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Lezioni del Corso diFondamenti di Metrologia Meccanica

14. Le Misure di Temperatura

Università degli Studi di CassinoFacoltà di Ingegneria

Università degli Studi di Cassino Corso di Fondamenti di Metrologia Meccanica

Leggi fondamentali: temperatura termodinamica

La temperatura è stata storicamente definita sulla base della dilatazione termica di un fluido tra due punti fissi scelti arbitrariamente. La più diffusa scala Celsius sceglie:– come punti fissi il punto di solidificazione (0°C) e di ebollizione

dell’acqua (100°C) alla pressione di 101325 Pa– come fluido termometrico il mercurio– come legge di dilatazione termometrica una relazione lineare

In un sistema chiuso in equilibrio la termodinamica classica definisce la temperatura termodinamica come il divisore integrale dell’energia interna rispetto all’entropia (a volume costante):

mVSUT

,⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

=


La Scala Internazionale delle Temperature:Le evoluzioni successive

Punti fissi ITS-27 [°C] ITS-48 [°C] IPTS-48 [°C]

IPTS-68 [°C]

ITS-90 [°C]

p.t. idrogeno -259,34 -259,3467 l.v. idrogeno -256,108 -256,15 p.e. idrogeno -252,87 -252,85 p.t. neon -248,5939 p.e. neon -246,048 p.t. ossigeno -218,789 -218,7916 p.t. argon -189,3442 p.e. ossigeno -182,97 -182,970 -182,97 -182,962 p.t. mercurio - 38,8344 p.s. acqua 0,000 0 p.t. acqua 0,01 0,01 0,01 p.e. acqua 100,000 100 100 100 p.f. gallio 29,7646 p.s. indio 156,5985 p.s. stagno 231,928 p.s. zinco 419,58 419,527 p.e. zolfo 444,60 444,600 444,6 p.s. alluminio 660,323 p.s. argento 960,5 960,8 960,8 961,93 961,78 p.s. oro 1063,0 1063,0 1063 1063,43 1064,18 p.s. rame 1084,62

alcuni punti fissi secondari p.s. stagno 231,9 231,91 231,9681 p.s. piombo 327,3 327,3 327,502 p.s. zinco 419,5 419,505 p.s. zolfo 444,674 p.s.antimonio 630,5 630,5 630,74 p.s.alluminio 660,1 660,1 660,37 p.t. = punto triplo; l.v.= equilibrio liquido- vapore (p= 333606 Pa) p.e.*= punto di eboillizione; p.f.*= punto di fusione; p.f.*= punto di solidificazione; * (p=101325 Pa)


Ha subito successive revisioni nel corso di conferenze internazionali (1948, 1954, …,1990) ed è lo standard che:

– fissa i punti di riferimento per la taratura (punto di congelamento, punto triplo, ecc.)

– definisce le equazioni ed i metodi da utilizzare per calcolare le temperature intermedie (interpolazione)

– definisce gli strumenti da usare per la realizzazione della scala di temperatura

La scala di temperatura internazionale (ITS – International Temperature Scale)


0,65K 1,25K 2,18K 3K 3,2K 5K

3He4He II 4He I

termometro a gas

termometro a gaspressione divapore He

termometro a resistenza al platino

0,65K 3K 5K 14K 17K 20K 25K 54K 84K 234K 273,16K

termometro a resistenza al platino termometro a radiazione

-39°C 0°C 30°C 157°C 232°C 420°C 660°C 962°C 1064°C 1085°C(234K)

Rappresentazione grafica della ITS 90


Altre Scale di Temperatura


La misura della temperatura è un problema di trasmissione del calore. Il sensore non legge mai la temperatura da misurare, ma la propria temperatura.Per poter valutare la differenza tra la temperatura del sensore e quella che si vuole misurare è necessario valutare gli scambi termici esistenti (conduzione, convezione, irraggiamento)Ad esempio, se il fluido presenta una notevole velocità rispetto alla sonda termometrica la trasformazione termodinamica imposta al fluido dalla presenza della sonda stessa determina una variazione della temperatura …Temperatura di ristagno

