Elettronica applicata e misure Prefazione

Appunti del corso di Elettronica applicata e misure. !Prefazione degli studenti !!Questo documento vuole rappresentare un insieme di appunti di supporto del corso di Elettronica applicata e misure.!!Il seguente documento è un insieme di appunti del corso di Elettronica applicata e misure. Si vuol ricordare che tali appunti possono essere affetti da errori e imprecisioni e per questo motivo si richiede di comunicare ai sottoscritti, alle email: oncle.picsou@icloud.com e cristianocavo@icloud.com, con eventuali correzioni e/o suggerimenti nella stesura, indicando chiaramente il documento a cui si riferisce.!!In quanto si tratta di un documento di appunti di libera pubblicazione gli autori non si assumono alcuna responsabilità del contenuto.!!Il testo è stato redatto attraverso l’applicativo Pages® for Mac; alcuni grafici sono realizzati attraverso il software di calcolo numerico Grapher®, alcuni sono stati disegnati a mano tramite il software di disegno a mano libera Penultimate® altri ancora sono stati presi direttamente dalle slide disponibili sul portale; per la rappresentazione di alcuni circuiti è stato usato iCircuit®.!!Come usare gli appunti.!!Tali appunti sono stati concepiti in modo tale da essere utilizzati con il supporto delle slide del professore, infatti viene seguita la stessa suddivisione delle lezioni. Il titolo in rosso all’inizio di ciascuna lezione rappresenta il titolo della lezione stessa, mentre i vari sottotitoli in rosso nel documento sono associati al numero della pagina della slide di riferimento.!!Gli appunti sono divisi in base a ciascuna lezione:!!Misure !A. Parte I!

1.  Oscilloscopio digitale (scritti a mano)!2.  Generalità misure (scritti a mano)!3.  Stima Incertezze!!

F. Parte II!1.  Voltmetri digitali !2.  Voltmetri AC !!

G. Parte II!1. Sensori di temperatura (prima parte)!3. Misure tempo e frequenza!4. Generatori di segnale!!!!!!

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Elettronica applicata e misure PrefazioneElettronica applicata!!B.  GRUPPO B - Circuiti digitali!

1.  Richiami su circuiti logici (scritti a mano)!2.  Parametri dinamici dei Flip Flop (scritti a mano)!3.  Circuiti sequenziali (scritti a mano)!4.  Logiche programmabili (scritti a mano)!6.  Comparatori di soglia (scritti a mano)!7.  Generatore onda quadra  !8. Esercitazione 2!!

C. Bus e interconnessioni!1.  Interconnessioni     !2.  Modelli a linea di trasmissione!3.  Connessioni con linee!4.  Cicli di trasferimento base!5.  Protocolli di bus!6.  Esercitazione 3: Collegamenti seriali !7. Collegamenti seriali asincroni!8.  Collegamenti seriali sincroni!9.  Integrità di segnale!!

D. Sistemi di acquisizione dati!1.  Integrità di segnale!2.  Convertitori D/A!3.  Conversione A/D!4.  Convertitori pipeline e differenziali!5.  Condizionamento del segnale!6.  Filtri!7. Esercitazione 4: Sistemi di conversione!!

E.  Alimentatori e regolatori !1.  Circuiti di potenza !2.  Sistemi di alimentazione !3.  Regolatori a commutazione!4.  Altri sistemi di alimentazione (non è stato trattato nell’A.A. 2013/2014)!5.  Esercitazione 5: regolatori lineari e SW.

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Elettronica applicata e misure Lezione G1

Gruppo lezioni G1 !Sensori !!1. Introduzione In questa lezione parleremo dei sensori, in particolare i sensori di temperatura: termometria a resistenza e termometria non a resistenza e prenderemo in considerazione alcune generalità.!!

Come si vede in figura una qualsiasi grandezza fisica entra in un sensore il quale la converte in un'opportuna corrente o in un'altra grandezza che può essere facilmente misurabili come ad esempio la differenza di potenziale.!Si stima che nel mondo ci siano circa 1000/2000

grandezze fisiche.Quindi occorre avere altrettanti sensori. Tuttavia non è proprio così poiché una stessa grandezza fisica può essere misurata da più sensori. Basti pensare alla distanza tra due pianeti in cui occorre utilizzare un particolare sensore. Invece per la distanza tra due piste di due circuiti o utilizzare un altro sensore. Questo porta a dire che esistono più sensori di quante grandezze fisiche esistono. E il mondo della ricerca di sensori è in continuo sviluppo poiché che s'cercano sempre nuovi sensori.!Inoltre i sensori convertono una grandezza di tipo fisico in una grandezza che si può misurare facilmente e quest'ultima può essere convertita in digitale e operare in seguito. In digitale. Quindi si può dire che i corsi di elettronica possono in qualche modo essere riassunti con lo schema. Poiché una grandezza fisica e dello sensore e in seguito viene manipolata con un processo digitale. Negli anni passati invece si doveva creare dei circuiti che operavano in modo totalmente analogico.!!Si stima che le grandezze di tipo chimico sono circa 10000 e non per tutti esistono un sensore per misurarle. Ma si può misurare tale grandezze attraverso reazioni chimiche.!La frontiera di sensori è che si sente di creare sempre nuovi sensori possono in qualche modo misurare delle grandezze fisiche.!In figura è la regola generale di come sono fatti i sensori. Ma ci sono sempre più eccezioni.!!2. Sensori Il sensore, chiamato anche trasduttore, convertitore o rilevatore, è un dispositivo che:!1. riceva un segnale di ingresso, costituito da una grandezza fisica x(t) e lo restituisce sotto

forma di informazione utilizzando una funzione di trasferimento;!2. fornisce un segnale d’uscita, che viene definito in base alle informazioni ottenute nel punto

