Strumento termocoppia

Definizione

Un strumento termocoppia è definito come un dispositivo di misura che utilizza una termocoppia per determinare la temperatura, la corrente e la tensione. Questo strumento versatile è in grado di effettuare misurazioni in circuiti sia a corrente alternata (CA) che a corrente continua (CC), rendendolo uno strumento prezioso in un'ampia gamma di applicazioni.

Nozioni di base sulle termocoppi

Una termocoppia è un dispositivo elettrico composto da due fili realizzati con metalli diversi. La sua funzionalità si basa su un principio fondamentale: al punto di giunzione tra questi due metalli dissimili, l'energia termica viene convertita in energia elettrica. Questo fenomeno, noto come effetto Seebeck, costituisce la base del funzionamento degli strumenti a termocoppia, consentendo loro di misurare con precisione la temperatura e altri parametri elettrici sfruttando il potenziale elettrico generato nei giunti metallici.

Meccanismo di funzionamento

Per misurare l'entità di una corrente elettrica, la corrente da misurare viene fatta passare attraverso il giunto della termocoppia. Mentre la corrente scorre, genera calore all'interno dell'elemento riscaldante. In risposta, la termocoppia induce una forza elettromotrice (fem) ai terminali di uscita. Questa fem indotta viene poi misurata utilizzando uno strumento a magnete permanente e bobina mobile (PMMC). L'entità di questa fem è direttamente proporzionale sia alla temperatura al giunto della termocoppia che al valore efficace (RMS) della corrente misurata.

Vantaggi chiave

Uno dei vantaggi più notevoli degli strumenti a termocoppia è la loro idoneità per le misurazioni di corrente e tensione ad alta frequenza. Questi strumenti mostrano un'accuratezza migliorata quando si trattano frequenze superiori a 50 Hz, rendendoli ideali per applicazioni in cui è necessario determinare con precisione i parametri elettrici ad alta frequenza.

Principio di funzionamento degli strumenti termoelettrici

La generazione di fem termica avviene all'interno di un circuito composto da due metalli dissimili. La temperatura al giunto in cui questi metalli si incontrano svolge un ruolo cruciale nell'operazione complessiva ed è un parametro chiave per comprendere come funziona lo strumento.

Siano a e b costanti il cui valore è determinato dalle proprietà dei metalli utilizzati nella termocoppia. Tipicamente, il valore di a varia da 40 a 50 microvolt, mentre b ha un valore nell'ordine di alcune decine a centinaia di microvolt per grado Celsius quadrato μV/C°2.

Indichiamo Δθ come la differenza di temperatura tra i giunti caldo e freddo della termocoppia. In base a questo, le espressioni pertinenti relative alla temperatura possono essere derivate come segue.

Il riscaldatore genera calore, e la quantità di calore prodotto è direttamente proporzionale al prodotto del quadrato del valore efficace (RMS) della corrente (I) e della resistenza (R) dell'elemento riscaldante, espresso dalla formula I2R. Di conseguenza, l'aumento di temperatura è anche proporzionale al calore generato dall'elemento riscaldante. Questa relazione è fondamentale per comprendere come funziona il riscaldatore e influenza la temperatura all'interno del sistema, stabilendo un collegamento chiaro tra l'ingresso elettrico e l'uscita termica.

Lo strumento a termocoppia ha due giunti, freddo e caldo. La differenza tra questi due giunti è espressa come

Il valore di b è molto piccolo rispetto ad a e quindi viene trascurato. La temperatura al giunto è espressa come

La deviazione di uno strumento a magnete permanente e bobina mobile (PMMC) è direttamente proporzionale alla forza elettromotrice (fem) indotta ai suoi terminali. Questa relazione significa che, man mano che la fem indotta aumenta o diminuisce, la deviazione della bobina mobile dello strumento cambia in modo corrispondente. Matematicamente, la deviazione della bobina mobile all'interno di tali strumenti può essere espressa dall'equazione seguente, che riassume i principi fisici che governano la risposta dello strumento all'ingresso elettrico.

