Termocoppie - Sensori a Termocoppia

Cosa è una Termocoppia?

Una termocoppia è un tipo di sensore di temperatura impiegato in una vasta gamma di applicazioni per la misurazione della temperatura. Ci sono molti tipi di termocoppie disponibili in una ampia varietà di modelli e costruzioni in grado di renderle una scelta pratica per quasi tutti gli intervalli di temperatura e quasi tutte le applicazioni di misurazione della temperatura nell’industria, nella scienza e non solo.

Termocoppie: Generalità

Se un conduttore elettrico è soggetto ad un gradiente termico, un flusso di energia (calore) si associa al flusso di elettroni lungo il conduttore e genera una forza elettromotrice (f.e.m.). Il valore e la direzione della f.e.m. prodotta dipendono dal valore e dalla direzione del gradiente di temperatura e dal materiale del conduttore. La tensione è funzione della differenza di temperatura agli estremi del conduttore. Questo fenomeno fu scoperto da T.J.Seebeck nel 1822 - effecto seebeck.

La tensione che risulta alle estremità del conduttore è la somma di tutte le f.e.m. generate al suo interno. Perciò, a parità di differenza complessiva di temperatura T1 – T2 pur essendo possibili differenti distribuzioni del gradiente lungo il conduttore, tutte generano la stessa tensione totale E (fig. 2.1 a,b,c) ipotizzando che il conduttore abbia caratteristiche termoelettriche uniformi lungo tutta la sua lunghezza.

La tensione in uscita da un singolo conduttore non è normalmente rilevabile perché la somma di tutte le f.e.m. interne lungo un circuito chiuso è pari a zero, a qualsiasi temperatura. Perciò nei normali termometri a termocoppia, si uniscono tra di loro due materiali aventi diverse caratteristiche f.e.m. termoelettriche/temperatura per produrre un flusso netto di elettroni utilizzabile e una tensione in uscita rilevabile.

In altre parole, due conduttori di materiale diverso A e B collegati insieme, esposti agli stessi gradienti di temperatura rappresentati nella figura 2.1 generano alle loro estremità uscite come quelle rappresentate nella figura 2.2. Attraverso la giunzione si forma un flusso netto di elettroni dovuto alle diverse f.e.m., che a loro volta dipendono dall’interazione del gradiente con i due diversi conduttori. Da qui il termine di “termocoppia”.

Va osservato che la f.e.m. termoelettrica si genera nella zona del gradiente termico, non nella giunzione. Questo è un punto importante da capire perché ne derivano conseguenze pratiche nella termometria effettuata tramite termocoppie: per esempio assicurarsi che i conduttori della termocoppia siano fisicamente e chimicamente omogenei se immersi in un gradiente termico. Inoltre, le giunzioni stesse devono trovarsi in una zona isotermica. Se una di queste condizioni non è soddisfatta, possono sorgere f.e.m. parassite.

Per inciso, un numero qualsiasi di conduttori può essere aggiunto in un circuito termoelettrico senza alterare l’uscita, purché le due estremità si trovino alla stessa temperatura e che sia garantita l’omogeneità. Questo ci porta al concetto dei cavi di estensione e di compensazione, che consentono di prolungare le lunghezze dei conduttori contenuti nelle sonde. (Vedi parte 2, sez. 3)

Ritornando alla figura 2.2, si vede che la f.e.m. in uscita Et è la stessa per qualsiasi distribuzione del gradiente termico a parità di differenza di temperatura T1 - T2, nell’ipotesi che i conduttori abbiano caratteristiche termoelettriche uniformi lungo tutta la loro lunghezza. Poiché le giunzioni M, R1 e R2 rappresentano le estremità dei conduttori che generano la f.e.m., se i conduttori che collegano lo strumento di misura sono in filo di rame uniforme, l’uscita dalla termocoppia è effettivamente unicamente funzione delle temperature in corrispondenza delle due giunzioni principali. E questo costituisce nella sua essenza la base della termometria con termocoppie.

Giunzione Termocoppia

Le giunzioni rilevanti prendono il nome di giunzione di misura o giunto caldo (M) da una parte, mentre le giunzioni dei conduttori di materiali diversi con i prolungamenti in rame (normalmente due giunzioni) sono chiamati giunto di riferimento o giunto freddo (R nella figura 2.2). Se il giunto di riferimento R è mantenuto ad una temperatura nota e costante, la temperatura del giunto di misura M può essere dedotta dalla tensione in uscita dalla termocoppia. Le termocoppie possono pertanto essere considerate come apparecchi di misura della temperatura differenziali, piuttosto che sensori di temperatura assoluta.

