Le termocoppie si basano sul principio della misura comparativa e sono costituite da due conduttori metallici di materiali diversi saldati insieme all'estremità. A seconda del materiale accoppiato, presentano diversi livelli di tensione termoelettrica e sono adatte a diversi intervalli di temperatura. Le più comunemente utilizzate sono le termocoppie di tipo K e le termocoppie di tipo J.
Normalmente, la termocoppia è costituita da una combinazione di due materiali con diametri compresi tra 0,2 e 5 mm. Quando si utilizzano materiali nobili come il rodio o il platino, le dimensioni variano da 0,1 a 0,5 mm. Quando si sceglie il materiale di una termocoppia, occorre assicurarsi che abbia un fattore di Seebeck elevato e che la temperatura influisca il meno possibile sul suo valore per ottenere una caratteristica lineare. Il materiale della termocoppia appropriato viene selezionato in base all'intervallo della temperatura misurata.
L'involucro della sonda è esposto a temperature molto elevate, quindi è necessario utilizzare diversi tipi di acciaio. Alle temperature più elevate, il tubo di protezione della termocoppia è realizzato in acciaio resistente al calore o in materiali ceramici. Il pozzetto deve essere resistente alla corrosione, agli shock termici e ai danni meccanici. Una caratteristica auspicabile per prevenire la corrosione della termocoppia è l'impermeabilità ai gas che potrebbero accelerare notevolmente il processo di invecchiamento della termocoppia. Esistono anche modelli senza copertura, utilizzati per ridurre gli errori dinamici. Per misure speciali, come la temperatura di metalli liquidi, vetro o acciaio liquido, si utilizzano termocoppie altamente specializzate.
Il pozzetto deve essere resistente alla corrosione, agli shock termici e ai danni meccanici. Una caratteristica auspicabile per prevenire la corrosione della termocoppia è l'impermeabilità ai gas che potrebbero accelerare significativamente il processo di invecchiamento della termocoppia. Per ridurre gli errori dinamici si possono utilizzare progetti senza copertura.
Inoltre, quando si sceglie il materiale della termocoppia, occorre assicurarsi che abbia un fattore di Seebeck elevato e che la temperatura influisca il meno possibile sul suo valore per ottenere una caratteristica lineare.
A differenza delle termoresistenze, le termocoppie possono essere utilizzate in un intervallo di temperatura molto più ampio. Inoltre, le termocoppie sono più robuste e resistenti alle sollecitazioni meccaniche.
Tra le numerose combinazioni di metalli possibili, ne sono state selezionate alcune e le loro proprietà sono state standardizzate, in particolare la serie di tensioni e le deviazioni limite ammesse. I seguenti elementi sono standardizzati a livello mondiale (IEC), europeo o nazionale per quanto riguarda la tensione termoelettrica e la sua tolleranza.
Codifica dei colori per le termocoppie
Il principio delle termocoppie è il risultato del cosiddetto effetto Seebeck. Questo fenomeno può essere spiegato dalla teoria degli elettroni liberi, secondo la quale diversi tipi di conduttori hanno una diversa densità di elettroni liberi. Nel punto di contatto di due conduttori diversi che formano una termocoppia, gli elettroni si spostano da un conduttore all'altro. Un numero maggiore di elettroni si sposterà da un conduttore a densità maggiore a uno a densità minore. L'intensità della migrazione degli elettroni dipende dalla temperatura del punto di contatto dei due conduttori ed è tanto maggiore quanto più alta è la temperatura. La forza elettromotrice che si forma in un circuito di termocoppia costituito da due conduttori diversi le cui estremità sono state poste a temperature diverse è data dalla formula:
V=(S-SA)⋅(T2-T1)
La forza elettromotrice risultante è dell'ordine di alcune decine di microvolt per grado Celsius.
La scelta del tipo di termocoppia dipende principalmente dalla temperatura di esercizio. Inoltre, è necessario scegliere un elemento con un'elevata tensione termoelettrica per ottenere un segnale di misura il più possibile insensibile alle interferenze. Nella tabella seguente: Proprietà delle termocoppie, i diversi elementi sono elencati insieme a una breve caratterizzazione. Le temperature massime consigliate possono essere assunte solo come valori di base, poiché dipendono fortemente dalle condizioni di applicazione. Si riferiscono a un diametro del filo di 3 mm per la base e di 0,5 mm per gli elementi nobili.
La lunghezza della termocoppia o del cavo di compensazione è di secondaria importanza grazie alla bassa resistenza interna. Tuttavia, nel caso di cavi di lunghezza maggiore e di sezione ridotta, la resistenza della termocoppia o del cavo di compensazione può assumere valori relativamente elevati. Per evitare errori di visualizzazione, la resistenza interna del circuito di ingresso dei dispositivi slave deve essere almeno 1000 volte superiore alla resistenza della termocoppia collegata. È possibile utilizzare solo cavi di compensazione dello stesso materiale dell'elemento stesso o con le stesse proprietà termoelettriche, altrimenti si creerà un nuovo elemento alla giunzione. Il cavo di compensazione deve essere posato fino alla giunzione di riferimento. Quando si collegano le termocoppie, è necessario rispettare la polarità.
Una termocoppia non fornisce tensione se la temperatura di misura è uguale alla temperatura di giunzione di riferimento. In caso di cortocircuito di una termocoppia o del cavo di compensazione, il nuovo punto di misura viene creato nel punto in cui si è verificato il cortocircuito. Se si verifica un cortocircuito, ad esempio nella testa di connessione, non viene più visualizzata la temperatura del punto di misura effettivo, ma quella della testa di connessione. In caso di interruzione del circuito di misura, il dispositivo successivo visualizza la temperatura di giunzione di riferimento.