Trasduttori di temperatura
l Scala Internazionale di Temperatura
l Classificazione ed uso
l Termocoppie
l Termistori
l Termoresistenze
l Trasduttori ottici di temperatura
l Effetto di carico e precauzioni nel montaggio
Scala Internazionale di Temperatura
Mentre le altre quantità del SI sono
estensive, la temperatura è INTENSIVA
Questo rende difficile realizzare un campione di riferimento di temperatura…
A 25 °C
B 25 °C
C 25 °C
A 10kg
B 10kg
C 20kg
Scala Internazionale di Temperatura
Il SI definisce come grandezza primaria la temperatura termodinamica, definita da Lord Kelvin e basata su un ciclo di Carnot per un gas ideale tra due riferimenti
Nonostante un gas reale possa comportarsi come un gas ideale in un ristretto range di temperature, nessun gas ha il medesimo comportamento nell’intero intervallo di
temperature normalemente usato, quindi è definito un set di vari campioni pratici a diverse temperature.
zero assoluto 0 K = -273.15 °C
punto triplo dell'acqua
273.16 K = 0.01 °C
Scala Internazionale di Temperatura
Al momento lo standard valido è ITS-90, che è definito nei seguenti intervalli:
l Tra 0.65 K e 5.0 K: definito dalla relazione tra pressione di vapore e temperatura di 3He e 4He.
l Tra 3.0 K e 24.5561 K (punto triplo del neon): il riferimento è un termometro ad elio tarato con 3 temperature fisse.
l Tra 13.8033 K (punto triplo dell’idrogeno) e 1234.93 K
(punto di congelamento dell’argento): termoresistenza al platino (RTD) tarata con temperature fisse.
l Sopra I 1234.93 K : ITS-90 definisce un solo punto fisso (congelamento argento) e estende gli altri con la legge di Planck sulla radiazione.
Scala Internazionale di Temperatura
l In realtà ci sono piccole differenze tra la scala pratica di temperatura e la scala assoluta
termodinamica, ma l’incertezza data da queste differenze è normalmente trascurabile rispetto all’accuratezza complessiva del trasduttore.
l Data la scelta di un intervallo di riferimento
comune (0°C – 100°C) si assume un’equivalenza 1°C=1 K per motivi pratici
l Altre equivalenze son date da
T[K] =t [°C]+273.15=5/9T[°R]=5/9(t [°F]+459.69) kelvin=celsius=rankine=fahrenheit
Trasduttori di Temperatura
l Termometri ad espansione termica
basati sull’effetto di espansione termica
l Termocoppie
basati sull’effetto Seebek-Thomson
l Termometri resistivi
basati sulla relazione tra resistenza elettrica e temperatura
l Sistemi Ottici
basati sulla legge di Planck per la radiazione
l Rilevatori di altissime temperature basati sulle leggi cinetiche dei gas
Trasduttori di Temperatura
Termometri ad espansione
l A base liquida (solitamente alcool per misure metereologiche)
l A base gassosa (in genere usati in laboratorio metrologici per
tarare altri strumenti)
l Termometri bimetallici (usati
in ambito industriale se il processo è molto lento od in dispositivi di
sicurezza)
T -‐> x
Trasduttori di Temperatura
Termometri ad espansione
l Usati solo per misure molto lente a causa della sovrapposizione dell’inerzia termica e
meccanica.
