Quali tipi di termometro esistono? Su quale principio fisico si basano?

Elenchiamo
qui alcuni tra i tipi piu’ comuni di termometri

Termometro
campione

Un
modo concettualmente semplice di misurare la temperatura è quello
che sfrutta la legge dei gas perfetti (PV=nRT, ove P
è la pressione, V il volume, n il numero di moli ed
R la costante universale dei gas).

Poiché
la deviazione da questa legge nel caso di gas reali tende a zero al tendere
a zero della pressione, è possibile, lavorando a pressione sufficentemente
bassa a volume costante, calcolare la differenza di temperatura
rispetto a quella di riferimento attraverso la misura della variazione
di pressione
in una data massa di gas posta successivamente in equilibrio
con il riferimento a T
o
e con il corpo a temperatura incognita T.
Si ha infatti T=(T
o/Po) P, (legge di Gay-Lussac).

Su
questo principio si basa il “termometro a gas perfetto “(termometro
campione), tecnica tuttavia di uso assai delicato e quindi raramente impiegata
nella pratica di laboratorio.

In
pratica infatti si usano sempre termometri secondari che vengono tarati
su termometri campione.



 

Termometri secondari

Termometro
a liquido

Il
più antico e ancor oggi assai diffuso è il termometro
a liquido
, che sfrutta la dilatazione (approssimativamente lineare
con la temperatura) di un liquido posto in un tubo graduato.

Si
usa generalmente mercurio (da -38 
oC a
+300 
oC),
e a basse temperature alcool etilico ( fino a ‑120 
oC) o pentano (fino a -220 oC), ed il liquido viene fatto espandere
in un capillare per guadagnare in sensibilità.

La
sensibilità è inversamente proporzionale alla sezione
del capillare e direttamente al volume del bulbo, mentre la prontezza
è inversamente proporzionale al volume del bulbo.

L’uso
del termometro a capillare è limitato dalla difficoltà
di accoppiamento termico con campioni solidi
e dalla apprezzabile
conducibilità termica della colonna di liquido e del tubo in vetro.

La
sua precisione è migliore di 0.5
oC solo
in intervalli ristretti, ed esso non si presta bene ad essere interfacciato
con sistemi di registrazione o di controllo automatico della temperatura.



 

Termometro a termocoppia

La
termocoppia sfrutta la dipendenza dalla temperatura della forza
elettromotrice ai capi di una giunzione tra metalli diversi (effetto Seebeck).
Questa forza elettromotrice V
TC è funzione crescente di T , ed è
quasi lineare in prossimità della temperatura ambiente, con un
coefficiente ∂V
TC/∂T≈30µV/K.

I
vantaggi essenzialmente sono: massa trascurabile (prontezza), facilità
di accoppiamento termico, piccola conducibilità (purché
si usino fili sufficentemente sottili e lunghi), basso costo, possibilità
di interfacciamento con dispositivi di controllo. Svantaggi: non-linearità
e scarsa sensibilità. L’intervallo utile è all’incirca
da 10 K a 1000 K. La precisione è limitata principalmente dal sistema
di lettura di V
TC (praticamente
inferiore a 0.1 K). La sensibilità dipende dai materiali usati
nei vari tipi di termocoppia. I tipi principali sono J : (Fe+,
Costantana-), K : (Cromel+, Alumel-), T : (Cu+, Costantana-),
E : (Cromel+, Costantana-). La Costantana è una lega
60%Cu-40%Ni (anche55%Cu-45%Ni), il Cromel è 90%Ni-10%Cr, e l’Alumel
è 95% Ni-2%Mn-2%Al-1%Co .



 

Termometri a resistenza

Un
terzo gruppo di termometri secondari è costituito dai sensori
resistivi
:, che possono essere divisi in tre categorie: a resistenza
metallica o a semiconduttore.

Termometri
a resistenza metallica

Tra
i termometri a resistenza metallica (di solito: nichel, rame e platino)
quelli di platino sono i più affidabili perché un filo di
platino può essere prodotto con un estremo grado di purezza (e
si possono quindi costruire sensori con elevata riproducibilità).

La
resistività di un cristallo metallico segue infatti in prima approssimazione
e per temperature non troppo basse la legge r(T)=r
o(1+aT), dove ro è la resistività residua
a T≈0 K (proporzionale alla quantità di impurezze e imperfezioni
del reticolo) e a =(∂R/∂T)/R
è il coefficiente di temperatura (per Pt a≈3.85×10-3 K-1).

