Sensori di temperatura - termocoppie
(124)Uno dei gruppi di sensori comunemente utilizzati sono i sensori di temperatura. Molto spesso questa grandezza viene misurata ad es. in macchinari industriali o durante vari processi che devono verificarsi ad una temperatura specifica; per questo motivo i sensori di temperatura vengono utilizzati in molti settori dell'industria, in laboratori, in apparecchiature di prova e misurazione e in reparti di Ricerca e Sviluppo. La sua misurazione è utile o addirittura indispensabile anche durante tutti i tipi di lavori elettronici eseguiti da appassionati di fai-da-te, ad es. durante la ricarica di celle di batterie ricaricabili, la saldatura/dissaldatura di componenti con aria calda su schede PCB, durante la costruzione di circuiti in cui la temperatura è una delle grandezze controllate e gestite. Anche nelle sempre più diffuse stampanti 3D, il sensore di temperatura è indispensabile per controllare il grado di riscaldamento della testina di stampa o del tavolo di lavoro, per garantire una qualità di stampa appropriata.
Tra i sensori di temperatura possiamo distinguere dei sottogruppi. Ciò è dovuto alle differenze nella struttura e nelle modalità di funzionamento. I più popolari sono termistori NTC, termistori PTC, sensori di temperatura resistivi e termocoppie.
Sensori di temperatura - struttura delle termocoppie
Le termocoppie sono dispositivi semplici da costruire, affidabili e durevoli, motivo per cui sono uno dei sensori per la misurazione della temperatura più comunemente utilizzati. I circuiti che utilizzano questi elementi sfruttano la misurazione della tensione (differenza di potenziale) creata in un circuito elettrico chiuso, prodotta dalla termocoppia, ossia un elemento costituito da due filamenti della termocoppia. Questi filamenti sono realizzati con differenti conduttori o semiconduttori, scelti in modo tale che all'aumentare della temperatura misurata, aumenti la tensione prodotta nel loro punto di contatto, denominata tensione termoelettrica. In questo caso ci troviamo di fronte al cosiddetto effetto Seebeck, mentre i cosiddetti giunto freddo e giunto caldo devono essere posizionati a temperature diverse. In pratica, la temperatura di riferimento viene misurata da un sensore indipendente nel sistema di misurazione presente sul blocco di riferimento isotermico.
Tipi e gamme di misurazione delle termocoppie
Le termocoppie, a seconda dei materiali utilizzati per costruire l'elemento termico, vengono suddivise in tipi: J, T, K, E, N, S, R, B. Si tratta di marcature standardizzate che indicano il tipo di materiali utilizzati per costruire i sensori. Le caratteristiche dei diversi tipi di termocoppie che determinano i valori della forza termoelettrica per ciascuna di esse, sono definite nella norma PN-EN60584-1: 2014-04. Le più comunemente utilizzate sono le termocoppie J (Fe-CuNi), K (NiCr-NiAl), E (NiCr-CuNi), T (Cu-CiNi) e N (NiCrSi-NiSi), per le quali vengono utilizzati materiali come ferro (Fe), rame (Cu), nichel (Ni), cromo (Cr), silicio (Si) o alluminio (Al), ossia senza l'uso di metalli preziosi. L'intervallo di temperatura che può essere misurato con questi sensori dipende dal tipo di termocoppia specifico. Per le termocoppie di tipo T, la temperatura massima di misura è di soli 350°C, tuttavia per le termocoppie di tipo K e N raggiunge i 1200°C. Il limite inferiore dell'intervallo di temperatura per i tipi di termocoppie più comunemente usate è di circa -50°C, anche se alcune di esse possono misurare temperature più basse, persino da -200°C.
Termocoppie per alte temperature
Per misurare temperature più elevate, vengono utilizzate le cosiddette termocoppie ad alta temperatura, realizzate con metalli preziosi, in particolare platino (Pt) e rodio (Rh). Si tratta di termocoppie di tipo S (Pt10Rh-Pt), R (Pt13Rh-Pt) e B (Pt30Rh-Pt6Rh). Queste possono operare e misurare temperature fino a circa 1600°C, mentre le termocoppie tipo B fino a 1800°C. Per via dell'utilizzo di metalli preziosi per la loro costruzione, questi componenti sono più costosi delle termocoppie tipo J, T, K, E e N descritte in precedenza.
Utilizzo dei sensori di temperatura.
