Nelle industrie di processo chimico, le sonde di temperatura più comunemente utilizzate sono termocoppie, dispositivi resistivi e dispositivi a infrarossi. Esiste un malinteso diffuso su come funzionano questi dispositivi e su come dovrebbero essere utilizzati.
Termocoppie: 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 dell'estremità aperta è una funzione non solo della temperatura dell'estremità chiusa (cioè la temperatura nel punto di misurazione), ma anche della temperatura dell'estremità aperta (T2 nella Figura 1a). Solo mantenendo T2 a una temperatura standard è possibile considerare la forza elettromotrice misurata come una funzione diretta della variazione di 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 a T2 e 0 °C viene solitamente corretta elettronicamente, all'interno della strumentazione. Questa regolazione dell'emf è denominata correzione del giunto freddo, o CJ.
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(c) 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 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 senza essere influenzato dalla sua temperatura, a meno che non diventi abbastanza caldo da fondere il filo o modificarne in modo permanente il comportamento elettrotermico.
The composition of the junction itself does not affect the thermocouple action in any way, so long as the temperature, T1, is kept constant throughout the junction and the junction material is electrically conductive (Figure 1b). Similarly, the reading is not affected by insertion of non-thermocouple alloys in either or both leads, provided that the temperature at the ends of the "spurious" material is the same (Figure 1c).
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 cavi, 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 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 lega di rame placcati in oro o argento con molle in acciaio appropriate per garantire un buon contatto. Finché la temperatura alle giunzioni di ingresso e uscita dell'interruttore è uguale, 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.
(d) 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, poiché 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. Con un valore alfa leggermente superiore, pari a 0,00392, essa 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.
(temperatura) 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 termistori di tipo 2252.
Sensori a infrarossi: misurano la quantità di radiazione emessa da una superficie. L'energia elettromagnetica si irradia da tutta la materia indipendentemente dalla sua temperatura. In molte situazioni di processo, l'energia si trova nella regione dell'infrarosso. All'aumentare della temperatura, aumentano la quantità di radiazione infrarossa e la sua frequenza media.
Materiali diversi irradiano a livelli di efficienza diversi. Questa efficienza è quantificata come emissività, un numero decimale o una percentuale compresa tra 0 e 1 o tra 0% e 100%. 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 che raggiunge il sensore potrebbe essere dovuta al riflesso, ad esempio, di un forno vicino a una temperatura diversa. In breve, diffidate dei bersagli caldi e riflettenti spuri.
Un dispositivo a infrarossi è simile a una fotocamera e quindi copre un determinato Campo visivo. Potrebbe, ad esempio, essere in grado di "vedere" un cono visivo di 1 grado o un cono di 100 gradi. Quando si misura una superficie, assicurarsi che la superficie 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, semplicemente tenere conto della temperatura di fondo (cioè regolarla) durante la lettura dello strumento.
Guide alla scelta
Gli RTD sono più stabili delle termocoppie. D'altra parte, come categoria, il loro intervallo di temperatura non è così ampio: gli RTD funzionano da circa -250 a 850 °C, mentre le termocoppie vanno da circa -270 a 2.300 °C. I termistori hanno un intervallo più ristretto, essendo comunemente utilizzati tra -40 e 150 °C, 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 il sensore. Anche se in genere viene impiegata solo una corrente molto piccola, questa genera una certa quantità di calore e quindi può alterare la lettura della temperatura. Questo autoriscaldamento nei sensori resistivi può essere significativo quando si ha a che fare con un fluido fermo (cioè né in movimento né agitato), perché c'è meno dissipazione del calore generato. Questo problema non si presenta con le termocoppie, che sono dispositivi a corrente essenzialmente nulla.
I sensori a infrarossi, sebbene relativamente costosi, sono adatti quando le temperature sono estremamente elevate. Sono disponibili fino a 3.000 °C (5.400 °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 vuole 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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