Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sensori di Temperatura e Corrente

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1 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sensori di Temperatura e Corrente Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna Revisionato: 27/09/2004

2 SENSORI DI TEMPERATURA Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 2

3 Sensori di Temperatura Termocoppie RTD Termistori Sensori a c.i. V R R V I Pro T autoeccitante robusto poco costoso alte temperat. molto stabile molto accurato molto lineare T T T molto sensibile veloce misura a 2 fili molto lineare output elevato poco costoso Con tro non lineare bassa Vout temp. di riferim. bassa sensitività costoso rifer. di corrente bassa resist. autoriscald. non lineare range limitato rifer. di corrente autoriscald. T<200 C serve aliment. lento autoriscald. Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 3

4 TERMOCOPPIA Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 4

5 Grandezza misurata differenza di temperatura Grandezza in uscita tensione Tipo di sensore autoeccitante termoelettrico non linearità sistematica compensazione con tabelle o polinomi interpolanti Termocoppia Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 5

6 Effetto Seebeck Coppie metalliche standard Termocoppia giunz. calda giunzione fredda J ferro/costantana K Ni-Cr/Ni Cr/Ni-Al T2 V = f(t2,t1) (cromel/alumel) E cromel/costantana non T rame/costantana T1 lineare R platino/pt-rodio Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 6

7 Caratteristiche tecniche principali Termocoppia J K E T R T min C T max C V max mv Errore C le Vmax sono riportate ipotizzando la giunzione di riferimento a 0 C Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 7

8 Termocoppia Principali forme costruttive Giunzione esposta Giunzione protetta isolata Giunzione protetta a terra Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 8

9 Pregi autoeccitante costo contenuto idoneo al funzionamento in ambienti ostili idoneo a misurare temperature molto elevate Difetti uscita non lineare con Temperatura tabella o polinomio interpolante richiede la compensazione del giunto freddo segnali molto bassi Sensore di temperatura standard nelle applicazioni ad altissima temperatura basso costo, anche domestiche Termocoppia Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 9

10 Problemi di interfacciamento Termocoppia problematiche legate a giunzioni parassite compensazione della temperatura del giunto freddo Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 10

11 Termocoppia Effetto delle giunzioni parassite Schema di collegamento tipico: Vm Cu Cu Fe T amb Costantana Collegamento tramite estensione dei metalli di termocoppia Fe Costantana Forno T 1 V m é influenzata dalle termocoppie parassite? Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 11

12 Termocoppia Legge del metallo intermedio Cu Fe C Cu C T T Cu Fe Fe Forno Vm T amb T 1 Cu Costantana Costantana Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 12

13 Termocoppia Regola del metallo intermedio Cu Fe C Cu C T T Cu Fe Fe Forno Vm T ref V 1 T 1 Cu Fe C Costantana se piattaforma isoterma Cu-Fe parassite si compensano Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 13

14 In definitiva, le giunzioni parassite non perturbano la misura se: connettori di materiale uguale a quello dei metalli di termocoppia le temperature degli estremi di collegamento sono uguali Termocoppia Vm Cu T ref Fe Collegamento tramite estensione dei metalli di termocoppia Fe Forno T 1 Cu Costantana Costantana barriera isoterma Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 14

15 Termocoppia Attenzione: generalmente i collegamenti sono piuttosto lunghi e non sono sempre disponibili cavi di metallo uguale a quello della termocoppia si rende necessario collegamento tramite metalli a basso effetto Seebeck rispetto ai metalli della termocoppia di misura Cu M1 Fe Forno Vm T ref giunzioni non isoterme T 1 Cu M2 Costantana barriera isoterma Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 15

16 Termocoppia Compensazione della temperatura di giunto freddo V m = f(t1,tref ref) la misura di T1 non è assoluta ma riferita a Tref f( ) non lineare in T1,Tref Tipicamente i costruttori forniscono tabelle o polinomi T1 V m con Tref fissato (tipicamente 0 C = 32 F) e T1 > Tref come calcolare T1 se Tref effettivo è diverso dal Tref di tabella? Valgono le seguenti regole: disparità: f(t1, 1,T2) ) = -f(t2,t1) composizione f(t1,t,t3)) = f(t1,t,t2)) + f(t2,t,t3) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 16

17 Termocoppia Compensazione della temperatura di giunto freddo misurando la temperatura Trefref effettiva, tipicamente con sensori a c. i. o a semiconduttore indicando con T0T la Trefref fissata di tabella, ricordando che V m = f(t1,tref ref) ) = f(t1,t,t0)) + f(t0,tref ref) ) = V1V - V0 dove si definiscono V1 V = f(t1,t,t0)) e V0 V = f(tref,t0) ref,t si potrà procedere come segue 1) ricavare V0 da Tref misurato, tramite la tabella T V 2) ricavare V1 V = V m + V0 V (V m è misura ottenuta) 3) ricavare T1T da V1, V, tramite la tabella T V Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 17

