipendentemente interscambiabili. E il prodotto non porta alcuna denominazione di modello nel documento fornito: l’identificazione sull’involucro è un’etichetta di configurazione, quindi un ordine dovrebbe dichiarare il tipo di ingresso, la forma dell’uscita e l’escursione assegnata anziché un codice.