Sulla misura della temperatura..

Cenni su temperatura e grandezze fisiche:

• La temperatura è una grandezza fisica che indica quanto un corpo sia più caldo o più freddo( da non confondere con il calore che è un modo di trasferire energia) ed in tal senso riconosciamo : la temperatura assoluta, e la temperatura relativa.
  • La temperatura assoluta, è quella temperatura misurata avendo come riferimento la temperatura minima che un corpo può assumere come livello termico zero. Si misura in gradi kelvin (K) e come livello iniziale, ovvero a livello zero si ha : 0°K = -273,15C°
  • La temperatura relativa, si riferisce a quella misura prendendo come livello iniziale 0°C, in questo caso ci sono due scale termometriche:
    • Scala centigrada; l’inizio scala è 0°C che corrisponde al punto di fusione del ghiaccio, o meglio quando diventa acqua; il fine scala è 100°C che corrisponde al punto di ebollizione dell’acqua che diventa vapore.
    • Scala fahrenheit; l’inizio della scala è +32 F°, che corrisponde a 0°C ; il fine scala è 212 °F che corrisponde a 100 °C
  • Per la conversione delle unità di misura della temperatura, si possono avere peresenti queste espressioni:
    • Conversione da scala centigrada a scala fahrenheit e viceversa:
      • Temp °C=(temp °F-32)x5/9
      • Temp °C=(temp °Cx 9/5)+32
    • Conversione tra temperature assoluta (°K) e temperature relative (°C) e viceversa
      • Temper °K = 273,15+temp°C
      • Temper °C=temp°K-273,15

Seppure lo strumento maggiormente utilizzato per misurare la temperatura sia il termometro, che si fonda sulla capacità che hanno i liquidi come il mercurio e l’alcol , i solidi e i gas di dilatarsi all’aumentare della temperatura, in campo industriale, quindi nei sistemi di controllo automatico, la misura/controllo della temperatura  avviene a mezzo di trasduttori, ovvero dei dispositivi che trasformano (trasducono) un valore rilevato (in questo caso la temperatura) in una grandezza elettrica.

Tra i diversi trasduttori utilizzati per rilevare la temperatura in campo industriale, quelli più comuni e che nel quotidiano un manutentore incontra, sono le termocoppie e le termoresistenze si differenziano per il principio di funzionamento e per la grandezza fisica che forniscono in uscita nell’istante in cui rilevano la temperatura, rispettivamente forniscono una ddp espressa in mV, ed un valore di resistenza espresso in ohm. Queste grandezze andranno poi gestite da dedicati convertitori di segnale per la successiva gestione nel processo di misura e controllo della grandezza di temperatura.

 

Termocoppia e termoresistenza:

La Termocoppia è realizzata con una coppia di due differenti metalli (A) e (B) che sono legati tra di loro in un punto chiamato giunto caldo (T/C). Quando la giunzione viene riscaldata tra i due terminali (1 e 2) dei due metalli si genera una differenza di potenziale continua, dell’ordine dei mV che è funzione della temperatura e della coppia dei metalli che costituiscono la termocoppia. In sostanza si utilizza il fenomeno noto con il nome di effetto Seebeck

Le termocoppie presentano una realizzazione nella pratica che è condizionata dalla loro installazione, ad esempio si possono avere i due fili metallici infilati in una serie di cilindri isolati per alte temperature e ad un estremo abbiamo il giunto caldo per la misura della temperatura e dall’altra parte (giunto freddo) i due cavi metallici che termineranno su di una morsettiera per il loro collegamento al resto del circuito interessato alla misura. Oppure la classica termocoppia, con corpo realizzato  tipo penna con sezione in mm e lunghezza in cm, ed i cavi di collegamento protetti ed adeguatamente isolati dalla temperatura e dalla tensione di alimentazione.

Altra realizzazione può essere quella in un particolare supporto per montaggio con passo filettato, ovvero dove è richiesto un controllo di temperatura con immersione della sonda, in apposito pozzetto, e grado di protezione dedicato.

