Transcript Sensori di temperatura

Montechiesi Luca
Renzelli Luigi

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


Termocoppie
Sensori integrati

Termistori

Pirometri

Termoresistenze

1
Altri sensori…



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

2
E necessario mantenere la
temperatura del giunto freddo ad
un valore fissato




A -> esposto (risposta rapida, invecchiamento veloce, più usato)
B -> a massa (pressioni elevate)
C -> isolato (protetto da correnti parassite)
Accoppiamenti

3
Serie: amplifica segnale per
piccole ∆T

Parallelo: fornisce il valore medio
delle diverse temperature rilevate


Le termocoppie vanno
scelte in base al valore
di temperatura media
da misurare
Pro:


Il coefficiente di Seebeck (o
sensibilità) dipende dai materiali
costruttivi e risulta essere funzione
della temperatura
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



Basso costo
Range esteso
Ampia scelta
Robustezza
Contro:
 Non linearità
 Misure relative
 Misure complesse


Sfruttano la proprietà dei metalli di variare la
conducibilità elettrica al variare della
temperatura
Equazione di Callendar e Van Dusen


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Platino maggiormente
utilizzato:

Elevata linearità tra 0° e 630°

Ottima accuratezza
A,B,C
costanti
proprie del
materiale

Necessita di un circuito ausiliario: Ponte di Wheatstone

Il sensore va inserito in un ramo del ponte


Si fa variare 𝑅2 finché non si raggiunge
l’equilibrio in tutto il circuito
Quando non scorre corrente nel circuito del galvanometro vale la
relazione:
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

Range di temperatura [-200 ,800] °C
Correnti limitate per evitare aumento di
temperatura indesiderato che falserebbe
la misurazione

Pro:




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Robustezza
Linearità
Accuratezza
Stabilità

Contro:
 Lentezza
 Bassa sensibilità
 Costo elevato
 Collegamento 4 fili



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)
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

PTC vengono utilizzati per termoregolazione (caratteristica
esponenziale per temperature appena superiori a Tr)
NTC vengono utilizzati per misurazioni di temperatura
(caratteristica abbastanza lineare)
Pro:






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Velocità
Sensibilità
Basso costo
Collegamento 2 fili
Contro:
 Non linearità
 Range limitato
 Fragilità


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

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Termocoppie
 Misurazione di elevate temperature
 Per applicazioni semplici

Basati sulla trasmissione del calore per
irraggiamento elettromagnetico regolata dalla
legge di Planck.

Equazione di Planck

Legge di Stefan Boltzmann
I (T )  T

11
4
A causa delle lenti convogliatrici della
radiazione sul sensore, il pirometro non
funziona allo stesso modo per tutte le
lunghezze d’onda (temperature)


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:





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Non invasività
Stabilità
Temperature elevate
Range esteso
Contro:
 Non linearità
 Alto costo


Sfruttano la forte dipendenza dalla temperatura
delle giunzioni a semiconduttore
Equazione di Shockley:
I  I 0e

V

 VT



1
Eg , C costanti del materiale

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Relazione lineare tra V e T
una volta fissata la
corrente I sul dispositivo
Eg
kT
ln C  ln I 
V

q
q

E’ possibile applicare lo stesso
principio anche nel caso dei transistor
V  VBE  T

Dall’equazione di Shockley:
VBE (12)

14
kT I C1

ln
q
I C2
Relazione diretta fra V e T

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


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
Contro:
 Range limitato
 Scelta limitata


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
𝑞 = 𝜀𝜎𝑇 4

La rivelazione della temperatura avviene
attraverso un rilevatore infrarosso
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
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


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
Contro:
 Elevato costo




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
Pro:


Basso costo
Manutenzione nulla
Stabilità

Range esteso


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Contro:
 Bassa accuratezza
 Lentezza
Sensori
Misure
Termocoppie
Forni ad induzione, forni per uso alimentare, applicazioni
industriali
RTD
Processi fotochimici, monitoraggio temperatura sostanze
alimentari
Termistori
Sistemi di riscaldamento, elettronica industriale e di consumo,
telecomunicazioni
Pirometri
Vetro/quarzo fondente, acciaierie, applicazioni ad alte
temperature
Sensori integrati
Celle frigorifere, compensazione di temperatura in dispositivi di
qualità
Termografi
Verifica dell'isolamento, verifica delle impermeabilizzazioni,
analisi del degrado dovuto ad umidità, ricerca di cause di
infiltrazioni idriche, ricerca di elementi costruttivi nascosti
Lamine bimetalliche
Antincendio, protezione sovraccarichi, applicazioni di sicurezza


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
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