Come funziona il calcolatore per termocoppie
Una termocoppia produce una tensione che dipende dalla differenza di temperatura tra il giunto di misura (giunto caldo) e il punto in cui i suoi fili si collegano al rame: il giunto di riferimento, o giunto freddo. La relazione tensione–temperatura di ogni tipo normalizzato è definita dalle funzioni di riferimento NIST ITS-90, pubblicate nella NIST Monograph 175 e adottate dalla IEC 60584-1. Sono polinomi della temperatura, con un termine esponenziale aggiuntivo per il tipo K sopra 0 °C.
Il calcolatore valuta direttamente queste funzioni di riferimento. Per il senso inverso, da tensione a temperatura, inverte numericamente le stesse funzioni. Il NIST pubblica anche polinomi inversi separati, ma approssimano le funzioni dirette solo entro qualche centesimo di grado. Invertire la funzione diretta evita questo piccolo errore aggiuntivo: convertire una temperatura in millivolt e tornare indietro restituisce la stessa temperatura entro meno di 0,001 °C per ogni tipo su tutto il suo campo.
Compensazione del giunto freddo, passo per passo
Tutte le tabelle delle termocoppie sono riferite a 0 °C. Lo strumento, però, vede la tensione tra il giunto caldo e i propri morsetti, che di solito sono vicini alla temperatura ambiente. La compensazione corretta lavora sulle tensioni, non sulle temperature:
- Ricavare dalla tabella la f.e.m. della temperatura del giunto freddo: E(Tgf).
- Sommarla alla tensione misurata: E(Tcaldo) = Estrumento + E(Tgf).
- Riconvertire il totale in temperatura.
Esempio, tipo K. Il giunto caldo è a 500 °C e i morsetti a 25 °C. La f.e.m. riferita a 0 °C vale 20,644 mV a 500 °C e 1,000 mV a 25 °C, quindi lo strumento legge 19,644 mV. Inserite 19,644 mV nel calcolatore con un giunto freddo a 25 °C e restituisce 500 °C.
Cercando 19,644 mV direttamente in una tabella tipo K si ottengono 476,5 °C: un errore di quasi 24 °C. Sommare 25 °C a quel risultato dà 501,5 °C, vicino ma ancora sbagliato, perché la sensibilità della termocoppia non è la stessa a 25 °C (40,5 µV/°C) e a 500 °C (42,6 µV/°C). Per altri tipi la differenza è maggiore: per il tipo J, calcolare 300 °C in questo modo sbaglia di circa 2 °C.
Scegliere il tipo di termocoppia
| Tipo | Campo coperto dalle tabelle | Uso tipico |
|---|---|---|
| K | da −270 a 1372 °C | Uso generale, il più diffuso nell’industria |
| J | da −210 a 1200 °C | Impianti datati, atmosfere riducenti; il filo di ferro si ossida in aria ad alta temperatura |
| T | da −270 a 400 °C | Basse temperature, alimentare e laboratorio, buona precisione vicino all’ambiente |
| E | da −270 a 1000 °C | Segnale per grado più alto tra i tipi in metalli comuni |
| N | da −270 a 1300 °C | Più stabile del K ad alta temperatura |
| R, S | da −50 a 1768 °C | Tipi al platino per alte temperature e misure di riferimento; segnale basso |
I campi della tabella sono quelli delle funzioni di riferimento. Il campo utilizzabile di una termocoppia reale è più stretto e dipende dal diametro del filo, dalla guaina e dall’atmosfera; consultate la scheda tecnica della sonda.
Classi di tolleranza
IEC 60584-1 definisce classi di tolleranza per il filo da termocoppia. Per il tipo K, la classe 1 è ±1,5 °C o ±0,4 % della temperatura, il valore maggiore, da −40 a 1000 °C; la classe 2 è ±2,5 °C o ±0,75 %. A 500 °C questo dà ±2,0 °C e ±3,75 °C. Il calcolatore mostra entrambe le classi per il tipo e la temperatura scelti, oppure «fuori campo» dove la classe non è definita.
La tabella delle f.e.m.
La tabella sotto il convertitore elenca f.e.m. e sensibilità (coefficiente Seebeck) per qualsiasi campo e passo, in °C o °F. Tabelle di riferimento complete con download CSV sono disponibili per i tipi K, J, T, E, N, R e S.
Errori comuni
Sommare temperature invece di tensioni nella compensazione del giunto freddo, come mostrato sopra.
Prolungare una termocoppia con filo di rame. Ogni giunzione di metalli diversi è una termocoppia. Le prolunghe devono usare cavo di estensione o di compensazione adatto, altrimenti il punto di collegamento diventa un nuovo giunto freddo a temperatura sconosciuta.
Polarità invertita. Una coppia invertita, o un cavo di estensione invertito, sottrae invece di sommare; l’errore è circa il doppio della differenza di temperatura sul tratto invertito.
Confondere i tipi. Molti strumenti sono impostati di fabbrica sul tipo K. Una sonda di tipo J letta come tipo K dà un risultato sbagliato senza alcun avviso evidente.
Domande frequenti
Perché lo strumento mostra una piccola tensione con la sonda a temperatura ambiente?
Non dovrebbe se i giunti caldo e freddo sono alla stessa temperatura; la tensione dipende dalla differenza di temperatura. Qualche microvolt può derivare da offset e gradienti termici ai morsetti.
Posso usare il calcolatore con un riferimento al punto del ghiaccio a 0 °C?
Sì. Impostate il giunto freddo a 0 e la lettura dello strumento coincide con la f.e.m. della tabella.
Quanto sono precise le funzioni di riferimento?
Le funzioni sono la norma stessa; definiscono i valori delle tabelle. L’incertezza di una misura reale deriva dalla classe di tolleranza della termocoppia, dalla deriva, dal cavo di estensione e dallo strumento.
Il calcolatore supporta i °F?
Sì. Passate da °C a °F in cima alla pagina; campi di temperatura, tabelle e sensibilità si convertono automaticamente.