Risposte d'esame Sensori e tecniche di misura avanzate

Leggi dei termoelementi (termocoppie)

1. Se una termocoppia produce una fem E quando le sue giunzioni sono alle temperature T1 e T2 e E quando le giunzioni sono a T3 e T4, allora produrrà una fem E + E con le giunzioni poste a T1 e T4 (utile per riferire il potere termoelettrico a zero).

2. Queste leggi sono di grande importanza nelle applicazioni pratiche delle termocoppie. La prima indica che i cavi che collegano le due giunzioni possono essere esposti ad ambienti che si trovano a temperature sconosciute e/o variabili senza che questo influenzi la tensione prodotta. Le leggi 2 e 3 rendono possibile l'inserimento di un dispositivo all'interno del circuito per misurare l'effettiva forza elettromotrice senza alterare la fem stessa. Il metallo Cr rappresenta, infatti, il circuito interno (solitamente realizzato in rame negli strumenti di precisione) posto tra i morsetti di collegamento dello strumento. Lo strumento può essere collegato in.

Due modi, come illustrato nelle figure per le leggi 2 e 3. La terza legge mostra anche come le giunzioni delle termocoppie possano essere saldate o collegate con brasatura (quindi introducendo un terzo metallo di apporto) senza che questo influenzi in alcun modo le letture. La quarta legge mostra che tutte le possibili coppie di metalli non necessitano di apposita taratura, dal momento che ciascun singolo metallo può essere accoppiato con un metallo standard (viene utilizzato il platino) e tarato. Qualsiasi altra combinazione può dunque essere caratterizzata con il calcolo e la taratura non è più necessaria. La quinta legge indica che, nell'utilizzare una termocoppia per la misura di una temperatura incognita, la temperatura di una delle due giunzioni (chiamata giunzione di riferimento) deve essere nota per una qualche via indipendente. Una misura di tensione permetterà poi di ottenere la temperatura dell'altra giunzione (di misura) dalle tabelle.

di taratura, come già menzionato in precedenza.)

Termocoppie comuni

Termocoppie realizzate per saldatura, stagnatura o semplicemente premendo i due materiali insieme, forniscono tensioni identiche. Se si permette circolazione di corrente, le correnti possono essere differenti dal momento che le resistenze di contatto sono diverse per i diversi metodi di unione dei materiali. La saldatura (sia a gas, sia elettrica) è il metodo più comunemente usato, sebbene negli accoppiamenti rame/costantana vengano utilizzate sia la saldatura ad argento che la brasatura dolce (solo per le basse temperature). Sono disponibili sul mercato anche dispositivi speciali per saldatura a scarica di condensatore (particolarmente adatti per termocoppie con fili molto sottili). Coppie pronte all'uso sono naturalmente disponibili in una grande varietà di materiali e di dimensione dei fili. Sebbene numerosi materiali siano soggetti in qualche misura all'effetto termoelettrico, solo un

particolare lotto di fili. Laplatino/platino-rodio è la termocoppia più accurata, con errori dell’ordine di ± 0.25% della lettura. La rame/costantanadà ± 0.5% o ± 0.8 °C (quale dei due maggiore) tra – 60 °C e 90 °C e ± 0.75% tra 90 °C e 370 °C. La chromel/alumel dà ±2.8 °C (da 0 °C a 350 °C) ±0.75% (da 350 °C a 1260 °C). La ferro/costantana dà ± 66 μV sotto 260 °C e ±1.0% da 260 C° a 820 °C. Se sono necessarie accuratezze migliori si può tarare la singola termocoppia. Le termocoppie platino/platino-rodio vengono principalmente impiegate nel campo da 0 °C fino a 1500 °C. La caratteristica principale di questa combinazione è il fatto che i materiali sono chimicamente inerti e molto stabili alle temperature elevate in atmosfere ossidanti. Giunzione di riferimento Per le applicazioni più accurate, la giunzione

di riferimento andrebbe mantenuta in una cella di punto triplo dell’acqua la cui temperatura è 0.01 ± 0.0005 °C. Una tale accuratezza è raramente necessaria e più comunemente si fa ricorso a un bagno di acqua e ghiaccio che, preparato con attenzione, ha una riproducibilità attorno a 0.001 °C. Un bagno preparato con scarse attenzioni potrebbe invece mostrare un errore di 1 °C.

La Figura 7 mostra un metodo per la costruzione di un giunto di riferimento in bagno di acqua e ghiaccio. Le principali fonti di errore sono l’insufficiente lunghezza di immersione e l’eccessiva quantità di acqua accumulata sul fondo del recipiente. È possibile disporre di bagni di acqua e ghiaccio che vengono controllati in modo automatico con raffreddamento a effetto Peltier, piuttosto che impiegare ghiaccio fornito dall’esterno (che va continuamente sostituito); in tal modo si realizzano accuratezze dell’ordine di 0.05 °C.

Figura 8 illustra schematicamente una tecnica di realizzazione della giunzione di riferimento largamente utilizzata (in varie versioni) per strumenti con termometri digitali, data logger e sistemi di acquisizione dati. I fili provenienti dalla giunzione di riferimento vengono fissati con collegamenti a vite direttamente a una serie di terminali appartenenti a un blocco isotermo. La temperatura di questo blocco (che non dispone di controllo attivo di temperatura) può variare con la temperatura ambiente; tuttavia, grazie a un attento progetto termico, questa temperatura rimane uniforme per tutta la lunghezza della terminaliera (entro una tolleranza di ± 0.05 °C).

In ambienti particolarmente severi a temperature elevate, sono comuni le costruzioni a isolamento minerale e capsula metallica (mineral-insulated, metal-sheated MIMS). In questo caso i fili della termocoppia sono rinchiusi all'interno di un tubo protettivo di metallo, che viene

delle pareti abbia proprietà identiche a quelle delle pareti, in modo che la distribuzione delle temperature non risulti distorta. Tali termocoppie hanno costanti di tempo molto piccole, dell'ordine di 10-5 s, e sono disponibili con materiali utilizzabili fino a 2760 °C e pressioni di 69 000 kPa.

In Figura 10 (a) la termogiunzione viene realizzata passando un utensile abrasivo, come una lima, all'estremità dell'elemento sensibile. Questa operazione trasferisce metallo da un elemento della termocoppia all'altro, dal momento che l'isolamento in mica dello spessore di 5.1 μm viene facilmente scavalcato, creando in tal modo numerose termogiunzioni microscopiche saldate a caldo. La successiva erosione, o l'azione abrasiva, ricrea continuamente nuove giunzioni termiche man mano che l'estremo della sonda si consuma.

In Figura 10 (b) due termogiunzioni sono realizzate per placcatura con un sottile film di rodio sopra l'estremo di un