Trasduttoridocenti.ing.unipi.it/~a008052/Strumentazione/Lucidi... ·  · 2009-11-09Trasduttori...

88
Trasduttori Trasduttore: - converte una grandezza fisica (misurando) in un’altra (più facilmente misurabile, generalmente elettrica). misurando T (gr. elettrica) - funzionamento basato su un determinato fenomeno fisico (o su più fenomeni fisici). - Esempi: - microfono piezoelettico (eff. piezoelettrico) - termocoppia (eff. termoelettrico) - termometro a mercurio (dilat. termica) Trasduttori – p.1/88

Transcript of Trasduttoridocenti.ing.unipi.it/~a008052/Strumentazione/Lucidi... ·  · 2009-11-09Trasduttori...

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

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 . . . )

- . . .

tempe

ratur

a

forza misurando

fen. fisico

pres

sione

veloc

ita . ..

. ..

a semiconduttore

capacitivoinduttivoresistivo

. . .

fen. fisico

misurando

tempe

ratur

a

forza

pres

sione

veloc

ita . ..

. ..

Trasduttori – p.5/88

Trasduttori resistivi

Resistenza di un conduttore cilindrico:

� � ��

� ���

� ��

� � � � �

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.

������������ ���������� �������� ���������������� ������������ �!"$# % �

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:

� � ��

Sensibilità dipendente dalla tensione di alimentazione.

Effetto caricante:

� �

�����

Trasduttori – p.8/88

Trasduttori potenziometrici (3)

Generalmente rumorosi, sensibili alla polvere e all’invecchiamento(usura).

Trasduttori – p.9/88

Trasduttori potenziometrici - Effetto caricante

''�� �

'�� �'�� �

'�� �"

' '� � '� � '� � '�� � "

� � �

��� � � �

��� � ��� ��

��� � ��� �

��� � ��� �

� ���� � �

����

Trasduttori – p.10/88

Trasduttori potenziometrici - Effetto caricante

'��

��

" '" �" �

" �" �

� '' '� � '� � '� � '� � "

� � � �

��� � ��� �

��� � ��� �

��� � �� � �

� ��

�� � �

��

Trasduttori – p.11/88

Trasduttori potenziometrici - Effetto caricante

''� ' �'� ' �'� ' �

'� ' �'� " ''� " �

'� " �' '� � '� � '� � '� � "

� � �

��� � ��� �

��� � ��� �

�� � �� � �� ���� � � ����

Trasduttori – p.12/88

Estensimetri (strain gauge)

� � ��

Hp.:

- deformazione a volume costante

- � costante

� � � � � � �� �

� �

� � ��

�! � � � � � � � � � � % � ' �

� �� �# �

� ��

� � �( �� � �� �� � ��������

� � � �� � � �

�������

! � ' ( � %

Trasduttori – p.13/88

Estensimetri (2)

� �� �

��

� � �

� � � � ��

� �� �# � � � �� �

� � � � �� � �

� �# � � � �� � � ��

� �

�� �

� � �� �

� � � ��� � ��� �

� ��

più in generale ( � non costante,

� � � � '. . . ):

� �� � � ��� � ��� �

� ��

!�� �� � � %

� costante di cella (gauge factor)

Trasduttori – p.14/88

Estensimetri - Fattore di cella

� ��

��

� ! � � � � �� %

� ' � � ' ' ! � ���� �� � � � �� � %materiale

� �Costantana (

� � � ��� �) 2.05

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

-

da � 0.5 mm in su

��� � �� � ��� �

Trasduttori – p.16/88

Estensimetri - applicazioni

misure di deformazione, forza, pressione, . . .

��

��

- generalmente non riutilizzabili

- durata: � " ' � " ' � � � � ��

- collante = fattore critico

Trasduttori – p.17/88

Ponte in C. A.

�� ���

� ����

���

� �

ponte bilanciato:

�� �� � � � � �

� ��� ��� ��� � �� ��� ��� � � � � ��� ��� � � � �� ���

� �� � � ��� � � � � � � � � � � � � � ��� � � � � � �

Trasduttori – p.18/88

Ponte in C. A.

