Termistori

Termistori
I PRT sono sonde termometriche molto stabili ma
hanno una SENSIBILITA’
ASSOLUTA piuttosto bassa La variazione di resistenza di
un PRT è pari a circa il 0.4%
per °C di variazione di
i termistori, invece,
temperatura (a 0°C)
hanno una
THERMally SENSIBILITA’
sensitive ASSOLUTA
1000
resISTOR molto
500
10kΩ
più elevata
100
La
variazione di resistenza di un termistore è
pari a circa il 4% per 1°C di variazione di
temperatura
i termistori hanno caratteristica NON
LINEARE, estremamente dipendente
dal processo di produzione
50
R t/R 25
dipartimento di energetica
40
31/08/00
10
5
1
0.5
100Ω
0.1
0.05
per questo non esiste per i termistori
0.01
la stessa elevata standardizzazione
-80
che hanno PRT e termocoppie
(dispersione delle caratteristiche molto elevata)
termometria_1
PRT
1MΩ
0
80 120
140
[°C]
41
20/11/99
Termistori/2
THERMally sensitive resISTOR
NTC
Negative Temperature
Coefficient
1000
500
si usano per misure di
temperatura
PTC
10kΩ
Rt/R25
dipartimento di energetica
100
50
Positive Temperature
Coefficient
10
5
si usano come
protezione da
sovraccarichi elettrici e
da sovratemperature
PRT
1
0.5
100Ω
0.1
0.05
1MΩ
0.01
-80
termometria_1
0
80 120
140
[°C]
42
20/11/99
Termistori/3
NTC
Co
i termistori sono ottenuti mediante
sinterizzazione di miscele di ossidi di metalli
di transizione con materiale ceramico come
legante
Mg
Cu
Zn
Fe
Ni
Mn
dipartimento di energetica
le diverse caratteristiche dei resistori (resistività e sensibilità) sono ottenute
scegliendo la natura degli ossidi da miscelare, le concentrazioni degli ossidi,
le dimensioni geometriche e la configurazione del termistore
quando alcuni atomi del metallo costituente l’ossido vengono
sostituiti con atomi di un altro metallo avente diversa valenza
le lacune o gli elettroni
liberi che vengono a crearsi
localmente dove è avvenuta
la sostituzione possono
spostarsi sotto l’azione di un
campo elettrico con una
resistenza al moto tanto più
debole quanto più elevata è
la temperatura
termometria_1
drogaggio
si stabilisce un
legame di tipo ionico
R
se
t
43
20/11/99
Termistori/4
1000
500
NTC
termistori
100
50
se
t
10
5
PRT
1
0.5
100Ω
0.1
0.05
termoresistenze
dipartimento di energetica
R t/R 25
R
10kΩ
1MΩ
0.01
-80
R
se
0
80 120
t
in un metallo puro, se t cresce,
crescono l’ampiezza e la frequenza delle vibrazioni
del reticolo cristallino e quindi cala il libero
cammino medio, quindi cresce la resistenza al moto
degli elettroni e quindi cresce la resistenza elettrica
termometria_1
140
[°C]
Termistori/5
1000
500
NTC
almeno in prima
approssimazione la caratteristica che
lega temperatura e resistenza per i
termistori
è del tipo:
⎛ 1 1 ⎞
β⎜⎜ − ⎟⎟
R1
T T
=e ⎝ 1 2⎠
R2
10kΩ
100
50
Rt/R25
44
20/11/99
10
5
PRT
1
0.5
100Ω
dipartimento di energetica
0.1
0.05
R1 è la resistenza elettrica alla
temperatura assoluta T1
1MΩ
0.01
-80
0
80 120
R2 è la resistenza elettrica alla temperatura assoluta T2
β è una caratteristica dei materiali usati per il termistore [K]
normalmente β si determina
misurando la resistenza elettrica alle
temperature di 298 e 348 K
termometria_1
⎛ R1 ⎞
T1T2
⎟⎟
ln⎜⎜
β=
T1 − T2 ⎝ R 2 ⎠
β 25 / 75 = 3000 ÷ 5000 [K ]
140
[°C]
Termistori/6
COEFFICIENTE TERMICO
della resistenza
elettrica:
1 dR
α=
10kΩ
100
50
R dT
rappresenta la variazione
percentuale della resistenza per
una variazione unitaria della
temperatura
dipartimento di energetica
1000
500
NTC
R t/R 25
45
20/11/99
⎡% ⎤
α ⎢ ⎥ @ 25°C
⎣K ⎦
10
5
PRT
1
0.5
100Ω
0.1
0.05
1MΩ
0.01
-80
0
80 120
poiché la caratteristica temperatura-resistenza dei termistori non è
lineare, anche α non è lineare, e diminuisce all’aumentare della
temperatura
per i termistori, tipicamente, è:
− 6 < α < −3
termometria_1
%
K
per il platino, invece:
α = 0.36
%
K
140
[°C]
46
15/11/99
Termocoppie
trasmissione a distanza
registrazione delle misure
termocoppie
