Sensori Termocoppia – Informazioni di riferimento

Compensazione del Giunto Freddo

In tutta la termometria effettuata tramite termocoppie si deve chiaramente fare riferimento a queste tabelle per collegare la tensione dei segnali di uscita dei sensori alla corrispondente temperatura.

È anche importantissimo sapere che a parità di differenza di temperatura tra il giunto di misura e quello di riferimento potrebbero esserci tensioni diverse in uscita: questo avviene se varia la temperatura del giunto di riferimento. Perciò, le tabelle di taratura sopra descritte si riferiscono sempre espressamente alla temperatura di 0°C in corrispondenza del giunto di riferimento.

Questa condizione si può realizzare praticamente immergendo i giunti di rame nel ghiaccio fondente, protetti da tubi di vetro isolati o in una camera a temperatura controllata (come un contenitore isotermico con adeguati sensori di temperatura). Oggigiorno, tuttavia, e per misurazioni industriali, questa situazione è normalmente simulata tramite correzioni elettroniche della temperatura; tramite la linearizzazione elettronica (generalmente digitale) che ricorre a tecniche di adattamento di curve, si cerca poi di compensare le mancanze intrinseche di linearità. Ulteriori dettagli si trovano nella Parte 1 sez. 5.

Concettualmente, le variazioni di temperatura che interessano il giunto di riferimento sono rilevate da un dispositivo come un termistore, posto il più vicino possibile al giunto di riferimento stesso. Si induce una f.e.m. che varia con la temperatura, tale da compensare le variazioni di temperatura che si verificano alle terminazioni di riferimento.

Giunto di Riferimento (Freddo) e Metodi di Compensazione

Abbiamo visto precedentemente che le termocoppie forniscono un segnale in uscita (f.e.m.) legato alla differenza di temperatura nelle due giunzioni. Per poter utilizzare le termocoppie come strumento di misura della temperatura assoluta anziché differenziale, il loro giunto di riferimento deve essere mantenuto costantemente ad una temperatura nota (vedi figura 5.1).

Un metodo semplice e consolidato di mantenere costante la temperatura di riferimento, ancora praticato oggigiorno nei laboratori, consiste nell’immergere il giunto di riferimento in una miscela di ghiaccio fondente. Con acqua pura, la temperatura durante la fase di fusione si mantiene costante a 0°C ±0,001°C. Per realizzare in pratica questo modello, si usa un vaso Dewar riempito di ghiaccio; il metodo è teoricamente molto accurato ma richiede un’attenzione costante e ulteriori rabbocchi in caso di uso prolungato; chiaramente questa soluzione non è appropriata per esigenze industriali. Tra le fonti di errore, ci potrebbe essere uno scarto di 4°C rispetto alla temperatura di riferimento, che si verifica se la quantità di ghiaccio che si scioglie è tale che le giunzioni di riferimento siano immerse soltanto nell’acqua, mentre il ghiaccio rimasto galleggia in superficie! Viceversa, se il ghiaccio utilizzato è stato conservato in un congelatore, la sua temperatura potrebbe essere molto più bassa di 0°C.

A livello industriale esistono soluzioni alternative più pratiche per fornire una temperatura di riferimento a 0°C. Una di queste utilizza un contenitore dotato di regolazione automatica della temperatura nel quale si inseriscono i giunti di riferimento. I giunti sono mantenuti costantemente al punto di fusione del ghiaccio tramite dispositivi termoelettrici semiconduttori (celle di Peltier). In questo caso, gli errori di temperatura sono normalmente inferiori a 0,1°C.

L’utilizzo del punto di fusione del ghiaccio come riferimento, o di un suo equivalente comunque generato, è da preferire ad altre soluzioni, non soltanto per ragioni di accuratezza e stabilità, ma anche perché le tabelle delle forze elettromotrici delle termocoppie sono riferite ad una temperatura di 0°C.

Un altro sistema molto comune usato oggigiorno consiste in un circuito elettrico termosensibile (ne esistono varie opzioni) che rileva costantemente la temperatura del giunto di riferimento producendo una tensione proporzionale. Questa tensione detta di compensazione del giunto freddo è aggiunta a quella del circuito della termocoppia o direttamente nella strumentazione di misura, nel punto di connessione. Questi apparecchi sono disponibili in versioni modulari, possono essere alimentati a rete o a batteria; la loro accuratezza è di pochi gradi °C.

Molti degli strumenti che funzionano collegandosi a termocoppie sono dotati di attacchi per il collegamento diretto delle termocoppie o dei cavi di estensione senza richiedere un giunto di riferimento a parte. Tali apparecchi, come termometri elettronici, regolatori di temperatura, data loggers ecc. contengono frequentemente un loro proprio generatore di tensione di riferimento equivalente al punto del ghiaccio fondente (come sopra descritto).