l Difficoltosa e poco comune l’acquisizione
digitale di questi trasduttori: altri sistemi sono ora preferiti ovunque tranne che in metrologia
l La frazione di inserimento della sonda è
importante, quindi servono fattori di correzione per montaggi
non standard T1
Tamb
Trasduttori di Temperatura
Termocoppie
l Basati sugli effetti termoelettrici di Seebek e Thomson
l Economici, facili da usare, intercambiabili ed affidabili
l Seguono una codifica
standard per il fondoscala e la sensibilità
l È il più diffuso trasduttore di temperatura in ambito industriale
T -‐> V
Trasduttori di Temperatura
Termometri resistivi
l Basati sulla resistenza elettrica di elementi metallici (RTD o termoresistenze) o di
semiconduttori (termistori)
l Accurati e lineari solo in un piccolo intervallo di temperatura
l Richiedono un condizionamento e circuiti di misura appositi per funzionare correttamente
l Possono essere integrati in un circuito stampato
l Solitamente adottati per misure a basso costo o per compensazioni automatiche di temperatura
T -‐> R
Trasduttori di Temperatura
Sistemi ottici
l Basati sulla trasmissione termica per radiazione verso una cella
fotovoltaica od un altro trasduttore di temperatura (termopila)
l Molto sensibile alla variazione di forma e di colore dell’oggetto
della misurazione
l Misura senza contatto, utile in
ambienti pericolosi od ostili T -‐> V
Termocoppie (TC)
l
Trasduttori di temperatura molto semplici ottenuti saldando cavi metallici di materiale diverso
l
Entrano in gioco tre diversi effetti:
l
Seebek
l
Peltier
l
Thomson
Termocoppie (TC)
Seebek
l
In un circuito composto da due
diversi metalli A e B, se i giunti sono a temperature T1 e T2 diverse, si
manifesta una forza elettromotrice E, proporzionale a T2-T1
E -‐>
A B
T1 T2 Questo è il principio di
misura principale delle termocoppie
Termocoppie (TC)
Peltier
l
In un circuito composto da due metalli diversi A e B, se una corrente I viene applicata, avviene un trasferimento di termico proporzionale a I coerente
con l’effetto Seebek
I -‐>
A B
T1 T2
Questo è un effe#o di carico associato alle termocoppie, ma normalmente è trascurabile
Termocoppie (TC)
Thomson
l
In un conduttore con capi a diverse temperature ed una corrente elettrica applicata, del calore viene generator se il verso della corrente è verso il
giunto freddo, assorbito altrimenti
l
L’effetto è completamente reversibile
I ß
T1 T2 se T2>T1 allora genero calore
se T2<T1 allora assorbo calore
q
Termocoppie (TC)
Metalli usati
l
Alcune coppie di metalli sono
comunemente usate nell’industria per massimizzare la sensibilità e la
linearità nel loro campo di misura, seguendo uno standard
internazionale che definisce anche la
loro accuratezza di misura
Termocoppie (TC)
Tipo Metalli Campo di misura Incertezza
K Chromel - Allumel -180°C 1300°C 1.5°C
Ampio intervallo di temperautra, adatto per atmosfere inerti ed ossidanti
J Fe - Constantan -180°C 800°C 1.5°C
Poco adatto ad alte temperature, adatto per atmosfere riducenti ed inerti
N NiCrSi - NiSiMg -270°C 1300°C 1.5°C
Come K, ma più stabile ad alte temperature
R Pt 13% Rh - Pt -50°C 1700°C 1.0°C
Da non usare in condotte metalliche, solo per atmosfere ossidanti ed inerti
T Copper - Constantan -250°C 400°C 0.5°C
Adatto per basse temperature in atmosfere umide, ossidanti e riducenti
B Pt 30% Rh – Pt 6% Rh 0°C 1820°C 2.5°C
Da non usare in condotte metalliche, solo per atmosfere ossidanti ed inerti
E Chromel - Constantan -40°C 900°C 1.5°C
Alta sensibilità, solo per atmosfere ossidanti ed inerti
Termocoppie (TC)
Leggi delle Termocoppie
l
Un insieme di leggi empiriche
regolano gli effetti termoelettrici e
consnetono di usare le termocoppie in maniera affidabile e modulare
l
Queste leggi aiutano a applicare,
montare e sviluppare trasduttori di
temperatura basati su termocoppie
Termocoppie (TC)
La fem E generata da una TC non è influenzata da differenze di
temperatura nei conduttori, ma solo ai giunti con l’altro metallo.
temperatura nei conduttori, ma solo ai giunti con l’altro metallo.
E ß
A B
T1 T2
T3
Questo consente di misurare la tensione usando uno
strumento a temperatura diversa da T1 e T2
Termocoppie (TC)
II legge: materiale interposto II legge: materiale interposto
l
La fem E generata da una TC non è influenzata dall’introduzione di un
terzo conduttore a patto che
E E A
B
T1 T2
Questa legge consente di Questa legge consente di saldare la termocoppia al materiale da misurare e di introdurre prolungamen; del T3 T3
Termocoppie (TC)
III legge: materiali successivi
l
La fem E generata da una TC realizzata con materiali A e B è
uguale alla somma algebrica della
fem di una TC realizzata con A e C e di una realizzata con C e
E A
B
Questo consente una
cara<erizzazione rapida di termocoppie non standard basandosi sui metalli già no;
E1 A
E2 B
C C E=E1+E2
Termocoppie (TC)
IV legge: temperature successive
l
La fem E generata da una TC tra temperature T1 e T2 è uguale alla somma delle fem generate dalla
stessa TC tra T1 e T3 e tra T3 e T2
Questo rende possibile
compensare la temperatura ambiente e riferire le misure ad un riferimento fisso.