incertezza TC>PRT
prontezza TC>PRT
dipartimento di energetica
sensibilità TC>PRT
si basano sull’effetto
scoperto nel 1821 da
Thomas Johann Seebeck
usando una coppia rameantimonio
EFFETTO
SEEBECK
in una parola
sono le sonde
termometriche
più
VERSATILI
ingombro TC<PRT
quando due conduttori A e B, diversi
tra loro, ma ognuno omogeneo, sono
uniti alle estremità e queste sono
mantenute a temperatura diversa, nel
circuito così realizzato si manifesta una
forza elettromotrice E tale che:
dE S = α AB dT
αAB → coefficiente di Seebeck, o POTERE TERMOELETTRICO
termometria_1
47
15/11/99
Termocoppie/2
leggi dei circuiti termoelettrici
1
legge del circuito omogeneo
ha origine sperimentale
dipartimento di energetica
in un circuito chiuso, di geometria qualunque, costituito da un
solo metallo omogeneo, non si può indurre circolazione di
corrente elettrica per mezzo soltanto di scambi termici
il circuito di
un sensore
termoelettrico
deve essere
costituito da
almeno due
metalli diversi
termometria_1
t3
A
t2
t1
t4
B
se una giunzione tra due materiali diversi
omogenei è mantenuta a t1 e l’altra a t2, la f.e.m.
generata è indipendente dalla distribuzione di
temperatura lungo i fili: cioè non cambia al
variare di t3 e t4
48
15/11/99
Termocoppie/3
2
legge dei metalli intermedi
è una conseguenza diretta della 2a legge della termodinamica: se infatti la
somma algebrica delle f.e.m. non fosse nulla in un circuito isotermo, si
avrebbe circolazione di corrente e quindi la temperatura aumenterebbe
in alcune parti del circuito e diminuirebbe in altre provocando, senza
spesa di lavoro, delle variazioni di temperatura in un sistema isotermo
dipartimento di energetica
la somma algebrica delle f.e.m. termoelettriche in un circuito
composto da un numero qualunque di metalli diversi è nulla
se tutto il circuito è isotermo
t3
C
A
t2
B
termometria_1
t1
se in un circuito costituito
da due metalli omogenei,
A e B, si inserisce un
terzo metallo C, non si
hanno variazioni di f.e.m.
fin tanto che la
temperatura t3 di C è
uniforme su tutta la sua
lunghezza
49
15/11/99
Termocoppie/4
applicando le due leggi finora introdotte:
t1
t2
t3
t1
dipartimento di energetica
EAC+ECB+EBA=0
C
se A e B vengono separati
in corrispondenza del
giunto a t1, mediante
l’inserzione di C nel
circuito, la f.e.m. non
varia anche se C
attraversa una regione a
temperatura t3, purché i
due giunti rimangano a
temperatura t1
EAB= EAC+ECB
uno strumento per la misura della f.e.m. può essere inserito
in qualsiasi punto del circuito, purché tutti i nuovi giunti così
formati vengano mantenuti alla stessa temperatura
si può usare qualsiasi tecnica per realizzare i giunti, purché
essi risultino di dimensioni limitate e quindi facilmente
mantenibili a temperatura costante e purché il contatto
elettrico tra i materiali così ottenuti sia buono
termometria_1
50
15/11/99
Termocoppie/5
3
legge delle temperature successive o intermedie
dipartimento di energetica
si ricava applicando i principi della termodinamica alla coppia
considerata come un sistema reversibile
se due metalli omogenei A e B disposti in un circuito
termoelettrico producono una f.e.m. E12 qualora le giunzioni
si trovino alle temperature t1 e t2 ed una f.e.m. E23 qualora le
giunzioni si trovino alle temperature t2 e t3, allora gli stessi
metalli con le giunzioni alle temperature t1 e t3 produrranno
una f.e.m. pari alla somma algebrica:
E13=E12+E23
t1
t2
E12
t3
E23
t1
t3
E13
termometria_1
51
15/11/99
Termocoppie/5
requisiti dei metalli per termocoppie:
il POTERE TERMOELETTRICO, α,
deve presentare lo stesso segno in tutto il
campo di temperatura esplorato
α=
80
E
dipartimento di energetica
la resistenza all’ossidazione ed alla
riduzione deve essere la più grande
possibile
f.e.m. [mV]
60
la f.e.m. non deve variare con l’uso per
fenomeni di ricristallizazione e
