I punti principali trattati in questa lezione sono:
§
Calore e
temperatura
§
Misure di
Temperatura: il Principio Zero
§
Scale
Termometriche
§
Il termometro e la
sua taratura
§
Tipi di
termometro
La temperatura è sicuramente stata una
grandezza poco capita nella fisica fino al XVIII secolo, quando non si aveva
ancora chiara la distinzione tra il concetto di temperatura e calore; ancora
oggi spesso si commettono errori nel linguaggio comune dovuti proprio al fatto
che si tende a confondere l’una con l’altra.
Nell’antichità, si
pensava al calore come ad un fluido, detto calorico, capace di
impregnare i corpi e dotato precise proprietà
fisiche (veniva descritto come una sostanza imponderabile, indistruttibile e
dotata di una sua viscosità). Tale sostanza si sosteneva che passasse da un
corpo all’altro durante il riscaldamento, uscendo dal più caldo,
raffreddandolo, ed entrando nel più freddo, riscaldandolo, fino al
raggiungimento dell’ equilibrio termico.
Questa concezione durò
sino circa al 1840 quando Thompson
dimostrò come si potesse produrre calore dal lavoro meccanico: il
calore è quindi una forma di energia.
La temperatura è invece una grandezza fisica (scalare) che rappresenta lo
stato termico di un corpo, essa infatti è una delle sette grandezze assunte
come fondamentali nel S.I. (Sistema Internazionale).
Per chiarire la sostanziale differenza tra i due concetti, facciamo un
banale (ma significativo) esempio: se abbiamo a disposizione 1 litro di acqua a
temperatura ambiente (a cui è associato quindi un certo calore) e vi
aggiungiamo 1 tazzina da caffè di acqua bollente, possiamo notare un
innalzamento (seppur lieve) della sua temperatura. Se ripetiamo l’ esperimento,
aggiungendo però stavolta 1 litro di acqua bollente, noteremo che la
temperatura dei 2 litri così ottenuti sarà ben più elevata di quella osservata
in precedenza. Possiamo concludere che, a parità di temperatura dell’ acqua
originaria e di quella aggiunta ( ~ 100° C), abbiamo ottenuto 2 diversi
risultati in quanto la quantità di calore apportata nei casi considerati non
era la stessa.
La misura della temperatura di un corpo è basata su un aspetto che sembra costituire
una caratteristica peculiare del comportamento di tutti i corpi: la loro
tendenza a raggiungere una situazione di equilibrio termico. Questo
comportamento viene assunto come criterio di fondo su cui basare la definizione
di temperatura, attraverso un fondamentale principio fisico, che prende il nome
di Principio Zero della termodinamica, è il cui enunciato è il seguente:
“ Ponendo a contatto due corpi, dopo un tempo ragionevolmente lungo, essi assumono la stessa temperatura. I due corpi si dicono allora in equilibrio termico.”
Corpo B Calore Corpo A
Si potrà parlare della
temperatura di un corpo come della grandezza
misurata da un termometro in equilibrio termico con l’oggetto in esame.
Si osserva
sperimentalmente, al solito, che quando un corpo passa da una temperatura ad
un’altra subisce una variazione di volume, si può pertanto ipotizzare di
assumere questa variazione come misura
della differenza di temperatura tra i due stati termici. Utilizzando un corpo
come campione e ponendolo successivamente in equilibrio termico con diversi
corpi si può ottenere una misura della differenza tra gli stati termici in cui
questi corpi si trovano. Per esprimere numericamente i valori delle diverse
temperature è quindi necessario riferirsi ad una scala.
Tuttavia l’enunciato nella forma espressa sopra è
troppo semplificativo, nella realtà infatti mi trovo a dover tener
conto di n-corpi interagenti
termodinamicamente tra loro: per effettuare quindi una corretta misura di
temperatura devo soddisfare certe condizioni.
