Termocoppie: Funzionalità e applicazioni

Le termocoppie sono termometri molto utilizzati nella misurazione della temperatura a livello industriale. Sono particolarmente adatte a misurare le alte temperature. Ma come funzionano le termocoppie? Come si possono misurare le temperature con due semplici fili? La chiave di lettura sta nell’effetto Seebeck.

Sfondo

L’effetto Seebeck, descritto per la prima volta da Thomas Johann Seebeck nel 1821, è il fenomeno per cui una debole corrente elettrica scorre in un circuito composto da due conduttori diversi se i punti di contatto dei conduttori hanno temperature diverse. Questa connessione di conduttori è nota come termocoppia o termocoppia.

L’effetto Seebeck

Per comprendere l’effetto Seebeck, possiamo osservare un singolo conduttore elettrico. All’interno del conduttore ci sono atomi tra i quali si muovono elettroni liberi. In uno stato di equilibrio termico, gli elettroni liberi sono distribuiti uniformemente nel conduttore.

Tuttavia, se il calore viene applicato a un lato del conduttore, la velocità degli elettroni liberi aumenta in questo punto. L’aumento della velocità degli elettroni li sposta verso l’estremità più fredda del conduttore. In questo punto freddo si crea un centro di carica.

Tuttavia, questo effetto da solo non consente di misurare la temperatura in modo riproducibile, poiché dipende fortemente dalla temperatura e non fornisce una relazione costante tra temperatura e tensione.

Applicazione dell’effetto Seebeck

Per ottenere una misurazione riproducibile della temperatura, è possibile utilizzare due metalli diversi con un diverso comportamento degli elettroni in relazione alla temperatura. Se questi metalli sono collegati e c’è una differenza di temperatura tra i punti di connessione, si formano diversi centri di carica e una tensione termoelettrica misurabile.

Un esempio di termocoppia è la termocoppia di tipo N, composta da NiCrSi e NiSi. Quando si verifica una differenza di temperatura tra i punti di contatto dei due conduttori, si genera una tensione termoelettrica misurabile che può essere registrata con un voltmetro.

In questo caso sono importanti due condizioni:

1. I due conduttori devono essere collegati tra loro.
2. Deve esserci una differenza di temperatura tra i punti di connessione T1 e T2.

Tipi di termocoppie comuni

Le termocoppie sono disponibili in diversi tipi, ognuno caratterizzato dalla combinazione di materiali dei fili. Ogni tipo ha i suoi vantaggi e svantaggi, nonché aree di applicazione specifiche. Ecco alcuni dei tipi di termocoppie più comuni:

• Tipo B (platino-rodio/platino):
  • Intervallo di temperatura: da 0°C a 1.800°C
  • Precisione ad alta temperatura
• Tipo E (nichel-cromo/costantana):
  • Intervallo di temperatura: da -270°C a 1.000°C
  • Alta tensione termoelettrica e buona precisione
• Tipo J (ferro/costantana):
  • Intervallo di temperatura: da -210°C a 1.200°C
  • Non è adatto per atmosfere ossidanti superiori a 550°C
• Tipo K (nichel-cromo/nichel-alluminio):
  • Intervallo di temperatura: da -200°C a 1.260°C
  • Ampio intervallo di temperatura e convenienza economica
• Tipo N (Nicrosil/Nisil):
  • Intervallo di temperatura: da -270°C a 1.300°C
  • Migliore stabilità termica e resistenza all’ossidazione rispetto al tipo K
• Tipo R (platino-rodio/platino):
  • Intervallo di temperatura: da -50°C a 1.760°C
  • Precisione ad alta temperatura
• Tipo S (platino-rodio/platino):
  • Intervallo di temperatura: da -50°C a 1.760°C
  • Simile al tipo R, spesso utilizzato nell’industria del vetro e della ceramica.
• Tipo T (rame/costantana):
  • Intervallo di temperatura: da -270°C a 400°C
  • Ottimo per le basse temperature, stabile in atmosfere ossidanti

Identificazione tramite i colori dei mini-plug

Oggi le termocoppie sono componenti indispensabili di molte applicazioni industriali e della ricerca scientifica. La loro capacità di misurare le temperature in modo preciso e affidabile le rende uno strumento importante. La corretta identificazione delle termocoppie è fondamentale per una corretta misurazione della temperatura.

Un modo è controllare il colore delle spine e dell’isolamento (codici colore). Nel corso degli anni, sono stati sviluppati numerosi tipi diversi che consistono in accoppiamenti di materiali diversi. Per consentire una chiara differenziazione, ai vari tipi sono stati assegnati dei colori identificativi. Queste combinazioni di colori sono riportate nelle tabelle dei colori. Tuttavia, è bene notare che esistono codici colore diversi per i vari Paesi, ad esempio quelli classificati secondo le norme “IEC” (International Electrotechnical Commission), “BS” (British Standard) o “ANSI” (American National Standards Institute).

Un esempio delle differenze nella codifica dei colori è il tipo R. Secondo lo standard IEC, questo ha un isolamento arancione, mentre secondo lo standard BS è contrassegnato dal colore verde. Queste differenze possono generare confusione, soprattutto quando si utilizzano termocoppie di paesi diversi. È quindi importante conoscere e rispettare gli standard pertinenti.

