Termoresistenze Pt100 e NTC

Nei reparti di produzione alimentare, nei laboratori di controllo e nelle linee di processo la temperatura è la grandezza misurata più spesso, e quasi sempre con un sensore resistivo. Chi deve specificare una sonda si trova però davanti a due famiglie che si somigliano solo in apparenza: per questo un ragionamento su termoresistenze Pt100 e NTC, confronto fra metodi di misura diversi, vale più di qualsiasi tabella di prezzi. Una scelta sbagliata non si manifesta come guasto: si manifesta come scostamento sistematico di qualche decimo di grado che nessuno nota fino all’audit.

Il principio fisico è lo stesso solo a livello di enunciato: in entrambi i casi la temperatura si legge attraverso la variazione di resistenza elettrica di un elemento sensibile. Nella termoresistenza al platino la resistenza cresce con la temperatura in modo quasi lineare e prevedibile, descritto da una relazione polinomiale normalizzata. Nel termistore NTC la resistenza cala al crescere della temperatura, e lo fa in modo fortemente non lineare, con una pendenza molto più ripida.

Da questa differenza discende tutto il resto: campo di misura utile, accuratezza dichiarabile, stabilità nel tempo, possibilità di sostituire il sensore senza ritarare la catena, tempo di risposta, costo del componente e costo dell’elettronica che lo legge. Il confronto serve a capire quale delle due famiglie regge il compito, e dove invece nessuna delle due è la risposta giusta.

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Che cosa misura davvero un sensore resistivo di temperatura

Un sensore resistivo non misura la temperatura: misura la propria resistenza, e restituisce la temperatura del proprio elemento sensibile, non quella del mezzo in cui è immerso. La differenza fra le due è l’errore di accoppiamento termico, e dipende da immersione, contatto, conducibilità della guaina e portata del fluido. La termoresistenza al platino sfrutta la relazione fra resistività del platino e temperatura: un elemento a 100 ohm a 0 °C varia di circa 0,385 ohm per grado, con una curva che si allontana poco dalla retta su tutto il campo utile. Il termistore NTC è invece un semiconduttore ceramico la cui resistenza può cambiare di alcuni punti percentuali per grado: molto sensibile, ma su un intervallo ristretto. Capire questa asimmetria è il punto di partenza di ogni specifica seria.

Termoresistenze Pt100 e NTC: confronto fra metodi di misura in campo

Il confronto si regge su sette criteri. Linearità: la Pt100 è quasi lineare e la sua curva è normalizzata, quindi qualunque trasmettitore la interpreta allo stesso modo; l’NTC richiede una linearizzazione, tipicamente con una relazione esponenziale a tre parametri o una tabella. Campo: la Pt100 copre in pratica da circa -200 °C a 600 °C e oltre, l’NTC lavora bene fra circa -50 °C e 150 °C. Accuratezza: la Pt100 è dichiarata per classi normalizzate, l’NTC per tolleranza sul valore nominale a 25 °C. Stabilità e deriva: il platino invecchia poco e in modo prevedibile, la ceramica dell’NTC deriva di più se stressata termicamente. Intercambiabilità: una Pt100 si sostituisce senza ritarare la catena, un NTC quasi mai. Tempo di risposta: l’NTC, più piccolo, è più rapido. Costo: l’NTC vince sul componente, la Pt100 sull’intero ciclo di vita della misura.

Collegamento a due, tre e quattro fili e autoriscaldamento

Su una Pt100 la resistenza dei conduttori non è un dettaglio impiantistico: è un errore di misura vero e proprio, perché si somma alla resistenza dell’elemento e lo strumento non ha modo di distinguerla. Con il collegamento a due fili qualche ohm di cavo si traduce in vari gradi di errore, e l’errore cresce con la lunghezza e con la temperatura ambiente della linea. Il collegamento a tre fili compensa la caduta assumendo che i conduttori siano identici; quello a quattro fili elimina il problema, perché la corrente di eccitazione scorre su una coppia e la tensione si legge sull’altra, dove non passa corrente. Resta l’autoriscaldamento: la corrente di eccitazione dissipa potenza nell’elemento e lo scalda rispetto al mezzo. Si contiene mantenendo la corrente bassa e verificando l’effetto in aria ferma, la condizione peggiore.

Classi di tolleranza e norme di riferimento

Le termoresistenze al platino sono normalizzate dalla IEC 60751, che definisce sia la curva caratteristica sia le classi di tolleranza AA, A, B e C, in ordine di accuratezza decrescente e con una tolleranza che cresce allontanandosi da 0 °C. Ogni classe vale inoltre su un campo di temperatura dichiarato, più ristretto per le classi migliori: specificare una classe AA su tutto il campo di una sonda è una richiesta priva di senso. I termistori NTC ricadono nella IEC 60539, che ne definisce prove e caratterizzazione, ma senza una curva unica di riferimento: ogni costruttore dichiara i propri parametri, ed è questa la ragione tecnica della scarsa intercambiabilità. Nella pratica del controllo qualità questa differenza pesa: una catena di misura tracciabile si documenta molto più facilmente con un sensore la cui curva è definita da una norma.

Quando conviene il sensore resistivo rispetto alla termocoppia

Rispetto alla termocoppia, che genera una tensione legata alla differenza fra giunto di misura e giunto di riferimento, entrambi i sensori resistivi offrono accuratezza e stabilità superiori nel campo industriale ordinario e non richiedono cavi di compensazione dedicati. La termocoppia resta insostituibile alle alte temperature e dove serve un sensore molto piccolo e robusto, ma paga in ripetibilità e deriva. Fra le due famiglie resistive, la Pt100 è la scelta quando contano accuratezza dichiarabile, ampiezza del campo e sostituibilità senza ritaratura; l’NTC quando contano sensibilità, rapidità e costo su un intervallo ristretto e noto, come il monitoraggio di celle e vetrine refrigerate.

Per la scelta dell’elemento sensibile, dei collegamenti e delle classi di tolleranza si può approfondire la pagina dedicata alle Termoresistenze Pt100 e NTC.

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