Qualsiasi trasduttore o sensore utilizzato perturba però il sistema,
ottengo cioè un risultato inevitabilmente afflitto da errore sistematico.
Con l’introduzione della misura si rende necessaria la costruzione di una scala delle temperature, sia cioè x una grandezza variabile con la temperatura (grandezza termometrica), si definisce una scala di temperatura imponendo una relazione t = f(x), che leghi la temperatura alla grandezza x. Nei termometri a liquido per esempio, la grandezza termometrica x è il volume apparente di una certa massa liquida (mercurio, alcool, ecc.); nei termometri a gas è la pressione a volume costante (oppure il volume se costante è la pressione) di una massa gassosa.
Una scala si dice lineare se è rappresentata dalla relazione t = ax + b, dove a e b sono delle costanti che si determinano assegnando i valori numerici di due temperature, viceversa si parla di scala non lineare. La non linearità che si può manifestare non è un problema : se mi avvalgo di un’ unità elettronica per la lettura della temperatura, essa può essere facilmente compensata.
Operativamente la costruzione di una scala termometrica avviene prendendo il corpo campione, o sostanza termometrica (per es. mercurio), ponendolo in equilibrio con due stati termici ben individuati e facilmente riproducibili a cui si attribuiscono due determinati valori della temperatura (punti fissi). Dividendo l'intervallo compreso tra questi due livelli e prolungando la suddivisione al di sopra e al di sotto delle temperature di riferimento si costruisce così una scala termometrica (scala empirica delle temperature) che consente di attribuire un determinato valore della temperatura a ogni stato termico che può essere in equilibrio con la sostanza termometrica.
Naturalmente il valore o la scelta delle temperature di riferimento e il
numero delle suddivisioni dell'intervallo tra queste temperature è arbitrario e
dipende unicamente dalle convenzioni adottate. Ecco le scale termometriche utilizzate in
ambito internazionale :
- Scala centesimale o scala Celsius
È una scala lineare in cui è assegnato il
valore zero gradi Celsius (simb.: ºC) alla temperatura d'equilibrio tra il ghiaccio
e l'acqua satura d'aria alla pressione di 1 atmosfera (temperatura del ghiaccio
fondente), ed è assegnato il valore 100 °C alla temperatura di equilibrio tra
l'acqua e il suo vapore saturo alla pressione di 1 atmosfera (temperatura
normale di ebollizione dell'acqua).
- Scala
Réaumur
In questa scala, ormai abbandonata, sono
fissati i medesimi punti di riferimento fondamentali della scala Celsius, ma
l'intervallo tra di essi è suddiviso solo in 80 gradi, detti gradi Réaumur
(simb.: ºR).
- Scala Fahrenheit
Nella scala Fahrenheit (usata nei paesi
anglosassoni) al punto di fusione del ghiaccio (0 ºC) corrispondono 32°
Fahrenheit (simb.: °F) e al punto di ebollizione dell'acqua (100 °C)
corrispondono 212 °F. La temperatura t in gradi centesimali e la
corrispondente temperatura f in gradi Fahrenheit sono legate quindi
dalla relazione t = 5/9 (f—32).
La definizione operativa di temperatura precedentemente
accennata si basa sull'impiego di una sostanza termometrica; questo metodo
presenta delle difficoltà di carattere concettuale in quanto sostanze diverse
hanno un comportamento diverso agli effetti della dilatazione termica, perciò
il valore della temperatura di uno stato termico dipende in generale dal tipo
di sostanza termometrica utilizzata.
Qualitativamente quello che otteniamo da una misura
termometrica è un indicatore su una scala, ciò ci impedisce di compiere calcoli
algebrici su due diverse temperature. Di qui l’esigenza di una scala delle temperature concettualmente diversa:
- Scala termodinamica delle
temperature assolute (usata nel S.I.)