�� ���

� ����

���

� �

ponte non bilanciato:

� ��� � �

� ���

� � � �# �� ��! ��� � � � % ! � � � ��� %misura “vettoriale”!!

Trasduttori – p.19/88

Misure con Estensimetri

� �� �

� �

� �

(quarter bridge)

��� � � �

� �

� � � � �# � � � � � �

� � � � � � � � �

!� � %

� " ��� �

� �

� �� � � � � # � � � � � �

� � � � � � � � �

� ( ( (

Trasduttori – p.20/88

Estensimetri

( ( ( � � �� �

� � �� �

� �� �" �

� �� �

" �� � �

� �

�� �

� �

� � �� �

� � �� � �

� �

! � � � � � %

� � �� �

� �"

� � ��� ! � � � � � � � %

Trasduttori – p.21/88

Estensimetri - half bridge

����� ��

����

��

� � �� �

� � � � � �

� � � # "� �

� � �� � � �

"� � ��

Trasduttori – p.22/88

Estensimetri - full bridge

���� ��

� �����

� � � � ( ( ( �

� � �� � � � ��

conf. n. celle� � � � �

quarter bridge 1 �"

� � ���

half bridge 2 �"

� � ���

full bridge 4 � � � �

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:

� ��� � � � � !" � � %

- dummy cell (

��� � � � )

��� �

� �

� �

� �

� � �� �

� ��� �� � � ��# "� �

� � � !" � � %

� � ! " � � % � �� ! " � � %# "�

�� '

� � ( � � �� �

� � � � � �

� � � � � � � �� # "�

� � '

Trasduttori – p.26/88

Estensimetri - Cause di errore (2)

� autoriscaldamento (

� � � � " ' ��

��� �� � � � � ' � �

)

- pilotaggio impulsato

� lunghezza dei collegamenti

- sbilanciamento con � � '

- riduzione della sensibilità

- variazioni di temperatura

��

��

��

����

� �

��

����

� �

� linearizzazione (1/4 bridge)

Trasduttori – p.27/88

Trasduttori capacitivi

Condensatore a facce piane e parallele:

� � �

�variazione di �

variazione di

variazione di

posizione, spostamento, velocità, livello di un liquido, . . .

Trasduttori – p.28/88

Trasduttori capacitivi - Esempi

Sensore capacitivo di (differenza di) pressione

� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �

� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �

� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �

��� � � �� �

Versione push-pull:

� �� � � �� �

� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �

� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �

��� � � �� � � �

� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �

� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �

� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �� � � � � � �

� �� � � �����

Trasduttori – p.29/88

Trasduttori capacitivi - Esempi (2)

Accelerometro capacitivo (differenziale)

sez. A−A

sez. B−B

A A

B B

�� � � ��� � � � � �� ��� � � � �� � �

A A

B B

�� � � ���� � � � � �� � � � � � �� � � �

Trasduttori – p.30/88

Trasduttori capacitivi - rivelazione

� � � � � � � � � � � �

� � � � � � � �

� � � � " � � � � � " � �

� � � � � � �

� �� � �

� � � � � � � " � �

� � � � " � � � � � �

Trasduttori – p.31/88

Trasduttori capacitivi - rivelazione

� � � !�� % � !� % � � !� %�

l’ampiezza del segnale sinusoidale dipende dal tempo!!

necessità di demodulazione

Trasduttori – p.32/88

Trasduttori capacitivi - rivelazione

Ponte in C.A.

