Le termocoppie sono sensori di temperatura semplici ma estremamente versatili, utilizzati in varie applicazioni industriali. Analizziamo nel dettaglio il loro funzionamento e gli impieghi principali, le varie tipologie e i metalli impiegati per la produzione, con un focus sulla lavorazione del filo e sulle soluzioni più adatte di laminazione dei metalli.
Cosa sono le termocoppie: funzionamento
Le termocoppie sono sensori che permettono di misurare la temperatura in modo facile ed affidabile, sfruttando un fenomeno fisico che genera un segnale elettrico proporzionale alla temperatura da misurare, senza alcun bisogno di alimentazione elettrica.
Il funzionamento delle termocoppie si basa sull’effetto Seebeck, scoperto nel 1821: quando due diversi metalli conduttori sono a contatto, si genera una differenza di potenziale elettrico proporzionale a quella di temperatura tra i due punti di giunzione.
Nello specifico, una termocoppia è costituita da due fili metallici di materiali diversi, saldati tra loro ad un’estremità (definita giunzione calda), mentre l’altra (la giunzione fredda) è mantenuta ad una temperatura nota di riferimento. La differenza di temperatura tra i giunti genera quindi un piccolo flusso di corrente dell’ordine dei microVolt.
Questa tensione viene misurata e correlata alla temperatura tramite un voltmetro collegato al circuito della termocoppia, che dà una lettura precisa della forza elettromotrice.
Utilizzi e applicazioni delle termocoppie
Le termocoppie hanno il vantaggio di essere molto economiche, facili da usare, affidabili anche in ambienti ostili, senza la necessità di un’alimentazione elettrica esterna.
Quindi, grazie alla loro velocità di risposta, flessibilità d’uso e ai costi ridotti, le termocoppie vengono impiegate in diversi ambiti principalmente come sensori di temperatura. Alcune applicazioni e utilizzi più comuni delle termocoppie sono:
- Macchinari industriali: per il controllo della temperatura in forni e altoforni, laminatoi, fonderie ma anche essiccatori, scambiatori di calore, stufe di cottura, etc;
- Energia e petrolchimica: all’interno di caldaie, turbine a gas e reattori chimici;
- Automotive e aeronautica: per motori a combustione, nelle turbine e nei sistemi di scarico, oltre ad essere ampiamente utilizzate su aerei e motori aeronautici;
- Apparecchi e impianti: negli elettrodomestici come forni, asciugatrici, frigoriferi, ma anche per il monitoraggio termico in sistemi di riscaldamento e condizionamento;
- Medicina: per misurare la temperatura corporea con termometri clinici e diagnostici;
- Ricerca e sviluppo: vasti utilizzi nei laboratori di ricerca, chimica, biologia.
Tipologie di termocoppie e metalli utilizzati
Esistono diversi tipi di termocoppie, che si differenziano per i metalli dei fili conduttori. Infatti, la combinazione di vari metalli determina le caratteristiche e le applicazioni più adatte: così si possono distinguere termocoppie a metallo base e termocoppie a metallo nobile.
Le termocoppie a metallo base, di cui i tipi K, J, T, E ed N, sono composte da metalli comuni come nichel, ferro e rame, e sono le più diffuse per la loro economicità e versatilità in molteplici applicazioni a bassa e media temperatura. Per la precisione:
- la termocoppia tipo K è composta da nichel-cromo e nichel-alluminio (-200 a +1200°C);
- la termocoppia tipo J è composta da ferro e costantana (lega rame-nichel), con un tipico range di temperatura da -210 a +1200°C;
- la termocoppia tipo T è composta da rame e costantana (da -270 a +400°C);
- la termocoppia tipo E è composta da nichel-cromo e costantana (da -270 a +980°C);
- la termocoppia tipo N è composta da nicrosil (nichel-cromo-silicio) e nisil (nichel-silicio), con un tipico range di temperatura da -270 a +1300°C.
Le termocoppie a metallo nobile sono realizzate con metalli pregiati, adatti a misurare temperature elevate (sopra i 1000°C): offrono maggiore stabilità ma a costi notevolmente più alti, motivo per cui sono meno diffuse rispetto alle termocoppie a metallo base. Citiamo infatti i tipi S, B e R, termocoppie costituite da percentuali variabili di platino e rodio.
Produzione di termocoppie: le macchine INVIMEC
Il processo di fabbricazione industriale delle termocoppie è composto di varie fasi, a partire dalla scelta e preparazione delle materie prime metalliche fino al collaudo e alla certificazione dei prodotti finiti. In breve, riassumendo:
- i metalli per la produzione dei fili conduttori vengono selezionati in base al tipo di termocoppia (rame e costantana per tipo T, platino e rodio per tipo S, etc.);
- i fili metallici vengono lavorati e ridotti di spessore fino ad ottenere diametri di 0.25-1 mm, attraverso i processi di laminazione a freddo o trafilatura;
- le estremità dei due fili metallici vengono saldate assieme per formare la giunzione calda; inoltre, su alcuni modelli di termocoppie vengono applicati rivestimenti isolanti (polimerici, ceramici, etc.) e/o cavi estrusi con rivestimenti esterni in PVC;
- vengono infine applicati i connettori elettrici alle estremità ed effettuati i collaudi.
Per le aziende produttrici di termocoppie, o di macchinari con sensori termici integrati, la costruzione interna dei componenti consente un maggiore controllo qualitativo e una potenziale riduzione dei costi. A tal proposito, le macchine per la laminazione dei metalli possono essere utilizzate per realizzare alcune componenti, in primis il filo metallico.
Il filo conduttore è il componente principale della termocoppia: la laminazione a freddo è un processo altamente preciso e automatizzato che consente di ridurre il filo fino alla sezione desiderata senza alterare le proprietà meccaniche e strutturali del metallo.
I treni di laminazione INVIMEC sono in grado di processare sia i metalli base che i metalli nobili, lavorando con elevata precisione ed affidabilità i fili metallici impiegati per la produzione di termocoppie.
