Guida completa sulle termocoppie

Le termocoppie sono strumenti di misurazione della temperatura, anche detti trasduttori, comunemente utilizzati poiché trovano impiego in molteplici settori: industriale, ingegneristico e scientifico.

Grazie alle loro dimensioni ridotte e ai rapidi tempi di risposta possono essere impiegate in tutti i tipi di ambienti, anche in quelli particolarmente critici, riuscendo comunque sempre a misurare in maniera rapida ed accurata le temperature (in un range compreso tra 270 e 2500 gradi Celsius, a seconda della specifica configurazione della termocoppia).

Nonostante queste sorprendenti caratteristiche e funzioni, le termocoppie sono però strumenti molto semplici, resistenti ed economici.

In questa guida esamineremo più da vicino i vari tipi di termocoppie disponibili sul mercato e vi spiegheremo i loro utilizzi.

Come già accennato, le termocoppie sono dei sensori progettati per la misurazione delle alte temperature di corpi fisici, componenti e sostanze. Ogni termocoppia è formata da due fili di metallo differente (i conduttori) che uniti insieme in un punto formano un circuito.

Il punto in cui i due fili si incontrano è chiamato giunto caldo ed è il punto nel quale viene applicata la temperatura da misurare mentre l’altra estremità (quella formata dai due fili liberi) è collegata ad un corpo la cui temperatura è nota ed chiamata giunto freddo.

La differenza di temperatura tra i due giunti crea voltaggio all’interno del circuito (effetto Seebeck), creando un flusso di corrente che può essere utilizzato per misurare la temperatura nel giunto caldo.

Il flusso di corrente viene misurato tramite un voltmetro collegato al circuito che darà una lettura precisa della corrente creata dalle forze elettromotrici.

Il funzionamento delle termocoppie sfrutta quindi l’energia termoelettrica, per intenderci: provate a tenere una padella monopezzo su un fornello a gas, noterete subito che il calore salirà dalla padella alla maniglia e su fino alla estremità fredda rappresentata dalla vostra mano, ciò che non noterete è che l’elettricità generata dal circuito farà la stessa cosa. Ciò accade proprio per la differenza di temperatura tra i due giunti (in questo caso la padella e la mano): la termocoppia utilizza un voltmetro per misurare proprio quella corrente generata dal differenziale tra i due giunti.

Vale la pena notare che, se la temperatura tra i due giunti è la stessa, le forze elettromotrici generate si annulleranno a vicenda, e il risultato sarà una corrente pari a zero.

Le termocoppie possono avere un aspetto esteriore anche molto diverso tra loro (vedi esempi nelle immagini sotto) ma alla base, come mostra il grafico seguente, tutte hanno lo stesso principio di funzionamento descritto sopra:

Il fenomeno spiegato qui sopra è, in parole semplici, quello che il fisico Thomas Johann Seebeck ha teorizzato ed è oggi noto come effetto Seebeck.

T.J. Seebeck fu il primo a scoprire che l’unione di due metalli aventi temperature diverse produce una forza elettromotrice, diversa a seconda della combinazione di metalli in questione.

Le scoperte di Seebeck furono poi perfezionate da almeno altri due fisici, tra cui Peltier e Thomson, che arrivarono al punto da poter calcolare esattamente il voltaggio registrato nel circuito – attraverso rigorose formule scientifiche – e determinare l’esatta temperatura di un elemento fino ad allora sconosciuta.

Abbiamo già accennato alle diverse tipologie di termocoppie presenti sul mercato oggi, create per adattarsi ad una vasta gamma di scenari applicativi e sfide ambientali e, soprattutto, a diversi intervalli di temperatura. Per distinguere i diversi modelli generalmente si utilizzano le lettere dell’alfabeto, tra i tipi più comuni di termocoppie ci sono le J, K, L, N e T.

Ognuna di queste lettere indica una tipologia diversa di combinazione di metalli di cui sono composti i giunti della termocoppia, combinazione che è fondamentale in funzione della sensibilità necessaria a misurare un determinato intervallo di temperatura.

