Trasduttori di temperatura

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1 Trasduttori di temperatura l Scala Internazionale di Temperatura l Classificazione ed uso l Termocoppie l Termistori l Termoresistenze l Trasduttori ottici di temperatura l Effetto di carico e precauzioni nel montaggio

2 Scala Internazionale di Temperatura Mentre le altre quantità del SI sono estensive, la temperatura è INTENSIVA A 25 C B 25 C C 25 C A 10kg B 10kg C 20kg Questo rende difficile realizzare un campione di riferimento di temperatura

3 Scala Internazionale di Temperatura Il SI definisce come grandezza primaria la temperatura termodinamica, definita da Lord Kelvin e basata su un ciclo di Carnot per un gas ideale tra due riferimenti zero assoluto 0 K = C punto triplo dell'acqua K = 0.01 C Nonostante un gas reale possa comportarsi come un gas ideale in un ristretto range di temperature, nessun gas ha il medesimo comportamento nell intero intervallo di temperature normalemente usato, quindi è definito un set di vari campioni pratici a diverse temperature.

4 Scala Internazionale di Temperatura Al momento lo standard valido è ITS-90, che è definito nei seguenti intervalli: l Tra 0.65 K e 5.0 K: definito dalla relazione tra pressione di vapore e temperatura di 3 He e 4 He. l Tra 3.0 K e K (punto triplo del neon): il riferimento è un termometro ad elio tarato con 3 temperature fisse. l Tra K (punto triplo dell idrogeno) e K (punto di congelamento dell argento): termoresistenza al platino (RTD) tarata con temperature fisse. l Sopra I K : ITS-90 definisce un solo punto fisso (congelamento argento) e estende gli altri con la legge di Planck sulla radiazione.

5 Scala Internazionale di Temperatura l In realtà ci sono piccole differenze tra la scala pratica di temperatura e la scala assoluta termodinamica, ma l incertezza data da queste differenze è normalmente trascurabile rispetto all accuratezza complessiva del trasduttore. l Data la scelta di un intervallo di riferimento comune (0 C 100 C) si assume un equivalenza 1 C=1 K per motivi pratici l Altre equivalenze son date da T[K] =t [ C] =5/9T[ R]=5/9(t [ F] ) kelvin=celsius=rankine=fahrenheit

6 Trasduttori di Temperatura l Termometri ad espansione termica basati sull effetto di espansione termica l Termocoppie basati sull effetto Seebek-Thomson l Termometri resistivi basati sulla relazione tra resistenza elettrica e temperatura l Sistemi Ottici basati sulla legge di Planck per la radiazione l Rilevatori di altissime temperature basati sulle leggi cinetiche dei gas

7 Trasduttori di Temperatura Termometri ad espansione l A base liquida (solitamente alcool per misure metereologiche) l A base gassosa (in genere usati in laboratorio metrologici per tarare altri strumenti) l Termometri bimetallici (usati in ambito industriale se il processo è molto lento od in dispositivi di sicurezza) T - > x

8 Trasduttori di Temperatura Termometri ad espansione l Usati solo per misure molto lente a causa della sovrapposizione dell inerzia termica e meccanica. l Difficoltosa e poco comune l acquisizione digitale di questi trasduttori: altri sistemi sono ora preferiti ovunque tranne che in metrologia l La frazione di inserimento della sonda è importante, quindi servono fattori di correzione per montaggi non standard Tamb T1

9 Trasduttori di Temperatura Termocoppie l Basati sugli effetti termoelettrici di Seebek e Thomson l Economici, facili da usare, intercambiabili ed affidabili l Seguono una codifica standard per il fondoscala e la sensibilità l È il più diffuso trasduttore di temperatura in ambito industriale T - > V

10 Trasduttori di Temperatura T - > R Termometri resistivi l Basati sulla resistenza elettrica di elementi metallici (RTD o termoresistenze) o di semiconduttori (termistori) l Accurati e lineari solo in un piccolo intervallo di temperatura l Richiedono un condizionamento e circuiti di misura appositi per funzionare correttamente l Possono essere integrati in un circuito stampato l Solitamente adottati per misure a basso costo o per compensazioni automatiche di temperatura