Il circuito di misura, che sfrutta un sensore costituito da una termocoppia per la misurazione dei valori di temperatura, di norma è costituito da: una cella termoelettrica (termocoppia), cavi che collegano il sensore al dispositivo di misura e al suddetto dispositivo di misurazione, ad es. millivoltmetro o trasduttore avanzato. Bisogna notare che le caratteristiche delle termocoppie non sono lineari e differiscono per ogni tipo. Pertanto nei circuiti di misura il più delle volte viene sfruttata una linearizzazione digitale, effettuata da un sistema a microprocessore, poiché la linearizzazione analogica è inefficiente in termini di costi. A causa della bassissima tensione ottenuta da tale sensore, nell'ordine di diversi microvolt per grado Celsius, vengono utilizzati degli amplificatori di segnale e vari tipi di filtri per garantire che la misurazione ottenuta sia il più accurata possibile e prossima alla temperatura effettiva.
Scelta del sensore di temperatura
Quando si sceglie di acquistare una termocoppia per misurare la temperatura in un determinato dispositivo o processo, devono essere presi in considerazione diversi fattori. Il primo è, ovviamente, l'intervallo di valori di temperatura che verrà misurato. È estremamente importante che l'intervallo del valore di temperatura misurato si trovi all'interno del campo di misura del tipo di sensore scelto. In caso contrario, tentando di eseguire la misurazione con un sensore scelto in modo errato, sarà possibile ottenere informazioni falsate o incomplete sui processi che si verificano nell'ambiente analizzato o persino causare danni permanenti al sensore. La scelta di un sensore con un intervallo di temperatura appropriato è importante anche per motivi finanziari. I sensori più costosi, in cui vengono utilizzati metalli preziosi, possono avere un intervallo di misura più ampio e possono misurare temperature molto più elevate, tuttavia nel processo in cui viene misurata la temperatura, questi valori potrebbero non verificarsi mai. In questo caso, l'acquisto di un sensore più costoso non sarebbe giustificato e potrebbe rivelarsi una spesa aggiuntiva non necessaria.
Un altro aspetto da prendere in considerazione è la lunghezza del cavo. A questo punto vale la pena notare che a differenza di altri sensori, compresi alcuni sensori di temperatura, le termocoppie dispongono sempre di due uscite. La lunghezza del cavo deve essere scelta in modo tale da essere sufficiente. Un cavo troppo corto potrebbe rendere impossibile il collegamento del sensore al dispositivo di misurazione e la sua estensione potrebbe non essere possibile. D'altra parte, un cavo troppo lungo può portare a una maggiore interferenza del segnale, che potrebbe essere causata da diversi tipi di interferenze elettromagnetiche, ad es. causate dalla rete elettrica standard dove è presente una corrente alternata con una frequenza di 50Hz e una tensione di 230V. Inoltre possiamo trovare termocoppie con una testa di collegamento, ossia senza cavo fornito dal produttore.
Le uscite del sensore si trovano in uno speciale isolamento termico realizzato in Teflon o fibra di vetro, in questo modo vengono protette dai danni causati da temperature eccessive e possibili cortocircuiti. La fibra di vetro è più resistente alle alte temperature si ammorbidisce a circa 740°C, mentre la temperatura di ammorbidimento del teflon è di circa 260°C. Pertanto inoltre è necessario prevedere a quali temperature sarà esposto il cavo di collegamento della termocoppia e scegliere un isolamento appropriato.
Anche la punta del sensore e le sue dimensioni esterne sono importanti. Di solito per proteggere il giunto da danni fisici o accumulo di sporco sulla termocoppia, questi componenti vengono inseriti in una protezione a forma di cilindro metallico ceramico o in porcellana. Possiamo incontrare diverse terminazioni di tale protezione: piatte, a semicerchio e coniche, con un angolo di apertura di 118°. Di solito le dimensioni di tale sensore sono determinate dal suo diametro e dalla lunghezza, tuttavia possiamo trovare anche sensori con una punta a occhiello.
Naturalmente non bisogna dimenticare che il tipo di termocoppia deve essere abbinato al sistema di misurazione in possesso o il sistema di misurazione in possesso al tipo di termocoppia. Il produttore di circuiti destinati alla lettura dei valori di temperatura con l'utilizzo della termocoppia deve indicare chiaramente con quale tipo di sensore può operare. L'utente deve seguire queste linee guida, in modo che il valore della temperatura letta sia conforme al valore reale e in modo che non venga danneggiato nessuno dei componenti utilizzati.
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