Termometro a Nastri Bimetallici: Come Funziona e le Sue Applicazioni
Cos'è un termometro a nastro bimetallico?
Un termometro a nastro bimetallico è un dispositivo che utilizza il principio della diversa dilatazione termica dei solidi per misurare la temperatura. È composto da due strisce metalliche (ad esempio, acciaio e ottone) con diversi coefficienti di dilatazione termica, saldate lungo tutta la loro lunghezza. Quando il nastro bimetallico viene riscaldato o raffreddato, si piega o si contorce a causa dell'espansione o contrazione diseguale dei due metalli. L'entità del piegamento o della torsione è proporzionale al cambiamento di temperatura e può essere indicata da un indicatore su una scala calibrata.
I termometri a nastro bimetallico sono ampiamente utilizzati in vari settori e applicazioni grazie alla loro semplicità, robustezza e basso costo. Possono misurare temperature da sotto -100 °C a oltre 500 °C, a seconda dei materiali e del design del nastro bimetallico. Sono inoltre dispositivi completamente meccanici che non richiedono alcuna fonte di alimentazione o circuito elettrico.
Come funziona un termometro a nastro bimetallico?
La struttura e il principio di funzionamento di base di un termometro a nastro bimetallico sono mostrati nella figura sottostante. Il nastro bimetallico è composto da due strisce metalliche con diversi coefficienti di dilatazione termica, come l'acciaio e l'ottone. La striscia di acciaio ha un coefficiente di dilatazione termica inferiore rispetto a quella di ottone, il che significa che si espande o contrae meno della striscia di ottone per lo stesso cambiamento di temperatura.
Figura: Struttura e principio di funzionamento di un nastro bimetallico
Quando il nastro bimetallico viene riscaldato, la striscia di ottone si espande più della striscia di acciaio, causando il piegamento del nastro bimetallico con la parte di ottone sul lato esterno della curva. Al contrario, quando il nastro bimetallico viene raffreddato, la striscia di ottone si contrae più della striscia di acciaio, causando il piegamento del nastro bimetallico con la parte di ottone sul lato interno della curva.
Il piegamento o la torsione del nastro bimetallico possono essere utilizzati per muovere un indicatore collegato a una delle estremità del nastro, che indica la temperatura su una scala calibrata. In alternativa, il piegamento o la torsione del nastro bimetallico possono essere utilizzati per aprire o chiudere un contatto elettrico, che può attivare un sistema di controllo della temperatura o un dispositivo di sicurezza.
Tipi di termometro a nastro bimetallico
Ci sono principalmente due tipi di termometri a nastro bimetallico disponibili sul mercato: a spirale e elicoidali. Entrambi i tipi utilizzano un nastro bimetallico avvolto a spirale per aumentare la sensibilità e la compattezza del dispositivo.
Termometro a nastro bimetallico a spirale
Un termometro a nastro bimetallico a spirale utilizza un nastro bimetallico avvolto in una spirale piana. L'estremità interna della spirale è fissata all'alloggiamento, mentre l'estremità esterna della spirale è collegata a un indicatore. Come mostrato nella figura sottostante, quando la temperatura aumenta o diminuisce, la spirale si contorce di più o di meno, causando il movimento dell'indicatore lungo una scala circolare.
Figura: Termometro a nastro bimetallico (tipo a spirale)
Un termometro a nastro bimetallico a spirale è semplice e economico da produrre e utilizzare. Tuttavia, presenta alcuni limiti, come:
Il quadrante e il sensore non sono separati tra loro, il che significa che l'intero dispositivo deve essere esposto al mezzo la cui temperatura deve essere misurata.
L'accuratezza e la risoluzione del dispositivo dipendono dalla qualità e dall'uniformità del nastro bimetallico e della sua saldatura.
Il dispositivo potrebbe essere influenzato da shock o vibrazioni meccaniche che possono causare errori o danni.
