Guida ai sensori di temperatura: tipi, principi di funzionamento e fattori di selezione

La temperatura è una delle variabili misurate più frequentemente nell'industria, eppure sensore di temperatura viene spesso scelto alla fine di un progetto. Abbiamo visto questo schema molte volte: una sonda viene selezionata dopo che il tubo, il forno, il serbatoio o il pannello di controllo sono già stati progettati. Il risultato è solitamente un compromesso in termini di velocità di risposta, idoneità dell'installazione o durata di servizio. Un approccio più pratico consiste nel capire cosa deve fare il sensore, quindi abbinare l'elemento sensibile, la protezione, il montaggio e l'uscita del segnale al lavoro.

Cosa misura effettivamente un sensore di temperatura

Un sensore di temperatura è un dispositivo che converte una condizione termica in un segnale che può essere letto, trasmesso o controllato. Tale segnale può essere un valore di resistenza, una piccola tensione, un circuito di corrente o una lettura digitale. L'elemento sensoriale è solo una parte della storia. Nell'uso industriale, il sensore solitamente comprende una guaina protettiva, un isolamento, una testa di connessione, una connessione al processo e talvolta un trasmettitore integrato.

Questo è il motivo per cui due sensori con prestazioni di precisione simili possono funzionare in modo molto diverso. Il tempo di risposta dipende dalla massa e dal contatto termico. La stabilità dipende dai materiali e dalla temperatura operativa. La durata dipende dalla corrosione, dalle vibrazioni, dall'umidità e dalla profondità di installazione. Secondo la nostra esperienza, un sensore che sembra corretto sulla carta può deludere se l'assemblaggio non è adeguato alle reali condizioni del processo.

I principali tipi di sensori di temperatura

La maggior parte delle misurazioni della temperatura industriale rientra in poche famiglie: termocoppie, rilevatori di temperatura a resistenza, termistori e sensori a infrarossi. I termometri bimetallici sono comuni anche per l'indicazione locale, mentre i sensori digitali compatti servono apparecchiature e applicazioni di laboratorio. Ogni tipo ha un diverso equilibrio tra portata, precisione, velocità e costo.

Le termocoppie vengono spesso scelte per forni, linee di scarico e processi ad alta temperatura perché tollerano calore e vibrazioni estremi. Gli RTD sono preferiti quando la stabilità e l'accuratezza sono importanti, soprattutto nelle applicazioni industriali alimentari, farmaceutiche, analitiche e a basse temperature. I termistori sono utili nelle apparecchiature compatte in cui la sensibilità conta più dell'ampio range. I sensori a infrarossi aiutano quando il contatto è poco pratico, ma necessitano di un puntamento accurato e di una visione realistica dell'emissività della superficie.

Per i progetti che necessitano di un riferimento di resistenza stabile, una RTD PT100 Classe A 316 diretta in fabbrica è un pratico punto di partenza per molti compiti a media temperatura.

Sonda con sensore di temperatura PT100 RTD 316 di classe A Una sonda Pt100 diretta in fabbrica che copre da -200 a 450°C, con precisione di Classe A e struttura in acciaio inossidabile 316 per un riferimento stabile di resistenza a media temperatura. Visualizza il prodotto →

Come funzionano nella pratica i sensori di temperatura

Una termocoppia sfrutta l'effetto Seebeck: due metalli diversi producono una piccola tensione quando le loro giunzioni sono a temperature diverse. La giunzione di misura si trova nel processo, mentre la giunzione di riferimento si trova solitamente sui terminali o all'interno del trasmettitore. Questo è il motivo per cui la compensazione della giunzione fredda è importante. Senza di esso, la lettura può spostarsi man mano che la testa di connessione si riscalda o si raffredda.

