9 Meeting dei Responsabili Tecnici di Laboratorio del settore Lattiero-Caseario

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1 9 Meeting dei Responsabili Tecnici di Laboratorio del settore Lattiero-Caseario ing. Giorgio Ficco Università degli Studi di Cassino Misure di temperatura ed umidità nei laboratori di prova: tipi di sensori e riferibilità metrologica Montegrotto Terme 04 dicembre 2008

2 Principi di Misura della Temperatura Misure di temperatura ed umidi

3 Leggi fondamentali: temperatura termodinamica La temperatura è stata storicamente definita sulla base della dilatazione termica di un fluido tra due punti fissi scelti arbitrariamente. La più diffusa scala Celsius sceglie: come punti fissi il punto di solidificazione (0 C) e di ebollizione dell acqua (100 C) alla pressione di Pa come fluido termometrico il mercurio come legge di dilatazione termometrica una relazione lineare In un sistema chiuso in equilibrio la termodinamica classica definisce la temperatura termodinamica come il divisore integrale dell energia interna rispetto all entropia (a volume costante): T = U S V

4 La Scala Internazionale delle Temperature: Le evoluzioni successive Punti fissi ITS-27 [ C] ITS-48 [ C] IPTS-48 IPTS-68 ITS-90 [ C] [ C] [ C] p.t. idrogeno -259,34-259,3467 l.v. idrogeno -256, ,15 p.e. idrogeno -252,87-252,85 p.t. neon -248,5939 p.e. neon -246,048 p.t. ossigeno -218, ,7916 p.t. argon -189,3442 p.e. ossigeno -182,97-182, ,97-182,962 p.t. mercurio - 38,8344 p.s. acqua 0,000 0 p.t. acqua 0,01 0,01 0,01 p.e. acqua 100, p.f. gallio 29,7646 p.s. indio 156,5985 p.s. stagno 231,928 p.s. zinco 419,58 419,527 p.e. zolfo 444,60 444, ,6 p.s. alluminio 660,323 p.s. argento 960,5 960,8 960,8 961,93 961,78 p.s. oro 1063,0 1063, , ,18 p.s. rame 1084,62 alcuni punti fissi secondari p.s. stagno 231,9 231,91 231,9681 p.s. piombo 327,3 327,3 327,502 p.s. zinco 419,5 419,505 p.s. zolfo 444,674 p.s.antimonio 630,5 630,5 630,74 p.s.alluminio 660,1 660,1 660,37 p.t. = punto triplo; l.v.= equilibrio liquido- vapore (p= Pa) p.e.*= punto di eboillizione; p.f.*= punto di fusione; p.f.*= punto di solidificazione; * (p= Pa)

5 La scala di temperatura internazionale (ITS International Temperature Scale) Ha subito successive revisioni nel corso di conferenze internazionali (1948, 1954,,1990) ed è lo standard che: fissa i punti di riferimento per la taratura (punto di congelamento, punto triplo, ecc.) definisce le equazioni ed i metodi da utilizzare per calcolare le temperature intermedie (interpolazione) definisce gli strumenti da usare per la realizzazione della scala di temperatura

6 Altre Scale di Temperatura Misure di temperatura ed umidi

7 Leggi fondamentali della trasmissione del calore La misura della temperatura è un problema di trasmissione del calore. Il sensore non legge mai la temperatura da misurare, ma la propria temperatura. Per poter valutare la differenza tra la temperatura del sensore e quella che si vuole misurare è necessario valutare gli scambi termici esistenti (conduzione, convezione, irraggiamento) Ad esempio, se il fluido presenta una notevole velocità rispetto alla sonda termometrica la trasformazione termodinamica imposta al fluido dalla presenza della sonda stessa determina una variazione della temperatura Temperatura di ristagno

8 Come misurare la grandezza temperatura? La temperatura viene solitamente misurata mediante elementi elettrici (TC, termistori, TRP) e successivamente attraverso un elemento di condizionamento (trasmettitore) il segnale in uscita viene amplificato e condizionato in un segnale standard (3..15 psi, 0 10V, ma, fieldbus) Elemento termometrico Elemento di condizionamento

