Gli evergreen di fare elettronica

Dopo dimensione e peso, la grandezza certamente più misurata è la temperatura. Oggi la tecnica offre degli strumenti assai sofisticati e precisi, che non lasciano più spazio all’errore. Tuttavia, in ambienti estremamente ostili, i sensori tradizionali presentano dei limiti e si deve optare per tecniche di misura alternative. In questo articolo vediamo come

La scienza delle Misure

Lo sviluppo delle scienze moderne trae la sua principale motivazione dalla necessità, innata nell’uomo, di “quantificare” la realtà che lo circonda; una necessità che lo spinge prima a “misurare”e poi a “verificare”.

Tutto quanto riguarda questo studio prende il nome di “metrologia”, una scienza multidisciplinare che per i suoi scopi si deve confrontare sia con aspetti che spaziano da quelli prettamente teorici (es.fisica di base, matematica e statistica), a quelli di natura più pratica (es. tecnologia meccanica, elettronica), sino ad arrivare alla gestione di processo (es. gestione dei laboratori, analisicosti-benefici).

Il retaggio di questa scienza è antichissimo, e per motivi di natura prettamente economica le prime grandezze ad essere misurate sono state lunghezza e peso.

Dopo la rivoluzione francese si sono creati veri e propri “Enti” atti all’unificazione delle grandezze dimisura, il più famoso dei quali oggi è chiamato SI (Sistema Internazionale delle unità di misura).

Dopo lunghezza e peso, la grandezza più misurata è sicuramente la temperatura.

Quantificare numericamente il “freddo” o il “caldo” per i precursori della metrologia non fu impresa facile, essa è definita come “grandezza intensiva,” ovvero la si misura attraverso un numero scalare. Lo studio della struttura della materia ha portato alla luce un fenomeno chiamato “espansionetermica”, ovvero la proprietà della materia di espandere il proprio volume in funzione della temperatura stessa.

Proprio sfruttando tale proprietà sono stati realizzati i primi termometri a liquido, dove la temperatura viene quantificata in funzione dell’espansione termica del fluido. Oggi i metodi di misurazione della temperatura si basano su grandezze elettriche come la resistenza e la differenza di potenziale, basti pensare alle resistenze variabili e alle termocoppie.

In figura 1 è riportato lo schema di funzionamento di una termocoppia: presi due materiali di naturadiversa e sottoponendo i giunti di connessione ad un gradiente termico, si genererà una differenzadi potenziale proporzionale alla differenza di temperatura.

Schema termocoppia
Figura 1: Schema della termocoppia

Un altro metodo di misura della temperatura consiste nell’utilizzo di un termo-resistore, ovvero di una resistenza il cui valore varia sensibilmente al variare della temperatura.

Esistono due grandi categorie di termo-resistori:

  • NTC (Negative Temperature coefficient), la cui resistenza diminuisce con l’aumento dellatemperatura.
  • PTC (Negative Temperature coefficient), la cui resistenza aumenta con l’incremento dellatemperatura.

Attraverso questa breve panoramica si è potuto notare come la temperatura giochi un ruolo di fondamentale importanza nelle grandezze fisiche che costituiscono la struttura della materia.

La relazione tra suono e temperatura

Le difficoltà con cui ogni giorno studiosi e ricercatori devono fare i conti, consiste principalmente nel correlare prima matematicamente e poi fisicamente grandezze di natura diversa, allo scopo di raggiungere l’obbiettivo della ricerca.

Se si pensa al suono come mezzo per effettuare una misura, probabilmente la prima grandezza che viene in mente è la lunghezza.

Sono infatti ormai diffusissimi i sensori di prossimità ultrasonici, i quali basando il loro principio di funzionamento sulle onde acustiche riflesse, come il radar, permettono di calcolare la distanza che intercorre tra il sensore e l’ostacolo. In figura 2 è riportato uno di questi trasduttori.

Figura 2 : Trasduttore ultrasonico

L’immagine presenta due cilindri, che hanno rispettivamente la funzione di trasmettere l’onda acustica e di riceverla. In figura 3 è riportato lo schema di funzionamento di questi dispositivi.

Figura 3: Principio di funzionamento del sensore di prossimità ultrasonico

Dal trasduttore viene emessa un’onda sonora la cui frequenza può variare dalla decina di Hz fino a centinaia di KHz, che dopo il tempo T1 incontrerà un ostacolo; una parte di essa continuerà la propagazione attraverso l’ostacolo ed un’altra parte dell’onda verrà riflessa all’origine.

A questo punto attraverso un “microfono” l’onda viene riacquisita dal sensore ed il tempo impiegato per l’andata (T1) e il ritorno (T2), viene prima misurato e poi elaborato, permettendo di ricavare la distanza che intercorre tra il sensore e l’ostacolo.

La conversione distanza-tempo si basa sulla nota formula fisica “ Velocità = Distanza/Tempo”, che in condizioni stabili di umidità e temperatura (0°C) avrà un valore di 330 m/s.

Stimando che tale valore rimanga costante, misurando il tempo impiegato tra emissione e ricezione (T1+T2) si può facilmente calcolare la distanza come:

Distanza = Velocità x Tempo

È semplice intuire che più riusciamo a quantizzare l’intervallo di tempo, maggiore sarà la precisione nella misura.

La misurazione “fatta in casa” della temperatura

Quanto detto finora ci fa riflettere sulle condizioni di funzionamento del sistema; infatti la velocità di propagazione del suono è fortemente dipendente dal mezzo attraverso il quale esso si propaga.

In generale maggiore è la densità del mezzo più rapidamente il suono si propagherà. Se quindi in un’ampolla di vetro posizioniamo un sensore e creiamo delle condizioni prossime al vuoto, il mezzo risulterà un cattivo conduttore e la velocità di propagazione sarà bassa, rispetto alle condizioni di normale densità dell’aria.

È semplice quindi comprendere come la temperatura, attraverso l’effetto di espansione termica, possa far variare la densità dell’aria all’interno dell’ampolla, creando una differenza nella velocità di propagazione del suono al suo interno.

In figura 4 è riportato un esempio di sensore di temperatura fatto in casa con un barattolo in vetro

Figura 4: Foto di un sensore di temperatura acustico realizzato artigianalmente

In questa specifica applicazione sarà la velocità la nostra incognita da calcolare; infatti il tempo impiegato fungerà da ingresso alle nostra analisi, mentre lo spazio sarà costante e coinciderà con lalunghezza del barattolo stesso.

L’ultima informazione necessaria per ricavare la temperatura sarà il fattore di conversione tra Δv eΔT.

Attraverso una legge empirica si conosce la seguente relazione:

V =331,4+0,6T

dove con V si indica la velocità del suono [metri/sec] da acquisire , 331,4 sarà la velocità allatemperatura di circa 0°C e T la temperatura da leggere [°C]

In figura 5 è riportata la sezione del barattolo con il trasduttore collocato in prossimità del tappo.Tanto più sarà grande la distanza nota D, determinata dalla lunghezza del barattolo, tanto maggioresarà la precisione del dispositivo, riducendo notevolmente la possibilità di interferenza tra suonotrasmesso e suono ricevuto

Figura 5: Spaccato del sensore acustico di temperatura.
Figura 5: Spaccato del sensore acustico di temperatura.

Vuoi continuare la lettura e approfondire i capitoli:

Implementazione HW per la misura

Implementazione SW per l’estrapolazione della temperatura

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Redazione Fare Elettronica