Di seguito sono elencati alcuni tipi comuni e i relativi codici colore:

Tipo K: IEC – verde; BS – giallo; ANSI – giallo Tipo J: IEC – nero; BS – bianco; ANSI – bianco Tipo T: IEC – marrone; BS – blu; ANSI – blu Tipo E: IEC – viola; BS – viola; ANSI – viola Tipo N: IEC – rosa; BS – arancione; ANSI – arancione

Deviazioni limite delle termocoppie

Le deviazioni limite si riferiscono all’errore o all’imprecisione massima che può verificarsi quando si misura la temperatura con una termocoppia.

La deviazione limite è definita nello standard IEC 60584 per le termocoppie e specifica l’errore massimo consentito che può verificarsi durante la misurazione della temperatura per essere comunque considerato conforme allo standard. La deviazione limite è specificata come valore assoluto di temperatura (ad esempio ±1°C) e nell’intervallo di temperatura più alto come percentuale della temperatura misurata.

Esistono diverse classi di termocoppie, ognuna con deviazioni limite diverse. Alcuni esempi:

• Classe 1: queste termocoppie hanno le deviazioni limite più basse e sono utilizzate per misurazioni precise.
• Classe 2: sono leggermente meno precisi della classe 1, ma vengono comunque utilizzati in molte applicazioni.
• Classe 3: hanno le deviazioni limite più ampie e sono utilizzate in applicazioni in cui l’accuratezza è meno critica.

È importante notare che le prestazioni effettive di una termocoppia sono influenzate anche da altri fattori, come la qualità dei materiali utilizzati, il design della termocoppia e le condizioni di utilizzo. Pertanto, è fondamentale specificare e utilizzare correttamente la termocoppia per garantire che le misurazioni rientrino nelle deviazioni limite previste.

Deviazione limite di tipo K

Tipo di deviazione limite N

Tipo di deviazione limite R

Tipo di deviazione limite S

L’effetto K delle termocoppie di tipo K

Le termocoppie di tipo K, costituite dalle gambe delle termocoppie NiCr e NiAl, sono ampiamente utilizzate nell’industria e offrono molti vantaggi grazie alla loro capacità di essere utilizzate in un intervallo di temperature estremamente ampio (da -270°C a 1372°C) e alla loro elevata sensibilità alle temperature rilevanti per l’industria. Tuttavia, non sono impeccabili, soprattutto in uno specifico intervallo di temperatura. Questo fenomeno è noto come “effetto K”.

Premessa: sebbene le termocoppie di tipo K possano essere utilizzate in un intervallo di temperature estremamente ampio, nell’uso quotidiano sono affidabili solo al di sotto dei 250°C o al di sopra dei 600°C. Ciò è dovuto a un particolare fenomeno noto come effetto K o stato di tipo K.

L‘effetto K: il gambo in NiCr di una termocoppia di tipo K ha un orientamento ordinato nel reticolo cristallino al di sotto dei 400°C. Se l’elemento viene riscaldato oltre questo punto, tra i 400°C e i 600°C avviene una transizione verso uno stato disordinato. Solo oltre i 600°C il reticolo torna ordinato. Solo al di sopra dei 600°C il reticolo torna a essere ordinato.

Tuttavia, un raffreddamento troppo rapido comporta dei problemi. A velocità di raffreddamento superiori a circa 100°C all’ora, il reticolo cristallino non si trasforma come desiderato e rimane in uno stato disordinato. Questo può portare a un errore di tensione termoelettrica fino a 0,8 mV, che corrisponde a una deviazione di circa 5°C.

È interessante notare che questo effetto K è reversibile. Temprando a temperature superiori a 700°C e raffreddando più lentamente, il reticolo può essere in gran parte riportato allo stato originale.

Importanza per l’industria: a causa dell’effetto K, le termocoppie di tipo K non sono adatte a misurazioni tra 250°C e 600°C, dove la temperatura cambia rapidamente. In questo intervallo, possono presentare errori molto grandi e non riproducibili, spesso dell’ordine di 2°C – 10°C.

Considerazioni finali: sebbene le termocoppie di tipo K siano ampiamente utilizzate nell’industria grazie ai loro numerosi vantaggi, come l’ampio intervallo di temperature operative e l’economicità, il loro campo di applicazione deve essere considerato con attenzione. In particolare, l’inaffidabilità nell’intervallo tra 250°C e 600°C dovuta all’effetto K può portare a errori di misurazione significativi.

Si consiglia di prendere in considerazione alternative come la termocoppia di tipo N (NiCrSi-NiSi), che è meno soggetta a questo effetto di prossimità grazie alla lega di entrambe le gambe con il silicio.

Conclusione

Le termocoppie sono strumenti semplici ma potenti per misurare la temperatura. Si basano sull’effetto Seebeck e generano una tensione misurabile che dipende dalla temperatura. Questa tecnologia ha trovato ampie applicazioni nell’industria e nella ricerca e offre un metodo affidabile di misurazione della temperatura, soprattutto a temperature elevate.

Fonti:

• Frank Bernhard: Manuale di misurazione della temperatura tecnica, 2a edizione
• Thomas Klasmeier: libro da tavolo “Temperatura”, edizione 3