stabilizzazione fisica o chimica-fisica:
tutti i metalli (e specialmente le leghe)
vanno accuratamente stabilizzati con
opportuni procedimenti di ricottura
dE
dT
K
J
40
N
T
20
R
S
B
0
0
500
1000 1500
temperatura [°C]
la curva caratteristica f.e.m.-temperatura può essere espressa mediante
polinomi del tipo:
E=A+Bt+Ct2+Dt3
in cui A, B , C e D
sono caratteristici della coppia di metalli e del campo di temperatura,
oppure si usano tavole che danno la f.e.m. dei diversi tipi di termocoppie
rispetto ad uno stato di riferimento (di solito la temperatura a 0°C)
termometria_1
2000
52
31/08/00
Termocoppie/6
termocoppie tipo
tipi di termocoppie
0÷1500°C
S
platino (Pt) + platino87 (Pt), rodio13 (Rh)
termocoppie tipo
0÷1500°C
R
platino (Pt) + platino90 (Pt), rodio10 (Rh)
termocoppie tipo
870÷1700°C
B
platino70 (Pt), rodio30 (Rh) + platino94 (Pt), rodio6 (Rh)
dipartimento di energetica
termocoppie tipo
-184÷870°C
J
ferro (Fe) + costantana (Ni45Cu55)
termocoppie tipo
-184÷370°C
T
rame (Cu)+ costantana (Ni45Cu55)
termocoppie tipo
0÷1260°C
K
chromel (Ni90Cr10) + alumel (Ni95Mn2Al2Si1)
termocoppie tipo
-184÷870°C
E
chromel (Ni90Cr10) + costantana (Ni45Cu55)
termometria_1
53
04/09/00
Termocoppie/7
per ogni tipo di termocoppia esistono tabelle che riportano i valori di
f.e.m. alle diverse temperature, riferiti a 0°C (UNI-CTI 7938)
dipartimento di energetica
i costruttori preparano
coppie caratterizzate
da proprietà quasi
uguali da campione a
campione, ma ciò
nonostante le
differenze riscontrabili
nelle indicazioni di
temperatura non sono
mai trascurabili
termometria_1
se si desidera una precisione maggiore di quella garantita dai
costruttori (valori riportati nella tabella) non resta che
procedere alla TARATURA di ciascuna coppia
54
15/11/99
Termocoppie/8
circuiti di misura con termocoppie
la f.e.m. generata da una termocoppia dipende
dalla differenza di temperatura tra i due giunti
dE S = α AB dT
dipartimento di energetica
se si vogliono eseguire misure assolute
occorre che uno dei due giunti sia
mantenuta ad una temperatura nota con
sufficiente precisione
generalmente il
giunto di
riferimento è
mantenuto alla
temperatura di
fusione del
ghiaccio
(almeno per le
misure di
laboratorio)
termometria_1
in un contenitore Dewar si mantiene ghiaccio
tritato (ottenuto con acqua distillata) in
equilibrio con acqua distillata liquida
incertezza del punto
di gelo:
±5.10-3 K
se non si usa acqua distillata
incertezza del punto
di gelo:
±5.10-2 K
55
15/11/99
Termocoppie/9
A
t2
dipartimento di energetica
per le misure di
laboratorio il circuito può
essere del tipo:
t1
t3
B
mV
per misure in remoto
distanze elevate tra ambiente di misura e
apparato di misura
per misure a
temperatura elevata
quando è necessario che i fili siano dotati
di elevate caratteristiche di purezza e di
conseguenza di costo elevato
si usano i
CAVI DI ESTENSIONE
A
t2
possono essere degli stessi
metalli del giunto di misura
ma con diametri minori,
oppure di metalli differenti,
termometria_1
t1
B
oppure entrambi dello stesso metallo (RAME)
mV
rame
56
15/11/99
Termocoppie/10
quando non sono necessarie grandi precisioni di misura (ad es. per
misure industriali):
dipartimento di energetica
il giunto di
riferimento è
mantenuto in
equilibrio
con la
temperatura
ambiente
A
t2
B
mV
tamb
rame
l’errore che
si produce è
notevolmente
maggiore a
causa della
instabilità
della
temperatura
del giunto di
riferimento
le tavole che riportano la f.e.m., riferite ad una
temperatura del giunto freddo di 0°C, sono utili
anche quando il giunto di riferimento è a infatti, dalla legge delle
temperatura ambiente:
temperature
intermedie si ha:
se tamb>0°C, all f.e.m. misurata deve essere aggiunta algebricamente
la f.e.m. corrispondente alla temperatura ambiente
termometria_1
se tamb<0°C, all f.e.m. misurata deve essere sottratta la f.e.m.
