1 misure di temperatura. 2 - effetti termoelettrici - le termocoppie - circuiti di misura - il...
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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
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