I lettori affezionati della serie di post del nostro blog "L’evoluzione nel tempo di Kaye" potrebbero chiedersi quale sia il ruolo del Ice Point di Kaye nel contesto della convalida dei processi termici nell'ambiente GxP. In realtà, è più probabile che gli Ice Point di Kaye si trovino nei forni di alluminio, nei banchi di prova delle turbine o nelle sale di controllo delle centrali elettriche. Tuttavia, le conoscenze di base che il fondatore della nostra azienda, il Dr. Joseph Kaye, ha acquisito nei primi anni '50 in questo contesto sono fondamentali per lo sviluppo di sistemi di validazione ad alta precisione che utilizzano termocoppie come sensori di temperatura.
Come ogni elemento sensibile, le termocoppie, indipendentemente dal tipo, presentano fonti di errore intrinseche. Queste devono essere prese in considerazione quando si imposta un circolo di qualità. Per garantire una misurazione accurata della temperatura, è assolutamente necessaria una compensazione completa di queste fonti di errore. In particolare, l'esecuzione accurata della compensazione del giunto freddo è di fondamentale importanza per le termocoppie.
Che cos'è la compensazione del giunto freddo?
La misurazione della temperatura di una termocoppia si basa sul cosiddetto effetto Seebeck, che genera una tensione quando due materiali diversi, elettricamente conduttivi, vengono collegati termicamente in un punto e riscaldati in modo diverso. In breve: un gradiente di temperatura lungo un collegamento di metalli diversi genera una tensione elettrica.
Ora la sfida è che qualsiasi connessione di due metalli diversi agisce anche come termocoppia e genera un segnale termoelettrico corrispondente alla sua temperatura. In pratica, il segnale della termocoppia è spesso distorto dalle termocoppie indesiderate dei terminali della linea di misura: si tratta del cosiddetto effetto giunto freddo.
La compensazione del giunto freddo è quindi un componente critico nei circuiti di misura delle termocoppie. Senza di essa, il segnale di temperatura misurato all'estremità sarebbe una funzione di due temperature: la temperatura effettiva desiderata e la temperatura del giunto di saldatura freddo. Questa compensazione consente di isolare il segnale del punto di misura effettivo e quindi di ottenere una misura di temperatura precisa e affidabile.
Per ottenere una compensazione efficace del giunto freddo nella tecnologia di misura delle termocoppie, sono disponibili tre soluzioni tecniche:
1. Utilizzo dell'effetto **Seebeck**: Questo effetto, che prende il nome dal fisico tedesco Thomas Johann Seebeck, descrive la conversione delle differenze di temperatura in tensione elettrica e viceversa. In una termocoppia, le differenze di temperatura alle giunzioni dei due diversi metalli generano una tensione.
2. Utilizzo dell'effetto **Peltier**: Questo effetto, che prende il nome dal fisico francese Jean Charles Athanase Peltier, descrive la quantità di calore che viene generata o assorbita in un circuito quando una corrente attraversa due materiali diversi.
3. La misurazione diretta della temperatura ambiente direttamente sul giunto freddo.
Metodo 1: Effetto Seebeck
Storicamente, l’utilizzo dell Ice Point (effetto Seebeck) è stato il primo metodo ad essere utilizzato per la compensazione dei giunti freddi. Si tratta di un metodo relativamente semplice, che richiede solo un Ice Point per mantenere una temperatura costante sulla giunzione, precisamente a 0°C. Questo metodo era già stato implementato agli albori della tecnologia di misura delle termocoppie, molto prima che fossero disponibili sistemi di misura dotati di computer di processo veloci e controllati da software per una compensazione efficiente di questo errore di misura.
Una sapiente combinazione di ghiaccio e acqua, confezionata in un robusto involucro industriale, dotata di una rudimentale tecnologia di controllo e di un alimentatore: quelle che sembrano istruzioni per l'uso tratte dal film "Ritorno al futuro" sono, in realtà, la base dei punti di riferimento multicanale per gli Ice Point del Dr. Kaye, applicabili per una varietà di usi industriali. Sì, avete letto bene! Per quanto possa sembrare sorprendente, questo concetto innovativo è stato ampiamente accettato in varie applicazioni industriali e non ha perso la sua attualità fino ad oggi. Sebbene questo principio di misurazione costituisca ancora la base degli attuali riferimenti Kaye Ice Point, l'elettronica di controllo si è naturalmente evoluta e la cosa notevole è che i riferimenti Kaye Ice Point, nonostante queste minime modifiche tecniche, sono ancora tra i più precisi sul mercato.
Metodo 2: effetto Peltier
L'effetto Peltier di solito non viene utilizzato esplicitamente per la compensazione dei giunti freddi negli strumenti di misura industriali. L'effetto Peltier è tipicamente utilizzato nei raffreddatori/riscaldatori Peltier per creare una differenza di temperatura e ottenere così il raffreddamento, come nel caso del calibratore a blocco secco Kaye LTR-150.
Sebbene sia teoricamente possibile utilizzare un raffreddatore Peltier sul giunto freddo per mantenerne costante la temperatura ed eliminare così la necessità di compensazione, questo approccio sarebbe poco pratico e costoso nella maggior parte delle applicazioni ed è quindi utilizzato solo in circuiti di misura a termocoppia molto specifici.
Metodo 3: Misura diretta della temperatura ambiente direttamente sul giunto freddo
Il metodo oggi più diffuso è la misurazione diretta della temperatura sul giunto freddo e la successiva compensazione tramite software. Ciò è diventato possibile con l'avvento della tecnologia dei microprocessori e degli algoritmi software.
In questo metodo, un sensore di temperatura separato, spesso una termoresistenza di alta precisione o un termistore, viene utilizzato per misurare la temperatura del giunto di saldatura freddo. Queste informazioni vengono poi utilizzate per compensare il segnale della termocoppia. La compensazione avviene convertendo la temperatura misurata del giunto freddo in una corrispondente tensione della termocoppia, utilizzando la relazione nota tra tensione e temperatura della termocoppia (curva di Seebeck). Questa "tensione di compensazione" viene quindi sottratta dal segnale della termocoppia misurata per ottenere solo il segnale del giunto "caldo" (il punto di misura). È importante notare che la qualità della compensazione dipende fortemente dalla precisione, dalla stabilità e dalla risposta del sensore di temperatura del giunto freddo utilizzato. Inoltre, il giunto freddo deve essere ben isolato termicamente per ridurre al minimo i disturbi dovuti alle fluttuazioni di temperatura esterne.
Questo principio di misura è utilizzato anche nei data logger di Kaye. Già nella prima famiglia di prodotti Kaye Digistrip veniva utilizzato questo metodo e i moderni Validator Kaye AVS utilizzano questa opzione di compensazione direttamente nel punto di connessione delle SIM (Sensor Input Module), dove sono collegate tutte le termocoppie.
Conclusioni
In conclusione, si può notare che i risultati della ricerca del fondatore dell'azienda Dr. Kaye sono stati e continuano ad essere costantemente implementati nelle soluzioni industriali di Kaye. Un adattamento continuo, basato su nuovi componenti elettronici più precisi e veloci su base microchip, è parte integrante della filosofia di sviluppo di Kaye. È interessante notare che le conoscenze fisiche fondamentali sono rimaste invariate fin dai primi giorni della fondazione dell'azienda, evidenziando la rilevanza e l'applicabilità senza tempo di questi principi scientifici.
