Lezioni del Corso di Fondamenti di Metrologia Meccanica

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1 Facoltà di Ingegneria Lezioni del Corso di Fondamenti di Metrologia Meccanica 14. Le Misure di Temperatura

2 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, m

3 La Scala Internazionale delle Temperature: Le evoluzioni successive Punti fissi ITS-27 [ C] ITS-48 [ C] IPTS-48 [ C] IPTS-68 [ C] ITS-90 [ 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)

4 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

5 Rappresentazione grafica della ITS 90 3 He 4 He II 4 He I termometro a gas 0,65K 1,25K 2,18K 3K 3,2K 5K pressione di vapore He termometro a gas termometro a resistenza al platino 0,65K 3K 5K 14K 17K 20K 25K 54K 84K 234K 273,16K termometro a resistenza al platino termometro a radiazione -39 C 0 C 30 C 157 C 232 C 420 C 660 C 962 C 1064 C 1085 C (234K)

6 Altre Scale di Temperatura

7 Leggi fondamentali: 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 Leggi fondamentali: legge di Fourier La posizione del sensore (lunghezza di immersione) può essere ovviamente determinante nel caso in cui tra il punto di cui si vuole conoscere la temperatura e l esterno della sonda ci sia una notevole differenza secondo la legge: Q& = ka ( Ta Ts ) = ha( Ts T L i )

9 Termometria La termometria è un settore consolidato della metrologia, anche se l'innovazione tecnologica rende spesso disponibili sul mercato nuovi sensori e strumenti che possono trovare anche applicazione nel settore industriale (termoresistenze miniaturizzate, sensori a fibra ottica, termometri all'infrarosso). Nella pratica industriale prevale in genere l'uso di strumenti tradizionali poco sofisticati e soprattutto di non elevato costo. La scelta é per lo più limitata, vista la semplice trasducibilità elettrica dei relativi segnali, a termocoppie e termometri a resistenza.

10 Metodi di Misura Una prima suddivisione tra i differenti metodi di misura utilizzati nel controllo di processo e negli impianti civili ed industriali é quella che distingue tra: - metodi basati su fenomenologie di tipo elettrico; - metodi classici non elettrici. Una tale suddivisione, anche se netta, non consente di effettuare i necessari confronti applicativi. Per tale motivo è opportuno operare ulteriori differenziazioni tra i sensori sulla base dei singoli principi di misura e delle tecnologie utilizzate, individuando famiglie aventi caratteristiche metrologiche ed impiantistiche omogenee. Tutto ciò anche allo scopo di poter effettuare le considerazioni necessarie per la scelta ottimale del sensore più idoneo alle proprie esigenze.

11 Come misurare? La temperatura viene solitamente misurata in ambito industriale 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

12 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

13 Termometri a BULBO principio: dilatazione liquido campo: C (in funzione del liquido) incertezza: C uscita: meccanica norme UNI 6893 Vantaggi - elevata stabilità Svantaggi - elevata costante di tempo - campo di misura ridotto

14 Termometri a RIEMPIMENTO principio: variazione pressione di gas, vapore, liquido campo: C incertezza: 1-2 C uscita: meccanica norme UNI- CTI 9010 Vantaggi - lettura a distanza Svantaggi - elevata costante di tempo - problematiche installazione

15 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

16 Tipologie più diffuse di sensori industriali Termometri a resistenza Termocoppie Termistori

17 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

18 Un termometro a resistenza è generalmente costituito da un elemento metallico filiforme, avvolto o poggiato su di un supporto isolante (framework), il tutto contenuto in una guaina di protezione dell elemento sensibile (fig. IV.1). Talvolta, per problemi di miniaturizzazione, il sensore è ottenuto per deposizione di un film metallico su di un supporto isolante. Pozzetto termometrico (Inconel o acciaio inox) Isolatore ceramico Elemento resistivo Polvere ceramica Sigillante

19 In particolare i termometri a resistenza, comunemente indicati con la sigla TRP o con quella inglese RTD, adottano di norma come elemento sensibile fili sottili di Platino. Tuttavia esistono sul mercato sensori che impiegano altri metalli (sempre in fili sottili) quali il palladio, il rame, il nichel, il tungsteno o leghe metalliche. La scelta del metallo come base del sensore è essenzialmente legata a: lavorabilità in fili sottili alla proprietà di presentare una legge R=R (T) il più possibile lineare 1 dr 1 R R R = R0 1+α T α = = R dt 100 C R ( ) Con la parola lavorabilità si intende evidenziare la possibilità d ottenere con processi tipo estrusione, etc., fili sottili privi di stati tensionali residui. Questi ultimi infatti se presenti possono indurre nel sensore soggetto a cicli termici variazioni della curva caratteristica nel tempo, inficiando la ripetibilità e la stabilità del sensore.

