Il sistema ottico di lenti viene sostituito in modo completo dalla fibra ottica nel caso in cui l’oggetto del quale si voglia misurare la temperatura sia molto piccolo o non facilmente accessibile, oppure nel caso in cui le temperature in gioco siano talmente alte da poter danneggiare il pirometro stesso.
Il principio di funzionamento del pirometro a fibra ottica è rappresentato in Fig. A.9.
Fig. A.9 Schema di funzionamento della fibra ottica
L’estremità finale della fibra ottica è posta vicino all’oggetto emettitore e le radiazioni, venendo riflesse sulla superficie interna lucidata del corpo cilindro costituente la fibra stessa, giungono al sensore. Parte dell’energia trasmessa dal corpo viene persa a causa di componenti assorbite all’interno della fibra ottica, componenti riflesse in maniera non ideale e componenti non indirizzate al sensore all’ingresso e all’uscita della fibra.
L’efficienza dipende anche dalla lunghezza della fibra e dalla sua tipologia: solitamente sono costruite in zaffiro artificiale e quarzo, e possono essere a filamento rigido o trecce di fibre sottili di lunghezza supe-riore a 2 m.
A.3.3 -
Specchi
Per misure di basse temperature, per le quali non possono essere utilizzati sistemi a lenti, si possono adottare sensori a specchio. Sono costituiti da materiali metallici dotati di buona conduttività termica, un alto coefficiente di riflessione alle basse temperature e adeguati per lunghezze d’onda importanti. Sebbene lo specchio assorba radiazioni infrarosse in modo meno significativo delle lenti, tale vantaggio è parzialmente ridotto dal necessario impiego di finestre di protezione.
Appendice A
I metalli utilizzati per gli specchi sono principalmente oro lucidato, argento o alluminio ad alto coeffi-ciente di riflessione. Mentre l’oro ha buone proprietà di resistenza agli agenti atmosferici e chimici, gli altri metalli hanno bisogno di una copertura di rivestimento trasparente agli infrarossi (film protettivo). In Fig. A.10 sono riportati i coefficienti monocromatici emisferici di riflessione (ρλ) di diversi materiali metallici in funzione delle lunghezze d’onda della radiazione incidente, come riportato da Harrison (1960). I pirometri che poggiano su questa tecnologia sono raramente impiegati, se non per casi ecce-zionali.
Fig. A.10 Coefficienti monocromatici emisferici di riflessione per diversi materiali metallici in funzione delle lun-ghezze d’onda della radiazione incidente
A.3.4 -
Sensori
Nei pirometri automatici a radiazione totale viene impiegato un sensore a radiazioni termiche. Nei piro-metri automatici fotoelettrici a due lunghezze d’onda e a lunghezza d’onda multipla, vengono utilizzati dei sensori fotoelettrici.
Verranno ora analizzati questi due tipi di sensori e verranno citate le tipologie più importanti per cia-scuna categoria.
Sensori termici
Il sensore a radiazione termica viene riscaldato dalla radiazione incidente. Le proprietà che devono avere questi sensori sono le seguenti:
- Elevata sensibilità, intesa come il rapporto tra il segnale di uscita e la totale potenza radiativa incidente;
- Stabilità delle proprietà nel tempo;
- Elevata resistenza a vibrazioni e shock termici; - Bassa inerzia termica;
- Segnali di output indipendenti dalla posizione del pirometro; - Elevato rapporto tra segnale in uscita e fattore di disturbo; - Alta emissività;
- Sensibilità indipendente dalla lunghezza d’onda.
Dei sensori termici citeremo le termopile, la termopila a filo e le termopile a film. TERMOPILE
129 Si configura come il più comune tra i sensori termoelettrici e possiede tutte le proprietà precedente-mente elencate. Inoltre risulta anche garantire una elevata facilità di misurazione e di semplicità di tra-sformazione del segnale di output.
Si compone di molteplici termocoppie connesse in giunzioni esposte alla radiazione incidente emessa dal componente del quale si vuole conoscere la temperatura.
Le connessioni di riferimento del sensore sono prese dalla medesima temperatura dell’involucro del pi-rometro.
Una buona soluzione del problema è ad esempio inserire la termopila in un bulbo di vetro sotto vuoto (Linewig, 1975): ciò incrementerebbe la sensibilità del sensore ed annullerebbe lo scambio termico con-vettivo, rendendo così il segnale di output completamente indipendente dalla posizione del sensore stesso.
TERMOPILE A FILO
La termopila a filo è costituita da un sottile filamento (termocoppia) di diametro che va da 0,1 a 0,15 mm.
La termopila a nastro è invece una termocoppia costituita da una bandella di dimensioni di 0,025 mm di spessore e 0,5 mm di larghezza.
