Termocoppie, Pt100 e sonde: 5 errori

Sul pannello di regolazione il valore è 182 °C. Lo era ieri, lo era il mese scorso, e la registrazione mostra una linea pulita che oscilla di qualche decimo. Nessun allarme, nessun salto, nessuna incoerenza fra i due rami dell’impianto. Poi qualcuno infila una sonda di riferimento nello stesso pozzetto e legge 176 °C. Il numero sul pannello non era rumoroso: era semplicemente sbagliato, e lo era in modo stabile e ripetibile.

È la differenza sostanziale fra un sensore portatile e un sensore di processo. Il primo si appoggia, si legge e si toglie: se sbagli, sbagli quella misura. Il secondo viene installato una volta sola e resta in posizione per anni, saldato a un pozzetto, cablato a una morsettiera dentro un quadro che nessuno riapre. Ogni difetto commesso durante il montaggio diventa una componente sistematica permanente del segnale, che l’impianto incorpora come se fosse la realtà e sulla quale poi regola, documenta e certifica.

Gli errori che seguono non riguardano lo strumento portatile né la gestione della taratura come processo aziendale. Riguardano il collegamento fisico e termico fra il sensore e il fluido, cioè il punto in cui il segnale viene generato. Sono cinque, sono distinti fra loro, e hanno in comune una caratteristica sgradevole: nessuno di essi produce un dato palesemente assurdo. Producono numeri credibili. Le norme di riferimento sono UNI EN 60584 per le termocoppie, UNI EN 60751 per le Pt100, UNI EN 61515 per le sonde a isolamento minerale e UNI EN ISO 10012 per la conferma metrologica.

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Errori di cablaggio: termocoppie e Pt100 nelle sonde installate sul processo

Il primo errore è il cavo. Una termocoppia non trasporta una tensione generata sulla punta: genera una forza elettromotrice lungo tutto il tratto in cui esiste un gradiente termico. Se il prolungamento non è del tipo corretto — cavo di rame al posto del compensato, oppure compensato di tipo K su una termocoppia J — nasce una seconda giunzione nel punto di transizione e la lettura acquisisce un errore che dipende dalla temperatura della morsettiera. In inverno il quadro è freddo, in estate scalda, e il valore si sposta senza che il processo sia cambiato. Anche l’inversione di polarità rientra qui: raddoppia l’errore invece di annullarlo, e non sempre è visibile perché il segno resta plausibile. Si riconosce misurando il pezzo con un riferimento indipendente in due stagioni diverse, o scaldando la morsettiera e osservando se il valore si muove. Si evita usando cavo conforme a UNI EN 60584, del tipo e della classe della termocoppia, rispettando i colori e proseguendo lo stesso tipo fino al morsetto di ingresso.

Pt100 a due fili su tratte lunghe: la resistenza del cavo entra nella lettura

La termoresistenza al platino misura una resistenza, e il trasmettitore non sa distinguere quella dell’elemento sensibile da quella del conduttore che glielo porta. Con il collegamento a due fili la resistenza dell’intera tratta di andata e ritorno si somma a quella del sensore. Una coppia di conduttori da 0,5 mm² lunga cinquanta metri aggiunge qualche ohm, e su una Pt100 un ohm vale circa 2,6 °C: l’impianto legge stabilmente qualche grado in più del vero. L’offset non oscilla, non genera allarmi e sopravvive a qualsiasi controllo di plausibilità. Peggiora leggermente d’estate, perché anche il rame ha il suo coefficiente di temperatura. Si riconosce confrontando due sonde nominalmente identiche con lunghezze di cavo molto diverse, oppure cortocircuitando la sonda in campo e leggendo la resistenza residua. Si evita adottando il collegamento a tre o quattro fili previsto da UNI EN 60751, o portando il trasmettitore in testa alla sonda e trasmettendo un segnale già convertito.

Profondità di immersione insufficiente: quanto stelo deve stare nel fluido

Il pozzetto scelto è corto, oppure la tubazione è di piccolo diametro e la sonda entra per pochi centimetri. La guaina metallica, però, è un ottimo conduttore: dalla punta il calore risale verso la flangia e da lì si disperde nell’ambiente. La punta non raggiunge mai la temperatura del fluido, e il valore letto è una media pesata fra processo e attacco meccanico. In un impianto caldo la sonda legge meno del vero; in una cella frigorifera legge di più. Il difetto si riconosce dalla sua firma: la lettura cambia se si coibenta l’attacco esterno, oppure segue lentamente la temperatura del locale tecnico invece che quella del fluido. La buona pratica per le sonde a isolamento minerale trattate da UNI EN 61515 è una profondità immersa pari ad almeno dieci volte il diametro della guaina, aumentata quando il fluido è un gas o è poco mosso, con installazione in curva o inclinata dove il diametro non basta.

Intercapedine d’aria nel pozzetto: la risposta rallenta e i transitori spariscono

Fra l’inserto e la parete interna del pozzetto resta quasi sempre un gioco. Se quel volume rimane pieno d’aria, si comporta da isolante e introduce una costante di tempo aggiuntiva che può valere decine di secondi. A regime l’errore è piccolo e infatti il valore stazionario resta corretto: è questo che rende il difetto invisibile. Il danno è nei transitori. Il picco di un ciclo termico viene troncato, la salita appare più dolce di quanto sia, e il regolatore PID viene tarato su una dinamica che il processo non ha, con oscillazioni che nessuno riesce a spiegare. Si riconosce confrontando la risposta a un gradino con quella di una sonda affiancata di massa ridotta, o osservando che i cicli registrati sono sistematicamente più smussati del previsto. Si evita accoppiando inserto e pozzetto con tolleranza stretta e riempiendo il gioco con pasta o olio conduttivi compatibili con la temperatura di esercizio.

Deriva e contaminazione: il segnale che invecchia restando plausibile

L’ultimo errore è il tempo. Una termocoppia esposta per anni ad alta temperatura si decalibra: i termoelementi si ossidano, migrano elementi in lega, l’atmosfera del forno contamina il metallo e la curva caratteristica si allontana dalla tabella di UNI EN 60584. Nelle sonde a isolamento minerale l’umidità assorbita dall’ossido di magnesio abbassa la resistenza di isolamento e crea uno shunt che devia una parte del segnale, con effetto tanto più marcato quanto più il sensore è caldo. In entrambi i casi la deriva è lenta, monotona e priva di discontinuità: il numero resta nell’intervallo atteso e nessun allarme scatta. Si riconosce solo con un confronto periodico in situ contro un riferimento immerso nello stesso pozzetto, o con la misura della resistenza di isolamento a freddo.

La contromisura organizzativa è quella prevista da UNI EN ISO 10012: intervalli di conferma metrologica definiti in base alla severità del servizio, non uguali per tutti, e una regola scritta di sostituzione preventiva per i sensori in servizio gravoso. La scelta della classe di tolleranza, del diametro della guaina, del materiale e del tipo di collegamento va fatta prima del montaggio, perché dopo resta lì per anni.

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