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Principi di misura della temperatura

Perché è importante la misura della temperatura?

Misurare la temperatura è importante perché ha un ruolo fondamentale sulla qualità del prodotto finale e sulla sicurezza dell'impianto. Infatti la temperatura può avere un impatto significativo ad esempio su diversi stati, come il gusto, la viscosità, la densità, la solubilità e lo stato di aggregazione di un prodotto.

In questo contesto, sorge il dubbio sulla definizione stessa di temperatura. In poche parole, la temperatura può essere definita come la grandezza fisica dell'energia termica, che misura il livello di energia cinetica nelle particelle. Quanto maggiore è l'energia cinetica della particella, tanto maggiore sarà la temperatura e viceversa.

Come si misura la temperatura nelle applicazioni industriali?

Esistono diversi dispositivi di misura della temperatura per l'uso in aree industriali. I sensori più utilizzati sono i termometri bimetallici, i termometri industriali con termocoppia o rilevatori di temperatura, noti anche come RTD e i trasmettitori di temperatura.

Termometri bimetallici

I termometri bimetallici, noti anche come sensori di temperatura, sono formati da due diversi metalli con diversi coefficienti di espansione. Quando vengono riscaldati, un metallo si espande di più dell'altro, provocando una deformazione. La deformazione viene trasferita meccanicamente per spostare una lancetta su un quadrante, dove è possibile misurare la temperatura e leggere la scala. I termometri bimetallici sono una soluzione eccellente e conveniente per la misurazione in locale con indicazione della temperatura.

Figura 1 - Costruzione di un termometro bimetallico

Figura 1 - Costruzione di un termometro bimetallico

Vai ai termometri bimetallici


Termometri bimetallici - vantaggi:

  • Economici e affidabili
  • Non richiedono un alimentatore
  • Buona opzione per un'indicazione locale

Termometri bimetallici - limiti:

  • Le parti mobili interne possono richiedere manutenzione nel tempo
  • Nel tempo potrebbero essere necessari una ritaratura e una correzione
  • Nessun segnale di uscita

Termocoppie

Figura 2 - Funzionamento delle termocoppie

Figura 2 - Funzionamento delle termocoppie

Le termocoppie funzionano secondo l'effetto Seeback, secondo cui una coppia di cavi di due conduttori elettrici di diversi materiali vengono congiunti in un punto, chiamato giunto caldo. Tra i due cavi è possibile misurare la tensione, in relazione alla temperatura rilevata, questo punto è chiamato giunto freddo. Le termocoppie sono realizzate in materiali diversi, con diversi nomi e progettate per diversi intervalli di temperatura.

Tipo K (chromel-alumel) è la termocoppia più comune, un sensore economico ma affidabile con intervallo di temperatura tra -200 e 1300 °C. Per le applicazioni più esigenti con temperature più alte, le termocoppie realizzate in leghe nobili con platino e rodio, come le termocoppie di tipo B, R e S possono misurare temperature superiori a 1700 °C.

Le termocoppie richiedono cavi speciali. Se il collegamento è realizzato con un cavo o un materiale diverso dalla termocoppia, il collegamento tra la termocoppia e il cavo crea un'altra termocoppia, che a sua volta produce una tensione, provocando errori nel valore misurato. Per questo motivo, le prolunghe delle termocoppie e i cavi di compensazione devono essere specifici per questo scopo. Per le lunghe distanze, il cablaggio speciale può essere costoso e il sistema soggetto a interferenze. Per questo motivo si raccomanda di usare un trasmettitore di temperatura vicino al sensore che trasmette la temperatura misurata con un segnale di telemetria standardizzato e robusto, come 4-20 mA, 0-10 V, o protocolli di comunicazione digitali.


Vantaggi delle termocoppie:

  • Economici e affidabili
  • Diverse versioni per diversi intervalli di temperatura
  • Supportano temperature più alte rispetto a RTD
  • Risposta più rapida rispetto a RTD
  • Possono essere collegati a un trasmettitore di temperatura

Limiti delle termocoppie:

  • Segnale non lineare
  • Segnale di bassa tensione suscettibile a rumore elettrico
  • Richiede un cablaggio speciale
  • La precisione potrebbe calare nel tempo, con la necessità di una ri-taratura

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Rilevatori a termoresistenze

I rilevatori con termometri di resistenza, noti anche come termometri di resistenza o semplicemente RTD, sono sensori di temperatura realizzati i metallo, sui quali la resistenza elettrica cambia sulla base della temperatura. Con la relazione tra temperatura e resistenza elettrica è possibile misurare la temperatura. Il materiale più comune per RTD è il platino, che si trova su RTD Pt100 e Pt1000, che fornisce un valore di resistenza ben definito, stabile e lineare. Tuttavia è anche possibile usare materiali economici sugli RTD, come rame e nichel.

Gli RTD possono avere costruzioni diverse a seconda del fabbricante e del modello. Le forme più comuni sono RTD con avvolgimento cavo e RTD a pellicola sottile. Gli RTD con avvolgimento cavo sono più precisi e possono funzionare con un intervallo di temperatura più ampio. Sono però più cari e meno resistenti alle sollecitazioni meccaniche rispetto agli RTD a pellicola sottile. Gli RTD a pellicola sottile sono anche più compatti e hanno una risposta migliore sulla punta del sensore.

