La termocoppia tipo K fa parte della famiglia di termocoppie a metallo base composta da fili metallici in Nichel-Cromo (Ni-Cr) (+) e Nichel-Alluminio (Ni-Al) (-).
Le termocoppie di tipo K possono essere utilizzate in molte applicazioni, soprattutto a livello industriale, poiché sono a base di nichel e mostrano una buona resistenza alla corrosione.
È il tipo di termocoppia più largamente utilizzata; il suo basso costo ed un ampio intervallo di temperatura lo rendono un sensore versatile.
Sono adatti per un’esposizione continua a temperature intorno ai 1100 °C, con picchi di 1250 °C/1300 °C per brevi esposizioni.
L’elemento ha una sensibilità di 41 µV/°C
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Sono utilizzati principalmente per applicazioni a temperature superiori a 550 °C fino alla temperatura massima di esercizio della termocoppia.
Come detto, questo tipo di termocoppia si adatta a varie tipologie di applicazioni, soprattutto industriali.
Alcuni esempi di utilizzo:
Nonostante siano molto utilizzate, le termocoppie di tipo K non sono molto stabili come altri sensori di metallo comune. Hanno la tendenza ad andare alla deriva in una quantità proporzionale alla temperatura a cui sono esposte; maggiore è la temperatura, maggiore è la deriva.
A temperature comprese tra i 250°C e 600°C, e in particolare a 300°C e 550°C, l’isteresi termica può provocare errori di diversi gradi.
Ad alte temperature possono portare importanti variazioni del segnale in uscita per la riduzione del cromo presente nel conduttore positivo (ossidazione).
L’accuratezza di una termocoppia di tipo K è in genere un massimo di +/- 2,5°C o +/- 0,75%, a seconda di quale sia maggiore (EN 60584-1). Tuttavia, possono esserci differenze tra diverse termocoppie, anche provenienti dallo stesso lotto di produzione a causa di deviazioni nelle leghe.
Se esposte in atmosfere ossidanti nell’intervallo di temperatura tra gli 815 ºC e 1040 ºC, l’ossidazione può essere la causa di una deriva termica della sua calibrazione.
L’esposizione prolungata al di sopra di 427°C accelera l’invecchiamento della termocoppia.
Il filo di tipo K è disponibile principalmente in due codici colore:
L’intervallo di temperatura di una termocoppia di tipo K varia tra i -200 °C ai 1.200 °C, fino a picchi di 1.250 °C/1300 °C per esposizioni brevi.
Tuttavia, ci sono alcuni accorgimenti:
Nella termocoppia K vengono utilizzati sostanzialmente due tipi di isolamento che differenziano la termocoppia, soprattutto come velocità di risposta e robustezza:
Isolamento semplice: vengono utilizzati isolatori di ceramica, un prodotto isolante molto leggero ed estremamente efficace in quanto può resistere a temperature elevate di 1260 °C.
Isolamento minerale: viene utilizzato l’ossido di magnesio compresso (MgO) quando è richiesta un’elevata rigidità, un ottimo isolamento elettrico. Associato ad una guaina metallica corretta, questa tipologia di isolamento risponde rapidamente alle variazioni di temperatura ed è molto durevole alle sollecitazioni di processo.
L’isolamento in ossido minerale è consigliato quando le termocoppie devono essere immerse in liquidi, in presenza di elevata umidità, gas corrosivi, pressioni o vibrazioni elevate. Inoltre, l’isolamento MgO fornisce alla termocoppia una maggiore velocità di risposta.
Il collegamento dei due conduttori di metalli differenti è chiamato “giunto”. La giunzione che è esposta alla temperatura da misurare si chiama “giunto caldo” o “giunto di misura”.
Tre le tipologie di giunto caldo:
Giunto caldo esposto: I fili della termocoppia vengono saldati insieme e esposti direttamente al processo. Il tempo di risposta è molto veloce ma i fili esposti sono più inclini alla corrosione e al degrado. A meno che l’applicazione non richieda giunzioni esposte questo tipo di lavorazione è sconsigliato in ambienti corrosivi o condizioni estreme.
Giunto caldo a massa: In questo caso entrambi i fili della termocoppia e la guaina sono tutti saldati insieme per formare un’unica giunzione sulla punta della sonda. Il tempo di risposta è abbastanza veloce perché la termocoppia entra in contatto diretto con la guaina, consentendo al calore di trasferirsi facilmente. Uno svantaggio è che la termocoppia è più suscettibile alle interferenze elettriche in quanto la guaina viene spesso a contatto con l’aria circostante fornendo una interferenza. La termocoppia con il giunto caldo a massa viene utilizzato in ambienti corrosivi o in condizioni di alte pressioni.
Giunto caldo isolato: Il giunto è completamente isolato dalla guaina di protezione con tempi di risposta che si allungano leggermente dalle altre due tipologie di giunti. La termocoppia con il giunto caldo isolato è ideale per processi con presenza di forze elettromotrici parassite che causano potenziali falsature delle misure.
Acciaio inossidabile 316: Temperatura massima: 900 °C. Migliore resistenza alla corrosione dell’acciaio inossidabile austenitico. Ampiamente usato nell’industria alimentare e chimica. Soggetto a dannose precipitazioni di carburo tra 480 °C e 870 °C.
Acciaio inossidabile 316L: Temperatura massima: 900 °C. Caratteristiche come 316 eccetto che la versione a basse emissioni di carbonio consente una migliore saldatura e fabbricazione.
Acciaio inossidabile 304: Temperatura massima: 900 °C. Ampiamente utilizzato nell’industria alimentare, delle bevande, chimica e in altri settori in cui è richiesta la resistenza alla corrosione. Soggetto a dannose precipitazioni di carburo nell’intervallo da 480 °C a 870 ° C.
Acciaio inossidabile 310: Temperatura massima: 1.150 °C. Resistenza meccanica e alla corrosione simile ma migliore della 304 SS. Ottima resistenza al calore. Questa lega contiene il 25% di cromo, il 20% di nichel.
Inconel 600: Temperatura massima: 1.175 °C. Buona resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, resistenza alla tenso-corrosione da ioni di cloruro e resistenza all’ossidazione alle alte temperature. Non consigliato in ambienti contenenti zolfo.
La termocoppia tipo K ha un segnale di uscita in millivolt; pertanto, per effettuare la misura può essere collegata ad un voltmetro, oppure ad un data-logger o ad una scheda di acquisizione dati, in grado a sua volta di convertire i valori di tensione misurati in una temperatura attraverso un circuito di conversione tensione-temperatura che utilizza la formula ed i coefficienti presenti nella norma di riferimento.
Tutte le tipologie di strumenti in grado di misurare una termocoppia devono tenere in considerazione la misura del giunto freddo o di riferimento, sia esso realizzato attraverso il bagno di ghiaccio o simulato elettronicamente, in modo da ottenere la lettura di temperatura corretta e non affette dall’errore di giunzione/collegamento.
L’elemento cromo è soggetto a ciò che è noto come “marciume verde“. Quando ciò accade, il cromo si ossida e diventa verde e corroso.
Ciò si verifica in ambienti con ossigeno ridotto nelle temperature comprese tra gli 815 °C e 1.040 °C.
Tali ambienti con ossigeno impoverito sono chiamati riducenti e le termocoppie di tipo K non dovrebbero mai essere utilizzate in atmosfere riducenti o ciclicamente ossidanti.
Inoltre, non dovrebbero essere utilizzati in ambienti sulfurei perché diventano fragili e si romperanno rapidamente.
La presenza di cromo li rende inadatti al vuoto, salvo che per brevi periodi di tempo in quanto potrebbe verificarsi una vaporizzazione.
I problemi possono essere ridotti al minimo utilizzando le termocoppie tipo K entro le temperature e gli ambienti consigliati.
Anche un’attenta calibrazione, l’installazione con i connettori e i cavi appropriati e l’utilizzo di circuiti di compensazione fungono utili ausili.
Le termocoppie K realizzate in funzione a particolari esigenze di processo possono essere costruite con particolari tipologie di isolamento e dotate di cicli di ricottura al di sopra delle loro temperature di esercizio.
Altra cortezza è quella di sostituire spesso la termocoppia K o, nei casi dove il problema rimane una costante, sostituirle con Termocoppie di Tipo N che risolvono molti problemi legati alle tipo K.
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