Leggi fondamentali: trasmissione del calore


Leggi fondamentali: legge di Fourier

La posizione del sensore (lunghezza di immersione) può essere ovviamente determinante nel caso in cui tra il punto di cui si vuole conoscere la temperatura e l’esterno della sonda ci sia una notevole differenza secondo la legge:

)()( TThATTLkAQ ssa

i

−=−=&


La termometria è un settore consolidato della metrologia, anche se l'innovazione tecnologica rende spesso disponibili sul mercato nuovi sensori e strumenti che possono trovare anche applicazione nel settore industriale (termoresistenze miniaturizzate, sensori a fibra ottica, termometri all'infrarosso).

Nella pratica industriale prevale in genere l'uso di strumenti tradizionali poco sofisticati e soprattutto di non elevato costo.

La scelta é per lo più limitata, vista la semplice trasducibilità elettrica dei relativi segnali, a termocoppie e termometri a resistenza.

Termometria


Una prima suddivisione tra i differenti metodi di misura utilizzati nel controllo di processo e negli impianti civili ed industriali é quella che distingue tra:

- metodi basati su fenomenologie di tipo elettrico;- metodi classici non elettrici.

Una tale suddivisione, anche se netta, non consente di effettuare i necessari confronti applicativi. Per tale motivo è opportuno operare ulteriori differenziazioni tra i sensori sulla base dei singoli principi di misura e delle tecnologie utilizzate, individuando famiglie aventi caratteristiche metrologiche ed impiantistiche omogenee. Tutto ciò anche allo scopo di poter effettuare le considerazioni necessarie per la scelta ottimale del sensore più idoneo alle proprie esigenze.

Metodi di Misura


Come misurare?

La temperatura viene solitamente misurata in ambito industriale mediante elementi elettrici (TC, termistori, TRP) e successivamente attraverso un elemento di condizionamento (trasmettitore) il segnale in uscita viene amplificato e condizionato in un segnale standard (3..15 psi, 0…10V, 4..20 mA, fieldbus)

Elemento termometrico

Elemento dicondizionamento


TIPO PRINCIPIO FISICO GRANDEZZA TRASDOTTA

SENSORE STRUMENTO ASSOCIATO

Termometro a liquido dilatazione termica spostamento del liquido mercurio, toluene o alcool bulbo

capillare graduato

Termometro a gas legge dei gas perfetti pressione gas gas in bulbo e capillare manometro

Termometro a vapore variazione della pvs tensione vapore bulbo metallico e capillare

manometro

Termometro bimetallico differente dilatazione termica

differente dilatazione metalli

due placchette avvolte a spirale o elica

amplificatore meccanico

Termometro a resistenza variazione resistenza dei conduttori

resitenza elettrica fili di platino, rame, nickel, etc.

ponte in DC o AC, potenz.,voltmetro

Termistore variazione resistenza semiconduttori

resistenza elettrica semiconduttore multimetro

Termocoppia effetto Seebeck f.e.m. coppia termoelettrica potenziometro, millivoltmetro

Term. a radiazione monocromatico

legge di Planck f.e.m. fotodiodo, fotomoltiplicatoro

occhio umano

ottica, lampada a filamento, filtro

Term. a radiazione infrarosso

legge di Planck f.e.m. fotodiodo o fotoconduttore

ottica, filtro ottico, volt. o potenziometro

Term. a radiazione Totale

legge di Stefan-Boltzmann

f.e.m. termopila, bolometro o sens.piroelettrico

ottica, voltmetro o potenziometro

Term. a radiazione bicolore

legge di Planck (rapp. radiazioni)

f.e.m. fotodiodo o fotomoltiplicatore

ottica, filtri, voltmetro

Tecniche e strumenti di misura della temperatura


Termometri a BULBOprincipio: dilatazione liquidocampo: -50÷400°C (in funzione del liquido)incertezza: 0.05-2°Cuscita: meccanicanorme UNI 6893

Vantaggi- elevata stabilità

Svantaggi- elevata costante di tempo- campo di misura ridotto


Termometri a RIEMPIMENTOprincipio: variazione pressione di gas, vapore, liquidocampo: -50÷600°Cincertezza: 1-2°Cuscita: meccanicanorme UNI- CTI 9010

