Trasduttoridocenti.ing.unipi.it/~a008052/Strumentazione/Lucidi... · · 2009-11-09Trasduttori...
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Trasduttori
Trasduttore:
- converte una grandezza fisica (misurando) in un’altra (più facilmentemisurabile, generalmente elettrica).
misurando T (gr. elettrica)
- funzionamento basato su un determinato fenomeno fisico (o su piùfenomeni fisici).
- Esempi:
- microfono piezoelettico (eff. piezoelettrico)
- termocoppia (eff. termoelettrico)
- termometro a mercurio (dilat. termica)
- . . .
Trasduttori – p.1/88
Trasduttori
Trasduttore:
- converte una forma di energia in un’altra
- classificazione:
PASSIVO
assorbe energiadal misurando
ATTIVO
richiede sorgente esternadi energia
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minore eff. caricante
Trasduttori – p.2/88
Trasduttori
Classificazione:
- secondo il tipo di misurando:spostamento, posizione, velocità, accelerazione, rotazione,vibrazione, forza, pressione, sforzo, tensione (meccanica), umiditàrelativa, concentrazione (di ioni, gas, . . . ), pH, campo magnetico,campo acustico, rugosità, temperatura, . . .
- secondo il fenomeno fisico impiegato:capacitivi, induttivi, resistivi, piezoelettrici, eff. Hall, piezoresistivi, eff.termoelettrico, eff. tunnel, eff. fotoelettrico, eff. Doppler, eff.fotovoltaico, eff. fotoresistivo, . . .
Trasduttori – p.3/88
Trasduttori - Caratteristiche
- Sensibilità
- Range
- Proprietà fisiche: tensione di alimentazione, temperatura difunzionamento . . .
- Effetto caricante
- Distorsione: è lineare o no? e quanto?
- Risposta in frequenza (funzionamento dinamico)
- Impedenza d’uscita
- Potenza richiesta
- Rumore
- Accuratezza
Trasduttori – p.4/88
Trasduttori - Caratteristiche (2)
- Necessità e frequenza di calibrazione
- Condizioni ambientali (polverosità, radiazioni . . . )
- Caratteristiche esteriori (forma, dimensioni, durata, robustezza . . . )
- . . .
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forza misurando
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a semiconduttore
capacitivoinduttivoresistivo
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fen. fisico
misurando
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Trasduttori – p.5/88
Trasduttori resistivi
Resistenza di un conduttore cilindrico:
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Applicazioni: spostamento, sforzi meccanici, pressione, forza, carico, tem-
peratura, velocità di fluidi, . . .
Trasduttori – p.6/88
Trasduttori potenziometrici
Filo avvolto su supporto isolante, lineare (cilindro) o toroidale, o plasticheconduttive.
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Caratteristica spostamento-resistenza solo idealmente lineare(n.l. & ')( " *
), migliore per materiali plastici.
Risoluzione dipendente dalle dimensioni del filo e del contatto.
Trasduttori – p.7/88
Trasduttori potenziometrici (2)
Impiego:
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Sensibilità dipendente dalla tensione di alimentazione.
Effetto caricante:
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Trasduttori – p.8/88
Trasduttori potenziometrici (3)
Generalmente rumorosi, sensibili alla polvere e all’invecchiamento(usura).
Trasduttori – p.9/88
Trasduttori potenziometrici - Effetto caricante
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Trasduttori – p.10/88
Trasduttori potenziometrici - Effetto caricante
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Trasduttori – p.11/88
Trasduttori potenziometrici - Effetto caricante
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Trasduttori – p.12/88
Estensimetri (strain gauge)
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Hp.:
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Trasduttori – p.13/88
Estensimetri (2)
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più in generale ( � non costante,
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Trasduttori – p.14/88
Estensimetri - Fattore di cella
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Ni-Cr 2.0
Pt-W 4.5
Pt 6.1 0.39
Al 0.32
Acciaio Inox 0.25-0.29
Ti 0.34
Trasduttori – p.15/88
Estensimetri - caratteristiche fisiche
materiali, forma, dimensioni, valori
- bonded/unbonded metal wire/foil, deposited thin metal, diffusedsemiconductor
- mono/bi/tri-direzionali, a spirale
- 120, 350, 500, 1000
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da � 0.5 mm in su
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Trasduttori – p.16/88
Estensimetri - applicazioni
misure di deformazione, forza, pressione, . . .
