Una sonda a termocoppia è un sensore per la misurazione della temperatura. Le termocoppie sono sensori di temperatura versatili e sono comunemente utilizzate per un'ampia gamma di applicazioni, dalle termocoppie industriali alle termocoppie standard utilizzate negli elettrodomestici e nelle apparecchiature.
La sonda a termocoppia è uno strumento di misura della temperatura indispensabile in molte applicazioni industriali e scientifiche. Grazie alla sua robustezza, all'accuratezza e all'ampio campo di misura, è ampiamente utilizzata in campi diversi come la metallurgia, la produzione di energia, l'industria chimica e la ricerca scientifica.
Il dispositivo funziona in base al principio dell'effetto Thomas Johann Seebeck, dal nome dell'omonimo fisico, che genera una tensione tra due metalli diversi quando questi sono esposti a una differenza di temperatura. Questa tensione viene poi convertita in una misura di temperatura.
Nonostante la loro apparente semplicità, le termocoppie richiedono una conoscenza approfondita del loro funzionamento, dei tipi disponibili e delle tecniche di montaggio e cablaggio per garantire misure affidabili e precise.
Analizziamo in dettaglio i diversi tipi di termocoppie, il principio di funzionamento, i metodi di installazione e di cablaggio e le migliori pratiche per ottimizzarne l'uso in una varietà di applicazioni.
Principio di funzionamento del sensore a termocoppia
La sonda a termocoppia funziona combinando due metalli diversi, collegati a un'estremità chiamata "giunzione calda". Quando si verifica una differenza di temperatura in questa giunzione, si crea una corrente elettrica nel circuito, generando una forza elettromotrice (EMF). Il valore di questo CEM dipende dalle proprietà dei metalli utilizzati e dalla differenza di temperatura tra la giunzione calda e una giunzione di riferimento, spesso chiamata "giunzione fredda".
I metalli utilizzati nelle termocoppie sono di qualità uniforme, il che significa che il dispositivo può sopportare diversi gradienti di temperatura lungo la sua lunghezza senza alterare il campo elettromagnetico. Ciò significa che la termocoppia è in grado di misurare con precisione le temperature, anche in condizioni variabili.
I dispositivi di misura come i display digitali, i controllori logici programmabili e i termoregolatori sono progettati per accettare direttamente le termocoppie. Gestiscono automaticamente la compensazione del giunto freddo, essenziale per ottenere letture accurate.
Le leghe utilizzate per realizzare le termocoppie sono generalmente disponibili in forma di filo, il che ne facilita la produzione e la manipolazione.
Per scegliere la termocoppia più adatta alla vostra applicazione, è essenziale :
Comprendere la struttura di base delle termocoppie: la conoscenza dei materiali e della loro configurazione è essenziale.
Conoscere il loro funzionamento: la differenza di temperatura tra le giunzioni genera una tensione elettrica.
Controllo degli intervalli di temperatura: accertarsi che la termocoppia possa operare nell'intervallo di temperatura richiesto dall'applicazione.
Conoscere i diversi tipi di termocoppia: i tipi K, J, T, E, N, S, R e B, ciascuno con intervalli di temperatura e applicazioni specifiche.
Comprendere l'assemblaggio e il cablaggio delle sonde a termocoppia: seguire le buone pratiche di installazione e collegamento per garantire misure accurate e affidabili.
Tenere conto della resistenza di isolamento di una sonda a termocoppia: un'adeguata resistenza di isolamento tra i fili e la protezione è essenziale per ridurre le interferenze e garantire misure accurate, soprattutto in ambienti soggetti a interferenze elettriche ed elettromagnetiche.
I diversi tipi di sonda a termocoppia
Sonda a termocoppiaTipo K (cromo-allumina)
Intervallo di temperatura: da -200 a 1260°C
Vantaggi: ampio campo di misura, durata
Applicazioni: generali, industriali
Sonda a termocoppiaTipo J (Ferro-Costantana)
Intervallo di temperatura: da -210 a 760°C
Vantaggi: Adatto a temperature più basse
Applicazioni: industrie di processo, dispositivi a bassa temperatura
Sonda a termocoppiaTipo T (rame-costantana)
Intervallo di temperatura: da -200 a 370°C
Vantaggi: Eccellente precisione a basse temperature
Applicazioni: criogenia, laboratori
Sonda a termocoppiaTipo E (Cromel-Constantan)
Intervallo di temperatura: da -200 a 900°C
Vantaggi: maggiore sensibilità
Applicazioni : Applicazioni criogeniche e ambientali
Applicazioni: industria del trattamento termico, alte temperature
Sonda a termocoppiaTipo S (Platino-Rodio 10%)
Intervallo di temperatura: da 0 a 1600°C
Vantaggi: precisione e stabilità alle alte temperature
Applicazioni: metallurgia, forni, riferimento come punto di fusione dell'oro (1064,43°C).
