MISURE DI TEMPERATURA

ARGOMENTI DELLA LEZIONE - Effetti termoelettrici - Le termocoppie - Circuiti di misura - Il giunto della termocoppia

Le termocoppie: - Sensori di temperatura molto semplici - Trasducono T  f.e.m. direttamente mediante effetto termoelettrico - Operano da Tmin criogeniche fino a TMAX - Pertanto sono diffusissime

EFFETTI TERMOELETTRICI

a) EFFETTO SEEBECK: in un circuito costituito da 2 materiali diversi A e B, se i giunti sono a temperatura T1T2  ( f.e.m. e I) T= (T1-T2 ) A B T1 T2 I

A T1 T2 B B A T1 T2 B B I Si usa l’effetto Seebeck per misurare la T1 di un giunto se è nota la T2 dell’altro giunto ( f.e.m. e I) T= (T1-T2 )

b) EFFETTO PELTIER: se in un circuito formato da due materiali diversi A e B viene fatta passare corrente elettrica I  un giunto si scalda mentre l’altro si raffredda; ai giunti si ha assorbimento e cessione di calore T1 T2 A B I

T1 T2 A B I Questo effetto modifica la T dei giunti: T1 caldo cresce e T2 freddo cala Quindi può generare errori di misura

T1 T2 A B I Se I  T di ogni giunto  ; in genere non è un problema importante Effetto Peltier è utilizzato per il raffreddamento di sistemi elettronici

T1 T2 A T1 > T2 Q12 I c) EFFETTO THOMSON: in un conduttore con estremità a temperature diverse T1 e T2 si genera una differenza di potenziale che genera I concorde col flusso Q12. Q12 I E’ reversibile I Q12

Anche questo effetto può generare errori di misura T, ma di un ordine di grandezza trascurabile se I  T1 T2 A T1 > T2 Q12 I

Pertanto per misurare la temperatura con un circuito a termocoppia, sfruttando l’effetto Seebeck, è necessario misurare la f.e.m. mantenendo la corrente I molto bassa

In genere si usano: - metodi potenziometrici - voltmetri ad elevata impedenza ( > 200 M)

LEGGI DELLE TERMOCOPPIE

1) Variazioni di T sui fili A e B non influenzano la f. e. m 1) Variazioni di T sui fili A e B non influenzano la f.e.m. di una termocoppia se i giunti rimangono a T1 e T2 e se i conduttori A e B sono di due materiali perfettamente omogenei T1 T2 T5 T6 T3 T4 T9 T7 T8 A B f.e.m. (T1-T2) f.e.m. (T1-T2)

2) La introduzione di un terzo metallo C in una termocoppia A e B non modifica la f.e.m. se le nuove giunzioni sono isoterme (T3 =T3) e T1 e T2 sono invariate T1 T2 A B T3 T4 C f.e.m. (T1-T2) Utile per inserire uno strumento di misura nel cicuito

3) Se in un circuito di termocoppia si apre un giunto che si trova alla T1 e si inserisce un terzo metallo C, tenendo le due nuove giunzioni alla T1, la f.e.m. generata non cambia T1 T2 A B C f.e.m. (T1-T2)

A C B Questa proprietà è utilizzabile per: - inserzione di strumento di misura - realizzazione di termocoppia con fili A e B saldati direttamente al metallo C di cui si deve misurare T1 T1 T2 A B C f.e.m. (T1-T2)

4) Se la termocoppia A e C con giunti a T1 e T2 genera f. e. m 4) Se la termocoppia A e C con giunti a T1 e T2 genera f.e.m. EAC e la termocoppia C e B con giunti a T1 e T2 genera f.e.m. ECB, allora la termocoppia A e B con giunti a T1 e T2 genera f.e.m. EAB = EAC + ECB Eac T1 T2 A C + - Ecb B Eac+Ecb

 tabelle e grafici dei poteri termoelettrici riferiti al Pt a 0°C Ciò permette di calcolare il potere termoelettrico di qualsiasi termocoppia A e B se è noto il potere termoelettrico di ogni materiale con riferimento ad un unico materiale C ( il Platino Pt )  tabelle e grafici dei poteri termoelettrici riferiti al Pt a 0°C

E13 = E12 + E23 se i giunti sono a T1 e T3 5) Se una termocoppia A e B fornisce f.e.m. E12 con giunti a T1 e T2 ed E23 con giunti a T2 e T3 allora essa genera E13 = E12 + E23 se i giunti sono a T1 e T3 E1 T2 A B + - T1 E2 T3 E1+E2

 tabelle e grafici dei poteri termoelettrici riferiti delle diverse termocoppie riferiti a 0°C + - T1 E2 T3 E1+E2

Questa proprietà è utilizzata per riferire le misure di una qualsisi temperatura T3 a 0°C ( quindi avere f.e.m.  T[°C] ) senza necessariamente tenere il giunto di riferimento a 0°C E1 T2 A B + - T1 E2 T3 E1+E2

