Strumentazione analitica e di processo

ESEMPIO

La fem misurata da una termocoppia Chromel-Costantana è e la

= 13, 419

temperatura di riferimento è . Qual è la temperatura del corpo misurato?

= 0°

Dalla tabella per risulta una temperatura di .

= 13, 419 = 200°

ℎ

ESEMPIO

La fem misurata da una termocoppia Chromel-Costantana è e la

= 10, 65

temperatura di riferimento è . Qual è la temperatura del corpo misurato?

= 0°

Dopo aver fatto una interpolazione, dalla tabella per una risulta una

= 10, 65

temperatura di: = 162°

ℎ

Se la temperatura del giunto di riferimento non è 0ºC bisogna far riferimento alla legge delle

temperature intermedie: .

= +

, , ,

ℎ 0 ℎ 0

Alla differenza di potenziale letta dal voltmetro va aggiunta una seconda differenza data dal

fatto che il giunto di riferimento non si trova a 0ºC.

Solo dopo aver calcolato la tensione esatta si può ricavare la temperatura reale del corpo.

ESEMPIO

Termocoppia chromel-costantana. Il giunto di riferimento è a . La fem misurata

= 80°

vale . Qual è la temperatura del giunto caldo?

= 40, 120

Dalla tabella a 80°C nella termocoppia si crea una tensione pari a .

= 4, 983

,

0

Si ricava quindi la tensione totale del circuito: .

= + = 40, 12 + 4, 983 = 45, 085

, , ,

ℎ 0 ℎ 0

Dalla tabella, a questa fem corrisponde una temperatura di = 600°

ℎ

ESERCIZIO

Una termocoppia Chromel-alumel con dei cavi chromel-alumel di estensione viene usata per

misurare la temperatura di un fluido. Eseguendo le connessioni con il sistema di misura, le

estensioni sono state inavvertitamente scambiate. I terminali delle estensioni sono mantenuti

a e l’output f.e.m. misurato è 12,1 mV. Se la fosse invece 40°C quale sarebbe la

= 0°

temperatura del fluido?

Si costruisce il disegno del circuito:

Dalla fem misurata, guardando dalla tabella si ricava che nel primo caso .

= 297, 4°

ℎ

Il giunto di riferimento si trova a quindi non serve aggiungere i contributi di e (che

0°

2 3

sarebbero nulli).

La fem misurata è la somma dei potenziali creati nelle varie porzioni di filo:

.

= = + +

1 2 3

Nel secondo caso, il giunto di riferimento si trova a 40°C quindi, guardando dalla tabella,

risulta: ma le giunzioni sono state inserite al contrario per cui la reale

= 1, 611

2

tensione è che è uguale a .

=− 1, 611

2 3

Per ricavare la temperatura del giunto caldo bisogna calcolare il potenziale del giunto caldo:

.

= 12, 1 − − = 15, 322

1 2 3

Dalla tabella per interpolazione si calcola .

= 374, 5°

ℎ

TERMOPILE

Sono dispositivi costituiti da n termocoppie, che quindi possiedono una sensibilità di fattore

n.

PIROMETRI

● sfruttano la misura della luce emessa da un oggetto a causa della sua temperatura

grazie alla legge di Stefan-Boltzmann: la velocità di perdita di calore per emissione

4

di una radiazione da parte di un corpo caldo è dove:

= σ

○ è il fattore di emissività

○ è la costante di Stefan-Boltzmann

σ

● non hanno bisogno del contatto diretto con il corpo di cui stanno misurando la

temperatura

● il fatto che l’energia emessa varia con la quarta potenza della temperatura limita il

range nel quale l’accuratezza è accettabile

● la lunghezza d’onda delle onde emesse dipende dalla temperatura a cui si trova il

corpo (ad esempio a basse temperatura un corpo emette raggi infrarossi mentre ad

alte temperature emette radiazioni visibili)

● sulla misurazione dell’energia emessa ci sono molte variabili da considerare, per

questo è un metodo poco accurato e occorre tarare lo strumento per ogni corpo

PIROMETRI OTTICI

● utilizzati per misurare temperature in range alti (>600ºC)

pirometro ottico manuale

● ○ la sorgente emette una radiazione

○ la radiazione si sovrappone alla radiazione emessa da una lampada a

incandescenza

■ la lampada è collegata a un circuito, la cui tensione applicata è

determinata dall’operatore, che la può modificare liberamente

○ un filtro permette il passaggio delle sole onde di colore rosso (circa

)

λ ∼ 650

○ un detector (occhio umano) rileva la radiazione che arriva

■ variando la tensione del circuito varia la temperatura alla quale la

lampada si trova e quindi determina l’intensità della radiazione

■ quando la temperatura della lampada (e quindi del filo del circuito) è

uguale a quella del corpo misurato il filo a incandescenza non è più

visibile dal detector

○ è detto manuale perché:

