In un impianto di processo la temperatura è la grandezza più misurata e, spesso, la peggio installata. Un reattore, una linea di vapore o un forno di trattamento possono avere decine di punti di misura permanenti: ogni sensore è saldato a un pozzetto, cablato a un quadro e usato per regolare, allarmare e certificare il lotto. Quando una di queste sonde deriva di due o tre gradi nessuno se ne accorge subito: la conseguenza si vede a valle, in un prodotto fuori specifica o in un consumo energetico che cresce senza spiegazione.
Il principio fisico è semplice e vecchio di due secoli. La termocoppia sfrutta l’effetto Seebeck: due metalli diversi uniti a una estremità generano una tensione dell’ordine dei microvolt per grado, proporzionale alla differenza di temperatura fra giunto caldo e giunto di riferimento. La termoresistenza al platino, la Pt100, sfrutta invece la variazione regolare e nota della resistività del platino, 100 ohm a 0 °C con coefficiente 0,00385 ohm per ohm per grado. Due strade diverse, con compromessi diversi.
La scelta corretta non riguarda solo l’elemento sensibile. In impianto la sonda vive dentro una guaina, dentro un pozzetto termometrico, immersa in un fluido che la corrode e la fa vibrare, collegata a un trasmettitore o a un cavo lungo decine di metri. Termocoppie, Pt100 e sonde di processo: come scegliere significa decidere insieme elemento, guaina, immersione e catena di segnale, perché l’errore finale nasce quasi sempre dal montaggio e non dal sensore.
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Termocoppia o termoresistenza: il compromesso di partenza
La termocoppia copre campi molto ampi ed è meccanicamente robusta: il giunto può essere piccolo, risponde in fretta e sopporta shock termici che distruggerebbero un elemento al platino. Paga in accuratezza e in stabilità, perché la tensione generata è minuscola e ogni giunzione lungo la linea introduce un errore. La Pt100 offre accuratezza e stabilità superiori entro campi moderati, indicativamente da meno 200 a 600 °C, con una curva descritta da una norma e ripetibile fra sensori diversi. La regola pratica: sopra gli 800 °C, o dove il sensore è sacrificale, si va di termocoppia; nei campi di processo tipici di chimica, alimentare e farmaceutico la Pt100 è quasi sempre la scelta giusta.
Tipi di termocoppia e collegamento della Pt100
Il tipo K resta lo standard per uso generale fino a circa 1200 °C; il tipo J lavora bene alle temperature medie in atmosfere povere di ossigeno; il tipo T è la scelta per il freddo, fino a meno 200 °C, tipico di celle e criogenia leggera; il tipo N mantiene una deriva contenuta alle alte temperature dove il K invecchia; i tipi S e R, al platino-rodio, servono i forni e le tarature di riferimento oltre i 1400 °C. Sul fronte Pt100 conta il numero di conduttori: a due fili la resistenza del cavo si somma direttamente alla misura, e pochi ohm di linea valgono già parecchi gradi. Il collegamento a tre fili compensa la maggior parte di quell’errore, il quattro fili lo elimina ed è obbligatorio nelle misure di riferimento.
Guaina, pozzetto e profondità di immersione
Il pozzetto termometrico permette di estrarre e sostituire la sonda senza aprire il processo, ma aggiunge massa e quindi ritardo termico: una misura che seguiva il fluido in pochi secondi può impiegarne decine. Il materiale della guaina si sceglie sul fluido e sul rischio di corrosione, dall’acciaio inossidabile alle leghe al nichel fino alle guaine ceramiche nei forni. Due errori ricorrenti: la profondità di immersione insufficiente, che lascia il giunto troppo vicino alla parete e genera un errore da conduzione lungo lo stelo, con lettura tirata verso la temperatura ambiente; e le vibrazioni indotte dal flusso, che sollecitano il pozzetto alla sua frequenza propria e ne provocano la rottura per fatica, con perdita di fluido in pressione.
Trasmettitore in testa, classi di tolleranza e verifica periodica
Portare in quadro i millivolt di una termocoppia o i pochi ohm di una Pt100 su decine di metri espone il segnale ai disturbi elettromagnetici dell’impianto. Il trasmettitore montato nella testa della sonda converte subito la grandezza in 4-20 mA o in un segnale digitale, immune ai disturbi e diagnosticabile a distanza. Le prestazioni dichiarate valgono per una classe di tolleranza: la IEC 60584 definisce le classi delle termocoppie e le loro deviazioni ammesse, la IEC 60751 fa lo stesso per le Pt100 con le classi AA, A, B e C. L’elemento a film sottile costa meno ed è più compatto, l’avvolgimento in filo regge meglio le vibrazioni. Entrambi invecchiano: la verifica periodica in pozzetto calibratore, confrontando la sonda con un riferimento, misura la deriva prima che diventi un problema di qualità.
Termocoppie, Pt100 e sonde di processo: come scegliere senza sovradimensionare
Una sonda permanente ben scelta costa poco e dura anni; una sbagliata si paga in fermi impianto e in lotti da rilavorare. Il percorso è sempre lo stesso: si parte dal campo di temperatura e dall’incertezza realmente necessaria al controllo, si sceglie l’elemento, si dimensionano guaina e immersione sul fluido e sulla velocità, si decide dove convertire il segnale e si fissa l’intervallo di verifica. Rispetto a una misura affidata a strumenti portatili occasionali, il sensore installato dà continuità, tracciabilità e allarmi automatici.
Per il dettaglio delle configurazioni disponibili, degli attacchi al processo e delle classi di precisione, la pagina di riferimento è Termocoppie, Pt100 e sonde di processo.
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