Montechiesi Luca Renzelli Luigi. Trasmissione di energia termica tra corpo e sensore Conversione di...

Sensori di temperatura

Montechiesi LucaRenzelli 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

Misurazione della temperatura

Tipologie

Termistori Termocoppie Pirometri

Sensori integrati Termoresistenze

Altri sensori…

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Termocoppie

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Effetto Seebeck

Sfruttano proprietà termoelettriche derivanti dall’accoppiamento di due conduttori dissimili posti a differenti temperature

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

Termocoppie

A -> esposto (risposta rapida, invecchiamento veloce, più usato)

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B -> a massa (pressioni elevate) C -> isolato (protetto da correnti parassite)

Accoppiamenti

Serie: amplifica segnale per piccole ∆T

Parallelo: fornisce il valore medio delle diverse temperature rilevate

Termocoppie

Le termocoppie vanno scelte in base al valore di temperatura media da misurare

Il coefficiente di Seebeck (o sensibilità) dipende dai materiali costruttivi e risulta essere funzione della temperatura

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Pro: Basso costo Range esteso Ampia scelta Robustezza

Contro: Non linearità Misure relative Misure complesse

Termoresistenza (RTD) Sfruttano la proprietà dei metalli di variare

la conducibilità elettrica al variare della temperatura

Equazione di Callendar e Van Dusen

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A,B,C costanti proprie del materiale

Platino maggiormente utilizzato:

Elevata linearità tra 0° e 630°

Ottima accuratezza

Termoresistenza

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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:

Pro: Robustezza Linearità Accuratezza Stabilità

Contro: Lentezza Bassa sensibilità Costo elevato Collegamento 4 fili

Termoresistenza

Range di temperatura [-200 ,800] °C

Correnti limitate per evitare aumento di temperatura indesiderato che falserebbe la misurazione

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Termistori

Forma semplificata dell’equazione di Steinhart-Hart:

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Sfruttano la proprietà dei semiconduttori di variare la conducibilità elettrica e al variare della temperatura

Due tipologie di termistori:PTC (positive temperature coefficient)NTC (negative temperature

coefficient)

Termistori

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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: Velocità Sensibilità Basso costo Collegamento 2 fili

Contro: Non linearità Range limitato Fragilità

Confronto RTD - termistori

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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

Pirometri

Equazione di Planck

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Basati sulla trasmissione del calore per irraggiamento elettromagnetico regolata dalla legge di Planck.

A causa delle lenti convogliatrici della radiazione sul sensore, il pirometro non funziona allo stesso modo per tutte le lunghezze d’onda (temperature)

Legge di Stefan Boltzmann

4)( TTI

Pirometri

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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

Sensori integrati

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Sfruttano la forte dipendenza dalla temperatura delle giunzioni a semiconduttore

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TV

V

eII

Equazione di Shockley:

ICq

kT

q

EV g lnln

Relazione lineare tra V e T una volta fissata la corrente I sul dispositivo

Eg , C costanti del materiale

Sensori integrati

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E’ possibile applicare lo stesso principio anche nel caso dei transistor

TVV BE Dall’equazione di Shockley:

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1ln)21(C

CBE I

I

q

kTV

Relazione diretta fra V e T

Sensori integrati

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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

Sensori termografici

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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

𝑞=𝜀𝜎𝑇 4

Sensori termografici

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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

Contro: Elevato costo

Lamine bimetalliche

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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

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

Applicazioni

Esempio datasheet LM35

Esempio datasheet LM35

Esempio datasheet LM35

Conclusioni

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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