Un po' di know-how Omega

• Termocoppie
• Dispositivi di misurazione della temperatura a resistenza
• Radiatori a infrarossi
• Dispositivi bimetallici
• Dispositivi a espansione di liquido
• Dispositivi a cambiamento di stato

I cavalli di battaglia

Nelle industrie di processo chimico, i sensori di temperatura più comunemente utilizzati sono termocoppie, dispositivi resistivi e dispositivi a infrarossi. Esiste un malinteso diffuso su come funzionano questi dispositivi e su come dovrebbero essere utilizzati.

Sonde a termocoppia

Consideriamo innanzitutto la termocoppia, probabilmente la più utilizzata e la meno compresa delle tre. Essenzialmente, una termocoppia è costituita da due leghe unite insieme a un'estremità e aperte all'altra. La forza elettromotrice all'estremità di uscita (l'estremità aperta; V1 nella Figura 1a) è una funzione della temperatura T1 all'estremità chiusa. All'aumentare della temperatura, la forza elettromotrice aumenta.

Spesso la termocoppia è collocata all'interno di uno schermo metallico o ceramico che la protegge da una varietà di ambienti. Le termocoppie con guaina metallica sono disponibili anche con molti tipi di rivestimenti esterni, come il politetrafluoroetilene, per un utilizzo senza problemi in soluzioni corrosive.

La forza elettromotrice aperta è una funzione non solo della temperatura chiusa (cioè la temperatura nel punto di misurazione), ma anche della temperatura aperta (T2 nella Figura 1a). Solo mantenendo T2 alla temperatura standard è possibile considerare l'emf misurato come una funzione diretta della carica in T1. Lo standard industrialmente accettato per T2 è 0 °C; pertanto, la maggior parte delle tabelle e dei grafici ipotizza che T2 sia a quel livello. Nella strumentazione industriale, la differenza tra la temperatura effettiva in T2 e 0 °C viene solitamente corretta elettronicamente, all'interno della strumentazione. Questa regolazione dell'emf è denominata correzione del giunto freddo, o CJ.

Le variazioni di temperatura nel cablaggio tra le estremità di ingresso e di uscita non influiscono sulla tensione di uscita, a condizione che il cablaggio sia in lega termocoppia o in un equivalente termoelettrico (Figura 1a). Ad esempio, se una termocoppia misura la temperatura in un forno e lo strumento che mostra la lettura si trova a una certa distanza, il cablaggio tra i due potrebbe passare vicino a un altro forno e non essere influenzato dalla sua temperatura, a meno che non diventi abbastanza caldo da fondere il filo o modificarne in modo permanente il comportamento elettrotermico.

La composizione della giunzione stessa non influisce in alcun modo sull'azione della termocoppia, purché la temperatura T1 sia mantenuta costante in tutta la giunzione e il materiale della giunzione sia elettricamente conduttivo (Figura 1b). Allo stesso modo, la lettura non è influenzata dall'inserimento di leghe non termocoppia in uno o entrambi i conduttori, a condizione che la temperatura alle estremità del materiale "spurio" sia la stessa (Figura 1c).

Questa capacità della termocoppia di funzionare con un metallo spurio nel percorso di trasmissione consente l'uso di una serie di dispositivi specializzati, come gli interruttori a termocoppia. Mentre il cablaggio di trasmissione stesso è normalmente l'equivalente termoelettrico della lega della termocoppia, gli interruttori a termocoppia che funzionano correttamente devono essere realizzati con elementi in rame placcato in oro o argento con molle in acciaio appropriate per garantire un buon contatto. Finché le temperature alle giunzioni di ingresso e uscita dell'interruttore sono uguali, questa variazione nella composizione non fa alcuna differenza.

È importante essere consapevoli di quella che potrebbe essere definita la legge delle Termocoppie successive. Dei due elementi mostrati nella parte superiore della Figura 1d, una termocoppia ha T1 all'estremità calda e T2 all'estremità aperta. La seconda termocoppia ha l'estremità calda in T2 e l'estremità aperta in T3. Il livello di emf per la termocoppia che misura T1 è V1; quello per l'altra termocoppia è V2. La somma delle due emf, V1 più V2, è uguale all'emf V3 che sarebbe generata dalla termocoppia combinata che opera tra T1 e T3. In virtù di questa legge, una termocoppia designata per una temperatura di riferimento a estremità aperta può essere utilizzata con una temperatura a estremità aperta diversa.

RTD

Un tipico RTD è costituito da un sottile filo di platino avvolto attorno a un mandrino e ricoperto da un rivestimento protettivo. Di solito, il mandrino e il rivestimento sono in vetro o ceramica. La pendenza media del grafico resistenza/temperatura per l'RTD è spesso indicata come valore alfa (Figura 2), dove alfa sta per coefficiente di temperatura. La pendenza della curva per un dato sensore dipende in parte dalla purezza del platino in esso contenuto.

La pendenza standard più comunemente utilizzata, relativa al platino di una particolare purezza e composizione. Ha un valore di 0,00385 (supponendo che la resistenza sia misurata in ohm e la temperatura in gradi Celsius)Una curva resistenza/temperatura tracciata con questa pendenza è una cosiddetta curva europea, perché gli RTD di questa composizione sono stati utilizzati per la prima volta su larga scala in quel continente. A complicare il quadro, esiste anche un'altra pendenza standard, relativa a una composizione del platino leggermente diversa. Avendo un valore alfa leggermente superiore, pari a 0,00392, segue quella che è nota come curva americana.

