Termocoppia

Definizione, Funzionamento, Tipologie e Utilizzo

Termocoppia

Che cos’è la Termocoppia

La Termocoppia è un Trasduttore di Temperatura il cui funzionamento si basa sull’effetto Termoelettrico EMF (Electromagnetic Field).

E’ adatta per numerose applicazioni grazie alla possibilità di poter essere realizzata con varie combinazioni di metalli che ne determinano la tipologia ed il campo di temperatura di utilizzo, il tutto definito dalle normative internazionali.

Per la determinazione dell’intervallo di temperatura di utilizzo, oltre alla tipologia della Termocoppia, deve anche essere considerato il diametro dei singoli fili conduttori utilizzati per la realizzazione.

   

Come funziona

La Termocoppia è costituita da un circuito elettrico formato da due diverse combinazioni di fili metallici (conduttori) uniti/saldati insieme alle loro estremità.

Quando queste giunzioni sono sottoposte ad una variazione di temperatura, per effetto Seebeck, si crea una differenza di potenziale elettrico.

La giunzione sottoposta alla temperatura da misurare è definita giunto caldo o giunto di misura, mentre l’altra estremità che viene aperta al sistema di misura della tensione (forza elettromotrice) è definita giunto freddo o di riferimento (solitamente ad una temperatura nota di 0 °C).

 

Il principio di funzionamento

La termocoppia funziona secondo il principio dell’effetto Seebeck.

Nel 1821 il fisico Thomas Johann Seebeck scoprì che quando si verifica una differenza di temperatura tra le giunzioni di due conduttori elettrici di metalli o lega diversi, viene prodotta una corrispondente forza elettro motrice (f.e.m.).

Questo fenomeno è ora noto come effetto Seebeck o effetto termoelettrico.

 

Come è costruita

Come detto, la Termocoppia è costituita da due conduttori metallici diversi collegati ad una estremità chiamata “giunto”.

Al variare della temperatura varia la tensione che si può leggere ai capi dei conduttori e questa variazione fornisce una misura della temperatura a cui si trova il giunto.

La giunzione che è esposta alla temperatura da misurare è detta giunto caldo o giunto di misura mentre la giunzione tra i conduttori della termocoppia ed il circuito di misura è detta giunto freddo o giunto di riferimento

Il punto di giunzione è classificato in tre tipologie:

  • Giunto caldo esposto

Il giunto è a diretto contatto con l’ambiente in cui si deve misurare la temperatura. Ne consegue un tempo di risposta molto veloce. Questo tipo di lavorazione è ovviamente sconsigliato in ambienti corrosivi o dove esistono condizioni estreme

  • Giunto caldo a massa

Il giunto di misura è integrato nella guaina di protezione. Anche in questo caso il tempo di risposta è abbastanza veloce. Viene utilizzata in ambienti corrosivi o in condizioni di alte pressioni

  • Giunto caldo isolato

In questo caso il giunto caldo è completamente isolato dalla guaina di protezione. I tempi di risposta si allungano leggermente comparati con il giunto caldo a massa ed esposto.

Sono indicate per esecuzioni dove sono presenti forze elettromotrici parassite causa di potenziali falsature delle misure.

 

Tipi di Termocoppia

Una grande varietà di Termocoppie sono disponibili con caratteristiche proprie a seconda delle combinazioni dei fili metallici utilizzati che le rendono specifiche per differenti processi e settori di applicazione.

Le termocoppie in metallo base sono utilizzate in una ampia gamma di applicazioni a bassa e media temperatura.

Rientrano in questa categoria la Termocoppia tipo K, Tipo J, Tipo T, Tipo E e Tipo N

Le termocoppie in metallo nobile vengono utilizzate maggiormente dove sussiste l’esigenza di misurare temperature elevate.

Hanno una resistenza maggiore dalle termocoppie in metallo base ma sono più costose.

Rientrano in questa categoria la Termocoppia Tipo S, Tipo R e Tipo B.

 

Termocoppie in metallo Base

In questa categoria di termocoppie, il metallo base è realizzato con materiali comuni ed economici come nichel, ferro, rame.

 

Termocoppia Tipo K

E’ composta da fili metallici in Nichel-Cromo (Ni-Cr) (+) e Nichel-Alluminio (Ni-Al) (-)

Questo tipo di Termocoppia è la più diffusa in campo industriale ed è disponibile in una grande varietà di formati.

Il limite massimo di temperatura è di circa 1100 °C, anche se per brevi esposizioni si può arrivare a 1200 °C. La sensibilità è di 41 µV/°C.

Se esposte in atmosfere ossidanti nell’intervallo di temperatura tra gli 815 ºC e 1040 ºC, l’ossidazione può essere la causa di una deriva termica della sua calibrazione.

L’elemento è adatto anche per applicazioni fino a -200 °C

La termocoppia 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.

Inoltre, nelle tipo K, le alte temperature possono portare sostanziali variazioni del segnale in uscita dovuti alla riduzione del cromo presente nel conduttore positivo (rischio ossidazione).