Riassumendo, ci sono quattro punti importanti da ricordare. Il primo è che le termocoppie generano un segnale in uscita solo quando si trovano all’interno di una zona con un gradiente di temperatura, non al di là. Il secondo è che l’accuratezza e la stabilità si possono ottenere soltanto se le caratteristiche termoelettriche dei conduttori della termocoppia sono uniformi su tutta la lunghezza. Il terzo è che solo un circuito formato da materiali diversi, all’interno di un gradiente termico, genera un segnale in uscita. Infine nonostante gli effetti termoelettrici siano rilevati in corrispondenza delle giunzioni, essi non sono dovuti ad una particolare proprietà delle giunzioni.

Termocoppie: Tipi, Materiali, Applicazioni

Sono state sperimentate numerose coppie di materiali per produrre termocoppie accettabili, ciascuna con un proprio particolare campo di applicazione. Ma il vantaggio di avere componenti intercambiabili e l’economia derivante dalla produzione di massa hanno portato ad una standardizzazione di un numero ridotto di tipi, oggi facilmente disponibili sul mercato e in grado di coprire di gran lunga la maggior parte delle esigenze, sia come temperature che come condizioni ambientali.

Queste termocoppie sono costruite conformemente alla relazione f.e.m. / temperatura specificata in forma di tabelle già richiamate, con i valori della f.e.m. (espressi in µV) in funzione della temperatura (in °C) e viceversa. Queste tabelle di riferimento sono pubblicate nella IEC 60584 Parte1.

È interessante osservare che queste norme non affrontano aspetti relativi alla fabbricazione, all’isolamento dei cavi, o ad altri criteri di rendimento. Con tutte le diversità che ne conseguono, occorre basarsi per questi aspetti sugli standard dei produttori.

Le norme definiscono gli otto tipi maggiormente utilizzati di termocoppie, riferendosi ad essi con la loro denominazione fatta di un carattere alfabetico riconosciuta a livello internazionale e fornendo le tabelle di riferimento di ciascuno di essi. Queste tabelle sono state riportate nel Compendio.

E’ utile dare un’occhiata a ciascuna di esse, esaminando valori, proprietà e ambito di applicazione. Si ricorda che il conduttore positivo è sempre indicato per primo. La temperatura massima di esercizio indicata, in particolare per le termocoppie con materiali comuni, non va presa come limite assoluto. Nelle applicazioni reali, va commisurata al diametro dei conduttori, alle condizioni ambientali e alle necessità di durata della termocoppia.

Termocoppia Applicazioni

A titolo di promemoria, si riportano nelle tabelle 3.1 e 3.2 i materiali utilizzati e i limiti di temperatura per ciascun tipo di termocoppia. La prima tabella si riferisce a termocoppie di metalli preziosi (a base di platino), la seconda a termocoppie di metalli comuni.

Tipi di Termocoppia

Termocoppie Tipo J - Ferro e Rame-Nickel

Comunemente chiamato ferro/costantana, questo tipo di termocoppia è uno dei pochi che si possono utilizzare in modo sicuro negli ambienti riducenti. In ambienti ossidanti sopra 550°C si degrada velocemente. La temperatura massima di utilizzo continuo è di circa 800°C, anche se per brevi esposizioni si possono raggiungere fino a 1000°C. La temperatura minima è di -210°C, ma sotto la temperatura ambiente bisogna fare attenzione alla condensa: si potrebbe formare ruggine sul conduttore in ferro, e potrebbe esserci fragilità alle basse temperature.

Tipo K - Nickel-Cromo e Nickel-Alluminio

Generalmente chiamato Chromel-Alumel, questo tipo di termocoppia è tuttora quello più diffuso in campo industriale. Si presta principalmente agli ambienti ossidanti. In tutti gli altri ambienti, il sensore va protetto con molta cura! Il limite massimo di temperatura con uso continuativo è di circa 1100°C, anche se da 800°C l’ossidazione è causa progressiva di deriva termica e perdita di taratura. Per brevi esposizioni, si può comunque arrivare a 1200°C. L’elemento è adatto per applicazioni criogeniche fino a -250°C.