Se il valore alfa per un dato RTD non è specificato, di solito è 0,00385. Tuttavia, è prudente verificarlo, soprattutto se le temperature da misurare sono elevate. Questo punto è evidenziato nella Figura 2, che mostra sia la curva europea che quella americana per l'RTD più utilizzato, ovvero quello che presenta una resistenza di 100 ohm a 0 °C.

Termistori

La relazione resistenza-temperatura di un termistore è negativa e altamente non lineare. Ciò rappresenta un serio problema per gli ingegneri che devono progettare i propri circuiti. Tuttavia, la difficoltà può essere alleviata utilizzando termistori in coppie abbinate, in modo tale che le non linearità si compensino a vicenda. Inoltre, i fornitori offrono misuratori da pannello e controller che compensano internamente la mancanza di linearità dei termistori.

I termistori sono solitamente designati in base alla loro resistenza a 25 °C. Il valore più comune è 2252 ohm; tra gli altri vi sono 5.000 e 10.000 ohm. Se non diversamente specificato, la maggior parte degli strumenti accetta il termistore da 2252.

Sensori a infrarossi

Questi misurano la quantità di radiazione emessa da una superficie. L'energia elettromagnetica si irradia da tutta la materia indipendentemente dalla sua temperatura. Intervallo temperatura: La maggior parte dei materiali organici, compresa la pelle, sono molto efficienti e spesso presentano emissività pari a 0,95. La maggior parte dei metalli lucidi, invece, tendono ad essere radiatori inefficienti a temperatura ambiente, con emissività o efficienza spesso pari o inferiori al 20%.

Per funzionare correttamente, un dispositivo di misurazione a infrarossi deve tenere conto dell'emissività della superficie misurata. Questo dato può spesso essere consultato in una tabella di riferimento. Tuttavia, è importante tenere presente che le tabelle non possono tenere conto di condizioni localizzate come l'ossidazione e la rugosità della superficie. Un modo talvolta pratico per misurare la temperatura con gli infrarossi quando il livello di emissività non è noto è quello di "forzare" l'emissività a un livello noto, coprendo la superficie con nastro adesivo (emissività del 95%) o una vernice altamente emissiva.

Alcuni degli ingressi del sensore potrebbero consistere in energia che non viene emessa dall'apparecchiatura o dal materiale la cui superficie viene misurata, ma che viene invece riflessa da quella superficie da altre apparecchiature o materiali. L'emissività riguarda l'energia irradiata da una superficie, mentre la "riflessione" riguarda l'energia riflessa da un'altra fonte. L'emissività di un materiale opaco è un indicatore inverso della sua riflettività: le sostanze che sono buoni emettitori non riflettono molta energia incidente e quindi non rappresentano un grosso problema per il sensore nel determinare le temperature superficiali. Al contrario, quando si misura una superficie bersaglio con solo, ad esempio, il 20% di emissività, gran parte dell'energia proviene da qualcosa come una fornace vicina a una temperatura diversa. In breve, diffidate dei bersagli caldi e riflettenti spuri.

Un dispositivo a infrarossi è simile a una fotocamera e copre quindi un determinato campo visivo. Ad esempio, potrebbe essere in grado di "vedere" un cono visivo di 1 grado o un cono di 100 gradi. Quando si misura una superficie, assicurarsi che questa riempia completamente il campo visivo. Se la superficie del bersaglio non riempie inizialmente il campo visivo, avvicinarsi o utilizzare uno strumento con un campo visivo più ristretto. Oppure, tenere semplicemente conto della temperatura di fondo durante la lettura dello strumento.

An infrared device is like a camera, and thus covers a certain field of view. It might, for instance, be able to “see” to a 1-degree visual cone or a 100-degree cone. When measuring a surface, be sure that the surface completely fills the field of view. If the target surface does not at first fill the field of view, move closer, or use an instrument with a narrower field of view. Or, simply take the background temperature into account when reading the instrument.

Guide alla scelta

Gli RTD sono più stabili delle Termocoppie. D'altra parte, come classe, il loro intervallo di temperatura non è così ampio: gli RTD funzionano da circa -250 a 850 °C (-418 a 1562 °F), mentre le termocoppie vanno da circa -270 a 2300 °C (-457 a 4172 °F). I termistori hanno un intervallo più ristretto, essendo comunemente utilizzati tra -40 e 150 °C (-40 e 302 °F), ma offrono un'elevata accuratezza in tale intervallo. I termistori e gli RTD condividono una limitazione molto importante: sono dispositivi resistivi e, di conseguenza, funzionano facendo passare una corrente attraverso un sensore. Anche se generalmente viene utilizzata solo una corrente molto piccola, questa genera una certa quantità di calore e quindi può alterare la lettura della temperatura. Questo autoriscaldante nei sensori resistivi può essere significativo quando si ha a che fare con un fluido fermo, poiché il calore generato viene dissipato in misura minore. Questo problema non si presenta con le termocoppie, che sono essenzialmente dispositivi a corrente zero.

I sensori a infrarossi, sebbene relativamente costosi, sono adatti quando le temperature sono estremamente elevate. Sono disponibili fino a 3000 °C (5400 °F), superando di gran lunga la gamma delle termocoppie o di altri dispositivi a contatto.

L'approccio a infrarossi è interessante anche quando non si desidera entrare in contatto con la superficie di cui si desidera misurare la temperatura. In questo modo è possibile monitorare superfici fragili o umide, come quelle verniciate che escono da un forno di essiccazione. Le sostanze chimicamente reattive o elettricamente rumorose sono candidate ideali per la misurazione a infrarossi. Questo approccio è vantaggioso anche per misurare la temperatura di superfici molto grandi, come le pareti, per le quali è necessaria una vasta serie di termocoppie o RTD per la misurazione.

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