precedente.!!Il segnale di uscita è normalmente una grandezza elettrica. La funzione di conversione nominale è:!!y(g) = [gx(t)] !!e dovrebbe essere possibilmente lineare (tale funzione è nota a priori). Prima si creava delle funzioni di conversioni le più lineari possibili, poiché a valle di strumenti non ero in grado di manipolare adeguatamente il segnale. Ora gli strumenti a valle hanno a bordo una CPU la quale è in grado di svolgere delle funzioni anche molto complesse. Quindi non è più così importante avere una funzione lineare. Ciò che invece è importante sempre avere è l'incertezza della funzione che il sensore utilizza.!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 Inoltre poiché il sensore è lo strumento non sono correlate allora anche le loro incertezze non sono correlate e quindi non si possono fare delle semplificazioni in modo tale che incertezze diminuiscono.!!!3. Mercato italiano dei sensori Il mercato italiano dei sensori è all’incirca definito in questo modo, sensori di:!pressione! 34%!temperatura! 19%!chimici!! 15%!peso! ! 11%!portata!! 9%!livello! ! 5%!altri! ! 7%!!4. Caratteristiche della produzione La concentrazione più alta di aziende che producono i sensori nei paesi si trova in quelli più industrialmente e tecnologicamente sviluppati. In Italia ci sono pochi produttori di sensori. Solitamente, le aziende che li producono, sono di grandezza medio piccola, oppure piccole divisioni di grandi aziende.!!L’innovazione tecnologica è importante, perché permette un utilizzo più esteso e nuove applicazioni di sensori con principio di funzionamento noto. Man mano che si avanza tecnologicamente i sensori vengono sempre di più realizzati in modo integrato con il sistema cui interagiscono e inoltre si applicano principi di funzionamento dei sensori più nuovi e sviluppati.!!Europei, America, Indiani, Cina, Giappone sono i produttori dei sensori.!In Italia si ha delle aziende di nicchie.!In tutto il mondo le aziende sono medie/piccole.!I sensori sono ad esempio dei transistor i quali sono influenzati dalla temperatura. Ad esempio nei circuiti in cui si vuole molta precisione non si possono utilizzare quei transistor che sono influenzati dalla temperatura. Tuttavia questi transistor e sono influenzati dalla temperatura sono ottimi rivelatori di temperatura poiché al cambiare della temperatura cambiano il loro modo di funzionare. Il conte di W. È un ottimo esempio di circuito nel quale si hanno delle resistenze che hanno un'incertezza più o meno elevata a seconda della variazione della temperatura. Quindi questo ponte può essere utilizzato come sensore di temperatura. Sta di fatto che l'effetto Seebeck è un ottimo sensore.!Molte volte nello studio dei circuiti si sono eliminati dei parametri o si è tentato di correggere delle funzioni che erano in qualche modo correlate a delle grandezze fisiche. Tale correlazione può essere utilizzata come sensore.!I sensori all'interno di integrati sono più robusti che hanno interazioni con un esterno minore e quindi si sta tentando di andare in quella direzione.!!!5. Grandezze di influenza Le grandezze di influenza dei sensori sono tutte quelle grandezze fisiche che sono attinenti al sistema misurato (con eccezione del misurando), all’utilizzatore e all’ambiente che influenzano significativamente con le loro variazioni, il comportamento del sensore.!!I fattori più noti e comuni sono:!1. la temperatura;!2. la pressione, accelerazioni e vibrazioni;!3. l’umidità;!4. i campi magnetici statici e variabili;!5. le tensioni di alimentazione;!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 6. il tempo.!!La funzione di conversione di un sensore diventa dunque:!!Y(t) = G[ x(t), g1, g2, g3, g4, …, gt ]!!dove le gi sono le grandezze di influenza.!!6. Comportamento energetico Al segnale di ingresso risulta sempre associata una certa energia che è scambiata fra il sensore e il sistema misurato, provocando di conseguenza una certa perturbazione su entrambi i sistemi, in particolare sul sistema misurato.!!Gli effetti di carico: assorbiscono energia dal sistema misurato, che varia il suo stato modificando la grandezza fisica che è misurata. Per esempio: la capacità termica e la resistenza termica verso l’ambiente di un termometro sottraggono calore all’oggetto di cui si vuole misurare la temperatura.!!E quindi è una grandezza di influenza, perché non si misura più la vera temperatura ma una temperatura un po’ sfalsata poiché è la temperatura del termometro e del oggetto che si vuole misurare.!!7. Sensori attivi I sensori di tipo attivo sono visti dall’utilizzatore come dei generatori di tensione o di corrente. Per esempio:!!Alcuni libri li dividono in due blocchi: Sensori attivi e sensori passivi!!!!!!!!!8. Sensori passivi I sensori passivi sono quelli che dall’utilizzatore vengono visti come se fossero delle impedenze,!ad esempio:!!La resistività varia a secondo della lunghezza e quindi della deformazione, quindi si può calcolare la temperatura e la deformazione perché varia la resistività. Per la formula!!!!!!I sensori attivi sono i sensori che non hanno bisogno di essere stimolati. Sono ad esempio i voltmetri. Mentre i sensori passivi sono visti come sensori che devono essere stimolati dall'ambiente esterno. Con sensori passivi occorre avere sia uno strumento descritto prima sia uno strumento "passivo".!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 La temperatura fatta con una resistenza si deve avere una resistenza (oggetto passivo) sia uno strumento che misuri la temperatura della resistenza e come visto sopra potrebbe essere fatto con l'effetto termo elettrico.!La differenza di capacità si misura la posizione. Si utilizza un condensatore a facce parallele. Un'armatura è fissa mentre l'altra è collegata all'oggetto che si muove, quando l'oggetto si avvicina alla armatura allora la capacità diminuisce mentre se l'oggetto si allontana la capacità aumenta poiché è collegato (l'oggetto) a una delle due armature.!Si può utilizzare il principio del condensatore mettendo tra i due armature una spugna la quale quando sarà bevuta di umidità farà variare la capacità totale del condensatore e la stessa cosa accade quando l'umidità diminuisce. Poiché la spugna fa da elettrico tra le due armature. !!9, 10, 11. Conoscere un sensore: le basi La specie è che misura si deve misurare (es. la tensione, la corrente, ecc..).!Il campo di misura ossia in quale campo di misura valgono le misure che si fa. E in quel campo valgono le incertezze dichiarata dal costruttore, al di fuori di esse non valgono più.!Se si misura una tensione tra 0V e 100V l'incertezza è di 3V. Al di fuori di tale campo(0V, 100V) non si conosce più quanto vale l'incertezza. Tra 0V e 100V è il campo di misura.!Campo di sicurezza è quel intervallo in cui sensore funziona ancora ma non si possono prendere le misure per buone poiché non vi è dichiarata l'incertezza. Si può dire che il campo di misura e il nocciolo più interno in cui si può misurare e si ha l'incertezza. In seguito si ha un blocco soprastante il quale si può misurare ma non si ha nessuna incertezza o meglio dire non si conosce l'incertezza. In seguito si ha il campo in cui lo strumento si va a misurare si spacca. A quest'ultimo e il campo di misura viene chiamato campo di sicurezza. !!Per poter descrivere un sensore, bisogna conoscere quali sono le caratteristiche che ne accomunano le diverse tipologie, in particolare per ciascun sensore si deve almeno:!• conoscerne il principio di funzionamento;!• conoscere alcune specifiche basilari di tale sensore, come la specie, il campo di misura e il

campo di sicurezza.!• conoscere le specifiche di uscita come, ad esempio: la specie, il campo di normale

funzionamento, i valori di sovraccarico, la potenza erogabile, l’impedenza di uscita, l’incertezza intrinseca dell’uscita.!

• avere conoscenze sull’alimentazione ausiliaria.!Inoltre, esistono caratteristiche di tipo metrologico in regime stazionario, quindi è bene sapere:!• la funzione di taratura, conoscendone la curva di taratura, l’accuratezza (sensibilità, linearità,