In questa scala la temperatura, definita in maniera indipendente da ogni sostanza termometrica, è fondata sul rendimento di una macchina che compie un ciclo reversibile. La scala termodinamica delle temperature assolute universalmente adottata è la scala termometrica di lord Kelvin. Lo zero di questa scala è lo zero assoluto (T = 0), cioè la temperatura alla quale il volume di un gas perfetto si annulla (si osservi che T non è mai negativa), mentre il valore del grado di questa scala, detto grado Kelvin (simb.: K) è fissato nel sistema SI stabilendo che il punto triplo dell'acqua sia 273,16 °K e che la temperatura d’acqua bollente sia 373,16 °K. L'intervallo di temperatura di 1 grado Kelvin coincide con 1 grado Celsius.
Osservazioni: La scala di temperatura Celsius si indica
con t minuscolo, mentre quella assoluta con T grande; esse sono legate tra loro
dalla relazione:
L’intervallo di un grado nelle due scale è lo stesso, la variazione di
temperatura è la stessa, è quindi possibile utilizzare indifferentemente gradi
Celsius o Kelvin in tutte quelle formule dove è richiesta una differenza di
temperatura DT.
4 – Il termometro e la sua taratura
Possiamo dare questa
definizione di Termometro: un piccolo corpo caratterizzato da una
grandezza fisica che varia in modo univoco in funzione della temperatura,
munito di un’ apposita scala su cui essa possa essere rilevata. Tale grandezza
fisica è detta proprietà termometrica che dipende dalla sostanza
termometrica di cui è costituito il termometro. Come già accennato, le sue
dimensioni devono essere ridotte per due fondamentali motivi: per non
perturbare il sistema che deve misurare; per avere la massima velocità di
risposta, per fare ciò deve evidentemente avere una ridotta inerzia termica.
Queste considerazioni ci fanno capire come sia difficile costruire termometri
in grado di misurare la temperatura di oggetti molto piccoli, o di valori molto
prossimi allo zero assoluto.
Ogni termometro è descritto da un grafico, detto curva di taratura, sul quale è descritto l’andamento della caratteristica termometrica in funzione della temperatura. A seconda dell’ andamento di tale curva si avranno comportamenti più o meno lineari: è uno degli elementi caratteristici per la classificazione dei tipi di termometro.
Esempi di diversi tipi di curve di taratura
I termometri possono
essere divisi in campioni primari (i più precisi, l’errore massimo di questi
strumenti deve essere contenuto entro il millesimo di grado), secondari,
terziari, etc. a seconda della precisione nel livello di taratura e misura di
temperatura; i termometri primari sono strumenti da laboratorio, assolutamente inadatti
ad usi industriali o domestici: sono di riferimento e vengono utilizzati per
tarare gli altri strumenti, o per esperimenti che richiedano grande precisione.
Di tali campioni ve ne è uno per ogni stato della C.E.: esso è depositato
presso un apposito istituto e serve come riferimento per la taratura di tutti i
termometri del Paese. In Italia, il campione primario si trova all’Istituto
Colonnetti di Torino. A livello di coordinazione superiore si trova il W.E.C.C.
(Western European Corporation Calibration): esso coordina a livello Europeo lo
scambio di campioni tra i centri di taratura nazionali.
Passiamo ora ad esaminare più in specifico
alcuni tipi di termometri con un particolare riguardo ai vantaggi e gli svantaggi
che li caratterizzano ed al loro campo più comune di utilizzo. Possiamo
osservare che il primo gruppo (5.1-5.5) sono termometri finalizzati a
comunicare direttamente all’ utente il valore di temperatura rilevato, il
secondo (5.6-5.9) sono più genericamente dei trasduttori (oggetti in
grado di tradurre una grandezza fisica in un segnale elettrico) più versatili
ed impiegati tipicamente nell’ acquisizione dei dati (tecnica con la
quale fornisco ad un sistema di elaborazione i valori delle grandezze da
considerare). Per poter impiegare tali
trasduttori al fine di conoscere la temperatura da essi rilevata, si necessita
ovviamente di un’ adeguata elettronica.
