TermocoppiaLa termocoppia è un trasduttore di temperatura il cui funzionamento è basato sull'effetto Seebeck.[1]. Le termocoppie sono ampiamente utilizzate perché economiche, facilmente sostituibili, standardizzate e possono misurare un ampio intervallo di temperature. Il loro limite più grande è l'accuratezza, infatti errori sistematici minori di un grado Celsius sono difficili da ottenere. Inoltre le termocoppie sono dei dispositivi non lineari, nonostante il loro vasto utilizzo. Un gruppo di termocoppie poste in serie viene detto termopila. In estrema sintesi la termocoppia è costituita da due conduttori di materiale ben noto che si uniscono in un punto detto "giunto caldo" in prossimità del quale va effettuata la misura di temperatura. Gli altri due estremi sono collegati ad una morsettiera detta "giunto freddo" che viene connessa allo strumento di misura in modo diretto oppure mediante un cavo prolunga. È importante conoscere la temperatura del giunto freddo per ottenere la misura corretta sul giunto caldo (compensazione): ad esempio se in prossimità del giunto caldo si rilevasse una temperatura di 11 °C mentre il giunto freddo si trova alla temperatura di 20 °C, allora la temperatura effettiva alla quale si trova il giunto caldo sarebbe di 31 °C; questa compensazione potrebbe essere trascurata se il giunto freddo venisse mantenuto alla temperatura costante di 0 °C. Principio di funzionamentoNel 1821 Thomas Johann Seebeck, un fisico di provenienza estone, riscoprì ciò che Alessandro Volta aveva già scoperto nel 1787: in un circuito chiuso formato da due conduttori di natura differente e saldati alle estremità in modo da creare un anello, sottoposto a un gradiente di temperatura (le due estremità di giunzione sono esposte a temperature differenti), si instaura una differenza di potenziale proporzionale alle differenze di temperatura.[2] Questo fenomeno, chiamato effetto Seebeck o effetto termoelettrico, è sfruttato dalle termocoppie. Il fenomeno non può sussistere in un circuito formato da un solo conduttore omogeneo; quindi una termocoppia è costituita da una coppia di conduttori elettrici di diverso materiale uniti tra loro in un punto. Altri effetti termoelettriciIn realtà altri due effetti, effetto Peltier ed effetto Thomson, dovrebbero essere presi in considerazione. Infatti se si lascia fluire corrente in un circuito per termocoppie (anche se questo non è il caso tipico dei dispositivi di misura industriale), i processi di conversione dell'energia termoelettrica provocheranno effetti di riscaldamento o raffreddamento. L'effetto Peltier è concentrato nelle giunzioni, mentre l'effetto Thomson è distribuito lungo i fili. Questi fenomeni innalzano e abbassano le temperature dei fili rispetto ai valori che avrebbero senza circolazione di corrente. Fortunatamente per i metalli tipicamente usati gli effetti sono sufficientemente piccoli da poter esser trascurati. Norme di riferimento
Tipi di termocoppiaEsiste una grande varietà di termocoppie, distinguibili in base ai due conduttori elettrici che compongono la giunzione ed al campo di applicazione (industriale, scientifico, alimentare, medico, ecc.). Sono termocoppie di uso generale, economiche e disponibili in una grande varietà di formati. Il loro intervallo di misura va da -200 °C a 1260 °C. La sensibilità è di circa 41 µV/°C.
Il loro intervallo di misura va da -40 °C a 750 °C ed essendo più limitato del tipo K, le rende meno diffuse di queste ultime. Sono utilizzate in vecchi apparati che non funzionano con il tipo K. Le termocoppie tipo J sono caratterizzate da un basso costo ed una notevole sensibilità (51,7 µV/°C), ma non possono essere utilizzate sopra i 760 °C a causa di una transizione magnetica che fa perdere loro la calibrazione.
Presentano caratteristiche simili alle termocoppie in ferro/costantana (tipo J). Presentano una sensibilità di 48,2 µV/°C. Utilizzabili nell'intervallo di temperature comprese tra -200 °C e 400 °C. Questo tipo viene utilizzato principalmente per misure di laboratorio, nonostante la rapida ossidazione del conduttore in rame quando viene superata la temperatura dell'intervallo ottimale. La ripetitività è eccellente nell'intervallo -200 +200 °C.
