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
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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.
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• non lineare
• range limitato
• rifer. di corrente
• autoriscald.
• T<200°C
• serve aliment.
• lento
• autoriscald.
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TERMOCOPPIA
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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
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Termocoppia
Effetto Seebeck
Coppie metalliche standard
giunz. calda giunzione fredda
T2
V = f(T2,T1)
T1
non
lineare
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J ferro/costantana
K Ni-Cr/Ni-Al
(cromel/alumel)
E cromel/costantana
T rame/costantana
R platino/Pt-rodio
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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
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Termocoppia
Principali forme costruttive
Giunzione
esposta
Giunzione
protetta
isolata
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Giunzione
protetta
a terra
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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
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Termocoppia
Problemi di interfacciamento
problematiche legate a giunzioni parassite
compensazione della temperatura del giunto “freddo”
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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?
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Termocoppia
Legge del “metallo intermedio”
Cu
Fe
C
Cu
C
T
T
Cu
Fe
Fe
Forno
Vm
Cu
Tamb
Costantana
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T1
Costantana
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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TERMORESISTENZA (RTD)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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SENSORI DI CORRENTE
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Sensori di Corrente
A SHUNT RESISTIVO
AD EFFETTO HALL
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SENSORI DI CORRENTE
A SHUNT RESISTIVO
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Sensore di corrente a shunt resistivo
Grandezza misurata
Î
Grandezza in uscita
Î
corrente
tensione
Tipo di sensore
Î
autoeccitante
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Sensore di corrente a shunt resistivo
I=0
I
Vm
I=0
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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
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SENSORI DI CORRENTE
AD EFFETTO HALL
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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
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Sensore di corrente isolato ad Effetto-Hall
Realizzazione in catena aperta
Iref
Vout = (K*Iref)*Im
Im
Vout
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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)
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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
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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
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Ingegneria e Tecnologie
dei
Sistemi di Controllo
Sensori
di
Temperatura e Corrente
Fine
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