risoluzione e isteresi);!• la ripetibilità;!• la stabilità.!!Ma anche quelle in regime dinamico, quindi si dovere sapere:!• la risposta in frequenza (tipo di sistema);!• la risposta al transitorio (tempo di risposta).!!È altresì bene sapere quali siano le condizioni operativo di impiego dello strumento, il suo tempo di vita (anche in termini di affidabilità e guasti), le caratteristiche fisica (di che materiale è fatto?) e il suo costo.!!La funzione di taratura può essere data attraverso una tabella, oppure attraverso un grafico.!In seguito si ha la mediana della funzione di taratura che è la mediana dell'intervallo di misura. Per il modello probabilistico la mediana è il valore sperato. Mentre per il modello deterministico è quel valore che sta ha metà es 5V+/- 3V è il 5V la mediana.!Poi ci sono anche altri parametri come la sensibilità.!!Il tempo di vita da informazioni sul tempo di vita e sulla sua manutenzione. E sulla probabilità che si guasti.!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 una macchina molto affidabile è una macchina che si sa quando si guasterà quindi in un intorno di un determinato guasto si va a sostituire il pezzo che si guasterà.!Nelle città molto grandi si ha due sistemi per fare la manutenzione di all'illuminazione: il primo consiste nelle aspettare che le lampadine si rompino, a questo punto si cambia la lampadina. Tuttavia sorgono due problemi il problema è quando sostituire una lampadina secondo problema e chi sostituisce la lampadina. Se non la balia si spacca occorre che qualcheduno dica al Comune che la lampadina si rotta e il Comune mandi una squadra a riparare la lampadina. Se tuttavia nessuno dice che la lampadina si è guastata il Comune non potrà sapere e la lampadina è rotta. Quindi il Comune dovrà inviare una squadra che vada a controllare periodicamente le varie lampadine. Sta di fatto che pagarono una squadra lavori di notte è più cara rispetto pagare la medesima squadra che lavori di giorno. Quindi alcune volte si mandano squadra a controllare il giorno che le lampadine funzionano. Sta di fatto che alcune volte si può vedere in città dei viali illuminati di giorno e la gente si domanda il perché, il motivo sta nel fatto che il Comune sta controllandosi e lampadine funzionano oppure no. Si potrebbe fare tale controllo durante la notte ma pagare la gente durante la notte costerebbe di più. !Tuttavia è molto più conveniente utilizzare il tempo di vita delle lampadine. Poiché in questo modo ogni tot di tempo si andrà a sostituire tutte quelle lampadine che da lì a poco si andrebbero a guastare. Sebbene con questo procedimento si va a cambiare anche le lampadine che funzionano perfettamente apparentemente sembrerebbe uno spreco ma in realtà da lì a poco dalle lampadine sarebbero rotte e quindi si può intuire facilmente che non è uno spreco.!Queste sono le due tipologie più utilizzate per sostituire il lampadina in un Comune. Tale esempio seppur molto semplice può far capire come il tempo di vita di un componente può essere fondamentale per la corretta gestione dei fondi finanziari e della gestione in generale.!Si potrebbe pensare ad un guasto di una locomotiva che si sapesse che una locomotiva si guasta ogni tre anni allora ogni due anni e mezzo si farebbe una revisione completa da locomotiva poiché costerebbe di meno che avere la locomotiva guasta e dover rimorchiare al locomotiva. Per!!!!12. Conoscere un sensore: incertezza intrinseca e funzione di taratura Ci sono due concetti che vanno sempre tenuti in considerazioni quando si utilizza un sensore:!1. qual’è la sua incertezza intrinseca dalla sua uscita?!2. qual’è la sua funzione di taratura?!!1. Incertezza intrinseca dell’uscita L’incertezza intrinseca rappresenta la larghezza della fascia che comprende tutti quei valori che potrebbero essere assunti per rappresentare l’uscita sotto una ben determinata condizione di funzionamento. Tale fascia di incertezze è legata alla natura della grandezza fisica che il sensore utilizza per fornire ciò che ha misurato sulla grandezza fisica esterna e alle caratteristiche di interfacciamento tra il sensore e lo strumento di misurazione.!!2. Funzione di taratura"La funzione di taratura è quella relazione che permette di ricavare da ogni valore dell’uscita la corrispondente fascia di valori del misurando. Tale relazione è costituita da una curva di taratura (o caratteristica di taratura). Tale curva rappresenta una relazione di tipo biunivoco tra l’uscita e il punto centrale della fascia di valori relativa al misurando. In poche parole: è una curva che coincide con la funzione di conversione. Tale funzione di conversione può essere fornita come una funzione di tipo analitico, ad esempio f(x) = y, oppure tramite una semplice tabella. La curva di taratura viene ottenuta in modo sperimentale: viene espressa come quella curva che meglio approssima i valori sperimentali che vengono rilevati durante il procedimenti della taratura. Un esempio immediato, può essere la funzione approssimata tramite il metodo dei minimi quadrati.!!!!!

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13. Conoscere un sensore: l’accuratezza (incertezza) La larghezza della fascia di valori rappresenta l’incertezza di cui si parlava in precedenza. Tale fascia tiene conto di quattro fattori importanti: la sensibilità, la linearità, la risoluzione e l’isteresi.!!La sensibilità viene definita con riferimento a un punto qualsiasi della curva di taratura e coincide con la pendenza. Se si ha una sensibilità costante, allora si parla di curva di taratura rettilinea. Se la curva è molto ripida, si parla di alta sensibilità e viceversa.!!La linearità coincide con il discostamento della curva da una retta. Può essere espressa come la distanza massima dei punti della caratteristica da una retta opportunamente definita. Una curva di taratura non lineare può essere linearizzata in due modi: via software mediante una tabella di correzione oppure attraverso circuiti di condizionamento analogici.!!La risoluzione rappresenta la minima variazione del misurando che provoca una variazione dell’uscita pari all’incertezza intrinseca dell’uscita. Viene anche chiamata banda morta o soglia, la risoluzione nei convertitori è l’LSB.!!L’isteresi rappresenta la massima differenza tra i valori dell’uscita per il medesimo misurando.!!La sensibilità di sensori e variabile. Ci sono sensori che descrivono perfettamente tutto ciò che può interessare con la stessa sensibilità. Mentre ci sono altri sensori come i galleggianti all'interno dello sciacquone il quale ha sensibilità solamente quando il livello dell'acqua raggiunge un certo livello. Quindi in quest'ultimo esempio se lo sciacquone vuoto o se c'è un po' d'acqua il sensore (il galleggiante fatto comunemente di polistirolo) non è in grado di percepire quant'acqua c'è. Tuttavia ma hanno lo sciacquone si riempie da un livello in su diventa sensibile e si può calcolare quanto il pieno lo sciacquone.!Lo sciacquone attraverso un galleggiante che crea un angolo attraverso un'asta comanda una valvola. Quando lo sciacquone e pieno l'asta e in parallelo al pavimento e il galleggiante galleggia sull'acqua. Quindi la valvola è chiusa. Quando invece lo sciacquone vuoto il galleggiante è sospeso in aria attraverso l'asta che apre la valvola e l'acqua fluisce attraverso la valvola che è aperta.!!Un sensore non deve avere memoria. Tuttavia tuttavia in alcuni casi è opportuno che il sensore abbia isteresi ossia che abbia memoria.!Per verificare che un sensore abbia memoria oppure no basta fargli misurare una grandezza che va da un valore minimo a un valore massimo e memorizzare in che modo è arrivato dal valore minimo valore massimo quindi la retta. In seguito si fa variare il sensore dal valore massimo al valore minimo se le corrette sono uguali allora il sensore non ha memoria mentre se le due teste sono uguali il sensore a memoria.!!Si può pensare che un sensore dia un risultato non tanto giusto ma si fa una correzione via software per ottenere un valore corretto. La ripetibilità in tale caso è la massima variazione che si può avere misurando con un sensore e correggendo via software. In altre parole si fa una misurazione Pippo-1 e la correzione è di 1 ossia Pippo+1-1=Pippo. La correzione via software è al massimo di una comunità quindi se si misura Pippo+3 questa misura non è più ripetibile poiché supera il limite di correzione del software.!!!14. Conoscere un sensore: ripetibilità e stabilità La ripetibilità rappresenta quel fattore che indica quanto è affidabile uno strumento effettuando misurazioni ripetute sullo stesso misurando nelle stesse condizioni operative. Tale ripetibilità rappresenta quindi un indice di invariabilità della caratteristica del sensore e di riproducibilità della caratteristica in vari esemplari dello stesso tipo.!!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 È molto importante conoscere la ripetibilità dei sensori ed altrettanto importante è che sia prevista una correzione via software per migliorarne l’accuratezza. In questi casi si chiede la ripetibilità, non tanto l’accuratezza.!!La stabilità è la capacità di conservare inalterate le caratteristiche di funzionamento dello strumento nel tempo.!!15. Conoscere un sensore: le condizione operative di impiego Le condizioni operative di impiego non possono essere trascurate: esse definiscono i campi di valore in cui devono essere mantenute le grandezze di influenza perché il sensore funzioni entro le specifiche.!!Si tratta di:!• campo di riferimento, espresso dalla taratura e da verifiche;!• campo di normale funzionamento, perché siano mantenute le caratteristiche metrologiche;!• campo di sicurezza durante il funzionamento;!• campo di magazzino (quando il sensore è spento deve stare all'interno di quel campo che è più

