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Termocoppie(effetto seebeck, caratteristica statica –definizione e proprietà- compensazione del giunto
freddo –definizione e realizzazione software e hardware)
Le termocoppie sono i più diffusi trasduttori di temperatura, una termocoppia è costituita dalla giunzione di
due metalli o leghe metalliche e, rivestita opportunamente, costituisce una sonda adatta ad essere inserita
in un fluido o annegata in un metallo per misurarne la temperatura. Questo genere di sensori è basato sul
fenomeno termoelettrico, detto effetto Seebeck, per il quale quando due conduttori metallici sono uniti a
formare una giunzione, si viene a creare a
cavallo di questa una differenza di potenziale
funzione della differenza della temperatura.
La differenza di potenziale relativa ad una singola giunzione non è facilmente rilevabile perché collegando
un voltmetro si formano altre giunzioni che possono influire sulla misura. E’ più naturale pensare di rilevare
la differenza di potenziale relativa a due giunzioni di due metalli, indicata con E (il voltmetro non influenza
la misura), mentre σ è una proprietà del metallo
detto COEFFICIENTE DI SEEBECK. Le due giunzioni
sono dette GIUNTO CALDO (di misura) e GIUNTO
FREDDO (di riferimento). E è funzione solo delle
temperature delle due giunzioni se gli elementi metallici sono omogenei.
Ogni termocoppia è caratterizzata dal potenziale E(Tc,0),che prende il nome di CARATTERISTICA STATICA
della termocoppia ed è misurata molto semplicemente in laboratorio. Basta porre le due giunzioni a
temperatura Tf=0, ad esempio, immergendole in un bagno di
acqua-ghiaccio E(Tc,0)=Vacq; la presenza dei due tratti di filo di
rame, spesso rpesenti per limitare la lunghezza dei fili di Tc, non
influisce sulla lettura Vacq essendo soggetti allo stesso salto di
temperatura Tf-Tl. E(Tc,0) è fornita per ogni termocoppia
standard, in forma tabellare con risoluzione di un grado centigrado, esse risultano abbastanza lineari, con
una sensibilità di 10-60microV/°C e campi di misura compresi tra [-200,+2750]°C ed un’accuratezza tra 0.1 e
4°C a seconda del campo di misura.
Se Tf=0, rilevando Vacq e conoscendo la caratteristica statica della termocoppia E(Tc,0) si può facilmente
ottenere la temperatura Tc, nella realtà, però, difficilmente si avrà Tf=0, si risolve il problema osservando
che:
,0
,0.
Compensazione giunto freddo: si consideri
una termocoppia connessa ad un sistema
elettronico di lettura. Si vuole risalire a E(T1)
(con Tf=0) relativa alla giunzione J1, la
connessione al sistema di acquisizione ha
creato le due nuove giunzioni J2 e J3, tra le
quali (essendo di leghe diverse) si ha una tensione Vg(T2) di segno contrario a Vg(T1). Risulta:
Vacq=Vg(T1)-Vg(T2)=E(Tc)(con Tf=T2). Per risalire a T1, una possibilità è di mettere J2 ad una temperatura
di 0°C (bagno di acqua fredda), in modo che J2 diventi giunzione di riferimento e quindi: Vacq=E1(T1)
(Tf=0). Per non introdurre errori grossolani è necessario misurare le temperature delle giunzioni, usando
sensori a semiconduttore, termistori o termoresistenze, e compensarne le relative forze elettromotrici.
Questa procedura è detta COMPENSAZIONE DEL GIUNTO FREDDO. I fili utilizzati nella fabbricazione sono un
fattore critico: devono soddisfare limiti di calibrazione molto accurati e vanno installati con molta cura.
Sono fabbricati in diametri diversi, quelli di diametro più piccolo consentono una risposta più pronta, quelli
di diametro più grosso
offrono maggiore
resistenza alla corrosione
e alla temperatura.
Termoresistenze (Caratteristica statica –espressione analitica e approssimazione-, condizionamento
mediante ponte di wheatstone, dimensionamento del ponte, sensibilità di termoresistenza e ponte,
collegamento a tre fili)
I trasduttori resistivi sono sostanzialmente di due tipi: termoresistenze (RTD, Resistance Temperature
Detector) e i termisori. Le RTD sfruttano la dipendenza della resistenza elettrica dalla temperatura dei
metalli, si tratta di dispositivi la cui sensibilità è relativamente piccola, ma che sono piuttosto lineari. Una
buona approssimazione viene fatta tramite il modello matematico:
La trasduzione della resistenza in una tensione si realizza generalmente mediante un ponte di Wheatstone.