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- generalmente non riutilizzabili
- durata: � " ' � " ' � � � � ��
- collante = fattore critico
Trasduttori – p.17/88
Ponte in C. A.
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Trasduttori – p.18/88
Ponte in C. A.
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ponte non bilanciato:
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Trasduttori – p.19/88
Misure con Estensimetri
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(quarter bridge)
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Trasduttori – p.20/88
Estensimetri
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Trasduttori – p.21/88
Estensimetri - half bridge
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Trasduttori – p.22/88
Estensimetri - full bridge
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conf. n. celle� � � � �
quarter bridge 1 �"
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Trasduttori – p.23/88
Estensimetri - A.S.I.
- necessità di amplificare la tensione di sbilanciamento (mV/V)
- Automatic Strain Indicator (A.S.I.)
dal sito http://www.vishay.com
Trasduttori – p.24/88
Strain Indicator
- Four input channels
- Direct reading LCD display
- On-board data storage
- 0 to 2.5 Vdc analog output
- Quarter, half and full bridge circuits
- Built-in bridge completion
- 120, 350 and 1000-ohm dummy gages
- Automatic zero-balancing and calibration
- Remote shunt calibration of transducers
- Intuitive, menu-driven operations
- USB data link
- Portable, lightweight and rugged
- Battery, USB or line-voltage power
dal sito http://www.vishay.com
Trasduttori – p.25/88
Estensimetri - Cause di errore (1)
- variazioni di temperatura:
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- dummy cell (
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Trasduttori – p.26/88
Estensimetri - Cause di errore (2)
� autoriscaldamento (
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)
- pilotaggio impulsato
� lunghezza dei collegamenti
- sbilanciamento con � � '
- riduzione della sensibilità
- variazioni di temperatura
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� linearizzazione (1/4 bridge)
Trasduttori – p.27/88
Trasduttori capacitivi
Condensatore a facce piane e parallele:
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variazione di
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variazione di
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posizione, spostamento, velocità, livello di un liquido, . . .
Trasduttori – p.28/88
Trasduttori capacitivi - Esempi
Sensore capacitivo di (differenza di) pressione
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Versione push-pull:
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Trasduttori – p.29/88
Trasduttori capacitivi - Esempi (2)
Accelerometro capacitivo (differenziale)
sez. A−A
sez. B−B
A A
B B
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A A
B B
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Trasduttori – p.30/88
Trasduttori capacitivi - rivelazione
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Trasduttori – p.31/88
Trasduttori capacitivi - rivelazione
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l’ampiezza del segnale sinusoidale dipende dal tempo!!
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necessità di demodulazione
Trasduttori – p.32/88
Trasduttori capacitivi - rivelazione
Ponte in C.A.
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(sollecitazione in corrente)
Trasduttori – p.33/88
Trasduttori capacitivi - comportamento dinamico (esempio)
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Trasduttori – p.34/88
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per le variazioni,
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Trasduttori – p.35/88
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(sens. di velocità)
Trasduttori – p.36/88
Trasduttori capacitivi
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Trasduttori – p.37/88
Trasduttori resistivi di temperatura
- Positive thermal coefficient (PTC)
- Negative thermal coefficient (NTC)
anche RTD (Resistive Temperature Detectors), o termistori
PTC:
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Trasduttori – p.38/88
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Trasduttori – p.39/88
Pt100
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Pt100
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- stabilità: drift & ')( " � � �
anno
- dimensioni: 1x10 mm circa
- componenti standard, strumentazione “dedicata”
Trasduttori – p.40/88
Pt100
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(u.a.)
