Sensori di temperatura. Corso di Sensori e Trasduttori di Misura

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1 Sensori di temperatura Corso di Sensori e Trasduttori di Misura

2 Outline Definizioni di base Unità di misura e scale di temperatura Principio di sensing Progettazione e principio operativo Caratteristiche dei trasduttori

3 Definizioni di base Temperatura variabile intensiva Misura del grado di riscaldamento o raffredamento di un corpo Direttamente legata al concetto di calore (energia termica) Conduzione Convezione Irraggiamento Temperatura assoluta: scala termodinamica [K] Transizione di fase Punto di fusione, ebollizione, sublimazione (tipicamente a pressione di 1 atm) Punto triplo

4 Definizione di base Flusso di calore: quantità di calore trasferita attraverso un superficie di area unitaria nell unità di tempo Capacità termica: quantità di calore richiesta per aumentare la temperatura di un sistema, sostanza o corpo di 1 grado di temperatura Calore specifico: capacità termica/massa Conducibilità termica: = ka Legge di Fourier Diffusività termica: indica quanto velocemente una sostanza è capace di livellare gradienti interni di temperatura

5 Definizione di base Corpo nero (ideale): corpo ideale capace di assorbire completamente e non riflettere la luce incidente è anche il corpo radiante perfetto Riflessività = 0% Assorbimento = 100% Emissività: rapporto tra la radiazione emessa da una generica superficie e quella emessa dalla stessa area di un corpo nero riscaldato alla stessa temperatura Legge dei gas perfetti (+ modifiche per gas reali) Legge di Stefan-Boltzmann Q = σat

6 Unità di misura e scale di temperatura Paese che vai Fahrenheit: 32 F 212 F (0 F fusione miscela di acqua e sale e 96 F temperatura del sangue Reaumur: 0 R 80 R Celsius Rankine: scala assoluta basata su Fahrenheit Kelvin: scala assoluta termodinamica Punto triplo acqua: 273,16 K (0,01 C) 1 K = 1/273,16 temperatura del punto triplo Scala internazionale della temperatura ITPS-68 Definizione di transizioni di fase per la calibrazione dei sensori di temperatura

7 Meccanismi di trasduzione della temperatura Modifiche delle dimensioni fisiche Termometri bimetallici ( Termometri a bulbo ( ) ) Modifiche delle proprietà elettriche Termocoppie ( ) Termoresistenze (RTD, Termistori ( ) Sensori a circuito integrato (IC, ) ) Modifiche della fase chimica Termometri ai cristalli di quarzo ( ) Modifiche della radiazione termica emessa Pirometri a radiazione/infrarossi ( )

8 Sensori di liquido in vetro Elementi principali Bulbo Tubo capillare Scala graduata Liquido Bulbo superiore Caratteristiche Coefficiente di dilatazione >> rispetto al vetro Coeff. Costante nel range di T No transizioni di fase Visibilità Mercurio Alcool Range: -20 C 150 C Incertezza: fino a 0.01%

9 Sensori bimetallici Costituiti da due lamine di metalli aventi coefficienti di temperatura diversi. Al variare della temperatura, la diversa espansione dei metalli provoca un incurvatura. Fissando una delle due estremità, si può misurare la variazione di temperatura misurando la deflessione Forma: a spirale o a elica Usati spesso nei termostati ( temperatura] ) [controllo on/off della Materiali: M 1 = ottone o nichelcromo, M 2 = invar (ferro con 36% nichel) Range di utilizzo: Da -65 a 430 C Accuratezza: Da ± 0.5 a 12 C Vantaggi: Basso costo Manutenzione praticamente nu Stabile nel tempo lla

10 Sensori bimetallici r = raggio di curvatura t = spessore totale m = rapporto fra gli spessori: Spessore materiale con bassa espansione / spessore materiale ad alta espansione n = rapporto dei moduli di Young modulo materiale con bassa espansione / modulo materiale ad alta espansione =coefficiente di espansione termica (1/ C), materiale a bassa espansione 2 =coefficiente di espansione termica (1/ C), materiale ad alta espansione T = temperatura ( C) T o = temperatura con lamina bimetallica a riposo ( C) r = t{3(1 + m)2 + (1 + mn)[m 2 + (mn) 1 ]} 6( 2 1)(T T )(1 + m) 2 0

11 Termocoppie Grandezza misurata: differenza di temperatura Grandezza in uscita: tensione Tipo di sensore: autoeccitante (termoelettrico) nonlinearità sistematica (compensazione con tabelle o polinomi interpolanti) temperature: tensioni in uscita: sensibilità: C mv V/ C È il sensore più usato nell industria per le misure di temperatura