20 Scelta del Materiale di un Termometro a Resistenza I requisiti che portano a scegliere un materiale per la realizzazione dei termometri a resistenza sono in generale: - la costanza delle caratteristiche elettriche nel tempo, anche se il materiale è sottoposto a cicli termici variabili; - la riproducibilità della caratteristica: Resistenza/Temperatura; - l'elevato valore del coefficiente di temperatura a, che è indice della sensibilità del termometro. A questi requisiti rispondono molto bene il Platino (metallo nobile, estremamente duttile, elevato punto di fusione, lavorabilità in uno stato purissimo e quindi elevata riproducibilità), il Rame ed il Nichel. In tabella V.1 sono riportate, in termini di campo di applicazione e coefficiente a, le caratteristiche termometriche di questi metalli.

21 R=R 0 (1+αT) Pt100 Pt25 Ni1000 Metallo Pt Cu Ni Intervallo C α [ C -1 ] 3, , , α = 1 R dr dt = C R 100 R 0 R 0

22 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

23 RESISTENZA DEI FILI La misura della resistenza dell elemento sensibile viene effettuata utilizzando fili di collegamento dal sensore al sistema di misura e trasduzione. Ciò crea l inconveniente che la resistenza della linea di connessione viene e a trovarsi in serie con quella dell elemento sensibile, senza poter valutare separatamente i due contributi Si potrebbe correggere il valore ma occorre conoscere a priori la resistenza dei fili di collegamento, ma questo comporta problemi legati: - alla variabilità della resistività dei materiali - all incertezza sulla lunghezza dei fili - a possibili gradienti termici lungo i fili di collegamento Si rende indipendente la misura dalla linea di connessione con accorgimenti sui collegamenti (del tipo a 3 o 4 fili, in luogo dei 2 strettamente necessari).

24 AUTORISCALDAMENTO L'incertezza dovuta all'auto-riscaldamento è connessa alla inevitabile presenza di corrente elettrica che attraversa il termometro durante la misura, cioè dalla generazione interna RI 2 che si verifica nell'elemento sensibile e dal modo con cui tale calore viene dissipato. La misura di resistenza avviene alla temperatura del sensore e non a quella del mezzo di cui si vuole effettuare la misura, per cui bisogna fare ogni possibile sforzo per far coincidere le due temperature. E' comunque estremamente difficile calcolare a priori l'aumento di temperatura dovuto all'autoriscaldamento. Si può, ad esempio, effettuare una doppia misura con correnti diverse ed estrapolare i risultati a corrente nulla, tenendo conto che l'effetto varia con il quadrato della corrente.

25 Forza Elettromotrice nei collegamenti L'incertezza dovuta alle forze elettromotrici termiche che si generano ai capi dell'elemento sensibile dei TRP, per la presenza di giunti di materiali diversi, tipo Pt-Cu, è facilmente determinabile con sistemi di alimentazione che permettono l'inversione del verso della corrente nell'elemento sensibile. Facendo infatti la media fra le due letture (con versi opposti) è possibile eliminare l'influenza di tali f.e.m.. Ovviamente l'ideale sarebbe alimentare i TRP in corrente alternata. Nei casi in cui quanto su esposto è impossibile, bisogna misurare il valore di tali f.e.m. a freddo ed estrapolarne i valori alle temperature di esercizio. Se, comunque, all'interno della guaina di protezione le saldature ai capi dell'elemento sensibile sono state realizzate in maniera tale da risultare in una posizione che ne garantisce la isotermia i valori probabili delle f.e.m. saranno <10µV, che ad esempio in un sensore tipo Pt 100 a 650 C corrisponderebbe ad un errore di 0,03 C, del tutto trascurabile

