Uno dei modi più semplici per misurare e registrare la temperatura è utilizzare una termocoppia. Le termocoppie funzionano in modo affidabile nella maggior parte degli ambienti, tollerando temperature estreme, vibrazioni e persino radiazioni ionizzanti. Tuttavia, sono sensibili agli effetti dei campi elettromagnetici, quindi devono essere utilizzate con cautela, o non utilizzate affatto, in tali luoghi.
Questo white paper di Omega Engineering discute i problemi legati all'uso delle termocoppie in ambienti elettromagnetici e fornisce raccomandazioni su tipi alternativi di strumentazione di temperatura. Le singole sezioni trattano:
- Teoria e applicazione delle termocoppie
- Vulnerabilità elettromagnetiche
- Tensione indotta
- Riscaldamento per induzione
- Problemi di tensione di modo comune
- Dispositivi alternativi di misurazione della temperatura
Teoria e applicazioni delle termocoppie
Sonde a termocoppia con connettori Le termocoppie sfruttano l'effetto Seebeck, scoperto da Thomas Johann Seebeck nel 1821. Si tratta del fenomeno per cui la corrente elettrica scorre in un circuito costituito da metalli dissimili, quando i loro due punti di giunzione sono a temperature diverse.
I metalli utilizzati in una termocoppia devono avere proprietà termoelettriche. Ciò avviene quando gli elettroni sono in grado di diffondersi attraverso il materiale. A temperature più elevate gli elettroni acquisiscono energia cinetica, diventando più mobili e aumentando il loro grado di movimento, creando così variazioni nel potenziale elettrico. Molte leghe a base di nichel hanno tali caratteristiche e sono utilizzate nella maggior parte dei fili per termocoppie comuni. Ad esempio, la termocoppia di tipo K utilizza giunzioni di Chromel e Alumel, entrambe con una percentuale significativa di nichel. Altre combinazioni di materiali utilizzate nelle termocoppie sono a base di platino-rodio e tungsteno-renio, che possiedono anch'essi proprietà termoelettriche.
La corrente e la tensione prodotte sono proporzionali alla differenza di temperatura tra le due giunzioni, anche se la relazione non è esattamente lineare. Le tensioni effettive sono molto piccole. In una termocoppia di tipo K (ampiamente utilizzata grazie al suo ampio intervallo di temperatura e al basso costo) la variazione è di 41 mV per grado Celsius. Altri tipi di termocoppie producono variazioni di entità simile. Di conseguenza, i segnali delle termocoppie devono essere amplificati per poter essere utilizzati nei sistemi di misurazione. Inevitabilmente, qualsiasi tensione aggiuntiva nei segnali dovuta a cause esterne viene amplificata allo stesso tempo.
Vulnerabilità elettromagnetiche
Le alte tensioni sono comuni in molte situazioni in cui sono necessarie misurazioni della temperatura e i campi elettromagnetici sono inevitabili. Il riscaldamento a induzione è utilizzato in tutta l'industria e la temperatura deve essere misurata per garantire processi coerenti. Le linee elettriche trasportano tensioni elevate. I trasformatori sono sottoposti a carichi elevati e possono diventare molto caldi. Anche le candele utilizzate nei motori a combustione interna (non solo nei motori delle automobili, ma anche nei grandi gruppi elettrogeni) generano segnali elettromagnetici transitori.
I campi elettromagnetici influenzano le letture delle termocoppie in due modi:
- Indurre tensione nei fili per termocoppie
- Causare il riscaldamento induttivo della termocoppia
Inoltre, la tensione di modo comune relativa alla messa a terra aggiungerà tensione al segnale della termocoppia. Questi problemi possono verificarsi in ambienti a corrente continua, ma sono più gravi in presenza di corrente alternata.
Riscaldamento per induzione
Sottoponendo un conduttore a un campo elettromagnetico alternato si creano vortici che danno origine al riscaldamento. Pertanto, essendo il nichel elettricamente conduttivo, un campo magnetico alternato che potrebbe trovarsi intorno a un grande motore o generatore riscalderà il dispositivo di misurazione della temperatura stesso. Ciò comporterà un segnale che non riproduce accuratamente la temperatura misurata.