E’ anche possibile far scorrere una corrente costante nella resistenza
e rilevarne la tensione ai capi. Il collegamento a tre fili ha lo scopo di
ripartire la resistenza dei cavi di collegamento tra il ramo della RTD e
quello della Rs, in questo modo resistenze uguali sul filo di andata e
di ritorno non sbilanciano il ponte. Trascurando la resistenza dei cavi
di collegamento ed indicando con Rt(T) la resistenza della RTD, la
tensione di uscita dal ponte è data da:
Prendendo una temperatura di riferimento T=T0 e scelta R=Rs per bilanciare il ponte a tale temperatura,
Rs=Rt(T0) (con T0=0), segue che Rs=R0, da cui:
.
E’ importante ricordare che la corrente è causa di dissipazione e quindi di auto riscaldamento, per cui il
sensore si trova sempre a una temperatura un po’ più alta di quella da misurare. Occorre assicurare che la
sovratemperatura sia contenuta, limitando la corrente nel ponte (a qualche mA).
TERMISTORI
Un termistore è un dispositivo a semiconduttore o ossido metallico che cambia la sua resistenza elettrica al
mutare della temperatura cui è sottoposto. Il coefficiente di temperatura, definito come la variazione
percentuale della resistenza per variazione di un grado della temperatura, può essere di diversi punti
percentuali, cosa che consente di costruire dispositivi in grado di risolvere il centesimo di grado.
Estensimetri (Caratteristiche fisiche ed applicazioni, trasduzione con ponte di wheatstone, compensazione
in temperatura)
Gli estensimetri sono costituiti da conduttori che, quando sottoposti a trazione elastica, presentano una
variazione di resistenza elettrica per effetto di variazione della loro lunghezza e di diametro. I valori di
resistenza sono dell’ordine delle centinaia di Ohm e l’allungamento consentito va da 0.2% a 5% della
lunghezza. La resistenza elettrica viene rilevata mediante un ponte
di Wheatstone, poiché essa dipende fortemente dalla temperatura,
occorre compensarne le variazioni che potrebbero inficiare le
misura. Un metodo utilizzato è porre due elementi, uno soggetto a
trazione ed uno a compressione, su due rami contigui del ponte in
modo che concorrano, raddoppiandolo, allo sbilanciamento
complessivo e che la stessa variazione di resistenza (temperatura)
su entrambi non produca sbilanciamento; una sensibilità maggiore
si ottiene utilizzano 4 estensimetri.
Si usano estensimetri in forma di sottili lamine metalliche con spessore di circa 0.005 mm, lunghezza di
qualche millimetro e larghezza di qualche decimo di millimetro, fatte di leghe rame-nichel o nichel-cromo;
tra la lamina e l’elemento deformabile è interposto uno strato di materiale ceramico isolante.
La trasduzione estensi metrica è molto utilizzata nei sensori di forza, in particolare peso e coppia, tramite
l’utilizzo di celle di carico.
TRASDUTTORI PIEZOELETTRICI
Questi trasduttori sono essenzialmente degli estensimetri evoluti, utilizzano come elemento deformabile
un cristallo di silicio (chip) sul quale si realizzano resistenze estensimetriche mediante tecniche di
diffusione. Si hanno prestazioni superiori in termini di rangeability e stabilità della misura nel tempo per la
presenza del cristallo e la costruzione senza collanti.
Potenziometri (Schema di misura, influenza sulla misura dell’impedenza d’ingresso del circuito di misura)
Il potenziometro è un dispositivo elettrico equivalente ad
un partitore di tensione resistivo variabile (cioè a due
resistori collegati in serie, aventi la somma dei due valori
di resistenza costante, ma di cui può variare il valore
relativo) difatti una sua parte viene disposta in parallelo al
carico utilizzatore. Il potenziometro è costituito da un
cilindro isolante su cui è avvolto un filo metallico con
resistività opportuna, le due estremità sono connesse a
due morsetti. Longitudinalmente al cilindro e da un’estremità all’altra, scorre un cursore recante un
contatto strisciante sul filo, a sua volta collegato ad un morsetto.
