11

MISURE DI MISURE DI TEMPERATURATEMPERATURA

22

- Effetti termoelettrici- Effetti termoelettrici

- Le termocoppie- Le termocoppie

- Circuiti di misura- Circuiti di misura

- Il giunto della termocoppia- Il giunto della termocoppia

ARGOMENTI DELLA LEZIONEARGOMENTI DELLA LEZIONE

33

Le termocoppie:Le termocoppie:

- Sensori di temperatura molto semplici- Sensori di temperatura molto semplici

- Trasducono - Trasducono T T f.e.m. f.e.m. direttamente direttamente

mediante mediante effetto termoelettricoeffetto termoelettrico

- Operano da - Operano da TTminmin criogeniche fino a criogeniche fino a

TTMAXMAX

- Pertanto sono diffusissime- Pertanto sono diffusissime

44

EFFETTI EFFETTI

TERMOELETTRICITERMOELETTRICI

55

a) EFFETTO SEEBECK: in un circuito a) EFFETTO SEEBECK: in un circuito costituito da costituito da 2 materiali 2 materiali diversi diversi A A ee B B, , se i giunti sono a temperaturase i giunti sono a temperatura

TT11TT22 ( f.e.m. ( f.e.m. e e I) I) T= (TT= (T11--TT22 ) )

AA

BB BBTT11

TT22

TT11 TT22

AA

BB BBII

66

Si usa l’effetto Seebeck Si usa l’effetto Seebeck per misurare la per misurare la

TT11 di un giunto se è nota la di un giunto se è nota la T T22 dell’altro dell’altro

giunto ( giunto ( f.e.m. f.e.m. e e II) ) T= (TT= (T11--TT22 ) )

AA

BB BBTT11

TT22

TT11 TT22

AA

BB BBII

77

b) EFFETTO PELTIER: se in un circuito b) EFFETTO PELTIER: se in un circuito

formato da due materiali diversi formato da due materiali diversi AA e e BB

viene fatta passare corrente elettrica viene fatta passare corrente elettrica I I

un giunto si scalda mentre l’altro si un giunto si scalda mentre l’altro si

raffredda; ai giunti si ha assorbimento e raffredda; ai giunti si ha assorbimento e

cessione di calorecessione di calore

TT11 TT22

AA

BB BBII

88

TT11 TT22

AA

BB BBII

Questo effetto modifica la Questo effetto modifica la TT dei giunti: dei giunti:

TT11 caldo cresce e caldo cresce e TT22 freddo cala freddo cala

Quindi può generare errori di misuraQuindi può generare errori di misura

99

Se Se I I T T di ogni giunto di ogni giunto ; in ; in

genere non è un problema importantegenere non è un problema importante

Effetto Peltier è utilizzato per il Effetto Peltier è utilizzato per il

raffreddamento di sistemi elettroniciraffreddamento di sistemi elettronici

TT11 TT22

AA

BB BBII

1010

TT11 TT22

AATT11 > T > T22QQ1212

II

c) EFFETTO THOMSON: in un c) EFFETTO THOMSON: in un conduttore con estremità a conduttore con estremità a temperature diverse temperature diverse TT11 e e TT22 si genera si genera

una differenza di potenziale che genera una differenza di potenziale che genera II concorde col flusso concorde col flusso QQ1212. .

QQ1212 I I E’ reversibileE’ reversibile I I QQ1212

1111

Anche questo effetto può generare Anche questo effetto può generare

errori di misura errori di misura TT, ma di un ordine di , ma di un ordine di

grandezza trascurabile se grandezza trascurabile se I I

TT11 TT22

AATT11 > T > T22QQ1212

II

1212

Pertanto Pertanto per misurare la temperatura per misurare la temperatura

con un circuito a termocoppia, con un circuito a termocoppia,

sfruttando sfruttando l’effetto Seebeckl’effetto Seebeck, è , è

necessario necessario misurare la f.e.m. misurare la f.e.m.

mantenendo lamantenendo la corrente I corrente I molto molto

bassabassa

1313

In genere si usano:In genere si usano:

