Quali sono i tipi di sensori di temperatura comunemente usati
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I sensori di temperatura sono strumenti importanti nell'ingegneria moderna, nella ricerca scientifica e nella vita di tutti i giorni. Ti consentono di tenere d'occhio e controllare le condizioni termiche in un'ampia gamma di impostazioni. Termocoppie, rilevatori di temperatura a resistenza (RTD), termistori (versioni NTC e PTC) e sensori di temperatura a circuito integrato (IC) sono i tipi più diffusi. Termocoppie e RTD sono i tipi di sensori più comuni utilizzati nelle fabbriche perché sono affidabili, flessibili e possono funzionare in ambienti difficili. Ogni tipo di sensore funziona secondo principi diversi, il che significa che presentano vantaggi diversi in termini di intervallo di temperatura, precisione, tempo di risposta, costo e adattabilità a diversi ambienti. Ciò consente agli ingegneri di scegliere la soluzione migliore per una determinata situazione, come controllo di processo, sistemi HVAC, apparecchiature mediche, applicazioni automobilistiche e dispositivi IoT.
Termocoppie
Le termocoppie funzionano grazie all'effetto Seebeck (effetto termoelettrico), che si verifica quando due diversi conduttori metallici sono collegati a un'estremità per formare una giunzione di misura. Una forza elettromotrice (tensione) minore viene creata quando c'è una differenza di temperatura tra la giunzione calda (di misura) e la giunzione fredda (di riferimento). Questa tensione è direttamente correlata alla differenza. È possibile trovare la temperatura esatta misurando questa tensione e apportando le giuste modifiche alla temperatura della giunzione di riferimento.
Le termocoppie possono misurare una gamma molto ampia di temperature, da un minimo di -200 gradi a ben oltre 2000 gradi, a seconda dei materiali utilizzati. Questo li rende perfetti per luoghi molto caldi o molto freddi. Hanno un design semplice e robusto che li rende molto durevoli e in grado di resistere a urti, vibrazioni e situazioni difficili. Le termocoppie sono inoltre economiche, non necessitano di una fonte di alimentazione esterna per funzionare e hanno tempi di risposta termica rapidi, il che è importante nei processi che cambiano rapidamente. Ma il loro segnale in uscita è piuttosto piccolo (di solito nell'intervallo dei microvolt), quindi necessitano di circuiti di amplificazione e di regolazione della giunzione fredda per rimanere accurati. Alcune categorie comuni sono:
Tipo K (nichel-cromo/nichel-silicio): il tipo più comune, funziona bene da -200 gradi a +1260 gradi, ha un prezzo ragionevole ed è resistente all'ossidazione.
Tipo J (ferro/rame-nichel): funziona bene a temperature più basse, fino a circa 750 gradi, ed è ampiamente utilizzato per ridurre le atmosfere.
Tipo S (platino-rodio/platino): è un tipo di metallo nobile utilizzato in applicazioni ad alta-precisione e ad alta-temperatura fino a 1600 gradi o più. Viene utilizzato nelle fornaci e negli aerei.
Le termocoppie sono molto importanti nelle industrie che lavorano con temperature elevate, come la metallurgia (fusione dell'acciaio), la lavorazione chimica, la produzione di energia (caldaie e turbine) e la produzione del vetro.
II. Rilevatori di temperatura a resistenza (RTD)
Gli RTD dipendono dal fatto che la resistenza elettrica dei metalli puri, come il platino, cambia in modo prevedibile al variare della temperatura. La resistenza aumenta in linea retta all'aumentare della temperatura, seguendo regole come l'equazione di Callendar-Van Dusen. Il sensore Pt100 (100 ohm a 0 gradi) e il Pt1000 sono i due tipi più comuni.
Gli RTD sono ottimi perché sono molto precisi (solitamente ±0,1 gradi o migliore), stabili nel tempo e hanno una risposta lineare in un'ampia gamma di temperature (solitamente da -200 gradi a +660 gradi, ma alcuni progetti possono arrivare molto più in alto). Per questo motivo, sono migliori per attività che richiedono molta precisione, come la calibrazione di laboratori, la lavorazione degli alimenti, la produzione di farmaci e il controllo dei sistemi HVAC. I loro problemi principali sono che impiegano più tempo a rispondere perché hanno una massa termica maggiore, costano più delle termocoppie e necessitano di una corrente di eccitazione esterna (fonte di corrente costante) per misurare la resistenza senza commettere errori dovuti all'auto-riscaldamento. L'utilizzo di configurazioni a tre-fili o a quattro fili è un grande vantaggio perché compensano la resistenza del cavo e migliorano notevolmente la precisione complessiva del sistema, soprattutto su lunghe distanze.