Vantaggi- lettura a distanza

Svantaggi- elevata costante di tempo- problematiche installazione


Termometri BIMETALLICIprincipio: dilatazione di solidicampo: 0÷600incertezza: 1-5°Cuscita:: meccanicanorme UNI- CTI 9010

Vantaggi- basso costo

Svantaggi- scarsa precisione- non utilizzabili a distanza


Tipologie più diffuse di sensori industriali

Termometri a resistenzaTermocoppieTermistori


Termometri a RESISTENZAprincipio: variazione resistenza elettrica di metallicampo -250÷850°Cincertezza: 0.01-0.1°Cuscita: elettricanorme UNI-7937, IEC 751

Vantaggi- elevata affidabilità- linearità

Svantaggi- elevato costo - elevata costante di tempo


Un termometro a resistenza è generalmente costituito da un elemento metallico filiforme, avvolto o poggiato su di un supporto isolante (framework), il tutto contenuto in una guaina di protezione dell’elemento sensibile (fig. IV.1). Talvolta, per problemi di miniaturizzazione, il sensore è ottenuto per deposizione di un film metallico su di un supporto isolante.

Isolatore ceramico

Polvere ceramica

Pozzetto termometrico (Inconel o acciaio inox)

SigillanteElemento resistivo


In particolare i termometri a resistenza, comunemente indicati con la sigla TRP o con quella inglese RTD, adottano di norma come elemento sensibile fili sottili di Platino. Tuttavia esistono sul mercato sensori che impiegano altri metalli (sempre in fili sottili) quali il palladio, il rame, il nichel, il tungsteno o leghe metalliche.

La scelta del metallo come base del sensore è essenzialmente legata a:“lavorabilità” in fili sottilialla proprietà di presentare una legge R=R (T) il più possibile lineare

Con la parola lavorabilità si intende evidenziare la possibilità d’ottenere con processi tipo estrusione, etc., fili sottili privi di stati tensionali residui. Questi ultimi infatti se presenti possono indurre nel sensore soggetto a cicli termici variazioni della curva caratteristica nel tempo, inficiando la ripetibilità e la stabilità del sensore.

( ) 100 00

0 0

R R1 dR 1R R 1 TR dT 100 C R

−= ⋅ + α ⋅ ⇒ α = ⋅ = ⋅

°


Scelta del Materiale di un Termometro a Resistenza

I requisiti che portano a scegliere un materiale per la realizzazione dei termometri a resistenza sono in generale:

- la costanza delle caratteristiche elettriche nel tempo, anche se il materiale è sottoposto a cicli termici variabili;

- la riproducibilità della caratteristica: Resistenza/Temperatura;- l'elevato valore del coefficiente di temperatura a, che è indice

della sensibilità del termometro.

A questi requisiti rispondono molto bene il Platino (metallo nobile, estremamente duttile, elevato punto di fusione, lavorabilità in uno stato purissimo e quindi elevata riproducibilità), il Rame ed il Nichel. In tabella V.1 sono riportate, in termini di campo di applicazione e coefficiente a, le caratteristiche termometriche di questi metalli.


R=R0·(1+αT)• Pt100• Pt25• Ni1000• …

α = 1R

dRdT =

1

100°C R100− R0

R0

6,17 · 10-3- 60÷180Ni4,26 · 10-3- 50÷150Cu

3,85 · 10-3-220÷800Pt

α [°C-1]Intervallo °C Metallo

6,17 · 10-3- 60÷180Ni4,26 · 10-3- 50÷150Cu

3,85 · 10-3-220÷800Pt

α [°C-1]Intervallo °C Metallo


Fattori di affidabilità di un Termometro a Resistenza

- resistenza dei fili di collegamento - autoriscaldamento;- f.e.m. termiche nel collegamenti;- resistenza di isolamento;- deriva della caratteristica;- tempo di risposta;- profondità di immersione


