Coppia termoelettrica: un sensore di temperatura semplice e versatile

Che cos'è un termocoppia?

Un termocoppia è un dispositivo che converte le differenze di temperatura in una tensione elettrica, basandosi sul principio dell'effetto termoelettrico. È un tipo di sensore che può misurare la temperatura in un punto o in una posizione specifica. I termocoppie sono ampiamente utilizzati in vari campi, come l'industria, il settore domestico, il commerciale e quello scientifico, grazie alla loro semplicità, durata, basso costo e ampio intervallo di temperatura.

Che cos'è l'effetto termoelettrico?

L'effetto termoelettrico è il fenomeno di generazione di una tensione elettrica dovuta a una differenza di temperatura tra due metalli diversi o leghe metalliche. Questo effetto fu scoperto dal fisico tedesco Thomas Seebeck nel 1821, che osservò che si creava un campo magnetico intorno a un anello chiuso di due metalli dissimili quando una giunzione era riscaldata e l'altra raffreddata.

L'effetto termoelettrico può essere spiegato dal movimento degli elettroni liberi nei metalli. Quando una giunzione viene riscaldata, gli elettroni acquisiscono energia cinetica e si muovono più velocemente verso la giunzione fredda. Questo crea una differenza di potenziale tra le due giunzioni, che può essere misurata con un voltmetro o un ammeter. L'entità della tensione dipende dal tipo di metalli utilizzati e dalla differenza di temperatura tra le giunzioni.

Come funziona un termocoppia?

Un termocoppia è composto da due fili fatti di metalli o leghe metalliche diversi, uniti alle estremità per formare due giunzioni. Una giunzione, chiamata giunzione calda o di misura, è posizionata nel luogo dove si desidera misurare la temperatura. L'altra giunzione, chiamata giunzione fredda o di riferimento, è mantenuta a una temperatura costante e nota, solitamente a temperatura ambiente o in un bagno di ghiaccio.

Quando c'è una differenza di temperatura tra le due giunzioni, si genera una tensione elettrica nel circuito del termocoppia a causa dell'effetto termoelettrico. Questa tensione può essere misurata con un voltmetro o un amperometro collegato al circuito. Utilizzando una tabella di taratura o una formula che relaziona la tensione alla temperatura per un dato tipo di termocoppia, è possibile calcolare la temperatura della giunzione calda.

Il seguente diagramma mostra il principio di funzionamento di base di un termocoppia:

Il seguente video spiega come funziona un termocoppia in maggior dettaglio:

Quali sono i tipi di termocoppie?

Esistono molti tipi di termocoppie disponibili, ognuno con caratteristiche e applicazioni diverse. Il tipo di termocoppia è determinato dalla combinazione di metalli o leghe metalliche utilizzate per i fili. I tipi più comuni di termocoppie sono designati da lettere (come K, J, T, E, ecc.) secondo standard internazionali.

La seguente tabella riassume alcuni dei principali tipi di termocoppie e le loro proprietà:

| E | Nichel-cromo (90% Ni, 10% Cr) | Constantan (55% Cu, 45% Ni) | Viola (+), Rosso (-), Viola (complessivo) | -200°C a +870°C (-328°F a +1598°F) | 68 µV/°C | ±1,7°C (0,5%) | Alta precisione, intervallo moderato, basso costo | | N | Nicrosil (84,1% Ni, 14,4% Cr, 1,4% Si, 0,1% Mg) | Nisil (95,5% Ni, 4,4% Si, 0,1% Mg) | Arancione (+), Rosso (-), Arancione (complessivo) | -200°C a +1300°C (-328°F a +2372°F) | 39 µV/°C | ±2,2°C (0,75%) | Uso generale, ampio intervallo, stabile | | S | Platino-rodio (90% Pt, 10% Rh) | Platino (100% Pt) | Nero (+), Rosso (-), Verde (complessivo) | 0°C a +1600°C (+32°F a +2912°F) | 10 µV/°C | ±1,5°C (0,25%) | Alta temperatura, alta precisione, costoso | | R | Platino-rodio (87% Pt, 13% Rh) | Platino (100% Pt) | Nero (+), Rosso (-), Verde (complessivo) | 0°C a +1600°C (+32°F a +2912°F) | 10 µV/°C | ±1,5°C (0,25%) | Alta temperatura, alta precisione, costoso | | B | Platino-rodio (70% Pt, 30% Rh) | Platino-rodio (94% Pt, 6% Rh) | Grigio (+), Rosso (-), Grigio (complessivo) | +600°C a +1700°C (+1112°F a +3092°F) | 9 µV/°C | ±0,5% della lettura sopra +600°C (+1112°F) | Temperature molto alte, bassa sensibilità |

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi delle termocoppie?

Le termocoppie hanno molti vantaggi e svantaggi rispetto ad altri sensori di temperatura, come i RTD (Detector di Temperatura a Resistenza), termistori, o sensori infrarossi.