Figura 3 - RTD con avvolgimento cavo (sinistra); RTD a pellicola sottile (destra)

Figura 3 - RTD con avvolgimento cavo (sinistra); RTD a pellicola sottile (destra)

Gli RTD sono disponibili con configurazioni a 2, 3, o 4 fili. Negli RTD viene misurata la resistenza del sensore. Tuttavia, a resistenza del cavo si somma alla resistenza del sensore e può avere un impatto significativo sulla precisione a seconda della distanza del cavo. Gli RTD a 3 e 4 cavi sono stati progettati per essere cablati in un circuito elettrico a compensazione che compensa la resistenza del cavo, diminuendone l'impatto sulla misura, laddove una versione a 4 cavi sarebbe la più precisa di tutti. In ogni caso si raccomanda di usare un trasmettitore di temperatura vicino al sensore per collegare i sensori su grandi distanze. In questo modo, la resistenza elettrica del cablaggio non interferirà con il valore misurato.

Scopri le termoresistenze


Vantaggi degli RTD:

  • Più precisi delle termocoppie
  • Più lineari e stabili rispetto alle termocoppie
  • Possono essere collegati a un trasmettitore di temperatura
  • Non richiedono cablaggi speciali

Limiti degli RTD:

  • Più costosi rispetto alle termocoppie
  • Solitamente progettati per temperature inferiori a 600 °C
  • La resistenza del cavo può interferire con il valore misurato

Pozzetti

Sono impiegati pozzetti per proteggere il sensore di temperatura da abrasione, corrosione, vibrazione e impatto meccanico. Il pozzetto in sostanza è un tubo con un'estremità chiusa che serve per attacco per la sonda di temperatura. Oltre a proteggere il sensore di temperatura, consente anche la rimozione o la sostituzione di un sensore senza dover fermare il processo.

Per la scelta di un pozzetto è importante considerare alcuni aspetti, quali il diametro esterno e interno, la lunghezza, il materiale, il collegamento di processo e la forma, che devono essere compatibili con il sensore che verrà inserito.

Scopri i pozzetti

Figura 4 - Sonda di temperatura e pozzetto

Figura 4 - Sonda di temperatura e pozzetto


Vantaggi dei pozzetti:

  • Offre resistenza meccanica al sensore
  • I sensori possono essere rimossi o sostituiti senza dover arrestare il processo

Limiti del pozzetto:

  • Aumenta il tempo di risposta del sensore
  • Aumenta la perdita di pressione per via dell'ingombro maggiore

Trasmettitori di temperatura

Figura 5 - Trasmettitore in testa (sinistra), trasmettitore su guida DIN (destra)

Figura 5 - Trasmettitore in testa (sinistra), trasmettitore su guida DIN (destra)

I trasmettitori di temperatura vengono utilizzati per trasmettere il segnale di misura su lunghe distanze con segnale telemetrico standardizzato come 4-20 mA o protocolli di comunicazione digitali, molto robusti e resistenti al rumore elettrico. I termometri compatti possono avere un trasmettitore di temperatura integrato, ma è possibile collegare un sensore indipendente a trasmettitori per guida DIN e teste trasmettitrici, compatibili con la maggior parte delle termocoppie dei tipi RTD.

Alcuni modelli di trasmettitori di temperatura consentiranno anche la parametrizzazione, la taratura, la diagnostica integrata e altre funzionalità.

Scopri i trasmettitori per guida DIN e teste trasmettitrici


Trasmettitori di temperatura - vantaggi.

  • Segnale telemetrico industriale robusto per lunghe distanze
  • Offre parametrizzazione, taratura e diagnostica a seconda del modello
  • Compatibile con una vasta gamma di sensori di temperatura

Trasmettitori di temperatura - limiti:

  • Costo aggiuntivo

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Come scegliere un dispositivo di misura della temperatura industriale?

Ci sono diversi fattori che possono influire sulla scelta di un sensore di temperatura, inoltre, visti tutti gli aspetti tecnici da considerare, fare la scelta giusta potrebbe essere un processo lungo e complicato. Ad ogni modo, rispondendo ad alcune domande guida, è possibile avere un'idea più chiara sulla scelta.

1) Qual è l'applicazione?

È importante sapere qual è l'applicazione, ad es. se si deve misurare la temperatura di liquidi e gas in un tubo o in un serbatoio o la temperatura ambiente in una stanza o anche la temperatura ambiente su una superficie. Ogni sensore è progettato per un compito specifico e potrebbe non funzionare bene se non usato per lo scopo per cui è progettato. Per questo motivo è importante verificare che il sensore sia adatto all'applicazione.

2) Quale intervallo di temperatura è richiesto?

Ogni sensore di temperatura è progettato per funzionare entro un intervallo di temperatura. Se applicato al di fuori dei limiti di temperatura, si rischiano imprecisioni, difetti di funzionamento e anche danneggiamenti.

3) Quali sono la precisione e il tempo di risposta necessari?

Sui sensori di temperatura sono indicate diverse classi di precisione e tempi di risposta. Pertanto, è importante controllare se il sensore scelto risponde ai requisiti di processo.

4) Quali sono le condizioni di installazione?

Le sonde di temperatura possono avere diverse lunghezze di inserimento, diametro della sonda e collegamenti di processo. Per questo motivo, vale la pena controllare se il sensore selezionato ha dimensioni e collegamenti compatibili con il luogo di installazione.

Sono necessarie maggiori informazioni sui misuratori della temperatura?

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