Termocoppie – Prova di Laboratorio

Le termocoppie (più informazioni qui) sono due metalli diversi, a temperature diverse. Il processo di calibrazione della termocoppia è stabilire la correlazione tra il voltaggio misurato nella giunzione tra i due metalli e la temperatura da misurare. Usiamo due termocoppie di tipo K: cromo nickel (?), uguali caratteristiche tra loro, uguale la giunzione, differente inerzia termica; tutta corazzata, per non subire variazioni forti di temperatura dall’ambiente.

Termocoppie con segnale a gradino: una volta riscaldata la termocoppia nel forno, a temperatura costante, viene immersa in acqua. Acquisendo la curva della misura negli istanti tra forno, passaggio in aria e immersione, determineremo la costante di tempo τ. Il comportamento dinamico, dipendente da τ, è particolarmente importante se dobbiamo affrontare variazioni molto veloci della grandezza da misurare. Questo determina la scelta una termocoppia, anche se tutte e due dello stesso tipo (es. K).
A causa dei rumori elettrici (disturbi) si amplifica il voltaggio da misurare: i rumori sono, spesso, dello stesso ordine di grandezza delle differenze di voltaggio generate dalla termocoppia (molto piccole). Quello che noi facciamo è amplificare le differenza di voltaggio di 2-3 ordini di grandezza, per riuscire a trascurare i rumori. Si amplificano prima di trasportarle, cioè nel momento in cui passano dall’interfaccia.

Nel nostro caso, la temperatura di riferimento, quella del giunto freddo, la sceglie l’operatore. Inoltre, dato che la termocoppia misura una differenza di temperatura, non è influenzata da eventuali offset e quindi indipendente dalla temperatura di riferimento.

Procedimento:

Mettendo la termocoppia nel forno, vediamo che il segnale è altalenante. Per risolvere ciò, o si riduce la frequenza di campionamento (“Sample Rate”, 10000 Hz) oppure si prendono più letture e se ne fa la media.
Poi il programma accorpa un numero di letture, scelto dall’operatore, in un solo punto del grafico. (“Sample per Channels”).
Tolto dal forno si analizzano i due comportamenti: passaggio in aria e immersione. La prima curva che si crea è poco pendente ma la seconda curva si accosta molto velocemente alla temperatura dell’acqua (attorno ai 22 °C). Notiamo che la τ dipende molto anche dal metodo di scambio termico col quale si effettuano le misure e non solo dalle caratteristiche dello strumento.

Provando infatti con una termocoppia più lenta e più corazzata, la curva risulta molto meno pendente sia in aria che in acqua. Ha dunque una τ più alta ed è meno valida per veloci variazioni di temperatura.

Le termocoppie dello stesso tipo, nel nostro caso di tipo K, hanno tutte UGUALE SENSIBILITA’: ad una certa temperatura sul giunto caldo rispondono con una stessa variazione di voltaggio. Differente è la velocità con cui si accostano a quel voltaggio, cioè le caratteristiche dinamiche.
(Se conoscessimo il guadagno dell’amplificatore, cioè il moltiplicatore applicato sui millivolt prima di mandarli al pc, potremmo ricostruire la sensibilità della termocoppie misurando molte coppie di voltaggio e temperature del fornetto.)
Non importa il materiale della giunzione, è necessario sia il più possibile puro per non creare effetto termoelettrico aggiuntivo, che aggiungerebbe un offset inaspettato alle misure.