Argomenti del corso Parte II Strumenti di misura

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1 Argomenti del corso Parte II Strumenti di misura 6. Misure di temperatura Campioni di riferimento e taratura Metodi a espansione: termometri Termometri bimetallici Termometri a liquido in vetro Termometri a pressione Termocoppie Effetto termoelettrico e leggi delle termocoppie Termocoppie comuni Giunzione di riferimento Configurazioni e tecniche di misura Sensori a resistenza elettrica Termometri a resistenza Termistori

2 Campioni di riferimento e taratura Temperatura Grandezza intensiva, a differenza delle altre grandezze fondamentali (lunghezza, tempo e massa) Campione indipendente Principio zero della termodinamica: due corpi in equilibrio termico hanno la stessa T: disponendo di un mezzo per fissare una T di riferimento, i termometri possono essere tarati per confronto con un termometro campione Scale di temperatura Definizione qualitativa: proprietà fisiche dei materiali variabili con T Definizione quantitativa: scelta di temperature di riferimento (punti fissi)

3 Campioni di riferimento e taratura Scale di Temperatura Scala Termodinamica 1848, Lord Kelvin indipendente dalle proprietà di qualsiasi materiale, basata sul ciclo di Carnot: reversibile, 2 adiabatiche, 2 isoterme Q1 Q 2 T T 1 2 definizione del rapporto fra temperature P A Q 1 T 1 > T 2 T 1 Punto triplo (acqua): K (stato solido, liquido e aeriforme coesistono, punto più facilmente riproducibile) D Q 2 C V T 2

4 Campioni di riferimento e taratura Scale di Temperatura Scala Termodinamica Temperatura termodinamica = ideale = temperatura di un termometro a gas ideale a volume costante (o pressione costante) PV RT se V=cost P varia linearmente con T Procedimento pratico per gas reali: utilizzo di gas diversi, convergenza nel punto di pressione quasi nulla (rapporto tra le p ai punti di eb. e fusione) Misure Meccaniche e Termiche 2014/15

5 Campioni di riferimento e taratura Scale di Temperatura Scala Pratica Internazionale delle Temperature (SIT-90) Concorda con la Scala Termodinamica nel punto triplo dell acqua per definizione Punto fisso Temperatura [ C] Ebollizione ossigeno liquido Ebollizione acqua 100 Fusione dello zinco Fusione dell argento Fusione dell oro

6 Campioni di riferimento e taratura Scale di Temperatura Scala Pratica Internazionale delle Temperature (SIT-90) Strumenti per l interpolazione tra i punti fissi: Strumento Intervallo di temperatura [ C] Termoresistenza di Pt da a Termocoppia Pt Pt/Rodio da a Pirometro al di sopra di

7 Campioni di riferimento e taratura Taratura Procedimento Dispositivo da tarare posto in un ambiente alla temperatura di un punto fisso Confronto con un sensore già tarato, sensori posti in un bagno a temperatura costante e controllata Aspetti critici: stabilità nel tempo e uniformità spaziale Utilità pratica Termocoppie, termoresistenze e altri sensori di T, in ambiente operativo, vengono sottoposti a stress meccanici, termici e chimici che ne accelerano l invecchiamento

8 Campioni di riferimento e taratura Taratura Sistemi in commercio - Esempi Modello Range ( C) Fornetto di calibrazione T amb fino a +350 C Stabilità 0,1 C Accuratezza 0,4 C Risoluzione 0,1 C Parti interne in acciaio e alluminio Controllo della temperatura tramite microprocessore Ventilazione forzata a velocità variabile Pozzetto termostatato in alluminio (foro: 26 mm, profondità: 150 mm)

9 Campioni di riferimento e taratura Taratura Sistemi in commercio - Esempi Modello Range ( C) agno termostatico portatile T amb fino a +200 C Stabilità 0, C Accuratezza 0,15 C Risoluzione 0,1/0,01 C Controllo in campo di termometri e termoelementi Contenitore in alluminio mantenuto costantemente omogeneo da un agitatore magnetico con regolazione della velocità agno: Olio siliconico

10 Campioni di riferimento e taratura Taratura Sistemi in commercio - Esempi Modello Range ( C) Fornetto di calibrazione +200 C C Stabilità 0, C Accuratezza 3 C Risoluzione 0,1/0,01 C

