Strumenti di Misura della Temperatura: Tipologie e Funzionamento

Bulbo del Termometro

Si tratta di un particolare tipo di igrometro, noto come psicrometro, costituito da due termometri: uno misura la temperatura a bulbo secco e l'altro con il bulbo bagnato. Un dispositivo più recente per misurare l'umidità si basa sul fatto che alcune sostanze subiscono variazioni nei loro cambiamenti di resistenza elettrica a seconda dell'umidità.

Termocoppia

Una termocoppia è un sensore per misurare la temperatura. È costituita da due fili di metalli diversi, collegati da un lato, che producono una piccola tensione associata con la temperatura. Questa tensione è misurata con un termometro a termocoppia.

Termometro a Resistenza

Un termometro a resistenza è uno strumento utilizzato per misurare la dipendenza della temperatura dalla resistenza elettrica dei metalli, leghe e semiconduttori (termistori). Questa proprietà può essere utilizzata per stabilire la natura del materiale, come conduttore, isolante o semiconduttore.

Caratteristiche dei Materiali per la Resistenza del Conduttore

• Alta temperatura coefficiente di resistenza, perché in questo modo lo strumento di misura è molto sensibile.
• Alta resistività; maggiore è la resistenza a una data temperatura, maggiore è la variazione del grado e quindi la sensibilità.
• Rapporto resistenza-lineare rispetto alla temperatura.
• Rigidezza e duttilità, che consentono i processi di produzione del disegno e della liquidazione del conduttore nelle spire della sonda, al fine di ottenere dimensioni ridotte (risposta rapida).

I Materiali Normalmente Utilizzati nelle Sonde

• Platino
• Nichel
• Rame

Gas Termometro

Il termometro a gas a volume costante è costituito da una fiala di gas (elio, idrogeno o azoto) e un manometro. Posizionare il bulbo del gas nell'atmosfera la cui temperatura viene misurata e quindi impostare la colonna di mercurio (gauge), che è in connessione con la lampadina, per dare un volume fisso di gas dal flaconcino. L'altezza della colonna di mercurio indica la pressione del gas, da cui è possibile calcolare la temperatura.

Misure di Temperatura

La temperatura è definita dallo stato termico di un corpo in riferimento al suo potere di trasferire o acquisire calore. La termodinamica afferma che la temperatura di una sostanza è una misura della velocità media delle sue molecole.

Punti Fissi di Riferimento e Scale Termometriche

La misurazione della temperatura è sempre effettuata sulla base di una certa importanza, che è un ordine numerico arbitrario e la funzione dei punti fissi di riferimento. La scala Celsius o centigradi, ad esempio, utilizza come punti fissi le temperature di fusione del ghiaccio alla pressione atmosferica normale (0 °C) e dell'acqua distillata (100 °C). Nella scala Fahrenheit, i punti fissi sono 32 °F e 212 °F.

Queste scale, Celsius e Fahrenheit, sono ampiamente applicate e accettate in tutto il mondo. Nel sistema scientifico, si utilizza la scala Kelvin, che regola la temperatura assoluta; la temperatura dello zero assoluto è definita come lo stato termico in cui la velocità molecolare di un gas ideale è pari a zero.

Tale interpretazione si basa sui concetti della teoria cinetica dei gas ideali, in cui si afferma che: la temperatura di un gas ridotto porta a una velocità molecolare tendente a zero. Ciò dimostra che, quando il gas viene riscaldato, le molecole vengono accelerate e la diffusione occupa più volume. Quando raffreddato, le molecole rallentano, si raggruppano e riducono il volume.

TERMOMETRI

Il termometro (dal greco θερμός (calore) che significa caldo "metro", "misura") è uno strumento di misura per la temperatura. Dal momento della loro invenzione, sono cambiati notevolmente, soprattutto dallo sviluppo di termometri elettronici digitali.

Inizialmente costruiti sfruttando il fenomeno di espansione, si è preferito l'uso di materiali ad alto coefficiente di espansione, in modo che l'aumento della temperatura fosse facilmente visibile. Il metallo di base utilizzato in questo tipo di termometro è stato il mercurio, contenuto in un tubo di vetro che incorpora una scala graduata.

