Trasduttori di Temperatura Il controllo della temperatura è di fondamentale importanza in moltissimi processi industriali. Per la misura della temperatura sono disponibili diversi tipi di trasduttori, basati su principi fisici differenti, nel seguito elencati: termoresistenze; termocoppie; termistori; trasduttori integrati. Termoresistenze o RTD La termoresistenza o RTD (Resistance Temperature Detector) è un dispositivo sensibile alla temperatura, la cui resistenza aumenta all'aumentare della temperatura a cui è sottoposto. Una termoresistenza è realizzata con del filo metallico avvolto a spirale su un substrato ceramico; il conduttore può essere anche un film (cioè un sottile strato) di metallo depositato su substrato ceramico. Una RTD può essere costruita con diversi tipi di metallo, ma il materiale di gran lunga più utilizzato è il platino. Esso può infatti sopportare temperature elevate, mantenendo un'ottima stabilità; inoltre, essendo un metallo nobile, è poco suscettibile alla contaminazione da parte di altri materiali. Lo strumento utilizzato oggi come standard di precisione per la misura di temperature comprese tra -182,96 C(punto di transizione di fase dell'ossigeno) e +630,74 C(punto di transizione di fase dell'antimonio) è una PRTD (Platinum Resistance Temperature Detector). Altri metalli utilizzati per le RTD sono il nichel e alcune leghe di nichel, metalli più economici del platino, ma che possono essere impiegati per temperature minori e con linearità e stabilità nel tempo peggiori. Le RTD al platino sono oggi realizzate per deposizione di un film sottile di platino su un substrato ceramico. Il valore nominale della resistenza, a una temperatura pari a 0 C, è determinato per mezzo di una tecnica di calibrazione a laser. La stabilità è 1
minore rispetto a una RTD che utilizzi un filo di platino (tipicamente utilizzata nei laboratori di misura), tuttavia questa termoresistenza ha un costo decisamente inferiore e una velocità di risposta maggiore dovuta alla minore massa di materiale che deve scaldarsi. Il valore nominale alla temperatura di O C di una RTD al platino realizzata con la tecnologia di deposizione di un film sottile è 100 Q; per questo motivo tali dispositivi vengono anche indicati con la sigla PTIOO. Il coefficiente di temperatura, indicato con a, è definito come la variazione della resistenza dell'rtd in un campo di temperatura da O C a 100 C, riferito alla resistenza nominale a O C, diviso il range di variazione di temperatura di 100 C: = R100 R0 100 R0 II coefficiente di temperatura dipende da come è stato realizzato il dispositivo ed è fornito da ciascuna casa produttrice. II valore della resistenza di una RTD alla temperatura t1 può essere ricavato utilizzando la formula: 2
R t1 =R t0 [1 t1 t0 ]=R n R n t1 t0 nella quale si è indicato con Rn il valore della resistenza nominale fornita dal costruttore per la temperatura T0. Dalla formula precedente si ricava: R t1 R t0 R = t1 t0 t =R n La variazione della resistenza di una PT1OO, dovuta a una variazione di temperatura di 1 C, è: R=R T0 T = 100 Evidentemente il valore individuato vale con precisione solo per una variazione di 1 C attorno allo zero in quanto è alla temperatura di 0 C che RTO vale 100 Ω; tuttavia, dal momento che il coefficiente di temperatura può essere considerato costante, la relazione trovata si può ritenere valida nel campo di utilizzo della RTD. Termocoppie. Le termocoppie sono trasduttori di temperatura il cui principio di funzionamento è basato sull'effetto Seebeck-Peltier o effetto termoelettrico. Questo effetto consiste nel fatto che in una coppia di materiali differenti, saldati ad una estremità (giunto caldo) (Fig. 2.1.3), si manifesta, tra le estremità libere (giunto freddo), una differenza di potenziale che dipende, oltre che dai materiali a contatto, dalla temperatura a cui si 3
trova la giunzione. Al fine di poter effettuare una misura assoluta di temperatura il giunto freddo della termocoppia andrà mantenuto ad una temperatura nota e rigorosamente costante mentre il giunto caldo verrà sottoposto alla temperatura da misurare. Tutto questo comporta parecchie complicazioni pratiche per cui normalmente il giunto freddo viene sottoposto a temperatura ambiente e compensato mediante opportuni circuiti elettronici. A temperatura ambiente la tensione d'uscita di questi trasduttori assume valori molto piccoli (qualche decina di millivolt) per cui il condizionatore di segnale dovrà impiegare circuiti amplificatori con guadagni molto elevati e quindi molto critici da realizzare. Per ogni tipo di termocoppia, è fornita una tabella che indica le tensioni generate dalla giunzione alle varie temperature, in corrispondenza di una certa temperatura del giunto freddo (ad esempio 0 C). Sono prodotti vari tipi di termocoppie che si differenziano per i materiali costituenti la giunzione e sono contraddistinti, in base alle norme IEC, da una lettera (T,U,J,L,K,E, ecc.). Le termocoppie tipo K utilizzano differenti leghe di nichel per entrambi i conduttori; le termocoppie tipo N utilizzano ancora leghe di nichel ma con composizione meglio 4