RESISTENZA DEI FILI

La misura della resistenza dell’elemento sensibile viene effettuata utilizzando fili di collegamento dal sensore al sistema di misura e trasduzione. Ciò crea l’inconveniente che la resistenza della linea di connessione viene e a trovarsi in serie con quella dell’elemento sensibile, senza poter valutare separatamente i due contributi

Si potrebbe correggere il valore ma occorre conoscere a priori la resistenza dei fili di collegamento, ma questo comporta problemi legati:

- alla variabilità della resistività dei materiali- all’incertezza sulla lunghezza dei fili- a possibili gradienti termici lungo i fili di collegamento

Si rende indipendente la misura dalla linea di connessione con accorgimenti sui collegamenti (del tipo a 3 o 4 fili, in luogo dei 2 strettamente necessari).


AUTORISCALDAMENTO

L'incertezza dovuta all'auto-riscaldamento è connessa alla inevitabile presenza di corrente elettrica che attraversa il termometro durante la misura, cioè dalla generazione interna RI2 che si verifica nell'elemento sensibile e dal modo con cui tale calore viene dissipato.

La misura di resistenza avviene alla temperatura del sensore e non a quella del mezzo di cui si vuole effettuare la misura, per cui bisogna fare ogni possibile sforzo per far coincidere le due temperature.

E' comunque estremamente difficile calcolare a priori l'aumento di temperatura dovuto all'autoriscaldamento. Si può, ad esempio, effettuare una doppia misura con correnti diverse ed estrapolare i risultati a corrente nulla, tenendo conto che l'effetto varia con il quadrato della corrente.


Forza Elettromotrice nei collegamenti

L'incertezza dovuta alle forze elettromotrici termiche che si generano ai capi dell'elemento sensibile dei TRP, per la presenza di giunti di materiali diversi, tipo Pt-Cu, è facilmente determinabile con sistemi di alimentazione che permettono l'inversione del verso della corrente nell'elemento sensibile.

Facendo infatti la media fra le due letture (con versi opposti) èpossibile eliminare l'influenza di tali f.e.m.. Ovviamente l'ideale sarebbe alimentare i TRP in corrente alternata.

Nei casi in cui quanto su esposto è impossibile, bisogna misurare il valore di tali f.e.m. a freddo ed estrapolarne i valori alle temperature di esercizio. Se, comunque, all'interno della guaina di protezione le saldature ai capi dell'elemento sensibile sono state realizzate in maniera tale da risultare in una posizione che ne garantisce la isotermia i valori probabili delle f.e.m. saranno <10µV, che ad esempio in un sensore tipo Pt 100 a 650˚C corrisponderebbe ad un errore di 0,03˚C, del tutto trascurabile


Resistenza di ISOLAMENTO

Se si verifica una perdita di isolamento elettrico tra il filo sensibile e la guaina esterna o il supporto isolante del termometro a resistenza, ciò provoca formazione di uno shunt parallelo alla resistenza del termometro (elemento sensibile) e di conseguenza un errore di valutazione della resistenza del TRP.

Se la resistenza d'isolamento è presente nel termometro durante la taratura, l'errore è compensato, tranne nel caso in cui la taratura viene effettuata ad una sola temperatura e la resistenza d'isolamento non èstabile e varia con la temperatura .

E' molto difficile valutare la resistenza di isolamento senza materialmente sezionare il termometro, distruggendolo quindi completamente; la valutazione viene di solito effettuata in maniera grossolana, misurando la resistenza di isolamento tra i terminali del filo metallico in uscita dal termometro ed un punto (di solito la punta) della guaina esterna.


Deriva della CARATTERISTICAE’ un fenomeno legato alle caratteristiche meccaniche e termiche del sensore (es. deriva di 1°C su Pt 100 sottoposti 6000 h a 660°C)

Tempo di RISPOSTAPresentano tempi di risposta (nell’ordine delle decine di secondi) abbastanza elevati rispetto agli altri misuratori di solito più piccoli e compatti

Profondità di IMMERSIONEE’ l’altezza minima di immersione di un termometro in un bagno liquido affinchè la misura non risenta del valore della temperatura dell’ambiente.


