La temperatura può avere un grande effetto sull’affidabilità del prodotto, sia esso un sistema di acquisizione dati sia di controllo embedded. Tuttavia, facendo accurate e ripetitive misurazioni di temperatura, non è così semplice come ci si potrebbe aspettare.
Comprendere i vantaggi e gli svantaggi dei diversi approcci alla misura della temperatura, aiuterà a ottenere risultati migliori quando si raccolgono dati di temperatura con un sistema di acquisizione dati. Inoltre, scegliere i trasduttori di temperatura giusti e utilizzarli correttamente, può aiutare a evitare problemi e ottenere buoni risultati. In questo articolo approfondiremo questi aspetti tecnici circa la scelta e misura di trasduttori operanti in sistemi di acquisizione dati.
La misura di una temperatura comporta sempre un trasferimento di calore (energia termica in transito) dal processo al sensore. In generale l’inserzione del sensore di temperatura nel processo da controllare modifica le condizioni di misura iniziali; questo “effetto di carico” è conseguenza dell’estrazione di una certa quantità di calore dal processo stesso.
I quattro più comuni tipi di trasduttori utilizzati nei sistemi di acquisizione dati sono termoresistenze (RTD), termistori, sensori IC e termocoppie. Ciascuno di essi funziona meglio in certe situazioni di misura, quindi è importante sapere quando usare e, soprattutto, quale tipo. I fattori da considerare includono le prestazioni, la gamma utile, costi e convenienza.
La propagazione del calore avviene in tre modi differenti e combinati (conduzione, convezione, e irraggiamento). Pertanto, il sensore migliore (il metodo di misura) e le sue modalità di installazione devono essere scelti con molta attenzione e richiedono una conoscenza approfondita degli effetti fisici da utilizzare. La scelta del sensore (e del metodo di misura) richiede di conoscere: specifiche della misura, tempi di risposta, capacità termica, dimensioni, geometria del sistema e del sensore, errori di approssimazione commessi dal sensore nel rilevare/trascurare effetti di conduzione, convezione e irraggiamento, interazioni del dispositivo con l’ambiente di misura, possibilità di usare la sua uscita per il controllo, la regolazione ed eventuali altre funzioni richieste, il costo, reperibilità e integrabilità del sensore.
Rilevatori di temperatura a resistenza (RTD)
I sensori RTD funzionano sul principio che la resistività di un metallo dipende dalla sua temperatura. RTD di qualità top utilizzano il platino, che offre le misurazioni più accurate e stabili, fino a circa 500 °C. Gli RTD di platino sono piuttosto costosi, a differenza del nichel o di leghe di nichel, che non sono così stabili o lineari ma sono molto più accessibili e offrono una buona precisione, presentano buona suscettibilità a errori di auto-riscaldamento e misure di resistenza e richiedono l’applicazione di una corrente che, producendo calore, potrebbe falsare la misura. Le tecniche utilizzate sono quelle a due o quattro fili, visualizzate rispettivamente nelle figure 1a e 1b. La tecnica a quattro fili richiede il doppio cablaggio e doppi canali di acquisizione dati. Come compromesso, è possibile utilizzare una tecnica a tre fili.
Molto diffuse sono le cosiddette Pt100 e Pt1000, ovvero le termoresistenze in platino (Pt), in cui la resistenza alla temperatura di 0 °C è pari rispettivamente a 100Ω e 1000Ω.
Esistono due categorie di termoresistenze al platino:
- termoresistenze a film sottile;
- termoresistenze a filo.
Le termoresistenze a film si realizzano deponendo sotto vuoto un sottilissimo strato di platino su un substrato di ceramica (tipicamente di forma rettangolare di 2 mm x 5 mm). Dopo aver fissato i terminali per il collegamento elettrico esterno, tipicamente si effettua una taratura del dispositivo al laser.
Termistori
I termistori sono resistori sensibili alla temperatura, tipicamente realizzati con semiconduttori in ceramica e offrono un’impedenza superiore ai sensori RTD. Ciò rende possibile utilizzare la tecnica bifilare semplice con termistori. La loro elevata potenza produce misurazioni ad alta risoluzione e riduce l’impatto della resistenza dei cavi. Gli svantaggi dei termistori sono la loro fragilità e il loro alto grado di non linearità. Per ottenere il massimo dei risultati con i termistori è necessario utilizzare un algoritmo di linearizzazione.
