Trasduttori resistivi 1 / 37 Lezione 2 I trasduttori resistivi.
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Trasduttori resistivi 1 / 37
Lezione 2
I trasduttori resistivi
Trasduttori resistivi 2 / 37
Trasduttori resistivi
R = l / S
• La resistenza di un bipolo– Effetto di un cursore
– Effetto della temperatura
– Effetto della deformazione
• Trasduttori di posizione– Reostati e potenziometri
– Resistenza eq. di uscita
Trasduttori resistivi 3 / 37
Trasduttori resistivi
• Trasduttori di temperatura– Termoresistori - Pt100
– Termistori - PTC e NTC
• Trasduttori di deformazione– Estensimetri
» conduttivi e semiconduttivi
– Ponte estensimetrico
» celle di carico
» trasduttori di pressione a stato solido
Trasduttori resistivi 4 / 37
Resistenza di un conduttore cilindrico
R = l / S
l potrebbe essere modificato mediante un “cursore”
è influenzato dalla temperatura
l / S potrebbe essere modificato dalla “deformazione”del bipolo
Trasduttori resistivi 5 / 37
Effetto di un cursore (per la variazione della lunghezza)
00
000
l
l
R
R
lS
RllS
RR
lS
R
Trasduttori resistivi 6 / 37
Effetto della temperaturanei conduttori
30
2000 1)( TTcTTbTTaT
32
0
TcTbTaR
R
nella manganina: a 1÷10 •10 -6 [°C-1]
nel rame: a 4 •10 -3 [°C-1]
nel platino: a = 3,91 •10 -3 [°C-1] ; b = -5,8 •10 -7 [°C-2]
Trasduttori resistivi 7 / 37
S
lR
Effetto della deformazione
4200
0
0
GFconl
lGF
R
R
SS
llRR
S
lR
GF viene chiamato “gage factor” (gauge factor)
Trasduttori resistivi 8 / 37
Potenziometri
Attenzione: fotografie in scale diverse !!!
Trasduttori resistivi 9 / 37
Caratteristiche dei potenziometri
• Linearità
• Risoluzione
• Sensibilità
• Vita
• Resistenza di uscita
• Risposta al gradino
• Banda passante
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Potenziometri
Costo (ottobre 2007) : 140 euro
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Potenziometri
Trasduttori resistivi 12 / 37
Risoluzione del potenziometro
A filo avvolto su supporto
Con elemento CERMET
Con elemento a plastiche conduttive
Trasduttori resistivi 13 / 37
Caratteristiche dei potenziometri
• Linearità
• Risoluzione
• Sensibilità
• Vita
• Resistenza di uscita
• Risposta al gradino
• Banda passante
Trasduttori resistivi 14 / 37
Resistenza di uscita del potenziometro
Trasduttori resistivi 15 / 37
Risposta al gradino del potenziometro
Trasduttori resistivi 16 / 37
Termoresistori e Termistori
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Resistività del platino
a = 3,91 ·10-3 °C-1 ; b = -5,80 ·10-7 °C-2 ; c = -2 ·10-10 °C-3
20
0
1)(
100
TbTaT
CTTT
30
2000 1)( TTcTTbTTaT
Trasduttori resistivi 18 / 37
Resistenza del platino
20 1)( TbTaRTR
20 1)( TbTa
S
lT
S
l
2
0
TbTaR
R
Trasduttori resistivi 19 / 37
Termoresistori in Platino: Pt100
25
00
1080,5391,0100)(
0@100)(
TTTR
CTTR
Attenzione: fotografie in scale diverse !!!