9 Tecniche e strumenti di misura della temperatura TIPO PRINCIPIO FISICO GRANDEZZA TRASDOTTA SENSORE Termometro a liquido dilatazione termica spostamento del liquido mercurio, toluene o alcool bulbo STRUMENTO ASSOCIATO capillare graduato Termometro a gas legge dei gas perfetti pressione gas gas in bulbo e capillare manometro Termometro a vapore variazione della pvs tensione vapore bulbo metallico e capillare Termometro bimetallico Termometro a resistenza Termistore differente dilatazione termica variazione resistenza dei conduttori variazione resistenza semiconduttori differente dilatazione metalli resitenza elettrica due placchette avvolte a spirale o elica fili di platino, rame, nickel, etc. manometro amplificatore meccanico ponte in DC o AC, potenz.,voltmetro resistenza elettrica semiconduttore multimetro Termocoppia effetto Seebeck f.e.m. coppia termoelettrica potenziometro, millivoltmetro Term. a radiazione monocromatico Term. a radiazione infrarosso Term. a radiazione Totale Term. a radiazione bicolore legge di Planck f.e.m. fotodiodo, fotomoltiplicatoro occhio umano legge di Planck f.e.m. fotodiodo o fotoconduttore legge di Stefan- Boltzmann legge di Planck (rapp. radiazioni) f.e.m. f.e.m. termopila, bolometro o sens.piroelettrico fotodiodo o fotomoltiplicatore ottica, lampada a filamento, filtro ottica, filtro ottico, volt. o potenziometro ottica, voltmetro o potenziometro ottica, filtri, voltmetro

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12 Termometri a liquido principio: dilatazione liquido campo: C (in funzione del liquido) incertezza: C uscita: meccanica norme UNI 6893:1979 Vantaggi - elevata stabilità Svantaggi - elevata costante di tempo -campo di misura ridotto -Strumenti delicati Divieto di vendita per termometri a mercurio! Proposta di modifica della direttiva 76/769/CEE per quanto riguarda le restrizioni alla commercializzazione di alcune apparecchiature di misura contenenti mercurio

13 Termometri bimetallici principio: dilatazione di solidi campo: incertezza: 1-5 C uscita:: meccanica norme UNI- CTI 9010 Vantaggi - basso costo Svantaggi - scarsa precisione - non utilizzabili a distanza I termometri bimetallici sono costituiti da un tubo in acciaio al cui interno è posta una spirale elicoidale bimetallica (elemento sensibile). La spirale ha un estremità saldata alla parte inferiore del tubo e l'altra ad un alberino di trasmissione alla cui estremità libera viene montato l indice. Le variazioni di temperatura causano nel bimetallo una deformazione che, attraverso la rotazione dell'alberino, si trasmette alla lancetta ruotante sul quadrante.

14 Termometri a resistenza principio: variazione resistenza elettrica di metalli campo C incertezza: C uscita: elettrica norme UNI-7937, IEC 751 Vantaggi - elevata affidabilità - linearità Svantaggi - elevato costo - elevata costante di tempo

15 Fattori di affidabilità di un Termometro a Resistenza - resistenza dei fili di collegamento - autoriscaldamento; - f.e.m. termiche nel collegamenti; - resistenza di isolamento; - deriva della caratteristica; - tempo di risposta; - profondità di immersione

16 Termocoppie principio: effetto Seebeck campo <350 C (T) <900 C(E) incertezza: C uscita: elettrica norme UNI-CTI 7938 IEC 584-1/2/3 Vantaggi - basso costo - piccola costante di tempo Svantaggi - non linearità - bassa sensibilità

17 la legge di Seebeck, lega il potenziale (la forza elettromotrice f.e.m.) E s che si genera ai capi di un giunto di metalli diversi, alla temperatura T del giunto ed ai due metalli A-B costituenti il giunto stesso: de S = α A,B dt dove α A,B rappresenta il coefficiente di Seebeck, più noto come potere termoelettrico della coppia A,B ed è funzione della sola temperatura T del giunto

18 la legge di Peltier, descrive l'assorbimento o la cessione di calore Qp che avviene in un giunto di metalli diversi attraversato, in un verso o in quello opposto (reversibilmente), da una corrente I: dq P = ± π A,B I dθ dove π A,B rappresenta il coefficiente di Peltier, il cui valore dipende, per una determinata coppia A-B, dalla sola temperatura T del giunto. Il coeficiente π A,B può variare in valore e segno al variare della T, nel senso che, a parità di verso della corrente I, in uno stesso giunto ci può essere assorbimento o cessione di calore Q p a seconda della temperatura del giunto. Ovviamente esiste una temperatura T alla quale tale effetto è nullo. Sulla base della fenomenologia ad effetto Peltier descritta sono stati sviluppate sistemi di raffreddamento di ridotta potenza il cui maggiore pregio, oltre alla sicurezza intrinseca, è quello di non presentare organi in movimento e quindi di non essere soggetti a fenomeni di usura. Tali dispositivi hanno trovato applicazione nel raffreddamento di ambienti di ridotte dimensioni e nella termostatazione di elementi nella strumentazione.