18 Termocoppia Compensazione della temperatura di giunto freddo Si è dovuto aggiungere un ulteriore sensore di temperatura per rilevare la Trefref Non si può fare altrimenti quando le temperature da rilevare sono molto elevate (oltre C) e precludono l utilizzo l di un sensore assoluto (RTD, termistore) Può essere comunque economicamente conveniente visto che la termocoppia e il sensore di Trefref (vicina alla temperatura ambiente) sono poco costosi. Attenzione: la precisione complessiva della misura è legata anche alla misura di Trefref Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 18

19 Termocoppia Schema di collegamento Scheda di acquisizione Cavo speciale di collegamento Fe Trefref V 1 T 1 sensore di Tref Terminazione isoterma Costantana Forno materiali a basso effetto Seebek con quelli della Termocoppia di misura Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 19

20 TERMORESISTENZA (RTD) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 20

21 Grandezza misurata temperatura Grandezza in uscita variazione di resistenza Tipo di sensore modulante termoresistivo Richiede un circuito per la trasformazione della resistenza in tensione Termoresistenza Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 21

22 Denominazione tecnica RTD Resistance Temperature Detector materiale di supporto Realizzazione tecnologica ceramica -200 < T < 750 C vetro -200 < T < 500 C materiale termoresisitivo platino α = Ω/Ω/ C a filo avvolto realizzazione standard film spesso sostituzione più veloce film sottile piccolo, rapidissimo Termoresistenza Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 22

23 Caratteristiche tecniche principali Termoresistenza R 0 ºC Ω Off-set % nonlin % τ (aria) s size l x Φ filo film spe. film sot. mm 25x5 25x1.5 10x1 Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 23

24 Pregi idoneo al funzionamento in ambienti ostili molto lineare dimensioni anche molto ridotte elevata velocità di risposta costo contenuto Difetti richiede circuito di alimentazione temperature max più bassa di termocoppia Sensore di temperatura standard nelle applicazioni a temperatura intermedia elevata accuratezza Termoresistenza Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 24

25 Dispositivo standard Pt 100 Termoresistenza al Platino valore nominale 100 Ω a 0 C0 coefficiente di Temperatura: (Ω/Ω/ C)( variazione di 0.392Ω per ogni C campo di applicazione: C ottima linearità Termoresistenza Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 25

26 metodo volt/ampermetrico Circuito di eccitazione 4 fili per una migliore accuratezza soluzione generale Termoresistenza I=0 Iref Vm Pt100 I=0 Nel forno Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 26

27 ponte di Wheatstone Vref R 1 Circuito di eccitazione 3 fili per una migliore accuratezza Pro rispetto Volt/Amper Amper: : riferimento in tensione Contro rispetto Volt/Amper Amper: : non lineare solo per piccole variazioni di temperatura I 0 R parassite dei collegamenti I 0 Termoresistenza 4 R+ R 2 3 R Vm R I=0 Nel forno Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 27

28 SENSORI DI CORRENTE Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 28

29 Sensori di Corrente A SHUNT RESISTIVO AD EFFETTO HALL Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 29

30 SENSORI DI CORRENTE A SHUNT RESISTIVO Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 30

31 Grandezza misurata corrente Grandezza in uscita tensione Tipo di sensore autoeccitante Sensore di corrente a shunt resistivo Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 31

32 Sensore di corrente a shunt resistivo I=0 Vm I I=0 Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 32

33 Sensore di corrente a shunt resistivo DIVERSI PROBLEMI Perturbazione del circuito su cui si effettua la misura Assenza di isolamento galvanico Misura fuori massa Autoriscaldamento VANTAGGI Semplicità Assenza di alimentazione esterna (autoeccitante( autoeccitante) basso costo Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 33

34 SENSORI DI CORRENTE AD EFFETTO HALL Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 34

35 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Grandezza misurata corrente Grandezza in uscita 2 realizzazioni tensione isolata corrente di minore intensità ed isolata Tipo di sensore modulante (attenzione!) effetto Hall Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 35

36 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Realizzazione in catena aperta Im Iref Vout out = (K*I( K*Iref)*Im Vout Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 36

37 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Realizzazione in retroazione n2 I2 Iref I1 n1 V + - G Ioutout = n1/nn /n2 I1 Vout= RIout out R Vout n1 = numero di avvolgimenti del cavo di misura. Di solito 1 n2 = numero di spire del secondario. Di solito 1000/2000 Non piu modulante in senso stretto! (no I ref in relaz. in-out) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 37

38 Campo di misura A Linearità Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall migliore dell 1% Isolamento >1500V Risposta in frequenza Caratteristiche essenziali dalla continua a >100kHz Costo contenuto Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 38

39 Pregi Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall isolamento galvanico continue sono misurabili (raffronto con TA) idoneo alla misura su Inverter di potenza molto lineare dimensioni anche molto ridotte elevata velocità di risposta costo contenuto Difetti richiede circuito di alimentazione Sensore di corrente standard nella misura di correnti > 5A elevata accuratezza Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 39

40 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sensori di Temperatura e Corrente Fine Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna

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