Termocoppie: cosa sono e funzionalità
Le termocoppie, note anche come sensori bimetallici, sono dispositivi essenziali nel campo della misurazione delle temperature, soprattutto in ambienti estremi e nei processi industriali dove altre tecniche di rilevamento sarebbero inadeguate.
Questi strumenti sono costituiti da due conduttori di materiali diversi uniti in un punto, il giunto caldo, dove la variazione di temperatura genera una tensione elettrica misurabile. Le applicazioni delle termocoppie sono molteplici e variano dall’industria pesante alla ricerca scientifica, rendendole strumenti indispensabili per garantire sicurezza e efficienza nei processi produttivi.
Questo articolo esplora in dettaglio il funzionamento, i tipi e le applicazioni delle termocoppie, offrendo una panoramica completa sulla loro importanza e versatilità.
Sommario:
Termocoppie: cosa sono e funzionalità
Quanti tipi di termocoppie esistono?
Termocoppie e tipi di giunti di misura
Termocoppia: a cosa serve?
Nel mondo dei sensori industriali, le termocoppie giocano un ruolo cruciale nella misurazione delle temperature estreme.
Questi dispositivi semplici ma sofisticati sfruttano le proprietà termoelettriche di metalli diversi per fornire letture accurate e affidabili, essenziali in molti processi critici. Ma vediamo più nel dettaglio cosa sono e come vengono impiegate le termocoppie nei vari settori industriali.
Termocoppia: cos’è?
La termocoppia è un sensore termoelettrico in grado di misurare la temperatura. Questa è composta da due diversi tipi di metalli, uniti in un’estremità chiamata “giunto caldo”.
Qui, la differenza di temperatura tra il giunto caldo e l’altro estremo, denominato giunto freddo, genera una tensione elettromotrice (EMF) che può essere misurata e convertita in dati di temperatura.
A cosa serve una termocoppia?
Le termocoppie sono utilizzate per misurare temperature estreme che altri sensori non possono sopportare, trovando applicazione nei forni industriali, reattori chimici e altri ambienti ad alta temperatura. La loro semplicità e alta temperatura di esercizio le rendono ideali per queste applicazioni critiche.
Grazie ai diversi modelli disponibili, risulta cruciale capire la loro struttura di base e le funzionalità, al fine di individuare al meglio qual è il miglior tipo di termocoppia da utilizzare.
Termocoppie e funzionamento
Il funzionamento delle termocoppie si basa sull’effetto Seebeck, un fenomeno scoperto nel 1821, secondo il quale una corrente viene generata quando due conduttori metallici di diversa natura sono collegati e esposti a temperature diverse.
Questa proprietà è sfruttata dalle termocoppie per misurare la temperatura in modi altamente precisi e affidabili.
Una termocoppia, come visto, è composta da due metalli diversi uniti all’estremità, chiamata giunto caldo.
Quando il giunto caldo è esposto a una temperatura diversa rispetto all’altra estremità, il giunto freddo, si crea una differenza di tensione elettromotrice (EMF). Tale tensione, che varia con la temperatura, è proporzionale alla differenza di temperatura tra il giunto caldo e quello freddo.
La tensione generata viene in seguito misurata e convertita in temperatura tramite un dispositivo di lettura. Questo processo permette il monitoraggio accurato delle temperature in ambienti industriali, scientifici e in molti altri contesti dove le misurazioni precise sono critiche.
La sensibilità delle termocoppie varia in base ai materiali usati. Ad esempio, le combinazioni di metalli in una termocoppia tipo K (Cromo-Alumel) sono diverse da quelle in una termocoppia tipo J (Ferro-Costantana), offrendo diverse gamme di temperatura e sensibilità.
Dove si usano le termocoppie?
Come accennato all’inizio del presente articolo, le termocoppie sono onnipresenti nei settori industriali in cui la misurazione accurata e affidabile delle alte temperature è cruciale.
