Termocoppia La termocoppia un trasduttore di temperatura, definito anche trasduttore attivo o autogenerante perch non richiede circuiti d'alimentazione. Le termocoppie sono trasduttori di temperatura frequentemente utilizzati in ambito industriale perch:

non richiedono circuiti d'alimentazione; possono rilevare temperature molto elevate; sono dispositivi molto robusti; sono disponibili in commercio in un gran numero di versioni differenti,

Il principio di funzionamento di una termocoppia basato sull'effetto Seebeck, secondo cui due metalli omogenei, chimicamente diversi e saldati alle loro estremit, danno origine ad una corrente di debole intensit (termocorrente) quando le due saldature (giunti) sono mantenute a temperature diverse (fig. 2).

Fig.1 - Effetto Seebeck in una termocoppia.

Fig. 2

Thomas Seebeck, il fisico che per primo nel 1821 studi il fenomeno, dimostr che il potenziale elettrico Vj che nasce in un giunto funzione della temperatura del giunto e delle caratteristiche fisiche della giunzione, secondo la relazione:

dove il coefficiente di Seebeck, che "purtroppo" dipende dalla temperatura, oltre che dalle caratteristiche fisiche della giunzione. Ciascuno dei due giunti genera un potenziale elettrico proporzionale alla temperatura a cui si trova; dunque la corrente elettrica generata proporzionale alla tensione presente tra i due giunti, pari alla differenza dei due potenziali elettrici generati:

Perch ci sia possibile necessario per che la termocoppia utilizzata per la misura presenti il giunto caldo, quello sottoposto alla temperatura da misurare, chiuso e il giunto freddo, quello in corrispondenza del quale prelevare la tensione di misura, aperto,

Se si collega un voltmetro ad alta impedenza agli estremi liberi, la f.e.m. misurata (fig. 3):

dove:

Tc la temperatura del giunto caldo Jc; TF la temperatura del giunto freddo JF; a il coefficiente di proporzionalit di Seebeck.

Fig. 3

In particolare se TF = 0 C la tensione misurata direttamente proporzionale alla temperatura TC del giunto caldo:

I materiali pi comunemente impiegati per la realizzazione delle termocoppie riferiti al campo di lavoro, alla sensibilit ed al tipo sono riportati nella tabella 1, secondo lo standard ANSI. TAB.1Conduttore positivo (+) Rame Cromo Ferro Cromo Conduttore negativo (-) Costantana Costantana Costantana Alumel Tipo T E J K Range [ C] - 200 370 - 200 900 0 760 - 200 1250 Sensibilit [mV/ C] 40,5 67,9 52,6 38,8

Per ciascuna delle termocoppie standard di tabella 1 esiste una caratteristica ingresso-uscita (temperatura-tensione) fornita sotto forma di tabella di corrispondenza. La figura 4 mostra la rappresentazione grafica di tali tabelle. possibile approssimare le curve del grafico con una relazione matematica di tipo polinomiale; esistono delle tabelle fornite dal NIST (National Institute of Standard Thecnology) che forniscono i valori dei coefficienti dei termini della funzione polinomiale per ciascun tipo di termocoppia.

Fig.4 - Caratteristiche di funzionamento delle termocoppie standard ANSI.

Le termocoppie sono dispositivi non lineari. Se osserviamo le curve riportate nella figura 20 la non linearit non risulta evidente e ci a causa del vasto campo di variazione della temperatura presentato sull'asse orizzontale. Se per calcoliamo il valore del coefficiente di Seebeck in funzione della temperatura e lo riportiamo in un grafico, otteniamo le curve di figura 5, dalle quali si rileva con chiarezza la non linearit dei dispositivi: il coefficiente di Seebeck pu subire, nel campo di funzionamento, una variazione pari a tre volte il valore iniziale.

Fig.5 - Variazione del coefficiente di Seebeck con la temperatura per le termocoppie standard ANSI.

Come si pu notare, il livello del segnale molto basso (mV), dunque, perch possa essere misurato correttamente, necessario elevarlo per mezzo di uno stadio amplificatore a elevato

guadagno. Valori cos bassi del segnale implicano, inoltre, la necessit di operare con circuiti a elevata immunit di rumore, utilizzando adeguate tecniche di eliminazione e di filtraggio del rumore. Le termocoppie hanno una massa termica del giunto molto ridotta e ci consente loro una risposta veloce; il tempo di risposta tipico di 500 ms, ma per alcune termocoppie speciali realizzate con giunto estremamente ridotto (fili di diametro pari a 25 (m) pu valere 3 ms.