Le termocoppie sono dei trasduttori di temperatura che offrono un’ottima linearità e precisione nella misura, e possono coprire un vasto campo di misura arrivando anche a 1500°C. I tipi di termocoppia disponibili oltre che per la loro realizzazione costruttiva variano anche in funzione del loro materiale utilizzato per i metalli differenziando cosi i campi di misura, si possono avere:

• Ferro-Costantana – simbolo J : 0°-500=°C
• Rame –Costantana – simbolo T:-200°C-300°C
• Chrome-Alumel – simbolo K: 0°-1200°C
• Chrome-Costantana- simbolo E: 0°-600°C
• Platino Rodio10%-platino simbolo S:300°C-1600°C
• Platino Rodio13%-platino simbolo R:300°C-1600°C
• Platino Rodio30%-platino simbolo B:300°C-1600°C
• Tungsteno-Tungsteno Renio

• Riepilogando, la termocoppia presenta il suo punto di misura della temperatura che prende il nome di giunto caldo, che altro non è che il punto di unione tra i due metalli; mentre il punto in cui si preleva il segnale in mV generato dalla termocoppia si chiama giunto freddo (che risulta comunque influenzato dalla temperatura ambiente). Ora poiché il segnale, o meglio la ddp che si rileva ai capi della termocoppia dovrà essere elaborato da un dispositivo convertitore, quest’ultimo può trovarsi non nei pressi della termocoppia ed è necessario spostare il giunto freddo fino al convertitore, ed in questo caso si utilizza un cavo compensato. Questo cavo è realizzato con dei conduttori scelti a seconda del tipo di termocoppia in modo da non provocare errori di misura introducendo altri metalli nella connessione termocoppia-convertitore.

 

• La Termoresistenza, è l’altro trasduttore che sovente si incontra in campo industriale nella misura/rilevazione della temperatura, meglio noto con il nome di PT … (PT sta per PTC resistenza a coefficiente di temperatura positivo) noto anche con il nome di rivelatore RTD ( Resistance Temperature Detectors). Come è noto dalla teoria: al variare della temperatura varia anche la resistività dei materiali conduttori, o meglio nei metalli la resistività cresce all’aumentare della temperatura, secondo una relazione (andamento) ben nota: Rt= Ro(1+α.t) dove Rt è il valore in ohm della resistenza alla temperatura t; Ro è il valore in ohm della resistenza alla temperatura di 0°C ;  α è un coefficiente di temperatura, che si misura in gradi kelvin alla -1 e varia a seconda del tipo di metallo (platino vale 0,0036), e t è il valore della temperatura in °C della resistenza.

Sempre dalla teoria, si conosce la spiegazione di questo fenomeno dovuto al fatto che all’aumentare della temperatura aumentano le vibrazioni a cui sono soggetti gli atomi nel reticolo cristallino, pertanto maggiormente è calda la sostanza tanto più si muovono gli atomi in un movimento che interferisce con il fluire della corrente elettrica ovvero con il movimento degli elettroni liberi che costituiscono proprio la corrente elettrica.

Sviluppando la relazione vista in precedenza si ottiene : t=(Rt –Ro)/(R0 . α).  Con quest’ultima relazione si dimostra come da una resistenza di platino di cui sono noti il valor ein ohm a =°C (Ro) ed il suo coefficiente di temperatura (α=0,0036) si può calcolare la temperatura (t) a cui viene riscaldata misurandone il nuovo valore in ohm (Rt), il principio secondo il quale sono realizzate le termoresistenze nei misuratori di temperatura.

Sopra è rappresentato uno schema tipico di una termoresistenza a tre fili conduttori, il tipo più frequente in applicazioni industriali, da notare che il numero dei fili conduttori è un indice di qualità nella misura e nella precisione del trasduttore resistivo; si possono trovare a due, a tre ed a quattro fili conduttori ed i colori indicano rispettivamente il riferimento ed i due conduttori di giunto.

I materiali che costituiscono il lato sensibile alla temperatura sono realizzati in platino, o in nichel o in rame metalli che garantiscono nel range di misura una linearità nella variazione di temperatura. Il Platino è quello più utilizzato in campo industriale nel campo di misura di -200°C..750°C e sono termoresistenze note con il nome di PT100; il Nickel si utilizza in un campo -60°C..150°C ed il Rame nel campo di misura di – 50°…150°C in genere utilizzato per termoresistenze da inserire fra gli avvolgimenti dei trasformatori. Sono realizzate in maniera tale che abbiano un valore costante nel campo da 0°C a 100°C (+/-0,1 ohm).

La PT100 è la termoresistenza al platino [norma IEC 751 (EN 60751) pari a 100 Ω a una temperatura di 0°C ] maggiormente utilizzata in campo industriale per la rilevazione della temperatura, questo perché offre dei vantaggi

• Intervallo di temperatura -200°C a 850°C
• caratteristica quasi lineare
• precisione ottima
• intercambiabilità elevata
• elevata stabilità e durata

si trovano disponibili anche le PT500 e le PT1000 utilizzate in particolari applicazioni.

