Metodi di misurazione e sensori di temperatura

La temperatura è una delle grandezze fisiche più frequentemente misurate. L'enorme varietà di necessità e di applicazioni legate alla misurazione della temperatura ha portato all'attuale situazione di disponibilità di un grande numero di sensori, trasduttori e dispositivi di misurazione. La difficoltà maggiore non è la misurazione stessa, ma la corretta scelta del sensore (trasduttore) e dello strumento di misura.

Il criterio di scelta del sensore può basarsi sui seguenti parametri:

• gamma nominale delle temperature di funzionamento
• sensibilità e linearità di misurazione
• ripetibilità dei parametri dei sensori
• precisione di misura
• caratteristiche dinamiche (rapidità di reazione)
• tipo di uscita (analogica o digitale)
• complessità circuitale del trasduttore e del circuito di misura

La maggior parte degli attuali strumenti per la misurazione della temperatura possono essere classificati come: termometri a espansione a contatto e trasduttori elettrici nonché trasduttori ottici senza contatto. I metodi a contatto al fine di eseguire la misurazione richiedono lo scambio di calore tra l'oggetto e il sistema termometrico, e sono quindi metodi invasivi, a differenza dei metodi ottici.

Termometri a espansione

I termometri a espansione costituiscono il gruppo più antico di strumenti per la misurazione della temperatura. Nella maggior parte degli strumenti viene utilizzato il fenomeno dell'espansione termica:

• nei termometri a capillare viene utilizzato un liquido (mercurio, alcol)
• nei termometri bimetallici si utilizzano coppie di metalli con caratteristiche di espansibilità estremamente diverse (leghe ferro-nichel, nichel-cromo/porcellana, invar)
• nei termometri manometrici si utilizza la variazione di pressione di un liquido, gas/vapore acqueo provocata dall'espansione termica

Le gamme di misurazione dei termometri tecnici e da laboratorio vanno da -50°C a +200°C e la risoluzione non è minore di 0,1°C. Strumenti speciali permettono misurazioni da -100°C a 400°C.

Questo tipo di termometri sono utilizzati sempre più raramente, tuttavia si caratterizzano per la loro grande stabilità, non richiedono alimentazione elettrica e sono resistenti ai fattori ambientali. Inoltre la decennale esperienza nella costruzione e nell'utilizzo di questo tipo di termometri fa si che siano ancora considerati come preziosi termometri modello, di riferimento e da laboratorio.

Termometri elettrici

I metodi di misurazione della temperatura più diffusi sono quelli elettrici, che utilizzano nei sensori le variazioni di:

• resistenza
• mobilità dei portatori di carica
• concentrazione dei portatori di carica provocate dalle variazioni di temperatura

I suddetti sensori di temperatura vengono generalmente classificati come:

• termoelettrici detti anche termocoppie (sono sensori che generano tensione e non richiedono alimentazione),
• a resistenza e a semiconduttore (sensori passivi, e quindi per la misurazione di temperatura con metodi elettrici è necessaria l'alimentazione).

La maggior parte degli attuali termometri elettrici utilizza sensori a resistenza (RTD) oppure sensori termoelettrici (termocoppie - TC). Entrambi i gruppi di sensori sono stati standardizzati nelle norme europee.

La norma EN 60584 definisce le caratteristiche e i parametri metrologici dei sensori termoelettrici (termocoppie) mentre la norma EN 60751 definisce le caratteristiche fisiche, metrologiche, permanenti e parametriche dei sensori a resistenza in platino.

I sensori a termistore non sono inquadrati all'interno di norme, tuttavia costituiscono un gruppo molto importante a motivo del basso prezzo e dell'elevata sensibilità nella gamma di temperature commerciali.

• I sensori a resistenza RTD

utilizzano la variazione di resistenza di un metallo provocata dalla variazione di temperatura.
Il materiale più utilizzato per le termoresistenze è il platino (Pt), tuttavia esistono termoresistenze realizzate in nichel (Ni) o in rame (Cu). I sensori standardizzati sono etichettati con Pt100, Pt500 o Pt1000, il che significa che la loro resistenza nominale alla temperatura di 0°C è pari rispettivamente a 100 Ω, 500 Ω o 1000 Ω. A motivo del fatto che i sensori RTD sono considerati i più precisi, la loro precisione di misura è definita dalla norma ed è indicata con la classe A o B. In pratica vi sono anche ulteriori classi di precisione: AA, C, ⅓B oppure 1/10B (Tab. 1).