TIPI DI TERMOMETRI

Termometro a Mercurio

Un termometro a mercurio è solitamente utilizzato per misurare la temperatura dell'ambiente. Il mercurio in questo tipo di termometro si trova in una riflessione bianca luminosa, che impedisce l'assorbimento di radiazioni nell'ambiente. Questo termometro misura la temperatura dell'aria senza essere influenzato da oggetti che irradiano calore.

Termometro Bimetallico

Un termometro bimetallico è un dispositivo per determinare la temperatura basato sul coefficiente di dilatazione di due lastre di metallo di metalli diversi. I cambiamenti di temperatura si verificano nelle lame diverse e questa espansione genera un movimento che può essere misurato su una scala graduata in gradi Celsius o Fahrenheit. I termometri bimetallici sono ampiamente utilizzati nell'industria e nelle stazioni meteorologiche.

Gas Termometro

Il termometro a gas a volume costante, di cui si discute l'istituzione della scala di temperatura termodinamica, appartiene alla categoria dei termometri riempiti di gas ed è il più preciso nel suo genere. Per uso industriale, un termometro della pressione del gas è costituito da un elemento misuratore della pressione, come ad esempio il tubo di Bourdon, collegato da un tubo capillare in una fiala esposta alla temperatura da misurare. Il sistema è riempito, sotto pressione, con un gas inerte, generalmente azoto.

Poiché la misura del gas elemento e il tubo di collegamento è una temperatura di bulbo, il volume di esso deve essere grande in modo che gli errori introdotti dalla differenza di temperatura tra l'elemento misuratore e il capillare siano trascurabili. Il bulbo deve essere di almeno quaranta volte il volume di tutto il sistema. Pertanto, e poiché il ritardo nella trasmissione delle variazioni di pressione all'interno del capillare, la lunghezza di esso è limitata a un massimo di 60 m, e, preferibilmente, molto meno.

Termometro a Resistenza

I termometri a resistenza o termometri sono trasduttori di temperatura di resistenza, che si basano sulla dipendenza della resistenza elettrica di un materiale dalla temperatura, cioè sono in grado di trasformare una variazione di temperatura in variazioni di resistenza elettrica.

Termocoppia

Una termocoppia è un sensore formato dall'unione di due metalli diversi, che produce una tensione (effetto Seebeck), che è una funzione della differenza di temperatura tra un capo chiamato "hot spot" o giunto caldo e l'altro chiamato "macchia fredda" o giunto freddo o di riferimento.

Nella strumentazione industriale, le termocoppie sono ampiamente utilizzate come sensori di temperatura. Sono economiche, intercambiabili, hanno connettori standard e possono misurare una vasta gamma di temperature. Il loro limite principale è la precisione, poiché gli errori di sistema di meno di un grado centigrado sono difficili da ottenere.

Il gruppo di termocoppie collegate in serie si chiama una termopila. Entrambe le termocoppie e le termopile sono utilizzate in applicazioni di riscaldamento a gas.

Termistore

Un termistore è un sensore di temperatura resistivo. Il suo funzionamento è basato sulla variazione di resistività di un semiconduttore con la temperatura. Ci sono due tipi di termistori:

• NTC (Negative Temperature Coefficient) - coefficiente di temperatura negativo
• PTC (Positive Temperature Coefficient) - coefficiente di temperatura positivo.

Il suo funzionamento si basa sulla variazione della resistenza di un semiconduttore con la temperatura, a causa della variazione di concentrazione di carrier. Per i termistori NTC, con l'aumentare della temperatura aumenta anche la concentrazione di portatori, in modo che la resistenza sarà minore, e quindi il coefficiente è negativo. Per i termistori PTC, nel caso di un semiconduttore drogato con una concentrazione molto intensa, acquisisce le proprietà metalliche, prendendo un coefficiente positivo in un intervallo di temperatura limitato. In genere, i termistori sono costituiti da ossidi semiconduttori quali l'ossido ferrico, ossido di nichel o ossido di cobalto.

I termometri digitali sono quelli che, utilizzando dispositivi trasduttori come questi, vengono utilizzati per realizzare circuiti elettronici che mostrano la temperatura in un display.

Termometro

GLOBE TERMOMETRO

Il termometro (dal greco θερμός (calore) che significa caldo "metro", "misura") è uno strumento per misurare la temperatura. Dal momento della loro invenzione, sono cambiati notevolmente, soprattutto dallo sviluppo di termometri elettronici digitali.

