Facoltà di Ingegneria Lezioni del Corso di Fondamenti di Metrologia Meccanica 15. Taratura dei Sensori di Temperatura
Taratura Insieme delle operazioni necessarie alla determinazione della curva di taratura, e cioè del legame funzionale esistente sotto specificate condizioni tra l ingresso e l'uscita del sensore. La curva di taratura é rappresentabile graficamente, analiticamente o in modo tabellare. Y Più in generale si parla anche di diagramma di taratura, riferendosi all'intera fascia di valori possibili (fascia di incertezza) a cavallo della curva di taratura (luogo dei valor medi). Y i + u i Y i Y i - u i I i curva di taratura I 2
Nel caso specifico della grandezza temperatura per effettuare la taratura é necessario portare il sensore da tarare ad un assegnato valore di temperatura, definito tramite un campione riferibile alla Scala Internazionale di Temperatura (ITS-90), e successivamente misurarne il valore di uscita. In generale occorre effettuare l operazione in più punti sperimentali scelti in base al tipo di sensore ed al tipo di taratura. Esistono infatti due diversi metodi di taratura dei sensori di temperatura: il metodo ai punti fissi ed il metodo per confronto, ciascuno dei quali necessita di particolari apparecchiature e strumenti di taratura. CAMPIONE PRIMARIO IMGC / ITS-90 SECONDARI IMGC CAMPIONI DI I LINEA CAMP IONI E STRUMENT I CAMPIONI DI II LINEA STRUMENT I CAMP IONI E STRUMENT I STRUMENT I STRUMENT I 3
Metodo di taratura ai punti fissi Un punto fisso in temperatura è di norma un particolare stato termodinamico di una sostanza pura in cui coesistono più fasi e nel quale gli scambi termici, dovuti alla non perfetta adiabaticità dei sistemi reali, vengono compensati dai termini di accumulo dovuti al calore latente di evaporazione o solidificazione, realizzando cosi un ambiente isotermo ad un valore di temperatura noto. Il metodo di taratura ai punti fissi consiste nel realizzare in laboratorio i punti fissi necessari all'interpolazione delle relazioni di funzionamento degli strumenti di misura nell'intervallo di temperatura di interesse. 4
L'ITS-90 stabilisce un ben determinato numero di punti fissi, scelti sulla base, sia di fattori metrologici, che di considerazioni di carattere economico; punti suddivisi in primari e secondari a seconda del loro grado di riproducibilità. Il valore assegnato a questi punti è noto: per definizione per quanto concerne il punto triplo dell'acqua per gli altri punti i valori vengono assegnati dall'its-90 mediante misure di elevata precisione con termometri termodinamici ed aggiornato di volta in volta nella Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure. 5
Si possono distinguere: punto di solidificazione: stato di coesistenza delle fasi solida e liquida di una sostanza pura (generalmente un metallo) alla pressione atmosferica (101325 Pa) punto di ebollizione: stato di coesistenza tra le fasi liquida e gassosa di una sostanza pura (generalmente un gas bassobollente o l'acqua) ad una assegnata pressione, scelta, salvo diversa specifica, coincidente con la pressione atmosferica punto triplo: stato di coesistenza delle tre fasi, solida liquida e gassosa di una sostanza pura (per l acqua corrisponde a 0.01 C a pressione atmosferica) La realizzazione pratica dei punti fissi si effettua mediante contenitori adiabatici ed ermetici, detti celle, diverse a seconda del tipo di punto fisso e della sostanza utilizzata. Particolare attenzione deve essere inoltre prestata affinché la sostanza termometrica non venga a contatto con il sensore in taratura, contaminandolo. 6
Metodo di taratura per confronto Il metodo di taratura per confronto consente, a differenza di quello ai punti fissi, di costruire la caratteristica reale dello strumento per punti. La taratura consiste infatti nell'associare ad una serie di misure effettuate con lo strumento campione, una serie effettuata con il trasduttore in prova. Cosa possibile dal momento che entrambi gli strumenti vengono mantenuti virtualmente alla stessa temperatura. Il sistema di taratura consiste quindi di: un ambiente termostatato a temperatura regolabile di elevata stabilità ed uniformità uno strumento di misura campione un sistema di lettura 7
L'ambiente termostatato, differente a seconda dei campi di temperatura, viene di volta in volta denominato: criostato bagno termostatico a liquido o a miscela di sali fusi forno a letto fluidizzato fornetto a blocco metallico equalizzatore 8
Bagno termostatato E costituito da un bagno di fluido mantenuto ad una determinata temperatura mediante un sistema di riscaldamento o raffreddamento. L'uniformità del bagno è garantita da appositi fluidi di scambio, caratterizzati da una elevata diffusività e mantenuti continuamente in agitazione tramite appositi mescolatori. Fluidi termostatici: acqua deionizzata (t < temperatura di ebollizione) oli sintetici non conduttivi (t < temperatura di flash, temperatura alla quale i vapori del fluido, miscelati con le giuste proporzioni di aria, si infiammano a contatto diretto e intimo con una fiamma libera 260 C) miscele di sali fusi o metalli a basso punto di fusione (ad es. lo stagno), per elevate temperature (fino a 500-600 C) soluzioni di acqua e liquidi anticongelanti (fino a -30 C) sostanze con bassa temperatura di solidificazione: alcool denaturato (fino a -70 C), metanolo (fino a -100 C), pentano o isopentano (fino a - 160 C) Il fluido deve inoltre soddisfare in tutto l'intervallo di funzionamento del bagno altre proprietà quali quella di essere un isolante elettrico e di mantenere nel campo d uso queste proprietà inalterate. 9