Un RTD funziona diversamente. La sua resistenza aumenta in modo prevedibile all'aumentare della temperatura. Un PT100, ad esempio, è nominalmente 100 ohm a 0 °C. Poiché la variazione della resistenza è piccola, la resistenza del cavo può influire sulla precisione. Le connessioni a tre e quattro fili aiutano a compensare la resistenza del cavo. Anche un termistore cambia la resistenza con la temperatura, ma solitamente in modo più ripido e non lineare su un intervallo più ristretto.

I sensori a infrarossi leggono la radiazione termica emessa da una superficie. Non misurano direttamente la temperatura dell'aria e non possono vedere attraverso gli ostacoli. L'emissività, la dimensione del target, la distanza e la riflessione dello sfondo influenzano tutti il ​​risultato. Per tutti i tipi di sensori, un buon cablaggio del segnale, schermatura e messa a terra fanno parte del sistema di misurazione e non sono accessori opzionali.

• L'elemento sensibile risponde alla temperatura.
• La guaina protegge l'elemento e conduce il calore.
• La testa di connessione protegge terminali e cablaggio.
• Il trasmettitore o il controller converte il segnale in un'uscita utilizzabile.

Fattori di selezione che contano più della scheda tecnica

Una scheda tecnica fornisce un utile punto di partenza, ma non descrive l'intera installazione. Prima di scegliere un sensore di temperatura, verificare quanto segue:

• Intervallo di temperatura: Lasciare spazio per l'avvio, la pulizia o condizioni alterate.
• Precisione e ripetibilità: Decidi se hai bisogno di una precisione assoluta o di dati di tendenza coerenti.
• Tempo di risposta: Una sonda sottile risponde più velocemente, ma potrebbe essere meno robusta.
• Ambiente di processo: Controllare la corrosione, la pressione, le vibrazioni, l'umidità e il lavaggio.
• Profondità di immersione: L'area di rilevamento deve raggiungere la temperatura di processo rappresentativa.
• Montaggio: I raccordi filettati, flangiati, a morsetto, magnetici o a compressione sono tutti adatti a compiti diversi.
• Uscita del segnale: Abbinare il sensore all'ingresso del controller, del PLC o del trasmettitore.
• Accesso per la manutenzione: Pianificare l'ispezione, la sostituzione e la calibrazione.

Aiuta anche a pensare al costo di una scelta sbagliata. Un sensore a basso costo che si guasta precocemente può costare molto di più di un assieme meglio abbinato, soprattutto quando provoca tempi di inattività o un lotto rifiutato.

Abbinamento del sensore al processo

Diversi settori richiedono cose diverse a un sensore di temperatura. Nel settore petrolchimico e del gas naturale, le sonde possono necessitare di robuste guaine, sigillature e protezione dagli agenti atmosferici o da atmosfere corrosive. Nella produzione chimica e quotidiana, la compatibilità con il recipiente, le tubazioni e la routine di pulizia è importante. I macchinari alimentari richiedono sonde igieniche, superfici lisce e materiali adatti al lavaggio e al contatto con il prodotto. Gli strumenti analitici spesso necessitano di sensori compatti e stabili che possano essere inseriti in un piccolo involucro.

Il nostro pagine delle applicazioni di settore raggruppare questi requisiti in modo che la selezione inizi dal processo piuttosto che da un numero di catalogo. Per forni, forni e apparecchiature ad alta temperatura, una sonda di tipo K in acciaio inossidabile classificata per 1.200 °C è una scelta comune quando l'atmosfera e il materiale della guaina sono adatti.

Sensore termocoppia tipo K da 1200°C per forni industriali Sonda termocoppia di tipo K in acciaio inossidabile per il rilevamento di forni industriali ad alta temperatura, con classi di tolleranza elencate e campi di misura selezionabili. Visualizza il prodotto →

Per gli alimenti e i lavori di laboratorio a temperature più basse, una sonda PT100 o PT1000 con guaina in acciaio inossidabile per alimenti può essere più appropriata. Per la misurazione della superficie su tubi o rotoli, i sensori autoadesivi o magnetici possono semplificare l'installazione. La chiave è adattare la forma della sonda alla superficie, non forzare una sonda standard in una posizione scomoda.