Queste termocoppie vengono saldate o brasate a dei piatti anneriti che fungono da ricevitori di radia-zioni.
TERMOPILE A FILM
Un film sottile dotato di una bassa inerzia termica e di una costante di tempo inferiore a 15 ms viene depositato su di una superficie non metallica..
Le termopile a forcina, invece, sono simili alle termopile a film ma sono dotate di sezioni maggiori, così da evitare cedimenti per frattura fragile. Sono realizzate in Tellurio-Bismuto con una sensibilità elevata pari a 600 μm/K. L’incremento della sezione è reso possibile grazie alla bassa conduttività termica di entrambi i metalli impiegati.
Sensori fotoelettrici
Di questa categoria di sensori fanno parte i fotoconduttori, i fotodiodi, le celle fotovoltaiche e le fotocelle. FOTOCONDUTTORI
Sono costituiti da piatti in vetro rivestititi da un film sottile di materiale. Il rivestimento solitamente viene fatto con i seguenti materiali: PbS, CdS, PbSe, PbTe.
Quando la radiazione incidente ha la stessa lunghezza d’onda del materiale capace di assorbirla, i fotoni catturati liberano fotoelettroni in grado ora di formare una corrente elettrica.
La resistenza elettrica di un fotoconduttore decresce con l’aumentare dell’intensità della radiazione e dipende anche dalla propria temperatura: questo rende necessario un attento studio in fase di realizza-zione del pirometro.
Se non irradiato il fotoconduttore ha resistenza di 104 – 108 Ω. Dato che la sensibilità di un fotocondut-tore dipende dalla lunghezza d’onda radiante, è necessario introdurre il concetto di banda di lunghezze d’onda operativa. Finché la sensibilità e la risposta in frequenza dei fotoconduttori non subiscono variazioni con la temperatura ambiente e nel tempo, essi sono applicabili in molte situazioni, come ad esempio nel caso dei rivelatori di azzeramento. Questo è possibile attraverso il confronto istantaneo di due intensità radianti, che giungono in modo alterno sulla superficie del sensore. La superficie dei fotoconduttori va protetta dagli agenti atmosferici attraverso coperture a base di vernici o materiali quali il polistirolo.
FOTODIODI
I fotodiodi sono realizzati in germanio o silicio e operano alla tensione di polarizzazione inversa. La loro conduttività termica, come la corrente di saturazione inversa, sotto l’azione di una radiazione incidente è proporzionale all’intensità della radiazione stessa e alla risposta in frequenza. Quest’ultima va da 0,4 a 1,7 μm per il Ge e da 0,6 a 1,1 μm per il Si.
L’elevata sensibilità dei fotodiodi permette la realizzazione di pirometri con una rapporto di distanza l/d elevato.
Appendice A
Per compensare la corrente nera, che non si manifesta in presenza di luce ma in presenza di una forza elettromotrice, viene utilizzato un secondo diodo schermato dalle radiazioni.
CELLE FOTOVOLTAICHE
Le celle fotovoltaiche generano una tensione in funzione della radiazione incidente.
Sono costituite da sottili strati di materiale semiconduttore depositato su piastre metalliche. La tensione generata è funzione logaritmica dell’intensità della radiazione incidente.
Le celle fotovoltaiche presentano un segnale in uscita tale che non sia richiesto un’ulteriore amplifica-zione a posteriori, con la possibilità dunque di non impiegare una tensione esterna, altrimenti necessa-ria. Tuttavia, a causa della limitata sensibilità nel campo dell’infrarosso, possono essere impiegate solo nella misura di temperature elevate.
Sono impiegati materiali quali il silicio (Si), selenio (Se), antimoniuro di indio ( InSb) e arseniuro di indio ( InAs).
FOTOCELLE IN VUOTO
Le fotocelle in vuoto operano secondo il principio seguente: la radiazione infrarossa incidente induce emissione di elettroni nel fotocatodo metallico, posto in un bulbo sotto vuoto assieme al corrispettivo anodo. Per una data tensione tra anodo e catodo, la corrente elettrica è funzione dell’intensità della radiazione. In regime di bassa pressione o presenza di gas neutro, la fotocella presenta elevata sensibilità a basse tensioni di esercizio. Sebbene il vuoto garantisca sensibilità inferiori, per contro risultano più stabili, lineari e più rapidi nella risposta. La banda di risposta in frequenza è inferiore a 2 μm.
FOTOMOLTIPLICATORI
Sono simili alle fotocelle ma non sono frequentemente impiegati perché presentano notevoli dimensioni ed un elevato costo. Fotocelle e fotomoltiplicatori sono comunemente influenzati dalla temperatura ambiente: è necessario dunque impiegare un circuito di compensazione, salvo avere certezze sulla raggiunta stazionarietà delle condizioni ambientali.