I più comuni sensori di temperatura sono i seguenti: 1.Termocoppie: il loro funzionamento si basa sull effetto di due conduttori diversi, uniti alle loro estremità e le due giunzioni sono a temperatura diversa, si ha una circolazione di corrente proporzionale alla differenza di temperatura; le due giunzioni sono dette giunzione calda e giunzione fredda. Comunemente la giunzione calda è inserita nel punto in cui si vuole rilevare la temperatura, mentre i terminali sono a temperatura ambiente; la differenza di potenziale fra essi è proporzionale alla differenza fra la temperatura da rilevare e la temperatura ambiente. I parametri caratteristici principali sono l intervallo di temperatura in cui può operare, o la massima temperatura di impiego, e la tensione fornita; essi dipendono dai materiali con cui è costituita la termocoppia. Le termocoppie sono fra i sensori di temperatura più diffusi, in quanto presentano i seguenti vantaggi : possibilità di misure in un ampio campo di temperature (dell ordine di 2000 C); possibilità di impiego di materiali resistenti alle diverse condizioni ambientali; costi contenuti. Fra gli inconvenienti, vi sono la mancanza di linearità e i bassi livelli della tensione d uscita. 2.RTD: sono dispositivi caratterizzati dalla proprietà di avere un coefficiente di temperatura positivo, come la maggior parte dei conduttori. Le termoresistenze hanno i seguenti vantaggi: buone caratteristiche di linearità; possibilità 1 / 5
di utilizzo in un intervallo ampio di temperatura, anche se inferiore all intervallo di impiego delle termocoppie (temperature massime dell ordine di 900 C). L inconveniente maggiore è la bassa sensibilità. Altri tipi di sensori di temperatura sono : Termometri a resistenza metallica: La resistività di un metallo, per temperature non troppo basse, segue un andamento quasi lineare: r(t) = ro(1 +at) dove a(t)=(1/r)dr/dt è il il coefficiente di temperatura, dell ordine di qualche permille per grado.una interpolazione polinomiale r(t) = ro(1 +a1t+ a2t2+ ), può quindi essere troncata al termine del primo ordine. In questa approssimazione il coefficiente a1 si identifica con il coefficiente di temperatura. Il segnale prodotto è proporzionale alla tensione Vr di polarizzazione, ma anche la potenza erogata al termometro è proporzionale a Vr2, (autoriscaldamento). I sensori metallici hanno piccola massa (risposta pronta) e discreta linearità su un ampio intervallo di temperatura. Intervallo utile: per gli elementi di platino si va da 10 K a 800 K (a quasi costante, debolmente decrescente con T), per il nichel da 60 C a +300 C (A crescente con T). I termomeri a sensore di platino hanno rimpiazzato i termometri a mercurio ovunque si richieda una misura accurata di temperatura Thermistor NTC e PTC Gli RTD a semiconduttore possono essere a coefficente di temperatura negativo (NTC ) positivo ( PTC ) I termistori NTC hanno una resistenza che dipende circa esponenzialmente dalla temperatura assoluta R(T)=R0exp(b/T), ed esibiscono quindi una notevole non-linearità, con una sensibilità che varia inversamente con il quadrato della temperatura assoluta T (a = R/R T = b/t2). Inoltre sono soggetti a deriva temporale che è dell ordine di 10 3/anno. I termistori offrono valori ohmici a in un intervallo vastissimo e possono avere dimensioni ridottissime (risposta molto rapida). I termistori PTC hanno un coefficiente termico costante in un limitato intervallo di temperature, con discreta sensibilità (dell ordine di 10-2 K-1). Con gli NTC si possono usare vari circuiti per ridurre la non-linearità (es. una resistenza in parallelo al sensore e una in serie) oppure si può procedere, mediante l uso di un microprocessore, alla linearizzazione digitale mediante interpolazione della curva di calibrazione. Il termistore è l elemento che è incluso nel sensore di temperatura fornito con CBL. Termometro a diodo: Il termometro a diodo sfrutta il fatto che la 2 / 5
dipendenza dalla temperatura della tensione diretta Vf di una giunzione p-n polarizzata con corrente If costante è quasi lineare per temperature T > 30 K ( 240 centigradi). Vf = Vo g(if)t ove la pendenza g(if) dipende solo debolmente (logaritmicamente) dalla corrente di polarizzazione. Vantaggi: Buona linearità e discreta sensibilità (2 mv/k) Esistono anche circuiti integrati che comprendono già, insieme al diodo usato come sensore di temperatura, il circuito di condizionamento del segnale. Un sensore a diodo integrato è contenuto nei termometri Vernier: (National LM34 termometro standard o Analog Device 590 per risposta veloce). La termocoppia: La termocoppia sfrutta la dipendenza dalla temperatura della forza elettromotrice ai capi di una giunzione tra metalli diversi (effetto Seebeck). Questa forza elettromotrice è funzione crescente di T, ed è quasi lineare in prossimità della temperatura ambiente. Vantaggi : prontezza (piccola massa) facilità di accoppiamento termico (con fili sottili e lunghi) esteso intervallo di lavoro (70-1000 K) basso costo, non richiede polarizzazione I tipi più usati sono J (Ferro+, Costantana ) e K (Cromel+, Alumel ) In sostituzione del tradizionale bagno di ghiaccio in cui immergere la giunzione di riferimento si può usare un sistema elettronico di compensazione, ad esempio usando un integrato a diodo. Esistono circuiti integrati che funzionano da convertitori di segnale di termocoppia con inclusa la compensazione (ma non la linearizzazione) la cui uscita è circa proporzionale alla temperatura (dvout/dt=10µv/ C). Poi ci sono anche i sensori di temperatura integrali come ad esempio: Il più noto è l'ad 590 della Analog Devices. Tale dispositivo va alimentato con una tensione fra 4 e 30 volt e produce ai suoi poli una corrente che dipende linearmente dalla temperatura:i=kt e K=1 ma / K Il funzionamento in corrente presenta il vantaggio di rendere il segnale di uscita indipendente 3 / 5
da eventuali variazioni della tensione di alimentazione (pila parzialmente scarica oppure alimentazione disturbata). Il contenitore metallico di tipo TO52 consente una elevata velocità di risposta (costante di tempo termica bassa: la costante di tempo termica è la costante di tempo dell'esponenziale che esprime l'andamento dell'uscita nel tempo quando la temperatura subisce una variazione a gradino). Un circuito ad operazionale che utilizza un AD590 è quello di figura: A zero gradi centigradi (273 K) il componente fornisce 273 ma. Se R 1 è percorsa da questa corrente allora I R2 è nulla ed il circuito fornisce V 0 =0. Ad una temperatura qualsiasi I R2 =I s -I R1 V 0 =R 2 (I s -V R /R 1 ) Allora DV o / DT= R 2D Is/DT=R 2 K Volendo avere, ad esempio 10 V a 100 C occorre che sia: D 4 / 5
La tensione V R deve essere rigorosamente stabilizzata. V o /D T=10/100=0.1 volt/ C. Segue R 2 =0.1/ 10-6 =100 KW 5 / 5