Il principio di funzionamento e le caratteristiche dei sensori di temperatura, classificazione e portata

La produzione moderna è semplicemente impensabile senza l'automazione di vari processi tecnologici. Partendo da una centrale nucleare e finendo con le automobili, si possono trovare ovunque elementi di controllo automatico e regolazione dei parametri necessari. Pressione, velocità angolari e lineari, temperatura e molti altri parametri devono essere controllati per un funzionamento più efficiente dell'intera produzione o macchina.

Della varietà totale di parametri monitorati, circa la metà è occupata dalla misurazione e dal controllo della temperatura. E uno delle parti più importanti dell'intero sistema è il sensore. Dato che le condizioni e gli intervalli di temperatura possono variare notevolmente, i sensori e il primario convertitori sono realizzati con proprietà e qualità diverse, a seconda della tecnologia requisiti.

Il sensore di misurazione della temperatura stesso è un dispositivo in grado di ricevere un valore misurato e convertirlo in un segnale per la successiva elaborazione e regolazione da parte di un dispositivo di controllo. In poche parole, è un convertitore di una quantità (temperatura) in un'altra quantità (corrente elettrica, resistenza), che è in grado di elaborare il dispositivo (ad esempio un termoregolatore) e, sulla base dei dati ricevuti, eseguire le azioni per le quali questo dispositivo. Ad esempio, quando la temperatura supera il set point, il dispositivo può spegnere l'attuatore per arrestare la fonte di calore (media).

Tipi di sensori di temperatura

A causa del fatto che le condizioni e gli intervalli di misurazione per le diverse attività possono essere molto diversi e i requisiti per misurare i diversi parametri di temperatura possono essere diversi, rispettivamente, e per eseguire determinati compiti convertitore termico devono soddisfare queste condizioni e determinati requisiti. Pertanto, possono essere diversi e utilizzare diverse proprietà dei materiali nel lavoro. I sensori sono quindi:

• Semiconduttore;
• Resistivo termico;
• Acustico;
• Termoelettrico;
• piezoelettrico;
• Pirometri.

Descriveremo brevemente le caratteristiche di ciascuno di essi in modo che tu possa immaginare in quali casi è necessario utilizzare questo o quel dispositivo.

Semiconduttore termoelettrico

I convertitori termici di questo tipo sono richiesti nelle industrie, in quanto sono strumenti economici e abbastanza precisi con un errore basso. Sotto l'influenza della temperatura, tale sensore registra cambiamenti nelle proprietà della giunzione pn. Qui può essere usato quasi tutti i diodi o transistor bipolari. L'elevata precisione dei sensori di temperatura a semiconduttore è ottenuta grazie alla dipendenza della tensione attraverso il transistor dalla temperatura assoluta.

Convertitori termoelettrici termoresistivi

I principali vantaggi di tali sensori di temperatura sono la loro durata, stabilità e alta sensibilità. Si adattano perfettamente a quasi tutti gli schemi.

Il funzionamento di tali convertitori termici si basa su una variazione della resistenza sotto l'influenza della temperatura su un conduttore o semiconduttore. In poche parole, loro contengono un termistore nel loro design, che risponde ai cambiamenti nel mezzo misurato.

A seconda del materiale utilizzato nei sensori di temperatura termoresistivi, si suddividono in:

1. Resistivo al silicio, caratterizzato da stabilità a lungo termine e alta precisione.
2. Rivelatori di temperatura resistivi caratterizzati da elevata stabilità, robustezza e precisione. Il loro lavoro si basa sulla capacità dei metalli di cambiare la loro resistenza quando esposti alla temperatura. Molto spesso, tali sensori utilizzano platino o rame e, quando si controllano temperature particolarmente elevate, il tungsteno. Il loro unico inconveniente è il loro costo relativamente elevato.
3. I termistori si basano sull'uso di composti di ossido di metallo. Sono utilizzati solo per misurare le temperature assolute. I principali svantaggi sono la necessità di calibrazione e fragilità.

Dispositivi acustici di prossimità

Questo tipo di sensore di temperatura viene utilizzato principalmente per misurare le alte temperature. Il loro principio di funzionamento si basa sulla modifica delle caratteristiche del suono a diverse temperature. Consiste in questo sensore termico da ricevitore ed emettitore. Il suono, passando attraverso il mezzo indagato, entra nel ricevitore, dove vengono registrati i suoi parametri e sulla base di essi viene determinata la temperatura.

I sensori termici acustici sono spesso utilizzati in medicina e dove è impossibile misurare la temperatura con metodi a contatto. Uno dei loro principali svantaggi è la bassa precisione delle temperature misurate e l'alto errore dovuto a funzionalità aggiuntive.