corrispondente alla temperatura ambiente
57
15/11/99
Termocoppie/11
dipartimento di energetica
quando non sono necessarie grandi precisioni di misura (ad es. per
misure industriali):
viene usato un “punto di
zero elettronico”, il quale
genera una f.e.m.
proporzionale alla
temperatura ambiente.
Questa f.e.m. di
compensazione corregge
la f.e.m. e la riporta sul
valore utile da usare come
dato diretto di ingresso
sulle tavole con giunto di
riferimento a 0°C
A
t2
tamb tamb
B
punto di zero
elettronico
termometria_1
mV
tamb tamb
rame
58
15/11/99
Termocoppie/12
per aumentare la sensibilità del sistema di misura, per aumentare cioè il
segnale f.e.m. soprattutto per piccole differenze di temperatura può
essere usata la cosiddetta
TERMOPILA
mV
dipartimento di energetica
il circuito è formato da
alcune termocoppie
collegate in serie
A
la f.e.m. totale è data
dalla somma delle
f.e.m. delle singole
coppie
B
A
B
A
B
t2
termometria_1
t1
59
31/08/00
Sensori IC
dipartimento di energetica
sono il tipo di sonda termometrica
introdotta sul mercato più di recente
se due transistor
identici funzionano
con un
rapporto costante
della corrente di
collettore,
allora:
la differenza di
potenziale nel
loro emettitore-base
sarà:
hanno gli stessi difetti
dei PRT
in più il range di temperatura
è limitato dal range operativo
dei circuiti integrati
-50÷+150°C
termometria_1
sfruttano una proprietà
fondamentale dei semiconduttori
(silicio, germanio) con cui sono
realizzati per ottenere una
caratteristica LINEARE con la
temperatura
kT
V∝
q
poiché
k→costante di Boltzmann
q→carica dell’elettrone
sono COSTANTI
la tensione può
V∝T
essere convertita in
corrente con una
resistenza a film sottile I ∝ T
a basso coefficiente di temperatura
Sensori IC/2
esempio di un sensore con uscita in TENSIONE
il coefficiente di temperatura
nominale è, tipicamente:
10 mV/K
+
dipartimento di energetica
I=1 μA/K
+
al
multimetro
10 mV/K
60
31/08/00
al
multimetro
una importante
caratteristica dei sensori IC
10 kΩ
risiede nel fatto che il
CIRCUITO INTEGRATO può
incorporare anche la circuitistica
per processare il segnale nello
stesso package
esempio di un sensore con il coefficiente
del sensore
uscita in CORRENTE
di temperatura nominale è, tipicamente:
1 μA/K
termometria_1
61
28/08/00
Sensori di temperatura/riepilogo
PRT
stelo
PRT
film sottile
termistori
termocoppie
sensori IC
intervallo di
temperatura
-200°C
+850°C
-200°C
+850°C
-100°C
+500°C
-270°C
+1800°C
-40°C
+125°C
variabile
termometrica
resistenza
elettrica
resistenza
elettrica
resistenza
elettrica
d.d.p.
d.d.p.