Sensori IC
I Ssnsori IC sono lineari, poco costosi, forniscono livelli di uscita elevati e offrono una buona precisione a temperatura ambiente.
I sensori IC richiedono una fonte di alimentazione che li rende sensibili agli stessi errori di auto-riscaldamento che incontriamo con RTD e termistori.
Le dimensioni relativamente grandi dei sensori IC possono anche rappresentare uno svantaggio. È importante selezionare un sensore che abbia una piccola massa rispetto a quello che si sta misurando, altrimenti la massa termica del sensore potrebbe influenzare la lettura della temperatura.
La tendenza oggi è di utilizzare “sensori intelligenti” di aiuto nel calcolo e nella comunicazione di sistemi di acquisizione dati.
Termocoppie e relative misure
Le termocoppie sono più robuste rispetto ad altri tipi di trasduttori e offrono una gamma di temperature molto più ampia. Non hanno bisogno di una fonte di alimentazione, e il loro basso costo li rende una scelta interessante per i grandi sistemi di acquisizione dati.
Il comportamento di una termocoppia si basa sulla teoria del gradiente. Come illustrato in figura 2a, quando viene riscaldata un’estremità di un filo, si produce una tensione che è funzione del gradiente di temperatura da una estremità del filo all’altro e dal tipo di metallo utilizzato per il filo stesso.
Una termocoppia è semplicemente formata da due fili di metalli diversi che si uniscono a un’estremità e aperto nell’altra, come illustrato nella figura 2b. La tensione attraverso l’estremità aperta è una funzione della temperatura alla giunzione e dei tipi di metalli utilizzati nei fili. Tutte le coppie di metalli dissimili presentano questa tensione, chiamata la tensione di Seebeck grazie al suo scopritore, Thomas Seebeck. Per piccole variazioni di temperatura, la tensione di Seebeck è linearmente proporzionale alla temperatura attraverso un coefficiente di proporzionalità, il coefficiente Seebeck.
Tuttavia, negli intervalli di temperatura più grandi, il coefficiente Seebeck è esso stesso una funzione della temperatura, rendendo le tensioni di termocoppia non lineari.
Mentre RTD, termistori e sensori IC forniscono le temperature assolute di misura, le termocoppie misurano solo le temperature relative.
Consideriamo una termocoppia che consiste in un filo di ferro e un altro fatto da una lega di nichel e rame. Quando colleghiamo i puntali, creiamo a sua volta altre due termocoppie, ciascuna contribuisce a una tensione al circuito (Fig. 3). Ora abbiamo tre termocoppie e tre temperature sconosciute.
Per risolvere questo problema, possiamo aggiungere una termocoppia e un giunto di riferimento a una temperatura nota. Con ciò, abbiamo solo due svincoli: la giunzione originale dalla termocoppia (Tx) e la giunzione di riferimento (Tref). Se conosciamo la temperatura alla giunzione di riferimento, possiamo calcolare Tx. Molti sistemi di acquisizione dati, che offrono misure di termocoppia, calcolano automaticamente Tx.
Migliorare la precisione del trasduttore
Con tutti e quattro i tipi di trasduttori di temperatura, la riduzione del rumore aiuta a migliorare la precisione delle misure. Il rumore entra in gioco soprattutto quando si utilizzano termocoppie, poiché il rumore elettrico le colpisce in maniera rilevante.
Prima di poter affrontare efficacemente i problemi di rumore, è importante capire la fonte stessa. In genere, possibili fonti di rumore sono i seguenti:
- Rumore di modo comune causato da un loop di massa. Le termocoppie sono molto sensibili a questo tipo di rumore.
- Rumore di modo normale causato da campi magnetici che creano una corrente nel punto di misura.
- Rumore elettrostatico creato da macchine rotanti.
Ogni tipo di rumore ha una soluzione unica:
1.Rumore di modo comune: selezionare un sistema di acquisizione dati ad alta impedenza a terra, spesso indicato come reiezione di modo comune. È anche possibile inserire isolamento elettrico tra la termocoppia e la sorgente di rumore.
2.Rumore di modo normale: accorciare i cavi, utilizzare cavi twisted pair, evitare le misurazioni di cavi vicino a fonti ad alta corrente
3.Rumore elettrostatico: utilizzare un cavo schermato di misura.