11 Trasduttori di Temperatura Sistemi ottici l Basati sulla trasmissione termica per radiazione verso una cella fotovoltaica od un altro trasduttore di temperatura (termopila) l Molto sensibile alla variazione di forma e di colore dell oggetto della misurazione l Misura senza contatto, utile in ambienti pericolosi od ostili T - > V

12 Termocoppie (TC) l Trasduttori di temperatura molto semplici ottenuti saldando cavi metallici di materiale diverso l Entrano in gioco tre diversi effetti: l Seebek l Peltier l Thomson

13 Termocoppie (TC) Seebek l In un circuito composto da due diversi metalli A e B, se i giunti sono a temperature T1 e T2 diverse, si manifesta una forza elettromotrice E, proporzionale a T2-T1 T1 A B E - > T2 Questo è il principio di misura principale delle termocoppie

14 Termocoppie (TC) Peltier l In un circuito composto da due metalli diversi A e B, se una corrente I viene applicata, avviene un trasferimento di termico proporzionale a I coerente con l effetto Seebek T1 A B I - > T2 Questo è un effe#o di carico associato alle termocoppie, ma normalmente è trascurabile

15 Termocoppie (TC) Thomson l In un conduttore con capi a diverse temperature ed una corrente elettrica applicata, del calore viene generator se il verso della corrente è verso il giunto freddo, assorbito altrimenti l L effetto è completamente reversibile T1 q I ß T2 se T2>T1 allora genero calore se T2<T1 allora assorbo calore

16 Termocoppie (TC) Metalli usati l Alcune coppie di metalli sono comunemente usate nell industria per massimizzare la sensibilità e la linearità nel loro campo di misura, seguendo uno standard internazionale che definisce anche la loro accuratezza di misura

17 Termocoppie (TC) Tipo Metalli Campo di misura Incertezza K Chromel - Allumel -180 C 1300 C 1.5 C Ampio intervallo di temperautra, adatto per atmosfere inerti ed ossidanti J Fe - Constantan -180 C 800 C 1.5 C Poco adatto ad alte temperature, adatto per atmosfere riducenti ed inerti N NiCrSi - NiSiMg -270 C 1300 C 1.5 C Come K, ma più stabile ad alte temperature R Pt 13% Rh - Pt -50 C 1700 C 1.0 C Da non usare in condotte metalliche, solo per atmosfere ossidanti ed inerti T Copper - Constantan -250 C 400 C 0.5 C Adatto per basse temperature in atmosfere umide, ossidanti e riducenti B Pt 30% Rh Pt 6% Rh 0 C 1820 C 2.5 C Da non usare in condotte metalliche, solo per atmosfere ossidanti ed inerti E Chromel - Constantan -40 C 900 C 1.5 C Alta sensibilità, solo per atmosfere ossidanti ed inerti

18 Termocoppie (TC) Leggi delle Termocoppie l Un insieme di leggi empiriche regolano gli effetti termoelettrici e consnetono di usare le termocoppie in maniera affidabile e modulare l Queste leggi aiutano a applicare, montare e sviluppare trasduttori di temperatura basati su termocoppie

19 Termocoppie (TC) influenzata La fem E generata da differenze da una di TC non è temperatura nei conduttori, ma solo ai temperatura giunti con l altro nei conduttori, metallo. ma solo ai giunti con l altro metallo. T1 A B E ß T3 T2 Questo consente di misurare la tensione usando uno strumento a temperatura diversa da T1 e T2

20 Termocoppie (TC) II legge: materiale interposto II legge: materiale interposto l La fem E generata da una TC non è influenzata dall introduzione di un terzo conduttore a patto che T1 A B T3 E E T3 T2 Questa legge consente di Questa legge consente di saldare la termocoppia al materiale da misurare e di introdurre prolungamen; del

21 Termocoppie (TC) III legge: materiali successivi l La fem E generata da una TC A realizzata con materiali A e B è uguale alla somma algebrica della fem di una TC realizzata con A e C e di una realizzata con C e B E C C A E1 Questo consente una cara<erizzazione rapida di termocoppie non standard basandosi sui metalli già no; E=E1+E2 B E2

22 Termocoppie (TC) IV legge: temperature successive l La fem E generata da una TC tra temperature T1 e T2 è uguale alla somma delle fem generate dalla stessa TC tra T1 e T3 e tra T3 e T2 A A T1 T1 T2 B E1 B E A T3 E=E1+E2 B E2 T3 T2 Questo rende possibile compensare la temperatura ambiente e riferire le misure ad un riferimento fisso.

