Sensori di temperatura

1. Sensori di temperatura Montechiesi Luca Renzelli Luigi

2. Misurazione della temperatura • Trasmissione di energia termica tra corpo e sensore • Conversione di grandezze fisiche (temperatura->grandezze elettriche) • Applicazioni: • Processi industriali (precisioni elevate e grandi variazioni di temperatura ) • Sicurezza ( Affidabilità e tutela degli utilizzatori) • Applicazioni civili ( Basso costo e lunga durata) • Applicazioni di R&S • Modalità di misurazione: • Conduzione • Convezione • Irraggiamento

3. Tipologie • Termistori • Pirometri • Termocoppie • Sensori integrati • Termoresistenze • Altri sensori… • 1

4. Termocoppie • Sfruttano proprietà termoelettriche derivanti dall’accoppiamento di due conduttori dissimili posti a differenti temperature • Effetto Seebeck • La tensione tra i due capi al giunto freddo è proporzionale alla differenza di temperatura fra le due giunzioni • E necessario mantenere la temperatura del giunto freddo ad un valore fissato • 2

5. Termocoppie • A -> esposto (risposta rapida, invecchiamento veloce, più usato) • B -> a massa (pressioni elevate) • C -> isolato (protetto da correnti parassite) • Accoppiamenti • Parallelo: fornisce il valore medio delle diverse temperature rilevate • Serie: amplifica segnale per piccole ∆T • 3

6. Termocoppie • Le termocoppie vanno scelte in base al valore di temperatura media da misurare • Pro: • Basso costo • Range esteso • Ampia scelta • Robustezza • Il coefficiente di Seebeck (o sensibilità) dipende dai materiali costruttivi e risulta essere funzione della temperatura • Contro: • Non linearità • Misure relative • Misure complesse • 4

7. Termoresistenza (RTD) • Sfruttano la proprietà dei metalli di variare la conducibilità elettrica al variare della temperatura • Equazione di Callendar e Van Dusen • A,B,C costanti proprie del materiale • Platino maggiormente utilizzato: • Elevata linearità tra 0° e 630° • Ottima accuratezza • 5

8. Termoresistenza • Necessita di un circuito ausiliario: Ponte di Wheatstone • Il sensore va inserito in un ramo del ponte • Si fa variare finché non si raggiunge l’equilibrio in tutto il circuito • Quando non scorre corrente nel circuito del galvanometro vale la relazione: • 6

9. Termoresistenza • Range di temperatura [-200 ,800] °C • Correnti limitate per evitare aumento di temperatura indesiderato che falserebbe la misurazione • Pro: • Robustezza • Linearità • Accuratezza • Stabilità • Contro: • Lentezza • Bassa sensibilità • Costo elevato • Collegamento 4 fili • 7

10. Termistori • Sfruttano la proprietà dei semiconduttori di variare la conducibilità elettrica e al variare della temperatura • Forma semplificata dell’equazione di Steinhart-Hart: • Due tipologie di termistori: • PTC (positive temperature coefficient) • NTC (negative temperature coefficient) • 8

11. Termistori • PTC vengono utilizzati per termoregolazione (caratteristica esponenziale per temperature appena superiori a Tr) • NTC vengono utilizzati per misurazioni di temperatura (caratteristica abbastanza lineare) • Pro: • Velocità • Sensibilità • Basso costo • Collegamento 2 fili • Contro: • Non linearità • Range limitato • Fragilità • 9

12. Confronto RTD- termistori • RTD • Precisione e stabilità della misurazione • Precisione lungo tutto l’intervallo • Misurazione su un’area • Alto livello di standardizzazione • Termistori • Alte risoluzioni su intervalli ristretti • Riduzione dei costi • Misurazione su un punto • Miniaturizzazione • Termocoppie • Misurazione di elevate temperature • Per applicazioni semplici • 10

13. Pirometri • Basati sulla trasmissione del calore per irraggiamento elettromagnetico regolata dalla legge di Planck. • Equazione di Planck • Legge di StefanBoltzmann • A causa delle lenti convogliatrici della radiazione sul sensore, il pirometro non funziona allo stesso modo per tutte le lunghezze d’onda (temperature) • 11

14. Pirometri • Vengono usati per temperature anche superiori ai 1450 °C • Sono molto utili nel controllo di processi dove sia essenziale l’assenza di contatto con il sistema oppure in processi industriali dove altri sensori avrebbero vita breve. • Pro: • Non invasività • Stabilità • Temperature elevate • Range esteso • Contro: • Non linearità • Alto costo • 12

15. Sensori integrati • Sfruttano la forte dipendenza dalla temperatura delle giunzioni a semiconduttore • Equazione di Shockley: • Eg, C costanti del materiale • Relazione lineare tra V e T una volta fissata la corrente I sul dispositivo • 13

16. Sensori integrati • E’ possibile applicare lo stesso principio anche nel caso dei transistor • Dall’equazione di Shockley: • Relazione diretta fra V e T • 14

17. Sensori integrati • Vi sono due principali categorie: • Sensori con uscita in corrente: una corrente d’uscita proporzionale alla temperatura assoluta in K. • Sensori con uscita in tensione: una tensione d’uscita proporzionale alla temperatura assoluta in K • Pro: • Accuratezza • Economicità • Linearità • Dimensioni ridotte • Contro: • Range limitato • Scelta limitata • 15

18. Sensori termografici • Sfruttano la proprietà di tutti i materiali che, a temperatura superiore allo zero assoluto, emettono una radiazione nel campo dell’infrarosso (lunghezza d’onda compresa tra 0,7 e 1000μm) • Legge di Stefan-Boltzmann • La rivelazione della temperatura avviene attraverso un rilevatore infrarosso • 16

19. Sensori termografici • L’analisi termografica può essere condotta in due diverse condizioni: • Attiva: il corpo viene riscaldato e si analizzano i flussi termici • Passiva: si analizza la superficie così com’è al momento dell’indagine (elementi esterni edifici) • Pro: • Stabilità • Non invasività • Accuratezza • Range esteso • Contro: • Elevato costo • 17

20. Lamine bimetalliche • Costituiti da due lamine bimetalliche con coefficienti di temperature diversi • Si può misurare le variazione di temperatura misurando la flessione • A causa della loro scarsa accuratezza vengono usati principalmente per il controllo on/off della temperatura • Contro: • Bassa accuratezza • Lentezza • Pro: • Basso costo • Manutenzione nulla • Stabilità • Range esteso • 18

21. Applicazioni

22. Esempio datasheet LM35

23. Esempio datasheet LM35

24. Esempio datasheet LM35

25. Conclusioni • In alcuni casi può essere necessario l’utilizzo di sensori che sfruttano differenti principi fisici (piezoelettrici, interferometri, acustici) in base a: • Condizioni ambientali (ambienti ostili, presenza di campi elettromagnetici, situazioni rischiose ecc…) • Particolari applicazioni (biomedicina, nucleare, criogenia ecc…) • Sviluppi futuri: • Minimizzazione delle dimensioni • Riduzione del rumore • Incremento dell’accuratezza • Robustezza • 23