Bagno termostatato 10
Sistema di lettura Il sistema di lettura é l'elemento finale del sistema di taratura. Esso provvede alla trasduzione finale della grandezza di uscita del sensore in una grandezza numerica. E' possibile suddividere questi strumenti in due grosse categorie: strumenti di lettura analogici strumenti di lettura digitali I primi sono praticamente gli strumenti tradizionali che provvedono a seconda dei casi nella misura della grandezza trasdotta dai sensori. Essi sono, nel caso di termoresistenze, dei ponti di precisione in c.c. o in c.a. con incertezze inferiori a poche decine di ppm, oppure, nel caso delle termocoppie, dei potenziometri con incertezze tipiche sino a 0,1 µv. Gli strumenti di lettura digitali meglio conosciuti come sistemi di acquisizione dati forniscono in uscita direttamente la grandezza misurata espressa in codice binario. Per questo motivo essi risultano più flessibili dei sistemi analogici in quanto possono essere direttamente collegati ad un sistema elaborativo. 11
Analisi delle incertezze di taratura L'incertezza di taratura, nel caso del metodo ai punti fissi, dipende fondamentalmente dalla riproducibilità dei punti fissi (che nei dispositivi commerciali risulta circa pari a 0,05 C). Nel metodo per confronto, l'incertezza dipende essenzialmente dalla capacità del sistema di taratura di portare e mantenere entrambi gli strumenti (il campione ed il termometro) alla stessa temperatura, oltre che dalla incertezza sulla grandezza di riferimento (campione di misura) e dall'incertezza del sistema di lettura. In ogni modo, pur essendo le incertezze totali di taratura superiori a quelle del metodo ai punti fissi, esse soddisfano la gran parte delle richieste e in molti casi raggiungono i limiti intrinseci dei trasduttori in esame. Per realizzare la condizione di isotermia nello spazio in cui sono sistemati gli elementi sensibili e nel tempo necessario alle operazioni di misura é necessario che il bagno soddisfi le su citate condizioni di uniformità e stabilità. 12
Per migliorare l'uniformità del bagno è necessario prevedere, non solo pareti isolanti in modo da ridurre i gradienti termici, ma utilizzare appropriati fluidi con una elevata diffusività, e mantenuti in moto all'interno del bagno in modo da massimizzare gli scambi termici interni. E' necessario inoltre tenere in debito conto l'effetto aletta che lo stesso sensore provoca; inconveniente che può essere minimizzato mantenendo una adeguata profondità di immersione. In linea di principio risulta conveniente mantenere nelle operazioni di taratura la stessa profondità di immersione che il sensore deve avere nelle condizioni di impiego, ma specie per i sensori elettrici di elevato diametro é buona norma posizionare il sensore in modo che non risenta della temperatura ambiente. Nel campo -100-260 C è possibile comunque limitare questa incertezza sistematica posizionando i sensori ad una profondità di circa 20-30 volte il diametro esterno della guaina e verificando la misura ripetendola ad una profondità di immersione superiore. Eventuali differenze di temperatura tra sensore ed ambiente di misura possono essere imputabili, oltre che alle disuniformità del bagno, alle perturbazioni derivanti dallo stesso sensore; ad esempio nel caso delle termoresistenze e nei termistori può essere rilevante il fenomeno di autoriscaldamento. 13
Stabilità E fondamentalmente delegata al sistema di regolazione e quindi alla sensibilità e alla prontezza del sensore e dell'intera catena di regolazione. Per ciascun punto sperimentale é opportuno effettuare un minimo di 5 letture calcolando poi direttamente il valore medio. E possibile migliorare la stabilità mantenendo una predeterminata sequenza nelle serie di misura. Per esempio misurare la temperatura mediante lo standard di riferimento all'inizio e alla fine di una serie di acquisizione sul sensore sotto test e cioè: campione, termometro in prova,..., termometro in prova, campione oppure in sequenza alternata: campione, termometro in prova, campione, termometro in prova,... 14
Incertezza sulla grandezza di riferimento E caratteristica del campione utilizzato ed é deducibile dal certificato di taratura del campione stesso, oltre che da possibili contributi dovuti alla deriva a lungo termine. Ulteriori incertezze possono derivare dalla misura della grandezza trasdotta dal campione di misura (resistenza, fem, dilatazione termica), dalle grandezze di influenza (umidità, pressione atmosferica, livelli di disturbo meccanici e magnetici). Bisogna considerare che il metodo di interpolazione inevitabilmente porta con se una incertezza tanto maggiore quanto più piccolo é il numero dei punti di taratura utilizzati. Una stima di questa può essere ad esempio fatta a partire dal calcolo dei residui. Sensori 15
la curva caratteristica (f.e.m.-temperatura) di una termocoppia (Fig.VII.3) è di solito espressa, per sensori industriali, da polinomi di grado ennesimo del tipo: E = At + Bt 2 + Ct 3 + Dt 4 +... dove i coefficienti A,B,C,D sono caratteristici della coppia di metalli e del campo di temperatura. I coefficienti delle curve caratteristiche nominali sono definiti per le termocoppie normalizzate dalla UNI 7938