Tab. 1. Elenco delle classi di precisione (tolleranza parametrica) dei sensori RTD.

La misurazione della temperatura mediante sensori RTD avviene con uno dei 4 circuiti di misura (Fig. 1). Per i sensori realizzati in classe A si consiglia un circuito con compensazione completa o parziale.

Fig. 1. Circuiti per il collegamento di sensori RTD

La corrente di misura consigliata che attraversa i sensori RTD non dovrebbe superare il valore di 1 mA per evitare il fenomeno di autoriscaldamento dei sensori. In pratica una fonte di corrente stabile, monolitica, con un valore di 100 µA ÷ 400 µA con il coefficiente di sensibilità standard del platino αPt=0,00385 Ω/°C garantisce una caduta di tensione sufficiente su un sensore Pt100 da poter utilizzare nel circuito di misura dei convenzionali convertitori analogico-digitali con risoluzioni da 16 a 24 bit.

• I sensori a termistore

sono un tipo di termoresistenze realizzate con materiali sinterizzati, con elevato coefficiente di temperatura. Si dividono in sensori NTC, con coefficiente di temperatura negativo, nei quali l'aumento di temperatura provoca la riduzione della resistenza del sensore, e in termistori di tipo PTC, con coefficiente di temperatura positivo, I termistori sono caratterizzati da una elevata sensibilità nella gamma di temperatura 50°C ÷ 125°C. Tuttavia nella gamma di temperatura estesa hanno un comportamento fortemente non lineare e questo ostacola il calcolo della temperatura a partire dalla resistenza e riduce la precisione di misurazione. I circuiti di alimentazione e i circuiti di misura sono gli stessi dei sensori al platino RTD.

• I sensori termoelettrici (termocoppie)

utilizzano l'effetto Seebeck, che consiste nel fatto che in un circuito elettrico con due giunzioni di diversi metalli o leghe metalliche, si genera una differenza di potenziale. Il valore della differenza di potenziale dipende dalla differenza tra le temperature delle giunzioni e dal loro tipo. La giunzione calda è quella di misura, mentre le estremità libere dei conduttori costituiscono il punto di riferimento (Fig. 2).

Fig. 2. Concetto del sensore termoelettrico

Il valore della differenza di potenziale dipende dalla differenza tra le due temperature e dal valore dei coefficienti di Seebeck dei metalli che creano il sensore. Per ottenere una misurazione accurata in pratica si applica la compensazione (CJC) delle variazioni di temperatura delle estremità libere del sensore, mediante l'ulteriore misurazione della temperatura T2. La misurazione viene eseguita nel punto della giunzione di riferimento, e a tale scopo viene utilizzata una termoresistenza, un termistore o un'ulteriore termocoppia.

Scegliendo opportunamente i materiali della giunzione è possibile ottenere un'elevata sensibilità, espressa in mV/°C. Nella tabella 2 sono elencate le configurazioni più utilizzate di metalli che creano la giunzione di misura delle termocoppie e i parametri elettrici delle giunzioni, secondo l'attuale norma EN 60584.

Tab.2. Tipi standard di termocoppie, gamma di misura, identificazione

La precisione di misura delle termocoppie deriva dalla classe 1 o 2 e dalla gamma di misurazione. Nella gamma di base la precisione dei sensori realizzati in classe 1 è pari a ±1,5°C. Nella gamma di temperatura da -40°C a +125°C la termocoppia di tipo T (Cu-CuNi) ha la precisione massima, pari a ±0,5°C.

Termometri ottici

Tra i sensori di temperatura vi sono anche quelli che utilizzano fenomeni ottici. Le strutture più diffuse dei termometri utilizzano le fibre ottiche e i sensori pirometrici.

• I termometri a fibre ottiche

ad azione indiretta utilizzano dei sensori a semiconduttore GaAs, termocromatici, a fotoluminescenza e altri, per la misura vera e propria, e successivamente con la fibra ottica trasmettono il segnale dal sensore di temperatura al trasduttore optoelettronico.

In caso di sensori a fibre ottiche ad azione diretta, la fibra ottica stessa costituisce il sensore. Utilizzando il fenomeno della dispersione ottica, la variazione dell'angolo di rifrazione o la variazione dell'accoppiamento tra due fibre ottiche è possibile determinare la temperatura media della fibra ottica o addirittura la distribuzione di temperatura per un determinato tratto di fibra ottica.