- metodi potenziometrici- metodi potenziometrici

- voltmetri ad elevata impedenza - voltmetri ad elevata impedenza

( > 200 M( > 200 M))

1414

LEGGI DELLE LEGGI DELLE

TERMOCOPPIETERMOCOPPIE

1515

1) Variazioni di 1) Variazioni di TT sui fili sui fili AA e e BB non non

influenzano lainfluenzano la f.e.m. f.e.m. di una termocoppia di una termocoppia

se i giunti rimangono a se i giunti rimangono a TT11 e e TT22 e se i e se i

conduttori conduttori AA e e BB sono di due materiali sono di due materiali

perfettamente omogeneiperfettamente omogenei

TT11 TT22

TT55

TT66

TT33TT44

TT11 TT22

TT99TT77

TT88AA

BB

AA

BB

f.e.m. f.e.m. (T(T11-T-T22)) f.e.m. f.e.m. (T(T11-T-T22))

1616

Utile per inserire uno strumento di misura Utile per inserire uno strumento di misura nel cicuitonel cicuito

TT11 TT22 TT11 TT22

AA AAAA

BBTT33 TT33

TT44

BB

CC

f.e.m. f.e.m. (T(T11-T-T22)) f.e.m. f.e.m. (T(T11-T-T22))

2) La introduzione di un terzo metallo 2) La introduzione di un terzo metallo CC

in una termocoppia in una termocoppia AA e e BB non modifica non modifica

la la f.e.m. f.e.m. se le nuove giunzioni sono se le nuove giunzioni sono

isoterme (isoterme (TT3 3 =T=T33) e ) e TT11 e e TT22 sono invariate sono invariate

1717

3) Se in un circuito di termocoppia si 3) Se in un circuito di termocoppia si

apre un giunto che si trova alla apre un giunto che si trova alla TT11 e si e si

inserisce un terzo metallo inserisce un terzo metallo CC, tenendo , tenendo

le due nuove giunzioni alla le due nuove giunzioni alla TT11, la , la f.e.m. f.e.m.

generata non cambiagenerata non cambia

TT11 TT22

AA

BB TT11

TT22

AA

BB

TT11CC

f.e.m. f.e.m. (T(T11-T-T22)) f.e.m. f.e.m. (T(T11-T-T22))

1818

Questa proprietà è utilizzabile per:Questa proprietà è utilizzabile per:

- inserzione di strumento di misura- inserzione di strumento di misura

- realizzazione di termocoppia con fili - realizzazione di termocoppia con fili AA e e BB saldati direttamente al metallo saldati direttamente al metallo CC di cui di cui si deve misurare si deve misurare TT11

TT11 TT22

AA

BB TT11

TT22

AA

BB

TT11CC

f.e.m. f.e.m. (T(T11-T-T22)) f.e.m. f.e.m. (T(T11-T-T22))

1919

4) Se la termocoppia 4) Se la termocoppia AA e e CC con giunti a con giunti a TT11 e e TT22

generagenera f.e.m. E f.e.m. EACAC e la termocoppia e la termocoppia CC e e BB con con

giunti agiunti a T T11 e e TT22 genera genera f.e.m. Ef.e.m. ECBCB, allora la , allora la

termocoppia termocoppia AA e e BB con giunti a con giunti a TT11 e e TT22 genera genera

f.e.m. Ef.e.m. EABAB = E = EACAC + E + ECBCB

EEacac

TT11 TT22

AA

CC CC++ -- EEcbcb

TT11 TT22

CC

BB BB++ --

EEacac+E+Ecbcb

TT11 TT22

AA

BB BB++ --

2020

Ciò permette di calcolare il potere Ciò permette di calcolare il potere

termoelettrico di qualsiasi termocoppia termoelettrico di qualsiasi termocoppia AA

e e BB se è noto il potere termoelettrico di se è noto il potere termoelettrico di

ogni materiale con riferimento ad un ogni materiale con riferimento ad un

unico materiale unico materiale CC ( il Platino Pt ) ( il Platino Pt )

tabelle e grafici dei poteri termoelettrici tabelle e grafici dei poteri termoelettrici

riferiti al Pt a 0°Criferiti al Pt a 0°C

2121

5) Se una termocoppia 5) Se una termocoppia AA e e BB fornisce fornisce

f.e.m. Ef.e.m. E1212 con giunti a con giunti a TT11 e e TT22 eded E E2323 con con

giunti a giunti a TT22 e e T T33 allora essa genera allora essa genera

EE1313 = E = E1212 + E + E2323 se i giunti sono a se i giunti sono a TT11 e e TT33

