Temperature Icon

Misurare la temperatura con precisione: tecnologie possibili e requisiti per i sistemi di acquisizione dati

La grandezza più misurata al mondo è la temperatura. I sensori e i metodi disponibili per rilevarla sono numerosi. Uno dei più comuni prevede l’uso di una termocoppia. Nel presente articolo vi forniamo un quadro generale sull’argomento. 

In tutto il mondo, la temperatura è la grandezza più misurata. La lettura precisa della temperatura ha un ruolo fondamentale nelle misurazioni strutturali e nelle operazioni dinamiche di qualunque tipo di sistema.

Sono numerosi i fattori che innescano cambiamenti termici. Tra questi, i fattori ambientali (caldo, freddo), il riscaldamento dei sensori, i processi di combustione o esplosione, il flusso e i componenti di sistema che si muovono meccanicamente e provocano frizione o corrente elettrica.

Anche i cambiamenti di temperatura incidono solitamente su altre grandezze fisiche, come la quantità di corrente elettrica, deformazione, flusso o pressione. L’ideaIe sarebbe di tenere conto di queste dipendenze termiche e compensarle durante il funzionamento. In questo caso è fondamentale acquisire con precisione i valori di temperatura, per ridurre l’incertezza di misura dovuta alle oscillazioni della stessa.

I profili di temperatura ottenuti durante i test in una configurazione modello possono essere usati per analizzare e ottimizzare un sistema, portando vantaggi specialmente per quanto riguarda i circuiti di raffreddamento e riscaldamento, la progettazione dei materiali o il calcolo delle dimensioni dei cavi per condurre l’elettricità.


Possibili metodi per una misurazione digitale della temperatura

Ponendo di voler confrontare in modo digitale le temperature contemporaneamente ad altre grandezze, abbiamo a disposizione le seguenti opzioni:

  • sensori che cambiano resistenza, come i termistori NTC – riducono la loro resistenza all’aumentare della temperatura; e termistori PTC – aumentano la resistenza con l’aumentare della temperatura (ad es. termometri di resistenza al platino o al silicone oppure termistori PTC ceramici).
  • Sensori che inviano un segnale elettrico, come i sensori di temperatura, alterano la tensione quando cambia la temperatura.
  • Sensori della temperatura che impiegano un oscillatore al quarzo – in questo caso la frequenza della risonanza varia in funzione della temperatura.
  • I pirometri e le telecamere a imaging termico sono strumenti senza contatto e misurano la radiazione termica.
  • I sensori della temperatura in fibra ottica misurano il profilo della temperatura lungo una fibra di vetro. Il principio applicato in questo caso è l’effetto Raman; in altre parole, il cambiamento in funzione della temperatura dell’indice refrattario nei reticoli in fibra di Bragg (FBG).
  • Infine, uno dei metodi più comuni per misurare la temperatura, oggi più che mai, prevede l’uso di termocoppie, che convertono le differenze di temperatura in una tensione elettrica grazie all’effetto Seebeck. Le termocoppie comprendono due diversi metalli saldati con o senza materiale d’apporto in una estremità. Quando questo punto di collegamento diventa caldo, viene generata una tensione non lineare in funzione della temperatura.
Type-K insulated thermocouple for the QuantumX MX809B module.
Termocoppia isolata di tipo K per il modulo QuantumX MX809B.
Fiber optic temperature sensors
Sensori di temperatura in fibra ottica, come quelli della serie FS63 di HBM.
Thomas Johann Seebeck (1770-1831)
Thomas Johann Seebeck (1770–1831), fisico tedesco. Fonte: Wikipedia

Effetto Seebeck per misurare la temperatura

Le termocoppie misurano la temperatura con l’effetto Seebeck. Il rapporto tra calore ed elettricità, la termoelettricità, è stato scoperto dal fisico Thomas Johann Seebeck. Riscaldando il punto di collegamento tra due materiali diversi, si genera una tensione dipendente dalla temperatura.