Note di installazione e manutenzione

Molti problemi di misurazione della temperatura iniziano al momento dell'installazione. Una sonda troppo corta, troppo allentata o scarsamente sigillata non riporterà la temperatura del processo in modo affidabile. Considera questi punti pratici:

1. Immergere la sonda abbastanza profondamente da raggiungere la temperatura di processo, mantenendo la testa di connessione entro il proprio limite di temperatura.
2. Utilizzare un sigillante o una guarnizione per filettature adatto ed evitare di serrare eccessivamente le filettature coniche.
3. Instradare i cavi di segnale lontano dai cavi di alimentazione e utilizzare una schermatura laddove è presente rumore elettrico.
4. Supporta sonde lunghe in servizio ad alte vibrazioni e controlla l'affaticamento sulla saldatura o sulla filettatura.
5. Isolare le sezioni esposte quando le condizioni ambientali potrebbero influenzare la lettura.
6. Registrare una lettura di base e controllare la calibrazione a intervalli ragionevoli.

Un sensore non deve essere complicato per essere affidabile, ma deve essere installato con la stessa cura dello strumento che protegge.

Uscita del segnale, controllo e monitoraggio remoto

Un sensore di temperatura raramente funziona da solo. In un moderno circuito di controllo, il sensore alimenta un trasmettitore, un controller, un PLC o un sistema di monitoraggio remoto. Un trasmettitore locale montato nella testa di connessione può ridurre la captazione del rumore e semplificare il cablaggio. Un'uscita da 4–20 mA è ancora ampiamente utilizzata perché è robusta su cavi lunghi e facile da integrare. Le uscite digitali e i controller del display sono utili laddove sono necessarie la lettura e la configurazione locale.

Il trasmettitore deve essere scelto in base al tipo di sensore, alla portata e all'ambiente. Un trasmettitore di temperatura integrato completamente isolato può aiutare a separare il circuito di misura dai circuiti di terra e dalle interferenze elettriche, il che è utile nei progetti di retrofit e negli impianti elettricamente rumorosi.

Trasmettitore di temperatura integrato completamente isolato Un trasmettitore a due fili completamente isolato per ingressi RTD, termocoppia, resistenza e tensione, che fornisce un'uscita da 4–20 mA per installazioni rumorose o retrofit. Visualizza il prodotto →

Dal punto di vista del controllo, i controller PID, gli indicatori analogici e i termometri bimetallici svolgono ciascuno un ruolo diverso. Il controller deve corrispondere all'ingresso del sensore, all'intervallo di temperatura e all'uscita richiesta. Per il monitoraggio remoto, pianificare in anticipo il percorso del segnale e l'alimentazione, poiché un buon sensore non può compensare un circuito mal progettato.

Una pratica lista di controllo prima di ordinare

Prima di effettuare un ordine, annotare l'intervallo di temperatura del processo, la precisione richiesta, l'interfaccia di installazione, le condizioni ambientali, la lunghezza del cavo e la potenza desiderata. Aggiungi uno schizzo del punto di montaggio, se disponibile. Queste informazioni sono molto più utili di un singolo numero di modello, soprattutto quando un sensore standard necessita di una piccola modifica per adattarsi correttamente.

• Qual è la temperatura normale e massima?
• Il processo è liquido, gassoso, superficiale o semisolido?
• Quale filettatura, flangia o morsetto è disponibile?
• Quanta lunghezza di inserimento è possibile?
• L'area è bagnata, polverosa, corrosiva o esplosiva?
• Quale input si aspetta il controller o il PLC?
• Come verrà testato o sostituito il sensore?

Se uno qualsiasi di questi punti è incerto, inviaci le condizioni del processo e un semplice schizzo. Una breve conversazione tecnica all'inizio spesso impedisce una lunga correzione in seguito e aiuta a garantire che il sensore di temperatura ricevuto sia veramente adatto al lavoro che deve svolgere.