ESERCITAZIONIDILABORATORIOPERILCORSODI

BIOSENSORIA.A.2017/2018

Esercitazione4– SensoridiTemperatura

AndreaSpanu,PhDFondazioneBrunoKessler

UniversitàdiCagliari

GiorgioCarliniUniversitàdiGenova

• Ilmonitoraggiodellatemperaturaèessenzialeintutteleapplicazioni“bio”.Peresempio,tutteleproteinehannounrange ottimalediTall’internodelqualelaloroattivitàèmassimizzata.

• Nelcasospecificodiunenzima,la temperatura puòinfluenzarnel’attivitàinduemodi:

• Rallentamentodellavelocitàdellareazione• denaturazionedell’enzima

• Temperaturaevelocitàdireazionesonocorrelatedall’equazionediArrhenius:

k=Ae(- Ea/RT)

• Dovekèlacostantespecificadivelocitàdireazione;Aèunacostantecaratteristicadellareazione;Ea èl’energiadiattivazione;R èlacostanteuniversaledeigaseTèlatemperaturaassoluta.

Monitoraggiodellatemperaturainapplicazionibiomediche

Monitoraggiodellatemperaturainapplicazionibiomediche

• Nelcasospecificodelleapplicazionicellulari,latemperaturaèfortementecorrelataall’attivitàmetabolicadellecellulestesse.

• Nelcasodicelluleelettroattive,latemperaturaagisceanchenellamodulazionedell’attivitàelettrica(edelettro-meccanica).

35°Cà 40°C

40 °C à 35 °C

Attivitàelettricadiunacolturadicellulecardiache

Intuttegliesperimentifarmacologicilatemperaturadeveesseremantenutacostante!

Tipidisensoriditemperatura

• Termocoppia:ècostituitadadueconduttoridimaterialenotochesiunisconoinunpuntoinprossimitàdelqualevieneeffettualamisuraditemperatura.Glialtridueestremisonocollegatiadunvoltmetro

• Letermocoppiesfruttanol’effettoSeebeck• Nonlineari• Necessitanodicompensazioneditemperatura• Accuratezzanonelevata

Tipidisensoriditemperatura

• Resistance TemperatureDetector(RTD):misuranolatemperaturamettendoincorrelazionelaresistenzadiunmateriale(tipicamenteunaspiradiPlatinoavvoltaaduncoreceramicoodivetro).

• Rispostalinearesuunampiorange ditemperatura• Altissimaaccuratezzamaaltocosto• Range difunzionamento:-200/600°C

Tipidisensoriditemperatura• Sensoribasatisudispositiviasemiconduttore:sonoingenerecostituitidacircuiticontenentidiodi(iqualihannounacaratteristicaI/Vdipendentedallatemperatura)

• Rispostalineare• Economici• Range difunzionamento:-50/150°C

Tipidisensoriditemperatura• Thermistor:unresistoresensibileallatemperaturacaratterizzatodaunsostanziale(epredicibile)cambiamentodiresistenzadipendentedallatemperatura.

• Materiali:particolarimaterialisemiconduttori• Range difunzionamento:-50/250°C• Nonlineariintuttoilrange difunzionamento

• NTC:NegativeTemperatureCoefficient• Laresistenza(RNTC)diminuisceconlaT

TermistoriNTC– basiteoriche

• Equazione deltermistore

𝑅"#$ 𝑇 = 𝑅"#$ 𝑇' 𝑒) *#+

*#,

𝛽#*/#/ =𝑇*×𝑇/𝑇* + 𝑇/

×𝑙𝑛𝑅*𝑅/

• T1èlatemperaturainizialeinKelvin• T2èlatemperaturafinaleinKelvin• R1èlaresistenzadeltermistoreallatemperaturaT1• R2èlaresistenzadeltermistoreallatemperaturaT2

PossibilecircuitocontermistoreNTC:IlpontediWheatstone

𝑅*𝑅/

=𝑅4𝑅5

= 1

𝑉89# = 𝑉$ − 𝑉; = 0

𝑅/𝑅* + 𝑅/

=𝑅5

𝑅4 + 𝑅5

Bisognabilanciareiduepartitori

𝑅5 =𝑅/𝑅4𝑅*

Ognipiccolavarizione diRx,sbilanciailcircuitoepuòvenirelettocomeunavariazionecorrentechescorrenelcircuito.

𝑅5 =𝑅/𝑅4𝑅*

PossibilecircuitocontermistoreNTC:IlpontediWheatstone

Esercitazione4

L’obiegvodiquestaesercitazioneècaratterizzareilcomportamentodiun

termistoreNTC(componente2322-6223diBCcomponents).Inparticolare

vogliamo:

-ricavareunacurvaditaratura

-calcolareilparametroβdeltermistore

Esercitazione4– Schedadicaratterizzazione

Iltermistoreègiamontatosuunaschedachecontienetrecircuiti:• Uncircuitodiamplificazionedel

segnalediuscitadiunsensorecommercialeditemperatura(chechiameremotermometro)

• Uncircuitolacuiuscitaèproporzionaleallaresistenzadeltermistore

• Uncircuitoperriscaldarelazonaincuisonoposizionatiiltermistoreeiltermometro

Esercitazione4- CircuitotermometroRicaveremolacurvaditaraturadeltermistoreperconfrontoconunsensoreditemperaturacheassumiamogiàtaratoecalibrato(componenteLM35diNationalSemiconductor)chefornisceunatensioneinuscitadirettamenteproporzionaleallatemperaturaconuncoefficientediproporzionalitaparia10mV/°C.

