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Termocoppia

termocoppia

La termocoppia è un sensore per misurare la temperatura, costituito da due metalli diversi, uniti tra loro alle due estremità con una saldatura. Quando questa estremità si scalda o si raffredda viene prodotta una differenza di potenziale direttamente correlata alla temperatura che si sta misurando. Si ha quindi una catena chiusa non isoterma. Questa genera una forza elettromotrice termoelettrica e quindi una corrente termoelettrica dovuta all’effetto Seebeck.

Caratteristiche di una termocoppia

Le termocoppie sono disponibili in diverse combinazioni di metalli, che a loro volta vengono etichettate secondo lettere dell’alfabeto. Le quattro più comuni sono la J, K, T e la E. La taratura per ogni termocoppia differisce per diversi range di temperature. La temperatura massima misurata in genere è limitata dal diametro del filo della termocoppia. Questo limite fa si che una termocoppia di diametro infinitesimale, non può raggiungere il pieno range di temperatura.

E’ possibile affermare che in un ampio campo di temperature -200÷600°C l’impiego della termocoppia è spesso alternativo alla più precisa termoresistenza .Rispetto a quest’ultima vanta:

  • migliori caratteristiche dinamiche (tempi di risposta dell’ordine dei decimi di secondi per giunto esposto);
  • minore costo dell’elemento sensibile.

Tra gli svantaggi si annoverano quello di misurare temperature non assolute ma relative (con conseguente necessità di un giunto di riferimento a temperatura nota). Inoltre mostrano un sensibile decadimento delle prestazioni metrologiche. La termocoppia lavora in ampi range di temperature rendendolo ideale nell’uso industriale. Il criterio più comune per la scelta della termocoppia è basato sui seguenti fattori:

  • range di temperatura;
  • resistenza chimica della termocoppia o della guaina;
  • resistenza ad abrasioni e vibrazioni.

Tempo di risposta

Una costante temporale è definita come il tempo richiesto dal sensore per raggiungere il 63.2% dello spostamento asintotico. Al variare del tipo di giunto varia la velocità di misura della termocoppia. Con piccoli accorgimenti, quale minimizzare lo spessore della guaina termorestringente, si può ottenere una risposta più veloce. Questo allo stesso tempo porta ad avere temperature massime che diminuiscono nel tempo.

Tipo di giunto

Vi sono diversi tipi di giunti che si possono avere nel costruire una termocoppia, tra cui ne distinguiamo tre tipi principali.

  • Giunto caldo esposto: Caratterizzato da un ridottissimo tempo di risposta. Il sensore è a diretto contatto con l’ambiente in cui si deve misurare la temperatura. Ne è sconsigliato l’utilizzo in ambienti corrosivi.

  • Giunto Caldo a Massa: In questo tipo di realizzazione il giunto di misura è parte integrante della guaina di protezione. Il tempo di risposta è abbastanza ridotto, molto usato per le alte pressioni.
  • Giunto Caldo Isolato: Il giunto caldo è completamente isolato dalla guaina di protezione. È particolarmente indicato nei casi in cui fem parassite potrebbero falsare la misura.

termocoppia 2

Tipo di termocoppia

Le termocoppie generalmente utilizzate sono di tre tipi le cui caratteristiche sono descritte nei punti sottostanti:

  • Tipo T (rame/costantana): è resistente alla corrosione in ambiente umido e può essere usata per temperature inferiori allo zero Celsius. L’uso per temperature elevate in ambiente ossidante è limitato per l’ossidazione del rame. Può comunque essere usata per alte temperature ma in assenza di ossigeno. La loro sensibilità e dell’ordine di 48,2 µV/°C.
  • Tipo J (ferro/costantana): per temperature superiori ai 540 C il ferro tende ad ossidarsi. È possibile lavorare in ambiente privo di ossigeno a temperature superiori ai 540 C. Non può essere usata sopra i 760°C perché c’è la transizione magnetica che fa perdere la calibrazione. La loro sensibilità e dell’ordine di 51,7 µV/°C.
  • Tipo E (chromel/costantana): ha il coefficiente di Seebeck più elevato. Maggior sensibilità che le rende le più utilizzate. La loro sensibilità e dell’ordine di 68µV/°C.

Realizzazione di una termocoppia

In questo paragrafo è descritto il lavoro che è stato fatto in questo progetto per realizzare e tarare una termocoppia. Il primo passo è stato quello di costruire il giunto caldo. È stata fatta una saldatura con cannello per unire due fili di metallo (son state usate bombole di propano–butano e ossigeno).

Considerando le piccole dimensioni dei fili da unire è stato usato anche un microscopio per assicurarsi che le due estremità fossero ben saldate tra di loro. Per evitare l’ossidazione del giunto si è posto un sale (borace miscelato ad acqua), rimosso subito dopo la saldatura. Per il principio zero della termodinamica sappiamo che:

un corpo A è in equilibrio con un corpo C, un corpo B è in equilibrio con il corpo C, allora A e B sono in equilibrio tra loro

Aggiungiamo alla termocoppia, costituita dai metalli A e B , un terzo filamento di materiale C. Questo non cambia la forza elettromotrice misurata ai capi della termocoppia se la differenza di temperatura ai due estremi rimane invariata. Sfruttando la proprietà sopra citata abbiamo collegato le altre due estremità dei fili, a un terzo metallo (rame). Per collegare i metalli A e B con C abbiamo effettuato una saldatura a stagno. Successivamente queste due estremità vengono coperte da una guaina termorestringente e inserite all’interno di una bacchetta di vetro. L’ultimo step è stato quello di verniciare l’estremità del giunto caldo con una vernice isolante (M-coat-A).

Taratura

Una volta costruita la termocoppia abbiamo posto la bacchetta di vetro all’interno di un contenitore (vaso di dewar) con ghiaccio tritato a 0°C. Il giunto caldo è stato messo a contatto con il PRT, ricoperto poi di ovatta per evitare i moti convettivi che si verrebbero ad instaurare. Abbiamo poi ricoperto la parte superiore del dewar con della lana di vetro per minimizzare gli scambi di calore con l’esterno. Successivamente abbiamo preparatolo strumento di acquisizione, dove vengono montati i terminali dei fili di ramee del PRT.calibration

Durante la procedura di preparazione sopra descritta, viene acceso anche il termostato e gli viene imposta un temperatura. Il tempo necessario al termostato per raggiungere un temperatura è mediamente 30-35 minuti per le alte temperature. Gli occorrono invece 40-50 minuti per basse temperature. Per accertarci che avessimo raggiunto un’uniformità di temperatura abbiamo fatto partire la scansione dello strumento di acquisizione. Abbiamo misurato l’andamento della resistenza del PRT per diversi istanti di tempo. Abbiamo confrontato poi tale valore con quello di riferimento dato dal certificato di taratura del PRT stesso. La temperatura del termostato e del PRT non saranno mai uguali a causa delle perdite di calore nei tubi.

Una volta raggiunta una temperatura uniforme nel dewar abbiamo fatto partire di nuovo la scansione per circa 10 minuti per avere approssimativamente 400-500 punti di misurazione. Trascorso il tempo di acquisizione abbiamo inviato i risultati ad un foglio di lavoro Excel. Abbiamo impostato la successiva temperatura sul termostato e ripetuto la procedura già descritta per tutte le temperature di interesse.

Con i dati a disposizione abbiamo usato la legge di taratura del PRT e della termocoppia in esame. Abbiamo cosi determinato la curva di taratura della termocoppia. Tale curva, data una cerca f.e.m in ingresso, registra la temperatura effettiva di esercizio.

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