25 Ω
100 Ω
100 Ω
2000 Ω
1kΩ
1MΩ
<1 mV
@ 25°C
750 mV
@ 25°C
±0.06%
±0.2°C
±0.1%
±0.3°C
±10%
±2°C
±0.5%
±2°C
±1%
± 3° C
stabilità
eccellente
eccellente
moderata
moderata
moderata
sensibilità
assoluta
0.39%/°C
0.39%/°C
-4%/°C
40 μV/°C
10 mV/°C
linearità
eccellente
eccellente
fortemente
non lineare
moderata
moderata
dipartimento di energetica
valore
base
incertezza
termometria_1
62
28/08/00
Sensori di temperatura/riepilogo,2
PRT
stelo
PRT
film sottile
termistori
termocoppie
sensori IC
influenza dei
cavi di colleg.
media
media
bassa
media
bassa
autoriscaldamento
basso
basso
alto
nessuno
basso
diametro
minimo sonda
2 mm
2 mm
1.6 mm
0.6 mm
2 mm
costo relativo
sensore
moderato/
alto
moderato/
basso
basso
basso
basso/
moderato
costo relativo
sistema
moderato
moderato
basso/
moderato
alto
basso
requisiti
particolari
compensazione cavi
linearizzazione
giunto di
riferimento
dipartimento di energetica
costante
di tempo
termometria_1
63
31/08/00
Sensori di temperatura/riepilogo,3
dipartimento di energetica
PRT
termistori
termocoppie
sensori IC
PRO
• stabilità
• accuratezza
• più lineari
delle
termocoppie
• elevato
segnale in
uscita
• veloci
• collegamento
a due fili
• autoalimentate
• semplici e
robuste
• poco costose
• ampia varietà
• ampio range
temperatura
• elevata
linearità
• elevato
segnale in
uscita
• poco costosi
CONTRO
• costosi
• richiedono
alimentazione
elettrica
• piccolo ΔR
• bassa
resistenza
assoluta
• autoriscaldamento
• non lineari
• limitato range
temperatura
• fragili
• richiedono
alimentazione
elettrica
• autoriscaldamento
• non lineari
• basso
voltaggio
• poco stabili
• bassa
sensibilità
• richiedono
giunto di
riferimento
• t<200°C
• richiedono
alimentazione
elettrica
• lenti
• autoriscaldamento
• fragili
termometria_1
64
26/09/00
Termometria IR
le tecniche di misura invasive viste fin qui non
possono essere utilizzate quando:
occorre misurare corpi o ambienti a temperatura SUPERIORE
alla MAX di impiego dei sensori invasivi
dipartimento di energetica
occorre misurare la temperatura di corpi o ambienti distanti o
comunque INACCESSIBILI
occorre misurare la temperatura di corpi o ambienti
chimicamente AGGRESSIVI o RADIOATTIVI
in questi casi
VARIABILE TERMOMETRICA
l’emissione di
radiazione e.m.
radiazione
elettromagnetica
del
CORPO NERO e
λ ,n = e λ ,n (λ , T )
e λ ,n (λ , T ) = πI λ ,n ,e (λ , T ) =
termometria_1
(
πC1
λ5 e C2 λT − 1
)
LEGGE DI
PLANCK
[W ⋅ m −2 ⋅ μm −1 ]
65
26/09/00
Termometria IR/2
LEGGE DI
PLANCK
108
e λ ,n = e λ ,n (λ , T )
T=5800 K
107
λmaxT=2897.6 [μm.K]
eλ,n [W.m-2.μm-1]
dipartimento di energetica
106
T=1100 K
10
l’energia posseduta da
ciascun FOTONE
vale:
5
T=550 K
104
103
102
L fotone = h ⋅ ν = h ⋅
i fotoni viaggiano in linea retta,
possono essere deviati e/o riflessi
da lenti e specchi appropriati
si tratta di interporre al
cammino dei fotoni un
apposito SENSORE, capace di
assorbire il loro flusso e di
convertirlo in un segnale
utilizzabile per la lettura della
TEMPERATURA
SENSORI
T=280 K
101
0
5
10
15
20
λ [μm]
termometria_1
TERMICI, o
BOLOMETRICI
QUANTICI, o