Sensori termoelettrici

I sensori termoelettrici o, più semplicemente, le termocoppie si distinguono per un'ampia gamma di valori misurati, da -200 a 2200 gradi Celsius. Inoltre, le loro capacità dipendono dai materiali utilizzati. Ad esempio, le termocoppie in metallo di base possono misurare temperatura fino a 1100°C, con nobile fino a 1600°C, e per misurare condizioni termiche particolarmente elevate, vengono utilizzate termocoppie con metalli refrattari come il tungsteno.

Il principio di funzionamento dei sensori termoelettrici si basa sull'effetto Seebeck, ad es. vengono utilizzate giunzioni di metalli dissimili, formando un anello chiuso in cui nasce una corrente elettrica quando le giunzioni hanno temperature diverse. La termocoppia è composta da due estremità: funzionante e libera. Il primo si tuffa direttamente nell'ambiente di lavoro, il secondo no. Pertanto, si verifica una differenza di temperatura, che viene visualizzata sotto forma di una tensione di uscita, che viene registrata da un multivoltmetro, spesso incluso in un set con un sensore termoelettrico.

Dispositivi piezoelettrici al quarzo

Il principio di funzionamento di un sensore di temperatura piezoelettrico si basa sull'uso di un piezorisonatore al quarzo. Il piezomateriale utilizzato in esso svolge il ruolo di un risonatore. Quando viene applicata una corrente elettrica, questo il materiale inizia a esitare quando esposto a diverse modalità termiche e cambia anche la frequenza di oscillazione, che è la base dei sensori piezoelettrici.

Pirometri per convertitori termici senza contatto

I sensori senza contatto in grado di rilevare la radiazione termica da corpi riscaldati sono chiamati pirometri. La comodità di tali dispositivi è che non è necessario posizionarli direttamente nell'ambiente. Tuttavia, senza contatto diretto, l'accuratezza delle loro letture è relativamente bassa, perché potrebbero esserci effetti collaterali che influenzano le letture.

Esistono tre tipi di pirometri:

1. Pirometri interferometrici emettono due raggi, che passano uno attraverso il mezzo, e il secondo è quello di controllo. Questi due raggi colpiscono un elemento sensibile al silicio, dopo di che vengono confrontate la rifrazione e la lunghezza dei raggi, che dipendono direttamente dal riscaldamento del mezzo.
2. Sensori termici fluorescenti Funzionano secondo un principio più complesso: i componenti a base di fosforo vengono applicati sulla superficie dove è necessario misurare la quantità di calore. Successivamente, l'oggetto viene esposto alla radiazione pulsata ultravioletta, a seguito della quale si verificano determinate reazioni e la radiazione viene analizzata.
3. Sensori che contengono soluzioniche può cambiare colore sotto l'influenza della temperatura. Il cloruro di cobalto utilizzato in tali pirometri, a contatto con il mezzo misurato, è in grado di modificare lo spettro dei colori a seconda del grado di riscaldamento. Pertanto, la quantità di luce che passa attraverso la soluzione consente di misurare i parametri termici richiesti.

Regole di selezione

Tutti i sensori di cui sopra si comportano in modo eccellente entro i limiti specificati. Tuttavia, è necessario comprendere che è necessario sceglierli e utilizzarli in base ai requisiti in un caso particolare.

Pertanto, quando si sceglie l'uno o l'altro convertitore termico, è necessario prestare attenzione ai seguenti punti:

1. Il valore dell'intervallo di temperatura.
2. La capacità di immergere il sensore nell'ambiente misurato. Se ciò non è possibile, vale la pena ricorrere all'uso di pirometri o sensori acustici.
3. Le condizioni di misurazione sono una delle considerazioni più importanti nella scelta di un sensore. Qui vale la pena considerare non solo l'aggressività dell'ambiente, ma anche parametri come: pressione, umidità, ecc. Pertanto, vale la pena scegliere sensori senza contatto o in custodie resistenti alla corrosione.
4. Anche la natura del segnale di uscita deve essere sempre considerata. Infatti, alcuni convertitori termici possono convertire immediatamente il segnale in gradi, mentre altri lo danno solo nella quantità di corrente.
5. Alcuni sensori sono piuttosto instabili e di breve durata, cosa che dovrebbe essere presa in considerazione. Pertanto, se è necessario un lungo lavoro senza sostituzione e calibrazione, è necessario tenere conto anche di questa sfumatura.
6. Nella scelta di un sensore per determinate esigenze sarà utile prestare attenzione al tempo di risposta, alla risoluzione e all'errore, alla tensione di alimentazione di esercizio e al tipo di custodia.

Tenendo conto di tutte le sfumature di cui sopra, è possibile scegliere un sensore che sia pienamente coerente nelle sue caratteristiche in una situazione particolare e per compiti specifici.