Letture imprecise della temperatura della termocoppia? È tutto causato dalle fluttuazioni della temperatura della giunzione fredda!

Nella produzione industriale quotidiana, le termocoppie, in quanto veterane nella misurazione della temperatura, sono ampiamente utilizzate in vari ambienti ad alta-temperatura. Tuttavia, molti ingegneri incontrano un grattacapo: risultati di misurazione imprecisi. La causa principale, nel 90% dei casi, risiede nella "compensazione della temperatura del giunto freddo".

I. Perché è necessaria la compensazione della giunzione fredda?

La misurazione della temperatura tramite termocoppia si basa sull'"effetto termoelettrico": quando due metalli diversi formano un circuito, maggiore è la differenza di temperatura tra le due estremità, più forte è il potenziale termoelettrico generato (segnale mV). Tuttavia, c'è una premessa nascosta: la tabella di calibrazione della termocoppia è impostata a una temperatura del giunto freddo t₀=0 gradi!

Se la temperatura della giunzione fredda (solitamente nella scatola di giunzione) si discosta da 0 gradi, il potenziale termoelettrico introdurrà un errore. Ad esempio, con una termocoppia di tipo K, per ogni aumento di 10 gradi della temperatura del giunto freddo, l'errore di misurazione aumenta di circa 2,5 gradi. Supponendo che la temperatura effettiva della giunzione fredda sia di 30 gradi, ma il sistema imposta automaticamente t₀=0 gradi, quando si misura un oggetto a 100 gradi, il valore visualizzato potrebbe essere solo 70 gradi, un errore fino a 30 gradi!

Una volta in un impianto chimico si è verificato un guasto alla compensazione della giunzione fredda in cui il DCS mostrava 800 gradi, mentre la temperatura effettiva del forno di pirolisi aveva raggiunto i 950 gradi, causando il surriscaldamento e la deformazione dei tubi del forno, con conseguenti gravi perdite.

II. Metodi comuni di compensazione della giunzione fredda

Per risolvere il problema delle fluttuazioni della temperatura della giunzione fredda, vengono comunemente utilizzati i seguenti metodi:

1. Metodo del filo di compensazione (più comunemente usato)

Il nucleo del metodo del filo di compensazione consiste nell'utilizzare fili metallici economici con le stesse caratteristiche termoelettriche delle termocoppie per estendere la giunzione fredda dalla zona ad alta-temperatura alla sala di controllo a temperatura-stabile (ad esempio, 25 gradi ±5 gradi).

Precauzioni: il cavo di compensazione deve corrispondere al tipo di termocoppia (ad esempio, termocoppia di tipo K- con cavo di compensazione KX) e prestare attenzione a "positivo con positivo, negativo con negativo". Una volta una centrale elettrica ha subito un errore di valutazione della temperatura della turbina superiore a 100 gradi a causa dei collegamenti dei cavi di compensazione invertiti. La lunghezza del filo di compensazione non deve generalmente superare i 15 metri; in caso contrario, si dovrebbe prendere in considerazione un trasmettitore di temperatura.

2. Metodo di compensazione del ponte

Quando la temperatura della giunzione fredda fluttua in modo significativo (ad esempio, nelle installazioni esterne), i cavi di compensazione potrebbero non essere sufficienti. Il metodo di compensazione del ponte utilizza un ponte sbilanciato per generare tensione, compensando gli effetti delle variazioni di temperatura della giunzione fredda.

Note importanti: il punto di equilibrio del ponte di compensazione deve essere impostato su 0 gradi e l'alimentazione deve essere stabile (fluttuazione inferiore o uguale allo 0,1%); in caso contrario verranno introdotti nuovi errori. Un'acciaieria ha riscontrato un errore di misurazione della temperatura superiore a 15 gradi a causa delle fluttuazioni dell'alimentazione elettrica. Si consiglia di calibrare almeno una volta all'anno.

3. Metodo del bagno di ghiaccio (comunemente utilizzato nei laboratori)

La giunzione fredda della termocoppia è collocata in una miscela di acqua e ghiaccio- per garantire una temperatura costante di 0 gradi. Questo metodo offre un'elevata precisione ma è costoso e scomodo da mantenere, adatto principalmente per misurazioni di precisione nei laboratori.

4. Metodo di correzione del calcolo

Viene misurata la temperatura effettiva della giunzione fredda TH e la correzione viene calcolata utilizzando la formula EAB(T,0)=EAB(T,TH) + EAB(TH,0). Questo metodo è adatto per sistemi automatizzati o per la misurazione della temperatura-basata su computer.

5. Metodo di compensazione del software

Nei moderni sistemi di misurazione della temperatura, sensori come i termistori monitorano la temperatura della giunzione fredda e il segnale viene immesso in un computer per la correzione automatica tramite algoritmi software. Questo metodo è flessibile e accurato, particolarmente adatto per la misurazione della temperatura su più-punti.

III. Come scegliere il metodo di compensazione più affidabile ed economico?

La scelta di un metodo di compensazione della giunzione fredda richiede una considerazione completa delle fluttuazioni della temperatura ambiente, dei requisiti di precisione e dei costi:

Per ambienti interni con piccole fluttuazioni di temperatura (come officine a temperatura costante): il metodo del filo di compensazione combinato con la compensazione automatica interna dello strumento o il metodo di correzione del calcolo è una scelta relativamente economica e affidabile. Può portare la giunzione fredda in un ambiente stabile, con costi relativamente bassi e implementazione semplice.

Per siti esterni o industriali con grandi sbalzi di temperatura: il metodo di compensazione del filo combinato con il metodo di compensazione del ponte o il metodo di compensazione del software è più affidabile. La compensazione del ponte può rispondere dinamicamente alle variazioni di temperatura, mentre la compensazione software ha un'elevata precisione e può gestire situazioni complesse. Sebbene quest’ultimo possa comportare un investimento iniziale leggermente superiore, può effettivamente evitare maggiori perdite causate da errori di misurazione.

Per laboratori o applicazioni che richiedono elevata precisione: il metodo del bagno di ghiaccio ha la massima precisione, ma anche il costo più elevato. La scelta dovrebbe essere basata su requisiti di budget e di accuratezza.

IV. Lista di controllo pratica

Prima di implementare la misurazione della temperatura, è consigliabile verificare rapidamente quanto segue:

Il modello del filo compensatore è completamente compatibile con la termocoppia?

La scatola di giunzione è posizionata lontano da fonti di calore (maggiore o uguale a 50 cm)? C'è isolamento termico?

Se si utilizza un ponte compensato, quando è stata effettuata l'ultima calibrazione?

Nell'ambiente operativo, la temperatura della giunzione fredda oscilla di oltre 5 gradi /h? (In tal caso, prendere in considerazione uno schema di compensazione più stabile o misure di controllo della temperatura.)

L'impostazione predefinita della temperatura della giunzione fredda nello strumento DCS/display del sistema di misurazione è 0 gradi? (L'impostazione richiede conferma.)