12 Termocoppie: principio di funzionamento E T 2 T 1 M 2 M 1 Le termocoppie operano secondo il principio per cui in un circuito costituito dalla connessione di due metalli diversi si produce una differenza di potenziale elettrico (o forza elettromotrice) qualora le due estremità siano poste a temperatura diversa

13 Termocoppie: principio di funzionamento Nel 1821 Seebeck osservò l esistenza di una tensione elettrica ai capi di una giunzione di metalli di diverso tipo quando gli estremi sono sottoposti a diverse temperature (effetto Seebeck) E T 2 T 1 M 2 M 1 Thomas Johann Seebeck ( ) Thomson osservò che un conduttore, con una estremità posta ad una temperatura T e con 1 l altra ad una temperatura T 2, attraversato da una corrente elettrica, sviluppa calore (1857). William Thomson (Lord Kelvin) ( ) Jean-Charles-Athanase Peltier ( ) Peltier scoprì che quando una corrente elettrica percorre un circuito a due conduttori uno dei punti di contatto genera calore e l altro assorbe calore (1834). È il duale dell effetto Seebeck. L effetto Thomson di solito è molto minore dell effetto Peltier

14 Termocoppie: effetto Seebeck 1 Vg (T ) = (P1 (T ) e P2 (T )) V g (T) M 1 T P 1 (T) = P 2 (T) = potenziale elettrochimico metallo M 1 potenziale elettrochimico metallo M 2 M 2 e = carica dell elettrone V g non è facilmente rilevabile, perché collegando un voltmetro si formano altre giunzioni che influiscono sulla misura

15 Termocoppie: effetto Seebeck giunto freddo (o di riferimento) E(Tc ) Tf =T f = Vg(Tc ) giunto caldo (o di misura) Vg (Tf ) = 1 [P 1(Tc ) e P 2(Tc ) + P2 (Tf ) Il collegamento di un voltmetro ai morsetti, se i terminali del voltmetro sono dello stesso materiale metallico M 3 e i morsetti sono alla stessa temperatura T3, non influisce sulla misura di E P1(Tf )]

16 Termocoppie: tensione generata La funzione E(T c ) è riportata nei data sheet, in forma tabellare e con risoluzione di 1 ºC, per T f =0 ºC Come calcolare E(T c ) per T f 0 ºC? E(Tc) Tf =T f = Vg(Tc) Vg(T f ) = V g (T c ) V g (0) + V g (0) V g (T f ) = E(Tc) T f =0 E(T f) T f =0

17 Termocoppie: tensione generata Temperatura giunto freddo:t f = 30 C Dal voltmetro: E(Tc) T =T f f = mv Dalle tabelle: E(30 C) T f=0 = mv Da cui si ricava: E(Tc) T f=0 = = mv Dalle tabelle si ricava: Tc = 358 C

18 Termocoppie: semplici regole di utilizzo 1) Per avere una tensione di uscita utilizzabile nelle applicazioni, una termocoppia deve contenere (almeno): due metalli di tipo diverso due giunzioni due temperature diverse 2) L inserimento di un terzo metallo all interno del circuito della termocoppia non cambia la tensione in uscita, purché le due nuove giunzioni siano alla stessa temperatura e il materiale inserito sia omogeneo T c T 3 T 3 T f E Esempio: saldature

19 Termocoppie: semplici regole di utilizzo 3) Se una termocoppia sviluppa una tensione E 12 quando la giunzione è alle temperature T 1, T 2, e una tensione E 23 quando alle temperature T 2, T 3, allora quando posta alle temperature T 1, T 3 svilupperà una tensione T 2 T 1 E 13 = E 12 + E 23 E(T 1 ) Tf =T 3 = V g (T 1 ) V g (T 3 ) T 3 T 2 = V g (T 1 ) V g (T 2 ) + V g (T 2 ) V g (T 3 ) = E(T1) T f =T 2 E(T2) T f =T 3 T 1 T 3

20 Termocoppie: semplici regole di utilizzo 4) Se una termocoppia composta dai metalli A e C, sottoposta alle temperature T 1, T 2, genera una tensione E AC, e una termocoppia composta dai metalli C e B, sottoposta alle medesime temperature, genera una tensione E CB, allora una termocoppia composta dai metalli A e B, sottoposta alle medesime temperature, svilupperà una tensione E AB =E AC +E CB Talvolta è utile in fase di calibrazione 5) Variazioni di temperatura nei cavi di collegamento non alterano la tensione di uscita, purché i cavi di collegamento siano di materiale omogeneo

21 Termocoppie: problemi Problemi: Giunzioni parassite dovute ai collegamenti Necessità di conoscere T f Cu Fe V m V 2 V 3 Cavi di collegamento V 1 T 1 Cu temperatura costante T f Constantana V m = V 1 -V 2 +V 3