Vantaggi:
piccola massa (prontezza), discreta linearità su ampio
intervallo
(100K<T<1000 K), può essere polarizzato in
a.c. e pertanto si presta ad essere usato con elettronica di rivelazione
molto accurata (lock-in). 

Svantaggi
: sensori di piccole dimensioni hanno bassa resistenza ( ≈100
Ω a temperatura ambiente) e quindi la resistenza dei cavi di collegamento
al sistema di misura produce un errore apprezzabile alle basse temperature
se non si adottano opportuni sistemi di compensazione (configurazioni
a tre o quattro terminali).

La
sensibilità infine è limitata dall’autoriscaldamento
per effetto Joule che pone un limite superiore alla corrente di polarizzazione.



 

Termometri a semiconduttore

Termometri
a germanio  e thermistors 
: sfruttano la dipendenza esponenziale della resistenza dalla temperatura r(T)=roexp(B/T), dovuta alla creazione termica
di coppie in un semiconduttore.

Da
ciò deriva la grande sensibilità a basse temperature
e la notevole non-linearità.

Anche
i termometri di questo tipo vanno polarizzati (in d.c. o in a.c.)
e condividono quindi i corrispondenti vantaggi (interfacciabilità)
e svantaggi (autoriscaldamento) elencati per i termometri a resistenza.

Un
altro vantaggio è la possibilità di scegliere il valore
ohmico a temperatura ambiente in un intervallo vastissimo, senza dover
aumentare apprezzabilmente le dimensioni del sensore.

L’equazione
caratteristica di un termistore NTC è spesso scritta dal costruttore
come:

R(T) = R(T0) eb(1/T–1/T0)
,

ove
R(T
0) è la temperatura di riferimento
(spesso T
0=300 K), e la costante b (espressa
in unità di gradi Kelvin) è detta temperatura caratteristica,
che quantifica la sensibilità del termistore ad ogni temperatura



 

Termometro a diodo

Il
termometro a diodo sfrutta il fatto che la dipendenza dalla temperatura
della tensione diretta V
f di una giunzione p-n polarizzata con corrente
I
f costante
è quasi lineare per temperature T
 > 30 K.

I
vantaggi offerti dai termometri a diodo sono essenzialmente: buona linearità
e discreta sensibilità (dell’ordine di
 2.5 mV/K)..

Diversamente
che per i sensori resistivi, qui la misura va fatta con la stessa corrente
usata per la calibrazione, e dato che si deve misurare la tensione diretta
V
f, non si può usare una corrente alternata
(anche se si potrebbe modulare debolmente la corrente per ottenere un
segnale a.c.).



 

Taratura di termometri secondari




La
taratura di un termometro secondario può essere ottenuta da un
termometro campione con un apparato atto a termoregolare il supporto a
cui vengono ben ancorati i termometri campione e secondario.

L’uso
di un termometro campione può essere tuttavia evitato se si dispone
di alcune temperature note per altra via, ad esempio punti fissi 
di solidificazione o ebollizione di una sostanza pura.  Conoscendo la sensibilità  di un termometro si può usare una
taratura con un solo punto noto; ove si può assumere nota solo
la forma della funzione di trasferimento si devono di solito compiere
tarature in più punti (ad esempio per un termistore, ove R(T)=R
0exp(B/T), servono due temperature note per
determinare i due parametri B e R
0 ). Per altri termometri ove sia data una
tabella di taratura per punti si può ricavare una interpolazione
polinomiale dalla tabella e confrontare per alcune temperature facilmente
raggiungibili i valori calcolati con quelli misurati ed aggiustare eventualmente
qualche parametro (tipicamente quello di grado zero o di primo ordine
nel polinomio) per ridurre gli scarti.



 

Esistono
poi molti altri tipi di termometri, piu’ sofisticati o obsoleti, o di
uso molto particolare (pirometro ottico, termometro a fibra ottica, a
cristalli liquidi, lamina bimetalliche, termoscopio di Galileo…), dato
che moltissimi sono i fenomeni fisici che dipendono dalla temperatura,
e quasi tutti si prestano in un modo o nell’altro a realizzare un termometro.