Ci sono molte ragioni per ricorrere all’utilizzo di sonde di temperatura elettriche con tempi di risposta brevi: ottimizzazione delle prestazioni, utilizzo più efficiente del campo di lavoro di un processo, prevenzione del sovraccarico termico del fluido di processo. Ma come si misurano i tempi di risposta, qual è la base normativa e cosa bisogna tenere in considerazione?
Il grafico mostra una sonda di temperatura (in rosso) troppo lenta
Le sonde di temperatura elettriche appositamente progettate assicurano che la temperatura misurata non arrivi “in ritardo” rispetto alla temperatura effettiva del processo. Nel grafico a destra, ad esempio, la linea blu corrisponde alla temperatura di processo. La linea rossa, invece, mostra la lettura della temperatura trasmessa dalla sonda di temperatura elettrica.
La progettazione ottimale di una termoresistenza o termocoppia “veloce” è essenziale per ottenere un tempo di risposta rapido. È anche importante ridurre al minimo la dissipazione di calore che è sempre presente.
Determinazione dei tempi di risposta delle sonde di temperatura elettriche
Ciò porta a chiedersi come vengano misurati i tempi di risposta delle sonde di temeperatura elettriche e su quali basi normative ciò avvenga.
Diverse norme e linee guida sono alla base della misurazione:
- VDI/VDE 3522 parte 1: Comportamento dinamico delle sonde di temperatura a contatto – Principi e valori caratteristici
- VDI/VDE 3522 parte 2: Comportamento dinamico delle sonde di temperatura a contatto – Determinazione sperimentale dei valori percentuali nel tempo
- IEC 60751: Termoresistenze al platino e sensori di temperatura al platino (definizione del tempo di risposta termica – Specifica dei parametri di misura)
Le norme americane ASTM E644-11 (metodi di prova standard per il test di termoresistenze industriali) e lo standard ASTM E839-11 (metodi di prova standard per termocoppie con guaina e cavo per termocoppia con guaina) costituiscono la base delle misure e dei relativi metodi di misura.
Differenza generale tra la misura in acqua e in aria:
Sezione del diagramma “Tempi di risposta”
La misura del tempo di risposta in aria è, in linea di principio, simile a quella in acqua. Anche in questo caso, si genera una variazione graduale della temperatura (da T1 a T2) e si misura il ritardo. Tuttavia, le condizioni fisiche del contesto – come la resistenza al trasferimento di calore dell’aria al metallo o la capacità termica specifica dell’aria – sono diverse da quelle dell’acqua. I tempi di risposta in aria, misurati con la stessa sonda di temperatura, sono quindi generalmente più lunghi di quelli dei liquidi.
Valori di soglia importanti sono i valori percentuali di temperatura 50% (t0,5), 63% (t0,63) e 90% (t0,9). Questi valori indicano il tempo dopo il quale l’elemento di prova si è regolato rispettivamente al 50%, 63% o 90% della temperatura dell’acqua o dell’aria. Tuttavia, il valore del 100% non è stato determinato. A causa degli effetti di dissipazione del calore, questo valore non può mai essere raggiunto in termini pratici.
Bagno di calibrazione ad acqua con flusso laminare uniforme
- Misura del tempo di risposta in acqua
Una pompa immette acqua temperata in un flusso uniforme e laminare. La parte sensibile alla temperatura dell’oggetto in esame viene spostata molto rapidamente dalla zona di temperatura ambiente (T1) alla zona di temperatura dell’acqua (T2) per mezzo di un dispositivo mobile (variazione graduale della temperatura).
Rappresentazione grafica della risposta al gradino
Il ritardo (il tempo di risposta) fino al raggiungimento della temperatura dell’acqua (nota) da parte dell’oggetto in esame viene determinato e registrato di conseguenza (risposta al gradino).
Parametri per il fluido di misura: acqua (IEC 60751):
- Velocità di portata vmin: 0,3 m/s ± 0,1 m/s
- Variazione graduale della temperatura: 10 … 30 K
- Misura del tempo di risposta in aria
Dispositivo per la misurazione dei tempi di risposta in aria
Un soffiatore immette aria uniformemente temperata (T1) in un flusso uniforme (laminare). Lo strumento in prova viene montato nel flusso d’aria tramite un attacco clamp. Infine, una griglia di riscaldamento elettrico genera bruscamente una temperatura più elevata (T2) per il flusso d’aria.
Parametri per il fluido di misura: aria (IEC 60751):
- Velocità del flusso vmin: 3 m/s ± 0,3 m/s
- Variazione graduale della temperatura: 10 … 30 K
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