22 Termocoppie: soluzione Cu V 3 Legge del metallo intermedio V 4 Fe V f V 3 = V 4 -V f Cu Fe V m V 2 V 4 V f Cavi di collegamento V 1 T 1 Cu Fe Costantana temperatura costante T f V m = V 1 -V 2 +V 4 V f V 1 = V m +V f V f = tensione generata da una termocoppia (dello stesso tipo di quella di misura) a temperatura T f

23 Termocoppie: temperatura di riferimento Problema: occorre conoscere la temperatura T f! Bagno di ghiaccio ( Accurato ed economico Riferimento controllato elettronicamente Richiede una calibrazione periodica. Non così stabile come il bagno di ghiaccio, ma senz altro più semplice Sistema di compensazione della temperatura di riferimento (compensazione del giunto freddo ) Un sensore di temperatura all interno dello chassis misura la temperatura del giunto freddo. Tale misura viene utilizzata per calcolare la temperatura misurata dalla termocoppia ) Zone box: è una zona a temperatura uniforme che assicura che tutte le connessioni all interno della zona stessa siano alla stessa temperatura

24 Termocoppie: compensazione di giunto freddo acquisizione Cavo di termocoppia Fe T f V 1 T 1 sensore di T f terminazione isoterma Costantana Cavi di termocoppia: cavi omogenei con quelli della termocoppia (per non generare tensioni al contatto). Più costosi dei normali cavi di rame per vincoli di purezza, omogeneità, resistenza alla temperatura

25 Termocoppie: compensazione di giunto freddo Algoritmo di compensazione del giunto freddo si misura T f con un sensore a semiconduttore si converte la T f in una tensione equivalente V f mediante la tabella (o polinomio) della termocoppia di misura alla tensione misurata V m si somma V f ricavata dalla tabella per trovare la tensione equivalente V 1 della termocoppia di misura con giunzione fredda a 0 C si converte la tensione V 1 nella corrispondente temperatura mediante la tabella (o il polinomio) misura di temperatura (alta) ottenuta mediante un altra misura di temperatura (bassa) più semplice perchè a valori prossimi a T amb

26 Termocoppie: sonda A. Giunzione protetta isolata ( ) La giunzione non è attaccata alla sonda. Si ottiene l isolamento elettrico, al prezzo però di un aumento del tempo di risposta B. Giunzione protetta a massa ( ) La giunzione è fisicamente attaccata alla sonda. Si ha un buon trasferimento di calore e quindi tempo di risposta più breve C. Giunzione esposta ( ) La giunzione è esposta all ambiente circostante. Si ha il tempo di risposta migliore, ma non è utilizzabile in ambienti corrosivi o sotto pressione.

27 Termocoppie: selezione Dipende da diversi requisiti: Range di temperatura Accuratezza desiderata Problemi di compatibilità chimica Resistenza all abrasione e alla vibrazione Vincoli di installazione (dimensioni dei cavi) Conduzione termica desiderata Difetti: relativamente poco accurate (per disomogeneità) necessità delle sonde protettive tempi di risposta lunghi (a causa della sonda) caratteristica non lineare (su ampi intervalli di T) Pregi: autoeccitante poco costose funzionamento in ambienti critici range di temperature molto ampio (versatilità) cavi di collegamento anche lunghi Sensore di temperatura standard: Nelle applicazioni ad altissima temperatura Nella applicazioni a basso costo (es: domestiche)

28 Termocoppie: selezione

29 Termocoppie: selezione

30 Termocoppie: selezione

31 Termocoppie: selezione J K T B E S R N T min ºC T max ºC *V max mv Incertezz a ºC Altro basso costo sensibilità alta Incertezza moderata basso costo Sens. moderata bassa Incertezza resistenza all ossidazione costo contenuto Sens. moderata alta Incertezza adatta a basse temp.

32 Sensori di temperature variazione di resistenza La resistenza elettrica di diversi materiali cambia con le variazioni di temperatura, in maniera riproducibile. Questo è il principio alla base del funzionamento sia delle termoresistenze che dei termistori Termoresistenze (RTD, resistance temperature device o detector): sono sensori di temperatura di precisione. Utilizzano un metallo conduttore (tipicamente un filo, wire, o uno strato metallico di platino) e ha un coefficiente positivo di temperatura (PTC, positive temperature coefficient) all aumentare di T, la resistenza cresce pressoché linearmente. Termistori (thermistors): sono di materiale semiconduttore, hanno un elevato coefficiente di temperatura negativo (NTC, negative temperature coefficient): all aumentare di T, la resistenza decresce.

