Sensori di Temperatura

I sensori di temperatura si distinguono in:

  1. resistivi (RDT) (metallici o a semiconduttore)
  2. a diodo
  3. termocoppie.

[termometri a resistenza metallica] [thermistor NTC e PTC] [termometro a diodo]
[la termocoppia]

Termometri a resistenza metallica

La resistività di un metallo, per temperature non troppo basse, segue un andamento quasi lineare:

r(T) = ro(1 +aT)
dove a(T)=(1/r)dr/dt è il il coefficiente di temperatura, dell’ordine di qualche permille per grado.

Una interpolazione polinomiale r(T) = ro(1 +a1T+ a2T2+…), può quindi essere troncata al termine del primo ordine. In questa approssimazione il coefficiente a1 si identifica con il coefficiente di temperatura.

Il segnale prodotto è proporzionale alla tensione Vr di polarizzazione, ma anche la potenza erogata al termometro è proporzionale a Vr2, (autoriscaldamento).

I sensori metallici hanno piccola massa (risposta pronta) e discreta linearità su un ampio intervallo di temperatura. Intervallo utile: per gli elementi di platino si va da 10 K a 800 K (a quasi costante, debolmente decrescente con T), per il nichel da –60°C a +300 °C (A crescente con T).

I termomeri a sensore di platino hanno rimpiazzato i termometri a mercurio ovunque si richieda una misura accurata di temperatura

 

Thermistor NTC e PTC

Gli RTD a semiconduttore possono essere a coefficente di temperatura negativo (NTC) positivo (PTC)
I termistori NTC hanno una resistenza che dipende circa esponenzialmente dalla temperatura assoluta R(T)=R0exp(b/T), ed esibiscono quindi una notevole non-linearità, con una sensibilità che varia inversamente con il quadrato della temperatura assoluta T (a = ∂R/R∂T = b/T2).
Inoltre sono soggetti a deriva temporale che è dell’ordine di 10–3/anno.

I termistori offrono valori ohmici a in un intervallo vastissimo e possono avere dimensioni ridottissime (risposta molto rapida).

I termistori PTC hanno un coefficiente termico costante in un limitato intervallo di temperature, con discreta sensibilità (dell’ordine di 10-2 K-1).


Con gli NTC si possono usare vari circuiti per ridurre la non-linearità (es. una resistenza in parallelo al sensore e una in serie) oppure si può procedere, mediante l’uso di un microprocessore, alla linearizzazione digitale mediante interpolazione della curva di calibrazione.

Il termistore è l’elemento che è incluso nel sensore di temperatura fornito con CBL.

 

Termometro a diodo

Il termometro a diodo sfrutta il fatto che la dipendenza dalla temperatura della tensione diretta Vf di una giunzione p-n polarizzata con corrente If costante è quasi lineare per temperature T > 30 K (˜–240 centigradi).

Vf = Vo  g(If)T
ove la pendenza g(If) dipende solo debolmente (logaritmicamente) dalla corrente di polarizzazione.

Vantaggi : buona linearità e discreta sensibilità (2 mV/K)

Esistono anche circuiti integrati che comprendono già, insieme al diodo usato come sensore di temperatura, il circuito di condizionamento del segnale.

Un sensore a diodo integrato è contenuto nei termometri Vernier: (National LM34 termometro standard o Analog Device 590 per risposta veloce).

 

La termocoppia

La termocoppia sfrutta la dipendenza dalla temperatura della forza elettromotrice ai capi di una giunzione tra metalli diversi (effetto Seebeck). Questa forza elettromotrice è funzione crescente di T, ed è quasi lineare in prossimità della temperatura ambiente.

Vantaggi :

  • prontezza (piccola massa)
  • facilità di accoppiamento termico (con fili sottili e lunghi)
  • esteso intervallo di lavoro (70 - 1000 K)
  • basso costo, non richiede polarizzazione

I tipi più usati sono J (Ferro+, Costantana–) e K (Cromel+, Alumel–)


EFM di termocoppieJ e K in funzione della temperatura

In sostituzione del tradizionale bagno di ghiaccio in cui immergere la giunzione di riferimento si può usare un sistema elettronico di compensazione, ad esempio usando un integrato a diodo.

Esistono circuiti integrati che funzionano da convertitori di segnale di termocoppia con inclusa la compensazione (ma non la linearizzazione) la cui uscita è circa proporzionale alla temperatura (dVout/dT=10V/C) .