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: 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

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

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

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

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

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

Termoresistenza Necessita di un circuito ausiliario: Ponte di Wheatstone Il sensore va inserito in un ramo del ponte Si fa variare 𝑅 2 finché non si raggiunge l’equilibrio in tutto il circuito Quando non scorre corrente nel circuito del galvanometro vale la relazione: 6

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

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

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

Confronto RTD - termistori 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

Pirometri Basati sulla trasmissione del calore per irraggiamento elettromagnetico regolata dalla legge di Planck. Equazione di Planck Legge di Stefan Boltzmann A causa delle lenti convogliatrici della radiazione sul sensore, il pirometro non funziona allo stesso modo per tutte le lunghezze d’onda (temperature) 11

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

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

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

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

Sensori termografici 𝑞=𝜀𝜎 𝑇 4 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=𝜀𝜎 𝑇 4 La rivelazione della temperatura avviene attraverso un rilevatore infrarosso 16

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

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 Pro: Basso costo Manutenzione nulla Stabilità Range esteso Contro: Bassa accuratezza Lentezza 18

Applicazioni Sensori Misure Termocoppie RTD Termistori Pirometri 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

Esempio datasheet LM35

Esempio datasheet LM35

Esempio datasheet LM35

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 23