esteso del campo di sicurezza.).!!Per le principali grandezze di influenza è data la funzione di influenza (che può essere una curva o una tabella) e definisce come agisce la grandezza di influenza su una delle caratteristiche metrologiche. Tale funzione di influenza definisce la sensibilità (o sensivity in inglese) della caratteristica metrologiche alle variazioni della grandezza di influenza.!!16. Conoscere un sensore: il tempo di vita e l’affidabilità Il tempo di vita di un sensore può essere espresso in tre modi: numero di cicli, tempo di funzionamento e tempo di magazzino.!!L’affidabilità, invece, definisce la qualità dello strumento in termini di guasti indotti da debolezza strutturale del sensore o da funzionamento al di fuori dei limiti di sicurezza. Si parla in particolare di:!• degradazione, quando le caratteristiche dello strumento vengono meno man mano che il tempo

passa;!• catastrofici, quando si tratta di incidenti improvvisi, come urti, cadute, tensioni accidentali di

massa e via dicendo.!!L’affidabilità quindi, definisce in termini statistici la probabilità di un sensore di lavorare in modo soddisfacente con le caratteristiche specificate.!!17. La termometria a resistenza La termometria riguarda tutti quei sensori che sono in grado di rilevare la temperatura; in parole banali, stiamo parlando di termometri. Esistono due tipologie di base di termometria: una a resistenze e l’altra no.!!Nella famiglia dei sensori di temperatura a resistenze si osservano due sottoclassi di sensori:!1. sensore dotati di termoresistenze quasi lineari indicati con la sigla RDT;!2. sensori dotati di termoresistenze non lineari, ovvero i termistori.!!La temperatura viene misurata attraverso il Ciclo di Carnot. Attraverso la definizione del ciclo di Carnot si può misurare la temperatura. Tuttavia misurare la temperatura attraverso il ciclo di Carnot è abbastanza complicato e viene utilizzato solamente per misurare basse temperature. Questa è la Temperatura di termodinamica definita dal ciclo di Carnot.!Per ovviare a questo problema si è deciso di creare un'altra scala la quale può essere utilizzata senza particolari problemi e i punti che definiscono tale scala sono ad esempio il cambiamento di stato dell'oro o dell'acqua. In questo modo si può avere una scala di temperatura senza dover

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 utilizzare il ciclo di Carnot. Una volta ottenuti i vari punti della nuova scala basta utilizzarli un interpolatore per unificare i punti.!!Ogni tanto gli enti che si occupano delle misurazioni si riuniscono per cambiare qualcosa come ad esempio un coefficiente o una costante. Da lì che è nata le scale di temperatura che ogni giorno si utilizzano.!Per le termoresistenze si usano dei metalli puri per avere sistemi lineari. Circa 0,4% al grado variano la loro resistenza al variare della temperatura.!!!Nella tecnologia della termometria a resistenza si sfrutta la variazione di resistività con la temperatura. In altre parole, quando un particolare resistore varia la sua temperatura, varierà anche il suo valore di resistenza elettrica: si può misurare questa variazione di resistenza elettrica per determinare la temperatura.!!I resistori in questione sono specifici e vengono chiamati termoresistenze; generalmente si utilizzano metalli puri, che hanno un comportamento abbastanza lineare e un coefficiente di temperatura che si aggira attorno a 0.4% / C°. !!Oppure, in alternativa ai metalli puri, si possono usare impasti di ossidi o semiconduttori, che hanno un coefficiente di temperatura fortemente variabile e in genere negativo, questi sono i termistori.!!Si chiama scala centigradi quando tra un punto e l'altro c'è un salto di 100, tali sono le scale Faraday e Celsius.!!Riassumendo:!• termoresistenze, costituite da metalli puri;!• termistori, costituiti da leghe di ossidi o semiconduttori."!18. Le termoresistenze Nelle termoresistenze viene sfruttata la variazione di resistività con la temperatura dei materiali costituiti da metalli puri. Il coefficiente di temperatura varia con il metallo ed assume valori a temperatura ambiente di cerca 0.4% / C°.!!Un buon materiale deve essere passivo rispetto agli agenti esterni e deve essere dotato di una struttura cristallina stabile nel tempo e almeno facilmente lavorabile.!!Solitamente i materiali che vengono utilizzati sono:!• rame, per l campo (-70÷150)°C costa poco ma si ossida"• nichel, per il campo (-100÷550)°C, ma il coefficiente di temperatura non è lineare ed è difficile da

lavorare;"• platino, per il campo (-270-1100)°C è tra i migliori ma è molto caro;"• leghe nichel/ferro, per il campo (0÷400)°C;"• tungsteno e leghe di platino iridio, utilizzate per temperature molto elevate.!!19. Termoresistenze e termistori Questo grafico mostra un confronto tra i comportamenti in temperatura di diversi materiali e dei termistori:!!!!!!!

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20. Tecnologie costruttive Le soluzioni tecnologiche realizzative più conosciute sono due: a filo avvolto e a film.!!Le resistenze a filo avvolto sono molto costose, però sono stabili e hanno una costante di tempo molto grande. Si utilizzano fili sottili ed isolanti facili da formare (es. allumina). Si costruiscono sensori con valore di resistenza standard 10-100-1000 Ohm. La costruzione è fatta in modo che il filo non sia sottoposto a stress meccanici e gli agenti esterni non diminuiscano l’isolamento.!! !!

Le resistenze a film sono di dimensioni ridotte, ma hanno una costante di tempo piccola e sono meno stabili. Si ottengono per deposizione, hanno problemi per lo stress meccanico dovuto al supporto e per la contaminazione superficiale.!!Il filo è molto sottile ma non troppo.Il filo visto che è sottile non deve passare troppa corrente e non deve essere tirato se no cambia in quest'ultimo a causa dello stiramento.!!Il filo viene avvolto attorno a una bobina. Il film sottile viene incapsulato per non essere attaccato da agenti chimici o qualunque altra cosa che c'è nell'ambiente esterno.Il filo viene messo sotto forma

