Sensori di Temperatura e Corrente - LAR-DEIS Home Page
annuncio pubblicitario
Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sensori di Temperatura e Corrente Ing. Andrea Tilli DEIS – Alma Mater Studiorum Università di Bologna E-Mail: [email protected] Revisionato: 27/09/2004 SENSORI DI TEMPERATURA Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 2 Sensori di Temperatura Termocoppie V Con tro Termistori R T Pro RTD • autoeccitante • robusto • poco costoso • alte temperat. • non lineare • bassa Vout • temp. di riferim. • bassa sensitività R T Sensori a c.i. V I T T • molto stabile • molto sensibile • molto lineare • output elevato • molto accurato • veloce • poco costoso • molto lineare • misura a 2 fili • costoso • rifer. di corrente • bassa resist. • autoriscald. Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna • non lineare • range limitato • rifer. di corrente • autoriscald. • T<200°C • serve aliment. • lento • autoriscald. 3 TERMOCOPPIA Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 4 Termocoppia Grandezza misurata Î Grandezza in uscita Î differenza di temperatura tensione Tipo di sensore autoeccitante z termoelettrico Î non linearità sistematica z compensazione con tabelle o polinomi interpolanti Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 5 Termocoppia Effetto Seebeck Coppie metalliche standard giunz. calda giunzione fredda T2 V = f(T2,T1) T1 non lineare Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna J ferro/costantana K Ni-Cr/Ni-Al (cromel/alumel) E cromel/costantana T rame/costantana R platino/Pt-rodio 6 Termocoppia Caratteristiche tecniche principali J K E T R -200 0 Tmin °C Tmax °C 750 1250 900 350 1450 mV 42.25 50.63 68.78 17.81 16.74 Vmax Errore °C 0 2.2 -200 -200 2.2 1.7 0.8 1.4 le Vmax sono riportate ipotizzando la giunzione di riferimento a 0 °C Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 7 Termocoppia Principali forme costruttive Giunzione esposta Giunzione protetta isolata Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna Giunzione protetta a terra 8 Termocoppia Pregi autoeccitante Î costo contenuto Î idoneo al funzionamento in ambienti ostili Î idoneo a misurare temperature molto elevate Î Difetti uscita non lineare con Temperatura z tabella o polinomio interpolante Î richiede la compensazione del giunto freddo Î segnali molto bassi Î Sensore di temperatura standard nelle applicazioni ad altissima temperatura Î basso costo, anche domestiche Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 9 Termocoppia Problemi di interfacciamento problematiche legate a giunzioni parassite compensazione della temperatura del giunto “freddo” Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 10 Termocoppia Effetto delle giunzioni parassite Schema di collegamento tipico: Cu Vm Cu Fe Tamb Fe Forno Collegamento tramite “estensione” dei metalli di termocoppia Costantana T1 Costantana Vm é influenzata dalle termocoppie parassite? Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 11 Termocoppia Legge del “metallo intermedio” Cu Fe C Cu C T T Cu Fe Fe Forno Vm Cu Tamb Costantana Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna T1 Costantana 12 Termocoppia Regola del “metallo intermedio” Cu Fe C Cu C T T Cu Vm Cu Fe Fe Tref Fe Forno V1 C se piattaforma isoterma T1 Costantana Cu-Fe parassite si compensano Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 13 Termocoppia In definitiva, le giunzioni parassite non perturbano la misura se: • connettori di materiale uguale a quello dei metalli di termocoppia • le temperature degli estremi di collegamento sono uguali Cu Vm Cu Fe Fe Forno Collegamento tramite “estensione” dei metalli di termocoppia Tref Costantana T1 Costantana “barriera” isoterma Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 14 Termocoppia Attenzione: generalmente i collegamenti sono piuttosto lunghi e non sono sempre disponibili cavi di metallo uguale a quello della termocoppia si rende necessario collegamento tramite metalli a ‘basso effetto Seebeck’ rispetto ai metalli della termocoppia di misura Cu Vm Cu M1 Fe giunzioni non isoterme Tref M2 Forno T1 Costantana “barriera” isoterma Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 15 Termocoppia Compensazione della temperatura di “giunto freddo” Vm = f(T1,Tref) la misura di T1 non è assoluta ma riferita a Tref Î f( ·) non lineare in T1, Tref Î Tipicamente i costruttori forniscono tabelle o polinomi T1 ↔ Vm con Tref fissato (tipicamente 0°C = 32°F) e T1 > Tref come calcolare T1 se Tref effettivo è diverso dal Tref di tabella? Valgono le seguenti regole: disparità: f(T1,T2) = -f(T2,T1) Î composizione f(T1,T3) = f(T1,T2) + f(T2,T3) Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 16 Termocoppia Compensazione della temperatura di “giunto freddo” misurando la temperatura Tref effettiva, Î tipicamente con sensori a c. i. o a semiconduttore indicando con T0 la Tref fissata di tabella, ricordando che Vm = f(T1,Tref) = f(T1,T0) + f(T0,Tref) = V1 - V0 Î dove si definiscono V1 = f(T1,T0) e V0 = f(Tref ,T0) si potrà procedere come segue 1) ricavare V0 da Tref misurato, tramite la tabella T ↔ V 2) ricavare V1 = Vm + V0 (Vm è misura ottenuta) 3) ricavare T1 da V1, tramite la tabella T ↔ V Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 17 Termocoppia Compensazione della temperatura di “giunto freddo” Si è dovuto aggiungere un ulteriore sensore di temperatura per rilevare la Tref Non si può fare altrimenti quando le temperature da rilevare sono molto elevate (oltre 700-800°C) e precludono l’utilizzo di un sensore assoluto (RTD, termistore) Può essere comunque economicamente conveniente