Termistoriprincipio: variazione resistenza elettrica di semiconduttoricampo -100÷200°Cincertezza: 0.5-1°Cuscita: elettrica

Vantaggi- basso costo- elevata sensibilità

Svantaggi- autoriscaldamento


I vantaggi dei TERMISTORI :- basso costo unitario;- piccole dimensioni;- piccoli tempi di risposta;- segnale molto elevato.

Gli svantaggi dei TERMISTORI :- campo di temperatura limitato (0-300˚C);- curva caratteristica non lineare;- possibile deriva;- valore di misura da correggere per autoriscaldamento


Caratteristiche dei Termistori

I termistori (termine derivato dall’inglese “thermistor” crasi di “Thermal Sensitive Resistors” sono elementi termometrici che presentano come sensore un semiconduttore, generalmente ottenuto da miscele di ossidi metallici sinterizzati.

Questi composti, anche tramite opportuni drogaggi, sono caratterizzati, sia da una spiccata mobilità con la temperatura dei portatori di carica (elettroni o lacune), che da una notevole dipendenza della concentrazione di questi ultimi con la temperatura.

Tutto ciò garantisce a elementi sensibili così ottenuti una curva caratteristica di variazione della resistenza al variare della temperatura del tipo

R = α eβ/T


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La resistenza R dei termistori (ottenuti ottimizzando i rapporti di massa degli ossidi di nichel, magnesio, cobalto, rame, ferro ed uranio, in modo da realizzare il miglior compromesso fra resistività e sensibilità), a differenza di quanto accade per i termometri a resistenza, è quindi decrescente al crescere della temperatura ed il loro coefficiente di temperatura a (definito analogamente ai termometri a resistenza) ènegativo e non costante nel campo di temperatura di impiego (più alto alle basse temperature e più basso alle alte).

Questa è la ragione per cui al termine termistore talvolta si aggiunge la sigla NTC (“Negative Temperature Coefficient”) a sottolineare la negatività del coefficiente di temperatura, a. Quest’ultimo, che può assumere valori anche dell’ordine di 40.000÷60.000°C–1, è comunque di almeno un ordine di grandezza superiore a quelli caratteristici dei termometri a resistenza.

Esistono anche termistori PTC (“Positive Temperature Coefficient”) basati sull’impiego di materiali ferroelettrici (ad esempio il BaTiO3 opportunamente drogato con Sb) che sono caratterizzati da una resistività debolmente decrescente con la temperatura, ma essi ad una temperatura caratteristica (detta critica) presentano una curva di resistenza che varia positivamente e bruscamente di molti ordini di grandezza, per poi tornare alla caratteristica precedente. Questa proprietà fa si che i PTC vengano spesso utilizzati per funzioni di allarme.


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Caratteristiche dei Termistori

NTC ("Negative Temperature Coefficient") PTC ("Positive Temperature Coefficient")

R = α eβ/T


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Per quanto riguarda i termistori NTC, che sono noti ed impiegati in campo elettrico da decine di anni, è opportuno sottolineare che la loro utilizzazione come sensori di temperatura si è via via affermata solo negli ultimi decenni in conseguenza:

delle migliorate tecniche di produzione per sinterizzazione (che hanno permesso di garantire la uniformità della produzione e quindi l’intercambiabilità dei sensori),ii) nell’applicazione di tecniche di invecchiamento/stabilizzazione, che hanno fortemente ridotto la non stabilità iniziale della curva caratteristica dei termistori, garantendo così la produzione di unità riproducibili e stabili.

Sono in produzione termistori speciali con curve caratteristiche unificate (Norme ISO ed UNI), che ne garantiscono la perfetta intercambiabilità. Le curve ISO presentano valori di R0 (T=25°C) da 0.5, 1, 2, 4, 15, 16, 25, 100, 400 kΩ. Le curve proposte dall’UNI hanno invece valori di R0 (T=25°C) di 0.1, 0.3, 0.5, 1, 2, 5, 10, 30, 50, 100 k Ω


Termocoppieprincipio: effetto Seebeckcampo <350°C (T) <900°C(E)incertezza: 0.5÷5°Cuscita: elettricanorme UNI-CTI 7938 IEC 584-1/2/3

Vantaggi- basso costo- piccola costante di tempo

Svantaggi- non linearità- bassa sensibilità


Le termocoppie sono trasduttori attivi, in quanto generano una tensione per effetto termoelettrico. In un circuito formato da due metalli diversi A e B le cui giunzioni si trovano a temperature diverse T1 e T2 si instaura la circolazione di una corrente I.

