Le termocoppie sono semplici sensori di temperatura utilizzati nella scienza e nell'industria. Sono costituiti da due fili di metalli dissimili uniti insieme in un unico punto o giunzione, che di solito è saldato per robustezza e affidabilità.
Alle estremità del circuito aperto di questi fili, una termocoppia genera una tensione in risposta alla giunzione temperatura, il risultato di un fenomeno chiamato effetto Seebeck, scoperto nel 1821 dal fisico tedesco Thomas Seebeck.
Tipi di termocoppie
Qualsiasi due fili di metalli diversi in contatto produrranno una tensione quando riscaldati; tuttavia, alcune combinazioni di leghe sono standard a causa del loro livello di produzione, stabilità e caratteristiche chimiche.
Le più comuni sono le termocoppie “metallo comune”, realizzate con ferro o leghe di nichel e altri elementi, e sono note come Tipo J, K, T, E e N, a seconda della composizione.
Le termocoppie "metallo nobile", realizzate in platino-rodio e fili di platino per l'uso a temperature più elevate, sono note come tipi R, S e B. A seconda del tipo, le termocoppie possono misurare temperature da circa -270 gradi Celsius a 1.700 C o superiori (da circa -454 gradi Fahrenheit a 3.100 F o superiori).
Limitazioni delle termocoppie
I vantaggi e gli svantaggi delle termocoppie dipendono dalla situazione ed è importante prima comprenderne i limiti. L'uscita di una termocoppia è molto piccola, in genere solo circa 0,001 volt a temperatura ambiente, aumentando all'aumentare della temperatura. Ogni tipo ha la propria equazione per convertire la tensione in temperatura. La relazione non è una linea retta, quindi queste equazioni sono alquanto complesse, con molti termini. Anche così, le termocoppie sono limitate a precisioni di circa 1 C, o circa 2 F, nella migliore delle ipotesi.
Per ottenere un risultato calibrato, la tensione della termocoppia deve essere confrontata con un valore di riferimento, che una volta era un'altra termocoppia immersa in un bagno di acqua ghiacciata. Questo apparato crea una "giunzione fredda" a 0 C, o 32 F, ma è ovviamente scomodo e scomodo. I moderni circuiti elettronici di riferimento del punto di ghiaccio hanno sostituito universalmente l'acqua ghiacciata e hanno consentito l'uso di termocoppie in applicazioni portatili.
Poiché le termocoppie richiedono il contatto di due metalli diversi, sono soggette a corrosione, che può influire sulla loro calibrazione e precisione. In ambienti difficili, la giunzione è solitamente protetta da una guaina d'acciaio, che impedisce all'umidità o ai prodotti chimici di danneggiare i fili. Tuttavia, la cura e la manutenzione delle termocoppie sono necessarie per buone prestazioni a lungo termine.
Vantaggi e svantaggi delle termocoppie
Le termocoppie sono semplici, robuste, facili da produrre e relativamente economiche. Possono essere realizzati con fili estremamente sottili per misurare la temperatura di oggetti minuscoli come gli insetti. Le termocoppie sono utili in un intervallo di temperatura molto ampio e possono essere inserite in luoghi difficili come cavità corporee o ambienti abusivi come i reattori nucleari.
Per tutti questi vantaggi, è necessario considerare gli svantaggi delle termocoppie prima di applicarle. L'uscita a livello di millivolt richiede l'ulteriore complessità di un'elettronica attentamente progettata, sia per il riferimento del punto di ghiaccio che per l'amplificazione del segnale minuscolo.
Inoltre, la risposta a bassa tensione è soggetta a disturbi e interferenze da dispositivi elettrici circostanti. Le termocoppie potrebbero richiedere una schermatura con messa a terra per buoni risultati. La precisione è limitata a circa 1 C (circa 2 F) e può essere ulteriormente ridotta dalla corrosione della giunzione o dei fili.
Applicazioni delle termocoppie
I vantaggi delle termocoppie hanno portato alla loro integrazione in un'ampia gamma di situazioni, dal controllo dei forni domestici al monitoraggio della temperatura di aeroplani, veicoli spaziali e satelliti. I forni e le autoclavi utilizzano le termocoppie, così come le presse e gli stampi per la produzione.
Molte termocoppie possono essere collegate insieme in serie per creare una termopila, che produce una tensione maggiore in risposta alla temperatura rispetto a una singola termocoppia. Le termopile vengono utilizzate per realizzare dispositivi sensibili per il rilevamento della radiazione infrarossa. Le termopile possono anche generare energia per le sonde spaziali dal calore del decadimento radioattivo in un generatore termoelettrico di radioisotopi.