26 Resistenza di ISOLAMENTO Se si verifica una perdita di isolamento elettrico tra il filo sensibile e la guaina esterna o il supporto isolante del termometro a resistenza, ciò provoca formazione di uno shunt parallelo alla resistenza del termometro (elemento sensibile) e di conseguenza un errore di valutazione della resistenza del TRP. Se la resistenza d'isolamento è presente nel termometro durante la taratura, l'errore è compensato, tranne nel caso in cui la taratura viene effettuata ad una sola temperatura e la resistenza d'isolamento non è stabile e varia con la temperatura. E' molto difficile valutare la resistenza di isolamento senza materialmente sezionare il termometro, distruggendolo quindi completamente; la valutazione viene di solito effettuata in maniera grossolana, misurando la resistenza di isolamento tra i terminali del filo metallico in uscita dal termometro ed un punto (di solito la punta) della guaina esterna.

27 Deriva della CARATTERISTICA E un fenomeno legato alle caratteristiche meccaniche e termiche del sensore (es. deriva di 1 C su Pt 100 sottoposti 6000 h a 660 C) Tempo di RISPOSTA Presentano tempi di risposta (nell ordine delle decine di secondi) abbastanza elevati rispetto agli altri misuratori di solito più piccoli e compatti Profondità di IMMERSIONE E l altezza minima di immersione di un termometro in un bagno liquido affinchè la misura non risenta del valore della temperatura dell ambiente.

28 Termistori principio: variazione resistenza elettrica di semiconduttori campo C incertezza: C uscita: elettrica Vantaggi - basso costo - elevata sensibilità Svantaggi - autoriscaldamento

29 I vantaggi dei TERMISTORI : - basso costo unitario; - piccole dimensioni; - piccoli tempi di risposta; - segnale molto elevato. Gli svantaggi dei TERMISTORI : - campo di temperatura limitato (0-300 C); - curva caratteristica non lineare; - possibile deriva; - valore di misura da correggere per autoriscaldamento

30 Caratteristiche dei Termistori I termistori (termine derivato dall inglese thermistor crasi di Thermal Sensitive Resistors sono elementi termometrici che presentano come sensore un semiconduttore, generalmente ottenuto da miscele di ossidi metallici sinterizzati. Questi composti, anche tramite opportuni drogaggi, sono caratterizzati, sia da una spiccata mobilità con la temperatura dei portatori di carica (elettroni o lacune), che da una notevole dipendenza della concentrazione di questi ultimi con la temperatura. Tutto ciò garantisce a elementi sensibili così ottenuti una curva caratteristica di variazione della resistenza al variare della temperatura del tipo R = α e β/t

31 La resistenza R dei termistori (ottenuti ottimizzando i rapporti di massa degli ossidi di nichel, magnesio, cobalto, rame, ferro ed uranio, in modo da realizzare il miglior compromesso fra resistività e sensibilità), a differenza di quanto accade per i termometri a resistenza, è quindi decrescente al crescere della temperatura ed il loro coefficiente di temperatura a (definito analogamente ai termometri a resistenza) è negativo e non costante nel campo di temperatura di impiego (più alto alle basse temperature e più basso alle alte). Questa è la ragione per cui al termine termistore talvolta si aggiunge la sigla NTC ( Negative Temperature Coefficient ) a sottolineare la negatività del coefficiente di temperatura, a. Quest ultimo, che può assumere valori anche dell ordine di C 1, è comunque di almeno un ordine di grandezza superiore a quelli caratteristici dei termometri a resistenza. Esistono anche termistori PTC ( Positive Temperature Coefficient ) basati sull impiego di materiali ferroelettrici (ad esempio il BaTiO3 opportunamente drogato con Sb) che sono caratterizzati da una resistività debolmente decrescente con la temperatura, ma essi ad una temperatura caratteristica (detta critica) presentano una curva di resistenza che varia positivamente e bruscamente di molti ordini di grandezza, per poi tornare alla caratteristica precedente. Questa proprietà fa si che i PTC vengano spesso utilizzati per funzioni di allarme. 31

32 Caratteristiche dei Termistori NTC ("Negative Temperature Coefficient") PTC ("Positive Temperature Coefficient") R = α e β/t 32