Il tipo K, benché largamente adoperato per via del suo ampio intervallo di funzionamento e del suo basso costo, non è così stabile come altri sensori a metalli comuni di uso corrente. A temperature comprese tra 250°C e 600°C, e in particolare a 300°C e 550°C, l’isteresi termica può provocare errori di diversi gradi.

Infine, benché il tipo K sia molto adoperato nelle applicazioni nucleari per via della sua relativa resistenza alle radiazioni, il tipo N rappresenta oggi una scelta migliore.

Termocoppie Tipo T - Rame e Rame-Nickel

Il suo nome originale è rame-costantana. Questo tipo si è ritagliato una nicchia nelle misure di temperatura effettuate in laboratorio nell’intervallo da -250°C a 400°C, nonostante la rapida ossidazione del conduttore in rame sopra questo intervallo. La ripetitività è eccellente tra -200°C e 200°C (± 0,1°C). Da segnalare l’elevata conducibilità termica del conduttore in rame, e inoltre il fatto che la lega rame-nickel del conduttore negativo non sia la stessa di quella adoperata per il tipo J, quindi non sono intercambiabili.

Tipo E - Nickel-Cromo e Rame-Nickel

Noto anche con il nome di chromel-costantana, questo tipo di termocoppia deve il suo successo al suo elevato segnale in uscita, il più elevato tra i sensori normalmente adoperati, anche se questa caratteristica ha perso di importanza in un’epoca di amplificatori a stato solido ultrastabili. I limiti di temperatura di lavoro vanno da -250°C (criogenia) a 900°C in ambienti ossidanti o inerti. Riconosciuto più stabile del tipo K, è più adatto per misure accurate. Ciò nonostante, il tipo N segna ugualmente qualche punto in più a suo favore per la stabilità e l’intervallo di temperature.

Tipo S - Platino-10%Rodio e Platino

Questo tipo di termocoppia si può utilizzare in ambienti ossidanti o inerti fino a 1600°C in modo continuo, e fino a 1700°C per brevi esposizioni. Per impieghi nella fascia alta delle temperature, si utilizzano isolanti e guaine in allumina ricristallizzata ad elevata purezza. In tutte le applicazioni, tranne quelle in condizioni di elevatissima pulizia, l’elemento deve essere protetto con una guaina ceramica affinché piccole quantità di vapore metallico non provochino il deterioramento e perciò la riduzione della f.e.m. prodotta.

L’uso continuo ad elevata temperatura può causare deterioramento. Potrebbe infatti verificarsi una diffusione di rodio nel conduttore in platino puro, con conseguente riduzione anche in questo caso del segnale di uscita.

Tipo R - Platino-13%Rodio e Platino

Questo tipo di termocoppia è simile al precedente tipo S ma ha il vantaggio di avere un segnale di uscita leggermente più forte e migliore stabilità. In genere, le termocoppie di tipo R sono preferite a quelle del tipo S per applicazioni in gran parte identiche.

Il tipo B è nato più recentemente (1950). Può essere utilizzato fino a 1600°C in modo continuo e fino a 1800°C circa per brevi esposizioni. Per il resto, assomiglia alle altre termocoppie di metalli preziosi, i tipi S e R, benché il suo segnale in uscita sia più debole; perciò è utilizzato normalmente sotto i 600°C. Un vantaggio pratico interessante è che avendo un’uscita praticamente trascurabile tra 0°C e 50°C, la compensazione del giunto freddo non è normalmente necessaria.

Introdotto come la rivoluzionaria alternativa al tipo K (il tipo di termocoppia più diffuso in ambito industriale), e senza i suoi inconvenienti, il tipo N (Nicrosil-Nisil) è dotato di una resistenza alla deriva termica (prodotta dall’ossidazione alle alte temperature) di gran lunga superiore alla sua rivale, e alle altre instabilità comuni in particolare nel tipo K, ma anche nelle altre termocoppie a metalli comuni (vedi Parte 1, sez. 2.4). È perciò in grado di sopportare temperature più elevate rispetto al tipo K (1280°C e oltre per brevi durate).

La superiore resistenza all’ossidazione si spiega con la combinazione di una maggiore quantità di cromo e silicio nel conduttore positivo in Nicrosil. Analogamente, la maggiore quantità di silicio e magnesio nel conduttore negativo in Nisil forma una barriera protettiva contro la diffusione. L’elemento inoltre è dotato di una ripetibilità notevolmente migliorata da 300°C a 500°C, intervallo in cui la stabilità del tipo K è piuttosto scarsa (per via dell’isteresi indotta dalle disomogeneità magnetiche e/o strutturali). I livelli elevati di cromo nel conduttore N-positivo e di silicio nel polo N-negativo forniscono anche una migliore stabilità magnetica.