19 la legge di Thomson, descrive l'assorbimento o la cessione di calore QT, che avviene in un conduttore omogeneo lungo il quale vi è un gradiente di temperatura, al passaggio di una corrente I (anche di tipo termoelettrico): dq T T = ± ( σ dt ) Idϑ T 2 1 dove σ rappresenta il coefficiente di Thomson, il cui valore dipende dal materiale del conduttore, dal gradiente di temperatura e dalla temperatura stessa. Si noti che il coefficiente di Thomson viene spesso anche definito "calore specifico elettrico" in quanto rappresenta la quantità di calore ceduta od assorbita in un singolo conduttore sottoposto ad un gradiente unitario quando è percorso da una corrente unitaria.

20 I tre effetti su descritti sono tutti contemporaneamente presenti in un circuito termoelettrico a doppio giunto (uno di misura ed uno di riferimento). A E A,B A B ±Q T ±Q T ±Q T ±Q P T 1 T 0 ±Q P T2 T2 T2 E= π π + σ dt σ dt= α dt AB T AB 2 T A B AB 1 T1 T1 T1

21 Leggi dei circuiti termoelettrici Ia legge del circuito omogeneo In un circuito chiuso costituito da un solo materiale omogeneo non può circolare corrente termoelettrica per soli scambi termici. Quindi: - se in un circuito costituito da un solo materiale circola corrente termoelettrica ciò è dovuto ad impurezze del materiale. - in un circuito termoelettrico con due giunti a temperature diverse, la fem generata è indipendente dalla temperatura lungo i fili supposti omogenei. A EA,B A B ±Q T ±Q T ±Q T ±Q P T 1 T 0 ±Q P

22 Leggi dei circuiti termoelettrici IIa legge dei metalli intermedi La somma algebrica delle f.e.m. in un circuito costituito da un numero qualsiasi di metalli diversi è nulla se tutto il circuito è isotermo. Quindi se un terzo metallo è inserito nel circuito e le estremità di tale metallo sono tenute isoterme non si verificano variazioni di fem III legge delle temperature intermedie La f.e.m. termica di una coppia avente i giunti a temperatura T1 e T2 è la somma algebrica delle f.e.m. delle stesse coppie aventi i giunti ordinatamente alle temperature T1, T2 e T3, T2 E T1,T2 = E T1,T3 + E T3,T2

23 A Cu Giunto di misura B Cu T1 A T1 Giunto di riferimento Giunto di misura B Cu f. e. m. Voltmetro digitale o Ponte di precisione A B Cu T2 Giunto di riferimento T3 f. e. m. Collegamenti elettrici delle termocoppie

24 Soddisfacente Soddisfacente (atm. < 0,5 % O2) Soddisfacente (atm. < 0,2 % O2) Non raccomandato Cu - Cost. Fe - Cost. ( sottili ) Fe - Cost. ( doppie ) Chromel Alumel( s ) Chroml Alumel ( d ) Pt Rh - Pt WRe 3% - WRe 25% T ( C) Termocoppie normalizzate

25 Termografia La termografia è una tecnica di misura della temperatura a distanza. Determinazione del flusso termico radiativo emesso da un corpo nella banda spettrale dell infrarosso senza contatto con lo stesso. Con il termine termografia si intende la visualizzazione bidimensionale della misura di irraggiamento attraverso un termogramma. La distribuzione di temperatura della superficie in esame, rilevata per mezzo di un opportuno sistema di scansione ottica, è visualizzabile mediante la mappa termica, in cui la variazione della temperatura è valutata in rapporto ad una scala cromatica in falsi colori che fa corrispondere ad ogni colore una temperatura.