E A
T1 B T2 E1
A
T1 B T3
E2 A
T3 B T2
E=E1+E2
GIUNTO CALDO
ogge?o da misurare GIUNTO FREDDO
Bagno di acqua e ghiaccio
(punto di fusione del ghiaccio)
Termocoppie (TC)
Circuito di misura ideale
l
Il punto di riferimento è realmente ricreato in modo da ottenere una misura riferita a 0°C
E ß
A B
T1 T2
Voltmetro ad alta impedenza (per limitare gli effeQ PelSer, Thomson and Joule) E=f(T2-‐0°C)
ogge?o da misurare GIUNTO FREDDO
blocco isotermo
Termocoppie (TC)
Circuito di misura pratico
l Il GIUNTO FREDDO è a temperatura ambiente, ma un trasduttore secondario (di solito un termistore) è usato per valutarla, e compensarla usando la IV legge
E ß
A B
T1 T2
Voltmetro ad alta impedenza
E=f(T2-‐T1)+Ec
dato Ec=f(T1-‐0°C)
E=f(T2-‐0°C) Termistore
+ Ec -‐
Termocoppie (TC)
Connessioni pratiche
l Il terminale di una termocoppia (sonda) può essere costituito da fili collegati, saldati tra loro, or, più comunemente, saldati e protetti da un guscio ceramico o metallico
Bisogna fare una scelta tra la robustezza della sonda e la prontezza del trasdu<ore: più grande la capsula proteFva, più alta sarà infaF l’inerzia termica coinvolta (e quindi la costante di tempo del trasdu<ore)
Termocoppie (TC)
Termocoppie usate in combinazione
l Le termocoppie possono essere usate in combinazione, o in serie, (termopila) per aumentare la sensibilità, od in parallelo, per valutare la temperatura media di un ambiente.
termistori
l
I termistori sono semiconduttori, la cui resistenza elettrica dipende dalla temperatura secondo la legge:
Poichè il comportamento non è lineare sono usa; solo in piccoli range di temperatura, sfru<ando la loro dimensione rido<a ed alta sensibilità sono però spesso integra; in circui;
stampan;.
BASSA ACCURATEZZA ALTA SENSIBILITA’
CAMPO DI MISURA RIDOTTO
termistori
l
I termistori sono comunemente usati in circuiti stampati, in circuiti di
compensazione e per il monitoraggio di hardware termosensibile
l
Adatti per misure poco accurate eccetto il caso in cui il campo di misura sia molto ridotto (es.
temperatura ambiente)
Termoresistenze (RTD – Pt100)
l
Basati sulla dipendenza tra la
resistenza e la temperatura in metalli puri:
R=pL/A=p(T0)*(1+a(T-T0))L/A
l A differenza dei termistorihanno sensibilità molto bassa, ma una accuratezza maggiore,
ed un vasto campo di misura
Termoresistenze (RTD – Pt100)
l
Poichè il coefficiente di espansione del platino offre una buona linearità (0.5%) nel range -200°C - +150°C le RTD sono generalmente in platino e tarate tra 0°C e 100°C
l Poiché nel settore industriale le RTD con un valore di R(0°C)=100Ω son diventate uno
standard diffuso, queste termoresistenze sono spesso chiamate Pt100 (RTD al platino con
una resistenza nominale di 100Ω)
Termoresistenze (RTD – Pt100)
l
Poichè la resistenza dipende molto dalla deformazione è importante non sollecitare mai la sonda.
l
La differenza di resistenza è difficile da leggere senza un circuito opportuno,
quindi questi trasduttori richiedono un circuito di misura opportuno
l C’è un analogo con gli estensimetri poichè si
tratta dello stesso principio usato diversamente!