Qui, l'espressione K3 - aK1K2R) produce un valore costante. Questa caratteristica dà luogo a un comportamento quadratico dello strumento, il che significa che l'uscita dello strumento varia come il quadrato della quantità di ingresso (come la corrente o la tensione).

Costruzione dello strumento termoelettrico

Uno strumento termoelettrico è principalmente composto da due componenti essenziali: l'elemento termoelettrico e lo strumento indicatore. Queste due parti lavorano in tandem per consentire una misurazione accurata delle quantità elettriche e termiche.

Elementi termoelettrici

Quattro tipi distinti di elementi termoelettrici sono comunemente impiegati negli strumenti a termocoppia. Ogni tipo ha le proprie caratteristiche uniche e principi operativi, che sono dettagliati di seguito.

Tipo a contatto

L'elemento termoelettrico a contatto utilizza un riscaldatore separato. Come illustrato nella figura sottostante, il giunto della termocoppia viene portato in contatto fisico diretto con il riscaldatore. Questo contatto diretto facilita un trasferimento efficiente di calore dal riscaldatore al giunto della termocoppia, che è cruciale per convertire con precisione l'energia termica generata dal riscaldatore in un segnale elettrico (forza elettromotrice o fem) che può essere misurato dallo strumento indicatore.

Funzioni dell'elemento riscaldante elettrico

L'elemento riscaldante elettrico svolge i seguenti scopi critici all'interno di uno strumento termoelettrico:

• Conversione di energia: Agisce come componente chiave nella trasformazione dell'energia elettrica in energia termica. Questa conversione è il primo passo nel processo che consente la misurazione delle quantità elettriche utilizzando gli effetti termici.

• Conversione termoelettrica: Sfruttando l'effetto Seebeck, l'energia termica generata dall'elemento riscaldante viene poi convertita in energia elettrica. Questa conversione avviene al giunto della termocoppia, dove la differenza di temperatura tra i giunti caldo e freddo crea una forza elettromotrice (fem).

• Operazione dello strumento: I terminali di uscita della termocoppia sono collegati a uno strumento a magnete permanente e bobina mobile (PMMC). Una quantità minima dell'energia elettrica prodotta viene utilizzata per deviare il puntatore dello strumento PMMC. Questa energia è immagazzinata nella molla dello strumento, che aiuta a mantenere la posizione del puntatore e a indicare il valore misurato.

Tipi di elementi termoelettrici

Strumento a non contatto

Negli strumenti termoelettrici a non contatto, non c'è una connessione elettrica diretta tra l'elemento riscaldante e la termocoppia. Invece, i due componenti sono separati da uno strato di isolamento elettrico. Sebbene questo isolamento fornisca isolamento elettrico, ha anche un impatto notevole sulle prestazioni dello strumento. A confronto con gli strumenti a contatto, la configurazione a non contatto rende il sistema meno sensibile ai cambiamenti nella quantità misurata e determina tempi di risposta più lenti. Ciò è dovuto al fatto che il trasferimento di calore dall'elemento riscaldante alla termocoppia è meno efficiente a causa della barriera di isolamento.

Termoelemento a vuoto

Negli strumenti termoelettrici a tubo a vuoto, sia il riscaldatore che la termocoppia sono racchiusi all'interno di un tubo di vetro evacuato. Questo ambiente a vuoto migliora significativamente l'efficienza dello strumento. Eliminando la presenza dell'aria, si riduce la perdita di calore per convezione e conduzione. Di conseguenza, il riscaldatore può mantenere il suo calore per un periodo prolungato, assicurando una fonte di calore più stabile e costante per la termocoppia. Questa stabilità nella generazione di calore porta a misurazioni più accurate e affidabili nel tempo.