26 Valgono le tre relazioni fondamentali dell irraggiamento: equazione di Planck E nλ c ( T) = c2 5 λ e 1 λt 1 equazione di Wien λ T = C max 3 E nλ (T) Potere emissivo emisferico spettrale del corpo nero alla lunghezza d onda λ in funzione della T [W / m 2 µm] C 1 cost = 3, [W µm4 /m 2 ] C 2 cost = 1, [µm K] C 3 cost = 2, [µmk] T temperatura assoluta del corpo nero [K] λ lunghezza d onda [µm] λ max lunghezza d onda per cui si ha E nλ (T) massima [µm]

27 Integrando la formula di Planck da λ = 0 a λ =, è possibile ottenere l emittanza radiante totale di un corpo nero. Equazione di Stefan-Boltzmann : E T = σ T n ( ) 4 E n (T) Potere emissivo emisferico totale di un corpo nero [W / m 2 ] σ costante di Stefan Boltzman= 5, [W /m 2 K 4 ] T temperatura assoluta del corpo nero [K] l emittanza radiante compresa nell intervallo λ = 0 a λ max è solo il 25% del totale

28 I Corpi Reali Per il corpo grigio, la formula di Stefan-Boltzmann diventa: E(T) = ε σ T 4 Il potere emissivo totale di un corpo grigio è identico a quello di un corpo nero alla stessa temperatura moltiplicato per il valore di emissività ε del corpo in esame

29 emissività di un corpo reale dipende da : 1. natura superficie; 2. tipo di materiale; 3. tipologia di lavorazione superficiale; 4. stato di ossidazione; 5. sporcizia e grasso sulla superficie; 6. temperatura; 7. angolazione target-sensore; 8. lunghezza d onda. NON SONO VALORI DI RIFERIMENTO

30 Campi di Impiego 1. Misure non intrusive e a distanza, ovvero misure: - di oggetti in movimento: ingranaggi, cuscinetti, nastri, - di oggetti non accessibili, - in ambienti pericolosi, - di oggetti sotto tensione:componenti elettronici, rotaie in tensione, trasformatori, - di oggetti che non si possono toccare: con vernice fresca, parti sterili, o sostanze corrosive. 2. Misure non distruttive: non sussistono alterazioni in seguito alla verifica. 3. Misure di temperature elevate: generalmente al di sopra dei valori misurabili con termocoppie e termoresistenze. 4. Misure di temperature di scarsi conduttori di calore: come ceramica, gomma, plastica. 5. Misura della temperatura media di superfici o di distribuzione di temperatura (mappe termiche). 6. Misure di transitori termici e di fenomeni termici periodici di elevata frequenza. 7. Misure di oggetti piccoli con massa ridotta di cui una sonda a contatto rimuoverebbe troppo calore misurando così un valore scorretto. 8. Strumento di diagnostica e controllo e monitoraggio.

31 Vantaggi 1. È una tecnica di misura a distanza, non distruttiva e non intrusiva; 2. Offre la possibilità di ottenere un immagine termografica in tempo reale, con possibilità di seguire l evoluzione del campo termico in transitori molto veloci; 3. Diagnosi predittiva; 4. Sistema di misura compatto e facilmente trasportabile; 5. Rilevamento di anomalie spesso invisibili ad occhio nudo; 6. Ispezione con l impianto in funzionamento; 7. Utilizzata in fase di progettazione evita l insorgere di difetti successivi con costose campagne di richiamo; 8. Utilizzata nell automazione e nel controllo di processo consente di migliorare l efficienza produttiva e di ottimizzare il controllo della qualità.

32 Svantaggi 1. Misura più qualitativa che quantitativa; 2. Incertezza elevata, fino a ±2,5 C. 3. Misura fortemente influenzata da fattori quali emissività, distanza target piano focale, umidità ambiente, 4. Utilizzo di software dedicati; 5. Difficoltà interpretative delle immagini termografiche.

33 Sensori per la Misura dell Umidità Misure di temperatura ed umidi

34 Igrometri relativi meccanici principio di misura Basato sul fenomeno dell'elongazione di capelli umani in funzione dell'umidità. Elementi sensibili: membrane, sia animali che sintetiche, carta, tessuti. Esistono dispositivi ad uscita elettrica (potenziometro o estensimetro)

35 Igrometri relativi meccanici cause di incertezza Deriva di zero (stress meccanici, esposiz. ambienti secchi) Isteresi Contaminazione superficiale (ammoniaca, polveri, grassi) Sensibilità alle vibrazioni (elevato tempo di risposta)

36 Igrometri relativi resistivi principio di misura Misurano la variazione di resistenza dell elemento sensibile. Si distinguono due tipi di sensori: a) conduzione di superficie; b) conduzione di massa. La caratteristica del sensore è di tipo non lineare del tipo: R = α exp( β φ ) (Un esempio di substrato utilizzato é il polistirene trattato con acido solforico).