� ��

��

� ��

� � ���

��� � � �"

�# ��# � �

�� � � �

� � �� �

�� � � �

! �� � � � %

� �� � � ��� � �

��� �

��

� ��

� �� �# � ��

��� �

� �

� ��

��� �

(sollecitazione in corrente)

Trasduttori – p.33/88

Trasduttori capacitivi - comportamento dinamico (esempio)

� � � �

� � � � � � �

�� � !� % � � ��� �

� �� �

������� � �� � �

� � �� �

� � �������� � � � � �

� � � ! � %

��� � �

� ���

� �� �

������� � � � � �

�# �

��

�� �

� �� � �

������� � � � � �

� �

� �

! � � %

Trasduttori – p.34/88

� � �

� �� � �

� �

� � �# �� �

� � ! � %

� �� �

�� � �

� �

� � ��� # �

� ��

� ���

per le variazioni,

� � �# � � �

� � � � �� �# � � � � ��,

����

��

���

� � �

� �# �

� ���# �

� ��

� ���

! � � %

� !�� % " � � �

� �� �# �

��

�� � ! � % ! %

Trasduttori – p.35/88

!�� % �

��

!�� % ! � % � �

� !�� % !�� % �# � �

��

�� �

" � � �

� ��

�# �" ��� �

! � %con � � �

��

��� � � � �

� �

��� �"

� �� (

� �� � � � " ! � % �# � ! � � %

!�� % � � � ! � % �# � ! � % � � !� % � � � !�� % �# � ���

(sens. di velocità)

Trasduttori – p.36/88

Trasduttori capacitivi

�� �

� ��

��

� �

� ! � � %

� � � �� � � !� � � " %� � �� � �� � !� � " %

! � % � �� ! � %

! � % �# �" ��� �

! � %

Trasduttori – p.37/88

Trasduttori resistivi di temperatura

- Positive thermal coefficient (PTC)

- Negative thermal coefficient (NTC)

anche RTD (Resistive Temperature Detectors), o termistori

PTC:

� ! � % � � � " ����

� � � " # �" ' ' �" ' ' � � " # �" ' ' �" ' ' � �

� � � � ! ' � � % � � ')( ' '� � � � � � � ! � % � � " ( �� "

� � � � � � � �� � � � � �

� � ' � � '

� � � ' � & '

Trasduttori – p.38/88

" ' '" � '

� ' '� � '

� ' '� � '

� ' '� � '

' " ' ' � ' ' � ' ' � ' ' � ' ' � ' ' ' ' � ' '

� ! � %� � � � � ���

� � � ��

� �

��

��� �

� �� � � �

��

�� � �

� ��� �

� � �

� ! � � %

��

� � � '��

� � '

Trasduttori – p.39/88

Pt100

� ! � % � � � �" ��� ! �# �� % ��

� & � ' ' � �

Pt100

- range:# � ' � � � � ' ' � ��# � ' � � � � ' ' � �

- � � ')( ' '� � � � � � � � �

(

' ( ' '� � � � � � � �

)

- stabilità: drift & ')( " � � �

anno

- dimensioni: 1x10 mm circa

- componenti standard, strumentazione “dedicata”

Trasduttori – p.40/88

Pt100

A B�

� �

� � � ��

���

� �

���� , (

�� � misurata con A.S.)

� �

� �

� � � ��

���

�� �

��� ! �� % � '

(bil.)

� � ���

� �

� � ! � � � � � %

� ��� � �# � � � �

��

(u.a.)

���

� �

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.

�� ! � % � � � � � ��

� � � �� � � � �� �

� ! � % � � � �� ��

� "�# "��

��

� � � � � � � � � � � �

�� �� ��

� �� �

��� �� � � �

��� � � � � �

�� � � � � �

Trasduttori – p.42/88

NTC - linearizzazione

��

��

��

� � � � � � � � � � � � � � �

��� ��

�� �

� �� �

� � �� � � �

��� � � � � �

� � � � �

���

��� � � �

������

Trasduttori – p.43/88

NTC - linearizzazione

���� ��

��� � ���� ��

��� ����� � �

��� � ���� � �

� � � � � � � � � � � � �

� � � ��� ��� �

� �� ���

� �� �

� � �� � � �

�! � " � � �

�� � # � � �

$�% $ &

�� ��

'

��� � �� ��� �

Trasduttori – p.44/88

Anemometro a filo caldo

Misura della velocità di un fluido in un condotto

����

- filamento di Pt

- range da 0.1 m/s a 500 m/s ( � �

)