11 Campioni di riferimento e taratura Taratura Sistemi in commercio - Esempi Modello Range ( C) Fornetto di calibrazione +50 C a +300 C Stabilità 0,005 C / 0.01 C Accuratezza 0,03 C fino a 150 C 0,05 C da 150 C a 200 C 0,1 C sopra 200 C Alta precisione: per laboratori di calibrazione (ISO9001) Taratura sensori primari e secondari Riferimento: Pt100

12 Metodi a espansione Tipologie Termometri bimetallici (esp. Differenziale di solidi) Termometri a liquido (esp. a p cost. di liquidi) Termometri a pressione (esp. a v cost. di liquidi, gas o vapori)

13 Metodi a espansione Termometri bimetallici Principio: dilatazione differenziale di due lamine con diversi coefficienti A e a stessa temperatura

14 Metodi a espansione Termometri bimetallici Relazione analitica: t 2 2 m 1 mn m 1/ mn 6( ) T T 1 m A 2 1 = raggio di curvatura t = spessore totale del dispositivo (12.7 m < t < 3.0 mm, valori pratici) n = rapporto tra i moduli elastici E /E A m = rapporto tra gli spessori t /t A T 2 - T 1 = innalzamento della temperatura t /t A 1 e n+1/n 2 3( A 2t ) T 2 T 1

15 Metodi a espansione Termometri bimetallici Materiali utilizzati: Invar per il materiale (coefficiente di dilatazione termica prossimo allo zero) Funzioni comuni: misura e controllo (interruttori tipo on-off, es. sovraccarico negli apparati elettrici / compensazione della temperatura) Campo operativo: - 70 C fino a 550 C

16 Metodi a espansione Termometri a liquido in vetro Hg: -39 C 550 C Alcol: fino a -60 C Toluolo: fino a -90 C Pentano: fino a -200 C Propano/propilene: fino a -220 C n termometro a Immersione totale termometro ausiliario (bulbo a n/2) termometro a Immersione parziale t cal = 70 F Immersione totale Incertezze: 0.2 C (-200 C - 0 C) 0.03 C (-55 C 0 C) 0.2 C (100 C 320 C) 0.4 C (320 C 500 C) correzione (50) (200-80) = 0.54 F riferimento per Immersione corretta correzione (50) (70-80) = F Formule per condizioni di utilizzo diverse da quelle previste (imm. parziale e t amb diversa)

17 Metodi a espansione Termometri a pressione ulbo Tubo di connessione Tubo di ourdon/diaframma/ Liquido: variazione di V -100 C 400 C (xylene) -40 C 590 C (Hg) Gas/vap variazione di p a V cost -240 C 650 C (gas) -40 C 315 C Sistemi di compensazione (variazione di t lungo il tubo) Misure Meccaniche e Termiche 2014/15

18 Termocoppie Effetto termoelettrico Collegamento di due materiali A e con giunzioni a T diverse: generazione di fem/passaggio di I In realtà, fem distribuita dipendente da: coefficiente di Seebeck assoluto: ( T ) de dt distribuzione di T lungo tutto il filo T 1 A T 2 A T 1 T 2 I E ( T ) ( T ) dt C

19 Termocoppie Effetto termoelettrico E ( T) T T T ( T) dt ( T) dt ( T) dt E ( T ) T 1 2 1) La tensione netta dipende dalla differenza di T ai due estremi (materiale omogeneo) E ( T E ( T) T T 1 2 dt A T T 1 2 dt T T 1 2 A dt T T 1 2 A dt Coppia di materiali, coefficiente relativo di Seebeck (diff. fra coefficienti assoluti) Tabelle con una giunzione a T di riferimento (0 C) Nella pratica si utilizza un blocco isotermo a T rif

20 Termocoppie Leggi delle termocoppie 1) La fem fornita da una termocoppia con le giunzioni alle temperature T 1 e T 2 non è influenzata dalle temperature incontrate nei vari punti del circuito, se i due materiali sono omogenei T 3 T 4 A T 5 T 8 A T 1 T 2 T 1 T 2 T 6 T 7 T 9 stessa fem

21 Termocoppie Leggi delle termocoppie 2) Se si inserisce un terzo metallo omogeneo, qualora le due nuove giunzioni termiche si trovino a stessa temperatura, la fem del circuito resta invariata, indipendentemente dalle temperature cui è sottoposto il materiale C C A A T 4 T 5 A T 1 T 2 T 1 T 3 T 3 T 2 stessa fem