5.1 – A gas perfetto
I termometri a gas perfetto possono
essere divisi in due categorie:
In entrambi
il principio di funzionamento si basa sulla ben nota equazione di stato
dei gas perfetti:
dalla quale, noti i
valori iniziali, tenendo fissi o il volume (primo caso) o la pressione (secondo
caso), si possono ricavare i valori di temperatura misurando semplicemente la
grandezza variata.
Schema di principio di un termometro a gas
perfetto
5.1.1 - Volume costante
Come è intuibile dal nome, in esso si mantiene costante il volume, mentre
ciò che varia (e che verrà valutato nella misura) è la pressione.
Il dispositivo è composto
da una piccolo contenitore ceramico collegato ad un tubicino trasparente di
sezione molto piccola a forma di “U”, riempito in parte da un liquido colorato
(perché ben visibile); nella parte inferiore della “U” si innesta un altro
tubo, questa volta flessibile che termina in una ampolla, anch’essa riempita
dello stesso liquido.
Si usa la ceramica in
quanto è uno dei materiali che meno si dilatano al variare della temperatura,
si ha infatti la necessità di un volume il più possibile costante.
Lo strumento è completato
da una scala graduata inserita all’interno della “U”, che permetterà di
misurare le variazioni di altezza del liquido (e quindi di pressione).
All’interno del
contenitore ceramico si mette un gas puro, solitamente Ossigeno, Idrogeno,
Elio, o Azoto: quelli che meglio approssimano i gas perfetti.
Per tarare il termometro
si segue questo procedimento: per prima cosa si deve incidere un riferimento
sulla parte sinistra del tubo a “U”, che segnerà il volume del gas, che non
deve variare, si immerge poi il contenitore in un ambiente a temperatura ben
nota, per esempio in un ambiente in cui l’acqua è al punto triplo.
A questo punto si lascia
stabilizzare il termometro, poi, misurando la differenza di altezze del liquido
tra i due rami della “U”, è possibile calcolare la pressione a cui si trova il
gas in questo sistema.
Una volta effettuata la
taratura, mettendo in contatto il recipiente con il corpo di cui voglio
conoscere la temperatura, basta attendere che il termometro sia in equilibrio
termico e leggere la nuova altezza h del liquido di destra, avendo cura di
spostare l’ampolla del tubo flessibile in modo che il volume del gas non vari
(ossia che nel ramo sinistro della “U” il liquido rimanga a livello del
riferimento). A questo punto è possibile calcolare il nuovo valore P della
pressione del gas, e quindi risalire alla temperatura del nuovo sistema grazie
alla relazione
Osservando il comportamento della
pressione, a volume costante, di gas differenti su un piano cartesiano (p,T),
si può notare che tutte le rette che descrivono i diversi gas, se prolungate verso
le basse temperature, puntano asintoticamente ad un unico valore. Questo fatto
vale anche qualora la pressione tende a zero: in tale zona, impiegando gas
diversi, si otterrà la stessa misura.
Caratteristica di temperatura di alcuni gas, al
variare della pressione
5.1.2 - Pressione costante
Contrariamente al tipo precedente, qui si mantiene costante la pressione,
ciò che varia (e che verrà valutato nella misura) è il volume.
Costruttivamente è simile
al tipo descritto in precedenza: esso dovrà però funzionare a pressione
costante cioè il livello del liquido stavolta sarà mantenuto identico nei due
rami della “U” (in modo da avere la stessa pressione); si dovranno misurare poi
le variazioni di altezza del livello (quindi di volume) del liquido per poter
determinare la nuova temperatura. Questo è possibile grazie all’equazione:
Possiamo infine elencare
vantaggi e svantaggi del termometro a
gas perfetto:
Vantaggi:
·
Grazie alla sua stessa
definizione è uno strumento molto
preciso, concettualmente si può pensare a precisione infinita, intaccata solo
da errori di misura e dalle piccole correzioni che si devono apportare per vari
effetti secondari (quali dilatazioni termiche non volute, gas nel tubicino a
temperatura diversa da quella che si vuol misurare ……);
·
copre un vasto campo
di temperatura dai –270°C (Usando l’Elio che liquefa appunto solo a 3K) ai
1700°C (limite posto dai materiali con cui esso è costruito);
·
misura in modo
diretto la temperatura Kelvin: per questo è ottimo per tarare gli altri
strumenti e talvolta può essere un termometro campione (primario).