Inoltre, il tipo N non è soggetto ad altri problemi di deriva termica di lungo termine associati alla trasmutazione di elementi ad alta tensione del vapore nelle termocoppie ad isolamento minerale (principalmente manganese e alluminio, dal conduttore K-negativo attraverso l’isolante in ossido di magnesio fino al conduttore K-positivo). La trasmutazione è virtualmente eliminata in quanto i conduttori contengono soltanto tracce di manganese e di alluminio. Infine, poiché manganese, alluminio e rame non sono adoperati nei conduttori N-negativi, la stabilità al bombardamento nucleare è notevolmente migliorata.

Standardizzato nel 1986 e successivamente normalizzato nella IEC 60584, si è detto che questo nuovo tipo di termocoppie rende obsolete tutte le altre termocoppie a base di metalli comuni (i tipi E,J,K e T). Secondo i produttori e i distributori più entusiastici, offre molte delle caratteristiche delle termocoppie a metalli preziosi, ma al costo delle termocoppie a metalli comuni. E difatti, fino ad una temperatura massima continuativa di 1280°C, in determinate condizioni di utilizzo, può sostituire le termocoppie di tipo R ed S il cui costo è da 10 a 20 volte superiore.

Nella pratica, nonostante l’adozione di questo sensore sia stato più lenta di quanto anticipato da molti, ora che sono stati studiati, provati e collaudati il Nicrobell® e leghe similari per costituire le guaine delle termocoppie di tipo N ad isolamento minerale corazzate in metallo destinate a temperature più elevate, si può prevedere un utilizzo ancora più grande e che non può fare altro che crescere. Non ci sono dubbi ormai che si tratti di una termocoppia fondamentalmente migliore delle sue rivali a metallo comune.

Altri Tipi di Termocoppie non Standardizzati

Benché siano stati testati molteplici abbinamenti di elementi termoelettrici nel corso degli anni, la maggior parte di essi oggi non è più disponibile o in uso, tranne in qualche applicazione molto speciale o per ragioni storiche. Tuttavia, si possono raggruppare essenzialmente in quattro tipi le termocoppie non standardizzate che continuano ad avere un’utilità nella misura della temperatura.

Ne esistono tre tipi principali. Sono il tipo G: tungsteno e tungsteno-26% renio; il tipo C: tungsteno-5% renio e tungsteno-26% renio; e il tipo D: tungsteno-3% renio e tungsteno-25% renio. Tra tutti, il primo è sicuramente quello più economico, ma il conduttore in tungsteno può avere problemi di fragilità. Tutti possono essere adoperati fino a 2300°C, e fino a 2750°C per brevi periodi nel vuoto, nell’idrogeno puro o in gas inerti puri. Tuttavia, al disopra di 1800°C, possono esserci problemi di vaporizzazione del renio. Come isolanti si consigliano generalmente il berillio e il torio, anche se possono sorgere problemi al limite superiore dell’intervallo di temperatura, con potenziali reazioni dei conduttori e degli isolanti.

Rivendicando la fama di essere l’unica termocoppia a metallo prezioso che si possa adoperare nell’aria senza protezione fino a 2000°C (solo per un periodo di tempo limitato), questi elementi si adoperano anche nel vuoto e in ambienti inerti. Tuttavia, non esistono tabelle di riferimento standard, e gli utenti devono dipendere dalle tarature dei singoli lotti di produzione dei fornitori. Possono diventare fragili dopo l’uso a temperature elevate.

Consigliato al posto del tipo B quando si richiedono temperature leggermente più elevate, questo tipo di termocoppia può essere adoperato fino a 1700°C in modo continuo, e fino a 1850°C per brevi esposizioni. Al disopra, valgono le regole applicative descritte per il tipo S. Non esistono tabelle di riferimento standard, ma sono normalmente disponibili lotti con taratura secondo i produttori.

Questo è probabilmente l’ultimo ritrovato per uso specifico in campo criogenico. È stato progettato per misurazioni al disotto di 1K, ma funziona meglio da 4K in su. Alcune tabelle di riferimento sono state pubblicate dal National Bureau of Standards, ma in Europa si adopera più comunemente una lega oro - 0,03% ferro per il conduttore negativo.