di s come cerchiato in figura qui sotto:!!!!!!!!21. Il legame tra la resistenza e la temperatura Il legame tra la resistenza e la temperatura per il platino puro è espresso da un polinomio del nono ordine che consente uno scarto inferiore a 0.13m °C in un campo di temperatura tra (0÷962)°C e richiede soli nove punti fissi di taratura.!!Negli ambienti industriali si utilizzano le formule di Calendar-Van Dusen:!• per (-200÷0) °C si usa: R = R0 [ 1 + A·t + B·t2 + C(t-100)·t3 ]!• per (0÷850) °C si usa: R = R0 (1 + A·t + B·t2 ).!!Se si ha un sensore di platino puro allora si ha un campione primario. Quindi si ha un campione eccezionale. Poiché si ha una equazione di nono grado allora si deve fare una taratura di nove punti per identificare i nove punti.I coefficienti sono dati dalla norme internazionali. Sono dei coefficienti dati con 20 cifre.! !22. La formula di Calendar Van-Dusen I valori di A, B e C dipendono dalla purezza del platino. Ad esempio:!!!!!!!!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 Per uso industriale si impiegano termometri costruiti con platino avente una purezza tale da generare un α medio tra (0÷100)°C pari a 0.385% / °C.!!23. Il “grado” Le termoresistenze sono classificate in categorie (gradi) in base all’incertezza che sono in grado di fornire nella misura di temperatura senza necessità di taratura. Questo parametro è fondamentale per l’intercambiabilità dei sensori.!!Usando i coefficienti che si trova nella pagina prima!!Esistono diverse normative nazionali e internazionali (ad esempio: IEC751, DIN 43760, BS-1904, JIS C1604), che in generale sono tutte molto simili. I gradi in questione sono:!• Grado I (A): 0.15°C + 0.002 t!• Grado II (B): 0.3 °C + 005 t!• C: 0.6 °C + 0.01 t!• D: 1.2 °C + 0.2 t!!24. Alcune note Per ottenere migliori accuratezze è necessario determinare i valori delle costanti (essenzialmente di A e R0) con una operazione di taratura tra punti noti, che deve essere ripetuta ad intervalli di tempo regolari che possono variare da circa 6 mesi a un anno.!!Sensori con buona accuratezza sono sempre costruiti con connessione a quattro morsetti, per definire con precisione il tratto attivo di materiale e poter eliminare gli effetti delle resistenze di contatto.!!25. I termistori Adesso introduciamo l’argomento su termistori. I termistori sono resistori con una dipendenza dalla temperatura marcata e di tipo non lineare. I termistori si suddividono in NTC (negative temperature coefficient) e in PTC (positive temperature coefficient). Gli NTC sono i più comunemente usati come sensori mentre gli NTC vengono utilizzati come protezioni.!!La sensibilità, o il coefficiente di temperatura, a 25°C varia tra (-3÷10)%/°C. Il campo di temperatura di impiego sovente è limitato verso le alte temperature.!!26. L’elevata sensibilità I termistori sono in genere molto più sensibili delle termoresistenze, ma sono dotati da una forte non linearità il che richiede alcuni circuiti di compensazione.!!Diminuisce la resistenza all'aumentare della temperatura sono gli NTC e sono i più noti. Mentre i PTC sono opposti dei precedenti.!E vengono usati nell'interno della temperatura ambiente.!!Se invece di usare dei circuiti di compensazione si può usare un software di compensazione.!!!!!!!!

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27. Il legame tra le resistenze dei termistori e la temperatura Il legame tra la temperatura e la resistenza è di tipo esponenziale:!!!!Il fattore β è detto indice di sensibilità ed è in funzione della temperatura.!!!!Spesso i termistori sono caratterizzati dal valor medio di β tra (0÷50) °C. Valori tra 3500 e 4500.!!!!Da β si può ricavare un α equivalente linearizzando l’equazione (0.03÷0.05 a 300K).!!28. Formula di Stheinhart-Hart La formula di Steinhart-Hart è una formula approssimante che serve a mettere in correlazione la variazione di resistenza con la temperatura:!!!!Questa formula viene impiegata da tutti i costruttori di termistori e usualmente limitata a soli tre coefficienti.!!!!Nei campi di temperatura di (50÷) °C l’approssimazione della curva rientra in un errore di 0,01 °C.!!Quando la formula non è nota quindi si procede al sviluppare il polinomio di Taylor. In questo caso per le industrie ci si ferma al 3 grado. E da la relazione tra la resistenza e la temperatura.!!!!29. Il grado dei termistori Anche i termistori sono classificati in classi, nonostante non siano standardizzate come nel caso delle termoresistenze, comunemente si hanno quattro classi: A, B, C e D.!!Ad esempio, per un campo di temperatura 0°C e 70°C, si definisce:!Classe A ±0.1°C!Classe B ±0.2°C!Classe C ±0.5°C!Classe D ±1.0°C.!!In questo caso l'incertezza non è data da una formula ma da un valore fisso a seconda della classe di appartenenza.!Si ha una incertezza assoluta costante.!!I termistori sono quei termometri che si vendono ad esempio per mettere sulle macchine e dicono vai piano che fa freddo e pensa ai tuoi cari, ecco questi sono termistori poco cari.!!In più si ha i termistori che si possono fare a casa usando dei diodi. E più i diodi sono poco cari e più sono "colpiti" dalla temperatura e quindi influenzati da esso (la temperatura). Quindi al variare della temperatura il diodo fa un qualcosa. Ma oltre hai diodi poco costosi si possono usare anche dei transistor poco costosi.!!

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30. Le problematiche di misura con sensori di tipo resistivo I sensori variano poco la propria resistenza, necessitano dunque di sistemi di misura con elevata risoluzione inoltre le resistenze dei cavi e quelle di contatto assolutamente devono essere prese in considerazione.!!I sensori resistivi sono misurati facendoli percorrere da corrente la quale genera del calore attraverso i fenomeni di autoriscaldamento dovuto alle forze termoelettromotrici.!!E questa deve essere presa in considerazione questo riscaldamento. La resistenza misurerà se stessa (autoriscaldamento) e sommata ad essa vi è la temperatura ambiente.!Quindi o si fa una correzione oppure si prende il valore finale (temperatura di autoriscaldamento e temperatura ambiente) e si considera l'autoriscaldamento come causa di incertezza.!!31. Risoluzione di misura Le termo resistenze variano poco (0,4% / °C) e hanno una elevata zavorra a 0 °C (per esempio PT100 significa che hanno 100 Ohm). Misurare 0.1 °C richiede un sistema di misura con una risoluzione di 0,04 Ohm su 100 Ohm, cioè 0,04%.!!Soluzione: si possono utilizzare sistemi a ponte per la compensazione dell’effetto dei 100 Ohm. I ponti sono complessi da usare e non sono lineari. In alternativa si possono utilizzare dei condizionatori con compensatori dello zero.!!32. Il problema dei cavi connettori I sensori sono collegati al sistema di misura tramite dei cavi che possono influenzare pesantemente l’accuratezza. I problemi peggiori sono:!• situazioni di fuori zero;!• variazione della sensibilità;!• sensibilità alle condizioni ambientali;!• problema sentiti in particolare nei PT100.!!La resistenza dei cavi di circa 0.02 Ohm m/mm2 a 5 m di distanza cavo 0.2mm2, R = 1 Ohm, pari a 2.5 °C.!!33. La connessione a quattro morsetti

La connessione a quattro morsetti rappresenta una soluzione, costosa e rende difficile l’uso di sistemi di commutazione, come i multiplexer.!!!!!!!

34. I ponti a tre e quattro fili Ci sono due possibilità di connessione al ponte di Wheatston in base al rapporto di resistenza del ponte.! !