La temperatura nel punto di connessione potrebbe essere determinata per mezzo di un termometro integrale a resistenza (Parte 2, sez. 6), termistore o transistor, e così si ricava una tensione di riferimento adeguata. Per inciso, bisogna prestare attenzione alla sistemazione fisica del generatore di riferimento, poiché l’accuratezza e la stabilità della lettura della termocoppia dipendono dal fatto che il suo circuito si trovi nello stesso ambiente delle connessioni, quindi alla stessa temperatura.

In ogni caso, la tensione di riferimento può essere sommata al segnale della termocoppia o per inserimento nel circuito elettrico o (in particolare nel caso di regolatori, data loggers e altri sistemi digitali) modificando i dati nei calcoli della temperatura. Questa è la tecnica seguita di fatto da numerosi regolatori moderni, loggers, ecc.

Per grandi circuiti che comportano un elevato numero di termocoppie, sono possibili sistemazioni su rack o armadietti aventi anche un centinaio di giunzioni equivalenti di riferimento, tutte sistemate all’interno di una sede opportuna a temperatura costante. Questa sede può essere un’unità a ghiaccio fondente come già descritta, oppure un blocco metallico termicamente stabile in grado di mantenere una temperatura ragionevolmente costante prossima a quella dell’ambiente circostante. In quest’ultimo caso, la temperatura del blocco è sotto costante monitoraggio di un compensatore elettrico, e di nuovo la tensione equivalente del punto di ghiaccio è disponibile per essere sommata al segnale di uscita di ciascuna termocoppia, o elettricamente o numericamente.

Esistono altre unità di riferimento che sono state progettate per operare a temperature elevate. Sono utili in zone con temperatura ambiente particolarmente alta, ma i segnali delle termocoppie devono comunque essere riparametrati ai valori equivalenti allo zero. In sintesi, se la temperatura di riferimento è nota, la temperatura alla giunzione di misura può essere ricavata sommando un fattore correttivo ai valori indicati nelle tabelle delle termocoppie corrispondenti.

Materiali per Termocoppie

Quasi tutti i materiali conduttori possono produrre un segnale termoelettrico. Ma non appena si prendono in considerazione fattori come l’ampiezza dell’intervallo di temperatura, la qualità del segnale in uscita, linearità e ripetibilità (cioè la relazione tra il segnale in uscita e la temperatura), la scelta si riduce sensibilmente. La selezione di materiali adeguati è stata oggetto di molti studi per varie decine di anni da parte dei fornitori e dei principali laboratori di taratura e certificazione e delle università. Così, l’intervallo di temperature coperto oggi tra metalli e leghe adatte, sotto forma di filo o di sensore, si estende complessivamente da -270°C a 2600°C.

Naturalmente, non tutto l’intervallo può essere coperto con un solo tipo di termocoppia. Sono stati riconosciuti e designati diversi tipi a livello internazionale, ciascuno con i propri vantaggi. Le norme internazionali IEC 60584 (International Electrotechnical Commission) si riferiscono a termocoppie standardizzate e le identificano con una lettera, sistema che era stato proposto inizialmente dalla Instrument Society of America (vedi Parte 1, sez. 3).

Le termocoppie possono essere ripartite in due categorie principali: quelle a base di metalli preziosi (principalmente platino con platino-rodio) e quelle con metalli comuni, come nichel-cromo con nichel-alluminio, o ferro con rame-nichel (costantana). Le termocoppie a base di platino tendono ad essere le più stabili, ma sono anche le più costose. Il loro intervallo utile di utilizzo si estende dalla temperatura ambiente a circa 2000°C ma può essere molto più esteso limitatamente a brevi esposizioni (da -270°C a 3000°C). L’intervallo di funzionamento delle termocoppie con metalli comuni è più ridotto, in genere da 0°C a 1200°C, ma anche in questo caso può essere maggiore per un uso non prolungato. I segnali che si ottengono con i metalli preziosi sono però più deboli di quelli ottenuti con i metalli comuni.

Un altro aspetto riguarda l’instabilità termoelettrica intrinseca delle termocoppie di metallo comune più diffuse, quelle di tipo K, sia in funzione del tempo che della temperatura, benché anche i tipi E, J e T non siano esenti da critiche (vedi Parte 1, sez. 3). Da qui l’interesse per le termocoppie di tipo N (Nicrosil con Nisil), che si propongono di abbinare le migliori caratteristiche dei metalli preziosi al minore prezzo dei metalli comuni, con i livelli di segnale dei metalli comuni, ma con un intervallo di funzionamento leggermente più esteso.

Tolleranze sulle uscite delle Termocoppie

Nella realtà, le termocoppie non si possono sempre realizzare in modo esattamente conforme alle tabelle di riferimento. Perciò sono state pubblicate come IEC 60584-2:1993 le tolleranze per i segnali in uscita dalle termocoppie a metalli preziosi e comuni; i produttori sono tenuti a fornire sensori conformemente a questi limiti (tabella 3.3).

I valori delle tolleranze sono riferiti a termocoppie realizzate con conduttori di diametro compreso tra 0,1 e 3 mm, e non consentono derive di taratura durante l’uso. Le termocoppie di tipo non standardizzato sono solitamente fornite con le tabelle di lavorazione del produttore.