Inizialmente costruiti sfruttando il fenomeno di espansione, si è preferito l'uso di materiali ad alto coefficiente di espansione, in modo che l'aumento della temperatura fosse facilmente visibile. Il metallo di base utilizzato in questo tipo di termometri a mercurio è stato rinchiuso in un tubo di vetro che incorpora una scala graduata.

Wet Bulb Termometro

Il termometro a bulbo umido è un termometro a mercurio con il bulbo avvolto in un panno di cotone imbevuto di acqua. Fornendo un flusso d'aria, l'acqua evapora più o meno velocemente a seconda dell'umidità relativa, il raffreddamento è maggiore a causa del calore latente di evaporazione dell'acqua.

Temperatura di Bulbo Secco

La temperatura a bulbo secco viene misurata con un termometro a mercurio o simili, che è asciutto. Questa temperatura, vicina alla temperatura a bulbo umido, è utilizzata nella valutazione del comfort termoigrometrico e nella determinazione dell'umidità relativa, nonché del punto di rugiada in psicrometria per studiare e determinare il comportamento di miscele di aria.

Utilizzando il diagramma psicrometrico o tabelle psicrometriche, è possibile, a partire da due valori di input, vedere il resto delle proprietà delle miscele di aria secca e umida. È usato in meteorologia, architettura bioclimatica e architettura sostenibile, tra gli altri.

Massimo e Minimo Termometro

Massimo Termometro

Registra la temperatura più alta della giornata. Si tratta di un termometro a mercurio che ha un restringimento del bulbo capillare o vicino al serbatoio. Quando la temperatura aumenta, la crescita del bulbo di mercurio supera la resistenza di una riduzione, mentre quando la temperatura scende, la massa di mercurio si restringe, e la colonna viene rotta da un restringimento, permettendo di controllare la temperatura massima. La scala è una divisione di 0.5 °C e la portata della stessa è da -31,5 a 51,5 °C.

Installazione e Misurazione

Il termometro deve essere collocato all'esterno, su un opportuno supporto inclinato verso il basso, con la sua lampadina ad un angolo di 2 ° rispetto al piano orizzontale. Dopo la lettura, per tornare al punto deve essere tenuto saldamente dall'altra parte del serbatoio e agitato come per abbassare la temperatura di un termometro clinico.

Minimo Termometro

Registra la temperatura più bassa della giornata. Deve essere collocato all'esterno, su un opportuno supporto orizzontale. Dopo aver letto l'indice, deve essere posto nuovamente in contatto con la superficie libera di alcol.

Pirometro

Un pirometro è un dispositivo capace di misurare la temperatura di una sostanza senza essere in contatto con essa. Il termine viene spesso applicato a quegli strumenti in grado di misurare temperature superiori ai 600 gradi Celsius. La gamma di temperatura di un pirometro è tra -50 °C e 4.000 gradi Celsius. Una tipica applicazione è la misura della temperatura del metallo caldo nelle acciaierie e fonderie.

Principio di Funzionamento dei Pirometri

La radiazione infrarossa è parte della luce solare e può essere scomposta e riflessa attraverso un prisma. Questa radiazione ha energia. Nel ventesimo secolo, gli scienziati Planck, Stefan, Boltzmann, Wien e Kirchhoff hanno definito le attività dello spettro elettromagnetico e hanno stabilito equipaggiamenti per descrivere l'energia infrarossa.

In questo modo è possibile definire l'energia relativa a curve di emissione di un corpo nero. I corpi con una temperatura sopra lo zero assoluto irradiano energia. La quantità di energia aumenta in proporzione alla quarta potenza della temperatura.

Questo concetto è il principio di base della misurazione della temperatura tramite infrarossi. Con il fattore di emissione, si introduce questa variabile. Il fattore di emissione è una misura del rapporto della radiazione emessa da un corpo grigio e il corpo nero alla stessa temperatura. Un corpo grigio è un oggetto che ha lo stesso fattore di emissione a tutte le lunghezze d'onda. Un corpo grigio non è un oggetto il cui fattore di emissione varia con la lunghezza d'onda, come l'alluminio. Come regola generale, si ritiene che il fattore di emissione sia pari al fattore di assorbimento.