23 Termocoppie (TC) Circuito di misura ideale l Il punto di riferimento è realmente ricreato in modo da ottenere una misura riferita a 0 C GIUNTO FREDDO T1 Bagno di acqua e ghiaccio (punto di fusione del ghiaccio) A B E ß GIUNTO CALDO T2 E=f(T2-0 C) ogge?o da misurare Voltmetro ad alta impedenza (per limitare gli effeq PelSer, Thomson and Joule)

24 Termocoppie (TC) Circuito di misura pratico l Il GIUNTO FREDDO è a temperatura ambiente, ma un trasduttore secondario (di solito un termistore) è usato per valutarla, e compensarla usando la IV legge GIUNTO FREDDO T1 blocco isotermo Termistore A B E ß T2 ogge?o da misurare E=f(T2- T1)+Ec Voltmetro ad alta impedenza + dato Ec=f(T1-0 C) Ec - E=f(T2-0 C)

25 Termocoppie (TC) Connessioni pratiche l Il terminale di una termocoppia (sonda) può essere costituito da fili collegati, saldati tra loro, or, più comunemente, saldati e protetti da un guscio ceramico o metallico Bisogna fare una scelta tra la robustezza della sonda e la prontezza del trasdu<ore: più grande la capsula protefva, più alta sarà infaf l inerzia termica coinvolta (e quindi la costante di tempo del trasdu<ore)

26 Termocoppie (TC) Termocoppie usate in combinazione l Le termocoppie possono essere usate in combinazione, o in serie, (termopila) per aumentare la sensibilità, od in parallelo, per valutare la temperatura media di un ambiente.

27 termistori l I termistori sono semiconduttori, la cui resistenza elettrica dipende dalla temperatura secondo la legge: BASSA ACCURATEZZA ALTA SENSIBILITA CAMPO DI MISURA RIDOTTO Poichè il comportamento non è lineare sono usa; solo in piccoli range di temperatura, sfru<ando la loro dimensione rido<a ed alta sensibilità sono però spesso integra; in circui; stampan;.

28 termistori l I termistori sono comunemente usati in circuiti stampati, in circuiti di compensazione e per il monitoraggio di hardware termosensibile l Adatti per misure poco accurate eccetto il caso in cui il campo di misura sia molto ridotto (es. temperatura ambiente)

29 Termoresistenze (RTD Pt100) l Basati sulla dipendenza tra la resistenza e la temperatura in metalli puri: R=pL/A=p(T0)*(1+a(T-T0))L/A l A differenza dei termistorihanno sensibilità molto bassa, ma una accuratezza maggiore, ed un vasto campo di misura

30 Termoresistenze (RTD Pt100) l Poichè il coefficiente di espansione del platino offre una buona linearità (0.5%) nel range -200 C C le RTD sono generalmente in platino e tarate tra 0 C e 100 C l Poiché nel settore industriale le RTD con un valore di R(0 C)=100Ω son diventate uno standard diffuso, queste termoresistenze sono spesso chiamate Pt100 (RTD al platino con una resistenza nominale di 100Ω)

31 Termoresistenze (RTD Pt100) l Poichè la resistenza dipende molto dalla deformazione è importante non sollecitare mai la sonda. l La differenza di resistenza è difficile da leggere senza un circuito opportuno, quindi questi trasduttori richiedono un circuito di misura opportuno l C è un analogo con gli estensimetri poichè si tratta dello stesso principio usato diversamente!