Connessione della termocoppia La connessione della termocoppia a uno strumento di misura o al circuito a valle deve essere realizzata per mezzo di due conduttori e, nei punti di connessione, si determinano, di fatto, due ulteriori giunti nel circuito termoelettrico. La f.e.m. misurata sul giunto aperto dipende, oltre che dalle temperature delle giunzioni, anche dalle giunzioni dovute ai fili di collegamento. Termocoppia di tipo J Se utilizziamo ad esempio una termocoppia di tipo J, come mostra la figura 6, i materiali che costituiscono la termocoppia sono il ferro e la costantana; per misurare la tensione di Seebeck necessario giuntare i due fili del giunto freddo della termocoppia con due fili di rame che realizzano la connessione elettrica con lo strumento. Si determinano, per, in tal modo due nuovi giunti termoelettrici, l'uno costantana-rame e l'altro ferro-rame, che generano a loro volta un potenziale elettrico di Seebeck proporzionale alla temperatura a cui essi si trovano. evidente che la presenza di questi due nuovi giunti modifica il comportamento del sistema.

Fig.6 - Connessione di una termocoppia J.

possibile dimostrare, tuttavia, che i due nuovi giunti non modificano il funzionamento della termocoppia se sono tenuti alla stessa temperatura; in tale condizione, infatti, la tensione di Seebeck introdotta dai due giunti costantana-rame e rame-ferro si compensa e si annulla. La tensione di Seebeck generata da una termocoppia vale:

Come si pu osservare dall'equazione, la tensione Vtc fornita dalla termocoppia non proporzionale al valore della temperatura del giunto caldo; presente infatti un fattore Tref che dipende dalla temperatura del giunto freddo. Per ottenere un segnale di tensione proporzionale alla sola temperatura del giunto caldo necessario sommare alla tensione generata dalla termocoppia una tensione di compensazione pari alla componente dell'effetto Seebeck dovuto alla temperatura del giunto freddo:

La procedura che consente di compensare l'effetto Seebeck del giunto freddo detta compensazione del giunto freddo e deve sempre essere realizzata quando si misura una temperatura utilizzando una termocoppia. La compensazione del giunto freddo pu essere effettuata in due modi diversi:

compensazione hardware compensazione software

Nel primo caso un apposito circuito genera una tensione pari alla componente dovuta al giunto freddo, in funzione della temperatura a cui esso si trova, e tale tensione viene poi sommata alla tensione generata dalla termocoppia. Nel secondo caso il calcolatore acquisisce sia la tensione generata dalla termocoppia sia la tensione generata da un apposito sensore di temperatura che misura la temperatura del giunto freddo; il programma si incarica quindi, per mezzo di una apposita routine, di realizzare la compensazione, determinando il valore effettivo della temperatura del giunto caldo. Tab.3 - Comparazione dei due tipi di compensazione Tipo di compensazione Hardware Vantaggi Veloce. Svantaggi

Software

Aumenta la complessit circuitale. Ciascun tipo di termocoppia deve essere dotata del proprio circuito di compensazione. Versatile. Pi lenta e appesantisce il Diminuisce la complessit tempo di esecuzione del programma. circuitale. Possono essere utilizzate termocoppie diverse.

Condizionamento del segnale generato da una termocoppia In base a quanto precedentemente affermato si comprende come la misura di una temperatura per mezzo di una termocoppia necessita di alcuni stadi di condizionamento del segnale dovuti alle caratteristiche di funzionamento della termocoppia stessa:

il livello estremamente basso del segnale di uscita fa s che sia necessario uno stadio amplificatore; la presenza dell'effetto Seebeck del giunto freddo necessita di compensazione; la notevole non linearit del componente ne richiede la linearizzazione che, se realizzata per via hardware, determina la presenza di un ulteriore stadio; il basso livello del segnale lo rende vulnerabile al rumore, per cui sono necessari filtri appositi.

Fig.7 - Schema di principio tipico per la connessione di una termocoppia con compensazione hardware del giunto freddo.

In fig.7 presentato un sistema che trasferisce su un carico una corrente proporzionale alla temperatura da misurare: si tratta di uno schema di principio e rappresenta solo gli elementi essenziali.

Termocoppia di tipo T Se la termocoppia di tipo T, si genera una sola giunzione indesiderata vista come un giunto di riferimento JR che genera una f.e.m. VR. In questo caso si ha:

VT = (TC TR ) = TC TR = VC VRdove VR la tensione d'errore.