37 Igrometri relativi capacitivi principio di misura La variazione dell umidità relativa provoca una variazione della capacità del sensore Generalmente uno degli elettrodi è permeabile al vapor d acqua. La caratteristica del sensore è di tipo non lineare del tipo: C = [ ( 1/ 3 1/ 3) 1/ 3] 3 A ν εw ε f + ε f εo L (Un esempio di substrato utilizzato é l acetato di cellulosa e la poliammide)

38 Igrometri relativi elettrici cause di incertezza temperatura dell aria contaminazione dell elemento sensibile fenomeni di condensazione tensioni meccaniche indotte sull elemento irraggiamento diretto tensione di alimentazione impedenza di carico

39 Igrometri a condensazione principio di misura Sorgente di luce (1), specchio riflettente (2), rilevatore di condensa (3), sistema di controllo (4), sensore di temperatura (5), sistema di raffreddamento/riscaldamento (6) scambiatore (7) Basato sulla progressiva diminuzione della temperatura superficiale di un elemento sensibile e conseguente raggiungimento della condizione di saturazione La trasformazione termodinamica corrisponde ad un raffreddamento isotitolo a pressione costante (fino a T r o T b ) è tale che: pv = pvs(tr )

40 Igrometri a condensazione cause di incertezza incertezza sensore di temperatura gradienti di temperatura: i) aria-condensato; ii) condensato-superficie raffreddata; ii) superficie raffreddata-sensore di temperatura; effetto Kelvin (grado di finitura specchio) effetto Raoult (presenza di contaminanti solubili) attenuazione del segnale di trigger (la presenza di particolato sulla superficie dello specchio) tipo e consistenza del film di condensa (liquido o solido) fenomeni di condensazione, adsorbimento, desorbimento e perdite di carico (lungo la linea di campionamento) portate di campionamento inadeguata (portata pulsante, troppo bassa o elevata dm3/h)

41 Psicrometri principio di misura Basato sulla misura della differenza di temperatura tra la temperatura dell aria e la temperatura di bulbo umido (temperatura alla quale si porta un termometro mantenuto costantemente bagnato mediante una garza ed investito dalla corrente d aria umida) Il funzionamento dello psicrometro é descritto dalla relazione di Ferrel : x = x s,tu A ( t s t u )

42 Psicrometri cause di incertezza Incertezza dei sensori di temperatura Variazioni del flusso conduttivo: i) garza e sensore di temperatura; ii) sensore di temperatura e serbatoio di alimento Variazioni del flusso convettivo (velocità dell aria): i) aria umida e film saturo; ii) film saturo e garza Variazioni del flusso radiativo tra sensore e l ambiente Eccessivo essiccamento della garza Sporcamento della garza Intrusività in ambienti di dimensioni ridotte

43 Igrometri a sali saturi principio di misura Basato sul principio che la pressione di vapore di una soluzione salina aumenta al crescere della temperatura e diminuisce all'aumentare della concentrazione del sale disciolto. La soluzione salina viene riscaldata, la pressione di vapore della soluzione aumenta fino ad eguagliare quella del vapore d acqua: p p (T ) v = vs,licl s

44 Igrometri a sali saturi cause di incertezza incertezza sensore di temperatura variazione del flusso radiativo variazione del flusso convettivo (velocità dell aria) variazione del flusso conduttivo (differenza di temperatura e lunghezza stelo) contaminazione superficiale (sostanze solubili)

45 Igrometri elettrolitici principio di misura Basato sull essiccazione in una cella sensibile al P 2 O 5 ed una successiva elettrolisi dell'acqua adsorbita dal film di in ossigeno ed idrogeno La misura della corrente richiesta é proporzionale al numero di molecole d'acqua dissociate (due elettroni per ogni molecola d'acqua)

46 Igrometri elettrolitici cause di incertezza incertezza sensore di corrente ricombinazione di idrogeno ed ossigeno fenomeni di occlusione variazioni della portata presenza di idrogeno e di ossigeno nel campione presenza contaminanti che possono reagire con il P2O5 (ammina, ammoniaca, alcool, ecc.)