Le punte delle termocoppie sono composte da cavi saldati collegati all’elettronica di misura. Se la temperatura differisce in punti diversi di questi cavi, si ha uno spostamento della carica. Il materiale e la conduttività del cavo determinano l’attività dell’elettronica e quindi la misura di questo spostamento della carica. Se il punto del collegamento saldato di due metalli si riscalda, gli elettroni si spostano da un materiale all’altro. La risultante differenza di temperatura tra le estremità collegate e non collegate dei cavi provoca una tensione termoelettrica che si può misurare dalle estremità libere dei cavi. Una volta preso nota della temperatura sull’estremità libera del cavo e una volta misurata la tensione, possiamo calcolare la temperatura nel punto di collegamento dei due fili. In questo caso la tensione misurata è molto bassa, solo qualche decina di microvolt per ogni grado Celsius di differenza nella temperatura. È comunque del tutto adeguata per individuare la temperatura con precisione.

 

 

Tipi di termocoppie

Esistono diversi tipi di termocoppie che differiscono a seconda dei materiali di fabbricazione e delle caratteristiche e coprono diversi intervalli di temperatura. I diversi tipi, i loro intervalli di tensione, le forze elettromotrici e il limite ammesso di deviazione della temperatura sono disciplinati dalla norma DIN EN 60584.

La termocoppia di tipo K è ampiamente utilizzata. È una termocoppia universale, realizzata con un collegamento delle leghe nichel-cromo e nichel-Alumel. Ha una sensibilità di 41 μV/°C (microvolt per grado Celsius), un prezzo accessibile e  un intervallo di temperatura molto ampio, tipicamente da -200 a +1100°C.

Altri tipi comuni sono E, T, J, N (quest’ultimo è successore del tipo K), C, e S.

 

 

Connector for Type-K thermocouple (green)
Connettore per termocoppia di tipo K (verde)
Connector for Type-K thermocouple (yellow)
Connettore per termocoppia di tipo K (giallo)
Connector for Type-T thermocouple (blue)
Connettore per termocoppia di tipo T (blu)
Connector for Type-J thermocouple (black)
Connettore per termocoppia di tipo J (nero)

Dove si usano le termocoppie

Le termocoppie possono essere usate in numerose applicazioni nell’ambito della ricerca e sviluppo. Semplificano la verifica e il miglioramento di modelli climatici complessi ad esempio all’interno dei veicoli, per portare i dispositivi di accumulo dell’energia alla condizione termica ottimale impedendo la demagnetizzazione dei motori elettrici.

 

 

white check mark in green circle

Vantaggi delle termocoppie

  • Hanno un design robusto.
  • Possono essere sottilissime, per un tempo di risposta rapido (fino a 0,1 secondi/10 Hz), con integrazione praticamente universale.
  • Sono convenienti.
  • Possono essere applicate in un intervallo di temperatura ampio.

Svantaggi delle termocoppie

  • Sono necessarie linee di compensazione dello stesso materiale (cavi termoelettrici).
  • I punti di contatto diventano altre termocoppie, ad es. nichel-cromo (NiCr) nella termocoppia di tipo K al rame nello strumento di misura, il che genera tensioni termoelettriche compensate (compensazione a giunto freddo).
  • Classe di precisione
  • Hanno una caratteristica non lineare.
  • Esistono numerosi fattori di incertezza.
  • Le temperature devono essere misurate frequentemente negli ambienti con interferenze elettromagnetiche.

I sistemi testati, come ad esempio i motori a combustione, i compressori e i motori elettrici, generano il loro rumore elettrico. Gli ambienti sono resi rumorosi dagli oggetti che scaricano alte tensioni, come le candele di accensione, e dalla presenza di alte correnti e tensioni vicine al punto di misurazione.

 

 

Il sistema di acquisizione dati ottimale per misurare le temperature con le termocoppie

Il sistema di acquisizione dati ottimale cattura i segnali più piccoli, supera tutte le difficoltà in condizioni ambientali variabili e sopprime altresì le variabili di disturbo, come il rumore di segnale.

Con QuantumX, HBM offre un sistema di acquisizione dati adatto a tutte le grandezze fisiche misurabili e fornisce una facile analisi dei dati con il software catman.