 Nella pratica ….

I trasduttori di temperatura che abbiamo visto, ovvero la termocoppia e la termoresistenza possono essere verificati in pratica con l’ausilio di un multimetro, misurando la grandezza fisica alla loro uscita

La PT100 può essere verifica con un multimetro in portata per ohm. La prima verifica a freddo va eseguita tra la carcassa della sonda ed i due conduttori di colore rosso con il multimetro in portata Mohm, si dovrà misurare circuito aperto (cioè non misurare alcun valore) questo sta ad indicare un buon isolamento fra la sonda e la scocca del contenitore, cioè non c’è dispersione verso il contenitore della sonda stessa.

La verifica prosegue con la misura resistiva della sonda stessa, con il multimetro in portata per ohm ai capi dei conduttori rosso (uniti) e nero si misurerà il valore corrispondente alla temperatura ambiente a cui la sonda è sottoposta. Ora considerando che la variazione di temperatura di 1°C nella PT 100 provoca la variazione della resistenza di 0.384 Ohm, nella misura con multimetro a temperatura ambiente (una PT100 dovrà fornire un valore di 100 ohm a zero gradi centigradi e 138,4 a 100 gradi centigradi) dovremmo rilevare un valore intorno a 107,79 ohm, ricordando sempre che anche un minimo errore nella misura della resistenza (per esempio la resistenza di contatto) può inserire un errore nella misura della temperatura.

Volendo eseguire una verifica più accurata della sonda, è corretto sapere che si trovano disponibili delle “tabelle di comparazione” dove si possono rilevare a seconda della sonda sotto misura al valore misurato di resistenza il corrispettivo valore di temperatura rilevato.

Seppur si può considerare sufficiente la verifica a freddo della PT100 per esserne certi del suo funzionamento un’ulteriore verifica può essere  quella a caldo, da eseguire o a campo dove la sonda è installata,o andrebbe eseguita con un fornetto dedicato a questo tipo di misure, portando il forno a temperatura di prova e poi verificare il corrispettivo valore letto ai capi della PT100 e comparandolo con le tabelle di comparazione. Non avendo al momento disponibile questo strumento una prova indicativa, e spannommetrica è quella di riscaldare la sonda per un breve istante verificandone la variazione di valore letto dallo strumento ai suoi capi.

I trasduttori di temperatura RTD in platino Pt100 Pt 550 e Pt1000 sono realizzate in accordo alle normative internazionali (IEC 751 / DIN EN 60 751)

Per quanto concerne la termocoppia, la verifica può avvenire anche in questo caso strumentalmente con un multimetro, però in portata per millivolt (mV), misurando dapprima la termocoppia a freddo, dove non si dovrà misurare alcun valore di tensione ai suoi capi; e successivamente a caldo o in sede dove è installata o utilizzato il già menzionato fornetto di prova, misurando la tensione generata dalla termocoppia per effetto seebeck.

e verifica strumentale a caldo, dopo aver riscaldato per un istante la termocoppia si rileva una piccola ddp espressa in mV..

Come si vede dalle immagini, la verifica di funzionamento di una termocoppia ripete quella vista per le termoresistenze, con la differenza che la grandezza sottomisura in questo caso è la ddp (differenza di potenziale) e non la resistenza come per le prime.

Questi trasduttori di temperatura, trovano applicazione in campo industriale per la loro precisione ed affidabilità nella misura e soprattutto per la loro facile intercambiabilità, e non ultimo per i range di temperatura misurabili che offrono, pertanto è bene conoscerne il loro principio di funzionamento e le loro caratteristiche.

Ovviamente questa esposizione non ha la pretesa di voler essere esaustiva sull’argomento temperatura e/o trasduttori di misura della temeperatura, ma solo l’intenzione di mostrare ancora una volta come sia indispensabile avere una consocenza dei concetti fisici per poter poi affrontare problematiche pratiche su rilevamenti, controlli e gestioni delle stesse nella pratica quotidiana che interessa il campo industriale, dell’automazione e non solo. Le due tipologie di trasduttori di temperatura considerati sono quelli maggiormente presenti nel campo dell’automazione, ma non sono i soli, pertatno approfondire questo campo potrebbe essere interessante, lo stesso dicasi anche per l’identificazione delle termocoppie e delle termoresistenze per differenti caratterisitiche di funzionamento che possono offrire.

Alla prossima. 😉