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48 Taratura di sensori di Temperatura, Forni e Camere Climatiche

49 Taratura (VIM 6.13) Insieme delle operazioni che stabiliscono, sotto condizioni specificate, la relazione tra i valori indicati da uno strumento o da un sistema per misurazione, o i valori rappresentati da un campione materiale, ed i corrispondenti valori noti di un misurando.

50 Riferibilità: proprietà del risultato di una misurazione consistente nel poterlo riferire a campioni appropriati, generalmente nazionali od internazionali, attraverso una catena ininterrotta di confronti, tutti con incertezza dichiarata. [VIM, 6.10]

51 Scelta del processo di taratura Taratura della strumentazione di misura controllo e collaudo Si Misure critiche? No Si Esiste riferibilità naz./ internaz.? No Si Strumento tarabile per confronto? No Si Strumento tarabile per confronto? No Si Si possono usare materiali di riferim.? No Centro di taratura accreditato dal SIT o in ambito EA Laboratorio di taratura interno alla azienda Laboratorio di taratura interno alla azienda Laboratorio interno alla azienda Laboratorio di taratura interno/ester no alla azienda Laboratorio interno alla azienda Laboratorio interno alla azienda o laboratorio del cliente Taratura per grandezze e incertezze accreditate Taratura con strumenti riferiti a campioni nazionali o internaz. Utilizzo di materiali di riferimento certificati Effettuazione di confronti tra laboratori con procedure A.Q. (Proficiency testing) Taratura o verifica con strumento avente caratteristich e adeguate Utilizzo di materiali di riferimento adeguati Effettuazione di confronti concordati

52 laborazione matriciale ella curva di taratura di una Bilancia TABELLA I: Coefficienti del polinomio e matrice di varianza-covarianza Grado Coefficienti Incertezza i U c ( i ) Matrice di Varianza-covarianza 0 0, , ,75E-02-2,12E-05 1,27E-09-2,24E ,3713E-06 9,34404E-05-2,12E-05 8,73E-09-6,66E-13 1,35E ,11351E-09 7,4774E-09 1,27E-09-6,66E-13 5,59E-17-1,20E ,9032E-13 1,63216E-13-2,24E-14 1,35E-17-1,20E-21 2,66E-26 Gradi di Libertà 18 Esempio di Curva e Tabella di Taratura di un igrometro a punto di rugiada 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0, Xrv X E S X [ C] [ C] [ C] [ C] E=X-Xrv [ C] X [ C]

53 Misure di temperatura ed umidità Y Curva caratteristica di funzionamento Y i + ui Yi Y i - ui curva di taratura Ii Curva caratteristica di funzionamento nominale e reale I

54 Metodo di taratura ai punti fissi Un punto fisso in temperatura èdi norma un particolare stato termodinamico di una sostanza pura in cui coesistono più fasi e nel quale gli scambi termici, dovuti alla non perfetta adiabaticità dei sistemi reali, vengono compensati dai termini di accumulo dovuti al calore latente di evaporazione o solidificazione, realizzando cosi un ambiente isotermo ad un valore di temperatura noto. Il metodo di taratura ai punti fissi consiste nel realizzare in laboratorio i punti fissi necessari all'interpolazione delle relazioni di funzionamento degli strumenti di misura nell'intervallo di temperatura di interesse.

55 Metodo di taratura per confronto Il metodo di taratura per confronto consente, a differenza di quello ai punti fissi, di costruire la caratteristica reale dello strumento per punti. La taratura consiste infatti nell'associare ad una serie di misure effettuate con lo strumento campione, una serie effettuata con il trasduttore in prova; entrambi gli strumenti vengono mantenuti virtualmente alla stessa temperatura. Il sistema di taratura consiste quindi di: un ambiente termostatato a temperatura regolabile di elevata stabilità ed uniformità uno strumento di misura campione un sistema di lettura ed elaborazione

56 L'ambiente termostatato, differente a seconda dei campi di temperatura, viene di volta in volta denominato: criostato bagno termostatico a liquido o a miscela di sali fusi forno a letto fluidizzato fornetto a blocco metallico equalizzatore