33 Per quanto riguarda i termistori NTC, che sono noti ed impiegati in campo elettrico da decine di anni, è opportuno sottolineare che la loro utilizzazione come sensori di temperatura si è via via affermata solo negli ultimi decenni in conseguenza: delle migliorate tecniche di produzione per sinterizzazione (che hanno permesso di garantire la uniformità della produzione e quindi l intercambiabilità dei sensori), ii) nell applicazione di tecniche di invecchiamento/stabilizzazione, che hanno fortemente ridotto la non stabilità iniziale della curva caratteristica dei termistori, garantendo così la produzione di unità riproducibili e stabili. Sono in produzione termistori speciali con curve caratteristiche unificate (Norme ISO ed UNI), che ne garantiscono la perfetta intercambiabilità. Le curve ISO presentano valori di R 0 (T=25 C) da 0.5, 1, 2, 4, 15, 16, 25, 100, 400 kω. Le curve proposte dall UNI hanno invece valori di R 0 (T=25 C) di 0.1, 0.3, 0.5, 1, 2, 5, 10, 30, 50, 100 k Ω 33

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35 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

36 Le termocoppie sono trasduttori attivi, in quanto generano una tensione per effetto termoelettrico. In un circuito formato da due metalli diversi A e B le cui giunzioni si trovano a temperature diverse T 1 e T 2 si instaura la circolazione di una corrente I. Se il circuito viene aperto, si manifesta ai suoi capi una differenza di potenziale E che dipende dalla differenza di temperatura delle giunzioni, attraverso un coefficiente di proporzionalità, detto coefficiente di Seebeck:

37 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

38 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.

39 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.

40 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

41 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

42 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

43 Giunto di misura A B Cu 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

44 Termocoppia assiemata Testa di connessione Pozzetto di estensione Pozzetto termometrico Termocoppia (a) (b) (c) Tipi di giunto caldo: a) esposto, b) a massa, c) isolato

45 Testa di connessione Pozzetto di estensione Pozzetto termometrico (a) (b) (c) Termocoppia Un giunto esposto (a) risulta economico e comporta un tempo di risposta estremamente ridotto. Lo svantaggio principale consiste nel rapido deterioramento se esposto ad agenti corrosivi e nella necessità di un ingresso di fem differenziale. Un giunto a massa (b) é realizzato saldando direttamente il giunto caldo della termocoppia sul pozzetto termometrico, pertanto pur essendo, come il giunto esposto, soggetto a loop contro terra, presenta il vantaggio di essere parzialmente protetto da agenti esterni Un giunto isolato (c), infine, é costruito in modo tale da essere completamente isolato dal pozzetto termometrico. Ciò limita fortemente l'insorgere di loop contro terra e l'influenza di fem parassite, inoltre aumenta la reiezione al rumore del sensore. Per contro aumenta il costo della termocoppia ed il suo tempo di risposta 45

46 Termocoppie tipo S - Platino/Platino rodiato (10% Rh) E' la termocoppia utilizzata in passato per definire la IPTS'68 da 630,74 C a 1064,43 C. Essa, come tutte le termocoppie costituite da metalli nobili, presenta una elevata precisione specie nel campo al di sopra dei 500 C, inoltre al di sotto di tale temperatura fino a 0 C garantisce un'incertezza inferiore a ±1,5 C. Termocoppia tipo R - Platino/Platino rodiato (13% Rh) Presenta le stesse caratteristiche della tipo S da cui è derivata dopo l'adozione della IPTS '68 per adeguare le risposte dei vecchi strumenti di lettura non adatti all'uso dei fili di platino molto puro immessi sul mercato negli anni '60. E' quindi una termocoppia destinata ad andare in disuso. Termocoppie Tipo B - Platino Rodiato 30% / Platino Rodiato 6% E' molto adatta a lavorare a temperature elevate dell'ordine dei 1700 C. Presenta le stesse caratteristiche dei tipi R ed S ed è inoltre adatta a lavorare anche sotto vuoto. Termocoppia tipo T - Rame / Costantana E' una termocoppia molto usata nel campo C dove può essere adoperata anche in alternativa alle termocoppie a base Platino in quanto garantisce incertezze dello stesso ordine di grandezza ±1 C. E' molto usata per il suo basso costo e per il suo elevato potere termoelettrico e per questo è l'unica termocoppia per la quale nelle norme vengono garantiti valori al di sotto di 0 C. La limitazione superiore del campo di applicazione è dovuta alla rapida ossidazione del rame alle elevate temperature. 46