Se il circuito viene aperto, si manifesta ai suoi capi una differenza di potenziale E che dipende dalla differenza di temperatura delle giunzioni, attraverso un coefficiente di proporzionalità, detto coefficiente di Seebeck:


la legge di Seebeck, lega il potenziale (la forza elettromotrice f.e.m.) Es che si genera ai capi di un giunto di metalli diversi, alla temperatura T del giunto ed ai due metalli A-B costituenti il giunto stesso:

dES = αA,B · dT

dove αA,B rappresenta il coefficiente di Seebeck, più noto come potere termoelettrico della coppia A,B ed è funzione della sola temperatura T del giunto


la legge di Peltier, descrive l'assorbimento o la cessione di calore Qpche avviene in un giunto di metalli diversi attraversato, in un verso o in quello opposto (reversibilmente), da una corrente I:

dQP = ± πA,B · I · dθ

dove πA,B rappresenta il coefficiente di Peltier, il cui valore dipende, per una determinata coppia A-B, dalla sola temperatura T del giunto. Il coeficiente πA,B può variare in valore e segno al variare della T, nel senso che, a parità di verso della corrente I, in uno stesso giunto ci può essere assorbimento o cessione di calore Qp a seconda della temperatura del giunto. Ovviamente esiste una temperatura T allaquale tale effetto è nullo.

Sulla base della fenomenologia ad effetto Peltier descritta sono stati sviluppate sistemi di raffreddamento di ridotta potenza il cui maggiore pregio, oltre alla sicurezza intrinseca, è quello di non presentare organi in movimento e quindi di non essere soggetti a fenomeni di usura. Tali dispositivi hanno trovato applicazione nel raffreddamento di ambienti di ridotte dimensioni e nella termostatazione di elementi nella strumentazione.


la legge di Thomson, descrive l'assorbimento o la cessione di calore QT, che avviene in un conduttore omogeneo lungo il quale vi è un gradiente di temperatura, al passaggio di una corrente I (anche di tipo termoelettrico):

dove σ rappresenta il coefficiente di Thomson, il cui valore dipende dal materiale del conduttore, dal gradiente di temperatura e dalla temperatura stessa. Si noti che il coefficiente di Thomson viene spesso anche definito "calore specifico elettrico" in quanto rappresenta la quantità di calore ceduta od assorbita in un singolo conduttore sottoposto ad un gradiente unitario quando è percorso da una corrente unitaria.

ϑσ IddTdQT

TT ⋅⋅±= ∫ )(

2

1


I tre effetti su descritti sono tutti contemporaneamente presenti in un circuito termoelettrico a doppio giunto (uno di misura ed uno diriferimento).

A A

B

EA,B

T1 T0

±QT±QT ±QT

±QP±QP

2 2 2

2 11 1 1

T T T

AB AB A B ABT TT T T

E dT dT dT= π − π + σ ⋅ − σ ⋅ = α ⋅∫ ∫ ∫


Leggi dei circuiti termoelettrici

Ia legge del circuito omogeneoIn un circuito chiuso costituito da un solo materiale omogeneo non può circolare corrente termoelettrica per soli scambi termici. Quindi:

- se in un circuito costituito da un solo materiale circola corrente termoelettrica ciò è dovuto ad impurezze del materiale.

- in un circuito termoelettrico con due giunti a temperature diverse, la fem generata è indipendente dalla temperatura lungo i fili supposti omogenei.