57 Bagno termostatato E costituito da un bagno di fluido mantenuto ad una determinata temperatura mediante un sistema di riscaldamento o raffreddamento. L'uniformità del bagno è garantita da appositi fluidi di scambio, caratterizzati da una elevata diffusività e mantenuti continuamente in agitazione tramite appositi mescolatori. I Fluidi termostatici sono generalmente rappresentati da: acqua deionizzata (t < temperatura di ebollizione) olii sintetici non conduttivi (t < temperatura di flash, temperatura alla quale i vapori del fluido si infiammano circa 260 C) miscele di sali fusi o metalli a basso punto di fusione (ad es. lo stagno), per elevate temperature (fino a C) soluzioni di acqua e liquidi anticongelanti (fino a -30 C) sostanze con bassa temperatura di solidificazione: alcool denaturato (-70 C), metanolo (-100 C), pentano o isopentano (-160 C) Il fluido deve inoltre soddisfare in tutto l'intervallo di funzionamento del bagno altre proprietà quali quella di essere un isolante elettrico e di mantenere nel campo d uso queste proprietà inalterate.

58 Bagno termostatato Misure di temperatura ed umidi

59 Incertezza di taratura L'incertezza di taratura, nel caso del metodo ai punti fissi, dipende fondamentalmente dalla riproducibilità dei punti fissi (che nei dispositivi commerciali risulta circa pari a 0,05 C). Nel metodo per confronto, l'incertezza dipende essenzialmente dalla stabilità ed uniformità del sistema di taratura, oltre che dalla incertezza sulla grandezza di riferimento (campione di misura) e dall'incertezza del sistema di lettura. Le incertezze del metodo per confronto sono sicuramente superiori a quelle del metodo ai punti fissi, ma soddisfano la gran parte delle richieste e in molti casi raggiungono i limiti intrinseci dei trasduttori in esame. Per realizzare la condizione di isotermia nello spazio in cui sono sistemati gli elementi sensibili e nel tempo necessario alle operazioni di misura é necessario che il bagno soddisfi le su citate condizioni di uniformità e stabilità.

60 Uniformità Per migliorare l'uniformità del bagno è necessario prevedere, non solo pareti isolanti in modo da ridurre i gradienti termici, ma utilizzare appropriati fluidi con una elevata diffusività, e mantenerli in moto all'interno del bagno in modo da massimizzare gli scambi termici interni. E' necessario inoltre tenere in debito conto l'effetto aletta che lo stesso sensore provoca; inconveniente che può essere minimizzato mantenendo una adeguata profondità di immersione. Risulta conveniente mantenere nelle operazioni di taratura la stessa profondità di immersione che il sensore deve avere nelle condizioni di impiego, ma specie per i sensori elettrici di elevato diametro é buona norma posizionare il sensore in modo che non risenta della temperatura ambiente. Nel campo C è possibile comunque limitare questa incertezza sistematica posizionando i sensori ad una profondità di circa volte il diametro esterno della guaina e verificando la misura ripetendola ad una profondità di immersione superiore. Eventuali differenze di temperatura tra sensore ed ambiente di misura possono essere imputabili, oltre che alle disuniformità del bagno, alle perturbazioni derivanti dallo stesso sensore; ad esempio nel caso delle termoresistenze e nei termistori può essere rilevante il fenomeno di autoriscaldamento.

61 61 Stabilità E fondamentalmente delegata al sistema di regolazione e quindi alla sensibilità e alla prontezza del sensore e dell'intera catena di regolazione. Per ciascun punto sperimentale é opportuno effettuare un minimo di 5 letture calcolando poi direttamente il valore medio. E possibile migliorare la stabilità mantenendo una predeterminata sequenza nelle serie di misura. Per esempio misurare la temperatura mediante lo standard di riferimento all'inizio e alla fine di una serie di acquisizione sul sensore sotto test e cioè: campione, termometro in prova,..., termometro in prova, campione oppure, in sequenza alternata: campione, termometro in prova, campione, termometro in prova,...

62 62 Incertezza sulla grandezza di riferimento E caratteristica del campione utilizzato ed é deducibile dal certificato di taratura del campione stesso, oltre che da possibili contributi dovuti alla deriva a lungo termine. Ulteriori incertezze possono derivare dalla misura della grandezza trasdotta dal campione di misura (resistenza, fem, dilatazione termica), dalle grandezze di influenza (umidità, pressione atmosferica, livelli di disturbo meccanici e magnetici). Bisogna considerare che il metodo di interpolazione inevitabilmente porta con se una incertezza tanto maggiore quanto più piccolo é il numero dei punti di taratura utilizzati. Una stima di questa può essere ad esempio fatta a partire dal calcolo dei residui.

