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 atilli@deis.unibo.it Revisionato: 27/09/2004 SENSORI DI TEMPERATURA Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 2 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 1

2 TERMOCOPPIA Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 4 Grandezza misurata differenza di temperatura Grandezza in uscita tensione Tipo di sensore autoeccitante termoelettrico non linearità sistematica compensazione con tabelle o polinomi interpolanti Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 5 Effetto Seebeck Coppie metalliche standard giunz. calda giunzione fredda T2 T1 V = f(t2,t1) non lineare J K E T R ferro/costantana Ni-Cr/Ni-Al (cromel/alumel) cromel/costantana rame/costantana platino/pt-rodio Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 6 2

3 Caratteristiche tecniche principali J K E T R T min C T max C V max mv Errore C le ax sono riportate ipotizzando la giunzione di riferimento a 0 C Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 7 Principali forme costruttive Giunzione esposta Giunzione protetta isolata Giunzione protetta a terra Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 8 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 Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 9 3

4 Problemi di interfacciamento problematiche legate a giunzioni parassite compensazione della temperatura del giunto freddo Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 10 Effetto delle giunzioni parassite Schema di collegamento tipico: T amb Collegamento tramite estensione dei metalli di termocoppia Forno T 1 V m é influenzata dalle termocoppie parassite? Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 11 Legge del metallo intermedio C C T T Forno T amb T 1 Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 12 4

5 Regola del metallo intermedio C C T T Forno T ref V 1 T 1 C se piattaforma isoterma - parassite si compensano Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 13 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 T ref Collegamento tramite estensione dei metalli di termocoppia Forno T 1 barriera isoterma Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 14 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 M1 Forno T ref giunzioni non isoterme T 1 M2 barriera isoterma Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 15 5

6 Compensazione della temperatura di giunto freddo V m = f(t1,tref) 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,t2) = -f(t2,t1) composizione f(t1,t3) = f(t1,t2) + f(t2,t3) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 16 Compensazione della temperatura di giunto freddo misurando la temperatura Tref effettiva, tipicamente con sensori a c. i. o a semiconduttore indicando con T0 la Tref fissata di tabella, ricordando che V m = f(t1,tref) = f(t1,t0) + f(t0,tref) = V1 -V0 dove si definiscono V1 = f(t1,t0) e V0 = f(tref,t0) si potrà procedere come segue 1) ricavare V0 da Tref misurato, tramite la tabella T V 2) ricavare V1 = V m + V0 (V m è misura ottenuta) 3) ricavare T1 da V1, tramite la tabella T V Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 17 Compensazione della temperatura di giunto freddo Si è dovuto aggiungere un ulteriore sensore di temperatura per rilevare la Tref Non si può fare altrimenti quando le temperature da rilevare sono molto elevate (oltre C) e precludono l utilizzo di un sensore assoluto (RTD, termistore) Può essere comunque economicamente conveniente visto che la termocoppia e il sensore di Tref (vicina alla temperatura ambiente) sono poco costosi. Attenzione: la precisione complessiva della misura è legata anche alla misura di Tref Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 18 6

7 Schema di collegamento Scheda di acquisizione Cavo speciale di collegamento Tref V 1 T 1 sensore di Tref Terminazione isoterma Forno materiali a basso effetto Seebek con quelli della di misura Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 19 TERMORESISTENZA (RTD) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 20 Termoresistenza Grandezza misurata temperatura Grandezza in uscita variazione di resistenza Tipo di sensore modulante termoresistivo Richiede un circuito per la trasformazione della resistenza in tensione Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 21 7

8 Denominazione tecnica RTD Resistance Temperature Detector Realizzazione tecnologica materiale di supporto 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 Caratteristiche tecniche principali Termoresistenza R 0 ºC filo Ω film spe. film sot Off-set % nonlin % τ (aria) s size l x Φ mm 25x5 25x1.5 10x1 Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 23 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 8

9 Dispositivo standard Pt 100 Termoresistenza al Platino valore nominale 100 Ω a 0 C 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 Circuito di eccitazione metodo volt/ampermetrico 4 fili per una migliore accuratezza soluzione generale Termoresistenza I=0 Iref I=0 Pt100 Nel forno Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 26 Circuito di eccitazione ponte di Wheatstone 3 fili per una migliore accuratezza Pro rispetto Volt/Amper: riferimento in tensione Contro rispetto Volt/Amper: non lineare solo per piccole variazioni di temperatura Vref R 1 I 0 R parassite 4 R+ R dei collegamenti I 0 Termoresistenza 2 3 R R I=0 Nel forno Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 27 9

10 SENSORI DI CORRENTE Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 28 Sensori di Corrente A SHUNT RESISTIVO AD EFFETTO HALL Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 29 SENSORI DI CORRENTE A SHUNT RESISTIVO Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 30 10

11 Sensore di corrente a shunt resistivo Grandezza misurata corrente Grandezza in uscita tensione Tipo di sensore autoeccitante Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 31 Sensore di corrente a shunt resistivo I=0 I I=0 Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 32 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) basso costo Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 33 11

12 SENSORI DI CORRENTE AD EFFETTO HALL Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 34 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 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Realizzazione in catena aperta Iref Im Vout Vout = (K*Iref)*Im Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 36 12

13 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Realizzazione in retroazione n2 I2 n1 I1 Iref V + - G Iout = n1/n2 I1 Vout= RIout 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 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Caratteristiche essenziali Campo di misura A Linearità migliore dell 1% Isolamento >1500V Risposta in frequenza dalla continua a >100kHz Costo contenuto Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 38 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 13

14 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sensori di Temperatura e Corrente Fine Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna atilli@deis.unibo.it 14