Sensori di Temperatura (di Moglioni – Possidente)

Ricerca Possidente – Moglioni

I.T.I.S.GIOVANNI XXIII – Classe 5° “D” – A.S.2018-19

Possidente Matteo – Moglioni Alex

Elettronica

15 febbraio 2019

SENSORI di TEMPERATURA

Un sensore di qualsiasi tipo viene definito come un dispositivo meccanico, elettronico o chimico, che in apparecchiature o meccanismi rileva i valori di una grandezza fisica e ne trasmette le variazioni a un sistema di misurazione o di controllo.

In ambito strettamente metrologico, riferito solamente al componente che fisicamente effettua la trasformazione della grandezza d’ingresso in un segnale di altra natura.

Anche se storicamente sono sempre stati usati dispositivi che traducono le grandezze fisiche in visualizzazioni di più semplice leggibilità, con lo sviluppo dell’elettronica i sensori hanno invaso ogni campo tecnologico.

A parte le ovvie applicazioni legate alla strumentazione di misura, i sensori sono usati intensamente in medicina, nell’industria e nella robotica e in generale nei sistemi di controllo.

I sensori possono essere classificati in base al loro principio di funzionamento oppure al tipo di segnale in uscita, ma più comunemente vengono classificati in base al tipo di grandezza fisica che misurano, per esempio per i sensori di temperatura si hanno :

• termometri (a seconda della proprietà usata, i termometri sfruttano il principio zero della termodinamica oppure altre proprietà macroscopiche che sfruttano relazioni con la temperatura)

• termocoppie (sono dei trasduttori di temperatura il cui funzionamento è basato sull’effetto termoelettrico)

• termistori ( è un resistore il cui valore di resistenza varia in maniera significativa con la temperatura)

• termometri bimetallici (Il termometro bimetallico si basa sul principio della differente dilatazione dei metalli con il calore)

• termostati (è un componente costituito da un interruttore la cui azione on-off è comandata da una variazione di temperatura di un elemento sensibile che è parte del componente stesso)

TERMISTORE

In elettronica un termistore è un resistore il cui valore di resistenza varia in maniera significativa con la temperatura. I termistori vengono impiegati come sensori di temperatura (NTC).

Le misure tramite termistori sfruttano la variabilità della resistenza elettrica di un materiale con la temperatura; a differenza delle termoresistenze (composte da materiali conduttori metallici), i termistori vengono realizzati da materiali semiconduttori.

Si possono classificare in :

NTC : resistenza che decresce con l’aumentare della temperatura

PTC : resistenza che cresce con l’aumentare della temperatura

La resistenza dei termistori NTC (usata nel progetto) diminuisce all’aumento della temperatura.

Questo vale anche per la quantità di variazione resistiva per grado fornita dal termistore. Nelle applicazioni a temperature relativamente basse (-55 … 70 °C) si utilizzano termistori con minore resistenza (2252 … 10.000 Ω). Le applicazioni a temperature elevate, invece, esigono termistori con maggiore resistenza (oltre 10.000 Ω) per ottimizzare la variazione resistiva per grado alla temperatura richiesta.

Dal momento in cui il termistore è una resistenza variabile, sarà necessario misurare la resistenza prima ancora che si possa calcolare la temperatura. Tuttavia, Arduino non riesce a misurare il valore della resistenza direttamente (è in grado di misurare solamente la tensione).

Arduino misurerà la tensione ad un punto tra il termistore e un resistore noto . Questo processo è anche noto come partitore di tensione :

Introducendo il partitore di tensione in un circuito a termistori le variabili nell’equazione scritta precedentemente vengono rappresentati da :

Vout : Tensione tra il termistore e il resistore noto

Vin : Vcc, ossia 5V

R1 : Valore del resistore noto

R2 : Resistenza del termistore

L’equazione può essere anche riscritta e semplificata per la risoluzione di R2 (la resistenza del termistore) come :

R2 = R1 x (Vin/Vout — 1)

In conclusione, viene utilizzata l’equazione di Steinhart-Hart per convertire la resistenza del termistore in una lettura di temperatura.

L’equazione di Steinhart-Hart è un modello matematico della resistenza elettrica di un semiconduttore al variare della temperatura. È stata sviluppata per essere usata con i termistori di tipo NTC dove fornisce una buona precisione. L’equazione è :

dove :

• T è la temperatura (in kelvin)

• R è la resistenza (in ohm)

• A, B e C sono i coefficienti di Steinhart-Hart che variano a seconda del tipo e modello di termistore e il range di temperatura scelto.

I coefficienti di Steinhart-Hart sono di solito forniti dai costruttori di termistori.

BETA TERMISTORI NTC

Calcolo di Beta

Il valore “b” di un termistore, o beta, da un indicazione della forma della curva che rappresenta la relazione tra resistenza e temperatura di un termistore NTC. Calcolare il beta è uno step vitale nel processo di selezione, dal momento in cui fornisce la caratteristica ad una data temperatura in contrasto alla resistenza per una specifica applicazione. Comunque sia questo rappresenta la caratteristica o la curva di un componente che meglio definisce la resistenza come una funzione della temperatura.

I termistori NTC sono resistori non lineari che alterano le caratteristiche della loro resistenza in base alla temperatura; e come essa aumenta la resistenza del termistore diminuisce. Il modo in cui la resistenza di un termistore diminuisce è legata alla costante introdotta da poco che è conosciuta come beta (β).

Beta è misurata in gradi Kelvin (K) ed è calcolato in base a questa formula :

Dove :

Rt1 = Resistenza alla Temperatura 1

Rt2 = Resistenza alla Temperatura 2

T1 = Temperatura 1 (K)

T2= Temperatura 2 in (K)

Il valore beta di un termistore NTC viene calcolato utilizzando solo due temperature. T curva. Un metodo più accurato consiste nell’utilizzare l’equazione Steinhart-Hart, che utilizza tre temperature su un dato intervallo.

SCHEMA DEL CIRCUITO

Il valore del resistore dovrebbe essere all’incirca uguale alla resistenza del termistore. In questo caso, la resistenza del termistore è 100K Ohm, di conseguenza anche il valore del resistore è di 100K Ohm. Il beta del termistore utilizzato è uguale a : 3950.

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