Tipo a ponte

Negli strumenti termoelettrici a ponte, la corrente elettrica scorre direttamente attraverso la termocoppia. Mentre la corrente passa, provoca un aumento della temperatura della termocoppia. L'entità di questo aumento di temperatura è direttamente proporzionale al valore efficace (RMS) della corrente. Questa relazione diretta tra la corrente, il cambiamento di temperatura e l'uscita elettrica risultante dalla termocoppia costituisce la base su cui questi strumenti misurano con precisione le quantità elettriche, fornendo un metodo affidabile ed efficiente per varie applicazioni di misura.

Vantaggi degli strumenti termoelettrici

Gli strumenti termoelettrici offrono numerosi vantaggi, rendendoli strumenti preziosi per la misurazione e l'analisi elettrica:

• Indicazione diretta RMS: Uno dei vantaggi chiave è la capacità di visualizzare direttamente i valori efficaci (RMS) di tensione e corrente sulla forma d'onda. Questa caratteristica semplifica il processo di misurazione, consentendo agli utenti di determinare rapidamente e con precisione questi parametri elettrici cruciali senza la necessità di calcoli aggiuntivi o metodi di conversione complessi.

• Immunità ai campi magnetici estranei: Questi strumenti sono intrinsecamente resistenti all'influenza dei campi magnetici estranei. Questa immunità assicura misurazioni più accurate e affidabili, poiché le interferenze magnetiche esterne non interferiscono con il funzionamento dello strumento o distorcono i risultati. In ambienti in cui l'interferenza magnetica è comune, come vicino a macchinari elettrici o linee di alimentazione, questo vantaggio diventa particolarmente significativo.

• Ampia gamma di misurazione della corrente: Gli elementi termoelettrici impiegati in questi strumenti consentono una vasta gamma di misurazioni di corrente. Che si tratti di applicazioni a bassa corrente o ad alta corrente, gli strumenti termoelettrici possono catturare e visualizzare con precisione i valori rilevanti, rendendoli versatili per vari sistemi elettrici e configurazioni sperimentali.

• Alta sensibilità: Gli strumenti termoelettrici presentano un alto grado di sensibilità, consentendo loro di rilevare anche piccole variazioni nelle quantità elettriche. Questa sensibilità è cruciale per misurazioni precise in applicazioni in cui minuscole variazioni di tensione o corrente possono avere implicazioni significative, come nei laboratori di ricerca o nella taratura di altri dispositivi elettrici.

• Utilità per la taratura dei potenziometri: Sono estremamente utili per la taratura dei potenziometri. Sfruttando l'accuratezza di una cella standard, gli strumenti termoelettrici possono contribuire a garantire il corretto funzionamento e l'accuratezza dei potenziometri, che sono componenti essenziali in molti circuiti elettrici per la regolazione e la misurazione della tensione.

• Operazione indipendente dalla frequenza: Gli elementi termoelettrici sono liberi da errori di frequenza, consentendo l'uso di questi strumenti in un'ampia gamma di frequenze. Questa caratteristica li rende adatti per applicazioni coinvolgenti segnali di corrente alternata (CA) a frequenze variabili, dai sistemi di potenza a bassa frequenza ai circuiti elettronici ad alta frequenza.

Svantaggi degli strumenti termoelettrici

Nonostante i loro numerosi punti di forza, gli strumenti termoelettrici hanno un limite notevole:

• Capacità di sovraccarico limitata: Rispetto ad altri tipi di elementi di misura elettrica, gli strumenti termoelettrici hanno una capacità di sovraccarico relativamente bassa. Ciò significa che sono più vulnerabili a danni o letture imprecise quando sono esposti a correnti o tensioni elettriche che superano i loro limiti nominali. Di conseguenza, è necessario prenderne attentamente in considerazione e adottare misure di protezione appropriate quando si utilizzano questi strumenti in applicazioni in cui possono verificarsi condizioni di sovraccarico, per evitare potenziali guasti dello strumento o la compromissione dell'accuratezza delle misurazioni.