63 Forni, frigoriferi, congelatori: esecuzione di trattamenti termici (settore industriale) finalità di conservazione e stoccaggio controllo solo sulla temperatura range di temperatura anche molto elevati (da T ambiente fino a 1100 C) Generalmente i requisiti metrologici sono contenuti (accuratezza di circa ± 10 C, solo per i forni dedicati a trattamenti speciali si può scendere a ± 5 C) Se lo strumento non possiede un indicatore di T non è possibile effettuare la taratura. Eventualmente si può effettuare una prova di cut-off che consiste nel determinare la temperatura alla quale le resistenze (nel caso di forni) o il compressore (nel caso di frigoriferi) si riporta in posizione OFF

64 Camere climatiche Prove ambientali (direttiva MID, shock termici, tropical test, caldo umido, caldo secco, freddo umido, freddo secco) Tarature (taratura di sensori di umidità relativa, igrometri, psicrometri) strumento campione per la temperatura: termoresistenza o termocoppia a metallo nobile (tipo N o S) strumento campione per l umidità relativa: psicrometro campione (a specchio condensante) sensore in taratura: regolatore di T, registratore di T (ove presente) regolatore di U.R, registratore di U.R. (ove presente) ulteriori verifiche: gradiente in salita termica, gradiente in discesa termica,

65 Riferimenti tecnici non presenti a livello nazionale IEC Ed. 1.0 (agosto 2001), Environmental testing Confirmation of the performances of temperature/humidity chambers

66 Verifica del Sensore di Temperatura La verifica viene effettuata almeno su 3 punti di temperatura il più possibile equidistanziati nel campo di funzionamento dello strumento in taratura salvo diverse indicazioni fornite dal cliente. Per ogni punto la misura deve durare almeno 60 minuti (frequenza di campionamento almeno pari ad 1 min) Il numero di termocoppie ed il loro posizionamento all interno dello strumento in taratura è stabilito generalmente in base alle dimensioni della camera Tipologia di strumento Volume utile Strumento / m3 Numero TC Posizione Forno a muffola 1 Centrale Frigoriferi, congelatori 1 Centrale fino a 0,3 1 Centrale Forni, stufe e camere climatiche a ventilazione forzata da 0,3 a 1,0 oltre 1, centrale e 4 al centro delle superfici laterali 1 centrale e 8 in prossimità degli spigoli

67 Verifica del Sensore di Umidità relativa Posizionare all'interno della camera climatica attraverso l'apposito foro la sonda psicrometrica campione; Controllare l umidità relativa della camera climatica su almeno 3 valori ( %UR), dopo aver impostato un valore di temperatura (generalmente) compreso nell intervallo 20±1 C (tale valore di temperatura deve essere mantenuto costante durante tutto il tempo di rilevazione dei valori di umidità relativa) Eventuali ulteriori punti di temperatura dovranno essere verificati sempre con almeno tre punti di UR. NOTA: normalmente la funzione di errore dell umidità relativa si distribuisce in modo uniforme per cui è sufficiente effettuare la verifica in un solo punto della camera climatica

68 Determinazione contributi di incertezza Temperatura incertezza associata ai campioni utilizzati per le misure incertezza associata alla risoluzione dello strumento in taratura incertezza associata alla stabilità: viene calcolata come la massima deviazione di ogni singolo canale durante tutto il campionamento e si valuta per esso un intervallo di probabilità di tipo rettangolare; incertezza associata all uniformità: viene determinata come lo scostamento massimo tra i vari canali campionati nel medesimo istante e si valuta per esso un intervallo di probabilità di tipo rettangolare (nel caso di misure a singola termocoppia il contributo viene trascurato) Umidità Relativa incertezza associata al campione utilizzato per le misure incertezza associata alla risoluzione dello strumento in taratura Incertezza associata alla stabilità: viene calcolata come la deviazione standard delle 10 misure effettuate e si valuta per esso un intervallo di probabilità di tipo normale;

69 Valutazione Incertezza grandezza Temperatura Misure di temperatura ed umidi

70 Valutazione Incertezza grandezza Umidità Relativa Misure di temperatura ed umidi