Termometro a nastro bimetallico elicoidale
Un termometro a nastro bimetallico elicoidale utilizza un nastro bimetallico avvolto in una spirale elicoidale, simile a una molla. L'estremità inferiore della spirale è fissata a uno stelo, mentre l'estremità superiore della spirale è libera di muoversi. Come mostrato nella figura sottostante, quando la temperatura aumenta o diminuisce, la spirale si espande o si contrae assialmente, causando la rotazione dello stelo. La rotazione dello stelo può essere trasmessa a un indicatore attraverso un sistema a ingranaggi-leve, che indica la temperatura su una scala lineare.
Figura: Termometro a nastro bimetallico (tipo elicoidale)
Un termometro a nastro bimetallico elicoidale ha alcuni vantaggi rispetto al tipo a spirale, come:
Il quadrante e il sensore possono essere separati tra loro utilizzando un tubo capillare flessibile, il che permette al dispositivo di misurare la temperatura in posizioni remote o inaccessibili.
L'accuratezza e la risoluzione del dispositivo sono superiori a quelle del tipo a spirale a causa del maggiore spostamento e leva della spirale elicoidale.
Il dispositivo è meno suscettibile a shock o vibrazioni meccaniche che possono influire sulla spirale.
Applicazioni dei termometri a nastro bimetallico
I termometri a nastro bimetallico hanno un'ampia gamma di applicazioni in vari campi e industrie, come:
Dispositivi di controllo della temperatura: I termometri a nastro bimetallico possono essere utilizzati per attivare o disattivare un sistema di raffreddamento o riscaldamento quando la temperatura raggiunge un valore prefissato. Ad esempio, un nastro bimetallico può essere utilizzato per spegnere un bollitore elettrico quando l'acqua bolle o per accendere un ventilatore quando la temperatura della stanza è troppo alta.
Condizionamento dell'aria e refrigerazione: I termometri a nastro bimetallico possono essere utilizzati per misurare e regolare la temperatura in condotti d'aria, frigoriferi, freezer e altri dispositivi di raffreddamento o riscaldamento. Ad esempio, un termometro a nastro bimetallico a spirale può essere utilizzato in un termostato di condizionamento d'aria per regolare il flusso d'aria in base alla temperatura desiderata.
Processi industriali: I termometri a nastro bimetallico possono essere utilizzati per monitorare e controllare la temperatura in vari processi industriali, come il raffinamento del petrolio, la vulcanizzazione degli pneumatici, la saldatura a caldo, il riscaldamento a filo incandescente e altri. Ad esempio, un termometro a nastro bimetallico elicoidale può essere utilizzato in un bruciatore a olio per regolare il flusso di carburante in base alla temperatura della fiamma.
Misurazione e indicazione della temperatura: I termometri a nastro bimetallico possono essere utilizzati per misurare e visualizzare la temperatura di vari mezzi, come liquidi, gas, solidi e superfici. Ad esempio, un termometro a nastro bimetallico può essere utilizzato per misurare la temperatura dell'acqua in un tubo di riscaldamento o la temperatura superficiale di un motore.
I termometri a nastro bimetallico sono adatti a queste applicazioni perché sono:
Semplici ed economici: I termometri a nastro bimetallico hanno una struttura e un design semplici che sono facili da produrre e utilizzare. Non richiedono alcuna fonte di alimentazione o circuito elettrico, il che riduce il costo e la manutenzione del dispositivo.
Robusti e duraturi: I termometri a nastro bimetallico sono realizzati con materiali metallici resistenti alla corrosione, all'usura e agli urti. Possono resistere a temperature e pressioni elevate senza perdere precisione o funzionalità.
Meccanici e analogici: I termometri a nastro bimetallico sono dispositivi meccanici che producono un output analogico direttamente proporzionale al cambiamento di temperatura. Non necessitano di calibrazione o regolazione e non sono influenzati dall'interferenza elettromagnetica o dal rumore.