Se RT << R3 si può usare una soluzione a quattro fili:!!!!!!Se Rt >> R3 si può usare una soluzione a tre fili:!!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 !!!!35. Autoriscaldamento La misurazione del valore della resistenza implica un passaggio di corrente nel resistore e quindi si ha un autoriscaldamento; tale riscaldamento che dipende dalla resistenza termica del dispositivo in analisi (il sensore stesso).!!!!!I sensore a filo avvolto hanno un parametro di RTH pari a circa (0.05÷0.3) °C / mW. Mentre i sensori a film hanno un RTH pari a (0.005÷0.02) °C / mW. I sensori più robusti hanno un RTH maggiore. !!Il grosso viene dissipato attraverso la conduzione poiché la formula è lineare. In altre parole si fa una ipotesi semplificativa in modo tale da usare una formula lineare.!!Questa ipotesi è ragionevole per il fatto che i sensori sono infilati in "strani" quindi è logico pensare che la convenzione non c'è. !L'irraggiamento non c’é perché se ci fosse la resistenza sarebbe rossa e quindi non la si fa diventare rossa perché non si vuole un forno.!!Una corrente maggiore causa una sensibilità maggiore dovuta al maggior autoriscaldamento.!!36. Le forze termoelettromotrici Utilizzando piccole correnti si hanno piccole tensioni (ad esempio 1mA equivale a 0.4mV / °C). L’effetto delle forze termoelettromotrici può diventare significativo. Soluzione: si possono usare due misure a polarità invertita o misure in AC.!!Con quella invertita si ha la possibilità di fare una media.!!Si hanno delle forze elettromotrici per il fatto che ci sono delle saldature e quindi si mette a contato il rame con lo zinco o stagno che è usato per saldare. E si mette un sensore al platino ecco li che anche li si ha due materiali diversi e quindi si ha una termocoppia.!Le forze termoelettromotrici variano lentamente quindi si possono eliminare con variazione "brusche" o misurare in AC.!!37. Termometria non a resistenza Adesso parliamo del secondo grande gruppo di rilevatori termici: la termometria non a resistenza. Tale gruppo si suddivide in tre principali sottogruppi:!1. termometria termoelettrica;!2. termometria a radiazione;!3. altri metodi più esotici.!!38. Le termocoppie L’utilizzo di termocoppie sfrutta il principio dell’effetto Seebeck: tra due giunzioni di materiali diversi poste a temperatura diversa nasce una differenza di potenziale:!!!!!!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 I coefficienti h e k dipendono dalla coppia di materiali impiegata. I valor complessivi comunque non superano che qualche decina di µV / °C.!!Naturalmente vanno da considerare che !Con la termocoppia si deve prendere in considerazione non solamente i figli che creano la termocoppia e quindi i rispettivi materiali ma anche che il materiale si utilizzano per portare le varie misurazioni a uno strumento di misurazione. Poiché ogni congiunzione di due materiali diversi crea una termocoppia.!Gli strumenti nei casi normali hanno tensioni nell’ordine del microvolmetro e nei casi migliori nell’ordine del millivolmetro.!!39. Il funzionamento delle termocoppie Diciamo subito che non è possibile provocare una circolazione di corrente in un circuito formato da un solo conduttore omogeneo, anche se di sezione variabile. La FTEM (Forze Termoelettromotrice) complessiva ai capi di un circuito formato da metalli diversi è nulla se la temperatura è uniforme lungo il circuito. La FTEM complessiva in un circuito formato da spezzoni di metallo omogeneo dipende solo dalla temperatura dei giunti. Quindi, le FTEM si verificano ogniqualvolta ci siano dei materiali di tipo differente in un filo conduttore e ci siano degli sbalzi di temperatura di qualsiasi intensità.!!40, …, 43. L’uso delle termocoppie La tensione misurata dipende dalle temperature di J1 e J2.!!

Per conoscere la temperatura di J1 è necessario conoscere la temperatura di J2, conoscere la temperatura di J3 non è tanto rilevante, in quanto il materiale è omogeneo. !!Nota: un materiale perfettamente omogeneo è solitamente difficile da ottenere, tuttavia, in questa lezione per

omogeneo si intende un livello di omogeneità talmente elevato (quindi non perfetto) che l’effetto della FTEM in tale materiale può essere trascurato rispetto a quei materiali non omogenei, nei quali la FTEM si manifesterebbe con intensità molto maggiori.!!

Un voltmetro a bobina è fatto interamente di rame ed è un po meno vero per altri voltmetri come quelli digitali.!La giunzione J3 non da problemi poiché una giunzione rame-rame e quindi è una giunzione fasulla, quindi la sua temperatura non è critica.!Ma si ha una termocoppia nella giunzione tra rame e costantana ossia nel punto (j2).Quindi si deve sapere quanto vale la temperatura in quel punto per conoscere quanto vale il risultato finale.!!!

Una soluzione potrebbe essere quella di mantenere J2 costante su una temperatura nota. La tensione è così legata al salto termico J1 - J2 cioè alla temperatura J2. La soluzione funziona perché uno dei conduttori della TC è in rame quindi non ci sono termocoppie all’ingresso del multimetro.!!Con altri materiali ogni differenza di temperatura tra J3 e J4 provoca un errore dovuto alla nuova termocoppia.!!Si potrebbe usare o l'acqua bollente per mantenere la temperatura costante sebbene usare l'acqua non è il massimo oppure si usa il ghiaccio oppure usare un termos. E si fa in modo che la temperatura interna sia la più

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 indipendente da quella esterna e li si mette il ghiaccio fondente. Non è una soluzione industriale, ma da laboratorio per il fatto che le industrie non possono in continuazione mettere ghiaccio.!!!!!

Soluzione: si può utilizzare un blocco isotermo, in questo caso J3 e J4 sono isotermi e non introducono errori. !!!In questo caso si è messo una giunzione in barattolo di ghiaccio e l'altro giunzione che è ferro-rame Allora ci si mette una piastra che tolga il salto di temperatura. Stando attenti a isolare il materiale che potrebbe se no andare in corto circuito.!

Una barretta di rame è un blocco isotermico.!!!!Le giunzioni a temperatura nota, in questo caso J3 e J4 non sono termocoppie.!!!

In questo caso si è usato vaso/thermos (http://it.wikipedia.org/wiki/Vaso_di_Dewar)!!Di solito il thermos ha come isolante del polistirolo mentre il vaso è un po più complesso!!!!!!!44. Il giunto di riferimento Il blocco isotermo si può usare anche al posto del ghiaccio misurandone la temperatura con un sensore di un altro tipo. La seguente è una soluzione di tipo industriale.!!!

Si fa una termocoppia e poi si usa un termoresistore per fare una misura. E li viene la domanda si è o lo si fa? Allora se ci si pensa a dovere basta usare tante termocopie che costano poco relativemente al termoresistore e si unisce il tutto con un multiplexer.!

In altre parole si usano tante termocoppie per misurare la temperatura, in seguito si usa solo multiplexer per far passare tutti valori attraverso in un unico termoresistore (il quale costa di più rispetto alle termocoppie).!La termocoppia di per sé è molto banale basta utilizzare due fili di diverso materiale e una saldatura e poi collegarci uno strumento. Il costo quindi è relativamente basso.!Quindi si utilizzano tante termocoppie per misurare vari valori di temperatura i quali vengono estradati attraverso un multiplexer il quale ad uno ad uno va a collegare il relativo termocoppia con l'unico strumento di misura che si ha.!Si potrebbe pensare che la temperatura varia molto velocemente ma in realtà la temperatura varia molto lentamente quindi si possono utilizzare anche un migliaio o superiore di termocoppie tutte collegate a un multiplexer il quale potrebbe andare anche frequenze abbastanza alte come 50KHz. Un convertitore a questo valore lo si trova in ogni angolo di strada.!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 Quindi a questo punto a senso questo schema.!!!!!!45. Denominazione di termocoppie Le TC sono identificate da una lettera che indica i materiali da cui sono composte. I coefficienti della funzione di trasduzione delle termocoppie sono riportati in documenti appositi (ad esempio: IEC584). Ogni TC ha specifici campi e condizioni (ambiente ossidante, riducente, ...) di impiego. Per convenzione i rivestimenti delle TC hanno colori predeterminati, grazie ai quali è possibile

identificarli (come avviene nei cavi di alimentazione: rosso, nero e bianco): esempio TC tipo J: cavi bianco(+), rosso(-), (0÷750) °C, ambiente riducente.!!!I metalli devono poter essere saldati.!Poi nei manuali c'è anche scritto se si può utilizzare questi materiali in ambienti che sono chimici o acido ecc...!!