A A

B

EA,B

T1 T0

±QT±QT ±QT

±QP±QP


Leggi dei circuiti termoelettrici

IIa legge dei metalli intermediLa somma algebrica delle f.e.m. in un circuito costituito da un numero qualsiasi di metalli diversi è nulla se tutto il circuito è isotermo.Quindi se un terzo metallo è inserito nel circuito e le estremità di tale metallo sono tenute isoterme non si verificano variazioni di fem

III legge delle temperature intermedieLa f.e.m. termica di una coppia avente i giunti a temperatura T1 e T2 è la somma algebrica delle f.e.m. delle stesse coppie aventi i giunti ordinatamente alle temperature T1, T2 e T3, T2

ET1,T2 = ET1,T3 + ET3,T2


A Cu

B Cu

Voltmetro digitale o Ponte di precisione

Giunto di riferimento

Giunto di misura

T1f. e. m.

A Cu

B Cu

Giunto di riferimento

Giunto di misura

T3

f. e. m.

B

T2

T1

A

Collegamenti elettrici delle termocoppie


Testa di connessione

Termocoppia

Pozzetto di estensione

Pozzetto termometrico

(a) (c)(b)

Tipi di giunto caldo:a) esposto, b) a massa, c) isolato

Termocoppia assiemata


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Testa di connessione

Termocoppia

Pozzetto di estensione

Pozzetto termometrico

(a) (c)(b)

Un giunto esposto (a) risulta economico e comporta un tempo di risposta estremamente ridotto. Lo svantaggio principale consiste nel rapido deterioramento se esposto ad agenti corrosivi e nella necessità di un ingresso di fem differenziale.Un giunto a massa (b) é realizzato saldando direttamente il giunto caldo della termocoppia sul pozzetto termometrico, pertanto pur essendo, come il giunto esposto, soggetto a loop contro terra, presenta il vantaggio di essere parzialmente protetto da agenti esterniUn giunto isolato (c), infine, é costruito in modo tale da essere completamente isolato dal pozzetto termometrico. Ciò limita fortemente l'insorgere di loop contro terra e l'influenza di fem parassite, inoltre aumenta la reiezione al rumore del sensore. Per contro aumenta il costo della termocoppia ed il suo tempo di risposta


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Termocoppie tipo S - Platino/Platino rodiato (10% Rh)E' la termocoppia utilizzata in passato per definire la IPTS'68 da 630,74˚C a 1064,43˚C. Essa, come tutte le termocoppie costituite da metalli nobili, presenta una elevata precisione specie nel campo al di sopra dei 500˚C, inoltre al di sotto di tale temperatura fino a 0˚C garantisce un'incertezza inferiore a ±1,5˚C.

Termocoppia tipo R - Platino/Platino rodiato (13% Rh)Presenta le stesse caratteristiche della tipo S da cui è derivata dopo l'adozione della IPTS '68 per adeguare le risposte dei vecchi strumenti di lettura non adatti all'uso dei fili di platino molto puro immessi sul mercato negli anni '60. E' quindi una termocoppia destinata ad andare in disuso.

Termocoppie Tipo B - Platino Rodiato 30% / Platino Rodiato 6%E' molto adatta a lavorare a temperature elevate dell'ordine dei 1700˚C. Presenta le stesse caratteristiche dei tipi R ed S ed è inoltre adatta a lavorare anche sotto vuoto.

Termocoppia tipo T - Rame / CostantanaE' una termocoppia molto usata nel campo - 184÷370˚C dove può essere adoperata anche in alternativa alle termocoppie a base Platino in quanto garantisce incertezze dello stesso ordine di grandezza ±1˚C. E' molto usata per il suo basso costo e per il suo elevato potere termoelettrico e per questo è l'unica termocoppia per la quale nelle norme vengono garantiti valori al di sotto di 0˚C. La limitazione superiore del campo di applicazione è dovuta alla rapida ossidazione del rame alle elevate temperature.


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Termocoppie tipo J - Ferro-CostantanaE' la termocoppia più diffusa nelle applicazioni industriali nel campo 0÷750˚C, per la sua elevata capacità di adattarsi ad atmosfere sia riducenti che ossidanti, per il suo elevato potere termoelettrico ed ovviamente per il suo basso costo. E' meno precisa della termocoppia tipo T per il fatto che il ferro è di solito ottenuto con un grado di omogeneità minore del rame e questo fa nascere nell'interno del filo f.e.m. parassite dovute a gradienti di temperatura che come già detto inficiano la precisione di misura. Si noti che i fili di costantana per le due termocoppie T e J sono di solito diversi e quindi non sono intercambiabili tra loro.