Svantaggi:
·
è fondamentalmente
uno strumento per usi da laboratorio, non è né di pratico impiego, né di facile
trasportabilità;
·
è inadatto a
misurare temperature di corpi molto piccoli (perché è molto difficile costruire
un termometro a gas di dimensioni ridotte);
·
è quasi
inutilizzabile se le misure devono essere eseguite su sistemi in moto: anche le
minime accelerazioni perturbano di molto il livello del liquido.
5.2 – A liquido
Esempio di termometro a liquido
Esempio di termometro a solido
Vantaggi:
· Il costo è minimo;
· E’ di semplice utilizzo;
· E’ robusto.
Svantaggi:
· La precisione e l’accuratezza sono piuttosto scarse, tanto che possono originare errori anche di 5-10°C.
Pirometro ottico tipo a filamento evanescente
“Cannocchiale” di un pirometro
Diversamente, tale
riferimento, può essere costituito da un disco diviso in vari settori colorati,
che viene fatto ruotare fino a ché il colore del corpo in esame non corrisponde
perfettamente a quello del settore circolare. A questo punti i corpi sono
teoricamente alla stessa temperatura: in seguito al colore ottenuto posso così
conoscerne il valore.
A parte il fatto che
questo sistema funziona solo con temperature alte, esso ha un altro limite:
nessuno ha ancora trovato un metodo oggettivo di misura del colore, cosa che
rimane quindi molto soggettiva: risulta molto difficile discernere tonalità
diverse, il che rende il termometro impreciso ed inaccurato.
Come accennato in precedenza,
ogni corpo emette delle radiazioni correlate in qualità e quantità con la
temperatura e con la natura del corpo emettente. Con la termografia viene
rilevata l’intensità di radiazione luminosa emessa, che è legata alla
temperatura dalla legge di Stefan :
dove s0 è la costante di Stefan e vale , A(n) è invece un coefficiente che
varia in funzione della frequenza e dall’ angolo con il quale guardo l’oggetto,
è inoltre differente da corpo a corpo.
La caratteristica
termometrica è legata alla temperatura da una quarta potenza: questo la rende
fortemente non lineare.
Con strumenti opportuni
si possono così misurare le intensità luminose emesse dal corpo di cui si vuole
stimare la temperatura, possibilmente in più intervalli, in modo da mediare gli
errori. Questo è ovviamente un metodo poco preciso, anche se è una miglioria
del pirometro ottico (se non altro perché T dipende da due grandezze
oggettivamente misurabili, I e n), e che richiede una grossa quantità di calcoli,
ma teoricamente può funzionare per qualsiasi temperatura e senza necessità di
entrare a contatto col corpo da misurare.
Tipicamente questo
strumento si avvale di una telecamera
sensibile alle radiazioni infrarosse che fornisce le scansioni
termografiche degli oggetti da studiare.
Questa tecnica viene
impiegata nei campi più disparati: dalla medicina, all’architettura.
Vantaggi:
· Funziona a qualsiasi temperatura, l’unico limite è tecnologico, ossia si deve avere la possibilità di misurare l’intensità luminosa a particolari frequenze.
Svantaggi:
· Il sistema di misura è di solito molto costoso;
· Si richiede una quantità di correzioni molto grande (quindi grande mole di calcoli) per un risultato che rimane comunque approssimativo.