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Trasduttori – p.41/88
NTC
- realizzati con ossidi di Mn, Ni, Co, Cu, Fe, Ti, o con semiconduttori
- fortemente non lineari
- applicazioni in ambito biomedico (flusso respiratorio, temperature,calore di reazione, . . . ), facilmente miniaturizzabili.
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Trasduttori – p.42/88
NTC - linearizzazione
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Trasduttori – p.43/88
NTC - linearizzazione
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Trasduttori – p.44/88
Anemometro a filo caldo
Misura della velocità di un fluido in un condotto
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- filamento di Pt
- range da 0.1 m/s a 500 m/s ( � �
)
- legge di King:
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Trasduttori – p.45/88
Anemometro a filo caldo
- misura mediante ponte
- metodo poco invasivo
- comportamento fortemente dipendente dal tipo di fluido � necessitàdi calibrazione
- possibilità di rilevare il verso (2 anemometri)
- appl.: studio correnti vorticose
Trasduttori – p.46/88
Trasduttori induttivi
Principio: variazione di
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������ - range: � mm � � m
- misura mediante ponte
- sensibilità: � 100 V/m
Trasduttori – p.47/88
Trasduttori induttivi - LVDT
(Linear Variable Differential Transformer)
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�� � diminuisce
�� � aumenta
�� � diminuisce
�� � aumenta
- range: � ���
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�
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- misure di profili (suolo, . . . ), livello di fluidi, pressione, spessore(compresse, banconote, . . . )
- controllo di processo, sensore di posizione (. . . , chirurgiaendocranica)
Trasduttori – p.48/88
DC-LVDT
OSC. LVDT DEMOD.
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- ingresso in C.C.
- oscillatore interno
- demodulatore interno
- uscita in C.C.
Trasduttori – p.52/88
L.V.D.T.
- non si ha sfregamento tra le parti “attive”
� durata “infinita”
- robustezza (possibilità di sterilizzazione in autoclave)
- risoluzione teoricamente infinita
- ingresso/uscita analogici
- praticamente lineare ( ��� � � � ���
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f.s.)
- dimensioni contenute
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- . . .
Trasduttori – p.53/88
Trasduttori elettromagnetici
L. di Faraday:
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movimento reciproco tra campo di induzione magnetica e conduttore.
Trasduttori – p.54/88
Linear Velocity Transducer (LVT)
magnete magnete� �
- non necessita di alimentazione (v. LVDT)
- range: � � � � � � � ���
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- sensibilità: � � � � � �
mV/mm/s
- misure di vibrazioni, sismologia, velocità di foratura, vel. dispostamento di presse idrauliche, servocontrolli, . . .
Trasduttori – p.55/88
Flussimetro elettrodinamico
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+ dimensioni contenute, praticamente non invasivo
- ingombro “esterno”
+ rileva il verso del flusso
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alternativo � � � alternativa
- funzionamento solo con liquidi conduttori (acqua, alcool, mercurio,sangue), � � ��
���� S/cm.
- risposta fortemente dipendente da altri parametri (
, condizioni delmoto, . . . )
Trasduttori – p.56/88
Sensori integrati di temperatura
Dispositivi a semiconduttore:
� (Possibilità di) integrazione con l’elettronica dipilotaggio/elaborazione:
riduzione delle dimensioni complessive;
riduzione dei parametri parassiti (
�
);
maggiore affidabilità;
� Sensori basati su (costituiti da) circuiti integrati.
eventualmente a loro volta integrabili con l’elettronica dipilotaggio/elaborazione.
Trasduttori – p.57/88
Sensori di temperatura a semiconduttore
1 - giunzione p-n� � �
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legge della giunzione:
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Trasduttori – p.58/88
Curva di calibrazione
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�8
Trasduttori – p.59/88
Sensori di temperatura a semiconduttore
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��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
�8
- typical response ( � � � �
EUR);
- dispositivi calibrati ( � � � � �EUR).
Trasduttori – p.60/88
Sensori di temperatura a semiconduttore
2 - sensori a circuiti integrati
1 2
CONTR.