FOTOELETTRICI
c
λ
66
26/09/00
Termometria IR/3
108
T=5800 K
sensori TERMICI, o
BOLOMETRICI
sensori QUANTICI, o
FOTOELETTRICI
il fotone incidente induce nel
sensore, che è un semiconduttore,
una coppia lacuna-elettrone, e
quindi un segnale elettrico
utilizzabile; la radiazione deve avere
una energia sufficiente per superare
il band-gap del semiconduttore
106
eλ,n [W.m-2.μm-1]
dipartimento di energetica
la radiazione incidente viene
dissipata sul sensore e ne aumenta
la temperatura, facendo variare
una grandezza termometrica
(di solito la resistenza elettrica)
107
105
T=1100 K
4
10
103
T=550 K
102
T=280 K
101
0.1
1
10
λ [μm]
normalmente si utilizzano sensori in
InSb (8-12 μm) o HgTe+CdTe (3-5 μm)
termometria_1
67
26/09/00
Termometria IR/4
108
T=5800 K
InSb (8-12 μm)
107
λmaxT=2897.6 [μm.K]
eλ,n [W.m-2.μm-1]
106
dipartimento di energetica
normalmente si utilizzano
sensori in
105
104
103
102
101
0
termometria_1
HgTe+CdTe (3-5 μm)
poiché il
massimo delle
T=1100 K
curve si sposta verso destra
all’aumentare della
T=550 K
temperatura, è importante
selezionare un sensore
capace di operare sulla
porzione ottimale dello
spettro per ottenere
le curve
prestazioni soddisfacenti
T=280 K
della
distribuzione di Planck presentano
una dissimmetria molto pronunciata, in
5
10
15
20
quanto la parte crescente con λ è molto
λ [μm]
più ripida della successiva parte
decrescente; si può facilmente vedere che per λ≤ 0.5λmax la frazione
di energia contenuta è inferiore all’1%, mentre lo stesso risultato si
ottiene perλ≥4.5λmax
68
26/09/00
Termometria IR/5
i corpi reali non si comportano come il CORPO
NERO, ma sono caratterizzati
emissività
dalla proprietà
emissività
monocromatica
e (λ , T )
emisferica: ε λ (λ , T ) = λ
e λ ,n (λ , T )
ελ
corpo nero, ελ=1
dipartimento di energetica
corpo grigio,
ελ=cost
ad esempio
ελ
ossido
di Al
corpo grigio,
ελ=cost
metallo
acciaio
0.1
1
10
100
λ, μm
0
metalli ossidati
metalli non lucidati
metalli lucidati
termometria_1
0.2
0.4
0.6
0.8
emissività dei materiali
30
60
90
angolo rispetto alla ⊥ alla superficie
ceramiche
0
corpo nero, ελ=1
mat.non cond.
1.0
vegetazione, acqua, pelle
mater. da costr., vernici
rocce, terreno
vetri, minerali
carbone
69
26/09/00
Termometria IR/6
G
i corpi reali non si comportano come il CORPO
NERO, ma sono caratterizzati
da
assorptività
tramissività
riflettività
ρG
l’IRRADIANZA incidente si ripartisce
nelle tre componenti che danno origine,
per il bilancio energetico, alle
dipartimento di energetica
τG
αG
G = α G + ρ G + τG
α+ρ+τ =1
ρG
G
εEn
la RADIOSITA’ è l’energia raggiante che
complessivamente lascia una superficie,
costituita dai due contributi:
EMISSIONE
DIRETTA
termometria_1
+
RIFLESSIONE
di una parte dell’irradianza
che incide sulla superficie
τG
αG
Termometria IR/7
il sensore deve pertanto tenere conto di:
energia emessa dalla superficie osservata
Esup=ƒ(Tsup), εsup
energia riflessa dalla superficie osservata
Grad=ƒ(Trad), ρsup
assorbimento dell’aria
Eatm=ƒ(Tatm), τatm
Tsup
εsup
dipartimento di energetica
70
26/09/00
εs
u
p.E
sup
,n
(1τa
t
m) .
