Trasduttori resistivi 1 / 37 Lezione 2 I trasduttori resistivi Trasduttori resistivi 2 / 37 Trasduttori resistivi R=rl/S • La resistenza di un bipolo – Effetto di un cursore – Effetto della temperatura – Effetto della deformazione • Trasduttori di posizione – Reostati e potenziometri – Resistenza eq. di uscita Trasduttori resistivi 3 / 37 Trasduttori resistivi • Trasduttori di temperatura – Termoresistori - Pt100 – Termistori - PTC e NTC • Trasduttori di deformazione – Estensimetri » conduttivi e semiconduttivi – Ponte estensimetrico » celle di carico » trasduttori di pressione a stato solido Trasduttori resistivi 4 / 37 Resistenza di un conduttore cilindrico R=rl/S l r l/S potrebbe essere modificato mediante un “cursore” è influenzato dalla temperatura potrebbe essere modificato dalla “deformazione”del bipolo Trasduttori resistivi 5 / 37 Effetto di un cursore (per la variazione della lunghezza) r R l S r r R0 R l0 l R0 l S S R R0 l l0 Trasduttori resistivi 6 / 37 Effetto della temperatura nei conduttori r(T ) r0 1 a T T0 b T T0 c T T0 2 R R0 3 a T b T 2 c T 3 nella manganina: a 1÷10 •10 -6 [°C-1] nel rame: a 4 •10 -3 [°C-1] nel platino: a = 3,91 •10 -3 [°C-1] ; b = -5,8 •10 -7 [°C-2] Trasduttori resistivi 7 / 37 Effetto della deformazione l Rr S l0 l R R r S 0 S R R0 GF l l0 con GF 2 4 GF viene chiamato “gage factor” (gauge factor) Trasduttori resistivi 8 / 37 Potenziometri Attenzione: fotografie in scale diverse !!! Trasduttori resistivi 9 / 37 Caratteristiche dei potenziometri • • • • Linearità Risoluzione Sensibilità Vita • Resistenza di uscita • Risposta al gradino • Banda passante Trasduttori resistivi 10 / 37 Potenziometri Costo (ottobre 2007) : 140 euro Trasduttori resistivi 11 / 37 Potenziometri Trasduttori resistivi 12 / 37 Risoluzione del potenziometro A filo avvolto su supporto Con elemento CERMET Con elemento a plastiche conduttive Trasduttori resistivi 13 / 37 Caratteristiche dei potenziometri • • • • Linearità Risoluzione Sensibilità Vita • Resistenza di uscita • Risposta al gradino • Banda passante Trasduttori resistivi 14 / 37 Resistenza di uscita del potenziometro Trasduttori resistivi 15 / 37 Risposta al gradino del potenziometro Trasduttori resistivi 16 / 37 Termoresistori e Termistori Trasduttori resistivi 17 / 37 Resistività del platino r (T ) r0 1 a T T0 b T T0 c T T0 a = 3,91 ·10-3 °C-1 ; 2 3 b = -5,80 ·10-7 °C-2 ; c = -2 ·10-10 °C-3 T T0 T 100 C 2 r (T ) r0 1 a T b T Trasduttori resistivi 18 / 37 Resistenza del platino l l 2 r (T ) r0 1 a T b T S S R (T ) R0 1 a T b T 2 R 2 a T b T R0 Trasduttori resistivi 19 / 37 Termoresistori in Platino: Pt100 R (T0 ) 100 @ T0 0 C 5 R (T ) 100 0,391 T 5,80 10 T Attenzione: fotografie in scale diverse !!! 2 Trasduttori resistivi 20 / 37 Caratteristiche dei Pt100 • Campo di funzionamento – con capsula ceramica – a strato - 200 + 750 °C - 200 + 500 °C • Tempo di risposta in aria 1m/s: – con capsula ceramica – a strato 5 150 s 2 10 s • Costo – con capsula ceramica – a strato – di precisione ( ± 0,06°C @ 0°C ) 20 40 euro 8 10 euro 130 euro Trasduttori resistivi 21 / 37 Autoriscaldamento del Pt100 • Con capsula ceramica: • A strato : 0,20 0,70 °C / mW 0,50 °C / mW esempio di calcolo del sovrariscaldamento nel caso di capsula ceramica i 1 mA P 0,1 mW 0,02 0,07 C v 100 mV i 10 mA P 10 mW 2 7 C v 1 V Trasduttori resistivi 22 / 37 Linearizzazione del Pt100 con elemento serie 1 5,49 10 3 7 3 T 2,46 10 6 T nel Pt : R (T ) 100 1 3,91 10 T 5,80 10 T nel Ni : R (T ) R0 2 2 Trasduttori resistivi 24 / 37 Resistività dei semiconduttori R=rl/S • r è influenzato dalla temperatura 1 r enμ • e = carica