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��� � � � � � � � � �� �� �� � � �
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�� � � �� � � �� � �� � � �� � � �
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Trasduttori – p.61/88
Sensori di temperatura a semiconduttore
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1 2
CONTR.
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AD590� �
��� �
Trasduttori – p.62/88
Sensori di temperatura a semiconduttore
AD590:
- sens.:
��� � � 7
-
� ��� � � � � �
- temp. range: � � � � � � � � �
dal sito http://www.analog.com
Trasduttori – p.63/88
AD590 - esempi di applicazioni (1)
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���� � � �� � � � � � � ��
Trasduttori – p.64/88
AD590 - esempi di applicazioni (2)
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� � � � � � � � 7
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Trasduttori – p.65/88
AD590 - esempi di applicazioni (3)
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� � � � � � 7
� � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � �
� � � � � � � � � � �� � ��� � � � � � � � � � � � � � � ��� � � �
� � � � � � � � � � �
dal sito http://www.analog.com
Trasduttori – p.66/88
Trasduttori termoelettrici
Effetto Seebek: ( � 1820)
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���
� ���� ��� ������ ���
t. mater. range (
�
C)
�� ��� S
B Pt/Rh 30% - Pt/Rh 6% 0 �1700 1.24 mV @ 500
�C
E 68 �V/K
J 60 �V/K
K NiCr - NiAl -200 �1250 20.64 mV @ 500
�
C 42 �V/K
(Cromel - Alumel)
N
R Pt/Rh 13% - Pt 0 �1450 4.47 mV @ 500
�
C �11 �V/K
T Cu - CuNi -200 �350 20.9 mV @ 400
�
C
(Rame - Costantana)
Trasduttori – p.67/88
Termocoppie
� � �� � � � � � � �� �� � ��� � �� � �
� ���
� �� � �� � � � � � � � � �� � �
� caratteristica non lineare
� linearizzazione su range ristretto
� curva (o tabella) di calibrazione
A
B
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� � � � � � � 7
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� � �
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� � � � � �
� � � � � � � � �
� � � � � � � � � � � � �
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Trasduttori – p.68/88
Termocoppie
Caratteristica dipendente dal tipo di termocoppia
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"!# $&%' �(�) �* + +, - . .0/ / / 1 2 354 + 1 6 78 �
Trasduttori – p.69/88
Termocoppie - leggi
Leggi delle termocoppie:
- omogeneità della temperatura � � � �
- omogeneità del materiale � � � �
-
� � �� �� � � � � � � �� �� � �
- terzo metallo con giunzioni isoterme non altera il comportamentodella termocoppia
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� ���� �
A
B
A
B
C
C ����
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�
Trasduttori – p.70/88
Termocoppie - leggi (2)
- effetti di una terza temperatura
� � �� �� � � � � � �� �� � � � � � �� �� � �
- effetti di un terzo metallo
� � �� �� � � � � � �� �� � � � � � � �� �� � �
X
B
A
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��Trasduttori – p.71/88
Termocoppie - misura
a)
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Cost.
Cu
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��� �
Cu
Cu
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Cost.
Cu
� �
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Cu
Cu
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��� �
� deve essere nota � bagno termostatico� �
���Cu
Cu Cost.
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Trasduttori – p.72/88
Termocoppie - misura
b)
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DVM
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A
A
B
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Cu
Cu
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blocco isotermo
DVM� �
���
A
A
BCu
Cu
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Trasduttori – p.73/88
Termocoppie - misura
b)
� � � � � ��� (cont.)DVM
blocco isotermo
� ����
A
Cu
Cu
A
B
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��� �
DVM
blocco isotermo
� ����
A
��� � �� � ��� �
� � ��� ���� �
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Cu
Cu
B
A
��� �
Trasduttori – p.74/88
Termocoppie - misura
b)
� � � � � ��� (cont.)
DVM
blocco isotermo
� ����
�� � ��� �
nota!