Sono attualmente disponibili i seguenti modelli, progettati specificatamente per il collegamento di termocoppie:

  • MX1609KB: Modulo di acquisizione dati a 16 canali, tipo K
  • MX1609TB: Modulo di acquisizione dati a 16 canali, tipo T
  • MX1609KB-R: Robusto amplificatore con 16 canali configurabili individualmente per termocoppie di tipo K (serie SomatXR)
  • MX809B: Modulo di acquisizione dati a 8 canali, tutti i tipi (involucro di rame)
  • MX840B/MX440B: Modulo di acquisizione dati universale a 8/4 canali

Temperatura di misurazione e numerosi altri segnali con QuantumX

HBM offre il sistema di acquisizione dati QuantumX (DAQ) per una misurazione precisa delle temperature attraverso termometri a resistenza, o termocoppie. La serie QuantumX è modulare e scalabile, in linea con le esigenze dei clienti. Consente il collegamento di qualunque segnale, sensore e trasduttore e digitalizza in modo sincrono le grandezze fisiche, come temperatura, deformazione, pressione, forza, coppia, velocità, accelerazione, posizione, flusso, tensione e corrente.

 

 

QuantumX – il sistema DAQ per risultati di misura precisi

Il sistema di acquisizione dati modulare QuantumX elabora grandezze misurabili, come temperatura, con un’eccezionale precisione:

  • Ha una vasta capacità di applicazione in R&D, ad esempio nell’ingegneria meccanica e nell’automotive, nell’ingegneria medica e nell’industria aerospaziale.
  • Misura le temperature con altissima precisione, fino a 0,1 K.
  • È insensibile alle interferenze.
  • Le misurazioni affidabili possono essere eseguite ad un potenziale di tensione elevato (certificato VDE).
  • È prevista la parametrizzazione automatizzata dei canali con TEDs senza fili (RFID).
  • È ideale per le misurazioni strutturali e altamente dinamiche, con la libertà di scegliere frequenze di campionamento da 0,1 a 40.000 S/s.
  • Il trasferimento ottimale è garantito da Ethernet e può essere integrato con un software a scelta.
 QuantumX MX1609B Thermocouple Module
Modulo termocoppia QuantumX MX1609B
Ultra-rugged SomatXR MX1609KBR Thermocouple Module
Modulo termocoppia ultra-robusto SomatXR MX1609KBR
MX809B Data Acquisition Module for Measurement of Temperatures and Voltages
Modulo di acquisizione dati MX809B per la misurazione di temperatura e tensione
QuantumX MX840B Universal Module
Modulo universale QuantumX MX840B

QuantumX offre una tecnologia ottimale per qualunque applicazione:

  • Viene fornito con ingressi universali o specifici – di tutti i tipi o di tipo specifico.
  • È presente una precisa compensazione a giunto freddo di singoli canali oltre al giunto al rame (Pt1000).
  • I canali sono isolati elettricamente tra loro e dall’alimentatore e dalla rete, con una soppressione efficace delle variabili di disturbo.
  • Le catene di misura sono sicure, grazie al cavo doppiamente isolato, al connettore con la protezione da contatto, all’elevato isolamento elettrico (v. categorie di misura), e al controllo da parte di VDE.
  • Integra l’approssimazione lineare polinomiale delle curve in linea con IEC.
  • Esiste una seconda approssimazione lineare specifica per l’applicazione attraverso la taratura termica di diversi punti (ad es. acqua ghiacciata e 200°C) per correggere il polinomiale.
  • Ha un design robusto e compatto, con un intervallo di temperatura esteso.
  • Viene fornito con parametrizzazione automatica dei canali, visualizzazione del punto di misura e approssimazione individuale con TEDs (tecnologia RFID).
  • Offre frequenze di campionamento individuali per canale + filtro low-pass.
  • Ha un design di sistema espandibile e liberamente scalabile.
  • È possibile eseguire misurazioni sincrone.
  • Può essere facilmente integrato con un software di vostra scelta. Con catman per HBM, fornisce una soluzione semplice e completa per l’acquisizione e l’analisi dei dati.
  • Può essere integrato in tempo reale (EtherCAT, CAN bus).
Contatti Prego, contattateci se desiderate conoscere cosa può offrirvi la HBM.