parte (post a questo link Forni per tempra #1 ) abbiamo parlato dei sistemi di controllo dei forni per tempra, ora passiamo al sensore che da le informazioni della temperatura del forno al controllore. Per queste operazioni abbiamo bisogno di una termocoppia visto che le temperature in gioco non ci permettono di utilizzare altri sistemi (termistore, RDT, sensori integrati, etc…).

LA TERMOCOPPIA

Una termocoppia è un sensore che sfrutta effetto termoelettrico di Seebeck^[1]. L’effetto si manifesta quando due metalli differenti, che nel caso delle termocoppie sono leghe metalliche, sono posti a differenti temperature ai suoi capi. In queste particolari condizioni abbiamo la presenza di una differenza di potenziale (Volt) che varia con il variare della temperatura.

_{RAPPRESENTAZIONE CICUITALE DI UNA TERMOCOPPIA - By Nanite [CC0], from Wikimedia Commons}

Una termocoppia è formata quindi da due fili conduttori di diverso materiale giuntati ad un capo che viene chiamato giunto caldo (rettangolo rosso delle figura precedente), mentre l’altro capo viene chiamato giunto freddo(rettangolo in azzurro). Se esiste una differenza di temperatura fra giunto caldo e freddo, si genera una tensione che nella figura sopra viene indicata con un volmetro (nel mio caso è il controllore PID).

_{GRAFICO DELLA DIFFERENZA DI POTENZIALE A SECONDA DELLE TEMPERATURE - By Nanite [CC0], from Wikimedia Commons}

Come si può vedere dal grafico precedente a seconda del range di temperatura che vogliamo misurare, abbiamo bisogno di particolari termocoppie. Le più diffuse, anche per la loro semplicità di costruzione e costo dei materiali, sono le serie K. Sono formate da due filamenti di lega Nichel-Cromo e Nichel-Alluminio e a seconda della sezione del filamento e dalle caratteristiche di protezione possono arrivare a misurare temperature fino a 1260°C (secondo lo standard e tolleranze della IEC 60584-1 / ASTM E230) ^[2]. Le termocoppie, tutti i tipi e non solo la serie K, possono avere il giunto caldo protetto oppure no; questo proprio per aumentare sia la durata della termocoppia stessa che il suo range di misurazione. Nei settori industriali e altri settori specialistici, si possono avere ambienti più o meno aggressivi come ad esempio situazioni di atmosfere ossidanti.

Ecco quindi che il giunto caldo, che ricordiamo è il punto di misura della temperatura, anche l'isolamento del giunto di misura riveste una notevole importanza. Ci sono tre tipi di giunzioni protette:

• giunto esposto; che è il tipo più frequente e anche il più economico. Ha il vantaggio di avere un tempo di risposta molto veloce ma è svantaggiata dal punto di vista del deterioramento
• giunto a massa; che principalmente è un rivestimento della sonda con una protezione metallica (Inconel o acciaio AISI 304 316) e il giunto è a contatto con tale protezione (ecco perché definito giunto a massa)
• giunto isolato; é costruito in modo tale che il giunto sia completamente isolato mediante una miscela ceramica o da allumina. Ha il vantaggio che limita fortemente l'influenza di f.e.m. parassite (correnti parassite), per contro aumenta il costo della termocoppia e il suo tempo di risposta

_{TERMOCOPPIE: a sinistra tipo K con giunto aperto, in mezzo tipo K con giunto a massa e a destra tipo S con giunto isolato - Immagine dell'autore}

Per la scelta di una termocoppia dobbiamo tenere conto anche di altri fattori e uno dei fondamentali è l’accuratezza della misurazione a lungo termine. Le termocoppie di tipo K e in particolar modo quelle con giunto esposto, soffrono dei processi di ossidazione. In un forno per tempra possiamo raggiungere temperature fino a 1060/1070°C per il processo di tempra (ci sono acciai che chiedono anche maggiore temperatura), l’ambiente a tale temperatura risulta piuttosto aggressivo per le ossidazioni. Il giunto della termocoppia sollecitato ad alte temperature tende ad ossidarsi e va a cambiare le curve di pendenza della differenza di potenziale e quindi a deviare la nostra misurazione. In questo range di temperatura abbiamo anche il cosiddetto green rot ed è il fenomeno di un impoverimento di cromo o un'ossidazione del cromo nel lato NiCr (lato positivo della termocoppia), fenomeno maggiormente accentuato se c’è una bassa concentrazione di ossigeno.