Sonda a termocoppiaTipo R (Platino-Rodio 13%)
Intervallo di temperatura: da 0 a 1600°C
Vantaggi: simile al tipo S con prestazioni leggermente migliori
Applicazioni: industrie del vetro e della ceramica
Sonda a termocoppiaTipo B (Platino-Rodio 30% / Platino-Rodio 6%)
Intervallo di temperatura: da 0 a 1700°C
Vantaggi: Temperatura di esercizio molto elevata
Applicazioni: misure ad altissima temperatura, ricerca scientifica
Ogni tipo di sonda a termocoppia ha caratteristiche di uscita (tensione) specifiche e richiede una calibrazione e un'apparecchiatura di misura adeguate per garantire letture accurate e affidabili.
Vantaggi e svantaggi delle termocoppie
Le termocoppie offrono una serie di vantaggi che le rendono indispensabili in molte applicazioni industriali e scientifiche.
I principali vantaggi delle termocoppie sono :
Basso costo: Le termocoppie sono economiche rispetto ad altri sensori di temperatura.
Durata e stabilità alle alte temperature: possono misurare temperature molto elevate con grande stabilità.
Manipolazione: le termocoppie sono facili da maneggiare e installare.
Dimensioni estremamente ridotte e un'ampia gamma di diametri possibili: sono disponibili in varie misure, consentendo una grande flessibilità di utilizzo.
Posizionamento del punto caldo: il design consente di posizionare il punto caldo all'estremità, garantendo una misurazione accurata della temperatura.
Tempo di risposta molto breve: le termocoppie reagiscono rapidamente alle variazioni di temperatura.
Buona resistenza alle vibrazioni: sopportano bene gli ambienti soggetti a vibrazioni.
Tuttavia, le termocoppie presentano anche una serie di svantaggi:
Accuratezza inferiore: rispetto ad altri sensori, le termocoppie possono essere meno precise.
Deriva a lungo termine: la precisione può diminuire nel tempo.
Sensibilità alle interferenze: le termocoppie possono essere influenzate da interferenze elettriche ed elettromagnetiche.
È necessaria la compensazione del giunto freddo: la compensazione è necessaria per ottenere misure accurate.
Valutando questi vantaggi e svantaggi, è possibile stabilire se le termocoppie sono adatte a un'applicazione specifica. Per gli ambienti in cui è richiesta una misurazione della temperatura rapida e affidabile a basso costo, le termocoppie sono spesso la soluzione ideale.
Montaggio e cablaggio del sensore a termocoppia
Il montaggio e il cablaggio di una sonda a termocoppia sono fasi cruciali per garantire misure di temperatura precise e affidabili. Ecco le fasi e le considerazioni principali:
Posizionamento della giunzione di misura: Assicurarsi che la giunzione di misura sia posizionata correttamente nel punto esatto in cui deve essere misurata la temperatura. Proteggere la giunzione di misura da interferenze elettriche e condizioni ambientali estreme.
Selezione e utilizzo dei fili: utilizzare fili di prolunga o di compensazione compatibili con il tipo di termocoppia utilizzata. Evitare errori di misura dovuti a materiali incompatibili.
Collegamenti e polarità : Collegare i fili ai terminali corrispondenti dello strumento di misura, rispettando la corretta polarità:
Filo positivo al terminale positivo
Assicurarsi che i collegamenti siano stretti e privi di corrosione.
Ridurre al minimo le interferenze elettriche: utilizzare cavi schermati per ridurre al minimo le interferenze elettriche. Posare i cavi lontano da fonti di rumore elettrico.
Messa a terra: prestare particolare attenzione alla messa a terra degli impianti per evitare loop di terra. Verificare che l'impianto di messa a terra sia correttamente installato e funzionante.
Seguendo queste raccomandazioni, il montaggio e il cablaggio di una sonda a termocoppia possono essere eseguiti in modo efficiente, garantendo prestazioni ottimali della strumentazione.
Isolamento di una sonda a termocoppia
Le termocoppie sono spesso esposte ad ambienti difficili, soggetti a interferenze elettriche, elettromagnetiche e di altro tipo. Per compensare i disturbi di misura della temperatura causati da questi parassiti, le termocoppie a guaina metallica sono dotate di una resistenza di isolamento tra i fili e la protezione.
Questa resistenza di isolamento, rigorosamente controllata in fabbrica, è compresa tra 1000 e 5000 MW minimo a 100-500 Vdc, a seconda del diametro della termocoppia e della temperatura ambiente. Queste specifiche sono valide per una termocoppia di lunghezza inferiore a 1 metro, in conformità alle norme vigenti.