5.6 – Termoresistenza (RTD)
Esempio di termometro a termoresistenza
La sonda è essenzialmente formata da un
filo metallico molto sottile e lungo (per mettere meglio in evidenza il DT), avvolto intorno a un piccolo cilindro di porcellana e racchiuso dentro
una guaina isolante.
Il filo che funge da
sostanza termometrica è collegato con un apposito circuito elettrico,
opportunamente schermato da campi elettromagnetici, realizzato in modo da
fornire con la massima precisione la misura della sua resistenza. Talvolta,
questi trasduttori, possono essere non lineari: l’elettronica posta a valle di
essi ne terrà conto (tramite appositi valori correttivi), in modo da migliorare
al massimo l’accuratezza della misura finale.
Tipico circuito di supporto per una
termoresistenza.
Le termoresistenze si
classificano con sigle indicanti il materiale costituente il filo resistivo e
la relativa resistenza misurata a 0°C.
Non tutti i metalli sono evidentemente adatti alla costruzione di tali sensori:
serve un materiale stabile, cioè che ne R0 ne i suoi parametri
varino nel tempo, che resista ad elevate temperature e che non si corroda e non
ossidi, inoltre che presenti un coefficiente sufficientemente
elevato tale da consentire la realizzazione di un dispositivo con una buona
sensibilità. Questi requisiti sono ben soddisfatti dal platino: esso infatti
presenta un ampio intervallo termico di impiego (-260°C - 700°C), ottima
stabilità e buona linearità (entro ±0.38°C).
Le termoresistenze più
comunemente utilizzate sono infatti le Pt-100 (Pt sta per platino, 100 sono gli
W a 0°C), anche se ne esistono con valori resistivi
inferiori (come la Pt-25). Questo però ci fa intravedere un problema legato al
suo valore resistivo troppo basso: la corrente che la attraversa tende ad
assumere valori più elevati, con conseguente aumento dell’ effetto joule:
questo determina un riscaldamento del sensore che può quindi dare luogo a
misure errate. Un metodo impiegato per ovviare a ciò è effettuare la misura a
tempo discreto, avvero ad intervalli stabiliti in merito alla velocità di
variazione del fenomeno trattato.
Vengono tuttavia
costruiti sensori a resistenza con altri materiali: il rame, ad esempio, è
utilizzato laddove si richiede un’ elevata linearità, il nichel dove si
desidera contenere i costi e/o avere elevata sensibilità.
Vantaggi:
·
Buone
caratteristiche di linearità;
·
Non abbisogna di
tarature continue se la resistenza è ben isolata dall’esterno;
·
E’ sempre precisa e piuttosto
accurata, e nell’ambito dell’acquisizione dati è particolarmente raccomandata
per misure industriali di precisione;
·
Può svolgere misure
in un campo vasto compreso fra i –260°C e +1000°C;
·
E’ robusta, ed ha
una vita piuttosto lunga.
Svantaggi:
·
Bassa sensibilità;
·
Può essere piuttosto
costosa (cifre dell’ordine di qualche milione a esemplare);
·
Non è adatto a
misure di temperatura di corpi molto piccoli, in quanto non è facilmente
miniaturizzabile, e presenta quindi notevole inerzia termica.
E’ un dispositivo il cui
funzionamento si basa sull’effetto Seebeck: se si pongono due metalli
diversi a contatto in modo da formare un anello e si portano le due giunzioni
(o giunti) a temperature differenti, in queste si generano tensioni di valore
differente, che provocano il fluire nell’ anello di una corrente di intensità
proporzionale alla differenza di temperatura tra le due giunzioni.
Se, come mostrato in
figura seguente, si realizza un circuito costituito da due metalli diversi
uniti in corrispondenza del punto dove si vuole misurare la temperatura, ossia
il giunto caldo, e scollegati in corrispondenza del giunto freddo, qui, grazie
all’ effetto di cui sopra, si misurerà una certa f.e.m. (dell’ordine del
millivolt), proporzionale alla differenza di temperatura dei due giunti.