A B Infatti: a) se T2 = 0°C E30 (T3-T2) = T3 [°C] b) se T2  0°C, ma nota, si può usare tabella per trovare E20 e misurare E32 per determinare E30 = E32 + E20 e quindi T3 in [°C] T3 T2 A B f.e.m. (T3-T2)

I materiali per termocoppie sono attualmente standardizzati ( norme IEC) TIPO MATERIALI A e B S (Pt - Rodio 10%) / Pt R (Pt - Rodio 13%) / Pt E (Ni - Cromo 10%) / (Cu - Ni) J Fe / (Cu - Ni) [ ferro / costantana] K (Ni - Cr 10%) / (Ni - Al 6%) [cromel / allumel] T Cu / (Cu - Ni) [ rame /costantana] N (Ni - Cr - Si) / (Ni - Si) W3 (Tung.-Renio 3%) / (Tung. - Renio 25%)

Poteri termoelettrici di ciascun elemento di termocoppia (positivo o negativo) riferiti al Pt T [°C] f.e.m. [mV] +40 +30 +20 +10 -10 -20 -30 -40 -200 0 200 400 600 800 1000 JP JN TN Giunto di riferimento Pt KP TP KN

f.e.m. generate: curve con giunto a 0°C f.e.m. [mV] 80 60 40 20 E J T K N R S T [°C] 0 500 1000 1500 2000

Impiego di termocoppia per misurare T2 B f.e.m. [mV] 80 60 40 20 J T [°C] 0 500 1000 1500 2000 T1 Nota f.e.m. misurata

- sensibilità [mV / °C ] - linearità - campo di misura - incertezza Sono normallizzate (ad es. in Italia UNI - 7938) Diversi tipi di TC

Le f.e.m. generate sono pochi mV e non sono perfettamente lineari f.e.m. [mV] 80 60 40 20 E J T K N R S T [°C] 0 500 1000 1500 2000

Tipico campo di misura: Pt / PtRodio (R, S) 0  1450 °C (alte T, ambienti ossidanti) Cromel / Allumel (K) -200  1250 °C Cu / Costantana (T) -200 350 °C Ferro / Costant. (J) 0 750 °C (la più usata in industria)

Incertezza tipica di fili standard non tarati uno per uno: Pt / PtRodio (R ed S) ± 0.25% lettura Cu / Costantana (T) ± 0.50% “ Cromel / Allumel (K) ± 0.75% “ Ferro /Costantana (J) ± 1.00% “

CIRCUITI DI MISURA

a) Circuito con giunto di riferimento in bagno di H2O e GHIACCIO ( 0°C ) Mercurio

Il bagno di H2O e ghiaccio è un riferimento molto preciso e stabile ±0 Il bagno di H2O e ghiaccio è un riferimento molto preciso e stabile ±0.1 °C Adatto ad uso in laboratorio Poco adatto ad impieghi industriali

b) Circuiti con compensazione elettronica della T2 di riferimento TX VOLTMETRO CIRCUITO DI COMPENSAZIONE EX2 E02 EX0=EX2+E02 b) Circuiti con compensazione elettronica della T2 di riferimento Circuito compensatore misura T2 di riferimento e genera E02 sulla base delle tabelle, quindi dalla E0X TX in [°C]

A B TX T2 Il trasduttore che misura T2 di riferim. (termistore) è su una basetta isoterma Simili circuiti sono molto usati nei: - termometri digitali - sistemi acquisizione dati

c) TERMOPILA: N termocoppie in serie con giunti a T1 e T2 aumenta la sensibilità VOLTMETRO Usata anche per: - generazione f.e.m. - misure di flussi termici

Utili ad esempio per controllo T media di ambienti d) TERMOCOPPIE in parallelo: misurano T media tra le giunzioni di misura TX1 TX2 TX3 TREF VOLTMETRO E (TX1+TX2+TX3)/3 Utili ad esempio per controllo T media di ambienti

IL GIUNTO DI UNA TERMOCOPPIA

 molti tipi di giunti differenti - già preparati - da realizzare Caratteristiche statiche e dinamiche delle termocoppie dipendono da - giunto - installazione

Misure di T di fluidi isolanti di fluidi conduttori di superfici isolanti o conduttrici di interno di solidi Giunti diversi con o senza guaine, involucri e supporti

 resistenza termica tra giunto e corpo o fluido (guaine, supporti, isolanti elettrici ecc.) causa T quindi errore di misura T < TX T < TX Q TX TX

Se le dimensioni del giunto Dcostante di tempo del sistema    le termocoppie veloci devono avere giunto piccolo  A ( TX - Tgiunto) = M C dTgiunto / dt serve (A / M)   (D2 / D3)=1/D D    La  è però limitata sopratutto da eventuali guaine e supporti

Alcune tipiche forme di giunto Fili intrecciati Saldatura di testa Brasatura

In genere i fili delle termocoppie sono entro guaine isolanti e protettive Spesso la termocoppia è inserita in un supporto metallico che la isola e le conferisce robustezza meccanica

Le termocoppie utilizzate per misurazioni di T di fluidi in condotti sono installate in “pozzetti” porta-sonda per ragioni di robustezza, tenuta, manutenzione Pozzetto Testa di connessione cavi Filettatura