Induction Heating
In caso di utilizzo di una termocoppia insieme o come parte di un'apparecchiatura elettrica, essa è spesso collegata a tale alimentazione.
Problemi di tensione di modo comune
In caso di utilizzo di una termocoppia insieme o come parte di un'apparecchiatura elettrica, essa è spesso collegata a tale alimentazione.
Una volta alimentata elettricamente, è possibile che una differenza tra la messa a terra e la messa a terra dell'apparecchiatura influenzi la tensione del segnale della termocoppia. La soluzione in questi casi è quella di fornire un isolamento galvanico del sistema di misurazione della temperatura o, in alternativa, di prendere in considerazione altri metodi di misurazione della temperatura.Dispositivi alternativi di misurazione della temperatura
Sensore/trasmettitore di temperatura a infrarossi 
Sensore/trasmettitore di temperatura a infrarossi Due tecnologie da esplorare sono i dispositivi di misurazione della temperatura a resistenza (RTD) di tipo Pt100 e il rilevamento delle emissioni a infrarossi (IR).
Gli RTD (il cui principio di misurazione si basa sulla variazione di resistenza di un filo di platino) sono rinomati per la loro elevata precisione e hanno una buona immunità ai campi elettromagnetici. Tuttavia, tendono ad essere fragili e non sempre sono adatti agli ambienti industriali.
La misurazione dell'emissione IR ha il vantaggio di essere senza contatto e può essere eseguita a distanze di diversi metri o più, a seconda delle dimensioni dell'emettitore. Sfrutta la legge di Planck che descrive come un corpo irradia energia in proporzione alla sua temperatura. Una sfida da affrontare è che superfici diverse alla stessa temperatura irradiano a frequenze diverse. Descritta come differenza di emissività, questa caratteristica deve essere presa in considerazione quando si misura la temperatura con qualsiasi tipo di rilevatore IR.
Omega Engineering offre diversi sensori di temperatura IR adatti all'uso in un'ampia gamma di situazioni industriali. Il modello OS137A è disponibile in un alloggiamento in acciaio inossidabile con diametro di 1" classificato NEMA 4 e può essere utilizzato a distanze fino a 48" (NOTA: l'oggetto da misurare deve riempire il Campo visivo del sensore. In caso contrario, la temperatura misurata non sarà accurata).
Sono disponibili tre intervalli di temperatura dell'OS137A che coprono temperature fino a 538 °C (1000 °F). Durante l'installazione è possibile montare un accessorio di puntamento laser sulla parte anteriore per garantire un allineamento accurato con il bersaglio. Al momento dell'ordine è necessario specificare il tipo di uscita: scegliere tra uscite di tensione, corrente o termocoppia di tipo K. È possibile impostare un set point di allarme e l'emissività è regolabile.
Con un diametro di 3⁄4", l'OS136 è un sensore/trasmettitore a infrarossi più compatto. Le prestazioni sono simili a quelle dell'OS137A, anche se l'angolo di visione è più ampio (il che può richiedere un posizionamento più ravvicinato). A differenza dell'OS137A, l'emissività è fissa a 0,95, quindi è necessario effettuare correzioni per bersagli diversi.
Takeaways
Le termocoppie misurano la temperatura in microvolt per grado Celsius. Questi segnali devono essere amplificati per essere utilizzabili, il che li rende suscettibili a errori di misurazione quando vengono utilizzati in ambienti elettromagnetici. Nei fili per termocoppie possono essere indotte tensioni, il riscaldamento per induzione può aumentare la temperatura della termocoppia e i problemi di messa a terra possono aumentare la tensione misurata.
Sebbene sia possibile utilizzare vari filtri e metodi di schermatura, un altro approccio consiste nel cambiare la Tecnologia di Misura. Sia gli RTD che il rilevamento delle emissioni IR hanno una buona tolleranza ai campi elettromagnetici, anche se gli RTD sono spesso considerati troppo fragili per gli ambienti industriali. I sensori/trasmettitori IR forniscono misurazioni senza contatto con una gamma di opzioni di uscita e sono disponibili in robusti alloggiamenti protettivi.
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