46. Incertezza termocoppie Anche per le termocoppie si parla di gradi I (normale), II (speciale). Sono indicati due valore, tra i due si sceglie il maggiore. Per esempio: considerando una termocoppia ditipo J e di grado I: 2.2 °C o 0.75%, una TC di grado II sarà 1.1°C o 0.4%. Le termocoppie sono piccole perché è una saldatura. Quindi hanno "poca massa" quindi hanno poca inerzia termica e quindi sono molto veloci. Ergo se si deve misurare qualcosa che ha una temperatura che varia velocemente riesce bene a inseguirlo.!Anche per le termocoppie si parla di gradi una normale e una speciale. E si danno delle formule/coefficienti.!!!47. I cavi di estensione I campi d’uso si riferiscono al materiale delle termocoppie e non all’isolante. Gli isolanti per alte temperature sono cari. Si usano solitamente PVC (<100°C), TEFLON (<250°C), KATPON (<320°), Allumina (<1200°C ed è igroscopico, ovvero assorbe tantissima acqua, una sorta di spugna), MgO (<1600°C è l’ossido di magnesio o comunemente chiamato magnesia: solido bianco inodore). Di solito i cavi di estensione hanno un diametro maggiore perché non si devono avere delle termocoppie.!Si deve inoltre stare attenti alla caduta di tensione che non deve essere troppo elevata sui cavi se no non si misura più niente.!!!48. Pro e contro le termocoppie

PRO.!Le termocoppie generalmente sono caratterizzate da una costante di tempo termica molto piccola (per le termocoppie di tipo esposto che sono delicate).!!

CONTRO.!È necessario utilizzare circuiti di amplificazione e compensazione del giunto.!!L’uso delle termocoppie è perlopiù riservato agli ambienti industriali, in particolare quelli ostili (altiforni per esempio o centrali nucleari) per temperature medio-alte.!!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 Il costo generico di una termocoppia con connettore in media si aggira tra i 5 e i 10$ e 0.5 o 1$ ogni metro di cavo.! !!!!!!Si possono avere diversi tipi di giunzioni:!!Quella protetta o a massa, quella esposta (la più fragile) e quella non protetta come si vede in figura dal sinistra e andando verso destra.!!!49. La termometria a radiazione Tale termometria è basata sulla misura dell’energia emessa da ogni corpo caldo. Per ogni corpo si definiscono:!• [R] riflettanza: frazione di energia riflessa;!• [T] trasparenza: frazione di energia trasmessa;!• [A] assorbanza / emissività: frazione di energia assorbita / emessa.!!R + A + T = 1!!In un copro “NERO” si ha T = R = 0.!!Se si vuole misurare le temperature molto fredde attorno al 25K° non sono tanto utilizzate in ambito industriale ma in ambito scientifico come il pulse tube.!Fino ad adesso si sono visti termometri che possono arrivare al massimo a 1000°C come quelli di platino.!Pirometro sono i termometri per misurare la temperatura elevata. Si base sul fato che un corpo a temperatura elevata emette radiazioni.!Qui ci si affida all'irraggiamento di un corpo. In altre parole questi sensori captano l'irraggiamento di un corpo e ne deducono la temperatura.!Quando il corpo viene colpito da una radiazione si hanno tre fattori che interessano sia la tradizione che il corpo si viene colpito da esso. Si ha la proprietà di riflettanza ossia quanta energia viene riflessa dal corpo. Si ha la proprietà di trasparenza o meglio dire quanta energia riesce a passare attraverso il corpo e quindi quante energie si ha a valle. Mentre l'ultima proprietà e la proprietà di assorbanza ossia quanta energia del corpo riesce a immagazzinare o in altre parole è quella frazione che il corpo non riesce né a rifletterla nei riesce a farsi passare attraverso.!La totale di queste 3 frazioni (R=riflettanza,A=assorbanza,T=trasparenza) è uguale a 1. Questi parametri sono fatti in modo tale che la somma è uguale a 1.!Si definisce corpo nero quando T=R=0. Ossia non riflette e non riflette.!!50. Energia emessa In un copro nero l’energia totale emessa per unità di area è:! ! ! Questa è la legge di Stefan-Boltzmann.!!Dove il sigma è così definito: !!• il sigma è la costante di Stefan-Boltzmann;!• � è la costante di Planck;!• k è la costante di Boltzmann;!• c è la velocità della luce.!!Il trasferimento di energia vale: !

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 !Misurando l’energia irradiata si può risalire alla temperatura del corpo.!!51. Il colore dell’energia emessa In un corpo nero la densità di energia irradiata varia per unità di area e di angolo solido con la lunghezza d’onda e la temperatura in modo noto (la legge di Planck!).!!!!!!!

!!!Il massimo si sposta secondo la legge di Wien:!!Solo una piccola parte dell’energia cade nel visibile e solo a temperature piuttosto elevate (sopra i 600 °C.!!In parole più semplici al variare della lunghezza d'onda varia il colore che emana l'oggetto.!!In altre parole se si prende un ferro da stiro, esso è caldo ma non emette luce perché la temperatura è ancora troppo bassa. Allora alla vista sembra freddo, e invece se ci si appoggia la mano essa viene a bruciarsi e non di poco. Se invece la temperatura fosse più elevata allora si vedrebbe un colore rosso e anche alla vista appare che è caldo.!!52. Pirometro ottico Si usa un sistema a sovrapposizione di immagine con rilevazione ottica, che funziona solo a temperature elevate, tali radiazioni rientrano nella banda spettrale visibile, con sensibilità di circa 1°C.!!È possibile estendere la misura a temperature più basse utilizzando però un sensore che sia sensibile agli infrarossi. Questa soluzione fornisce sensibilità fino a 0.01 °C.!!!!!53. Sensori per infrarosso Ci sono tanti tipi di sensori ad infrarosso. Alcuni di questi sono quelli a stato solido (InAs). Sono adatti per lunghezze d’onda comprese tra i 5 e i 10 µm.!!

Altri tipi di infrarossi sono rappresentati da termopile formate da termocoppie in cui uno dei giunti è riscaldato dalla radiazione, questi sono adatti a lunghezze d’onda più ampie: oltre i 20 µm.!!Questi sensori a stato solido si utilizzano in campo industriale.!!Questi sensori a stato solido sono sensori che possono rilevare sia la luce visibile sia nel profondo infrarosso. Questi sensori sono

utilizzate ad esempio per fotografare le case in inverno e laddove c'è una riga rossa significa che bisogna coibentare meglio.!!!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 !!54. Pirometri a banda stretta

Si usa un filtro ottico ad una specifica lunghezza d’onda e sensori adatti a quella lunghezza.!!Le lunghezze d’onda inferiori forniscono risultati migliori ad alta temperatura. A bassa temperatura invece è necessario usare lunghezze d’onda maggiori.!!!!