specificata con conseguenti migliori prestazioni; le termocoppie di tipo T utilizzano rame e rame-nichel per i conduttori; le termocoppie tipo J, molto utilizzate, sono realizzate con conduttori in ferro e nichel-rame e sono idonee all'impiego in un campo di temperatura compreso tra -210 C e 1200 C. Se analizziamo in dettaglio il funzionamento delle termocoppie si può notare un comportamento tale da poter essere individuato dalle seguenti leggi: prima legge o legge del circuito omogeneo: La tensione Eo di una termocoppia, composta da due fili a e b, con due giunzioni a temperature diverse, T1 e T2, non è influenzata dalle temperature lungo i due rami del circuito. seconda legge o legge del metallo intermedio - Se un terzo metallo è inserito in un conduttore, a o b, o tra le giunzioni dei due conduttori, la tensione Eo non ne viene influenzata a patto che ai capi del terzo conduttore le temperature siano le stesse. 5
terza legge - Se la tensione della termocoppia [a - c] è Eac e la tensione della termocoppia [c - b] è Ecb, allora la tensione della termocoppia [a - b] è Eab = Eac + Ecb quarta legge - Se un termocoppia [a - b] genera una tensione E1, quando le sue giunzioni, 1 e 2, sono alle temperature T1 e T2 e la tensione E2, quando le due giunzioni, 1 e 2, sono alle temperature T2 e T3, rispettivamente, allora la tensione Eo, prodotta dalle temperature T1 e T3 delle due giunzioni, 1 e 2, è Eo = E1 + E2 6
Con la 'legge del metallo intermedio' è possibile misurare la differenza di temperatura (T1 T2) della due giunzioni, 1 e 2. Infatti, per potere misurare la differenza di tensione è necessario utilizzare un voltmetro ad alta impedenza di ingresso, che introduce in uno dei due conduttori un terzo conduttore, costituito dal voltmetro. La stessa legge asserisce che una giunzione può essere saldata, o brasata, o semplicemente attorcigliata senza che per questo cambi la differenza di potenziale Eo. La terza legge stabilisce che tutte le possibili combinazioni di fili di metalli diversi non devono necessariamente essere calibrate (o tarate) in funzione della temperatura, poiché tutti i metalli possono essere calibrati in riferimento ad un metallo, scelto come campione (es. Platino). La quarta legge permette di riferire la temperatura di una giunzione ad una temperatura di riferimento, ad esempio, la temperatura del ghiaccio fondente. Infatti, se le due giunzioni sono alle temperature T1 e T2, rispettivamente, (la T2 può essere la temperatura ambiente) la differenza di tensione è Eo1 = f(t1 - T2). Se si conosce la tensione della termocoppia, quando una giunzione è alla temperatura T2 e l'altra giunzione alla temperatura To = 0 C: 7
Eor = f(t2 - To) allora si può ottenere la misura della temperatura T1 riferita a 0 C: Eo = f(t1 - To) = Eo1 + Eor La tensione Eor si ottiene tramite tabelle o grafici. 8
I Termistori II termistore è un dispositivo costituito da elementi non metallici che varia la propria resistenza al variare della temperatura. I termistori sono realizzati con di materiali semiconduttori, quali gli ossidi di ferro, di cromo, di manganese, di cobalto e di nichel. Allo stato puro questi ossidi presentano resistività elevata, tuttavia possono essere trasformati in materiali semiconduttori aggiungendo piccole quantità di un metallo con diversa valenza. II principale vantaggio presentato dai termistori nella misura della temperatura è la loro notevole sensibilità; ad esempio un termistore che presenta una resistenza a temperatura ambiente di 2252 Ω ha una sensibilità di -100 Ω/ C; la sua resistenza diminuisce cioè di 100 Ω per un aumento delle temperatura di un solo grado. Nelle stesse condizioni una RTD ha una sensibilità di soli 0,4 Ω/ C. Un altro vantaggio è rappresentato dalle dimensioni ridotte del componente, e quindi dalla presenza di una massa termica molto piccola che permette una risposta rapida alle variazioni di temperatura. Un ulteriore vantaggio presentato dai termistori è la resistenza relativamente alta del componente; sono presenti in commercio termistori con resistenza, a 25 C, compresa tra 100 Ω e 1 MΩ. L'elevato valore di resistenza del componente permette di ridurre gli effetti della resistenza dei fili di collegamento nella misura della temperatura. Mentre per la connessione di una RTD è necessario realizzare la connessione a tre o a quattro fili, nel caso della utilizzazione di un termistore una connessione a due fili è del tutto adeguata. Alla notevole sensibilità del termistore corrisponde però una linearità veramente modesta; se esaminiamo la figura seguente ci rendiamo conto della grande non linearità presentata dal termistore rispetto a una RTD. 9