EE11

TT22

AA

BB BB++ --TT11

EE22

TT33

AA

BB BB++ --TT22

EE11+E+E22

TT33

AA

BB BB++ --TT11

2222

tabelle e grafici dei poteri tabelle e grafici dei poteri termoelettrici riferiti delle diverse termoelettrici riferiti delle diverse termocoppie riferiti a 0°Ctermocoppie riferiti a 0°C

EE11

TT22

AA

BB BB++ --TT11

EE22

TT33

AA

BB BB++ --TT22

EE11+E+E22

TT33

AA

BB BB++ --TT11

2323

Questa proprietà è utilizzata per riferire Questa proprietà è utilizzata per riferire

le misure di una qualsisi temperatura le misure di una qualsisi temperatura TT33

a a 0°C 0°C ( quindi avere( quindi avere f.e.m. f.e.m. T T[[°C°C]] ) )

senza necessariamente tenere il giunto senza necessariamente tenere il giunto

di riferimento a di riferimento a 0°C0°C

EE11

TT22

AA

BB BB++ --TT11

EE22

TT33

AA

BB BB++ --TT22

EE11+E+E22

TT33

AA

BB BB++ --TT11

2424

Infatti:Infatti:

a) se a) se TT22 = 0°C = 0°C EE3030 (T(T33-T-T22) = T) = T33 [[°C°C]]

b) se b) se TT22 0°C 0°C, ma nota, si può usare , ma nota, si può usare

tabella per trovare tabella per trovare EE2020 e misurare e misurare EE3232

per determinare per determinare EE3030 = E = E3232 + E + E2020 e quindi e quindi

TT33 in in [[°C°C]]

TT33 TT22

AA

BBf.e.m. f.e.m. (T(T33-T-T22))

2525

TIPO TIPO MATERIALI A e BMATERIALI A e B

SS (Pt - Rodio 10%) / Pt(Pt - Rodio 10%) / Pt

RR (Pt - Rodio 13%) / Pt(Pt - Rodio 13%) / Pt

EE (Ni - Cromo 10%) / (Cu - Ni)(Ni - Cromo 10%) / (Cu - Ni)

JJ Fe / (Cu - Ni)Fe / (Cu - Ni) [ ferro / costantana][ ferro / costantana]

KK (Ni - Cr 10%) / (Ni - Al 6%) [cromel / allumel](Ni - Cr 10%) / (Ni - Al 6%) [cromel / allumel]

TT Cu / (Cu - Ni) Cu / (Cu - Ni) [ rame /costantana] [ rame /costantana]

NN (Ni - Cr - Si) / (Ni - Si)(Ni - Cr - Si) / (Ni - Si)

WW33 (Tung.-Renio 3%) / (Tung. - Renio 25%)(Tung.-Renio 3%) / (Tung. - Renio 25%)

I materiali per termocoppie sono attualmente I materiali per termocoppie sono attualmente

standardizzati ( norme IEC)standardizzati ( norme IEC)

2626

Poteri termoelettrici di ciascun elemento di Poteri termoelettrici di ciascun elemento di

termocoppia (positivo o negativo) riferiti al Pttermocoppia (positivo o negativo) riferiti al Pt

