Fili di estensione e compensazione per termocoppie: estensione della portata del rilevamento della temperatura

Nella misurazione della temperatura industriale, le termocoppie regnano sovrane per la loro ampia portata, robustezza e velocità. Tuttavia, sorge una sfida fondamentale: la giunzione termosensibile deve trovarsi nel punto di misurazione (ad esempio, all'interno di un forno), mentre lo strumento di misura costoso e sensibile (trasmettitore, PLC) deve essere posizionato in un ambiente sicuro e controllato, spesso a molti metri di distanza. Collegarli direttamente con un normale filo di rame introdurrebbe nuove giunzioni termoelettriche indesiderate, creando enormi errori di misurazione. È qui che entrano in gioco i cavi di prolunga e compensazione per termocoppie: cavi specializzati progettati per trasmettere in modo accurato ed economico il segnale in millivolt dalla termocoppia al dispositivo di lettura senza distorcerlo.

La scienza fondamentale: preservare il campo elettromagnetico termoelettrico

Il principio si basa sull'effetto Seebeck: una termocoppia genera una piccola tensione (fem) in base alla differenza di temperatura tra il suo giunto caldo (punto di misura) e il suo giunto freddo (punto di riferimento, tipicamente sullo strumento). La funzione principale del filo di prolunga/compensazione è quella di spostare il giunto freddo effettivo dalla testa della termocoppia ai terminali dello strumento.

• Filo ideale: In un mondo perfetto, il filo di prolunga sarebbe realizzato con gli stessi metalli della termocoppia stessa (ad esempio, Chromel e Alumel per il tipo K). Questo filo è chiamato filo di prolunga. È essenzialmente una versione più lunga e senza giunzioni della termocoppia.

• Filo pratico ed economico: Per i tipi di termocoppia più comuni (come K, J, T, E), realizzare cavi molto lunghi con le stesse, spesso costose, leghe per termocoppia è proibitivo. In alternativa, si utilizza il filo di grado compensatore. È realizzato con metalli diversi ed economici (ad esempio, rame e una lega di rame-nichel) accuratamente progettati per imitare le proprietà termoelettriche dei metalli delle termocoppie reali solo in un intervallo di temperatura limitato e inferiore (tipicamente 0-200 °C).

Definizioni chiave: filo di estensione vs. filo di compensazione

Questa distinzione critica si basa sui materiali e sull'applicazione:

• Cavo di prolunga: Ha conduttori della stessa composizione nominale della coppia di termocoppie (ad esempio, il filo di tipo KX utilizza Chromel e Alumel). Può essere utilizzato nell'intero intervallo di temperatura della termocoppia e viene in genere utilizzato nella zona più calda più vicina al sensore. È più costoso.

• Filo di compensazione: Presenta conduttori di diversa composizione che producono una relazione campo elettromagnetico-temperatura simile a quella della termocoppia, ma solo a temperature ambiente inferiori. È progettato per la zona di temperatura ambiente compresa tra la testa della termocoppia e lo strumento. È più economico per lunghe percorrenze.

Anatomia del cavo: più di due fili

Un cavo termocoppia adeguato è un sistema assemblato con cura:

• Coppia di conduttori: I due fili isolati, ciascuno realizzato nella lega specifica per il tipo di termocoppia (K, J, T, ecc.). La polarità è fondamentale e viene rispettata tramite codifica a colori (standardizzata a livello internazionale: ad esempio, il positivo di tipo K è verde, il negativo è bianco secondo IEC 60584-3).

• Isolamento individuale: PVC, PTFE (Teflon) o fibra di vetro con codice colore, scelti in base alla temperatura nominale e alla resistenza chimica.

• Scudo complessivo: Spesso viene inclusa una schermatura in rame intrecciato o in lamina di alluminio per proteggere il delicato segnale in millivolt dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) generate da motori, azionamenti e linee elettriche.

• Giacca esterna: Fornisce protezione meccanica. I materiali più comuni includono PVC, PUR (per resistenza a olio/flessione) o FEP (per elevata resistenza al calore e agli agenti chimici).

Selezione e installazione: garantire la precisione

La scelta del filo corretto è fondamentale per l'integrità della misurazione:

• Abbina il tipo di termocoppia: Una termocoppia di tipo K deve utilizzare un filo di tipo KX (estensione) o di tipo KC (compensazione). La combinazione di tipi diversi garantisce errori ampi e imprevedibili.

• Comprendere le zone di temperatura: Utilizzare il grado di estensione per qualsiasi parte del percorso esposta ad alte temperature (ad esempio, vicino alla fornace). Utilizzare il grado di compensazione per percorsi lunghi attraverso canaline portacavi in ​​condizioni ambientali ambientali.

• Rispettare i limiti di temperatura: Non esporre mai il filo di compensazione a temperature prossime al punto di misura del processo. La sua imitazione calibrata non funziona a temperature più elevate, introducendo errori.

• Polarità e connessioni: Assicurare la corretta polarità (positivo-positivo) in tutti i punti di collegamento (testa, scatole di giunzione, strumento). Utilizzare connettori per termocoppie o morsettiere dedicati per evitare la creazione di giunzioni parassite con metalli diversi.

• Schermatura e instradamento: In ambienti elettricamente rumorosi, utilizzare sempre cavi schermati e posizionarli lontano dai cavi di alimentazione, preferibilmente in canaline o condotti separati.

Applicazioni comuni: dove la precisione è fondamentale

Questi fili sono onnipresenti nelle industrie di processo:

• Petrolchimica e raffinazione: Collegamento delle termocoppie di forni, reattori e colonne di distillazione alle sale di controllo distanti centinaia di metri.

• Produzione di energia: Estensione dei segnali provenienti dai sensori di caldaie, turbine e condotte del vapore.

• Lavorazione farmaceutica e alimentare: In ambienti igienici in cui gli strumenti si trovano all'esterno delle camere bianche o delle aree di lavaggio.

• Produzione di materie plastiche e semiconduttori: Per il controllo preciso della temperatura di estrusori, stampi e forni a diffusione.

I cavi di estensione e compensazione delle termocoppie non sono semplici conduttori elettrici; sono componenti calibrati del sistema di misurazione della temperatura stesso. Un errore nella loro selezione o installazione – un tipo non corrispondente, polarità invertita o surriscaldamento – si traduce direttamente in una lettura errata della temperatura, che può portare a scarsa qualità del prodotto, spreco di energia o persino incidenti di sicurezza. Grazie alla comprensione della loro scienza, al rispetto della distinzione tra gradi di estensione e compensazione e all'adozione di rigorose procedure di installazione, gli ingegneri garantiscono che i preziosi dati generati a livello del giunto caldo vengano trasmessi fedelmente al controller, mantenendo l'integrità dell'intero ciclo di controllo del processo.