visto che la termocoppia e il sensore di Tref (vicina alla temperatura ambiente) sono poco costosi. Attenzione: la precisione complessiva della misura è legata anche alla misura di Tref Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 18 Termocoppia Schema di collegamento Cavo speciale di collegamento Scheda di acquisizione V1 Tref sensore di Tref Terminazione isoterma Fe T1 Costantana Forno materiali a basso effetto Seebek con quelli della Termocoppia di misura Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 19 TERMORESISTENZA (RTD) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 20 Termoresistenza Grandezza misurata Î Grandezza in uscita Î variazione di resistenza Tipo di sensore Î temperatura modulante z termoresistivo Richiede un circuito per la trasformazione della resistenza in tensione Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 21 Termoresistenza Denominazione tecnica RTD ⇒ Resistance Temperature Detector Realizzazione tecnologica materiale di supporto ceramica Î vetro Î -200 < T < 750 °C -200 < T < 500 °C materiale termoresisitivo Î platino α = 0.0038Ω/Ω/ °C z a filo avvolto ⇒ realizzazione standard z film spesso ⇒ sostituzione più veloce z film sottile ⇒ piccolo, rapidissimo Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 22 Termoresistenza Caratteristiche tecniche principali filo film spe. film sot. Rnom @ 0 ºC Ω 100 ÷ 1000 100 ÷ 300 100 ÷ 1000 Off-set % 0.1 0.1 0.1 nonlin % 0.6 0.6 0.6 τ (aria) s 5 ÷ 15 10 ÷ 20 3 ÷ 10 mm 25x5 25x1.5 10x1 size lxΦ Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 23 Termoresistenza Pregi idoneo al funzionamento in ambienti ostili Î molto lineare Î dimensioni anche molto ridotte Î elevata velocità di risposta Î costo contenuto Î Difetti richiede circuito di alimentazione Î temperature max più bassa di termocoppia Î Sensore di temperatura standard nelle applicazioni a temperatura intermedia Î elevata accuratezza Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 24 Termoresistenza Dispositivo standard Pt 100 Termoresistenza al Platino valore nominale 100 Ω a 0°C Î coefficiente di Temperatura: +0.00392 (Ω/Ω/°C) z variazione di 0.392Ω per ogni °C Î campo di applicazione: -200 ÷ +850 °C Î ottima linearità Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 25 Termoresistenza Circuito di eccitazione metodo volt/ampermetrico 4 fili per una migliore accuratezza Î soluzione generale Î I=0 Iref Vm Pt100 I=0 Nel forno Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 26 Termoresistenza Circuito di eccitazione ponte di Wheatstone 3 fili per una migliore accuratezza Î Pro rispetto Volt/Amper: riferimento in tensione Î Contro rispetto Volt/Amper: non lineare Î solo per piccole variazioni di temperatura Î I≠0 R R parassite dei collegamenti 1 4 R+∆R I≠0 Vref 2 R 3 R I=0 Nel forno Vm Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 27 SENSORI DI CORRENTE Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 28 Sensori di Corrente A SHUNT RESISTIVO AD EFFETTO HALL Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 29 SENSORI DI CORRENTE A SHUNT RESISTIVO Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 30 Sensore di corrente a shunt resistivo Grandezza misurata Î Grandezza in uscita Î corrente tensione Tipo di sensore Î autoeccitante Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 31 Sensore di corrente a shunt resistivo I=0 I Vm I=0 Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 32 Sensore di corrente a shunt resistivo DIVERSI PROBLEMI Perturbazione del circuito su cui si effettua la misura Assenza di isolamento galvanico Misura “fuori massa” Autoriscaldamento VANTAGGI Semplicità Assenza di alimentazione esterna (autoeccitante) basso costo Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 33 SENSORI DI CORRENTE AD EFFETTO HALL Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 34 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Grandezza misurata Î Grandezza in uscita Î corrente 2 realizzazioni z tensione isolata z corrente di minore intensità ed isolata Tipo di sensore Î modulante (attenzione!) z effetto Hall Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 35 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Realizzazione in catena aperta Iref Vout = (K*Iref)*Im Im Vout Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 36 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Realizzazione in retroazione I2 n2 Iref I1 + n1 V G - Iout = n1/n2 I1 Vout= RIout R Vout n1 = numero di avvolgimenti del cavo di misura. Di solito 1 n2 = numero di spire del secondario. Di solito 1000/2000 Non piu’ modulante “in senso stretto”! (no Iref in relaz. in-out) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 37 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Caratteristiche essenziali Campo di misura Î Linearità Î >1500V Risposta in frequenza Î migliore dell’1% Isolamento Î 10 ÷ 100A dalla continua a >100kHz Costo Î contenuto Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 38 Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall Pregi isolamento galvanico Î continue sono misurabili (raffronto con TA) Î idoneo alla misura su Inverter di potenza Î molto lineare Î dimensioni anche molto ridotte Î elevata velocità di risposta Î costo contenuto Î Difetti Î richiede circuito di alimentazione Sensore di corrente standard nella misura di correnti > 5A Î elevata accuratezza Î Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 39 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sensori di Temperatura e Corrente Fine Ing. Andrea Tilli DEIS – Alma Mater Studiorum Università di Bologna E-Mail: [email protected]