T [°C]T [°C]

f.e.m. [mV]f.e.m. [mV]+40+40

+30+30

+20+20

+10+10

00

-10-10

-20-20

-30-30

-40-40-200 0 200 400 600 800 1000-200 0 200 400 600 800 1000

JJPP

JJN N TTNN

Giunto di riferimento PtGiunto di riferimento Pt

KKPP

TTPP

KKNN

2727

f.e.m. generate: curve con giunto a 0°Cf.e.m. generate: curve con giunto a 0°C

f.e.m. [mV]f.e.m. [mV]8080

6060

4040

2020

00

EE

JJ

TT

KK

NN

RRSS

T [°C]T [°C]00 500500 10001000 15001500 20002000

2828

Impiego di termocoppia per misurareImpiego di termocoppia per misurare T T22

TT11 TT22

AABB BB

f.e.m. [mV]f.e.m. [mV]8080

6060

4040

2020

00

JJ

T [°C]T [°C]00 500500 10001000 15001500 20002000TT1 1 NotaNota

f.e.m.f.e.m.misuratamisurata

TT22

2929

- - sensibilità [mV / °C ]sensibilità [mV / °C ]

- - linearità linearità

- - campo di misuracampo di misura

- - incertezzaincertezza

Sono normallizzate Sono normallizzate

(ad es. in Italia UNI - 7938)(ad es. in Italia UNI - 7938)

Diversi tipi di TCDiversi tipi di TC

3030

Le f.e.m. generate sono pochi mV e Le f.e.m. generate sono pochi mV e

non sono perfettamente linearinon sono perfettamente linearif.e.m. [mV]f.e.m. [mV]

8080

6060

4040

2020

00

EE

JJ

TT

KK

NN

RRSS

T [°C]T [°C]00 500500 10001000 15001500 20002000

3131

Pt / PtRodio (Pt / PtRodio (R, SR, S) ) 0 0 1450 °C 1450 °C

(alte T, ambienti ossidanti)(alte T, ambienti ossidanti)

Cromel / Allumel (Cromel / Allumel (KK) ) -200 -200 1250 °C 1250 °C

Cu / Costantana (Cu / Costantana (TT) ) -200-200 350 °C 350 °C

Ferro / Costant. (Ferro / Costant. (JJ) ) 00 750 °C 750 °C

(la più usata in industria)(la più usata in industria)

Tipico campo di misura:Tipico campo di misura:

3232

Incertezza tipica di fili standard non Incertezza tipica di fili standard non

tarati uno per uno:tarati uno per uno:

Pt / PtRodio (R ed S) ± 0.25% letturaPt / PtRodio (R ed S) ± 0.25% lettura

Cu / Costantana (T)Cu / Costantana (T) ± 0.50%± 0.50% “ “

Cromel / Allumel (K)Cromel / Allumel (K) ± 0.75%± 0.75% “ “

Ferro /Costantana (J)Ferro /Costantana (J) ± 1.00% “± 1.00% “

3333

CIRCUITI DI MISURACIRCUITI DI MISURA

3434

aa) Circuito con giunto di riferimento in ) Circuito con giunto di riferimento in

bagno di Hbagno di H22O e GHIACCIO ( 0°C )O e GHIACCIO ( 0°C )AA

BB

MercurioMercurio

3535

Il bagno di HIl bagno di H22O e ghiaccio è un O e ghiaccio è un

riferimento molto preciso e stabile riferimento molto preciso e stabile

±0.1 °C±0.1 °C

Adatto ad uso in laboratorioAdatto ad uso in laboratorio

Poco adatto ad impieghi industrialiPoco adatto ad impieghi industriali

3636

AA

BB

TT22

TTXX

VOLTMETROVOLTMETRO

CIRCUITO DI CIRCUITO DI COMPENSAZIONECOMPENSAZIONE

EEX2X2EE0202 EEX0X0=E=EX2X2+E+E0202

b) Circuiti con compensazione b) Circuiti con compensazione elettronica della elettronica della TT22 di riferimento di riferimento

Circuito compensatore misuraCircuito compensatore misura T T22 di di

riferimento e genera riferimento e genera EE0202 sulla base delle sulla base delle

tabelle, quindi dalla tabelle, quindi dalla EE0X0X TTXX in [°C]in [°C]

3737

AA

BB

TTXX

TT22

Il trasduttore che misuraIl trasduttore che misura T T22 di riferim. di riferim.