47 47 Termocoppie tipo J - Ferro-Costantana E' la termocoppia più diffusa nelle applicazioni industriali nel campo C, per la sua elevata capacità di adattarsi ad atmosfere sia riducenti che ossidanti, per il suo elevato potere termoelettrico ed ovviamente per il suo basso costo. E' meno precisa della termocoppia tipo T per il fatto che il ferro è di solito ottenuto con un grado di omogeneità minore del rame e questo fa nascere nell'interno del filo f.e.m. parassite dovute a gradienti di temperatura che come già detto inficiano la precisione di misura. Si noti che i fili di costantana per le due termocoppie T e J sono di solito diversi e quindi non sono intercambiabili tra loro. Termocoppia tipo K Chromel (90% Ni, 10% Cr) /Alumel (94%Ni, 3%Mn, 2%Al, 1%Si) E' una termocoppia nata per sostituire le termocoppie a metallo nobile alle elevate temperature, infatti può essere utilizzata fino a 1260 C con una incertezza di ±2 C in atmosfere inerti o ossidanti. Presenta però problemi di riproducibilità e di stabilità; recentemente ne é stata proposta infatti la sostituzione con la tipo N. Il campo tipico di applicazione é in tutte le applicazioni elettroniche. Usata nel campo C con precisione ± 1.5 C ha le stesse limitazioni della coppia tipo T. Termocoppia tipo N (Nicrosil/Nisil) riconosciuta in ambito IEC, le termocoppie W3 (Tungsteno Renio3% / Tungsteno Renio 25%) e W5 (Tungsteno Renio 5% / Tungsteno Renio 26%), la coppia Cobalto-Oro/Rame usata per temperature molto basse o la termocoppia Tungsteno/Molibideno usata per le temperature elevatissime

48 Termocoppie normalizzate T ( C) 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%

49 Le termocoppie commerciali Le termocoppie commerciali sono classificate con una designazione ANSI (American National Standard Institute). La Costantana è una lega al 60% Rame e 40% Nickel. Il Cromel è una lega al 90% di Nickel e 10% Cromo. L Alumel è una lega di Nickel con (fino al 5%) Alluminio, Manganese e Silicio. A titolo d esempio, consideriamo una termocoppia di tipo K, molto diffusa. Una variazione di temperatura da 0 a 100 C comporterebbe, trascurando in prima approssimazione le non linearità, una escursione di tensione in uscita di (µv/ C) 100 ( C) = 4 mv. Per apprezzare il decimo di grado (0.1 C), la risoluzione e l accuratezza del voltmetro devono essere dell ordine di 4 µv. Con questi livelli di segnale e di risoluzione, il cablaggio di tutto il sistema deve essere particolarmente accurato per evitare che eventuali disturbi compromettano l integrità del segnale.

50 Termometri a Radiazione

51 Il CORPO NERO è il perfetto assorbitore ed il perfetto emettitore utilizzato come riferimento per le misure delle proprietà radiative del materiale. Valgono le tre relazioni fondamentali dell irraggiamento: equazione di Planck: equazione di Wien: equazione di Stefan-Boltzmann: E λ E nλ max n ( T ) T ( T ) = = C 5 λ 3 = σt e 4 c 1 c2 λt 1

52 Schema di CORPO NERO Riscaldatori Isolamento Termico Isolamento termico Apertura Pareti della Cavità Pareti della cavità Fluido in ingresso Superficie di rame ricoperta con vernice nera Tubo di rame Fluido in uscita Cono di rame anglo di 45 Guida del flusso dell olio Acciaio inossidabile

53 Emettitori diversi dal corpo nero: I processi che impediscono ai corpi reali di comportarsi come un corpo nero sono tre: - una frazione della radiazione incidente può essere assorbita α, - una frazione può essere riflessa ρ, - un altra può essere trasmessa τ. Per il principio di conservazione dell energia: α λ + ρ λ + τ λ = 1 Termometro a radiazione Radiazione incidente Riflessione Emissione Trasmissione Assorbimento