Tipo |
Composizione(+/-) |
Range (°C) |
C |
W-Rh(5 %)/W-Rh(26 %) |
0 - 2300 |
E |
Chromel / Costantana |
0 – 982 |
J |
Ferro / Costantana |
0 – 760 |
K |
Chromel / Alumel |
-184 – 1260 |
R |
Pt-Rh (13 %) / Pt |
0 – 1593 |
S |
Pt-Rh (10 %) / Pt |
0 – 1538 |
T |
Rame / Costantana |
-180 - 400 |
Caratteristiche di alcuni tipi di termocoppie
Esempio di circuito di compensazione del giunto
freddo
Vantaggi:
·
Ampio range di
funzionamento;
·
Possibilità di
impiego di materiali resistenti alle diverse condizioni ambientali;
·
Costi contenuti;
·
Grazie alle loro
dimensioni ridotte, e conseguente piccola inerzia termica sono particolarmente
adatte a misure in sistemi molto piccoli;
·
Hanno un’accuratezza
elevata, circa 0.1°C.
Svantaggi:
·
Sono poco precisi: con la coppia rame-costantana si
misura una forza elettromotrice di 0,42mV/°C, quindi un valore piccolo,
difficile da misurare, che risente con molta facilità di disturbi esterni
(rumore), difficili da schermare;
·
La mancanza di
linearità.
5.8 – Termistore (NTC, PTC)
Si tratta di sensori che basano il loro funzionamento sullo stesso
principio delle termoresistenze, con la differenza che l’ elemento sensibile
non è un metallo ma un semiconduttore. I termistori vengono indicati come NTC
(negative temperature coefficient) quando presentano un coefficiente di
temperatura () negativo e come PTC (positive temperature coefficient)
quando il coefficiente è positivo.
Caratteristica tipica di un PTC ceramico
Vantaggi:
·
Elevata sensibilità
(la resistenza può variare del 5% per ogni °C di variazione di temperatura),
sono usati per costruire termometri di precisione;
·
Ridotti tempi di
risposta (legati alla bassa inerzia termica);
·
Versatilità di
impiego.
Svantaggi:
·
La non linearità;
·
Il ridotto
intervallo di temperature di impiego.
Si tratta di dispositivi che basano il loro funzionamento sull’ elevata influenza che ha la temperatura sulle caratteristiche elettriche dei materiali semiconduttori. Se si impiegano diodi a semiconduttore, si può sfruttare l’incremento della corrente di saturazione inversa, che raddoppia per ogni aumento della temperatura di 10 °C, oppure la diminuzione della tensione di soglia di circa 2.5 mV/°C sempre all’ aumentare della temperatura.
Con i diodi zener è
possibile utilizzare la deriva termica negativa della tensione breakdown della
giunzione. Dei transitori bipolari si possono infine sfruttare gli effetti
della diminuzione, al variare della temperatura, della VBE,
all’aumento della ICB e del guadagno β di corrente
(riportato sotto). Si noti come nella regione evidenziata in guadagno abbia un
andamento quasi lineare.
Andamento del guadagno di un transistore al
variare della temperatura
E’ da notare che il
mercato sta destando interesse sempre maggiore a questo tipo di dispositivi soprattutto
grazie all’ elevato valore del segnale d’ uscita che è dell’ ordine di 10 mV/K,
se l’uscita è in tensione, di 1 μA/K se l’ uscita è in corrente.
Vantaggi:
·
Elevata sensibilità;
·
Buona linearità;
·
Basso costo;
·
Possibilità di
integrare nello stesso chip anche il circuito di condizionamento.
Svantaggi:
·
Lentezza nella
risposta;
·
Il ridotto
intervallo di temperature di impiego.
N.b. Per informazioni tecniche e costruttive più dettagliate sui sensori
ora descritti visita il sito www.termics.it/Catalogo.htm.