Termoresistenze (RTD – Pt100)
Circuiti usati comunemente:
l
Quarto di ponte (due fili)
l
Mezzo ponte (tre fili)
Entrambi basati sul ponte di Wheatstone
l
Voltamperometrico (quattro fili)
il più comune, anche se richiede alcuni
accorgimenti per letture corrette
VOLTAGE READING
11 22
33 44
II55
EE AA
B B
C C
DD
R E R
VAB R
2 1
1
= +
R E R
VAD R
4 3
3
= +
Ponte di Wheatstone: principio
(
R R)(
R R)
ER R R
V R
4 3
2 1
3 2 4
1
+ +
= −
Introducendo variazioni di resistenza ed assumendo piccole variazioni di forma e la stessa resistenza
nominale si ottiene:
0
4 3
2 1
4R
R R
R R
E
V Δ − Δ − Δ + Δ
i ≈
i R R
R = 0 + Δ
i
i R
R >> Δ
Segnali di rami opposti si sommano fra loro
R1+ΔR1
R4+ΔR4
V R2
R3
E
21
Ponte di Wheatstone: principio
0 4 1
4R R R
E
V Δ + Δ
≈
4 0
2 R R E
V Δ
≈
Se il segnale è lo stesso si ha:
R1+ΔR1
R4
V R2
R3+ΔR3
E
22
Segnali su rami adiacenti si sottraggono
Ponte di Wheatstone: principio
0 3 1
4R R R
E
V Δ − Δ
≈
≈ 0 E V
Se i segnali sono gli stessi si ha:
Termoresistenze (RTD – Pt100)
La variazione di resistenza è data da un solo braccio del ponte
l
La lunghezza dei cavi
influenza la misurazione
QUARTER BRIDGE Quarto di ponte
Collegamento a due fili
Termoresistenze (RTD – Pt100)
La resistenza dei cavi (alta se lunghi) è compensata usando un altro ramo del ponte sulla
resistenza.
HALF BRIDGE Mezzo ponte
Collegamento a tre file
Termoresistenze (RTD – Pt100)
La resistenza dei cavi è automaticamente
compensata e la misurazione è semplificata. Per evitare surriscaldamento si usa una corrente ad onda quadra.
collegamento
VoltAmperometrico
Collegamento
a qua?ro cavi
Trasduttori di Temperatura Ottici
Trasduttori di Temperatura Ottici
l Un sistema di lenti concentra la radiazione
termica su un trasduttore secondario. L’output del rilevatore (la temperatura T) dipende dalla radiazione termica or irradianza j* del
misurando secondo la legge di Stefan–
Boltzmann, la costante σ, e l’emissività ε dell’oggetto.
Trasduttori di Temperatura Ottici
Trasduttori di Temperatura Ottici
l Comunemente chiamati pirometri
l Misure non a contatto, adatti per ambienti ostili
l Ogni oggetto fisico da misurare richiede una
taratura apposita, poiché l’emissività dipende da
l Materiale
l Angolo di visione
l Rugosità
l Temperatura
Le len; e la materia presente nell’ambiente assorbono parte dell’energia e ne rifle<ono altra, quindi il posizionamento del pirometro richiede par;colari
precauzioni. In alcuni casi si possono usare fibre oFche per minimizzare l’incertezza legata al mezzo.
Dynamical properties
Dynamical Behaviour
l Almost all Trasduttori di Temperatura respond to a first order model approximation, since
most involve the probe or the whole sensor to be heated up to the target temperature, hence, the probe mass is the most relevant
indicator for determining the time constant
Effetto di carico e
precauzioni di montaggio
l
Effetto di carico dell’asta
l Spesso il montaggio del trasduttore richiede
anche sostenere meccanicamente la sonda nel misurando: l’asta di supporto può trasferire
calore tra l’interno e l’esterno del corpo.
Q
T(x)
x
Effetto di carico e
precauzioni di montaggio
l Effetto di carico a parete
l In caso di misura su fluido caldo la differenza di temperatura tra la sonda e la parete del corpo può innescare trasmissione per irraggiamento in grado di raffreddare il giunto e quindi diminuire la misura di temperarutra
q
Effetto di carico e
precauzioni di montaggio
l
Alta Convezione
l Nel caso di misure di fluidi caldi la costante di tempo può essere ridotta posizionando la sonda nella vena fluida più veloce: in questo caso è
importante dare al trasduttore una forma aerodinamica per evitare stagnazione (che
altererebbe la misura creando un cuscinetto di fluido)
Effetto di carico e
precauzioni di montaggio
l
Guscio – Massa
l Bisogna fare una scelta tra la robustezza della sonda e la prontezza del trasduttore: più grande la capsula protettiva, più alta sarà infatti l’inerzia termica coinvolta (e quindi la costante di tempo del trasduttore)
l Alcuni condizionatori per trasduttori di
temperatura sono connessi con la messa a terra della zona in cui si sta misurando: bisogna quindi accertarsi che siano sensibili a eventuali
cortocircuiti dovuti alla sonda in contatto metallico
