How-To, Effettuare una misura tramite termocoppia

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Panoramica su temperatura e termocoppie

La temperatura è la misura dell’energia cinetica media delle particelle in un materiale espressa in gradi su un termometro standard. Sono stati sviluppati molti metodi per la misurazione della temperatura, essi comportano delle variazioni in accuratezza e in termini di costo della strumentazione. La termocoppie sono sensori di temperatura largamente diffusi. Si tratta di strumenti relativamente economici eppure accurati, in grado di misurare un ampio intervallo di temperature.

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Una termocoppia è costituita da una coppia di conduttori elettrici di diverso materiale uniti tra loro in un punto; esso produce una piccola differenza di potenziale elettrico intesa come una funzione di temperatura. La tensione termoelettrica è nota come tensione di Seebeck, dal nome del fisico Thomas Seebeck che nel 1821 scoprì questa differenza di potenziale. La relazione tra la differenza di temperatura e la differenza di potenziale prodotta non è lineare. Tuttavia, nel caso di leggere variazioni di temperatura, la tensione è approssivamentivamente lineare, ovvero

      (1)

Dove ΔV rappresenta la variazione di tensione, S è il coefficiente di Seebeck e dT la variazione di temperatura.

Esistono diverse tipologie di termocoppie e vengono indicate con lettere maiuscole per specificarne la composizione in conformità con le convenzioni dell'American National Standards Institute (ANSI). Ad esempio un termocoppia di Tipo J è costituira da un conduttore di metallo e una costantana (lega di rame e nichel). Altre tipologie di termocoppie comprendono B, E, K, N, R, S e T.

Come effettuare misure da termocoppie

Teoria di base

Per una migliore comprensione delle misure tramite termocoppie, è necessario conoscerne il funzionamento. La prima parte di questa sezione è dedicata alla teoria di base delle termocoppie, mentre la parte successiva descrive le modalità di connessione delle termocoppie ad uno strumento per la misura della temperatura.

Per la misura della tensione di una termocoppia Seebeck, non è possibile connettere la termocoppia ad un voltimetro o ad altri sistemi di misura, poichè la presenza di cavi creerebbe ulteriori circuiti termoelettrici.

Figura 1. Termocoppia di tipo J

Il circuito illustrato nella Figura 1 mostra la misura della temperatura della fiamma di una candela mediante termocoppia di tipo J. Le due termocoppie sono collegate ai connettori di rame del dispositivo di acqusizione dati. Da notare che il circuito contiene tre giunti di conduttori elettrici di diverso materiale - J1, J2 e J3. La giunzione J1 della termocoppia genera un tensione Seebeck proporzionale alla temperatura della fiamma della candela. J2 e J3 dispongono del proprio coefficiente Seebeck e generano la propria tensione termoelettrica proporzionale alla temperatura dei terminali di acquisizione dati. Per determinare il contributo di tensione proveniente da J1 è necessario conoscere la temperatura delle giunzione J2 e J3 nonchè la relazione tensione-temperatura relativa a queste giunzioni. In seguito, è possibile sottrarre i contributi delle giunzione parassite da J2 e J3 dalla tensione misurata nelle giunzione J1.

Le termocoppie richiedono una sorta di riferimento di temperatura per compensare la presenza di giunzioni parassitarie definite “a freddo”. Il metodo più diffuso riguarda la misura della temperatura nella giunzione di riferimento tramite un sensore di lettura diretta e la sottrazione dei contributi dei giunti parassiti. Questo processo viene definito come compensazione di giunzione a freddo. Grazie ad alcune caratteristiche delle termocoppie è possibile semplificare il calcolo della compensazione del giunto a freddo.

Utilizzando la legge dei metalli intermedi e facendo delle semplici supposizioni, è possibile vedere come la misura di tensione da parte di un sistema di acquisizione dati dipende solo dalla tipologia della tensione e dalla temperatura del giunto a freddo. La tensione misurata non dipende dalla composizione delle connessioni di misura e dai giunti a freddo J2 e J3.

Secondo la Legge dei metalli intermedi, mostrata nella Figura 2, l’inserimento di un qualsiasi tipo di cavo in un circuito di una termocoppia non ha effetto sull’output finchè entrambe le estremità di quel cavo raggiungono la stessa temperatura, in altre parole sono isotermi.

Figura 2. Legge dei metalli intermedi

Il circuito della Figura 3 è simile a quello della Figura 1, ma una costantana di lunghezza inferiore è stata inserita prima del giunto J3. Si ritiene che i giunti debbano avere la stessa temperatura. Supponendo che i giunti J3 e J4 abbiano la stessa temperatura, la Legge dei metalli intermedi indica che il circuito in Figura 3 è elettricamente equivalente al circuito in Figura 1. Di conseguenza, qualsiasi risultato ottenuto dal circuito in Figura 3 è applicabile al circuito mostrato in Figura 1.

Figura 3. Inserimento di un connettore aggiuntivo nella regione isotermica

 

Nella Figura 3, i giunti J2 e J4 sono dello stesso tipo (rame-costantana); poichè entrambi si trovano nella regione isoterma e hanno inoltre la stessa temperatura. Data la direzione della corrente attraverso il circuito, J4 fornisce una tensione Seebeck positiva e J2 ne restituisce una uguale ma negativa. Quindi, l’effetto dei giunti si auto annulla dando un contributo totale alla tensione misurata pari a zero. I giunti J1 e J3 sono entrambi costituiti da una lega di rame-costantana, ma è possibile che si trovino a diverse temperatura poichè non condividono una regione isotermica. La differenza temperatura dei giunti J1 e J3 produce tensioni Seebeck di grandezze diverse. Per compensare il giunto freddo J3, viene misurata la sua temperatura e il voltaggio fornito viene sottratto dalla misura della termocoppia.