- legge di King:

� � � � � � � � � �

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

o

: ��

� � � ��� � � �

� �

������ - range: � mm � � m

- misura mediante ponte

- sensibilità: � 100 V/m

Trasduttori – p.47/88

Trasduttori induttivi - LVDT

(Linear Variable Differential Transformer)

���

� � ���

�� � diminuisce

�� � aumenta

�� � diminuisce

�� � aumenta

- range: � ���

mm � ���

m

- misure di profili (suolo, . . . ), livello di fluidi, pressione, spessore(compresse, banconote, . . . )

- controllo di processo, sensore di posizione (. . . , chirurgiaendocranica)

Trasduttori – p.48/88

LVDT

Trasduttori – p.49/88

LVDT

A

C

B

Trasduttori – p.50/88

LVDT

A

C

B

��� �� � �

� � ��

��

� � � � � �

� � � � � �

� � � � � �

Trasduttori – p.51/88

DC-LVDT

OSC. LVDT DEMOD.

��� � ��� ��

- 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 ( ��� � � � ���

� �

f.s.)

- dimensioni contenute

-

��� � �

- . . .

Trasduttori – p.53/88

Trasduttori elettromagnetici

L. di Faraday:

��

� � ���

� � � � �

� � � ���

� � � �

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: � � � � � � � ���

� �

- sensibilità: � � � � � �

mV/mm/s

- misure di vibrazioni, sismologia, velocità di foratura, vel. dispostamento di presse idrauliche, servocontrolli, . . .

Trasduttori – p.55/88

Flussimetro elettrodinamico

� ���

��

�� � �

��� ���

� �

��

+ dimensioni contenute, praticamente non invasivo

- ingombro “esterno”

+ rileva il verso del flusso

� �

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� � �

legge della giunzione:

� �� � � � ��� �� � � � � � � �

dipendenza da

:

��� � � ��

� � � ��� � ��� �� ��� � � �

���

���

���

���

���

���

���

���

���

���

� ��

� ��

� ��

� ��

� �

� !"

#

� � �

� $ �

Trasduttori – p.58/88

Curva di calibrazione

��� � �� � �� � �� � � � � � �� � �� � �� � � � �� ��� ��� ��

��� � �� �� �� � � ��� � �� � �� � � � � �� � � �

�� �� �� � � � � � � �� � !�#" � ! !

� �%$ & ' � $ � ' � $ � ' ! $ � ' �($ � '� $ � ) *,+ - ' . $ � ' / $ � ' 0($ � ' 1($ �� � $ .� �� ! � $ . ! !2 2 � $ 2 1 � � 0 � $ 2 2 � 0 � � $ 2 � 2 1� � $ � / /� � � $ � � � 1 0 � $ � � 0 ! / � $ � / 1 1 0

� � � $ �2 2 . 0 � $ � � � � / � $ � � ! / / � $ ! 1� � � � $ ! / . ! � � $ ! 2 1 � ! � $ !� �� ! � $ ! ! 0 � . � $ ! � � ! 2 � $ � 1 0 � .

! � � $ � 0 � 1 � � $ � . !� . � $ � � 0� � � $ � !� !2 � $ � � 0 ! 0 � $ � �� 0� � $ � � ! � / � $ � � 1 1 . � $ � � 0 ! 0 � $ � � .� �

�� � $ � � � .2 � $ � � ! 12 � $ � � � !� � $ � 1 12 ! � $ � 1 / 1 � � $ � 1 . ! 1 � $ � 1� . 0 � $ � 1 �� . � $ � 1 �� 2 � $ � 0 1 0 �

3 - � $ � 0 0 ! � � $ � 0 .2 1 � $ � 0� 1 / � $ � 0 � �� � $ � 0 � / � 4 + -5 - -5 � $ � / 0� � � $ � / . 0 � � $ � /2 � / � $ � / �2 �

2 � � $ � / � 0 0 � $ � /� ! � � $ � . 02 0 � $ � . . 1 � � $ � .2 ! 0 � $ � . � . ! � $ � . � 1 . � $ � .� ! 1 � $ � 2 0 . � � $ � 2 . 1 .