55. Corpi non neri Se un corpo ha una riflettanza ≠ 0 allora si dice che tale corpo non è nero, si definisce così:!! !!!Se il corpo no è nero, allora la temperatura apparente è più bassa.!Se si conosce l’emissività A è possibile allora poter corregger la misura.!!Di solito tali corpi sono detti corpi colorati e da li si capisce che il colore non è altro che una radiazione emessa da corpo.!!56. Pirometro bicolore Con corpi grigi si può eliminare il problema dell’emissività A impiegando pirometri a doppia lettura o ‘bicolore’ che si basano sul rapporto tra le energie emesse a due lunghezze d’onda.!!!!!!!!Se il corpo è grigio allora �λ1 = �λ2:!

!!!57. Corpi non neri Materiali non metallici opachi possono avere emissività A = 0.8-0.9. Metalli lucidi possono avere emissività bassa e fortemente variabile con la temperatura. Con elevati valori di riflettanza R la misura dipende molto dall’ambiente.!!!!

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58. Corpi trasparenti Il problema si complica con corpi trasparenti. Con pirometri a banda stretta si può cercare una banda in cui il materiale sia opaco. Per esempio: poliestere a 7.9 µm o polietilene a 3.43 µm.!!!!!!!!59. Termometri a liquido I termometri a liquido sono basati su mercurio o alcool. Sono costruiti per funzionamento a immersione totale o parzioale. Si basano su tre elementi fondamentali:!• bulbo;!• capillare;!• camera di espansione.!L’incertezza dipende dalla lunghezza del capillare e dal campo di temperatura. Si arriva a 0.1 °C in campii di 40° con costo di 200$ circa.!!Il bulbo tipicamente è metallico per favorire il passaggio di calore.!Il capillare dove sta la sostanza che si deve dilatare.!!I termometri a liquido possono essere anche lunghi un metro.!!Non sono più tanto usati perché sono fragili, perché se cadono il capillare si spacca. Da alcuni anni è vietata la vendita perché il mercurio è tossico ed è inquinante. Allora se in farmacia ci vogliono vendere un termometro a mercurio si può denunciare perché è illegale.!!60. Termometri a gas / vapore Nei termometri a gas vapore vengono sfruttati un capillare che trasmette la pressione ad un indice. L’incertezza tipica è dell’1% con range (50÷500) °C. Ha un vantaggio: il capillare può essere piegato e misura solo sul bulbo.!!Il capillare viene infilitainfilato da qualche parte e il gas nel tubo si espande per la temperatura e quindi a seconda della pressione si ha la temperatura.!Si usa in ambiente industriale.!!!61. Termometri a cambiamento di colore Si costruiscono termometri:!• reversibili;!• irreversibili;!• a fusione.!!!!!Si hanno incertezze di alcuni celsius.!!In riferimento alla figura rappresentate l’oggetto giallo. I termometri irreversibili sono fatti con sostanze chimiche che variano colore a seconda della temperatura. Non ci sono parti in movimento e quindi sono robusti.!Sono reversibili quindi seguono la temperatura che c'è.!

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 Sono anche irreversibili quindi una volta raggiunta una certa temperatura di innesco si "colorano" e rimangono invariati per sempre.La reazione chimica irreversibile.!Durante la catena di trasporto ad esempio da ripescare il pesce nel Mar Atlantico fino al supermercato. Quando il pesce viene pescato è messo a una temperatura inferiore ai -15° o meglio dire all'intorno di -20°. In seguito questo pesce verrà trasportato attraverso una nave, messo su un camion e infine portato al supermercato. Se durante il trasporto la confezione in cui contiene il pesce non è costantemente a -20° il pesce potrebbe avariarsi. Coloro che vedono il pesce si hanno una partita che potrebbe essere avariata cercano comunque di venderla. Allora per contrastare tale fenomeno sarebbe opportuno immettere nella confezione un termometro irreversibile il quale una volta raggiunto una temperatura come ad esempio 5° il termometro rimane fisso il consumatore può capire e non più fidarsi se il pesce è rimasto sempre a temperatura inferiore ai 5° oppure se ha raggiunto una temperatura di 5°. Tale legge è stata quasi approvata in Europa tuttavia i commercianti e imprenditori si sono opposti a tale legge.!!62. Termometri a bimetallo Si sfruttando la dilatazione di un metallo si può misurare la temperatura in funzione della lunghezza rilevata. Si hanno incertezze dell’1% con range (50÷500) °C.!!!Viene usato nei boiler per l'acqua calda.!C'è una resistenza che si scalda e quindi l'acqua si riscalda.!Per regolare la temperatura c'è un sensore di temperatura è un metallo.!Si prendono due metalli e si incollano insieme. I due metalli sono diversi come coefficienti termico. Quando la temperatura aumenta un metallo si dilata e si incurva perché non ha posto dove stare. Allora se ci mette un sensore per la curvatura si può accendere o spegnere il boiler.!!Per cambiare quando il sensore stacca basta ruotare il metallo e in qualche modo il sensore si attiva con un altra temperatura.!!63, …, 65 . Domande di riepilogo !• Che legame temperatura/resistenza hanno le termoresistenze/termistori. Che materiali si usano

e perché?!• Cosa sono le formule di Calendar Van Dusen/Stainhart Hart? !• Che differenza c’è tra sensori a filo e a strato metallico?!• Come viene espressa l’incertezza dei sensori di temperatura a

resistenza, quali sono i valori tipici? !• Come si affronta il problema delle resistenze dei cavi, quando si può

usare il ponte a tre fili, come si minimizza l’effetto delle resistenze dei cavi nei ponti? !

• Come si minimizza l’effetto delle forze termo elettromotrici?!• Come si valuta l’auto-riscaldamento e che valori sono tipicamente

attesi? !• Quali sono le regole base del funzionamento delle termocoppie? !• Quali sono i vantaggi delle TC rispetto alle termoresistenze? !• Come si identificano commercialmente le TC, quali sono i valori tipici di

potere termoelettrico? !• Cosa sono i cavi di estensione e perché si usano, che tipo di connettori si

impiegano per le termocoppie? !• Cosa è il giunto di riferimento? !

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Elettronica applicata e misure Lezione G1 • Come si misura la temperatura dalla radiazione emessa da un corpo, cosa

sono assorbanza, emissività, riflettività, cosa è un corpo nero/grigio/colorato? !

• Cosa è un pirometro bicolore, a banda larga/stretta e dove conviene usarli? !• Cosa è una termopila e come funziona? !• Cosa è il campo di vista e che effetti ha? !• Come si simula un corpo nero? !• Come funziona un termometro a dilatazione a liquido, a gas/vapore e dove si usa?!• Che tipi di termometri a cambiamento di colore ci sono? !• Come funziona un termometro a bimetallo? !• Cosa sono i cavi di estensione e perché si usano, che tipo di connettori si impiegano per le

termocoppie? !• Cosa è il giunto di riferimento? Come si misura la temperatura dalla radiazione emessa da un

corpo, cosa sono assorbanza, emissività, riflettività, cosa è un corpo nero/grigio/colorato? !• Cosa è un pirometro bicolore, a banda larga/stretta e dove conviene usarli? !• Cosa è una termopila e come funziona? !• Cosa è il campo di vista e che effetti ha? !• Come si simula un corpo nero? !• Come funziona un termometro a dilatazione a liquido, a gas/vapore e dove si usa? !• Che tipi di termometri a cambiamento di colore ci sono? !• Come funziona un termometro a bimetallo? !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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