III. Termistori
I termistori sono sensori costituiti da semiconduttori che cambiano molto la loro resistenza al variare della temperatura. Si dividono in NTC (coefficiente di temperatura negativo, il che significa che la resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura) e PTC (coefficiente di temperatura positivo, il che significa che la resistenza sale rapidamente oltre un certo punto).
I termistori NTC sono estremamente sensibili (molto più degli RTD o delle termocoppie), rispondono rapidamente, sono piccoli e economici. Funzionano bene nell'intervallo da -50 a +150 gradi Celsius (con alcune versioni estese). Sono molto utilizzati nei sistemi di gestione delle batterie, nel controllo del clima delle automobili, negli elettrodomestici (come frigoriferi e forni) e nell'elettronica di consumo. Il problema principale è che la loro curva di resistenza-temperatura è piuttosto non-lineare, il che significa che è necessario utilizzare calcoli matematici o tabelle di ricerca per ottenere letture accurate. Inoltre, hanno problemi di intercambiabilità se non sono calibrati. I termistori PTC, d'altro canto, vengono utilizzati principalmente per la prevenzione-della temperatura eccessiva, la limitazione della corrente di spunto e gli elementi riscaldanti autoregolanti invece della misurazione continua esatta.
IV. Sensori di temperatura per circuiti integrati (IC) I sensori IC combinano l'elemento di rilevamento, il condizionamento del segnale e talvolta la conversione da analogico-a-digitale in un unico chip di silicio. Possono inviare tensione analogica (ad esempio 10 mV/grado) o segnali digitali tramite protocolli come I²C, SPI o 1-Wire. Alcuni marchi noti sono i dispositivi della serie LM35, DS18B20 e TMP.
Hanno un basso tasso di errore (normalmente ± 0,5 gradi), rispondono rapidamente, richiedono poche parti esterne e sono facili da collegare ai microcontrollori. Ciò li rende perfetti per sistemi embedded, elettronica di consumo, nodi IoT, PC e dispositivi portatili. L'intervallo di temperatura da -55 a +150 gradi Celsius ne limita l'uso in luoghi molto caldi o molto freddi, ma la loro facilità d'uso e la capacità di lavorare con altri dispositivi compensano questo in molte applicazioni attuali.
V. Altri tipi di supplementi Oltre ai principali sensori di contatto, esistono numerose scelte speciali che soddisfano scopi specifici.
I sensori di temperatura a infrarossi (senza-contatto) possono misurare la temperatura senza toccare l'oggetto poiché possono vedere la radiazione di calore proveniente da esso. Sono ottimi per monitorare le alte temperature (come i metalli fusi), bersagli in movimento o luoghi pericolosi. Li puoi trovare nei termometri auricolari medici, nei pirometri industriali e nei controlli di sicurezza alimentare.
I termometri bimetallici utilizzano la diversa dilatazione termica di due metalli legati per spostare un puntatore. Ciò fornisce una lettura semplice e affidabile senza bisogno di alimentazione. Funzionano bene con semplici termostati domestici, forni e manometri industriali che non sono molto precisi.
I sensori di temperatura in fibra ottica sono immuni alle interferenze elettromagnetiche, resistenti alla corrosione e in grado di rilevare a grandi distanze perché utilizzano caratteristiche ottiche come il decadimento della fluorescenza o l'interferometria. Sono molto importanti in luoghi come sottostazioni ad alta-tensione, trasformatori, macchine per risonanza magnetica e luoghi in cui sono presenti esplosivi o materiale nucleare.
In breve, quando si sceglie un sensore di temperatura, è necessario pensare a cose come quanto deve essere preciso, quanto ampio è l'intervallo di temperatura, quanto velocemente deve rispondere, quanto costa, quanto deve essere resistente nell'ambiente e quanto è facile da installare. Le termocoppie sono la scelta migliore per le operazioni industriali-a temperature molto elevate, gli RTD sono i più precisi negli ambienti controllati, i termistori sono la scelta migliore per intervalli intermedi a basso costo e i sensori IC semplificano il collegamento digitale dei componenti elettronici. L'infrarosso e la fibra ottica sono due esempi di altri tipi che consentono di coprire tutti i settori, anche quelli che non possono essere raggiunti tramite tocco diretto o EMI.
