Misura delle condizioni termiche ed elettriche

Una volta che si sono completate le analisi numeriche preliminari si è potuto procedere con le prove sperimentali.

Per poter realizzare la prova in modo corretto bisogna avere ben presente le caratteristiche degli strumenti di misura che si utilizzano. Nel nostro caso si è fatto ricorso ad un multimetro per rilevare la differenza di potenziale ai capi della linea di trasporto della corrente riscaldante, oltre ad un pirometro ad infrarossi. In particolare il pirometro va configurato con le giuste impostazioni perché la lettura della temperatura dia i risultati corretti. Presso ai Laboratori Nazionali di Legnaro si dispone di un termometro a infrarossi Modline® 5, serie 5R, modello 5R-3015.

È importante conoscere le specifiche dello strumento poiché a seconda della distanza fra lente del pirometro e oggetto da misurare, l’ampiezza del punto di osservazione varia (infatti la temperatura viene misurata entro una zona che può essere approssimata come un cerchio di diametro d). In generale, aumentando la distanza fra oggetto caldo e pirometro, l’ampiezza del punto di osservazione aumenta, causando una contemporanea riduzione della qualità dell’osservazione, poiché nella zona considerata può esserci un gradiente di temperatura che rende l’errore della misurazione elevato dal momento che in realtà ciò che viene letto dallo strumento è la media delle temperature nella zona

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osservata. Dal manuale dello strumento di misura [1] si è potuto misurare il diametro del punto in cui viene eseguita la lettura: seguendo lo schema del manuale si può calcolare d con la formula:

𝑑 = ^𝐷

𝐹; ^(4.1)

dove D è la distanza della superficie da misurare e la lente, ed F è il “resolution factor of sensor model and lens combination” (fattore di risoluzione, è un parametro dello strumento e dipende dal tipo di lenti). La relazione fra i diametri del punto che si sta osservando (punto messo a fuoco) e distanza del sensore dalla superficie calda è spiegata in Figura 4.16.

Figura 4.16: spiegazione del fattore di risoluzione F del pirometro presa dal manuale dello strumento [1]. Il manuale fornisce F in funzione di D, in particolare si possono riportare i valori di d al variare della distanza fra oggetto e pirometro considerando:

F Tipo di lente ^{Intervallo di validità} _{(valori in mm)}

150 RA 330 < D < ∞

Tabella 4.2: valori del fattore di risoluzione per l’intervallo di distanza obiettivo-oggetto considerata e per la tipologia di lente montata nel pirometro. Per D < 330 mm si usa il valore minimo calcolato nell’intervallo (cioè con D = 330 mm).

Dalla Tabella 4.2 si possono ricavare i diametri dei punti di osservazione (spot) al variare della distanza tra pirometro e superficie da misurare, attraverso l’equazione 4.1, e quindi tabulare i dati ottenuti (Tabella 4.3):

112 D [mm] d [mm] 300 2.20 350 2.33 400 2.67 450 3.00 500 3.33 550 3.67 600 4.00

Tabella 4.3: valori del diametro dell’area circolare su cui viene rilevata la temperatura al variare della distanza tra l’obiettivo e l’oggetto da misurare.

Il pirometro, nel nostro caso, viene posto ad una distanza di circa 40 cm dall’oggetto se l’osservazione della temperatura avviene sulla faccia laterale del catodo, mentre per la faccia frontale è 55 cm (i valori dipendono dalla geometria del telaio e del forno ad alte temperature e ai supporti per il pirometro). Questi valori consentiranno di calcolare il diametro dell’area d su cui vengono mediate le temperature, così dal modello numerico si potrà eseguire la stessa operazione (cioè si andranno a considera tutte le temperature entro una certa distanza d) per avere un confronto più accurato.

Un altro parametro da considerare è il comportamento del materiale: si possono osservare due diversi tipi di superficie:

 Superficie grigie, la cui emissività è la stessa in tutte le direzioni;

 Superficie non grigie, la cui emissività non può essere considerata costante al variare della direzione di osservazione [1].

Il pirometro a nostra disposizione rileva la temperatura comparando i livelli di radiazione nel campo dell’infrarosso per due diversi intervalli di lunghezze d’onda (funzionamento di tipo bi-cromatico); la temperatura letta sarà stimata in base al rapporto fra le due misurazioni. Per questo bisogna impostare correttamente il valore di un parametro detto “E-SLOPE” per definire il tipo di comportamento del materiale che si sta osservando.

