Nel corso degli anni sono stati escogitati numerosi modi per raggiungere una misurazione della temperatura sempre più accurata. La maggior parte di questi lo fa misurando la variazione di una proprietà fisica del materiale al variare della sua temperatura. I sensori di temperatura, o trasduttori, sono quei dispositivi che consentono di interfacciarsi con il mondo fisico attraverso un sistema di misurazione. Il loro funzionamento consiste nell'estrazione dell'informazione oggetto di interesse direttamente dalla grandezza fisica alla quale sono collegati, e nel successivo trasferimento ad un parametro di misurazione del segnale elettrico in uscita attraverso uno specifico sistema di condizionamento dell'ultimo.

Cosa sono esattamente i sensori di temperatura?

La relazione esistente tra il parametro del segnale in uscita ed il sensore di temperatura, dovendo essere esplicitata con discreta precisione, viene individuata attraverso un'operazione di taratura. In tal modo, la misurazione raccolta viene associata al suddetto parametro in uscita, solitamente un segnale elettrico, che ne permette l'acquisizione tramite un dispositivo elettronico. Esistono diverse tipologie di sensori termici, i quali permettono di raccogliere informazioni più o meno sodisticate:

  • Sensori resistivi
  • Sensori a semiconduttore
  • Termocoppie

Sensori di temperatura resistivi

Questa prima categoria raccoglie al suo interno quei termoresistori dotati di filamento metallico e spesso indicati con l'acronimo RTD (Resistence Temperature Detector). Il principio alla base del loro funzionamento è proprio la resistività alla temperatura. Infatti all'interno di un corpo conduttore di calore, un aumento della temperatura, provoca un aumento direttamente proporzionale dell'attività termica degli atomi che la compongono, ostacolando contemporaneamente il movimento degli elettroni di conduzione. A tal proposito è bene tener presente che la temperatura è la variabile capace di determinare le dimensioni geometriche dl materiale in analisi, provocandone dunque una conseguente variazione di resistenza.

La struttura di questi sensori è composta da una resistenza, sensibile alla temperatura, posta su di un supporto adatto e ad esso avvolto coprendone l'intera grandezza. Tale avvolgimento può essere spesso trovato fuso in vetro o addirittura inglobato in una massa ceramica. Con il fine di rendere le misurazioni ulteriormente più precise e i valori di resistenza significativamente più alti, i sensori vengono dotati di sottilissimi strati di platino, sostituito ai filamenti posti all'interno di un substrato ceramico. Com'è facile immaginare, questi strumenti di precisione presentano un livello di delicatezza piuttosto grande; a tal proposito i produttori hanno provveduto ad incapsularli all'interno di gabbie protettive, lasciando tuttavia una superficie di contatto necessaria alla misurazione della temperatura.

Sensori di temperatura a semiconduttore

I sensori di temperatura a semiconduttore, chiamati anche termistori, sono sensibili alle variazioni di temperatura che, trasformate in variazioni di resistenza, sono in grado di restituire una misurazione accurata. Differentemente dalla precedente tipologia, l'elemento sensibile in questione non è un corpo conduttore, bensì semiconduttore; da qui il nome della tipologia. Da qui il vantaggio in termini di accuratezza della misurazione. Infatti la possibilità di regolare la drogatura, ovvero la percentuale di atomi non facenti parte del semiconduttore stesso, al fine di aumentarne la conducibilità elettrica, consente una sensibilità anche maggiore a quella ottenibile con un corpo metallico.

È possibile distinguere i termistori in due grandi famiglie: NTC e PTC.

  • I primi, chiamati Negative Temperature Coefficent, sfruttando l'equazione di Steinhart-Hart, offrono un margine di errore inferiore agli 0,002 °C. 
  • Nei secondi invece, indicati con l'espressione inglese Positive Temperature Coefficent, la resistenza elettrica aumenta in modo esponenziale all'aumentare della temperatura.

Termocoppie: un po di storia

I primi studi su questa tipologia di sensori termici, risalenti al 1821, sono da attribuire a Thomas Johann Seebeck, il quale comprese che conferendo energia elettrica a due materiali conduttori composti di metalli, o leghe metalliche, differenti si viene a creare una differenza di temperature, provocata dall'attraversamento della corrente elettrica all'interno di conduttori diversi. La risultante della differenza delle due restituisce una misurazione particolarmente accurata della temperatura misurata.

Successivamente, nel 1857, William Thomson osservò che un corpo conduttore attraversato da corrente elettrica, con le due estremità sottoposte a temperature differenti, sviluppa calore. Ciò permise a Jean Charles Athanase Peltier di comprendere che quando una corrente elettrica attraversa un percorso a due conduttori, uno dei due punti di contatto produce calore mentre quello opposto assorbe il calore prodotto. Tornando però a tempi più moderni possiamo facilmente trovare applicazione pratica di questa tipologia di sensore in contesti industriali poiché economicamente più sostenibili, facilmente sostituibili, standardizzati e in grado di misurare un vasto ventaglio di temperature. 

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