DatocheilGAINdelcircuitoè10,laVTEMPhauncoefficientediproporzionalitàdi100mV/°C

Esercitazione4- Circuitotermistore

2322-6223Bc componentsà TermistoreNTC

L’uscitaVTERM delcircuitodeltermistoreèinrelazioneconlaresistenzadeltermistoreRNTC tramiteilseguentecoefficientediproporzionalità:

5000Ohm/V

RNTC

Esercitazione4– Funzionamentodellascheda• Laschedaèalimentataconun’alimentazioneduale+/-12V

• L’ingressoVindeterminailriscaldamentodidueresistenzeposteinprossimitàdeltermometroedeltermistor.

• IvaloridiVincheuseremosaranno0V,1V,2V,3V,4V

• L’uscitaVtemp èdirettamenteproporzionaleallatemperatura(èl’uscitadelcircuito“termometro”).QuestauscitahalaseguenterelazioneV-Temp:100mV/°C

• L’uscitaVterm èinvecel’uscitadelcircuitotermistore.Inquestocasoabbiamoilseguentecoefficientediproporzionalitàchelegalaresistenzadeltermistoreallatemperatura:5000Ohm/V

a) Scaldareatemperaturenote:

a) ImpostarelaVin(primavolta:Vin=0V)

b) Lasciarstabilizzareper2min

b) Convertireletensioniapplicateintemperatura

a) Connetterel’uscitadeltermometroVtemp almultimetrousandoilcavoBNC-

coccodrilli.

b) Connetterel’uscitadeltermometroVtemp all’oscilloscopioconilcavoBNC-BNC

(coassiale).

c) MisurareilvaloreVtemp usandoicursori.

Esercitazione3.1[1/2]

a) PerognivalorediVinfarelastessacosafattainprecedenzama

utilizzandol’uscitadeltermistore

a) Connetterel’uscitadeltermistoreVterm almultimetrousandoilcavoBNC-

coccodrilli.

b) Connetterel’uscitadeltermistoreVterm all’oscilloscopioconilcavoBNC-BNC

(coassiale).

c) MisurareilvalorediVterm usandoicursori.

d) RicavareirelativivaloridiRNTC conl’opportunarelazione

b) PassarealvaloresuccessivodiVinetornarealprimopassodellaparte

[1/3]

Esercitazione3.1[2/2]

a) ConvertireivalorimisuratidiVtemp intemperaturautilizzandol’opportuna

relazione.

b) ConvertireivalorimisuratidiVterm inresistenzautilizzandol’opportuna

relazione.LaresistenzacalcolatasaràlanostraRNTC.

c) Fareilgrafico(amano)dellacaratteristicadeltermistore(dunqueRNTC VsT).

d) CalcolareBdallaformula𝛽/=/>= =#?×#@#?A#@

×𝑙𝑛 B?B@.Utilizzareduetemperaturenel

range 25-85°C

RICORDARECHENELLAPRECEDENTEFORMULALETEMPERATURESONOINKELVIN

Esercitazione3.2

ALIMENTATORE[1/2]

o L’alimentatoregenerapotenzacontinuapericircuitielettronici.

o Glialimentatoriperlaboratoriosonostabilizzati,ossiagarantisconolastabilità

neltempo dellatensioneerogataindipendentementedalcarico,cioèdella

resistenzadelcircuitoacuièimposta.

o E’semprepossibileimporrelatensione,mamoltialimentatoriconsentonodi

sceglieresecontrollarelatensioneolacorrente.Inquestosecondocasosaràla

correnteaesserestabilizzataecostantealvariaredelcarico.

ALIMENTATORE[2/2]

+V 0 -V

+V

0

-V

Glialimentatoripossonoesserecollegatiinserie,consentendocosìdigeneraretensionicosiddette“duali”(cioèunatensionepositivaedunanegativariferiteadunpotenzialecomune).

VIN[V] VTEMP [V]Multimetro

VTEMP [V]Oscilloscopio T[°C]/T[K] VTERM [V]

MultimetroVTERM [V]

Oscilloscopio RNTC [Ohm]

Specifichetermistore• 2322-6223Bc components• Beta=3740-/+2%• R(25°C)=22kOhm• Equazione deltermistore

𝑅"#$ 𝑇 = 𝑅"#$ 𝑇' 𝑒) *#+

*#,

Parametridelcircuitotermistore:• Coefficientediproporzionalità=5000Ohm/V

Parametridelcircuitotermometro:• VTEMP =100mV/°C