Termocoppia tipo KChromel (90% Ni, 10% Cr) /Alumel (94%Ni, 3%Mn, 2%Al, 1%Si)E' una termocoppia nata per sostituire le termocoppie a metallo nobile alle elevate temperature, infatti può essere utilizzata fino a 1260˚C con una incertezza di ±2˚C in atmosfere inerti o ossidanti. Presenta però problemi di riproducibilità e di stabilità; recentemente ne é stata proposta infatti la sostituzione con la tipo N.Il campo tipico di applicazione é in tutte le applicazioni elettroniche. Usata nel campo 0-870˚C con precisione ± 1.5˚C ha le stesse limitazioni della coppia tipo T.

Termocoppia tipo N (Nicrosil/Nisil) riconosciuta in ambito IEC, le termocoppie W3 (Tungsteno Renio3% / Tungsteno Renio 25%) e W5 (Tungsteno Renio 5% / Tungsteno Renio 26%), la coppia Cobalto-Oro/Rame usata per temperature molto basse o la termocoppia Tungsteno/Molibidenousata per le temperature elevatissime


SoddisfacenteSoddisfacente (atm. < 0,5 % O2)Soddisfacente (atm. < 0,2 % O2)Non raccomandato

Cu

- C

ost. Fe

- C

ost.

(

sotti

li )

Fe -

Cos

t. ( d

oppi

e )

Pt R

h -

Pt

Chr

omel

A

lum

el(

s )

Chr

oml

Alu

mel

( d

)

WR

e 3%

- W

Re

25%

2000

1500

1000

- 200

500

0

2500

T (°C)

Termocoppie normalizzate


Le termocoppie commerciali

Le termocoppie commerciali sono classificate con una designazione ANSI (American National Standard Institute).

La Costantana è una lega al 60% Rame e 40% Nickel. Il Cromel è una lega al 90% di Nickel e 10% Cromo. L’Alumel è una lega di Nickel con (fino al 5%) Alluminio, Manganese e Silicio. A titolo d’esempio, consideriamo una termocoppia di tipo K, molto diffusa. Una variazione di temperatura da 0 a 100 °C comporterebbe, trascurando in prima approssimazione le non linearità, una escursione di tensione in uscita di 39.45 (µV/°C)⋅100 (°C) = 4 mV. Per apprezzare il decimo di grado (0.1 °C), la risoluzione e l’accuratezza del voltmetro devono essere dell’ordine di 4 µV. Con questi livelli di segnale e di risoluzione, il cablaggio di tutto il sistema deve essere particolarmente accurato per evitare che eventuali disturbi compromettano l’integrità del segnale.


Termometri a Radiazione


Il CORPO NERO è il perfetto assorbitore ed il perfetto emettitore utilizzato come riferimento per le misure delle proprietà radiative del materiale.Valgono le tre relazioni fondamentali dell’irraggiamento:

− equazione di Planck:− equazione di Wien:− equazione di Stefan-Boltzmann:

( )

43max

5

1

)(

12

TTE

CT

e

cTE

n

Tcn

σ

λ

λ λλ

=

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅

=


Apertura

Pareti della cavità

Isolamento termico

Riscaldatori

Tubo di rame

Superficie di rame ricoperta con vernice

nera

Fluido in uscita

Fluido in ingresso

Cono di rameanglo di 45°°

Guida del flusso dell’olio

Acciaio inossidabile

Isolamento Termico

Pareti della Cavità

Schema di CORPO NERO


Emettitori diversi dal corpo nero:I processi che impediscono ai corpi reali di comportarsi come un corpo nero sono tre:

- una frazione della radiazione incidente può essere assorbita α, - una frazione può essere riflessa ρ,- un’altra può essere trasmessa τ.

Termometro a radiazione

Emissione

RiflessioneRadiazione incidente

AssorbimentoTrasmissione

Per il principio di conservazione dell’energia:αλ + ρλ + τλ = 1

Lezioni del Corso di Fondamenti di Metrologia Meccanica · La termometria è un settore consolidato...

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