.� � $ � 2 2 ! 0 � $ � 2 � .� � $ � 2 � 1 ! � $ � 2 � !� � $ � � 02 . � $ � � . 0 / � $ � � 2 � 0 � $ � � �� 1 � $ � � � / 1 � $ � � � � �

� !� � $ 2 � � !� � $ 2 � / 1� � $ 2 � 2 2 . � $ 2 � � ! ! � $ 2 � � 0 0 � $ � 1 02 � � $ � 1 . !� � $ � 1 � 02 � $ � 1 � 2 � � $ � 0 1 � .

� �� � $ � 0 . 0 � � $ � 0� � . � $ � 0 ! � ! � $ � / 1 / / � $ � / /� � � $ � /2 � . � $ � / ! / � � $ � /� � . � $ � . 0� � � $ � .2 .2

�� � � $ � . � �� � $ � .� 12 � $ � 2 0 .� � $ � 2 . !� � $ � 2 � 0 1 � $ � 2 � 2 � � $ � � 1 � 0 � $ � � . 0 � � $ � � � � / � $ � � ! � !

�2 � � $ � � 1 / . � $ � � /� � � $ � �2 � 2 � $ � � ! /� � $ � �� �� � $ � ! / 1 1 � $ � !2 . � � $ � ! � ! / � $ � ! � 1 ! � $ � � 02 .

� .� � $ � � . ! � � $ � � � 0� � $ � � �� 0 � $ � � 1 � � � $ � � . / / � $ � � � � � � $ � � ! � 2 � $ � 1 1 . 1 � $ � 1 / � � � $ � 1� 1 /

� /� � $ � 1 ! . � � $ � 1� ! 2 � $ � 0 / 0 1 � $ � 02 2 ! � $ � 0 � � . � $ � 0� 0� � $ � / 0� � � $ � / .� / � $ � / � / � � $ � / � �2

� 0� � $ � . 0 1 0 � $ � . . . ! � $ � .� ! 2 � $ � . � 0 1 � $ �2 12 ! � $ �2 / � 2 � $ �2 � / 1 � $ �2 !� ! � $ �2 � � 2 � $ �� / . 0

� 1� � $ �� 2 � ! � $ �� ! 12 � $ �� � 2 0 � $ � � 0 ! � � $ � �2 0� � $ � � �� / � $ � � � � 1 � $ � ! 0 / ! � $ � ! . �2 � $ � ! � 1 0

� � � � $ � ! � . �

� � ��

� � � � � � 6 � � 7

�8

Trasduttori – p.59/88

Sensori di temperatura a semiconduttore

�����

���

�����

����

����

��

���

���

�� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

� �

�� �

� � �� � �

��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��

�� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

�8

- typical response ( � � � �

EUR);

- dispositivi calibrati ( � � � � �EUR).

Trasduttori – p.60/88

Sensori di temperatura a semiconduttore

2 - sensori a circuiti integrati

1 2

CONTR.

���� �

�� ��

��� � � � � � � � � �� �� �� � � �

� � �

�� � � �� � � �� � �� � � �� � � �

� � �

�� ��� �

� � � � �� � � � � � � � �

� � � � � ��

� �� � � � � � � � �

� � �

Trasduttori – p.61/88

Sensori di temperatura a semiconduttore

� � � � � � � � � � � � � � � ��

� � ��

�� � �

�� � � � � � � � � � � �

� � � � � � � � � � � � � � � ���

� � � � � � � �� � � ���

� � � � � �

1 2

CONTR.

