Sensori pratici: i molti modi in cui misuriamo il calore elettronicamente

La misurazione della temperatura risulta essere una funzione fondamentale per un numero enorme di dispositivi. Il termostato programmabile del forno e gli orologi digitali sono esempi evidenti. Se avessi solo bisogno di sapere se viene superata una certa temperatura, potresti utilizzare una bobina bimetallica e un microinterruttore (o un interruttore a mercurio come avveniva con i vecchi termostati). Ma oggigiorno vogliamo precisione su una vasta gamma di letture, quindi ci sono termocoppie che generano una piccola tensione, RTD che cambiano resistenza con la temperatura, termistori che cambiano anche resistenza con la temperatura, sensori a infrarossi e sensori a filo vibrante. La tensione bandgap di una giunzione a semiconduttore varia con la temperatura e anche questo è prevedibile e misurabile. Probabilmente esistono anche altri metodi, alcuni dei quali probabilmente piuttosto creativi.

Il punto è che ci sono molti modi per misurare qualsiasi cosa, ma in ogni caso stai convertendo ciò che vuoi sapere (temperatura) in qualcosa che sai come misurare come tensione, corrente o posizione fisica. Diamo un'occhiata a come alcuni dei sensori di temperatura più interessanti riescono a raggiungere questo obiettivo.

Le termocoppie sfruttano qualcosa chiamato effetto Seebeck. Quando due metalli diversi formano una giunzione e subiscono un gradiente di temperatura, si forma un potenziale elettrico. La chiave è che è un gradiente di temperatura che fa funzionare il dispositivo. Le termocoppie hanno una giunzione calda e una giunzione fredda. Se vuoi misurare la temperatura, hai bisogno di un giunto di riferimento. Per inciso, l’effetto funziona al contrario – l’effetto Peltier – dove il passaggio della corrente attraverso una coppia di giunzioni rende un lato caldo e l’altro freddo.

Ai vecchi tempi, immergevi la giunzione fredda in un secchiello di ghiaccio. Oggi è più probabile che si utilizzi un altro metodo per ottenere la temperatura del giunto freddo e quindi compensarla. Ci sono chip che lo faranno per te, ovviamente.

Lo svantaggio è che la lettura della temperatura non è lineare. Vedrai diversi tipi di termocoppie e ogni tipo utilizza due materiali di filo diversi. Il tipo ti dice quale curva di calibrazione utilizzare e, ovviamente, selezioni il metallo per l'applicazione di cui hai bisogno. Ad esempio, un tipo J utilizza il ferro come uno dei due fili e un tipo T utilizza il rame.

L'unica altra considerazione importante è il modo in cui si collegano i cavi alla termocoppia. Poiché il dispositivo funziona su una giunzione tra due diversi tipi di cavi, è necessario prestare attenzione a come si collegano gli altri cavi al dispositivo. Voglio sapere di più? [Bil Herd] ha approfondito come costruire un amplificatore per termocoppia.

Le termocoppie che misurano gli infrarossi a distanza sono chiamate termopile. Questi sono comuni nei termometri senza contatto e nei sensori IR passivi (PIR). Un sensore PIR rileva la differenza di temperatura tra due sensori e deduce che qualcosa è cambiato nel campo visivo.

Esistono diversi tipi di materiali che possono presentare variazioni di temperatura con resistenza. Il fattore più importante è se il dispositivo ha un coefficiente di temperatura positivo o negativo. In altre parole, la resistenza aumenta o diminuisce in risposta a un cambiamento di temperatura?

I termistori sono leggermente diversi nella struttura dai rilevatori di temperatura a resistenza o RTD. Di solito, i termistori presentano meno isteresi e problemi di autoriscaldamento rispetto agli RTD a base metallica (spesso platino). Tuttavia, in entrambi i casi, dovrai misurare la resistenza e adattarla a una curva per ottenere la temperatura reale.

La lettura dei termistori è un'operazione molto comune e ci sono molti trucchi che le persone hanno sviluppato nel corso degli anni. Puoi anche dedicarti all'elaborazione matematica per ottenere migliori adattamenti della curva o eseguire calcoli semplici e ottenere meno precisione.

La tensione di banda proibita del materiale semiconduttore varia in modo prevedibile con la temperatura. Se mai approfondirai la progettazione a stato solido, vedrai il termine T nell'equazione dei diodi e tutte le sue manifestazioni. Non sorprende, quindi, che molti circuiti integrati utilizzino questa proprietà per rilevare la temperatura.