Breve storia dei sensori di temperatura

Le sensazioni di caldo e freddo fanno da sempre parte dell'esperienza umana ma la ricerca dei metodi di misura della temperatura ha impegnato, nel tempo, molte grandi menti. Non è chiaro se antichi greci o cinesi disponessero di modi per misurare la temperatura; quindi, per quanto ne sappiamo, la storia dei sensori di temperatura inizia nel Rinascimento.

Questo whitepaper di Omega Engineering riepiloga proprio la storia conosciuta della misura della temperatura e, dopo una breve presentazione delle sfide affrontate, ripercorre lo sviluppo dei dispositivi in base a:

• Osservazione dell'espansione.
• Effetto della temperatura su conduttività e resistenza elettrica.
• Rilevamento dell'energia termica irradiata.

Infine, è riportata una nota sull'origine e sullo sviluppo delle varie scale di temperatura.

Il calore è una misura dell'energia in un corpo o materiale — maggiore è l'energia, più alto è il calore. Tuttavia, diversamente dalle proprietà fisiche di massa e lunghezza, misurarlo è stato difficile. Si trattava in gran parte di metodi indiretti, basati sull'osservazione dell'effetto del calore su altri elementi per poi dedurne la temperatura.

Anche la creazione di una scala di misura è stata una sfida. Nel 1664, Robert Hooke ha proposto di usare il punto di congelamento dell'acqua come punto zero, misurando le temperature a partire da questo punto. Quasi allo stesso tempo, Ole Roemer ha riscontrato il bisogno di due punti fissi che potessero essere interpolati tra loro. Per questo ha scelto il punto di congelamento di Hooke e il punto di ebollizione dell'acqua. Questo, naturalmente, lasciava aperta la questione di quanto caldi o freddi potessero essere gli oggetti.

A questo hanno dato una risposta Gay-Lussac e altri scienziati che lavoravano sulle leggi dei gas. Durante il 19° secolo, mentre studiavano l'effetto della temperatura sui gas a pressione costante, hanno osservato che il volume aumenta per frazioni di 1/267 per grado Celsius (successivamente ricalcolato a 1/273,15). Questo ha portato al concetto di zero assoluto, equivalente a meno 273,15 °C.

Si dice che Galileo, attorno al 1592, abbia costruito un dispositivo che mostrava le variazioni di temperatura. Sembra che utilizzasse la contrazione dell'aria in un recipiente per formare una colonna d'acqua, dove l'altezza della colonna indicava la misura del raffreddamento. Questo metodo era, tuttavia, fortemente influenzato dalla pressione dell'aria e non ha trovato particolari applicazioni.

Il termometro che conosciamo oggi è stato inventato nel 1612 in Italia, da Santorio Santorii che ha sigillato del liquido all'interno di un tubo di vetro, osservandone il movimento verso l'alto quando si espandeva. L'aggiunta di una scala sul tubo ha permesso di vedere meglio le variazioni ma il sistema mancava di unità precise.

Daniel Gabriel Fahrenheit lavorava insieme a Roemer quando ha iniziato a costruire termometri utilizzando, come liquido, sia l'alcool che il mercurio. Fornendo una risposta molto lineare alla variazione di temperatura su una larga gamma, il mercurio è la sostanza ideale ma i problemi di tossicità ne hanno ridotto l'uso. Attualmente, sono stati sviluppati altri liquidi in grado di sostituirlo. I termometri a liquido sono ancora ampiamente utilizzati, sebbene sia importante controllare la profondità di immersione del bulbo. L'utilizzo di un pozzetto termometrico aiuta ad assicurare un buon trasferimento del calore.

Il sensore di temperatura bimetallico è stato inventato alla fine del 19° secolo. Questo sensore si basa sulla diversa espansione di due lamine di metallo unite insieme. Le variazioni di temperatura creano una flessione che può essere utilizzata per attivare un termostato o un misuratore simile a quelli utilizzati nei fornelli a gas. L'accuratezza è bassa — più o meno 2 gradi — ma questi sensori sono poco costosi e hanno quindi molte applicazioni.