��� �

�� ��

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)

�� � � � � � � � � � � �

� ��� �

� � �

������

���

���� � � �� � � � � � � ��

Trasduttori – p.64/88

AD590 - esempi di applicazioni (2)

� � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � �

� � � � � �� � � � �

� � � � �

� � � � �

� � � � � � � � 7

� � � � � � � � � � � �

Trasduttori – p.65/88

AD590 - esempi di applicazioni (3)

� � � � �

� � � � � � 7

� � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � �

� � � � � � � � � � �� � ��� � � � � � � � � � � � � � � ��� � � �

� � � � � � � � � � �

dal sito http://www.analog.com

Trasduttori – p.66/88

Trasduttori termoelettrici

Effetto Seebek: ( � 1820)

������ ��� ����

���

� ���� ��� ������ ���

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

� ����

���

� ����� � �

� � � � � � � 7

� � �

� � �

� � � � � �

� � � � � � � � �

� � � � � � � � � � � � �

� � � � �

Trasduttori – p.68/88

Termocoppie

Caratteristica dipendente dal tipo di termocoppia

� � ��

� �� �

� �� �

� �� �

� � �

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

�� � � �� �

���� � �

� � � �

��

��

��

"!# $&%' �(�) �* + +, - . .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

� ����

� ���� �

A

B

A

B

C

C ����

� �� �

Trasduttori – p.70/88

Termocoppie - leggi (2)

- effetti di una terza temperatura

� � �� �� � � � � � �� �� � � � � � �� �� � �

- effetti di un terzo metallo

� � �� �� � � � � � �� �� � � � � � � �� �� � �

X

B

A

����

��Trasduttori – p.71/88

Termocoppie - misura

a)

� � � � ���

Cost.

Cu

� �

��� �

Cu

Cu

���

���� �

Cost.

Cu

� �

� �

Cu

Cu

���

���

��� �

� deve essere nota � bagno termostatico� �

���Cu

Cu Cost.

� ����

Trasduttori – p.72/88

Termocoppie - misura

b)

� � � � � ���

DVM

� ����

�� � ��� �

� � ���

�����

A

A

B

���� �

Cu

Cu

��� �

blocco isotermo

DVM� �

���

A

A

BCu

Cu

� ����

�� � ��� �

��� �

Trasduttori – p.73/88

Termocoppie - misura

b)

� � � � � ��� (cont.)DVM

blocco isotermo

� ����

A

Cu

Cu

A

B

�� � ��� �

��� �

DVM

blocco isotermo

� ����

A

��� � �� � ��� �

� � ��� ���� �

�� ��

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

dal sito http://iseinc.com

Trasduttori – p.78/88

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

Termocoppie

codice a colori:

Trasduttori – p.83/88

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)

��

��

� � �� �

����

� � ��� �� ���

� �� � � �� �

��� �� �

� �

�� � � �� �

� �� � � � � ��

� � � ��

� � � � � � � � � � � �

� � �� �� � � �� ��

� � � ��

� � � � � � � � � � � �

� indifferentemente per (a) o (b)

Trasduttori – p.85/88

Termocoppie - leggi

� indipendenza dalle temperature intermedie

� legge del terzo metallo

(a) (b)

(b)(a)

��

��

�� ���� � ���

� � � � � �

��

� � ���

����

��

��

�� ���� � ��� �

� � � � � �

�� ��

��

� � ���

��

����

� � �

� � �

��

dimostrabile mediante le affermazioni precedenti.

Trasduttori – p.86/88

Termocoppie - leggi (2)

� legge della temperatura intermedia

�� ����

��

���� ��

��

���� ��

��

� � �� � � ��

� � � � �� �� �

� � � � �� � � ��

� �

� � �� �� � � � � � �� �� � � � � � �� �� � �

- dimostrabile mediante le affermazioni precedenti

- permette di lavorare con la giunzione fredda a temperatura qualsiasi,purché nota (compensazione)

Trasduttori – p.87/88

compensazione hardware

blocco isotermo

ELAB

DVM

� ����

B

A

�� � ��� �

nota!

Cu

Cu

� �

� �� �� � � �

� �� � � � � �

� ��� � � � �

� � �� �� � � � � � �� �� � � � � � �� �� � �

� � � � � � � � � ��

Trasduttori – p.88/88