Si prende in esame un potenziometro lineare, ovvero dove la tensione di uscita è legata linearmente a
quella di ingresso attraverso un rapporto; quest’ipotesi fa si che si consideri la resistenza totale un resistore
rettilineo di sezione S, lunghezza totale Lt e resistività ρ: Rtot= ρLt/S. Il dispositivo risulta quindi essere
equivalente ad una coppia di resistenze in serie il cui valore totale è costante, ma singolarmente variabili in
base allo spostamento del puntatore. Le tensioni risultano essere in funzione delle lunghezze dei tratti di
resistori.
LVDT(Principio di misura)
Si tratta di un trasduttore di spostamento induttivo, basato sulle proprietà che possiedono i bipoli induttivi
caratterizzati dal parametro di induttanza L. E’ un dispositivo elettromagnetico utilizzato per la misura di
piccoli spostamenti, realizzato mediante un tubo composta da tre avvolgimenti disposti con assi paralleli e
con all’interno un nucleo cilindro ferromagnetico mobile, normalmente caratterizzato da un’alta
permeabilità magnetica. L’avvolgimento centrale è detto primario, gli altri due secondari: quello primario è
collegato ad un generatore di tensione AC, ai capi dei secondari invece si misura la tensione d’uscita.
Quando è applicata la tensione al primario, sugli altri due viene indotta una forza elettromotrice per via
delle mutue induttanze tra gli avvolgimenti. Quando il nucleo è al centro, la tensione indotta sugli
avvolgimenti secondari, essendo avvolti in senso discorde, è uguale ma opposta, di modo che il segnale di
tensione misurato sia praticamente nullo. Allo spostarsi del nucleo, invece, le mutue induttanze cambiano e
a seconda che si sposti a sinistra o destra risulterà maggiore l’accoppiamento induttivo con il secondario
rispettivamente di sinistra o di destra. Di conseguenza il segnale in uscita varierà proporzionalmente allo
spostamento del nucleo.
Accelerometri (principio di misura – struttura base- e impieghi, risposta in frequenza –modulo-,
accelerometri piezoelettrici)
Un accelerometro è uno strumento di misura in grado di rilevare e/o misurare l’accelerazione. In effetti
esso misura la forza specifica (forza per unità di massa), ma grazie alla seconda legge della dinamica di
Newton le due affermazioni sono sostanzialmente equivalenti. Nella maggior parte degl accelerometri, il
principi di funzionamento è il medesimo: si basa sulla rilevazione dell’inerzia di una massa quando viene
sottoposta ad un’accelerazione. La massa viene sospesa ad un elemento elastico, mentre un qualche tipo di
sensore rileva lo spostamento rispetto alla struttura fissa del dispositivo. In presenza di un’accelerazione, la
massa (dotata di una propria inerzia) si sposta dalla propria posizione di riposo in modo proporzionale
all’accelerazione rilevata. Il sensore trasforma questo spostamento in un segnale elettrico acquisibile dai
sistemi di misura. Si possono dividere in due tipologie a seconda della tipologia di accelerazione rilevata, se
statica o dinamica. Alla prima appartengono gli strumenti che presentano una banda passante con una
caratteristica passa basso, mentre alla seconda appartengono gli strumenti che presentano una
caratteristica passa-banda.
Gli accelerometri per misure di accelerazione statica sono in grado di rilevare dalle accelerazioni continue e
statiche (grandezza d’ingresso a 0 Hz) fino ad accelerazioni che variano con frequenze più basse (fino a 500
Hz). Ciò è tipico degli accelerometri quali gli estensi metrici, LVDT o capacitivi.
Gli accelerometri per misure di accelerazione dinamica sono dispositivi non in grado di rilevare
accelerazioni statiche (ad esempio la gravitazionale), ma solo le accelerazioni tempo varianti. La banda
passante di questi strumenti può andare da qualche Hz fino a 50 kHz (tipici sono i piezoelettrici).
Gli accelerometri piezoelettrici sfruttano, come principio per la rilevazione dello spostamento della massa,
il segnale elettrico generato da un cristallo piezoelettrico quando è sottoposto ad una compressione. La
massa viene sospesa sul cristallo che costituisce il sensore e l’elemento elastico. In presenza di
un’accelerazione, la massa (che ha una certa inerzia) comprime il cristallo il quale genera un segnale
elettrico proporzionale alla compressione.

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