SENSORI DI TEMPERATURA

TERMOCOPPIE

I sensori a termocoppia sono usati per la misura di temperatura o, meglio, di differenze di temperatura: essi necessitano di un sistema ausiliario di cui sia nota la temperatura e generano una f.e.m il cui valore è legato alla differenza di temperatura fra il sistema in esame e quello ausiliario. Anche se tutti materiali metallici potrebbero essere usati per costruire delle termocoppie, solamente alcune coppie vengono praticamente sfruttate: si è visto infatti in un precedente paragrafo che il valore dei coefficienti di Peltier e di Thomson è molto basso e gli accoppiamenti fra i metalli vengono scelti principalmente per massimizzare la sensibilità della termocoppia alla temperatura. Il valore massimo del coefficiente di Seebeck viene raggiunto dalla coppia "cromo‑costantana" che presenta un coefficiente di Seebeck pari a 58 mV/°C. Un altro criterio per la scelta degli abbinamenti è costituito dalla possibilità della coppia di operare ad alta temperatura: la coppia W‑Re/W‑Re (tungsteno95% ‑ renio5% / tungsteno74% ‑ renio26%) può operare da 0°C fino a 2300°C. In pratica si utilizzano 10 coppie diverse che vengono indicate con un codice alfabetico. I principali pregi dei sensori a termocoppia sono:

          modeste dimensioni e conseguente facilità di montaggio;

          ampio campo di misura;

          facile reperibilità;

          possibilità di essere usate per misure a distanza;

          basso costo.

I principali difetti sono invece:

          modesta sensibilità;

          non linearità;

          necessità di un riferimento di temperatura.

Un ulteriore difetto è dovuto ad una caratteristica secondaria dell'effetto Peltier: se la giunzione fra due metalli è percorsa da corrente si verifica un riscaldamento della giunzione oppure un suo raffreddamento a seconda del verso della corrente. Per questo motivo, allo scopo di non alterare la temperature dei giunti, si deve impedire la circolazione di corrente nella maglia usando rivelatori voltmetrici ad alta impedenza di ingresso.

Conduttori e giunti compensati

I conduttori della termocoppia sono caratterizzati da elevatissima purezza in modo da garantire il rispetto delle caratteristiche metrologiche della coppia. Per questo motivo essi hanno un costo relativamente elevato, soprattutto per quelle coppie in cui viene impiegato anche il platino.

Fig. 2: conduttori compensati: i materiali A e B costituiscono la termocoppia, i materiali C e D sono i conduttori compensati. 

Quando la termocoppia si trova in posizione remota nei confronti del sistema di misura può non essere economicamente consigliabile usare gli stessi conduttori della termocoppia per collegarla allo strumento di misura. Viene solitamente adottato uno schema di collegamento simile a quello riportato per esempio in figura 2: la termocoppia A/B ha la giunzione che è sottoposta alla temperatura T1 mentre le altre due estremità della coppia, aperta, sono collegate ad una coppia di conduttori C e D.  Le due ulteriori giunzioni che nascono, A/C e B/D, sono alla temperatura di un giunto di riferimento Tm mentre la giunzione "fredda", che ora è costituita dai materiali C e D, è sempre alla temperatura T2. 
La caratteristica richiesta ai materiali C e D è quella di presentare, in un campo ridotto di temperatura, un comportamento termoelettrico il più possibile uguale a quello dei materiali A e B. In questo modo, se nell'intervallo di temperatura [T1,Tm] la coppia C/D è equivalente alla A/B, è possibile utilizzare conduttori di modesta qualità ‑C e D‑ in luogo dei più pregiati A e B per realizzare i collegamenti di maggiore lunghezza.

Fig. 3: esempio di circuito per la compensazione del giunto freddo.

Un altro problema pratico che si riscontra in ambito industriale riguarda la poca praticità del dover disporre di un giunto di riferimento alla temperatura T1 di 0 °C. Poiché le termocoppie vengono tarate in condizioni standard facendo riferimento a questa temperatura si dovrebbe effettivamente farle operare fra T2 e 0 °C: per praticità si preferisce invece utilizzare un giunto di riferimento a temperatura T1 arbitraria inserendo, sul circuito di uscita della termocoppia, un generatore supplementare di f.e.m in grado di fornire una tensione uguale alla variazione che è conseguente alla differenza fra la temperatura T1 del giunto e la temperatura di 0°C. Diverse possono essere poi le realizzazioni circuitali con cui realizzare la descritta compensazione: la figura 3 ne riporta uno per esempio.