Cosa sono i sensori di temperatura
I sensori di temperatura sono dispositivi che rilevano e misurano le variazioni di temperatura dell’aria o della temperatura superficiale di liquidi e solidi. Sono spesso trasduttori, perché trasformano la grandezza temperatura in grandezza elettrica. Si differenziano in sensori di temperatura a contatto o senza contatto.
Tra i sensori di temperatura a contatto, i più comuni sono le termocoppie e i termometri a resistenza, che comprendono a loro volta le termoresistenze o RFD – Resistance Temperature Detector e i resistori termosensibili o Thermistor.
Non a contatto sono invece i termometri a infrarossi o pirometri ottici, le termocamere a infrarossi e il datalogger wireless.
Sensori di temperatura a contatto
I sensori di temperatura a contatto si basano sul rapporto tra temperatura e resistenza dei metalli. Generalmente, negli altri materiali, all’aumentare della temperatura cresce anche la resistenza, ovvero l’opposizione al passaggio della corrente elettrica. In alcuni metalli invece più aumenta la temperatura più diminuisce la resistenza e aumenta la conduttività, la capacità di far passare la corrente elettrica: i sensori di temperatura a contatto vengono quindi costruiti con metalli conduttori o semiconduttori, cosicché una volta inseriti in un circuito elettrico possano rilevare e misurare le variazioni di temperatura.
Le termocoppie
Una termocoppia è formata da due conduttori metallici uniti in un punto (“giunto caldo”, dove viene effettuata la misura) e collegati agli altri due estremi a un morsettiere elettrico (“giunto freddo”), legato a sua volta allo strumento di misurazione.
Si basa sull’effetto Seebeck, un effetto termoelettrico per il quale, dato un circuito formato da materiali metallici conduttori o semiconduttori, una differenza di temperatura genera elettricità. Aprendo il circuito, se nel giunto freddo si manterrà temperatura costante, nel giunto caldo sarà generata tensione elettrica.
Le termocoppie rilevano temperature molto elevate (fino a 1750°C), non richiedono alimentatori esterni, sono economiche e ampiamente utilizzate in campo industriale, anche se sensibili al rumore elettrico e non prive di errori sistematici. Generalmente sono isolate in ossido minerale e rivestite da una guaina esterna (anche doppia o tripla) in acciaio inossidabile per le alte temperature. Possono avere un connettore compensato, una basetta in ceramica, fili liberi, cavi di estensione.
Termometri a resistenza
I termometri a resistenza più comuni sono le termoresistenze o RTD – Resistance Temperature Detector e i termistori o resistori termosensibili.
- Le termoresistenze o RTD – Resistance Temperature Detector
Le termoresistenze, come suggerisce la stessa parola, rilevano la variazione del valore di resistenza del metallo al variare della temperatura quando sottoposto a corrente elettrica. Il valore della resistività è correlato alla lunghezza e alla sezione del conduttore utilizzato, che generalmente è in rame, nichel ma, soprattutto, platino. La variazione della resistenza in un RTD è lineare e il sensore si trova all’estremità del filo. Più aumenterà la temperatura, più aumenterà la resistenza elettrica del metallo all’interno del sensore, che acquisirà la variazione del dato.
Tipicamente un RTD contiene fili di platino avvolti in supporto isolante e in una guaina di protezione esterne in acciaio inossidabile per alte temperature. Può avere connettori compensati, basette in ceramica, teste di collegamento.
Tra le termoresistenze più utilizzate in campo industriale, la Pt 100 e la Pt 1000, entrambe al platino. La Pt 100 ha un valore resistivo di 100 Ohm a 0°C e di 375 Ohm a 800°C.
Altamente stabile e precisa, raramente sensibile al rumore elettrico, la RTD è più costosa della termocoppia, ha un range di rilevazione diverso (-200 a 650°C) e tempi di risposta più lenti, richiede un’alimentazione esterna ed è soggetta a fenomeni di autoriscaldamento.
