Sensori per la temperatura

A causa della sua importanza per materiali e processi a livello molecolare, la temperatura è la caratteristica fisica più ampiamente misurata. La temperatura è l’intensità del caldo o del freddo misurata rispetto a una scala predeterminata. La quantità di energia termica presente in un sistema o in un oggetto è un’altra definizione di temperatura. L’energia molecolare e l’energia termica sono intimamente correlate; l’energia molecolare aumenta al diminuire dell’energia termica.

I cambiamenti che si verificano nei materiali o negli oggetti quando la loro temperatura cambia vengono osservati utilizzando sensori di temperatura. Una variazione di una grandezza fisica correlata a una variazione di temperatura può essere rilevata dai sensori di temperatura. Qualsiasi quantità fisica, come tensione o resistenza, potrebbe essere la quantità fisica. I sensori che convertono l’energia elettrica in energia termica si basano sull’effetto di riscaldamento del conduttore di una corrente. I sensori che convertono l’energia termica in energia elettrica necessitano di un differenziale di temperatura per funzionare.

Tipi di sensori di temperatura

Esistono due diversi tipi di rilevamento della temperatura: basato sul contatto e senza contatto. Il sensore sarà in contatto fisico diretto con l’oggetto misurato nel rilevamento della temperatura basato sul contatto. Quando si utilizza il rilevamento della temperatura senza contatto, il sensore decodifica l’energia radiante della fonte di calore. La regione infrarossa dello spettro elettromagnetico contiene l’energia nota come energia radiante. Le tecniche senza contatto possono essere utilizzate per monitorare solidi e liquidi non riflettenti.

Esistono tre classi di sensori di temperatura che possono essere utilizzati, inclusi elettromeccanici, resistivi ed elettronici.

Sensori, elettromeccanici

Strisce bimetalliche o termostati bimetallici

A causa di quanto siano incredibili i corpi umani, a seconda del tempo, ci sentiamo troppo freddi o troppo accaldati. I nostri corpi hanno sistemi di autoregolazione che possono modificare e mantenere la nostra temperatura corporea interna a 370°C. I termostati vengono utilizzati nelle nostre case per mantenere la temperatura desiderata in modo simile.

La temperatura all’interno dell’abitazione è misurata da un termostato, un sensore elettromeccanico del tipo a contatto. Dalla sua creazione nel 17° secolo, la tecnologia dei termostati è progredita in modo significativo. Un sensore di temperatura e un interruttore attivato dal calore costituiscono oggi un termostato. Il circuito elettrico fluirà o verrà interrotto a causa dell’apertura o della chiusura dell’interruttore. I termostati sono disponibili in varietà meccaniche ed elettriche. Entrambi i modelli, pur avendo funzioni diverse, misurano la temperatura ambiente.

Un termostato bimetallico, come suggerisce il nome, è costituito da due metalli distinti che vengono rivettati insieme per creare una striscia composita. Sotto l’influenza della pressione e del calore, le due strisce di metallo vengono unite. Utilizzando l’espansività lineare di due metalli distinti o le diverse velocità di espansione, l’energia termica può essere trasformata in movimento elettromeccanico. L’espansività lineare di un materiale, nota anche come coefficiente di espansione, misura la proporzione della variazione di lunghezza per grado di variazione di temperatura. Poiché un metallo ha un coefficiente di espansione più elevato dell’altro, una striscia si piegherà quando riscaldata. Qualsiasi sensore di spostamento può rilevare questa flessione.

Resistenza sensibile

Termistori

I termistori sono resistori termicamente sensibili. La resistenza elettrica dei termistori varia con la loro temperatura. Sono composti da due o tre diversi ossidi metallici, uno dei quali è l’ossido di zinco. Questa combinazione è posta all’interno di una base isolante in ceramica.

I termistori con coefficiente di temperatura positivo e coefficiente di temperatura negativo sono i due tipi di termometri disponibili.

Dispositivi per temperatura resistiva (RTD)

La resistenza elettrica degli strumenti di temperatura resistivi varia per misurare e controllare la temperatura, proprio come quella dei termometri. L’elemento sensibile, i fili di collegamento e uno strumento di misura sono tutti componenti dei dispositivi di temperatura resistivi. Tra l’elemento sensibile e l’apparecchiatura di misurazione vengono impiegati fili di collegamento e viene utilizzato un supporto per posizionare l’elemento durante la procedura.

Un resistore che cambia la resistenza con la temperatura funge da componente del sensore. Una bobina di filo con conduttori intagliati costituisce l’elemento sensibile. Questo è racchiuso in ceramica e il vetro ceramico funge da sigillo. Una bobina di filo può anche essere sostituita da una pellicola conduttiva.

Sensori Termocoppie Elettronica

Una termocoppia viene creata quando due conduttori di metalli diversi sono collegati a un’estremità di un circuito. Hanno meno restrizioni materiali perché non hanno componenti di rilevamento come dispositivi di temperatura resistivi. Rispetto agli strumenti di temperatura resistivi, possono sopportare temperature molto più elevate.

I sensori al silicio

I sensori al silicio sfruttano le caratteristiche di resistenza elettrica dei materiali semiconduttori. Invece di guardare solo all’intersezione di più patch drogate, le qualità di resistenza vengono valutate complessivamente. I sensori al silicio hanno un coefficiente di temperatura positivo a basse temperature, il che significa che la resistenza aumenta linearmente all’aumentare della temperatura.

Tutti gli oggetti rilasciano energia infrarossa quando la temperatura è superiore allo zero assoluto, o 00K, secondo uno strumento chiamato pirometro a infrarossi. La temperatura di un oggetto e la sua energia IR irradiata sono direttamente correlate. L’energia IR emessa da un oggetto viene misurata da sensori a infrarossi, che traducono il risultato in una tensione. L’infrarosso ha una gamma di lunghezze d’onda da 4 a 20 micron. Per produrre una lettura della temperatura, un circuito di condizionamento condiziona la tensione di uscita.

Riflettività, trasmissività ed emissività sono le variabili che influenzano la precisione del rilevamento a infrarossi. La riflettività è una metrica utilizzata per misurare la capacità di un oggetto di riflettere l’energia IR. La trasmissività di un oggetto è un indicatore di quanto bene può trasferire l’energia IR. L’emissività di un oggetto serve come indicatore della quantità di radiazione IR che può emettere. Se l’emissività di un oggetto è zero, si parla di riflettore perfetto. Il 100% della radiazione IR applicata verrà emessa o assorbita da un oggetto con un’emissività di 1,0.

Termocoppia

Il componente di rilevamento più utilizzato nei sensori termici è la termocoppia. I due conduttori di una termocoppia sono fatti di metalli diversi. I due metalli in una termocoppia hanno sempre un potenziale di contatto tra di loro, e questo potenziale cambia al variare della temperatura. Per misurare il potenziale di contatto sono necessarie due connessioni di circuito o giunzioni. I termini “giunto caldo” e “giunto freddo” sono usati per descrivere queste intersezioni. La connessione fredda o di riferimento è mantenuta a una temperatura di riferimento predeterminata mentre la giunzione calda o di misura è esposta a una temperatura di processo.

La tensione può essere misurata quando le giunzioni sono a temperature diverse perché nel filo scorrerà una corrente proporzionale alla differenza di temperatura. La tensione sarà spesso nell’intervallo di pochi millivolt. La tensione di uscita è 0 se le temperature alle due giunzioni sono identiche. La tensione di uscita aumenta fino a raggiungere un valore di picco quando la temperatura di una giunzione aumenta.