In questa sezione della guida esamineremo i diversi tipi di termocoppie per aiutarvi nella scelta corretta. In generale, i principali elementi che dovrete considerare, sono l’ambiente in cui verrà impiegata e gli intervalli di temperatura che dovrà misurare.

Come accennato in precedenza, i diversi tipi di termocoppie sono utilizzati nei più disparati contesti domestici e industriali: elettrodomestici, dispositivi automobilistici, macchinari tecnici e scientifici, e altro ancora. Per citarne solo alcuni, questi sono:

Termostati

Senza le termocoppie, i termostati non potrebbero operare correttamente. C’è spesso confusione tra i due meccanismi, ma per dissipare ogni dubbio basti ricordare la definizione sopraccennata della termocoppia: un sensore che fornisce esclusivamente una lettura della temperatura. Il termostato, invece, è il dispositivo che, in base a quella lettura, accende e spegne l’apparecchio in cui opera. Pertanto, una termocoppia in un termostato permette la sua attivazione e il suo corretto funzionamento.

Termometri

I termometri e altre forme di apparecchiature mediche e di diagnosi, spesso usano una termocoppia. Le applicazioni potrebbero includere qualsiasi cosa: dai sensori della pelle, alla rivelazione ipodermica dei tumori; dalla ricerca del DNA, al rilevamento delle temperature e alle sonde del catetere. Molti di questi macchinari utilizzano dispositivi con termocoppia estremamente precisi dotati di cavi di calibro molto sottili.

Diagnostica dei veicoli

Le termocoppie sono ampiamente utilizzate nella diagnostica automobilistica e aerospaziale, per gestire e monitorare una vasta gamma di temperature; trovano applicazione dalla diagnostica alla manutenzione fino alla sicurezza del veicolo.

I dati offerti dalle termocoppie del motore possono essere utilizzati per le letture dei gas di scarico, del corretto funzionamento della testata e della candela, delle prestazioni del freno a disco, dello stato della batteria e delle alterazioni degli ambienti esterni.

Caldaie, sensori di riscaldamento e forni

Le termocoppie utilizzate per le caldaie, i sistemi di riscaldamento dell’acqua e i forni funzionano più o meno allo stesso modo di un termostato.

Dato l’utilizzo di gas diversi, questi dispositivi utilizzano le termocoppie come principale sistema di sicurezza: se il circuito della termocoppia non garantisce il corretto funzionamento del sistema, allerta il dispositivo con l’accensione di una spia di emergenza e blocca l’apertura delle valvole del gas.

Quando si trovano nelle caldaie e nei sistemi di riscaldamento le termocoppie possono essere sostituite dai termistori: questo componente funziona secondo il principio di base per cui la resistenza elettrica all’interno dei materiali cambia se la temperatura aumenta o diminuisce. A differenza della termocoppia, il termistore non genera alcun voltaggio.

Termometri alimentari, sonde industriali e sensori

I termometri alimentari spesso utilizzano la tecnologia della termocoppia per fornire una lettura della temperatura rapida e accurata, sia nelle fasi di preparazione degli ingredienti che nella realizzazione degli alimenti. A differenza di un normale termometro da cucina, le termocoppie non possono essere lasciate nel cibo durante la cottura. Il rapido responso della termocoppia in un termometro alimentare digitale, per esempio, permette di conoscere in maniera precisa e veloce la temperatura dei diversi punti di grossi pezzi di carne e pollame.

Inoltre, la tecnologia di cavi sottili permette di rilevare la temperatura di articoli più delicati che altrimenti non sarebbero sondabili con i termometri alimentari classici dotati di fili dal calibro più spesso. Gli stessi criteri valgono per tutta una seria di sensori e sonde applicati in operazioni industriali, in particolare nei processi di produzione, dove la temperatura è un elemento senz’altro critico. Molte di queste termocoppie, destinati ad usi industriali, includono sonde magnetiche e termosensori più robusti poiché devono funzionare in ambienti più impegnativi rispetto a quello domestico.

Come per tutti i tipi di sensori e trasduttori, per effettuare l’acquisto giusto bisogna tenere in considerazione le numerose tipologie di termocoppie presenti sul mercato oggi.

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