32 Termoresistenze (RTD Pt100) Circuiti usati comunemente: l Quarto di ponte (due fili) l Mezzo ponte (tre fili) Entrambi basati sul ponte di Wheatstone l Voltamperometrico (quattro fili) il più comune, anche se richiede alcuni accorgimenti per letture corrette

33 Ponte di Wheatstone: principio A B D E I 5 C VOLTAGE READING V = R1 V AB = R1 + R2 R3 V AD = R3 + R4 R R R R E E ( R + R )( R + R ) E Introducendo variazioni di resistenza ed assumendo piccole variazioni di forma e la stessa resistenza nominale si ottiene: Ri = R 0 + ΔR i V ΔR1 ΔR2 ΔR3 + ΔR4 R >> Δ E 4R i R i

34 Ponte di Wheatstone: principio V E ΔR1 + ΔR 4R 0 4 R 1 +ΔR1 R 2 Se il segnale è lo stesso si ha: V V E ΔR 2 4 R 0 R 3 R 4 +ΔR4 Segnali di rami opposti si sommano fra loro E 21

35 Ponte di Wheatstone: principio V E ΔR1 ΔR 4R 0 3 R 1 +ΔR1 R 2 Se i segnali sono gli stessi si ha: V V E 0 R 3 +ΔR3 R 4 Segnali su rami adiacenti si sottraggono E 22

36 Termoresistenze (RTD Pt100) QUARTER BRIDGE Quarto di ponte Collegamento a due fili La variazione di resistenza è data da un solo braccio del ponte l La lunghezza dei cavi influenza la misurazione

37 Termoresistenze (RTD Pt100) La resistenza dei cavi (alta se lunghi) è compensata usando un HALF BRIDGE Mezzo ponte Collegamento a tre file altro ramo del ponte sulla resistenza.

38 Termoresistenze (RTD Pt100) Collegamento a qua?ro cavi La resistenza dei cavi è automaticamente compensata e la misurazione è semplificata. Per evitare surriscaldamento si usa una corrente ad onda quadra. collegamento VoltAmperometrico

39 Trasduttori di Temperatura Ottici Trasduttori di Temperatura Ottici l Un sistema di lenti concentra la radiazione termica su un trasduttore secondario. L output del rilevatore (la temperatura T) dipende dalla radiazione termica or irradianza j* del misurando secondo la legge di Stefan Boltzmann, la costante σ, e l emissività ε dell oggetto.

40 Trasduttori di Temperatura Ottici Trasduttori di Temperatura Ottici l Comunemente chiamati pirometri l Misure non a contatto, adatti per ambienti ostili l Ogni oggetto fisico da misurare richiede una taratura apposita, poiché l emissività dipende da l Materiale l Angolo di visione l Rugosità l Temperatura Le len; e la materia presente nell ambiente assorbono parte dell energia e ne rifle<ono altra, quindi il posizionamento del pirometro richiede par;colari precauzioni. In alcuni casi si possono usare fibre ofche per minimizzare l incertezza legata al mezzo.

41 Dynamical properties Dynamical Behaviour l Almost all Trasduttori di Temperatura respond to a first order model approximation, since most involve the probe or the whole sensor to be heated up to the target temperature, hence, the probe mass is the most relevant indicator for determining the time constant

42 Effetto di carico e precauzioni di montaggio l Effetto di carico dell asta l Spesso il montaggio del trasduttore richiede anche sostenere meccanicamente la sonda nel misurando: l asta di supporto può trasferire calore tra l interno e l esterno del corpo. T(x) Q x

43 Effetto di carico e precauzioni di montaggio l Effetto di carico a parete l In caso di misura su fluido caldo la differenza di temperatura tra la sonda e la parete del corpo può innescare trasmissione per irraggiamento in grado di raffreddare il giunto e quindi diminuire la misura di temperarutra q

44 Effetto di carico e precauzioni di montaggio l Alta Convezione l Nel caso di misure di fluidi caldi la costante di tempo può essere ridotta posizionando la sonda nella vena fluida più veloce: in questo caso è importante dare al trasduttore una forma aerodinamica per evitare stagnazione (che altererebbe la misura creando un cuscinetto di fluido)

45 Effetto di carico e precauzioni di montaggio l Guscio Massa l Bisogna fare una scelta tra la robustezza della sonda e la prontezza del trasduttore: più grande la capsula protettiva, più alta sarà infatti l inerzia termica coinvolta (e quindi la costante di tempo del trasduttore) l Alcuni condizionatori per trasduttori di temperatura sono connessi con la messa a terra della zona in cui si sta misurando: bisogna quindi accertarsi che siano sensibili a eventuali cortocircuiti dovuti alla sonda in contatto metallico