Utilizzando la notazione V_Jx(T_y) per indicare la tensione generata dal giunto J_x alla temperatura T_y, il problema generale della termocoppia è ridotto alla seguente equazione:

V_MEAS = V_J1(T_TC ) + V_J3(T_ref )       (2)

temperatura della termocoppia a J1 e Tref è la temperatura del giunto di riferimento.

Si noti come l’equazione 2 V_Jx(T_y) mostra la tensione generata alla temperatura Ty rispetto ad alcune temperature di riferimento. L’equazione 2 è valida finchè V_J1 e V_J3 sono entrambe funzioni di temperatura relative alla stessa temperatura di riferimento. Come affermato in precedenza, la generazione di tabelle di riferimento NITS per le termocoppie avviene tenendo il giunto di riferimento ad una temperatura pari a 0 °C.

Il giunto J3 è identico a quello J1 ma fornisce una tensione opposta V_J3(T_ref ) = -V_J1(T_ref ). Poichè V_J1 è la tensione generata dalla termocoppia in fase di test, è possibile rinominare la tensione come V_TC. Pertanto, è necessario riscrivere l'equazione 2:

V_MEAS = V_TC (T_TC ) - V_TC (T_ref )           (3)

A questo punto, conoscendo la misura di V_MEAS e T_ref e la relazione tensione-temperatura della termocoppia, è possibile determinare la temperatura del giunto caldo della stessa.

Esistono due tecniche, una hardware e una software, per l’implementazione della compensazione del giunto freddo. Entrambe le tecniche richiedono il rilevamento della temperatura sul giunto di riferimento mediante un sensore a lettura diretta. Il sensore di lettura diretta dispone di un output che dipende solo dalla temperatura del punto di misura. Per la misura della temperatura nel giunto di riferimenvo vengono comunemente utilizzati sensori di semiconduttori, termistori, ed RTD.

Il metodo di compensazione hardware prevede l’inserimento di una sorgente variabile di tensione all’interno del circuito al fine di eliminare le tensioni termoelettriche parassite. Quest sorgente genera una tensione di compensazione in conformità con la temperatura ambiente, e pertanto aggiunge la tensione corretta per eliminare i segnali termoelettrici indesiderati. Una volta eliminati questi segnali parassiti, l’unico segnale misurato da un sistema di acquisizione dati è la tensione proveniente da una giunto di termocoppia. La compensazione hardware, rende irrilevante temperatura misurata dai terminali del sistema di acquisizione dati poichè la tensione parassita della termocoppia è stata eliminata. Il peggiore svantaggio della compensazione hardware riguarda la presenza, in ciascuna tipologia di termocoppia, di un circuito di compensazione separato in grado di aggiungere la tensione di compensazione appropriata, il che implica un notevole costo di realizzazione. La compensazione hardware è in genere meno accurata rispetto alla compensazione software.

Dopo la misura della temperatura del giunto di riferimento tramite sensore a lettura diretta, il software è in grado di aggiungere il valore di tensione appropriato a quello misurato per eliminare l'effetto parassita delle termocoppie. L’equazione 3 afferma che la tensione misurata VMEAS, è uguale alla differenza tra la tensione nel giunto caldo (termocoppia) e nel giunto freddo.

Le tensioni degli output delle termocoppie sono altamente non lineari. La variazione del coefficiente di Seebeck può essere di un fattore di 3 o maggiore sull'intervallo di temperatura di funzionamento di alcune termocoppie. Per questo motivo è necessario approssimare la curva di tensione-temperatura della termocoppia tramite polinomi oppure utilizzare una tabella look-up.

Connettere una termocoppia ad uno strumento

In questa sezione prendiamo ad esempio l’utilizzo dello chassis NI cDAQ-9172 e del modulo di termocoppia della serie C NI 9211. È possibile applicare simili procedure per la connessione di una termocoppia a strumenti diversi (vedi figura 4)..

Gli strumenti richiesti includono:

-         Chassis cDAQ-9172 USB a otto slot ad elevata velocità per NI CompactDAQ

-         Modulo di ingresso per termocoppia a 4 canali NI 9211, 14 S/s, 24-Bit, ±80 mV

-         Termocoppia di tipo J

Figura 4. Sistema NI CompactDAQ

 

Il modulo NI 9211 dispone di 10 connettori con terminale a vite staccabile che forniscono connessioni per quattro canali di input di termocoppie. Ogni canale dispone di un terminale a cui collegare il connettore positivo della termocoppia TC+ e un terminale su cui inserire il connettore negativo della termocoppia TC–. Il modulo NI 9211 è dotato inoltre di un terminale COM connesso internamente al riferimento di terra del modulo. La figura 5 mostra le assegnazione dei terminali per ogni canale e la figura 6 mostra uno schema delle connessioni.

 

Figura 5. Assegnazione dei terminali

 

 

 Figura 6. . Schema delle connessioni

 

Visualizza le operazioni di misura: NI LabVIEW

Dopo aver connesso la termocoppia al dispositivo di misura, è possibile utilizzare l’ambiente di programmazione di LabVIEW per il trasferimento di dati al computer per la visualizzazione e l’analisi.

La figura 7 mostra un esempio della misura della visualizzazione dei dati della temperatura misurata su l’ambiente di programmazione LabVIEW.

 

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Figura 7. Dati di temperatura mostrati sul front panel di LabVIEW

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