Grazie alla loro velocità di risposta, flessibilità e ai costi tendenzialmente ridotti rispetto ad altre soluzioni, le termocoppie vengono impiegate in contesti come:
- Industria siderurgica per il monitoraggio delle temperature dei forni;
- Produzione di vetro e ceramica dove le alte temperature sono una costante;
- Industria petrolchimica per la verifica delle reazioni chimiche ad alta temperatura;
- Generazione di energia per il controllo delle turbine a gas e a vapore;
- Ricerca e sviluppo in laboratori di ricerca, chimica e biologia.
In ambienti estremi come questi appena elencati, la versatilità e la resistenza delle termocoppie, le rendono indispensabili.
Quanti tipi di termocoppie esistono?
È possibile scegliere tra diverse tipologie di termocoppie, ciascuna classificata principalmente in base ai materiali dei conduttori e al loro range operativo di temperatura.
Generalmente si è soliti classificare le termocoppie in due categorie: quelle a metallo base e quelle a metallo nobile.
Le prime, le termocoppie a metallo base (tipi K, J, T, E e N), sono costituite da metalli come il ferro, il rame e il nichel. Sono le più comuni per il loro valore, il costo minore e la maggior versatilità in diversi contesti a bassa e media temperatura.
Le termocoppie a metallo nobile, dall’altro canto, sono realizzate con metalli più ricercati, adatte a temperature più alte e costituite da un costo maggiore. Tra di esse i tipi S, B e R sono composte da percentuali di platino e rodio.
Tipi di termocoppie
Analizzando più nel dettaglio i più comuni modelli di termocoppie, è possibile scegliere tra:
- Tipo J: composta da ferro e costantana (lega rame-nichel), per temperature da -210° a +1200°C;
- Tipo K: composta da nichel-cromo e nichel-alluminio, per temperature tra i -200° e i +1200°C;
- Tipo T: composta da rame e costantana, adatta a temperature dai -270° e i +400°C;
- Tipo E: composta da nichel-cromo e costantana, per temperature da -270° a +980°C;
- Tipo N: composta da nicrosil (nichel-cromo-silicio) e nisil (nichel-silicio), per temperature dai -270° ai +1300°C;
- Tipo S, B e R: composte da Platino e sue leghe, per temperature più alte fino ai 1700°C.
Termocoppie e tipi di giunti di misura
Le termocoppie possono essere equipaggiate con diversi tipi di giunti di misura, ciascuno progettato per rispondere a specifiche esigenze applicative, migliorando la precisione e l’adattabilità della misurazione della temperatura.
Questi giunti, classificati come caldo a massa, caldo isolato e caldo esposto, offrono diverse caratteristiche in termini di risposta temporale, resistenza agli ambienti avversi e sensibilità alle interferenze:
- Giunto caldo a massa: offre un tempo di risposta molto rapido, essendo in diretto contatto con la parte metallica che misura la temperatura. La conduzione rapida del calore verso il giunto garantisce una misurazione veloce e accurata. È particolarmente utile in ambienti industriali dove le condizioni di temperatura cambiano rapidamente.
- Giunto caldo isolato: offre un’eccellente protezione contro le interferenze elettromagnetiche, mantenendo i conduttori completamente isolati dall’ambiente circostante. Questo tipo di giunto è ideale per applicazioni in ambienti rumorosi dal punto di vista elettrico, dove la riduzione del rumore è essenziale per mantenere l’integrità del segnale.
- Giunto caldo esposto: fornisce la risposta più veloce tra i tre tipi, dato che il punto di misura è esposto direttamente all’ambiente il cui calore si deve rilevare. Tuttavia, questo design comporta una minore protezione contro le condizioni ambientali potenzialmente dannose, come la corrosione o le contaminazioni fisiche, e quindi è meno robusto rispetto agli altri tipi.
Ogni tipologia di giunto presenta vantaggi e svantaggi, rendendo cruciale la selezione appropriata in base al contesto specifico di applicazione e utilizzo. Questa flessibilità nella scelta dei giunti di misura permette alle termocoppie di essere efficacemente utilizzate in un’ampia gamma di applicazioni industriali e scientifiche.
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