Le termocoppie (TC) funzionano collegando due metalli o leghe differenti. Per effetto delle differenze di conduttività termica e del movimento degli elettroni, viene prodotta una piccola tensione in funzione della differenza di temperatura tra il giunto di misura e il giunto di riferimento, il cosiddetto effetto termoelettrico o Seebeck. Il giunto di misura o giunto caldo è il punto in cui i metalli vengono saldati insieme mentre il giunto di riferimento o giunto freddo è il punto in cui viene misurata la tensione. Dato che la misura è differenziale, è necessario conoscere la temperatura del giunto freddo per determinare la temperatura effettiva.
La tensione prodotta dalle termocoppie è molto bassa e richiede un'elettronica precisa nel trasmettitore di temperatura. Le coppie di termocoppie standardizzate includono il tipo K (Chromel-Alumel), molto comune e che produce un segnale di 45 mV a una differenza di 1000 °C (1832 °F). Per temperature più elevate vengono utilizzate termocoppie nobili come il tipo S (platino e platino-rodio) che producono un segnale di 15 mV a 1500 °C (2732 °F).
Gli studi dimostrano che le termocoppie possono avere una deriva del 3-6% all'anno. Questa deriva si verifica perché la tensione Seebeck, prodotta dalla differenza tra due leghe, diminuisce nel tempo man mano che i materiali si mescolano. Ciò può avvenire in fase gassosa o per diffusione e influisce sull'accuratezza di misura. L'unica soluzione per mantenere la precisione di misura della temperatura è quella di sostituire regolarmente i sensori a termocoppia nelle applicazioni critiche.
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Per la misura di temperature elevate, consigliamo le termocoppie! Con temperature elevate intendiamo temperature superiori a 600 gradi Celsius. È molto semplice, si tratta di uno strumento di misura antico, senza batteria, senza niente. C'è solo la termocoppia. Si tratta di uno strumento analogico con due metalli saldati che, quando riscaldati, ci permettono di leggere le alte temperature. Se le riscaldo abbastanza a lungo, le termocoppie diventano incandescenti. Non provateci a casa o in ufficio! Io lo sto facendo ma, per favore, voi non fatelo. Ok, torniamo alle termocoppie. Come funzionano? Basta collegare insieme due metalli differenti. E questa è una cosa abbastanza delicata. Due metalli o due leghe. Per effetto dei cambiamenti della conduttività termica e del calore, gli elettroni possono muoversi attraverso la struttura interna di un metallo.
Si produce così una piccola tensione legata alla temperatura. Questo è un effetto termoelettrico noto anche come effetto Seebeck, il nome di chi lo ha scoperto. La realizzazione è davvero facile. Basta saldare insieme due metalli e abbiamo il giunto caldo. Dall'altro lato, sul giunto freddo, si misurano i millivolt o i microvolt che vengono prodotti. Il design è molto robusto ma è evidente che non si tratta di una misura diretta della temperatura. Si tratta di una misura della temperatura differenziale, perché ci sono un giunto caldo e un giunto freddo e ciò che si misura è la differenza tra i due. Per misurare la temperatura reale dobbiamo sapere la temperatura del giunto freddo. Dobbiamo conoscere la curva caratteristica del materiale e poi possiamo calcolare la temperatura al giunto caldo. È questo il principio generale della misura con termocoppia. La tensione della termocoppia è piuttosto bassa, microvolt o millivolt, e ciò richiede un'elettronica piuttosto precisa nel trasmettitore di temperatura.
Esistono già diverse termocoppie standardizzate, costituite da due leghe o metalli differenti. Vediamone alcune! La più diffusa è quella di tipo K ovvero nichel cromo nichel. Come vedete qui, con una differenza di temperatura di 1000 gradi, il segnale è di 45 millivolt. La curva è abbastanza lineare. Per temperature più elevate, il nichel cromo non è più adatto e bisogna passare alle termocoppie nobili, generalmente in platino. Platino e rodio. In questo caso, il tipo S è quello più diffuso. Il tipo S è in platino da una parte e in platino-rodio dall'altro e a una differenza di 1500 gradi Celsius, ad esempio, abbiamo un segnale di soli 15 millivolt. Qui la curva è chiara. Non è lineare e il comportamento è piuttosto complesso. Soprattutto se si raggiungono temperature negative, si nota chiaramente il comportamento curvilineo di queste termocoppie.
Ovviamente il platino è molto costoso. Va scelto solo se il tipo K non è più adatto, soprattutto a temperature più elevate. Bisogna aspettarsi una deriva e gli studi affermano che, in un anno, potrebbe corrispondere a un valore oscillante tra il tre e il sei percento. È un aspetto che va considerato! Com'è possibile? Cosa fare in una situazione del genere? Va ricordato che una termocoppia funziona considerando la differenza tra due fili nuovi, due leghe nuove. In questo esempio, se la termocoppia è nuova, un filo è rosso e l'altro è blu, perché le loro leghe sono diverse. Questa differenza produce la tensione Seebeck, l'effetto termoelettrico. Dopo un anno a temperature molto alte, potrebbero accadere cose strane perché queste due leghe si scambiano dei materiali. Dopo sei mesi o dopo un anno, quindi, i fili non sono più rosso e blu ma si vedranno 50 sfumature di viola perché, ad esempio, il cromo passa da una parte all'altra.
Alla fine le leghe si avvicinano e producono una minore tensione termoelettrica. Di conseguenza, la tensione prodotta è troppo bassa e assistiamo a una deriva negativa del sensore. Ciò può avvenire in fase gassosa o a causa della diffusione tra queste due leghe, attraverso i cavi a isolamento minerale. Ci sono effetti davvero strani e l'ho imparato nel corso delle mie visite ai clienti nelle fabbriche di vetro. Come si può evitare tutto questo? In realtà non si può... questa diffusione è innescata dalla temperatura e l'unico modo per essere sicuri che la misura della temperatura sia accurata è quello che avete visto nell'episodio precedente: il valore standard è valido solo per i fili nuovi. Se le si utilizza in un'applicazione critica per la sicurezza, è necessario sostituire le termocoppie abbastanza regolarmente. Questa è l'unica cosa che potete fare, cambiarle!
