L’alternativa

Test di confronto

Una alternativa alla termocoppia tipo K è la tipo N, sviluppata come naturale implementazione negli anni a seguire. Tra i miglioramenti principali si ha una aumentata stabilità termo-elettrica, grazie alla diminuzione degli effetti caratteristici della sua antagonista, quali ossidazione, trasmutazioni nucleari, cambiamenti strutturali ed elettronici e trasformazioni magnetiche. Questa stabilità superiore è particolarmente elevata alle alte temperature.

Per verificare se ciò sia vero sono stati eseguiti vari test, anche per valutare il comportamento con differenti materiali per i pozzetti termometrici. Uno dei test che verrà visto è stato effettuato per capire come si possa impiegare nel modo più opportuno questo tipo di termocoppie alle alte temperature, nello specifico per capire come ottimizzare la lega del pozzetto termometrico ed eventuali materiali di isolamento, affinché non si riscontrino problemi di instabilità termo elettrica dovuti a contaminazioni o a guasti per fatica.

Uno degli esperimenti che sono stati effettuati serviva per confrontare le due rivali e per l’individuazione della configurazione di misura più stabile per un forno che deve operare in continuo. La procedura sperimentale prevedeva la calibrazione a tre punti delle termocoppie e il controllo qualitativo dell’isolamento a temperatura ambiente. Le termocoppie nelle versioni: a un pozzetto termometrico col giunto caldo sia separato (ungrounded), sia a contatto (grounded), o con solo l’isolamento ceramico, sono state montate orizzontalmente in una fornace mantenuta costantemente tra i 1000 e i 1095 °C per due intervalli di tempo di 1000 ore ciascuno, ogni 100 ore venivano prese delle letture. Alla fine del test, le termocoppie sono state riportate al laboratorio di calibrazione per desumerne il drift e studiarne i cambiamenti fisici¹⁸.

Il primo risultato rilevante è stato il guasto della termocoppia tipo K protetta dal solo isolamento, questo è dovuto all’ambiente solforoso. Mentre per quanto riguarda le tipo N (protette dal solo isolamento), si rileva che il 75% dei campioni testati rientra ancora nei limiti di tolleranza delle norme ANSI (7,6 °C a 1000 °C), le tipo K già dopo 200 ore avevano registrato un drift di -34,2°C (le concorrenti in media solo -2,9 °C)¹⁸.

Anche se riparate da un pozzetto metallico i termoelementi (grounded) K mostrano una deriva maggiore rispetto alla controparte, come si può osservare dalla tabella sottostante ricavata utilizzando la media tra le letture ricavate da ogni possibile configurazione.

Della ventina di termocoppie tipo K testate solo una dopo 2000 ore di lavoro rientrava ancora negli standard ANSI, mentre circa sei delle tipo N (su di un numero totale inferiore) rientrava ancora entro i limiti di errore. Si passa ora ad analizzare qualitativamente l’effetto della particolare configurazione sulla stabilità della misura. Nella seguente tabella vengono raggruppati i termoelementi per tipologia di protezione, dopo 1000 ore di lavoro.

T. C. Type 1000 ore 2000 ore

K 15,16 28,58

N 3,96 8,11

Sebbene molto utile per fornire indicativamente la migliore soluzione per l’utilizzo di un pozzetto termometrico a protezione, questa tabella tuttavia non mette in evidenza i comportamenti della singola termocoppia, infatti per il materiale Nicrobell C abbiamo che il tipo K registra una deriva di -33,6 °C, mentre il tipo N ha subito una de-calibrazione di soli 1,1 °C, che è il miglior risultato ottenuto complessivamente in tutto il test, molto vicini a questo valore sono i risultati ottenuti con l’Inconel 600 e il Nicrobell-B. Da studi sui fenomeni fisici avvenuti risulta che il principale elemento chimico che inquina le performance di questi sensori è il manganese, si stima che ogni punto percentuale di manganese presente nel pozzetto termometrico abbia le capacità di imporre un drift di -10°C dopo 1000 ore di lavoro a 1100 °C (questo è valido in misura minore anche per le tipo N)¹⁸. Questo tipo di test sono poi stati ripetuti anche per i termoelementi a contatto con il pozzetto (grounded). In estrema sintesi dai risultati si evince che generalmente le termocoppie tipo K subiscono, a parità di condizioni, un drift molto più accentuato rispetto alle tipo N, l’utilizzo del semplice isolamento non è efficace quanto l’utilizzo della protezione completa, inoltre le termocoppie a contatto col pozzetto (grounded) mostrano un andamento peggiore rispetto alle controparti (ungrounded). Questo è dovuto principalmente alla presenza di stress meccanici dovuti alle differenti dilatazioni termiche. Inoltre la migliore soluzione per l’ottenimento dell’accoppiata pozzetto-termoelemento più stabile nel tempo risulta nella scelta del materiale che più si avvicina alle caratteristiche chimiche dell’elemento misurante in modo da minimizzare gli effetti di migrazione, come dimostrato dai risultati ottenuti tra il tipo N e il Nicrobell C.

Tab. 12 Drift medio di tutte le termocoppie espresso in °C

1000 ore 2000 ore Inconel 600 8,90 29,74

Nicrosil + 15,65 All failed

Nicrobell B 6,07 7,95

Nicrobell C 17,35 n. d.

Numerosissimi altri test e prove in laboratorio (oltre a quella già presentata) ed in campo sono state fatte per verificare la bontà della nuova lega, le proprietà termoelettriche, metallurgiche e fisiche sono state indagate a fondo, con test ad hoc mirati a dimostrare se questa nuova tipologia superava la sua antagonista nelle condizioni critiche che saranno descritte nel dettaglio, da enti come l’U.S. National Bureau of Standards e l’Australian National Measurement Laboratory. Da tutti questi test risulta quindi che la Nicrosil Nisil possiede la più stabile emf tra tutte le termocoppie a metallo base. Inoltre sono emersi anche gli effetti che gli elementi in lega hanno sulle proprietà termoelettriche, in modo da determinare i limiti di tolleranza nella produzione, come si può vedere dalla tabella sottostante

si nota che la lega Nicrosil è molto sensibile alle variazioni di contenuto di silicio, rispetto a quelle di cromo, d’altro canto la Nisil non è molto sensibile a variazioni nel contenuto di silicio, ma è piuttosto sensibile alla presenza di ferro o a tracce di cromo e anche a quella del carbonio in quanto quest’ultimo ha una importante influenza sulla linearità del rapporto temperatura/emf.

Tab. 13 Drift in °C medio in valore assoluto, per entrambi i tipi di sensore.

Tab. 15 Sensibilità della emf di una tipo N alla variazione di alcuni elementi in soluzione¹⁷.