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Sensori di temperatura

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Sensori di temperatura. Montechiesi Luca Renzelli Luigi. Misurazione della temperatura. Trasmissione di energia termica tra corpo e sensore Conversione di grandezze fisiche ( temperatura->grandezze elettriche ) Applicazioni:

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sensori di temperatura

Sensori di temperatura

Montechiesi Luca

Renzelli Luigi

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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
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Tipologie

  • Termistori
  • Pirometri
  • Termocoppie
  • Sensori integrati
  • Termoresistenze
  • Altri sensori…
  • 1
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Sensori integrati

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