I trasduttori di temperatura.

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1 trasduttori di temperatura. segnali forniti dai trasduttori sono soggetti a tecniche di manipolazione o di condizionamento, al fine di adattarli a esigenze di standardizzazione e di desensibilizzazione nei confronti dei disturbi, che si potrebbero sovrapporre all'informazione utile. Nel caso di trasduttori di tipo elettrico ovvero che forniscono un segnale di tipo elettrico; un'altra categoria è quella dei trasduttori di tipo pneumatico i possibili segnali standard secondo le norme ANS e DN sono: segnale in corrente da O a ma; segnale in corrente da a ma; segnale in tensione da O a 5 ; segnale in tensione da O a. Questi segnali possono richiedere poi ulteriori elaborazioni in relazione a specifiche esigenze del sistema in cui agiscono per esempio, per un adattamento al pilotaggio di dispositivi di potenza. rasduttori di temperatura a maggior parte dei trasduttori di temperatura sono basati sul fatto che la conduttività di un materiale conduttore o semiconduttore dipende più o meno fortemente dalla temperatura. ermoresistenze n particolare, nei conduttori metallici la conduttività decresce all'aumentare della temperatura cioè la loro resistenza aumenta. Questo fenomeno è alla base di una particolare classe di trasduttori, che prendono il nome di termoresistenze. Una termoresistenza è semplicemente un conduttore metallico, la cui caratteristica resistenza/temperatura è nota e certificata. n prima approssimazione la dipendenza della resistenza dalla temperatura è del tipo: α dove è la resistenza a O C, la temperatura in C, α un coefficiente positivo, misurato in C. pag.

2 È evidente la relazione lineare; la pendenza della retta definisce la sensibilità della termoresistenza, che risulta: S α α S α bassa sensibilità da cui si ha: n realtà, come si è anticipato, l espressione è solo approssimata: dipende anche da potenze di di ordine superiore a o, equivalentemente, α non è a rigore costante; una approssimazione migliore è data dalla espressione: α β γ sistono comunque materiali metallici per cui β e γ sono molto piccoli rispetto ad α i coefficienti delle potenze superiori di del tutto trascurabili; per esempio, nel platino α è dell'ordine di,85 * C, mentre β e γ sono rispettivamente dell'ordine di 6 C e C. Per tali materiali lo scostamento dalla linearità è piccolo e si può assumere valida la relazione lineare, almeno per temperature non troppo lontane da O C. n caso contrario si deve prevedere qualche metodo di linearizzazione. e termoresistenze sono, in generale, utilizzabili su range di temperatura piuttosto vasti e hanno buone caratteristiche di precisione e di stabilità a lungo termine; i materiali usati sono il rame, il nichel e soprattutto il platino, che permette campi misura da circa a 6 C e che, come abbiamo visto, ha ottime caratteristiche di linearità: la figura seguente confronta il comportamento di questi tre metalli per le loro elevate caratteristiche di precisione e stabilità, le termoresistenze al platino vengono talvolta adottate come standard secondari di temperatura. pag.

3 principale difetto delle termoresistenze è la bassa sensibilità, per cui sono necessarie forti amplificazioni; inoltre per misurare una resistenza è necessario farvi scorrere corrente, il che comporta problemi di autoriscaldamento per effetto Joule, con conseguente scadimento della precisione. Dal grafico si nota che la caratteristica della P é la più lineare in assoluto. l trasduttore P D l trasduttore P o termoresistenza D è una resistenza di precisione il cui valore è funzione della temperatura. a resistenza è costituita da una pellicola di platino disposta su un supporto di allumina ed è tarata con raggio laser. esistenza aratura Se il campo di utilizzazione della temperatura da rilevare è limitato, la legge di variazione della resistenza del sensore in funzione della temperatura è lineare: è il valore della resistenza alla temperatura generica ; Ω il è il valore nominale della resistenza alla temperatura di O C; α,85 è il coefficiente medio ed ha le dimensioni di [ C ]. α e variazioni di resistenza del sensore, dovute alle variazioni di temperatura, possono essere convertite in tensione con: generatori di corrente costante; ponti resistivi ponte di Wheatstone. pag.

4 a Generatore di corrente costante n figura è riportato lo schema di un generatore di corrente costante realizzato mediante l uso del regolatore di tensione M7. Nel nostro caso pongo ed per cui,5 come si deduce dall espressione. o, 5 'intensità di corrente costante è uguale a e per ma. si ha:, 5 Ω al. comm. : Ω trimmer da 5 Ω. Ad esempio se C, essendo 7,7 Ω imponendo ma, la tensione d'uscita vale O,77. Generatore di corrente costante con integrato M7 > ma pag.