Trasduttori resistivi 20 / 37
Caratteristiche dei Pt100• Campo di funzionamento
– con capsula ceramica - 200 + 750 °C
– a strato - 200 + 500 °C
• Tempo di risposta in aria 1m/s: – con capsula ceramica 5 150 s
– a strato 2 10 s
• Costo– con capsula ceramica 20 40 euro
– a strato 8 10 euro
– di precisione ( ± 0,06°C @ 0°C ) 130 euro
Trasduttori resistivi 21 / 37
Autoriscaldamento del Pt100
• Con capsula ceramica: 0,20 0,70 °C / mW
• A strato : 0,50 °C / mW
esempio di calcolo del sovrariscaldamento nel caso di capsula ceramica
C72mW10V1
mA10
C07,002,0mW1,0mV100
mA1
Pv
i
Pv
i
Trasduttori resistivi 22 / 37
Linearizzazione del Pt100 con elemento serie
263
0
273
1046,21049,51)(:
1080,51091,31100)(:
TTRTRNinel
TTTRPtnel
Trasduttori resistivi 24 / 37
Resistività dei semiconduttori
R = l / S• è influenzato dalla temperatura
• e = carica del portatore
• n = densità spaziale dei portatori
• = mobilità dei portatori ( = v / E )
μ
1
ne
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Effetto della temperatura su
T1 T2 > T1
n aumenta diminuisce
μ
1
ne
Trasduttori resistivi 26 / 37
Termistori PTC ed NTC
0:PTC
0:NTC
12
11
12
TTeTRTR
Costo indicativo : 2 euro
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Alimentazione di PTC e NTC
Compatibile con NTC
NON adatta a PTC
Compatibile con PTC
NON adatta a NTC
Trasduttori resistivi 28 / 37
Caratteristiche di PTC ed NTC
• Linearità
• Risoluzione
• Sensibilità
• Vita
Trasduttori resistivi 29 / 37
Estensimetri
Trasduttori resistivi 30 / 37
Estensimetri
• La temperatura è “grandezza di influenza” ?– Sì, perché R0 (resistenza in assenza di deformazione)
vale
– Sì, perché anche il gage factor GF dipende dalla temperatura
4200
GFconl
lGF
R
R
S
lR
200
0
000 1 TTbTTa
S
lR
Trasduttori resistivi 31 / 37
Compensazione della temperatura
• Manganina (84% di rame, 12% di manganese, 4% di nickel): – coefficiente di temperatura della resistività
(nell'intorno di 20 °C): 1÷10 · 10-6 / °C
– R0 varia di poche ( 1÷10 ) ppm / °C
420
0 GFconl
lRGFR
• Anche il misurando assume valori modesti:– negli acciai lo stato di plasticità
(deformazione permanente) si raggiunge con deformazioni di 1500 ÷ 5000 ppm
Trasduttori resistivi 32 / 37
Compensazione della temperatura
• supponiamo di dover trasdurre una deformazione di 500 ppm ( 500 microstrain) con un estensimetro che ha GF = 2
420
0 GFconl
lRGFR
• supponiamo poi che la temperatura subisca una variazione di 20 °C e che il TCO del materiale sia di 5 ppm/°C
366
0
101101000105002 R
R
366
0
101,01010010520 R
R !
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Ponte estensimetrico( ponte di Wheatstone )
02
20
22
20
10
43
4
21
2
1
1
l
lGF
A
AVV
R
R
A
AVV
R
RAponendo
RR
R
RR
RVV
AB
AB
AB
Trasduttori resistivi 34 / 37
Ponte estensimetrico completo
0
40
4
10
1
30
3
20
2
40
4
10
1
30
3
20
2
4
1
l
lGFVVallora
R
R
R
R
R
R
R
Rse
R
R
R
R
R
R
R
RVV
AB
AB
Trasduttori resistivi 35 / 37
Celle di carico
• Circuito a ponte estensimetrico ( basato sul ponte di Wheatstone )
• portate: da 0,5 kg a 1·106 kg
• alimentazione: max 10 V
• uscita a carico nom.: 2 10 mV / V
• resistenza di uscita: 200 500
• incertezza: da ± 0,03% f.s.
• prezzo: (quelle in foto) 400 euro
Trasduttori resistivi 36 / 37
Trasduttore di pressione con estensimetri semiconduttivi
Il GF degli estensimetri a semiconduttore è molto più elevato di quello degli estensimetri metallici
sono tipici valori di GF = 200
Trasduttori resistivi 37 / 37
biblioteca mks@• Trasduttori di posizione
– Potenziometri
» Manuale dei trasduttori di posizione.16 pagine©GEFRAN
• Trasduttori di temperatura
– Termoresistori Pt100
» The RTD3 pagine©OMEGA
» Resistance elements and the RTDs3 pagine©OMEGA
» Construction and applications of Resistance Thermometers15 pagine©Jumo
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biblioteca mks@• Trasduttori di temperatura:
– Termistori NTC
» Siemens NTC Handbook164 pagine©Siemens
» Epcos NTC Handbook12 pagine©Epcos
– Termistori PTC
» Siemens PTC Handbook186 pagine©Siemens
» Resistance elements and the RTDs3 pagine©OMEGA
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biblioteca mks@• Trasduttori di deformazione
– Estensimetri
» HBM Strain Gages and Accessories64 pagine©HBM - Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
• Trasduttori di forza e pressione
– Celle di carico
» RS Strain Gages and Load Cells10 pagine©RS
» HBM Technical Weighing Solutions20 pagine©HBM - Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH