Giunzione fredda di una termocoppia: perché è davvero importante e come funziona CJC

Se avete mai confrontato due termocoppie sullo stesso tubo e le avete osservate in disaccordo di qualche grado, probabilmente il problema non era la punta del sensore. Più spesso, la risposta si trova all'altra estremità del circuito, nella morsettiera dove i fili della termocoppia incontrano lo strumento. Quel punto di connessione è la giunzione fredda e, una volta capito cosa fa, la misurazione della termocoppia smetterà di sembrare un'ipotesi.

Questo articolo spiega cos'è la giunzione fredda, perché una termocoppia non può segnalare una temperatura assoluta senza di essa, come funziona la compensazione della giunzione fredda negli strumenti moderni e quali abitudini impediscono alla giunzione di riferimento di rovinare silenziosamente i dati.

Come una termocoppia produce una tensione

Una termocoppia è costituita da due fili di metalli diversi uniti ad un'estremità. Quel giunto, la giunzione di misura o calda, è ciò che inserisci nel processo. Quando i due metalli vedono una differenza di temperatura tra l'estremità unita e le estremità libere, l'effetto Seebeck genera una piccola tensione, tipicamente decine di microvolt per grado Celsius.

Il dettaglio che colpisce è questo: quella tensione non corrisponde solo alla temperatura della giunzione di misura. Corrisponde alla differenza tra il giunto di misura ed il punto dove terminano i fili. Una termocoppia di tipo K produce circa 41 microvolt per grado Celsius, quindi uno spostamento di 5 °C ai terminali viene visualizzato come uno spostamento di 5 °C nella lettura, anche se il processo non si è mai mosso.

Cos'è esattamente la giunzione fredda?

La giunzione fredda, chiamata anche giunzione di riferimento, si forma nel punto in cui la termocoppia o i suoi cavi di prolunga si collegano allo strumento di lettura: una morsettiera del trasmettitore, un ingresso del controller, un registratore di dati o un trasmettitore di temperatura.

Due cose a riguardo vengono comunemente fraintese:

• Non è semplicemente la temperatura ambiente. È la temperatura effettiva di tali terminali in quel momento, indipendentemente dalle correnti d'aria, dal calore dell'involucro e dal carico dei cavi.
• Non è sempre un posto conveniente. Ogni connessione intermedia effettuata con il filo sbagliato crea una giunzione aggiuntiva e ognuna contribuisce con la propria tensione.

Se le viti di rame o le piste del circuito stampato toccano i fili della termocoppia, tali punti di contatto diventano parte del circuito termoelettrico. Mantenere l'area terminale isotermica, ovvero tutte le connessioni alla stessa temperatura, è la base fisica di una buona progettazione della giunzione fredda.

Dai bagni di ghiaccio alla compensazione elettronica

Per gran parte del secolo scorso, la giunzione di riferimento è stata mantenuta a una temperatura nota di 0°C in una beuta di ghiaccio in fusione. La tensione misurata potrebbe quindi essere confrontata direttamente con le tabelle pubblicate basate su quel riferimento. Era accurato ed è ancora l'idea alla base dei tavoli per termocoppie standard utilizzati oggi, ma non è praticamente pratico su un'unità petrolchimica o accanto a un forno per il trattamento termico.

Gli strumenti moderni risolvono il problema elettronicamente. Invece di forzare la giunzione fredda a 0 °C, misurano la sua temperatura effettiva e aggiungono la tensione che la termocoppia avrebbe prodotto se il suo riferimento fosse a 0 °C. Questa quantità aggiunta è la tensione di compensazione della giunzione fredda.

Come funziona la compensazione della giunzione fredda

All'interno di un trasmettitore, controller o scheda di acquisizione dati, il processo si suddivide in tre fasi.

1. Misurare la temperatura del terminale. Un piccolo RTD, termistore o sensore al silicio si trova accanto alla morsettiera, il più vicino possibile alla giunzione reale quanto consentito dal layout.
2. Converti quella temperatura in un equivalente EMF della termocoppia. Utilizzando tabelle standard per il tipo di termocoppia in uso, lo strumento calcola la tensione che si presenterebbe se la giunzione di misura si trovasse a quella temperatura terminale mentre il riferimento rimanesse a 0 °C.
3. Aggiungi e linearizza. La tensione di compensazione viene aggiunta al segnale misurato e il totale viene convertito tramite polinomi o tabelle di ricerca in un valore di temperatura finale.

Poiché la correzione dipende dal tipo di termocoppia, la compensazione è valida solo quando l'ingresso dello strumento, il sensore e il cablaggio dell'estensione corrispondono. Un sensore di tipo K che alimenta un trasmettitore configurato per il tipo J fornisce un offset sistematico che nessuna ricalibrazione potrà rimuovere. La compensazione basata su software in un sistema di acquisizione dati segue la stessa logica, ma il sensore di riferimento spesso si trova più lontano dai terminali ed è proprio a quella distanza che si perde più facilmente la precisione.

Insidie ​​comuni della giunzione fredda

La maggior parte dei problemi di giunzione fredda di cui sentiamo parlare rientrano in una manciata di schemi. La tabella seguente riassume cosa tipicamente va storto e cosa tende a risolverlo.

Filo di estensione e compensazione merita una menzione speciale, perché è la parte del cappio più spesso sostituita con quello che c'era nel magazzino. Il cavo in rame va bene per trasportare un segnale da 4-20 mA, ma non può trasportare un segnale di termocoppia senza creare una nuova giunzione a ciascuna estremità. Il filo di compensazione è costituito da leghe adatte al tipo di termocoppia e la sua temperatura nominale deve coprire il punto più caldo che attraversa, inclusa qualsiasi sezione che attraversa un recipiente caldo o l'involucro del forno.

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Hardware che gestisce la giunzione fredda per te

Dove risiede effettivamente la giunzione fredda dipende da dove si decide di digitalizzare il segnale. Tre disposizioni coprono la maggior parte degli impianti industriali:

• Cablaggio diretto ad un controllore o scheda di ingresso, con il sensore di riferimento all'interno dello strumento.
• Un trasmettitore montato sulla testa o sul campo sul sensore, che esegue la compensazione localmente e invia un segnale 4-20 mA o digitale alla sala di controllo.
• Un trasmettitore montato su guida nell'armadio, per sensori difficili da raggiungere.

Lo spostamento del trasmettitore verso il sensore è spesso il più grande miglioramento disponibile. La termocoppia e il cablaggio di estensione si accorciano, le giunzioni intermedie scompaiono e il segnale percorre la maggior parte della distanza come un robusto circuito di corrente anziché come un campo elettromagnetico a livello di microvolt. I nostri trasmettitori di temperatura integrati sono costruiti esattamente per questa disposizione, con la giunzione di riferimento gestita all'interno della custodia anziché all'estremità di un lungo cavo.

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Se stai valutando l'analogico rispetto ai trasmettitori intelligenti, la nostra guida su come funzionano i trasmettitori di temperatura copre le classi di precisione, la deriva e i criteri di selezione in modo più dettagliato.

Abitudini pratiche per una giunzione fredda affidabile

Durante l'installazione

• Mantieni ogni connessione terminale di una termocoppia all'interno di un'unica zona isotermica invece di dividerla in due blocchi.
• Non montare morsettiere o trasmettitori direttamente sopra contattori, azionamenti o alimentatori.
• Utilizzare un filo per termocoppia, rispettarne la temperatura nominale e controllare la polarità prima di serrare.
• Proteggere i terminali dal flusso d'aria diretto e dalla luce solare, in particolare negli involucri esterni.

In servizio

• Verificare il circuito rispetto a un riferimento noto, come un calibratore a blocco secco o un ingresso in millivolt simulato.
• Ispezionare i terminali per eventuali ossidazioni e serrarli nuovamente dopo i primi cicli termici di una nuova installazione.
• Registrare la temperatura dell'armadio insieme alle letture del processo; la deriva stagionale in un processo stabile solitamente indica l'involucro, non il sensore.

Dal lato del controllo, un controller con una gestione affidabile della giunzione di riferimento toglie questo lavoro dalle mani dell'operatore. I nostri termoregolatori digitali compatti PID accettano direttamente ingressi termocoppia e gestiscono internamente la giunzione fredda, garantendo così la semplicità di costruzione e di manutenzione di piccoli skid, incubatori e forni.

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Trattare il circuito come un unico sistema

Il comportamento della giunzione fredda è una parte di un circuito di misura e il resto del circuito merita la stessa attenzione. Il tipo di sensore, il materiale della guaina, il tubo di protezione, il metodo di montaggio e il percorso del cavo interagiscono tutti e un trasmettitore perfettamente compensato non può salvare una termocoppia installata dove non sopravviverà. Negli impianti petrolchimici, una termocoppia impermeabile e resistente all'usura abbinata a un filo di compensazione con classificazione corretta di solito conta più di una piccola differenza nella precisione del catalogo. Nei processi ad alta temperatura, i sensori al platino-rodio e al tungsteno-renio mantengono affidabile la giunzione di misura laddove i tipi di metalli vili non durerebbero. Puoi vedere come queste combinazioni si uniscono nel nostro pagine delle applicazioni di settore .

Niente di tutto questo deve essere complicato. Accettare che una termocoppia riporti una differenza piuttosto che un valore assoluto, conferire alla giunzione di riferimento una posizione stabile e isotermica, utilizzare un cavo adatto al sensore e lasciare che un trasmettitore o un controller ben specifico gestisca l'aritmetica. Fate queste quattro cose e la giunzione fredda smetterà di essere una fonte nascosta di errore e diventerà quello che dovrebbe essere: una parte silenziosa e comprensibile del circuito di misurazione.