I sensori a fibre ottiche a motivo delle loro caratteristiche particolari trovano soprattutto applicazione come termometri per impieghi speciali.

Sono resistenti chimicamente e meccanicamente, sono insensibili ai campi elettrici, magnetici e alle interferenze elettromagnetiche. Hanno un campo di misura potenziale da -200°C fino a 2000°C, buone caratteristiche dinamiche e possibilità di trasmissione del segnale a distanze elevate.

• I sensori pirometrici (pirometri)

fanno parte del gruppo dei sensori di temperatura senza contatto. Questo costituisce una loro caratteristica rilevante e grazie a ciò la misurazione ha carattere non invasivo: il sensore pirometrico non deve scambiare calore con l'oggetto per poter eseguire la misurazione.

In tal modo non si disturba il campo termico durante la misurazione e le sue caratteristiche dinamiche sono incomparabilmente migliori. I sensori pirometrici rilevano la radiazione termica emessa da ogni corpo. L'intensità della radiazione termica è strettamente legata alla temperatura e principalmente si trova nell'ambito dei raggi infrarossi e della luce visibile.

I sensori pirometrici utilizzano sistemi ottici, realizzati con lenti, fibre ottiche e specchi, che indirizzano il segnale ottico a rivelatori termici o fotorivelatori. La radiazione termica (raggi infrarossi o luce visibile) può essere misurata ad una certa distanza dall'oggetto in quanto non viene molto disturbata. Per questo i pirometri eseguono misurazioni a distanza della temperatura di punti precisi. Purtroppo l'intensità della radiazione termica non dipende unicamente dalla temperatura. Il tipo di materiale e le caratteristiche fisiche della superficie (liscia, ruvida, rivestimento di ossidi, riflettanza ed altro) determinano l'emissività della radiazione termica. La capacità di radiazione termica viene stabilita attraverso il coefficiente di emissività. Tale parametro è descritto più approfonditamente nell'articolo: Współczynnik emisyjności - wpływ na dokładność pomiaru temperatury.

I termometri pirometrici possono eseguire misurazioni nella gamma di temperature da 50°C a 3000°C. La massima precisione, al livello del 0,5%, viene raggiunta dai pirometri fotoelettrici e a doppia lunghezza d'onda. Per quanto riguarda le caratteristiche dinamiche, il tempo di misurazione non supera 1 secondo e nel caso di pirometri fotoelettrici è compreso tra 5 e 100 millisecondi.

Lo svantaggio dei semplici pirometri manuali è la necessità di impostare l'emissività durante la misurazione e di puntare il pirometro in maniera precisa, perpendicolarmente, sulla superficie da misurare.

Uno sviluppo del concetto di sensori ottici senza contatto sono le termocamere, il cui principio di funzionamento è analogo a quello dei sensori pirometrici a singolo punto, con la differenza che con opportuna risoluzione eseguono la misurazione della temperatura di un'intera superficie.

Confronto delle caratteristiche

A motivo della grande varietà di sensori e trasduttori di temperatura disponibili, la scelta della soluzione più adatta è spesso il problema fondamentale. La tabella sottostante presenta il confronto tra le tecnologie di rilevazione più utilizzate.

Tab. 3. Confronto delle caratteristiche dei principali sensori e trasduttori di temperatura

Importanza del parametro:

*** grande

** media

* piccola

Riepilogo

Tra i sensori di temperatura nella gamma di temperature industriali -25°C ÷ 125°C si evidenzia sempre più la tendenza ad un livellamento dei prezzi, sia dei sensori e trasduttori stessi che dei sistemi di misurazione e registrazione della temperatura. I termometri e registratori elettronici, di categoria media che utilizzano termocoppie e termoresistenze RTD hanno prezzi comparabili. Allo stesso livello di prezzi vengono offerti anche pirometri e semplici termocamere. Tutti i prodotti sopra indicati sono presenti nell'offerta AXIOMET.

Nel caso di notevole aumento della precisione di misura, della dinamica, della gamma o della risoluzione di misurazione, il prezzo del termometro aumenta significativamente. In tal caso le conoscenze di base qui presentate e le tabelle relative alla misurazione della temperatura sono necessari per poter operare la corretta scelta del sensore.