Per il Tantalio, che è considerato un corpo non grigio, il valore da inserire nello strumento è di 1.060. Se si eseguono le misure con un diverso valore, i risultati ottenuti saranno errati: bisognerà procedere creando una curva di taratura, rilevando cioè una serie di temperature con il valore di E-SLOPE usato in precedenza e quello esatto, e dall’interpolazione sarà possibile risalire ai valori corretti senza dover ripetere le prove.

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Per le misurazioni, dopo aver acceso il sistema e riscaldato gradualmente la sorgente per evitare che un gradiente termico troppo elevato possa introdurre nei componenti tensioni elevate che possano rovinarli, si sono eseguite delle serie di riscaldamenti e raffreddamenti, misurando la temperatura ogni 10 A, i valori della corrente riscaldante sono stati scelti dal campo indicato nel Capitolo 3 come campo di lavoro, cioè partendo da 280 A e arrivando a 370 A per non compromettere le condizioni del catodo con temperature troppo elevate. Siccome abbiamo avuto a disposizione un solo pirometro, si sono potuto osservare le temperature frontale e laterale una per volta e non contemporaneamente.

Per la temperatura frontale si è puntato il pirometro in modo rilevare la temperatura massima sulla faccia, e per questo si è dovuto escludere dall’area osservata il foro centrale del catodo, cioè il vuoto del canale per il passaggio dei gas da ionizzare, mentre per la temperatura laterale si è cercato di mirare il più vicino possibile al bordo esterno (vedi Figura 4.17).

Figura 4.17: rappresentazione dei punti in cui è stato focalizzato il pirometro (cerchietti neri) per le misure di temperatura, sulle facce frontali e laterali del catodo. Le zone tratteggiate in rosso sono le aree in cui viene rilevato il campo termico, con l’indicazione relativa al diametro della zona di osservazione (dFOC).

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Sono stati esaminati due catodi realizzati con due diverse tecnologie: un catodo con saldatura TIG ed uno con saldatura LASER (per i dettagli sul tipo di saldatura si rimanda il lettore al Capitolo 5).

I risultati ottenuti vengono quindi confrontati con i valori ricavati dal modello FEM: per il confronto si è proceduto a ricavare dal modello numerico l’andamento della temperatura sulla faccia frontale, in senso radiale, e su quella laterale, in senso assiale. Quindi misurando la distanza del pirometro dall’oggetto misurato per i due diversi posizionamenti, si è potuto calcolare il fattore d, noto il fattore di risoluzione del pirometro, con la formula 4.1. Misurando semplicemente la distanza fra pirometro e posizione del catodo, si ottiene DFRONT = 550 mm e DLAT = 400 mm che inseriti nell’equazione danno dFRONT = 3.7 mm e dLAT = 2.7 mm. Quindi, dagli andamenti della temperatura sul catodo, il valore preso per il confronto è stato quello ottenuto entro una distanza d dal bordo dell’oggetto, che nel caso della faccia frontale è il canale centrale, nel caso di quella laterale è il bordo esterno.

Le Tabella 4.4 e Tabella 4.5 riportano i dati relativi ai confronti fra dati numerici e sperimentali, dove questi ultimi sono ottenuti mediando i valori rilevati durante i vari cicli di riscaldamento e raffreddamento. Per il catodo TIG la media è stata ottenuta considerando due serie di misure, mentre per quello LASER una sola serie. Quando si parla di serie di misure, viene inteso che sono stati effettuati due cicli di riscaldamento ed uno di raffreddamento, cioè partendo da 280 A, si è saliti a 370 A, poi si è ripartiti tornando a 280 A e quindi nuovamente a 370 A. Perciò per il catodo TIG la media è effettuata su sei valori, mentre su quello LASER su tre. Si è osservato che i dati ottenuti sono sempre ripetibili fra le varie misure, i valori della temperatura per lo stesso valore di ILINE erano sempre compresi in un intervallo di circa 10°C. Il diametro considerato per la valutazione delle temperature dei modelli FEM è, come già spiegato durante la descrizione del pirometro a infrarossi, di 3.7 mm per la faccia frontale e di 2.7 mm per quella laterale.

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TFRONT [°C]