Ea
tm
ρsu
p.G
rad
Tatm
τatm
E’
Grad
termometria_1
E' = ε sup ⋅ Esup,n ⋅ τatm + ρsup ⋅ G rad ⋅ τatm + (1 − τatm ) Eatm
se
l’emissività
della
superficie è
molto
lontana da 1
bisogna
intervenire,
manualment
e/o
automaticam
ente
dipartimento di energetica
71
26/09/00
Termometria IR/8
un aspetto critico per l’accuratezza della
termometria IR
ogni strumento per
la DISTANZA
sono
termometria IR
e le DIMENSIONI
FOV
ha il suo
dell’oggetto da misurare
Field
Of
View
angolo di
visione nel
muro
quale lo strumento media tutte
le temperature che vede
se si misura l’oggetto A
oggetto A
non c’è problema;
se si rimuove A, la misura
di B sarebbe influenzata
oggetto B
dalla temperatura del
muro
FOV
il
Field Of View
può essere descritto con il suo angolo
ovvero con il rapporto DISTANCE/SPOT-SIZE
D:S
un rapporto D:S=60:1
equivale ad un
FOV=1°
termometria_1
72
26/09/00
Termometria IR/9
gli strumenti di misura sono dotati di uno o
più FOV:
dipartimento di energetica
per garantire letture accurate da
parte dello strumento, la distanza
dall’oggetto da misurare deve
essere quella APPROPRIATA
la DISTANZA appropriata si
determina considerando l’area
che lo strumento misurerà
(SPOT SIZE) e le dimensioni
dell’oggetto da misurare
maggiore la distanza
dall’oggetto da misurare,
maggiore lo SPOT SIZE
in tutti questi casi lo strumento
permette di leggere UN SOLO
VALORE DI TEMPERATURA per tutta l’area dello SPOT SIZE
termometria_1
Termometria IR/10
per valutare le DIFFERENZA DI
TEMPERATURA in
una data superficie
la telecamera IR
effettua un processo di scansione della
TERMOGRAFIA IR
superficie da misurare, la cui efficacia
è fortemente connessa alla minima porzione rilevabile dal sensore
nei sistemi
Focal Plane
Array è
possibile una
scansione in
tempo reale
grazie alla
presenza di
una matrice
di sensori
dipartimento di energetica
73
26/09/00
termometria_1
74
26/09/00
Termometria IR/11
i sensori per TERMOGRAFIA IR
hanno bisogno di raffreddamento
dipartimento di energetica
con azoto liquido (70 K)
(adatto per radiazione a bassa e ad alta λ)
con refrigeratore Peltier (200 K)
(adatto per radiazione a bassa λ)
con refrigeratore Stirling (75 K)
(adatto per radiazione a bassa e ad alta λ)
la TERMOGRAFIA IR è poco accurata nella
misura delle TEMPERATURE ASSOLUTE
ma è molto accurata nella valutazione dei ΔT
all’interno della
superficie oggetto della scansione
termometria_1
75
26/09/00
Termometria IR/12
PIROMETRI A RADIAZIONE
MONOCROMATICA
108
10
T=5800 K
T=4450 K
7
eλ,n [W.m-2.μm-1]
dipartimento di energetica
106
T=2200 K
105
T=1100 K
T=550 K
104
la radiazione emessa deve
essere, almeno in parte,
nel campo del VISIBILE
103
102
T=280 K
101
0.1
1
ΔλT [μm]
termometria_1
è uno strumento adatto
per misurare corpi a
temperatura elevata,
non accessibili
(per esempio il filamento di
una lampada ad
incandescenza)
10
76
26/09/00
Termometria IR/12
PIROMETRI A RADIAZIONE
MONOCROMATICA
D1
D2
SR
O
FN
FR
A
dipartimento di energetica
P
G
SR sorgente radiante
D1 diaframma fisso
FN filtro neutro
FR filtro rosso
D2 diaframma mobile
O oculare
P potenziometro
G alimentatore
A amperometro
FN → attenua TUTTE le componenti monocromatiche con lo stesso
rapporto
FR → fa passare solo una stretta banda di componenti con
lunghezza d’onda in un intorno sufficientemente piccolo di
λ=0.65 μm
D1 → è fisso perché l’eventuale operazione di messa a fuoco non
deve alterare l’angolo di ingresso allo strumento
D2 → è mobile perché l’angolo di uscita è scelto per ottimizzare la
resa visiva
termometria_1
77
26/09/00
Termometria IR/13
PIROMETRI A RADIAZIONE
MONOCROMATICA
D1
D2
SR
O
FN
FR
A
dipartimento di energetica
P
G
attraverso l’oculare si confronta
visivamente la luminosità della
SR e quella del
filo di riferimento
riscaldato da G
SR sorgente radiante
D1 diaframma fisso
FN filtro neutro
FR filtro rosso
D2 diaframma mobile
O oculare
P potenziometro
G alimentatore
A amperometro
si fissa con P la corrente I
fintanto che il colore rosso
della SR eguaglia il colore del filamento (cioè il
filamento della lampada scompare sulla superficie SR)
termometria_1