(termistore) è su una basetta isoterma(termistore) è su una basetta isoterma

Simili circuiti sono molto usati nei:Simili circuiti sono molto usati nei:

- termometri digitali- termometri digitali

- sistemi acquisizione dati- sistemi acquisizione dati

3838

c) TERMOPILA: c) TERMOPILA: N N termocoppie in serie termocoppie in serie

con giunti a con giunti a TT11 e e TT22 aumenta la aumenta la

sensibilitàsensibilità

Usata anche per: - generazione f.e.m.Usata anche per: - generazione f.e.m. - misure di flussi termici- misure di flussi termici

TT11

TT11

TT11

TT22

TT22

TT22

TT22

VOLTMETROVOLTMETRO

3939

Utili ad esempio per controllo T media di Utili ad esempio per controllo T media di

ambientiambienti

d) TERMOCOPPIE in parallelo: misurano d) TERMOCOPPIE in parallelo: misurano

T media T media tra le giunzioni di misuratra le giunzioni di misura

TTX1X1

TTX2X2

TTX3X3

TTREFREF

TTREFREF VOLTMETROVOLTMETROEE (T (TX1X1+T+TX2X2+T+TX3X3)/3)/3

4040

IL GIUNTO DI IL GIUNTO DI

UNA TERMOCOPPIAUNA TERMOCOPPIA

4141

molti tipi di giunti differentimolti tipi di giunti differenti

- già preparati- già preparati

- da realizzare- da realizzare

Caratteristiche statiche e dinamiche Caratteristiche statiche e dinamiche

delle termocoppie dipendono dadelle termocoppie dipendono da

- giunto- giunto

- installazione- installazione

4242

Misure di TMisure di T di fluidi isolantidi fluidi isolanti

di fluidi conduttoridi fluidi conduttori

di superfici isolanti o di superfici isolanti o

conduttriciconduttrici

di interno di solididi interno di solidi

Giunti diversi con o senza guaine, Giunti diversi con o senza guaine,

involucri e supportiinvolucri e supporti

4343

resistenza termica tra giunto e corpo resistenza termica tra giunto e corpo

o fluido (guaine, supporti, isolanti o fluido (guaine, supporti, isolanti

elettrici ecc.) causa elettrici ecc.) causa TT quindi errore di quindi errore di

misuramisura

TTXX

T < TT < TXX

QQ

TTXX

T < TT < TXX

4444

Se le dimensioni del giunto Se le dimensioni del giunto

DDcostante di tempo del costante di tempo del

sistema sistema le termocoppie veloci le termocoppie veloci devono avere giunto piccolodevono avere giunto piccolo

A ( TA ( TXX - T - Tgiuntogiunto) = M C dT) = M C dTgiuntogiunto / dt / dt

serve serve (A / M) (A / M) (D (D2 2 / D/ D33)=1/D )=1/D D D

La La è però limitata sopratutto da è però limitata sopratutto da eventuali guaine e supportieventuali guaine e supporti

4545

Alcune tipiche forme di giuntoAlcune tipiche forme di giunto

Fili intrecciatiFili intrecciatiSaldatura di testaSaldatura di testa BrasaturaBrasatura

4646

In genere i fili delle In genere i fili delle

termocoppie sono termocoppie sono

entro guaine entro guaine

isolanti e protettiveisolanti e protettive

Spesso la termocoppia Spesso la termocoppia è inserita in un supporto è inserita in un supporto metallico che la isola e metallico che la isola e le conferisce robustezza le conferisce robustezza meccanicameccanica

4747

Le termocoppie Le termocoppie

utilizzate per utilizzate per

misurazioni di T di misurazioni di T di

fluidi in condotti fluidi in condotti

sono installate in sono installate in

“pozzetti” porta-“pozzetti” porta-

sonda per ragioni sonda per ragioni

di robustezza, di robustezza,

tenuta, tenuta,

manutenzionemanutenzione

PozzettoPozzetto

Testa di connessione caviTesta di connessione cavi

FilettaturaFilettatura