Condizionamento e trasmissione delle uscite dei sensori di temperatura

I segnali di uscita generati dai sensori di misura della temperatura devono essere condizionati in modo da convertirli in una forma che possa essere utilizzata per l'ulteriore elaborazione. Il condizionamento dei segnali consiste nelle seguenti operazioni

• Amplificazione
• Isolamento dei segnali
• Compensazione degli errori
• Linearizzazione
• Eccitazione

Anche se il condizionamento è indispensabile per la precisione di misura, l'accuratezza dipende anche da fattori quali la costruzione del sensore e la trasmissione del segnale. Le impurità contenute nel metallo dei dispositivi di rilevamento possono generare gradienti di temperatura che introducono errori e la distanza di trasmissione può incidere sulla qualità del segnale. Anche gli attributi del sensore di misura e il metodo utilizzato per la trasmissione possono incidere sulle caratteristiche del segnale.

La maggior parte dei dispositivi di rilevamento della temperatura presenta un certo grado di non linearità. Ognuno ha una sua modalità di funzionamento e requisiti propri di condizionamento del segnale. Le termocoppie si basano sull'effetto Seebeck, che si verifica quando due metalli diversi vengono uniti a un'estremità e rimangono aperti all'altra, creando una tensione in circuito aperto. La tensione è una funzione diretta della differenza di temperatura tra la giunzione dei metalli e il punto misurato sui metalli. La tensione di Seebeck dipende dalla composizione della termocoppia. Le uscite sono non lineari rispetto alle misure di temperatura e ogni tipo di termocoppia presenta una sua non linearità distintiva. Inoltre, le curve di calibrazione indicano che la non linearità delle termocoppie comporta un errore maggiore su una più ampia gamma di temperatura.

Una RTD è costruita con metalli - come rame o platino - la cui resistenza aumenta con l'aumento della temperatura e può essere a filo avvolto o a film sottile. Le prime sono costituite da un filo avvolto attorno a un isolatore cilindrico di ceramica o vetro. I sensori a film sottile prevedono invece l'applicazione di un film di materiale su un isolatore ceramico che viene regolato fino a raggiungere il valore di resistenza desiderato. La curva resistenza/temperatura di una RTD è non lineare. Quando la gamma di misura è stretta, la non linearità può anche essere ignorata. Su una gamma da 0 a 1000 °C, le RTD hanno un'accuratezza da ±0,5 a ±1 °C.

I termistori vengono realizzati con materiali a base di ossidi di metallo e possono avere un coefficiente di temperatura negativo o positivo. Con l'aumento della temperatura, i termistori a coefficiente di temperatura negativo mostrano una riduzione non lineare della resistenza mentre i termistori a coefficiente di temperatura positivo mostrano un aumento lineare della resistenza. I termistori offrono una sensibilità e una risposta del segnale alle variazioni di temperatura decisamente superiori rispetto alle termocoppie o alle RTD e offrono quindi una maggiore accuratezza. Tuttavia, la gamma della temperatura operativa dei termistori è molto più stretta.

I sensori di temperatura a infrarossi misurano la temperatura mettendo a fuoco la quantità di radiazione infrarossa emessa da un oggetto sui sensori, che la convertono in un segnale elettrico. La quantità di energia infrarossa emessa da un oggetto è direttamente proporzionale alla sua temperatura. Dato che il sensore non è in contatto con il processo che viene misurato, i sensori a infrarossi sono utili per applicazioni con temperature molto alte - dove è impossibile usare altri tipi di sensori - o per processi in movimento come, ad esempio, la cottura di alimenti su nastro trasportatore.

La trasmissione analogica usa un segnale continuo che, per trasmettere le informazioni, varia in ampiezza e viene utilizzata soprattutto con segnali di processo standard, come 4 ... 20 mA, 0 ... 10 V e 0 ... 1 V. La gamma 4 ... 20 mA è quella più comunemente utilizzata, dato che può percorrere distanze molto lunghe senza alcun degrado ed è relativamente immune alle interferenze esterne. Viene spesso utilizzata come variabile di processo per l'uscita dei sensori di temperatura. Quando riceve l'uscita nativa dal sensore, il trasmettitore linearizza il segnale in base alla curva di calibrazione dello specifico tipo di sensore. Successivamente, converte la tensione linearizzata in un segnale di corrente 4 ... 20 mA. Il segnale può quindi essere ulteriormente elaborato da un dispositivo di registrazione o controller. Termocoppie ed RTD generano segnali di pochi millivolt che sono sensibili alle interferenze. Il segnale 4 ... 20 mA è molto più robusto e può essere trasmesso su una lunga distanza senza interferenze. Inoltre, l'uso della variabile di 4 mA per il valore più basso facilita la distinzione tra un guasto del trasmettitore e un segnale valido.

Ethernet è un'altra forma di trasmissione seriale differenziale ad alta velocità che può arrivare fino a 1 GB/secondo. Generalmente richiede un controller dedicato, viene utilizzata estensivamente nelle applicazioni industriali, commerciali e domestiche e rappresenta la base delle moderne comunicazioni Internet. Per consentire la trasmissione dei dati di misura effettivi tra macchine o, in alcuni casi, attraverso l'infrastruttura di Internet, si utilizzano diversi schemi di codifica. Ampiamente utilizzato nei sistemi Ethernet, TCP/IP è un protocollo che assicura la trasmissione dei dati tra due dispositivi e le connessioni Ethernet sono supportate da un'ampia serie di meccanismi di crittografia che garantiscono la sicurezza dei dati.

I dispositivi non lineari di rilevamento della temperatura richiedono che i segnali vengano condizionati, per procedere poi alla linearizzazione e alla compensazione degli errori. L'uscita a pochi millivolt di termocoppie ed RTD, inoltre, deve essere compensata mediante amplificazione. L'accuratezza del segnale dipende anche dalla trasmissione. La conversione dell'uscita del sensore in un'uscita di processo da 4 ...20 mA fornisce un segnale più robusto, che può essere trasmesso su lunghe distanze con poche interferenze. La trasmissione digitale e via Ethernet consente il trasferimento del segnale su distanze maggiori e a velocità più elevate.