Per le superfici lucide, il fattore di emissione può essere regolato nel manuale dei pirometri o automaticamente, in modo da correggere gli errori di misura. Nella maggior parte delle applicazioni, questo è molto facile da eseguire. Per i casi in cui il fattore di emissione non è costante, possiamo risolvere il problema attraverso la misurazione di due o più lunghezze d'onda.

Tipi di Pirometri

Ci sono 3 tipi di pirometri:

• Pirometri a radiazione
• Pirometri infrarossi
• Pirometri ottici

Il primo accetta un campionamento controllato della radiazione totale e per la determinazione dell'effetto calorifico del campione ottenuto, un sensore termico e una termopila (gruppo di termocoppie collegate in serie) determinerà la misura della temperatura.

Il pirometro ottico utilizza l'occhio umano come mezzo di individuazione per stimare la variazione della larghezza di banda di temperatura della radiazione visiva. Infine, l'infrarosso ha un principio simile alla radiazione totale, ma le misure sono limitate solo al segmento IR. Nessuno dei tre richiede un contatto diretto con l'oggetto da analizzare e una distanza particolare. Questo documento discuterà solo i primi 2 tipi, e le radiazioni ottiche.

Pirometri Ottici

Il pirometro ottico è utilizzato per misurare temperature di corpi solidi superiori a 700 °C. A queste temperature, gli oggetti solidi irradiano energia sufficiente nel visibile per consentire la misurazione ottica del fenomeno chiamato colore del bagliore. Il colore di un oggetto che brilla ad alta temperatura varia dal rosso scuro al giallo, quasi bianco a circa 1.300 °C. Questo tipo di pirometri utilizza un metodo di confronto come base di operazione. In generale, una temperatura di riferimento è fornita sotto forma di un filamento riscaldato elettricamente, e la misurazione della temperatura si ottiene confrontando la radiazione ottica visiva del filamento contro la fonte di calore da misurare.

In linea di principio, la radiazione da una sorgente, come vista da un osservatore, viene regolata in modo da coincidere con la radiazione della fonte. Ci sono due metodi: 1) La corrente attraverso il filamento è elettricamente controllata regolando la resistenza, o 2) il pirometro radiazione accettata dalla fonte sconosciuta è regolata otticamente assorbente apparecchi da alcuni come un filtro polarizzatore. In entrambi i casi, l'impostazione è necessaria per la lettura della temperatura.

La figura seguente illustra schematicamente la struttura di un pirometro di varia intensità.

Pirometri a Radiazione

I pirometri a radiazione sono usati per misurare temperature superiori a 550 °C fino a poco più di 1.600 °C, catturando tutta o la maggior parte della radiazione emessa verso il corpo da analizzare. Questo tipo di pirometro si basa sulla legge di Stefan-Boltzmann, che afferma che l'intensità di energia radiante emessa dalla superficie di un corpo nero aumenta proporzionalmente alla quarta potenza della temperatura assoluta, cioè il corpo, W = KT⁴, dove:

• W (potenza) = flusso radiante per unità di area.
• K = costante di Stefan-Boltzmann (il cui valore è 5,67 × 10^-8 W/m²K⁴).
• T = temperatura in gradi Kelvin.

I pirometri, come già accennato, sono utilizzati per misurare temperature molto elevate, senza bisogno di contatto fisico e, a seconda della portata desiderata, si sceglie uno dei tipi di pirometri, come i pirometri a radiazione totale, che hanno un ranking più alto rispetto agli ottici.

Il pirometro a radiazione può essere consigliato al posto della termocoppia nei seguenti casi:

• Quando una termocoppia sarebbe avvelenata dall'atmosfera del forno.
• Per misurare le temperature superficiali.
• Per misurare la temperatura di oggetti in movimento.
• Per misurare le temperature sopra la gamma di termocoppie.
• Quando è necessaria una risposta rapida ai cambiamenti di temperatura.
• Se le condizioni meccaniche (vibrazioni, urti, ecc.) accorciano la vita di una termocoppia calda.

Nell'industria del vetro, è necessario controllare la temperatura nei loro processi; per questo motivo si utilizzano pirometri, e a seconda dello strato di vetro da misurare, si sceglie il tipo di pirometro, poiché in diverse lunghezze d'onda si raggiungono diverse profondità.