■ il detector è dato dall’occhio umano

■ la tensione viene variata dall’operatore

pirometro ottico automatico

● ○ i due aspetti manuali vengono sostituiti da sistemi automatizzati

○ l’occhio umano è sostituito con una cella che rileva le radiazioni

○ la cella riceve alternativamente la radiazione filtrata della sorgente e della

lampada

○ la cella regola automaticamente la tensione del circuito per rendere le due

radiazioni uguali

PIROMETRI A RADIAZIONE

pirometro a radiazione bicromatico

● ○ una ruota porta filtri seleziona 2 lunghezze d’onda vicine tra loro

λ λ

1 2

○ ogni lunghezza d’onda genera un voltaggio diverso

1 2

○ il rapporto tra i voltaggi dipende dalla temperatura della sorgente

○ il fatto che la misura sia di tipo relativo permette di eliminare problemi di

amplificazione della radiazione

○ un fotodiodo rileva le radiazioni

pirometro a radiazione totale

● ○ non utilizza un filtro

○ la radiazione, totale, si concentra e investe un corpo nero, che ha la funzione

di giunto caldo di una termopila

○ la scelta del pirometro da usare dipende dalla dimensione ottica ossia

. =

○ ha una bassa ripetibilità

MISURATORI DI UMIDITÀ

L’umidità è la presenza di acqua o di vapore nell’atmosfera, nei gas, nei liquidi e nei solidi.

Esistono diverse definizioni importanti:

Umidità relativa

● : Rapporto percentuale tra umidità in un fluido (es. aria) e quella

che potrebbe essere presente in condizioni di saturazione alla stessa T e P.

Umidità assoluta

● : Rapporto tra quantità di acqua presente in un sostanza (solida.

liquida, gassosa) e la sostanza stessa ( , ppm in peso o ppm in volume)

Umidità specifica

● : Rapporto tra quantità di acqua presente e la

+

quantità di sostanza umida (vapore acqueo + sostanza secca).

○ ha le stesse unità di misura dell’umidità assoluta

Punto rugiada

● : Temperatura a cui avverrebbe, nelle stesse condizioni di P, il

passaggio dalla fase vapore a quella liquida del vapore acqueo contenuto in una

miscela gassosa

MISURATORE GRAVIMETRICO AD ASSORBIMENTO

Da una presa campione si fa passare una certa portata di aria umida nel misuratore.

Il misuratore è composto da una serie di tubi a U riempiti di materiale igroscopico (ossia in

grado di assorbire l’acqua) posti su una bilancia.

Il funzionamento prevede:

● un primo test ‘negativo’ dove viene fatta passare aria secca → la bilancia non rileva

variazioni

● il test con l’aria campione:

○ l’umidità, attraversando il materiale igroscopico, viene assorbita

○ l’umidità ha un certo peso quindi la bilancia rileva una variazione di massa

○ attraverso la conoscenza del volume di aria passato (con un contatore) è

à ( )

possibile misurare l’umidità assoluta come =

MISURATORE A CONDENSAZIONE PER

RAFFREDDAMENTO (per rilevare il punto di rugiada)

1. lo specchio viene colpito da una radiazione (la sorgente è una lampada) e la

riflette, raggiungendo una fotoresistenza

2. la fotoresistenza è collegata a un rilevatore elettronico, che, se rileva un valore di

resistenza elevato (in quanto è elevata la temperatura), invia un segnale al

raffreddatore che, appunto, raffredda lo specchio

3. il raffreddamento induce la condensazione dell’umidità, che si deposita sullo

specchio, diminuendo l’intensità del raggio riflesso

4. la fotoresistenza quindi non si scalda molto e il rilevatore manda di conseguenza un

segnale al raffreddatore per aumentare ancora la temperatura

5. l’aumento della temperatura provoca una parziale evaporazione dell’umidità quindi

l’intensità del segnale riflesso aumenta

6. questo processo continua fino a quando non si raggiunge un equilibrio e il rilevatore

segna il punto di rugiada

PSICROMETRO

● da esso si ricavano i diagrammi psicrometrici

● è costituito da due termometri:

○ uno a bulbo secco

○ uno a bulbo umido, ossia in contatto con uno stoppino intriso di acqua

● la differenza di temperatura tra i due termometri sarà:

○ tanto maggiore tanto l’aria è secca → se l’aria è secca significa che la

temperatura è sufficientemente alta per far evaporare l’acqua, raffreddando il

bulbo umido

○ uguale se l’aria è satura di umidità

MISURATORE AMPEROMETRICO

● un rotametro (misuratore di portata) fa fluire una portata di fluido all’interno di una

camera

● all’interno della camera è presente un avvolgimento bifilare di platino che forma una

serie di anodi e catodi (celle elettrolitiche) a cui è applicata una certa tensione

● la tensione applicata è tale da far avvenire la dissociazione elettrolitic