Hanno una elevata sensibilità (68 µV/°C) che le rende adatte ad applicazioni a bassa temperatura (criogeniche). Sono inoltre amagnetiche. L'intervallo di misura utile è compreso tra i 650 °C e i 1250 °C. La loro stabilità e la resistenza all'ossidazione a caldo le rendono un ottimo sostituto a basso costo delle termocoppie a base di platino (tipi B, R, S) per le misure di alta temperatura. Progettate per essere una evoluzione del tipo K, sono oggigiorno sempre più popolari. Le termocoppie B, R, S, sono tutte composte da metalli nobili ed hanno caratteristiche simili. Sono le più stabili fra le termocoppie, ma la loro bassa sensibilità (10 µV/°C) ne limita l'uso a misure di alte temperature (>300 °C).
Adatte per alte temperature, fino a 1800 °C. A causa della particolare relazione tensione-temperatura che le caratterizza, forniscono la stessa differenza di potenziale a 0 °C ed a 42 °C. Sono perciò inutili al di sotto di 50 °C.
Adatte per alte temperature fino a 1600 °C. Grazie alla loro particolare stabilità, sono utilizzate come standard di calibrazione per il punto di fusione dell'oro (1064,43 °C).
Sono simili al precedente tipo S e sono quindi adatte per alte temperature fino a 1600 °C; hanno però il vantaggio di avere in uscita un segnale un po' più forte e migliore stabilità. Hanno gli stessi campi di applicazione delle termocoppie S, ma hanno lo svantaggio di essere più costose. Le termocoppie vanno scelte in base al valore di temperatura media da misurare. Come già detto, la termocoppia viene isolata dal processo tramite una guaina di protezione. La guaina introduce un ritardo nella misura per variazioni rapide di temperatura e di ciò si tiene conto in fase di progettazione. TolleranzaGiuntoI principali tipi di giunzione sono:
Un giunto esposto risulta economico e comporta un tempo di risposta estremamente ridotto. Lo svantaggio principale consiste nel rapido deterioramento se esposto ad agenti corrosivi e nella necessità di un ingresso di fem differenziale.
Un giunto a massa é realizzato saldando direttamente il giunto caldo della termocoppia sul pozzetto termometrico, pertanto pur essendo, come il giunto esposto, soggetto a loop contro terra, presenta il vantaggio di essere parzialmente protetto da agenti esterni.
Un giunto isolato, infine, è costruito in modo tale da essere completamente isolato dal pozzetto termometrico. Ciò limita fortemente l'insorgere di loop contro terra e l'influenza di fem parassite, inoltre aumenta la reiezione al rumore del sensore. Per contro aumenta il costo della termocoppia ed il suo tempo di risposta. CaviCavi di estensioneSono costituiti da conduttori aventi la stessa composizione nominale delle termocoppie corrispondenti. Si indicano con una X dopo la lettera relativa al tipo di termocoppia (ad es: JX). Cavi di compensazioneSono costituiti da conduttori di composizione diversa dalle termocoppie corrispondenti. Si indicano con una C dopo la lettera relativa al tipo di termocoppia (ad es: KC). Per distinguere tra le varie leghe all'interno di un medesimo gruppo, si aggiunge una lettera supplementare (ad es: KCA). Linearizzazione del segnaleLa linearizzazione è un significativo problema per le termocoppie, perché, tranne per piccoli intervalli di temperatura, la relazione tra la f.e.m. termoelettrica e la temperatura non è una funzione lineare. La norma EN 60584-1 fornisce sotto forma di tabelle tutte le informazioni circa la relazione tra la f.e.m. e la temperatura per tutte le termocoppie standardizzate, con l'ipotesi di una giunzione di riferimento a 0 °C. Relazione tra temperatura e differenza di potenzialeLa relazione tra la differenza di temperatura e la differenza di potenziale prodotta non è lineare e varia a seconda del tipo di sonda[3]. Essa può essere approssimata dalla seguente equazione polinomiale:
I valori an variano in relazione ai materiali utilizzati. A seconda della precisione desiderata, è possibile scegliere N compreso tra 5 e 9. La norma EN 60584-1 fornisce le funzioni polinomiali dalle quali i dati in tabella sono stati ricavati. ConnettoriSi usa un connettore dedicato per collegare la termocoppia ad un cavo di estensione o di compensazione e quindi al giunto di riferimento e alla strumentazione di rilevamento. Inoltre, con questo sistema si può effettuare velocemente e con facilità il collegamento e la sostituzione di sonde senza compromettere l'uniformità dei conduttori. Esistono connettori per termocoppie, di formato o miniatura, per collegare tutti i tipi comuni di conduttori, sia cavi di estensione o di compensazione; si usano leghe degli stessi materiali delle termocoppie, per evitare che si generino f.e.m. indesiderate, nel caso molto probabile che il connettore non possa essere mantenuto a temperatura costante. Le spine e le prese dei connettori sono state progettate per rendere il montaggio semplice ed affidabile e normalmente sono dotati di meccanismi di bloccaggio incorporati. Note
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