22 Termocoppie Leggi delle termocoppie 3) Se il metallo C viene inserito tra A e in corrispondenza di una delle giunzioni, la temperatura cui è soggetto C al di fuori delle giunzioni AC e C non produce alcun effetto. Se le due giunzioni AC e C sono entrambe mantenute alla temperatura originaria T 1 la fem è la stessa del caso in cui il materiale non sia presente A A C T 1 T 1 T 2 T 2 T 1 Proprietà utilizzabile per inserzione di strumento di misura/ realizzazione di termocoppia con fili di A e saldati al metallo C di cui si deve misurare T 1

23 Termocoppie Leggi delle termocoppie 4) Se la fem prodotta dai metalli A e C tra due temperature è E AC e quella dei metalli e C tra le stesse temperature è E C, allora la fem prodotta dai metalli A e tra le medesime temperature è E AC + E C (utilità per poteri termoelettrici riferiti a metallo standard) A C T 1 T 2 C C + - E ac A T 1 T E cb T 1 T Misure Meccaniche e Termiche 2014/15 E ac +E cb

24 Termocoppie Leggi delle termocoppie 5) Se una termocoppia produce una fem E 1 quando le sue giunzioni sono alle temperature T 1 e T 2 e E 2 quando le giunzioni sono a T 2 e T 3, allora produrrà una fem E 1 +E 2 con le giunzioni poste a T 1 e T 3 (utile per riferire il potere termoelettrico a zero) A A T E 1 T 2 A T E 2 T 3 T T 3 E 1 +E 2 Misure Meccaniche e Termiche 2014/15

25 Termocoppie Termocoppie comuni Platino/Platino-Rodio tipo R acc.: 0.25% lettura (fino a 1500 C) Chromel/Alumel tipo K acc.: 2.8 C (0 350 C) 0.75% ( C) Rame/Costantana tipo T acc.: 0.5%/0.8% ( C) 0.75% ( C) Ferro/Costantana tipo J acc.: 66 V sotto 260 C 1.0% ( C) Chromel: Cr-Ni - Alumel: Al-Ni - Costantana: Cu-Ni Misure Meccaniche e Termiche 2014/15

26 Termocoppie Giunzione di riferimento Punto di riferimento standard Punto triplo dell acqua: C Realizzazione pratica: bagno di acqua e ghiaccio: C (usando effetto Peltier: acc. dell ordine di 0.05 C) Misure Meccaniche e Termiche 2014/15

27 Termocoppie Giunzione di riferimento locco isotermo Temperatura blocco uniforme (toll C) Utilizzazione in termometri digitali, sistemi di acquisizione dati T rif blocco isotermo T misura Chromel Alumel T rif Rame Rame T ambiente + + E comp - voltmetro - Sensore di temperatura o giunzione di semiconduttore T rif circuito di compensazione Misure Meccaniche e Termiche 2014/15

28 Termocoppie Configurazioni e tecniche di misura Isolamento tradizionale 1 Giunto di misura (piccole dimensioni) 2 Fili della termocoppia (sottili, mm) 3 Isolatori ceramici (isolamento fili termocoppia) 4 Guaina di protezione (metallica o ceramica per alte T, può essere coperta da pozzetto termometrico) 5 Testa di connessione (contiene morsettiera di materiale isolante ceramico per i collegamenti elettrici) Misure Meccaniche e Termiche 2014/15

29 Termocoppie Configurazioni e tecniche di misura Isolamento minerale (MgO) Vantaggi - dimensioni ridotte (da d=0.5 mm) - aumento durata media termocoppia (resistenza alte p) - realizzazione termocoppie lunghe - assenza di umidità, impermeabilità 1 - Giunto di misura: a massa (A), isolato () o esposto (C) 2 Fili della termocoppia 3 Guaina con isolamento minerale (di solito metallica con MgO) 4 Testa di connessione Misure Meccaniche e Termiche 2014/15

30 Termocoppie Configurazioni e tecniche di misura Alta temperatura - Termocoppie innovative per T fra 1100 e 2500 C: rodio-iridio/rodio tungsteno/renio boro/grafite - Schemi di raffreddamento presuppongono la conoscenza delle caratteristiche di scambio termico (temperature tra 2800 e 4400 C) Misure Meccaniche e Termiche 2014/15