Il nome green rot deriva dal colore verdastro sul punto di rottura del cavo. ^[3]

Non solo in alte temperature posso verificarsi dei problemi ma anche a valori intermedi, campo di temperatura dai 400°C ai 600°C ed è detto effetto K^[3]. In questo range le leghe di metallo che costituiscono i filamenti subiscono una trasformazione del reticolo cristallino che si riallineano al di sopra o al di sotto di tale temperatura. L’effetto va a creare un errore nella tensione e quindi va a falsare la nostra lettura (valori che si attestano sui 5°C nel range di 400/600°C). Siamo in piena zona del rinvenimento in alta temperatura come avevo spiegato nel mio post precedente Forni per tempra #1, ne consegue che quando operiamo a tali temperature dobbiamo in qualche modo tenerne conto.

SCELTA DELLA TERMOCOPPIA E TEST DI PRECISIONE

Per la costruzione del mio forno per tempra ho dovuto mettere tutte queste caratteristiche (tipo termocoppia e giunzione) a confronto per fare la scelta migliore per la mia attrezzatura. Sono ricaduto su una termocoppia di tipo S che ho trovato da un fornitore dopo lunga ricerca in internet. Non è una termocoppia di alto livello visto che l’ho pagata poco…. ma purtroppo il budget in questi progetti hobbistici è sempre risicato.

La termocoppia tipo S sono idonee per misure di temperature elevate (fino a 1.600°C). Grazie alla alta stabilità, le termocoppie di tipo S sono usate come standard di calibrazione per il punto di fusione dell’oro (1064.43°C). Tuttavia dai dati forniti dal produttore indica una precisione di 0.25%T e un tempo di risposta termica sui 150s, il valore di precisione rientrano nei miei standard qualitativi mentre la risposta termica purtroppo no, ma viste le temperature in gioco e l’accuratezza della misurazione a lungo termine risulta un valore comunque gestibile.

Per la gestione della precisione dell’intero sistema ho eseguito comunque alcuni test e quello più interessante è stato quello della fusione dell’alluminio che è di 660°C. Per la prova ho preparato un piccolo crogiolo con dell’allumina e del silicato di sodio, dall’impasto ho realizzato una forma a tazza dove ho messo un cilindretto di alluminio. L’esperimento era di comparare la temperatura della termocoppia e visualizzata dal PID con l’effettiva fusione del metallo. Con mia sorpresa ho potuto constatare due aspetti:

• il sistema di monitoraggio della temperatura è risultato buono, ho rilevato una piccola discordanza nei valori di 6°C. Il PID ha la possibilità attraverso le sue varie funzioni di dare una correzione alla sonda.
• all’interno del forno ci sono differenti zone a temperatura diversa. Benchè la mia camera sia piuttosto piccola (11x11x40cm) dal punto in prossimità della sonda al lato opposto del forno, ho registrato una differenza di temperatura di 10°C. Normalmente inserisco le lame in modo tale che la sonda sia piuttosto vicina al pezzo da temprare mentre il codolo potrebbe essere in quelle zone con minore temperatura, questo non è assolutamente un problema in quanto è importante che il tagliente sia trattato nei modi migliori.

CONCLUSIONI

Fino ad ora non ho riscontrato particolari problemi o sospetti di errori grossolani durante i processi di tempra e i risultati dei miei lavori sono soddisfacenti. Come detto in precedenza, questi forni lavorano a temperature elevate e spesso nei limiti di temperatura operativa delle termocoppie, in special modo quelle di tipo K. Alcuni dei miei colleghi hanno avuto problemi in tal senso, buttando via purtroppo alcuni lavori. Quando una termocoppia smette di funzionare non hai la possibilità di accorgertene. Ecco che una sonda che lavori con range di temperatura molto superiori offra una parziale garanzia di durabilità come appunto è la tipo S. Anche la tipo N offre vantaggi superiori alla tipo K benchè del tutto simile per range operativo di temperatura, sono molto precise alle alte temperature. Sono termocoppie usate in applicazioni in cui sono richieste una più lunga durata ed una maggiore stabilità, inoltre la composizione dei conduttori c’è la presenza del Silicio che inibisce la sonda ai fenomeni di green rot ed effetto K come spiegato prima.