È importante notare che questi valori di resistenza diminuiscono quando la termocoppia è sottoposta a temperature elevate, fino a diventare quasi nulli a temperature molto alte. Un isolamento efficace delle termocoppie è quindi fondamentale per garantire misure accurate e affidabili, soprattutto in condizioni di temperatura estreme e in ambienti disturbati.
Per questo motivo è necessario scegliere sempre strumenti di misura con separazione galvanica tra ingresso e uscita o tra ingresso e uscita e alimentazione.
FAQ sulle sonde a termocoppia
Che cos'è una termocoppia?
La termocoppia è un sensore di temperatura costituito da due fili di metalli diversi saldati insieme a un'estremità, detta giunzione calda. Quando questa giunzione è esposta a una temperatura, genera una tensione elettrica proporzionale a tale temperatura per effetto Seebeck.
Quali sono i diversi tipi di termocoppia?
I principali tipi di termocoppie sono :
Sensore di tipo K (nichel-cromo/nichel-alluminio): intervallo di temperatura da -200°C a 1260 gradi Celsius.
Sensore di tipo J (ferro/costantana): intervallo di temperatura da -210°C a 760 gradi Celsius.
Sensore di tipo T (rame/costantana): intervallo di temperatura da -200 °C a 370 °C.
Sensore di tipo E (nichel-cromo/costantana): intervallo di temperatura da -200°C a 900°C.
Sensore di tipo N (Nicrosil/Nisil): Intervallo di temperatura da -200°C a 1300°C.
Sensore di tipo S (platino-rodio 10%): intervallo di temperatura da 0°C a 1600 gradi Celsius
Sensore di tipo R (13% platino rodio): intervallo di temperatura da 0°C a 1600 gradi Celsius
Sensore di tipo B (platino-rodio 30% / platino-rodio 6%): intervallo di temperatura da 0°C a 1700 gradi Celsius
Come funziona una termocoppia?
Una termocoppia funziona misurando la differenza di potenziale elettrico tra la giunzione calda e una giunzione di riferimento, spesso mantenuta a una temperatura nota. La tensione prodotta viene convertita in una misura di temperatura mediante tabelle di calibrazione.
Cosa si intende per giunzione fredda e compensazione della giunzione fredda?
La giunzione fredda si riferisce alla giunzione di riferimento di una termocoppia, dove i fili sono saldati ai terminali metallici. La compensazione del giunto freddo è una tecnica utilizzata per compensare le variazioni di temperatura in questa giunzione e garantire misure accurate.
Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dei diversi tipi di termocoppia?
Tipo K: ampio campo di misura, basso costo, buona durata.
Tipo J: economico, adatto alle basse temperature.
Tipo T: eccellente precisione alle basse temperature.
Tipo E: alta sensibilità.
Tipo N: elevata stabilità, resistenza all'ossidazione.
Tipo S, R, B: accurati e stabili alle alte temperature, ma più costosi.
Come scegliere il tipo di termocoppia più adatto alla propria applicazione?
La scelta della termocoppia dipende da una serie di fattori:
Intervallo di temperatura: assicurarsi che la termocoppia sia in grado di misurare l'intervallo richiesto per l'applicazione.
Durata e resistenza alle condizioni ambientali: alcune termocoppie sono più resistenti alla corrosione, alle vibrazioni o agli ambienti chimici.
Tempo di risposta: alcuni tipi di termocoppia hanno un tempo di risposta più rapido.
Costo: il costo può variare a seconda dei materiali e delle caratteristiche della termocoppia.
Quali sono i materiali utilizzati nelle termocoppie?
Le termocoppie sono realizzate in varie combinazioni di metalli e leghe, come :
Nichel-cromo e nichel-alluminio (tipo K)
Ferro e Costantana (tipo J)
Rame e Costantana (tipo T)
Nicrosil e Nisil (tipo N)
Platino-Rodio e Platino (tipi S, R, B)
Che cos'è l'effetto Seebeck?
L'effetto Seebeck è il fenomeno per cui una differenza di temperatura tra due materiali diversi genera una tensione elettrica. Questo effetto è alla base delle termocoppie.
Come si calibra una termocoppia?
La calibrazione di una termocoppia consiste nel confrontare le sue misure con quelle di uno standard noto a diverse temperature e nel regolare le letture di conseguenza per garantire la precisione.
Quali sono le applicazioni più comuni delle termocoppie?
Le termocoppie sono utilizzate in molti settori e applicazioni, tra cui :
Industria: Controllo di processi produttivi, forni, motori, caldaie, reattori, turbine, inceneritori, trasformatori, pompe, compressori, radiatori.