31 Termocoppie Configurazioni e tecniche di misura Temperature rapidamente variabili = 0.3 s - termogiunzioni minime; proprietà materiali simili; posizionamento accurato - costanti di tempo: 10-5 s; T fino a 2760 C, P fino a kpa

32 Termocoppie Configurazioni e tecniche di misura Giunzioni di superficie (a) termocoppia intrinseca (con superficie el. di termocoppia) (b) metallo C conduttivo (c) t 95% 85 scsr k s 2 k k w s (d) Termocoppia comune: giunto saldato e saldatura del giunto sulla superficie

33 Termocoppie Configurazioni e tecniche di misura Modelli commerciali - Esempi Applicazioni generiche Tipo K e J Diametri guaina da 1 a 6 mm Materiali guaina: AISI 304, INCONEL 600 Giunto isolato o a massa

34 Termocoppie Configurazioni e tecniche di misura Modelli commerciali - Esempi Forni siderurgici Ceramica Vetro Tipo R, S, (platino/platino-rodio) 3 guaine di protezione Guaina esterna per protezione contro shock termici

35 Termocoppie Configurazioni e tecniche di misura Modelli commerciali - Esempi Con isolamento minerale Tipo K, J, T, E Diametri guaina da 4,5 a 8 Materiali guaina INCONEL, AISI Giunto isolato o a massa

36 Termocoppie Configurazioni e tecniche di misura Termocoppie in serie - Termopile Aumento sensibilità (n volte) T 1 A T 2 rame Termopila tipica: Chromel/Cu-Ni - 25 coppie - 2 mv/ C - Se voltmetro risolve 1 V: risoluzione C T 1 T 1 A A T 2 T 2 T 2 rame + voltmetro -

37 Termocoppie Configurazioni e tecniche di misura Termocoppie in parallelo Stessa tensione di ogni termocoppia SE tutte giunzioni di misura e riferimento a stessa temperatura T 1 T 4 rame + Tensione media SE le giunzioni sono a temperature differenti e stessa resistenza T 2 voltmetro - T 3 T 4 rame

38 Sensori a resistenza elettrica Termometri a resistenza Variazione di resistenza con la temperatura: R R (1 a T 0 1 a T a T n n ) Numero di termini a richiesti dipende da: materiale accuratezza campo di temperature

39 Sensori a resistenza elettrica Termometri a resistenza Materiali Coefficiente di temperatura elevato: maggior sensibilità Alto punto di fusione: campo di misura più ampio Linearità/Stabilità/assa corrosione Platino (punto di fusione: 1773) Nickel (1455) Rame (1083) C

40 Sensori a resistenza elettrica Termometri a resistenza Costruzione - Filo avvolto o annegato in supporti di vetro o ceramica - Film - Capsule protettive in metallo, vetro o ceramica Misure Meccaniche e Termiche 2014/15

41 Sensori a resistenza elettrica Termometri a resistenza Costruzione Modelli commerciali Pt 100, filo di Platino con R = 100 Misure Meccaniche e Termiche 2014/15

42 Sensori a resistenza elettrica Termometri a resistenza Circuiti azzeramento azzeramento maggior precisione deflessione circuito a 3 fili (Siemens) per compensazione di cavi lunghi

43 Sensori a resistenza elettrica Termometri a resistenza Tecnica voltamperometrica a 4 fili (termometri digitali sistemi acquisizione dati) E V = RTD I ex Voltmetro ad elevata impedenza: i nei fili di collegamento (e variazioni di R L1, R L2 ) 0

44 Sensori a resistenza elettrica Termistori Termometri a semiconduttore Realizzati con ossidi di semiconduttore sinterizzati (Mn, Ni, Co, Si, ) R = R(T), se R T La sinterizzazione offre flessibilità: - forma (perle, grani, barre, dischi) - dimensione - giunti molto piccoli Coefficienti di temperatura elevati e negativi es: contro (Pt)

45 Sensori a resistenza elettrica Termistori Forte non-linearità: R / R 25 C R R e (1/ T 1/ 0 T 0 ) 0.1 R = resistenza alla temperatura T, R 0 = resistenza alla temperatura T 0, = costante caratteristica del materiale, K T, T 0 = temperature assolute T 0 = di solito a 298 K (25 C) 4000 Utilizzo di circuiti linearizzatori Campo di T: -200 C C Misure Meccaniche e Termiche 2013/ C