 

Termocoppia Tipo J

È composta da fili metallici in Ferro (Fe) (+) e Costantana (Cu-Ni) (-)

Il suo 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 spesso utilizzate nel settore di produzione stampaggio plastica.

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.

Poiché il problema dell’ossidazione è associato al ferro, è necessario prendere alcune precauzioni quando si utilizza questo tipo di termocoppia in un ambiente ossidante.

Sotto la temperatura ambiente bisogna fare attenzione al potenziale infragilimento dei conduttori, mentre in ambienti umidi alla condensa che potrebbe formare ruggine sul conduttore in ferro.

 

Termocoppia Tipo T

È composta da fili metallici in Rame (Cu) (+) e Costantana (Cu-Ni) (-)

Il suo intervallo di misura va da -200 °C a 400 °C con una sensibilità di48,2 µV/°C.

Le Termocoppie Tipo T è molto stabile e viene spesso utilizzata in applicazioni a temperature molto basse ritagliandosi una nicchia di mercato nelle misure di temperature effettuate in Laboratorio nonostante presenti una rapida ossidazione per esposizioni sopra l’intervallo di temperatura.

La ripetitività è eccellente tra -200°C e 200°C (± 0,1°C) con una elevata conducibilità termica del conduttore in rame.

 

Termocoppia Tipo E

È composta da fili metallici in Nichel-Cromo (Ni-Cr) (+) e Costantana (Cu-Ni) (-)

Il suo intervallo di temperatura è compreso tra -250 °C e 900 °C con una elevata sensibilità di 68 µV/°C rendendole adatte ad applicazioni a bassa temperatura.

A temperatura moderata le Termocoppie Tipo E offrono una maggiore stabilità rispetto al tipo K e al tipo J presentando valori di temperatura più stabili.

Tuttavia presentano quasi gli stessi svantaggi delle tipo K in quanto anche nella tipo T è presente il Cromo nel conduttore positivo (rischio ossidazione).

La Termocoppia E viene considerata più stabile della Termocoppia K e più adatta per misure accurate. Ciò nonostante, la Termocoppia Tipo N segna qualche punto in più a suo favore per la stabilità e l’intervallo di temperature.

 

Termocoppia Tipo N

È composta da fili metallici in Nicrosil (Ni-Cr-Si) (+)Nisil (Ni-Si) (-)

L’intervallo di temperatura è compreso tra 650 °C e i 1250 °C.

Le Termocoppie Tipo N in molti casi possono essere una perfetta alternativa alle più costose termocoppie al platino (Termocoppie di metallo nobile Tipo B, R, S) grazie alla loro stabilità e resistenza alle alte temperature.

Con la giusta scelta dei materiali della guaina esterna sono quelle più indicate per le misure di alta temperatura in condizioni di vuoto (per pressioni al di sotto della Pressione Atmosferica) ed in ambienti ossidanti grazie all’aggiunta di Silicio nella composizione dei conduttori.

 

Termocoppie in metallo Nobile

Rientrano in questa tipologia le Termocoppie realizzate con metalli come il Platino e Rodio.

Hanno un’alta stabilità e vengono utilizzate quasi esclusivamente per misure di alte temperatura anche a causa della loro bassa sensibilità (10 µV/°C)

 

Termocoppia Tipo B

È composta da fili metallici in platino – 30% rodio (+) e platino- 6% rodio (-)

Le Termocoppie Tipo B sono idonee per misure di temperatura fino a 1800 °C (la più alta tra tutte le Termocoppie) mantenendo la massima stabilità e precisione.

 

Termocoppia Tipo S

È composta da fili metallici in platino – 10% rodio (+) e Platino (-)

Le Termocoppie Tipo S sono adatte per temperature fino a 1600 °C e per brevi esposizioni fino a 1700 °C.

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 a causa di una diffusione di rodio nel conduttore in platino con conseguente riduzione del segnale di uscita.

 

Termocoppia Tipo R

È composta da fili metallici in platino – 13% rodio (+) e platino (-)

Le Termocoppie Tipo R sono simili alle Termocoppie Tipo S per misure fino a 1.600 °C ma hanno il vantaggio di avere un segnale di uscita leggermente più forte e una migliore stabilità.

Vengono spesso preferite alle Termocoppie S nonostante abbiano un costo più elevato a causa della maggior percentuale di rodio.

 

Vantaggi

  • Possibilità di realizzare diametri molto piccoli (da 0,2 mm)
  • Robusta e utilizzabile in ambienti con forti vibrazioni
  • Tempi di risposta rapidi, Adatte a registrare rapidi cambiamenti di temperatura
  • Ampio intervallo operativo delle temperature, da -200 °C a + 1800 °C
  • Più economici dei termometri a resistenza (termoresistenze)
  • Adatte per misurare temperature di superfici
  • Buone proprietà meccaniche
 

Svantaggi

  • Minore Accuratezza
  • Sono soggette ad una sovente taratura
  • Stabilità nel tempo meno soddisfacente
  • Richiedono cavi di estensione o di compensazione
  • Linearità talvolta limitata