In questo Tutorial verranno Illustrati il Principio di Funzionamento delle Termocoppie, il Metodo di Connessione e i Vari Tipi Esistenti…
INTRO
Le termocoppie sono strumenti elettronici formati semplicemente da due metalli con differente elettronegatività che formano una giunzione elettrica. Questa giunzione genera una tensione dell’ordine dei µV se riscaldata o raffreddata per via dell’effetto termoelettrico. Vengono quindi usate come sensori di temperatura.
Le termocoppie sono maggiormente usate per misurare temperature molto elevate visto che resistono bene alle temperature estreme essendo costruite da metalli, infatti alcune termocoppie lavorano fino a 1700°C. Sono solitamente da giunzioni tra leghe di Nickel, Cromo, Costantana, Ferro, Allume, Rame, Platino e altre leghe.
Nel 1821 Seebeck scoprì che due metalli, metti a contatto tra loro, creano una tensione elettrica ai capi se la giunzione è a una temperatura diversa da quella del resto del materiale. La connessione classica di una termocoppia è così fatta:
Si ha che la prima giunzione tra il Cromo e l’Alumel (lega di alluminio e Nickel) è la giunzione di misurazione, ovvero il giunto caldo, posizionato in prossimità della temperatura da misurare. Questi due fili si collegheranno in un certo punto del circuito, e solitamente si connettono al rame delle piste. Sul circuito si crea quindi una coppia di giunzioni tra metalli con differente elettronegatività che formano due termocoppie una tra Cromo e Rame e l’altra tra Alumel e Rame. Queste due giunzioni creano una differenza di potenziale che dipende dai materiali e dalla temperatura del giunto freddo.
Lo strumento di misura vedrà quindi una tensione Vmisurata = Vt1 + Vt2 – Vt3. Bisogna quindi misurare il giunto freddo per conoscere Vt2 e Vt3 per calcolare poi il valore di Vt1. Fare ciò è molto semplice, infatti il giunto freddo non è a temperature estreme, si suppone lavori a temperatore prossime a quelle ambiente, quindi è semplice con un sensore di temperatura integrato misurare questa temperatura.
Le termocoppie sono codificate in base ai materiali usati e si classificano con una lettera dell’alfabeto. Vi sono le termocoppie di tipo K, J, C, D, G, T, E, N, P, B, R ed S ognuna con materiale differente viene classificata in modo tale che sia noto il valore della tensione generata sul giunto freddo e quindi compensata.
COMPENSAZIONE DEL GIUNTO FREDDO
Come visto in precedenza la tensione misurata direttamente da uno strumento connesso a una termocoppia e la somma di tre contributi, ovvero Vt1, Vt2 e Vt3. Essendo la termocoppia nota siamo in grado di conoscere il comportamento di V1 al variare della temperatura e anche il comportamento di Vt2 e Vt3 anche se più in particolare ci interessa il valore di Vt2-Vt3 in modo tale da eliminarlo dal valore misurato.
Solitamente il valore di Vt2-Vt3 è negativo, quindi quello che bisogna fare è andare a sommare una tensione con stessa variazione in temperatura della differenza tra Vt2 e Vt3. La situazione è quindi la seguente:
Supponiamo sul giunto freddo un sensore (nell’immagine è stato usato un LM35 per dare l’idea), questo sensore genera una tensione (Vsensore) che dipende dalla temperatura. La tensione misurata sarà Vmisurata=Vt1+Vt2-Vt3+Vsensore. Se facciamo in modo che Vsensore = -Vt2+Vt3 allora quello che si ottiene sarà Vmisurata = Vt1, quindi misuro perfettamente la tensione del giunto caldo.
Questa compensazione può essere fatta in diversi modi tra cui l’aggiunta in serie di un sensore come da figura oppure con un amplificatore sommatore, inoltre, può essere eseguita in modo software misurando il valore del sensore sul giunto freddo, il valore sul giunto caldo e sommandoli in via software. Le soluzioni hardware sono però migliori.
Per ogni tipo di termocoppia vi sarà un’opportuna tensione di compensazione e in commercio esistono diversi integrati che generano tensioni per compensare diversi tipi di termocoppie.
Oltre alla compensazione del giunto freddo alcune termocoppie hanno bisogno del calcolo della funzione di trasferimento, questo perché il valore in tensione non rappresenta linearmente la temperatura (come nel LM35 in cui si hanno 10mV ogni grado centigrado), serve quindi un’operazione matematica svolta in hardware o software per conoscere il valore di temperatura dalla tensione ai capi della termocoppia.
TERMOCOPPIE DI TIPO K
Le termocoppie di tipo K sono le più diffuse ed economiche, il range di temperature misurabili va da un massimo di circa 1100°C ad un minimo di -180°C anche se questi valori dipendono da costruttore a costruttore. Sono costruite con una giunzione tra Cromo e Alumel (95% Nickel, 2% Alluminio e Manganese e 1% Silicio) . È resistente ad ambienti acidi mentre soffre in ambienti basici. È così fatta se rinchiusa in una sonda protettiva di acciaio:
Esistono con due classi di tolleranza, ovvero la precisione nei vari range, ad esempio la classe 1 ha una tolleranza di 1.5°C nel range -40 375°C e una tolleranza di 0.004*T nel range 375°C-1000°C. La classe 2 ha invece valori di tolleranza rispettivamente di ±2.5°C e 0.0075*T nei due range visti prima.
Sono tra le più usate perché hanno una buona caratteristica lineare ovvero la variazione della tensione ai suoi capi è di 41µV/°C, quindi con la compensazione del giunto freddo se la temperatura del giunto caldo è 1000°C mi aspetto di avere una tensione di 41mV.
Come possiamo vedere dal grafico alcune termocoppie come quelle di tipo B hanno una caratteristica evidentemente non lineare, mentre altre, come quella di tipo K, N, J ed E hanno una buona linearità.
Oltre al grafico e alla caratteristica approssimata della tensione in funzione della temperatura, il costruttore fornisce una tabella in cui indica il valore di tensione per ogni valore di temperatura.
Si realizza quindi un circuito con compensazione del giunto freddo, un circuito di amplificazione visto che 41µV/°C è un valore molto piccolo e infine si va a leggere il valore con un ADC, un microcontrollore come PIC o Arduino o simili.