del portatore • n = densità spaziale dei portatori • m = mobilità dei portatori ( m = v / E ) Trasduttori resistivi 25 / 37 Effetto della temperatura su r 1 r enμ T1 T2 > T1 n aumenta m diminuisce Trasduttori resistivi 26 / 37 Termistori PTC ed NTC RT2 RT1 e 1 1 T2 T1 NTC : 0 PTC : 0 Costo indicativo : 2 euro Trasduttori resistivi 27 / 37 Alimentazione di PTC e NTC Compatibile con NTC NON adatta a PTC Compatibile con PTC NON adatta a NTC Trasduttori resistivi 28 / 37 Caratteristiche di PTC ed NTC • • • • Linearità Risoluzione Sensibilità Vita Trasduttori resistivi 29 / 37 Estensimetri Trasduttori resistivi 30 / 37 Estensimetri l Rr S R R0 GF l l0 con GF 2 4 • La temperatura è “grandezza di influenza” ? – Sì, perché R0 (resistenza in assenza di deformazione) vale l0 2 R0 r0 1 a T T0 b T T0 S0 – Sì, perché anche il gage factor GF dipende dalla temperatura Trasduttori resistivi 31 / 37 Compensazione della temperatura R GF R0 l l0 con GF 2 4 • Manganina (84% di rame, 12% di manganese, 4% di nickel): – coefficiente di temperatura della resistività (nell'intorno di 20 °C): 1÷10 · 10-6 / °C – R0 varia di poche ( 1÷10 ) ppm / °C • Anche il misurando assume valori modesti: – negli acciai lo stato di plasticità (deformazione permanente) si raggiunge con deformazioni di 1500 ÷ 5000 ppm Trasduttori resistivi 32 / 37 Compensazione della temperatura R GF R0 l con GF 2 4 l0 • supponiamo di dover trasdurre una deformazione di 500 ppm ( 500 microstrain) con un estensimetro che ha GF = 2 R R0 2 500 10 6 1000 10 6 1 10 3 • supponiamo poi che la temperatura subisca una variazione di 20 °C e che il TCO del materiale sia di 5 ppm/°C R R0 6 6 20 5 10 100 10 0,1 10 3 ! Trasduttori resistivi 33 / 37 Ponte estensimetrico ( ponte di Wheatstone ) VAB R2 R4 V R1 R2 R3 R4 R10 ponendo A R20 VAB A R2 V 2 A 1 R20 VAB A l V GF 2 l0 A 1 Trasduttori resistivi 34 / 37 Ponte estensimetrico completo VAB se 1 R2 R3 R1 R4 V 4 R20 R30 R10 R40 R2 R20 allora R3 R30 R1 VAB V GF R10 l l0 R4 R40 Trasduttori resistivi 35 / 37 Celle di carico • Circuito a ponte estensimetrico ( basato sul ponte di Wheatstone ) • portate: da 0,5 kg a 1·106 kg • alimentazione: max 10 V • uscita a carico nom.: 2 10 mV / V • resistenza di uscita: 200 500 • incertezza: da ± 0,03% f.s. • prezzo: (quelle in foto) 400 euro Trasduttori resistivi 36 / 37 Trasduttore di pressione con estensimetri semiconduttivi Il GF degli estensimetri a semiconduttore è molto più elevato di quello degli estensimetri metallici sono tipici valori di GF = 200 Trasduttori resistivi 37 / 37 biblioteca mks@ • Trasduttori di posizione – Potenziometri » Manuale dei trasduttori di posizione. 16 pagine © GEFRAN • Trasduttori di temperatura – Termoresistori Pt100 » The RTD 3 pagine © OMEGA » Resistance elements and the RTDs 3 pagine © OMEGA » Construction and applications of Resistance Thermometers 15 pagine © Jumo Trasduttori resistivi 38 / 37 biblioteca mks@ • Trasduttori di temperatura: – Termistori NTC » Siemens NTC Handbook 164 pagine © Siemens » Epcos NTC Handbook 12 pagine © Epcos – Termistori PTC » Siemens PTC Handbook 186 pagine © Siemens » Resistance elements and the RTDs 3 pagine © OMEGA Trasduttori resistivi 39 / 37 biblioteca mks@ • Trasduttori di deformazione – Estensimetri » HBM Strain Gages and Accessories 64 pagine © HBM - Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH • Trasduttori di forza e pressione – Celle di carico » RS Strain Gages and Load Cells 10 pagine © RS » HBM Technical Weighing Solutions 20 pagine © HBM - Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
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