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

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Presentation Transcript


Sensori di temperatura

Sensori di temperatura

Montechiesi Luca

Renzelli Luigi


Sensori di temperatura

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


Sensori di temperatura

Tipologie

  • Termistori

  • Pirometri

  • Termocoppie

  • Sensori integrati

  • Termoresistenze

  • Altri sensori…

  • 1


Sensori di temperatura

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


Sensori di temperatura

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


Sensori di temperatura

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


Sensori di temperatura

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


Sensori di temperatura

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


Sensori di temperatura

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


Sensori di temperatura

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


Sensori di temperatura

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


Sensori di temperatura

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

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Sensori di temperatura

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


Sensori di temperatura

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

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Sensori di temperatura

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

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Sensori di temperatura

Sensori integrati

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

  • Dall’equazione di Shockley:

  • Relazione diretta fra V e T

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Sensori di temperatura

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

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Sensori di temperatura

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

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Sensori di temperatura

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

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Sensori di temperatura

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

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Sensori di temperatura

Applicazioni


Sensori di temperatura

Esempio datasheet LM35


Sensori di temperatura

Esempio datasheet LM35


Sensori di temperatura

Esempio datasheet LM35


Sensori di temperatura

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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