Fig.8

Anche in questo caso, per un'accurata misura, occorre che sia VR = 0V. Tale condizione si raggiunge immergendo la giunzione JR in un bagno di ghiaccio fondente a temperatura di 0 C (vaso di Dewar) ottenendo VT = TC. Poich nelle applicazioni pratiche non possibile utilizzare

un bagno di ghiaccio fondente, necessario ricorrere ad un blocco isotermico elettronico che sia in grado di compensare la f.e.m. aggiuntiva. Il dispositivo costituito da una termoresistenza RT con caratteristica RT/T lineare e crescente, disposta su un ramo di un ponte di Wheatstone, in modo da generare una tensione VW dipendente dalla temperatura cui sottoposto il blocco isotermico (fig. 9). Considerando che la f.e.m. VAB misurata senza il blocco isotermico risulta:

necessario che la tensione di sbilanciamento del ponte VW sia uguale ed opposta a quella dei giunti di collegamento. In tal modo la tensione VAB proporzionale solo alla temperatura TC del giunto caldo.

Fig. 9

La

variazione

della

temperatura

di

riferimento,

infatti,

provoca

una

variazione

della

termoresistenza RT e della tensione tale da annullare la f.e.m. VR di riferimento per qualsiasi valore della temperatura. La diffusione delle termocoppie in ambito industriale ha convinto diverse case costruttrici a produrre componenti integrati che effettuano il condizionamento di segnali di un determinato tipo di termocoppie. Tra i circuiti integrati pi facilmente reperibili per la compensazione del giunto di riferimento si annoverano l'AD594 per la termocoppia di tipo J e l'AD595 per quella di tipo K, prodotti entrambi dall'Analog Devices. L'AD594 combina un blocco che produce la tensione di compensazione del giunto freddo (o di riferimento), un amplificatore precalibrato in grado di fornire una tensione d'uscita di 10 mV per ogni C (sensibilit = 10 mV/C) ed un circuito di segnalazione della rottura della termocoppia (fig. 10). Per temperature maggiori di 0 C i due integrati necessitano di un'alimentazione singola compresa tra 5 V + 30 V, mentre per temperature minori di 0 C necessitano dell'alimentazione duale 15 V.

Fig.10

Al fine di polarizzare correttamente l'ingresso dell'amplificatore necessario che il pin 1 sia connesso a massa ed al morsetto positivo della termocoppia (fig. 10). In realt la tensione d'uscita VS non perfettamente lineare ed uguale a circa 10 mV per ogni grado Celsius (tab. 3). L'integrato AD594 pu essere utilizzato anche per misure dirette di temperatura nel range - 55 +125 C. In tal caso la termocoppia sostituita con un cortocircuito (pin 1 connesso a massa) e l'elemento sensibile la termoresistenza RT interna al blocco isotermico. TAB. 3 Termocoppia tipo J (Rame - Costantana) - 100 400 C C Temperatura [ C] Tensione V T [mV] Tensione Vs [mV] - 100 -60 - 20 0 + 20 + 40 + 60 + 80 + 100 + 140 + 180 + 200 + 300 + 400 Termocoppie di tipo K Se osserviamo con attenzione le curve di figura 5, notiamo che, nel campo di temperature compreso tra 0 C e 1000 C, la termocoppia di tipo K presenta un valore del coefficiente di Seebeck quasi costante; in tale campo, quindi, la termocoppia di tipo K pu essere considerata lineare. Ci significa che sufficiente misurare il valore della tensione generata per ottenere, attraverso un fattore di scala, il valore della differenza di temperatura tra giunto caldo e freddo; a questo punto basta sommare il valore della temperatura del giunto freddo, per ricavare il valore della temperatura da misurare. La semplicit dell'operazione di misura spiega il motivo della diffusione delle termocoppie di tipo K, anche se si va affermando sempre di pi la termocoppia di tipo N , che presenta caratteristiche simili a quella di tipo K , ma con prestazioni di durata e precisione migliori. L'uso di una termocoppia diverso dalla K pu essere giustificato da particolari esigenze; ad esempio le termocoppie di tipo F , pur avendo un range di temperatura minore, sono realizzate con materiali che non inquinano le sostanze alimentari e quindi trovano applicazione nel rilevamento di temperature in aziende alimentari. - 4,632 - 2,892 - 0,995 0,000 1,019 2,058 3,115 4,186 5,268 7,457 9,667 10,777 16,325 21,846 -893 - 556 - 189 + 3,1 200 401 606 813 1 022 1 445 1 873 2 087 3 160 4 228