- I termistori o resistori termosensibili
I termistori o resistori termosensibili derivano dall’inglese Thermistor, a sua volta contrazione di Thermal Resistor. Sono composti da metalli o materiali a base di ossido di metallo semiconduttori sinterizzati, ovvero ottenuti da lavorazione ad alta temperatura a partire da polveri. Si presentano a disco o a perla, rivestita di resina epossidica o vetro. Anche in questo caso, l’estremità del sensore viene sollecitata con un generatore di tensione e viene misurato il flusso di carica che lo attraversa per stabilire la variazione di temperatura. Il range di misurazione va da -100° a 325°C.
I termistori possono essere NTC – Negative Temperature Coefficient, a coefficiente negativo, o PTC – Positive Temperature Coefficient, a coefficiente positivo. Il coefficiente riguarda la resistenza: all’aumentare di temperatura, nei NTC diminuisce, nei PTC aumenta. Gli NTC sono più usati perché hanno una variazione non lineare: la resistenza viene meno in modo non proporzionale rispetto all’aumento di temperatura. Sono consigliati nei casi in cui la linearità tra le grandezze è trascurabile o dove il range di temperatura da misurare è ridotto: i termistori sono tra i più precisi sensori esistenti ma hanno un range limitato. Hanno un segnale potente e una risposta veloce ma sono particolarmente fragili.
Gli elementi termistori possono essere inseriti in sonde di temperatura, ovvero rivestiti di tubi di metallo.
Sensori di temperatura non a contatto
I sensori di temperatura non a contatto funzionano a infrarossi, e misurano la temperatura attraverso la radiazione infrarossa emessa dal target. Il principio è lo stesso dei sensori PIR: ogni corpo sopra lo zero assoluto emette radiazioni elettromagnetiche che non vengono rilevate dall’occhio umano al di sopra dei 700 nanometri, la frequenza del colore rosso. I sensori a infrarossi captano invece proprio la banda di frequenza che va dai 700 nanometri a un millimetro, “sotto il rosso”. Questi sensori si utilizzano per misurazioni in movimento o nelle condizioni in cui non è possibile il contatto con l’oggetto. Si dividono in pirometri ottici, termocamere, datalogger wireless.
I termometri a infrarossi o pirometri ottici
I termometri a infrarossi vengono anche chiamati anche pirometri ottici o pistole a infrarossi, se possiedono la caratteristica forma.
“Pirometro”, letteralmente, significa, dal greco “misuratore del fuoco”: un pirometro ottico misura la variazione di temperatura di un oggetto rilevandone la radiazione, che viene convogliata grazie ad apposite lenti. Più precisamente, un pirometro ottico contiene una lente che direziona la radiazione dell’oggetto su un ricevitore, che la converte a sua volta in segnale elettrico prima e in temperatura poi. Il segnale elettrico viene quindi elaborato, convertito e inviato a un display per essere visualizzato. Alcuni pirometri ottici sono dotati di memoria integrata e/o memoria Flash per l’archiviazione delle misure effettuate.
In pratica, il valore ottenuto dal sensore a infrarossi viene trasmesso a un microcontrollore grazie alla comunicazione I2C- Inter Integrated Circuit : è il microcontrollore a trasmettere lo stesso valore al display e, eventualmente, a memorizzarlo.
Altamente precisi, misurano la temperatura tra 600 °C e 2500 °C.
Le termocamere a infrarossi
Le termocamere a infrarossi riescono a rilevare la distribuzione termica di un’area elaborando una matrice di punti attraverso l’elaborazione digitale delle immagini.
Generano quindi un’immagine termica che rappresenta la distribuzione del calore dell’oggetto di riferimento. Si dividono in radiometriche e non radiometriche: le radiometriche misurano anche la temperatura superficiale di ogni pixel del sensore, quindi di verificare eventuali anomalie tecniche.
Le termocamere sono composte da una videocamera digitale, un obiettivo a infrarossi, un pulsante di messa a fuoco anche automatica e uno per lo scatto, un misuratore laser della distanza, un display anche touchscreen, uscite USB, slot per schede di memoria, microfono e speaker. Generalmente sono alimentate da batterie al litio. Le più comuni sono le termocamere a pistola. I modelli più avanzati sono dotati di microfono, speaker e software che consentono di acquisire in contemporanea l’immagine visibile e quella a infrarossi e di inserire nel display dei puntatori per una misurazione ancora più accurata.
