Compensazione del giunto freddo

In un reparto di processo la lettura di temperatura arriva quasi sempre da un circuito che misura una differenza, non un valore assoluto. Quando due conduttori di lega diversa vengono uniti, la tensione che si legge ai capi dipende dal salto termico fra il punto di misura e il punto in cui il circuito torna al rame dello strumento. Ignorare quel secondo punto significa sbagliare la lettura di quanto vale la temperatura del morsetto, spesso decine di gradi.

Da qui nasce il tema della compensazione del giunto freddo: rendere noto, o rendere costante, il riferimento termico del circuito, in modo che la tensione misurata possa essere convertita in una temperatura assoluta. Le tabelle di conversione delle norme di riferimento sono infatti costruite ipotizzando il giunto di riferimento a 0 °C: se il morsetto sta a 27 °C e nessuno lo dice allo strumento, l’errore si trasferisce integralmente sul risultato.

Le strade praticabili sono diverse e non equivalenti: il bagno di ghiaccio fondente del laboratorio, il sensore interno allo strumento, il blocco isotermico esterno, il giunto remoto in armadio climatizzato, oppure la scelta di cambiare tecnologia di sensore. Ognuna costa qualcosa in incertezza, in tempo di posa o in denaro, e conviene sceglierla guardando l’ambiente reale in cui lo strumento lavora.

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Perché il giunto di riferimento decide la lettura

Il principio in gioco è la generazione di una forza elettromotrice lungo un conduttore sottoposto a gradiente termico: quello che si misura ai morsetti è il contributo netto dei due materiali fra estremo caldo ed estremo freddo. Non esiste, in questa catena, una lettura che sia già assoluta. La grandezza utile è sempre una differenza, e diventa temperatura solo quando si somma il valore del punto di riferimento.

Ne discende una conseguenza pratica spesso sottovalutata: la stabilità del riferimento pesa quanto la qualità del sensore. Una catena con tolleranza di classe stretta, montata su un morsetto la cui temperatura oscilla di qualche grado nell’arco della giornata, restituisce un dato che oscilla della stessa quantità. L’incertezza del riferimento entra nel bilancio come termine additivo, non come errore relativo, quindi pesa uguale a 50 °C e a 900 °C.

Bagno di ghiaccio e blocco isotermico: i riferimenti fisici

Il ghiaccio fondente in equilibrio con acqua distillata a pressione ambiente resta a 0 °C con ottima ripetibilità: è il riferimento storico e, se preparato bene, ancora il più accurato fra quelli accessibili senza strumentazione dedicata. Il vaso Dewar riempito di ghiaccio tritato e acqua, con i giunti immersi in provette isolate, elimina di fatto il termine di incertezza del riferimento. Il limite è ovvio: richiede preparazione, sorveglianza e un banco, quindi vive in laboratorio e non su un impianto.

Il blocco isotermico esterno è la versione ingegnerizzata della stessa idea. Un corpo metallico di grande massa termica porta tutti i giunti alla stessa temperatura, misurata da un sensore resistivo interno; il valore viene poi sommato per via elettronica. Non pretende di stare a zero, pretende di essere uniforme e di conoscersi. È la soluzione tipica dei banchi di verifica multicanale, dove decine di catene devono condividere lo stesso riferimento senza gradienti fra un morsetto e l’altro.

Compensazione elettronica interna e giunto remoto

Nella stragrande maggioranza degli strumenti da campo il riferimento è interno: un sensore, montato il più vicino possibile alla morsettiera, misura la temperatura del punto in cui le leghe incontrano il rame e il firmware corregge la lettura. È comoda, immediata e non richiede nulla all’operatore, ma eredita due debolezze. La prima è il gradiente fra sensore e morsetto reale: se il connettore è esposto a una fonte di calore, o se l’elettronica scalda da un lato, i due punti non sono alla stessa temperatura e la differenza finisce nel dato.

La seconda è il transitorio. Uno strumento portato da un magazzino freddo a un reparto caldo impiega parecchi minuti a mettersi in equilibrio: durante quel tempo la compensazione insegue e la lettura deriva. La soluzione del giunto remoto sposta il problema dove può essere governato: le leghe corrono in cavo di compensazione fino a un armadio climatizzato, e l’ingresso avviene in un ambiente a temperatura controllata, lontano dai transitori del campo.

Che cosa dicono le norme sulle tolleranze di catena

La IEC 60584 definisce le funzioni di riferimento tensione-temperatura delle termocoppie normalizzate e le classi di tolleranza applicabili al sensore; la ASTM E230 riporta le corrispondenti tabelle e limiti di errore nella pratica statunitense. Entrambe partono da un dato non negoziabile: le tabelle valgono con giunto di riferimento a 0 °C. Qualunque architettura di compensazione è quindi un modo di riportarsi a quella condizione, e la sua incertezza va sommata alla tolleranza di classe del sensore.

Questo cambia il modo di scrivere una specifica. Dichiarare una classe di tolleranza stretta senza dichiarare l’incertezza del riferimento è una specifica incompleta: se il sensore vale ±1,5 °C e la compensazione interna vale ±1 °C, il bilancio della catena non è quello del sensore. Nelle verifiche periodiche conviene per questo esercitare separatamente i due contributi, simulando il segnale ai morsetti e poi confrontando la catena completa contro un riferimento noto.

Compensazione del giunto freddo: confronto fra metodi e criteri di scelta

I criteri utili sono cinque, e vanno pesati insieme. L’incertezza aggiunta premia il bagno di ghiaccio e il blocco isotermico; la praticità in campo premia la compensazione interna; il gradiente sulla morsettiera penalizza gli strumenti compatti con molti canali ravvicinati; il comportamento nei transitori penalizza chiunque cambi ambiente in fretta e favorisce il giunto remoto climatizzato; il costo, infine, ordina le opzioni in senso quasi inverso al primo criterio. In banco di taratura si sceglie l’accuratezza, in impianto si sceglie la stabilità dell’ambiente di ingresso.

Resta un’alternativa che il confronto non deve dimenticare: rinunciare al problema. Una termoresistenza misura una grandezza che non dipende da alcun giunto di riferimento, e su intervalli moderati offre stabilità migliore a parità di costo di catena; paga in tempo di risposta e in temperatura massima. Quando il campo di misura lo consente, sostituire la tecnologia è spesso più economico che irrigidire il riferimento.

Per gli aspetti costruttivi del riferimento, i cavi di compensazione e le verifiche periodiche, la trattazione completa è nella pagina Compensazione del giunto freddo.

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