33 Termoresistenza Grandezza misurata: temperatura Grandezza in uscita: variazione di resistenza Tipo di sensore: modulante (termoresistivo) Richiede un circuito per la trasformazione della resistenza in tensione Range temperatura C

34 Termoresistenza: principio di funzionamento,, sono determinate sperimentalmente 0 è la resistività misurata alla temperatura di riferimento T 0 (solitamente T 0 =0 C) Per piccole variazioni di temperatura, e sono trascurabili La resistenza di un filo metallico risulta: R(T) = (T) L A L = lunghezza del filo metallico A = area della sezione Esempio (platino, Pt100): R0 = 100 Sensibilità: R = T 0 L = / C A I=0 I AL E(T) I=0 RTD

35 Termoresistenza: principio di funzionamento Ogni metallo ha una resistività specifica che varia con la temperatura ρ T = ρ 1 + α T T + β T T + γ T T + α, β e γ si ricavano sperimentalmente mediante taratura del sensore ρ è la resistività misurata alla temperatura di riferimento (tipicamente 0 C) Per piccole variazioni di temperatura i termini di ordine superiore al primo possono essere trascurati Per la seconda legge di Ohm, la resistenza del filo metallico sarà R T = ρ T l S Esempio Platino, Pt100 Equazione di Callendar Van Dusen (5 grado) R 0 =100 W Sensibilità a =

36 Termoresistenza I=0 I AL E(T) RTD I=0 Tempi di risposta lenti Sensibile a shock e vibrazioni Autoriscaldamento Schema di misura a 4 morsetti

37 Termoresistenza: caratteristiche Bassa resistenza da 100 W (tipico) fino a 1000 W Range operativo piuttosto ampio: (-200 C to 850 C) Sensibilità elevata (rispetto alle termocoppie) Incertezza bassa (da ±0.005 C a 0.1 C) Ripetibilità e stabilità ottime Deriva (drift) anche molto bassa ( C/year) Nei componenti industriali: drift < 0.1 C/year

38 Termoresistenza: caratteristiche Tipi di metallo: Platino (high cost, highly linear, most common) Tungsteno (highly linear) Rame ( ) (lower temperature ranges) Nichel (lower temperature, low cost, nonlinear) Leghe di nichel (lower temperature, low cost)

39 Termiresistenze

40 Termistore Resistenza elevata: da 1 kw a 100 kw Non ci sono grossi problemi di resistenze parassite dei cavi R(T) altamente non lineare Solitamente NTC (ossidi metallici), ma anche di tipo PTC (miscela di titanato di stronzio e bario) Piccole dimensioni (ordine del mm) Tempi di risposta molto brevi Costano meno delle termoresistenze Sensibilità e risoluzione molto elevate Fino a 1000 volte più sensibili delle RTD Incertezza fino a 0.5 C

41 Termistore Range di temperatura di un singolo componente abbastanza piccolo (es: C) I termistori misurano un range di temperature compreso di solito fra -50 C e 250 C (ma si arriva anche a C) L autoriscaldamento è più problematico che nelle RTD Meno stabili delle RTD

42 Termistore: relazione R-T R(T ) = R 0 e ³ 1 1 T T 0 R 0 = resistenza di riferimento misurata alla temperatura T 0 T = temperatura misurata (K) = costante del materiale µ 1 1 Invertendo: log R = logr 0 + T T 0 µ 1 1 T = 1 1 log R0 + log R T 0 Sensitività 1 T = A + B logr S(T) = dr = dt R0 T 2 ³ 1 1 e T T 0

43 Termistore Schema di collegamento: ponte di Wheatstone collegamento a 4 fili

44 Sensori a circuito integrato I sensori a circuito integrato contengono un sensore di temperatura e la relativa circuiteria per il condizionamento del segnale. Viene talvolta usato nei circuiti di compensazione della temperatura. La tensione (o corrente) di uscita è molto lineare nella temperatura. Richiede una tensione di ingresso al sensore Alcuni dispositivi digitalizzano il segnale e lo rendono disponibile su un uscita seriale Accuratezza: circa 0.5 C Basso costo Poco sensibile a rumori di tensione e alle resistenze parassite dei cavi di collegamento Range temperature: < 200 C Dinamica: lenta Problemi dovuti all autoriscaldamento

45 Confronto Termocoppie RTD Termistori Sensori IC Pro Autoeccitante semplice Robusto Economico Stabile Bassa incertezza Lineare Sensibile Veloce Misura a 2 fili Lineare Output elevato Economico Contro Non lineare Bassa V out Richiede T ref Bassa sensibilità Costoso Lento Richiede corrente Bassa R Autorisc. 4 morsetti Non lineare Range Range limitato Richiede corrente Autoriscald. T<200 C Alimentazione Lento Autoriscald.