� � ����� ��
Cu
Cu
B
A
��� �
DVM
blocco isotermo
� ����
�� � ��� �
nota (misurata)
� � ����� ��
Cu
Cu
B
A
��� � � �
Trasduttori – p.75/88
Termocoppie
Realizzazione:
- fili saldati alle estremità
- deposizione dei metalli su substrato
Altre caratteristiche:
- intervallo di misura: � � � � � � � � � � � � �
- dipendenza delle caratteristiche da impurezze (calibrazione)
- necessità di amplificazione della tensione
- necessità di riferimento di temperatura
- discreta robustezza (sonda / termocoppia esposta)
Trasduttori – p.76/88
Termocoppie *
- possibilità di impiego in ambienti aggressivi
- possibilità di impiego per alte temperature
- bassa sensibilità a basse temperature
- dimensioni molto ridotte
� impieghi anche in aghi e cateteri
- tempo di risposta (transistorio termico): �� � � (dipende dallemodalità costruttive, isolamento termico).
Trasduttori – p.77/88
Termocoppie
appr. polinomiale:
� � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � �
range: 0.000
�
630.615, n=6
0.000000000000E+00
-0.246508183460E-03
0.590404211710E-05
-0.132579316360E-08
0.156682919010E-11
-0.169445292400E-14
0.629903470940E-18
range: 630.615
�
1820.000, n=8
-0.389381686210E+01
0.285717474700E-01
... tipo B, fonte: NIST (http://www.nist.gov)
Trasduttori – p.79/88
Termocoppie
appr. polinomiale:
� �� � �� � � � � � � � � � � � � � � � �
Inverse coefficients for type B:
Temperature 250. 700.
Range: 700. 1820.
Voltage 0.291 2.431
Range: 2.431 13.820
9.8423321E+01 2.1315071E+02
6.9971500E+02 2.8510504E+02
-8.4765304E+02 -5.2742887E+01
1.0052644E+03 9.9160804E+00
-8.3345952E+02 -1.2965303E+00
4.5508542E+02 1.1195870E-01
-1.5523037E+02 -6.0625199E-03
2.9886750E+01 1.8661696E-04
-2.4742860E+00 -2.4878585E-06fonte: NIST (http://www.nist.gov)
Trasduttori – p.80/88
Termocoppie - misure
DVM
blocco isotermo
� ����
�� � ��� �
nota (misurata)
� � ����� ��
Cu
Cu
B
A
��� � � � � � � � � � �� �� � �
(l. del metallo intermedio)
Effetti della terza temperatura:
� � �� �� � � � � � �� �� � � � � � �� �� � �
� qualsiasi
Trasduttori – p.81/88
Termocoppie - misure
DVM
blocco isotermo
� ����
B
A
�� � ��� �
nota!
� � ����� ��
Cu
Cu
��� � � � � � �� �� � � � � � �� �� � � � � � �� �� � �
� � � � � � � � � ���
- misura di
� � �
- misura di
�
- determinazione di
� � �� �� � �
(da tabelle)
- calcolo di
� � �� �� � �
(differenza, compensazione)
- determinazione di
� (da tabelle)
Trasduttori – p.82/88
Effetto Seebeck - legge fondamentale
����
����
Legge di Seebeck:
��� �� �
� ��� � � � ��
� � � ��
� �
- materiale omogeneo:
����
�� � � �
;
- �� �
dipendente dal metallo;
-
��� indipendente dall’andamento della temperatura lungo ilconduttore.
Trasduttori – p.84/88
Termocoppia
(a) (b)
��
��
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����
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� �� � � � � ��
� � � ��
� � � � � � � � � � � �
� � �� �� � � �� ��
� � � ��
� � � � � � � � � � � �
� indifferentemente per (a) o (b)
Trasduttori – p.85/88
Termocoppie - leggi
� indipendenza dalle temperature intermedie
� legge del terzo metallo
(a) (b)
(b)(a)
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����
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��
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�
dimostrabile mediante le affermazioni precedenti.
Trasduttori – p.86/88
Termocoppie - leggi (2)
� legge della temperatura intermedia
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- dimostrabile mediante le affermazioni precedenti
- permette di lavorare con la giunzione fredda a temperatura qualsiasi,purché nota (compensazione)
Trasduttori – p.87/88