All'inizio del 19° secolo, la ricerca scientifica sull'elettricità è stata molto vivace e gli scienziati hanno presto scoperto che la resistenza e la conduttività dei metalli variavano. Nel 1821, Thomas Johann Seebeck ha scoperto che, quando le estremità di metalli diversi vengono congiunte ed esposte a differenti temperature, viene generata una tensione. Peltier ha scoperto che questo effetto termocoppia è reversibile e può essere usato per il raffreddamento.

Nello stesso anno, Humphrey Davey ha dimostrato come la resistività elettrica di un metallo sia correlata alla temperatura. Cinque anni più tardi, Becquerel ha proposto di usare una termocoppia platino-platino per la misura della temperatura ma si è dovuti arrivare al 1829 perché Leopoldi Nobili creasse effettivamente il dispositivo.

Il platino è utilizzato anche nel rilevatore di temperatura a resistenza inventato nel 1932 da C.H. Meyers. Questo dispositivo misura la resistenza elettrica di una lunghezza di filo di platino ed è generalmente considerato il tipo più accurato di sensore di temperatura.

Le RTD a filo sono per natura fragili e inadeguate alle applicazioni industriali. Gli ultimi anni hanno visto lo sviluppo di RTD a film, meno accurate ma più robuste.

Il 20° secolo ha visto anche l'invenzione dei dispositivi di misura della temperatura a semiconduttore che rispondono con buona precisione alle variazioni di temperatura ma che, fino a non molto tempo fa, mancavano di linearità.

I metalli molto caldi e fusi sono incandescenti ovvero emettono calore e luce visibile ma irradiano calore anche a temperature inferiori, sebbene a lunghezze d'onda superiori. L'astronomo inglese William Herschel è stato il primo a riconoscere, attorno al 1800, che questa luce “scura” o infrarossa genera calore. Lavorando con il suo compatriota Melloni, Nobili ha scoperto un modo per rilevare questa energia irradiata collegando in serie delle termocoppie fino a costituire una termopila.

Questo dispositivo è stato seguito, nel 1878, dal bolometro. Inventato dall'americano Samuel Langley, usava due lamine di platino, una delle quali era annerita, per costruire un ponte di Wheatstone. Il riscaldamento per radiazione infrarossa provocava una variazione misurabile della resistenza.

I bolometri sono sensibili alla luce infrarossa in un'ampia gamma di lunghezze d'onda. Al contrario, i dispositivi del tipo a rilevamento di fotoni sviluppati fin dagli anni 1940 tendono a rispondere solo a una banda limitata di infrarossi. I rilevatori al solfuro di piombo sono sensibili a lunghezze d'onda fino a 3 micron mentre la scoperta della lega ternaria HgCdTe, nel 1959, ha aperto la strada a rilevatori per specifiche lunghezze d'onda.

Oggi, i convenienti pirometri a infrarossi sono largamente utilizzati e, grazie all'abbassamento dei prezzi, le camere termiche trovano sempre più applicazioni.

Quando Fahrenheit si è messo a costruire termometri, ha capito di aver bisogno di una scala di temperatura. Per questo, ha stabilito il punto di congelamento dell'acqua salata a 30 gradi e il suo punto di ebollizione a 180 gradi più in alto. Successivamente è stato deciso di usare acqua pura che, congelando a una temperatura leggermente superiore, porta il congelamento a 32 °F e l'ebollizione a 212 °F.

Un quarto di secolo più tardi, Anders Celsius ha proposto la scala da 0 a 100 che oggi porta il suo nome. Successivamente, rendendosi conto del vantaggio di avere un punto fisso a un'estremità della scala, William Thomson - poi Lord Kelvin - ha proposto di usare lo zero assoluto come punto di partenza del sistema Celsius. Questo ha portato alla creazione della scala Kelvin, utilizzata oggi in campo scientifico.

Oggi, le scale di misura della temperatura sono definite in un documento intitolato International Temperature System 90 (ITS-90 in breve). I lettori che desiderano conoscere meglio le unità di misura dovrebbero averne una copia.