5 pag.5 b: Si tratta di un generatore di corrente convertitore di Howland costante in cui la resistenza di carico é una termoresistenza che ha un terminale collegato a massa. Si tratta dunque di un carico non fluttuante. Dall analisi del circuito in figura si deduce che : e e : se si ha o unico vincolo é rendere il rapporto tra le resistenze uguale in modo che / / Con questa posizione la tensione α

6 pag.6 PON D WHASON. Un altra soluzione molto utilizzata é quella del ponte di WHASON; infatti nell ipotesi che la termoresistenza sia a due fili e non lontano dal circuito di utilizzazione si ha: B A AB Per avere alla temperatura di C deve essere il ponte in equilibrio ossia * * ma Ω ssendo α manipolando facilmente l espressione si ha che: AB AB essendo a C Ω si ha che la tensione AB si esprime nella forma: AB

7 Questa é un espressione non lineare che, a rigore necessita di linearizzazione. Poiché la non linearità é piuttosto contenuta questo metodo é molto utilizzato e non é necessario linearizzare. Calcoliamo che cosa succede a C. n tal caso α**,85* **8,5 Ω. Bisogna allora solo specificare il valore di in modo tale che AB sia un certo valore quando C. Progetto trasduttore sistema di condizionamento del segnale Un sensore Pt a due fili viene utilizzato per misurare una temperatura variabile nel range [: 5] C Si realizzi un circuito di condizionamento affinché a C corrispondano ed a 5 C corrispondano 5. Si utilizza il circuito a ponte di Wheatstone di figura.7 che realizza sia la conversione temperatura/tensione che l'offset. l fattore di scala è realizzato dall'amplificatore per strumentazione NA avente le seguenti caratteristiche: bas sa t ens io n e di o ff s et ; el ev at i s si m a i m p ed en za d 'ingres s o Ω p er l o s t ad i o d 'i n g r es s o a F; " al i m entazi one du al e ± 6 ± 8 ; guadagni c om pr esi t ra e definiti mediant e il resi stere G ; c o sto m ol t o c o nten uto. Pr i m a di di s egn ar e il circui t o ri c ordi am o l am pl i fi c at or e p er strumentazi on e. Noi do b bi am o am pli fi c ar e il seg n al e di ff er enza i n us c i t a al po nte di W. Potrem m o pens ar e di utili zzar e un s em pl i ce am pl i fi cat ore di f f er enzi al e c he r eal i zzi l a r el azi o ne A B co n co m e i n fi g ura. pag.7

8 Quest a r elazione é condizi onat a dall e t oller anze costr uttive dell e r esi stenze, non elimi nabili, e dall a di pendenza dall a temper at ura. Per el evar e dunque i guadagni differenzi ali si ri c orr e all am plifi cat or e per str um ent azi one. edi amo come é fatt o. Posso pensare di f ar preceder e all am plificat ore diff er enzial e non di pr egio inseguit ori di tensione c om e in fi gura. pag.8

9 uscita vale dunque : o G A B l guadagno é allora fissato da G che si rende disponibile esternamente. Questi amplificatori per strumentazione hanno un basso offset e guadagno anche molto elevato. Possiamo pensare di usare l amplificatore integrato NA avente le seguenti caratteristiche: bas sa t ens io n e di o ff s et ; el ev at i s si m a i m p ed en za d 'ingres s o Ω p er l o s t ad i o d 'i n g r es s o a F; " al i m entazi one du al e ± 6 ± 8 ; guadagni c om pr esi t ra e definiti mediant e il resi store G ed sicché il guadagno val e c o sto m ol t o c o nten uto. G 5 K Ω G con 5KΩ; G Fissato il campo di temperatura : 5 C la termoresistenza varia la propria resistenza nell intervallo : 57, Ω. Fissato. e considerato che a C é Ω dallo schema di figura si ricava che * C*equilibrio ponte con CΩ. Fissata una corrente piccola per non autoriscaldare il sensore, ma si ricava che il valore della resistenza vale nella peggiore condizione pag.9

10 ma C da cui si ricava che vale C, 9 K Ω, C Per C si ricava che AB 9 9 Per 5 C si ha che 5 C57, e 57,Ω. Di conseguenza la tensione AB é 57, AB 5 C, , 57, 9 Poiché deve essere 5 il guadagno dell amplificatore per strumentazione deve essere 5 5 Ω G, 6 ssendo G, 65 si ricava che AB 5 5 Ω Ω 78, 8 Ω G 9, 6 G valore commerciale g,5 KΩ 5 Ω G G Un ultima considerazione: Può capitare che il sensore viene posto a distanza dal sistema di controllo. n tal caso i fili di collegamento introducono sicuramente una resistenza aggiuntiva che viene a sommarsi al valore di resistenza legata alla temperatura introducendo un errore sistematico di misura della temperatura. Facciamo un esempio: Determinare l errore introdotto dai fili resistenza pari,ω se si connette una P S 9 a due fili. di collegamento con a resistenza dei fili é in serie alla P e vale,6ω. ale valore di resistenza equivale ad una variazione di temperatura pari a: pag.

11 , 6 α, 58 C che é un errore α, 96 considerevole si temperatura. e case costruttrici adottano una soluzione di questo tipo: muniscono la termoresistenza di fili di collegamento. primi due sono utilizzati per l eccitazione e gli altri due per prelevare la tensione ai capi dell elemento sensibile. n entrambi i casi in figura la corrente prelevata é pressoché nulla in quanto il dispositivo di misura é ad elevata impedenza. Bisogna anche evitare che la termoresistenza si riscaldi troppo in condizione di esercizio in quanto l errore di autoriscaldamento deve essere minimizzato. dispositivi presenti in commercio presentano sui dati di targa anche un errore dovuto all autoriscaldamento espresso in C/mW. pag.