Costose ma molto precise, misurano la temperatura da -20°C a 1500°C.
I data logger wireless
Un data logger è un registratore di dati, un raccoglitore autonomo composto da uno o più ricevitori elettronici collegati a un elaboratore che memorizza le misure di temperatura in tempo reale e in precisi intervalli di tempo. Consente quindi un’analisi in tempo reale dei dati, una possibilità di archiviazione maggiore, un monitoraggio costante delle variabili. I dati possono essere scaricati tramite collegamento USB, Ethernet o Wireless. In quest’ultimo caso, non serve alcun tipo di cavo e vengono eliminati i costi di installazione, con i dati inviati direttamente al cloud. Alcuni data logger sono dotati di protezione stagna per le alte temperature e applicazioni industriali.
I sensori di temperatura wireless con data logger non sono molto costosi, hanno dimensioni ridotte, un range di trasmissione fino a 300 metri e di temperatura che va da -10 a 60° C o da -50 a 150 °C.
A cosa servono i sensori di temperatura
I diversi tipi di sensori di temperatura possono essere utilizzati per misurare le variazioni di temperatura di qualsiasi oggetto liquido o solido e di qualsiasi ambiente. In campo industriale, la temperatura ambientale di magazzini, celle di depositi, serre, celle frigo.
Le termocoppie vengono utilizzate nel monitoraggio della temperatura industriale e di processo, nei test automobilistici, dei processi di combustione del motore ibrido, nei test su motori elettrici, turbine, nei sistemi di controllo aerospaziali.
Le RTD trovano impiego nella produzione di farmaci, nei processi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria nonché in quelli alimentari.
I termistori sono utilizzati nel monitoraggio di circuiti elettrici, come protezione nei trasformatori e negli alimentatori switching, negli allarmi antiincendio, nelle applicazioni per i motori automobilistici, nell’elettronica di consumo, nei termostati. In particolare, le NTC sono impiegate come sonde di temperatura per limitare la corrente di spunto, le PTC come protezioni per le apparecchiature da sovraccarichi.
I pirometri a infrarossi vengono usati nei casi in cui la misurazione non può essere a contatto: lunghe distanze, temperature troppo alte come quelle dei manufatti in cottura nei forni, oggetti in movimento come rulli o nastri trasportatore, alta tensione. Sono impiegati negli impianti industriali in applicazioni “fisse” e connesse a sistemi di regolazione automatica: la fibra ottica trasporta il segnale infrarosso fino al ricevitore posizionato in zona generalmente più accessibile.
Le termocamere non radiometriche sono utilizzate per analisi in ambito ambientale degli impianti solari o fotovoltaici, e, montate su droni, per ispezioni aeree a raggi infrarossi. Le termocamere radiometriche per l’agricoltura di precisione, quindi la classificazione della vegetazione, l’individuazione e l’analisi degli incendi boschivi, la distinzione delle colture e il rilevamento delle discariche.
I datalogger industriali sono impiegati nel monitoraggio delle condizioni ambientali e, in versione inox per le alte temperature, in processi come la pastorizzazione e la sterilizzazione alimentare.
Quali vantaggi portano alle aziende i sensori di temperatura
I sensori di temperatura sono adattabili a numerose applicazioni e non comportano particolari investimenti di installazione e monitoraggio. Per la massima efficienza, devono essere configurati a misura di processo, quindi a seguito di un’attenta analisi di contesto aziendale: in questo senso, possono essere l’occasione per riallineare strategie e operatività sul campo.
I sensori di temperatura effettuano misurazioni precise e affidabili, strutturate nel tempo, quindi consentono di avere a disposizione database utili per elaborare statistiche e ottimizzare i processi produttivi.
Migliorano la sicurezza dell’impianto effettuando misurazioni in condizioni difficili per l’uomo e la qualità del prodotto, monitorando le condizioni ambientali degli impianti.
Non a caso sono utilizzati per rilevare microfughe di fluidi, per controlli di processo non invasivi e per assicurare sterilità e igienicità ai processi produttivi, anche in chiave di compliance normativa (procedura HACCP, conformità ISO9000).