Un ulteriore svantaggio dei termistori è il campo di lavoro, o range del sensore, limitato; ciò è dovuto al fatto che il dispositivo è realizzato con materiale semiconduttore, che varia le proprie caratteristiche in maniera permanente se la temperatura è superiore a quella massima consentita, determinando la staratura del dispositivo. In genere questi sensori hanno temperature massime pari a qualche centinaio di gradi Celsius. Le dimensioni ridotte, inoltre, rendono questi dispositivi particolarmente suscettibili agli errori dovuti all'autoriscaldamento; per dispositivi in aria libera la costante di dissipazione tipica è pari a 0,5 mw/ C. Infine i termistori sono più fragili rispetto alle termoresistenze o alle termocoppie, pertanto non devono subire sollecitazioni meccaniche e necessitano di una cura particolare nella messa in opera. Esistono due tipi di termistori con un comportamento diverso in funzione del coefficiente di temperatura: i termistori NTC (Negative Temperature Coefficient), che hanno coefficiente di temperatura negativo, per i quali in corrispondenza a un aumento di temperatura si verifica una diminuzione della resistenza; i termistori PTC (Positive Temperature Coefficient), che hanno coefficiente positivo, per i quali l'aumento della temperatura determina l'aumento della resistenza. 10
Tale caratteristica è presente, però, solo in un determinato campo di temperature, all'esterno del quale il dispositivo torna a presentare un coefficiente di temperatura negativo. La caratteristica tipica di funzionamento dei due tipi è presentata in figura. 11
Sensori di temperatura lineari integrati La proprietà di alcuni dispositivi a semiconduttore di variare i propri parametri di funzionamento con la temperatura, ha consentito di realizzare sensori di temperatura integrati o IC sensor, che forniscono in uscita sia corrente sia tensione, in funzione della temperatura a cui sono posti. Si tratta di dispositivi che hanno una caratteristica di funzionamento lineare e buona sensibilità. Il componente LM135 della National Semiconductor è un sensore di temperatura integrato con uscita in tensione; il suo funzionamento è simile a quello di un diodo zener e fornisce un'uscita proporzionale alla temperatura assoluta attraverso un coefficiente che vale 10 mv/k. A una temperatura di 0 C l'uscita vale: Vout = 273,15*10 mv = 2,731 V Quando il dispositivo è calibrato in modo da fornire il corretto valore di tensione a una temperatura di 25 C, realizza un errore massimo di 1,5 C su un campo di funzionamento di 100 C. Il range di funzionamento è compreso tra - 55 C e + 150 C e necessita di una corrente di eccitazione che può variare tra 0,4 ma e 5 ma. La costante di tempo del dispositivo dipende dal tipo di contenitore in cui e posto il sensore e varia dalla frazione di secondo al minuto. II componente AD590 della Analog Devices è un sensore di temperatura integrala due terminali con uscita in corrente; il dispositivo presenta precisione e linearità migliori rispetto all'lm135. La corrente di uscita è proporzionale alla temperatura assoluta per mezzo di un fattore pari a 1 μa/k, indipendentemente dalla tensione presente ai suoi capi. A 0 C il dispositivo fornisce una corrente di 273,15 μa. Quando il dispositivo è calibrato in modo da fornire il corretto valore di corrente a 0 C, realizza un errore massimo di 0,3 C su un campo di funzionamento di 100 C. Il range di funzionamento è compreso tra -55 C e + 150 C e la tensione di alimentazione può 12
variare tra 4 V e 30 V. La costante di tempo del dispositivo posto in aria ferma (convezione naturale) è di circa un minuto e si riduce a 1,4 s nel caso di immersione in un bagno d'olio. I sensori integrati di temperatura sono dispositivi di semplice impiego presenti in un vasto campo di applicazioni; il limite maggiore è determinato dal ristretto campo di funzionamento e dal notevole valore del tempo di risposta, oltre che dalla fragilità meccanica, che non ne permette l'uso in ambienti con presenza di vibrazioni. Una delle applicazioni tipiche è la misura della temperatura ambiente per la compensazione del giunto freddo delle termocoppie. Confronto fra i diversi tipi di sensori Un quadro di riepilogo dei vantaggi e degli svantaggi presentati dai diversi tipi di sensori di temperatura è presentato nella tabella seguente: Sensore di Temperatura Termocoppia Termoresistenza(RTD) Termistore Sensori a circuito integrato Vantaggi Autogeneranti. Costruttivamente semplici. Robusti meccanicamente. Poco costosi., Prodotti in una grande, varietà di forme, Ampio campo di temperatura. Molto stabili nel tempo. Molto precisi. Più lineari delle termocoppie Elevati valori del segnale di uscita. Veloci. Molto lineari. Elevati valori del segnale di uscita. Poco costosi. Svantaggi Non lineali, Bassa tensione di uscita, Misura relativa a un riferimento, Poco stabili nel tempo, Poco sensibili. Costosi, Lenti. Necessitano di un generatore di corrente. Piccola variazione della resistenza.. Autoriscaldanti. Non lineari. Campo di temperature limitato Fragili. Necessitano di eccitazione in corrente. Autoriscaldanti. 0 T<250 C Richiedono alimentazione. Lenti. Autoriscaldanti. Piccolo numero di configurazioni possibili. 13