In un forno di trattamento termico, in una linea di estrusione o in un reattore chimico la temperatura non è un dato di contorno: decide la microstruttura del pezzo, la resa della reazione e la vita dell’impianto. Un errore di pochi gradi ripetuto per settimane si traduce in scarti, ricicli e contestazioni. Il confronto fra i metodi di misura basati su termocoppie e le altre famiglie di sensori nasce proprio qui: prima di scegliere un sensore occorre sapere che cosa si guadagna e che cosa si perde.
La termocoppia sfrutta l’effetto Seebeck: due conduttori di lega diversa saldati a un’estremità generano, lungo il gradiente termico, una forza elettromotrice dell’ordine delle decine di microvolt per grado. Non serve alimentazione, la giunzione può essere ridotta a pochi decimi di millimetro e la risposta è rapidissima. In cambio il segnale è debole, non lineare e dipende dalla temperatura del punto in cui i fili di lega incontrano il rame della strumentazione.
Da questo compromesso discendono due confronti distinti, ed è utile tenerli separati. Il primo è interno alla famiglia: i tipi normalizzati K, J, T, N, E, S, R e B coprono campi e ambienti chimici molto diversi, con costi che cambiano di un ordine di grandezza. Il secondo è esterno: termoresistenza, termistore e misura senza contatto vincono o perdono a seconda del campo, dell’accuratezza richiesta e della distanza da coprire.
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Che cosa misura davvero una giunzione termoelettrica
Una termocoppia non misura la temperatura della giunzione calda, ma la differenza fra questa e il punto in cui il circuito torna al rame. La tensione utile nasce distribuita lungo il tratto di filo immerso nel gradiente, non nel punto di saldatura: da qui la sensibilità agli errori di immersione e la necessità di conoscere sempre la temperatura del giunto di riferimento, che va compensata elettronicamente o mantenuta nota. È un requisito, non un dettaglio, e vale per qualunque tipo si scelga. Le tabelle di conversione fra millivolt e gradi sono normalizzate dalla IEC 60584-1 e, con contenuti sostanzialmente allineati, dalla ASTM E230: usare le polinomiali corrette per il tipo impiegato è la prima condizione perché il confronto fra sensori diversi abbia senso.
Termocoppie: confronto metodi per la scelta del tipo normalizzato
I tipi a lega base coprono l’uso industriale corrente. Il tipo K arriva stabilmente oltre i mille gradi ed è il più diffuso, ma in atmosfera povera di ossigeno subisce l’ossidazione selettiva del cromo, con derive di alcuni gradi. Il tipo N è nato per ridurre proprio quel difetto e regge meglio i cicli prolungati. Il tipo J costa poco e lavora bene fino a circa 750 °C, ma il ramo in ferro si corrode in ambiente umido. Il tipo T è la scelta per il freddo, fino a temperature criogeniche, con buona ripetibilità; il tipo E offre la sensibilità più alta. I tipi a metallo nobile S, R e B raggiungono i 1600 °C e oltre, con ottima stabilità in ossidante, ma costano molto e sono fragili in atmosfera riducente o in presenza di vapori metallici.
Classi di tolleranza, derive e difetti che emergono in servizio
La IEC 60584-1 assegna a ciascun tipo le classi di tolleranza 1, 2 e 3, espresse come valore fisso oppure come percentuale della temperatura, a seconda di quale sia maggiore. Su un tipo K in classe 1 si parla di circa ±1,5 °C fino a 375 °C, poi dello 0,4 % della lettura; in classe 2 i valori raddoppiano. Sono tolleranze di fornitura del filo, non l’incertezza del sistema installato: a queste si sommano deriva termica, disomogeneità indotta dai cicli, resistenza di isolamento che crolla alle alte temperature e ogni giunzione spuria introdotta da morsettiere sbagliate. I difetti tipici sono lettura che scivola verso il basso dopo settimane in forno, rumore in presenza di inverter e valori incoerenti fra sensori gemelli.
Il confronto esterno: termoresistenza, termistore, misura senza contatto
La termoresistenza al platino, a film sottile o a filo avvolto, è l’avversario diretto nel campo industriale medio, da −200 a circa 600 °C: accuratezza e stabilità nel tempo migliori di un ordine di grandezza, segnale robusto, ma massa maggiore, quindi tempo di risposta più lento e minore resistenza agli urti sulla versione a filo. Il termistore offre sensibilità elevatissima e costo minimo su intervalli stretti attorno all’ambiente, con forte non linearità. La misura senza contatto elimina il contatto fisico e i tempi di risposta scendono ai millisecondi, ma introduce la dipendenza dalle proprietà radiative della superficie. Sul cablaggio il conto si ribalta: la termocoppia richiede cavo compensato dedicato per tutta la tratta, costoso e polarizzato, mentre la termoresistenza usa rame comune a tre o quattro fili anche per decine di metri.
Quando conviene la termocoppia e quando conviene cambiare sensore
Il quadro che emerge dal doppio confronto è netto. La termocoppia domina dove la termoresistenza non arriva, cioè sopra i 600-650 °C, e dove serve una risposta rapida su masse piccole o superfici in movimento: una giunzione esposta di piccolo diametro reagisce in frazioni di secondo. Domina anche in condizioni meccaniche severe, soprattutto nella costruzione a isolamento minerale coperta dalla IEC 61515, che permette di piegare la sonda, portarla a diametri di pochi millimetri e tenerla in pressione. Perde invece nel campo industriale medio, dove accuratezza, stabilità pluriennale e semplicità di cablaggio premiano la termoresistenza, e perde sui tratti lunghi per il costo del cavo compensato.
Per il quadro completo su costruzioni, guaine, tempi di risposta e criteri di installazione rimandiamo alla pagina di approfondimento dedicata alle Termocoppie.
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