Nonostante siano utilizzate in varie applicazioni della vita quotidiana ed il loro nome sia largamente conosciuto, le termocoppie sono uno piccolo strumento che, per la maggior parte della popolazione, è avvolto da un'alone di mistero. Di fatto la termocoppia è un sensore di temperatura il cui funzionamento è basato sull'effetto termoelettrico. Esse sono ampiamente utilizzate perché economiche, facilmente sostituibili, standardizzate e possono misurare un ampio intervallo di temperature. Il loro limite più grande è l'accuratezza, infatti tendono ad effettuare misurazioni con errori sistematici, anche se non troppo elevati.

La nascita di questo strumento è dovuta a Thomas Johann Seebeck, un fisico di provenienza estone, che nel 1821 scoprì come, in un circuito formato da due conduttori di natura differente e sottoposto a un gradiente di temperatura, si instaura una certa tensione. Questo fenomeno, chiamato effetto Seebeck è sfruttato dalle termocoppie.

Una termocoppia, quindi, è costituita da una coppia di conduttori elettrici di diverso materiale uniti tra loro in un punto. Questa giunzione è convenzionalmente chiamata giunto caldo o giunzione calda, ed è il punto nel quale viene applicata la temperatura da misurare. L'altra estremità, costituita dalle estremità libere dei due conduttori, è convenzionalmente chiamata giunto freddo o giunzione fredda. Quando esiste una differenza di temperatura tra la zona del giunto caldo e la zona del giunto freddo, in corrispondenza di quest'ultimo si può rilevare una differenza di potenziale elettrico, tanto maggiore tanto più alta è la temperatura. In alcune applicazioni si può, tramite un termistore o una termoresistenza, misurare la temperatura della giunzione fredda e utilizzarla per correggere elettricamente il segnale proveniente dalla termocoppia. In questo modo, qualsiasi sia la temperatura presente in tale zona, è come se il giunto freddo si trovasse alla temperatura di 0 °C. Quest'azione si chiama compensazione della temperatura ambiente ed assicura la massima precisione di misura.

Nella pratica la termocoppia è generalmente inserita all'interno di una guaina di protezione, che penetra all'interno dell'apparecchiatura della quale si vuole misurare la temperatura. Subito all'esterno, i due conduttori sono connessi ad una morsettiera di porcellana contenuta dentro una testina di protezione. La guaina tuttavia introduce un ritardo nella misura per variazioni rapide di temperatura e di ciò si deve tenere conto in fase di progettazione, nel caso in cui sia importante la rapidità della misurazione.

Ci sono ad esempio processi chimici, come i reattori di polimerizzazione del polietilene, dove la velocità di risposta della misura della temperatura è di fondamentale importanza per la conduzione in sicurezza dell'impianto. In questo caso la termocoppia ha una costruzione speciale. I due fili (molto sottili ed isolati elettricamente tra loro) sono contenuti in modo ermetico all'interno di una guaina di piccolo diametro, ed il giunto caldo fa parte dell'estremità di tale guaina.

Questa è saldata in modo ermetico a speciali guarnizioni, in modo che la sola estremità della termocoppia sia direttamente investita dal flusso dei prodotti di reazione che fluiscono ad alta velocità e temperatura, e ad una pressione di circa 2500 bar. Con questa realizzazione costruttiva si ha una misura di temperatura rapida ed affidabile e la durata delle termocoppie è abbastanza alta.
Un'altra applicazione, molto più comune, delle termocoppie, è quella di organo di sicurezza negli impianti a gas. In questo caso la differenza di potenziale creatasi con l'aumento della temperatura è utilizzata per eccitare un'elettrovalvola che apre o chiude il condotto del gas, evitando dispersioni nel caso di spegnimento accidentale della fiamma. Per questo utilizzo si prediligono sensori di piccole dimensioni, in quanto forniscono tempi di risposta più brevi.

I campi di utilizzo delle termocoppie sono tuttavia molto più numerosi di quelli sopracitati e, proprio per questo, sono disponibili varie combinazioni di metalli e tarature in base alle diverse applicazioni. Le tre tarature più comuni sono K, T e J, di cui il tipo K è il più diffuso, grazie al suo ampio intervallo di temperature di misura ed il suo basso costo. Esso ha un conduttore positivo Nichel-Cromo ed un conduttore negativo Nichel-Alluminio. Vi sono poi calibrazioni ad alte temperature R, S, B, G, C e D che offrono prestazioni fino a 2320 °C, ma sono costituite da metalli preziosi (platino/rodio e Tungsteno/renio) e quindi sono relativamente costose. Tuttavia, sebbene la calibrazione della termocoppia determini l'intervallo di temperatura per cui essa puù essere utilizzata, la portata massima è comunque limitata dal diametro del filo utilizzato al suo interno, che, se troppo sottile, potrebbe non raggiungere l'intervallo di temperature.

Un congegno molto semplice, che però, proprio grazie alla sua semplicità, è riuscito a conquistarsi una notevole importanza, entrando nelle case di tutto il mondo.

Ing. Alfero Daniele
Professional Team
Collaboratore Tecnico