Thermokreuz im Vakuum (croce termoelettrica) Siemens & Halske 1ª parte

 Thermokreuz im Vakuum  Siemens & Halske, matricola N° 3142202. Prima parte.
Non è rinvenibile in nessun inventario.
Dobbiamo alla gentile collaborazione del Prof . Emerito Jean-Francois Loude di avere un riferimento bibliografico esauriente nel quale si fa cenno a questo dispositivo; il libro reca la data 1928.
 Pertanto si può stimare che questo esemplare sia degli anni Trenta.
Sulla sommità dell`oggetto vi sono 4 morsetti e una targhetta reca le seguenti scritte ( come si vede bene in una foto):  “J= 10 mA; R = 65 Ω; Jmax = 15 mA; E = 10,0 mV; R = 19,2 Ω”. Si nota subito il disegno dell`incrocio di due fili.
Purtroppo questi risultano bruciati e nel bulbo si vedono solo i reofori di sostegno.
   Il Thermokreuz im Vakuum fa parte degli apparecchi a coppia termoelettrica.
La corrente da misurare passa attraverso un filo che ne viene riscaldato; l`aumento di temperatura, proporzionale al quadrato della corrente, viene misurato mediante una coppia termoelettrica con un millivoltmetro a corrente continua. Il complesso filo riscaldatore-coppia termoelettrica prende anche il nome di convertitore termico.
   Le coppie generalmente usate sono del tipo rame-costantana o analoghe che generano una forza elettromotrice dell`ordine di 5 mV per 100 °C.
Esistono convertitori con riscaldatore e coppia, nei quali il giunto caldo della coppia è saldato sul riscaldatore (croce termica) per consentire maggiori sensibilità.
Per aumentare ancor di più la sensibilità si dispone il convertitore in un`ampollina di vetro dove si fa il vuoto in modo da diminuire la dispersione del calore.
Si potevano avere amperometri a coppia termoelettrica da quadro con valori di fondo scala di 15 mA e consumavano solo 7,5 milliwatt; sensibilità ancora maggiori si potevano ottenere con strumenti da laboratorio.
  Questi strumenti davano indicazioni che sono funzione del valore efficace della corrente; erano perciò indicati anche alle alte frequenze, ed erano preferiti ai tipi a filo caldo, rispetto ai quali presentavano i vantaggi di minore consumo, maggiore sensibilità e migliore permanenza; per contro un sovraccarico anche momentaneo conduceva facilmente alla bruciatura del riscaldatore.
Come probabilmente è accaduto a questo esemplare.
  Anche in questo caso, disponendo in serie con un riscaldatore di piccola portata una grande resistenza, si ottiene un voltmetro.
L`induttanza di queste resistenze, per quanto minima, però fa sì che alle frequenze elevatissime l`impedenza risulti variabile; perciò si sconsiglia l`uso di questi voltmetri per frequenze oltre 100.000 hertz, mentre gli amperometri si possono usare anche fino a qualche milione di hertz.
   Il Thermokreuz è dunque un convertitore corrente tensione a termocoppia [thermokreuz: termocroce] sotto vuoto.
   Dai dati riportati sullo strumento si rileva che con una corrente di 10 mA, anche alternata e a radio frequenza, esso genera una tensione di 10 mV.
Supponendo (come nel caso della termocoppia costruita dalla Cambridge Instruments Co.) che sia una termocoppia tipo ferro costantana, supposto inoltre che abbia una caratteristica di 38 µV/°C, per generare 10 mV deve essere a una temperatura di 10 • 10-3 /38 • 10-6 = circa 260 °C. Temperatura ragionevole per un filamento che deve scaldarsi, ma senza giungere all`incandescenza per non consumarsi in fretta e avere quindi scarsa durata.
  L`aumento della temperatura è proporzionale alla potenza dissipata dal filamento, quindi al quadrato della corrente. Inoltre, siccome la resistenza del filamento metallico aumenta con la temperatura, il comportamento si discosta ancor più da un andamento lineare. Occorrerebbe dunque una scala costruita ad hoc.
 Se la tensione viene applicata a un milliamperometro a bobina mobile, supponiamo con resistenza interna di avvolgimento di 1000 ohm, la corrente è I = 10 mV/ ( 1000 + 19,2) Ω = 10 µA quindi lo strumento deve essere molto sensibile (19,2 Ω, sono riportati come resistenza della termocoppia).
Ai nostri giorni adopereremmo un voltmetro elettronico o meglio digitale.
 Dalle caratteristiche secondarie (R = 65 Ω filamento riscaldante) si ricava: caduta di tensione V = R • I = 65 • 0,01 = 0,65 V; potenza dissipata: P = V • I = 0,65 • 0,01 = 6,5 mW
 Il vuoto riduce la dissipazione del calore, quindi, a parità di potenza, favorisce un aumento di temperatura rispetto ad un filamento posto in aria e soggetto a raffreddamento per convezione. La maggior temperatura raggiunta aumenta la sensibilità della termocoppia.
 Quella che segue è una traduzione libera del testo originale in tedesco che si trova nella seconda parte:
“LA TERMOCOPPIA –
La termocoppia nel bulbo di vetro (attualmente interrotta) era utilizzata per la misura della corrente alternata di qualsiasi frequenza con valori compresi tra 1 ÷ 10 mA , che non può essere misurata con strumenti ad ago a filo caldo , o per misurare correnti fino a 100 mA, quando l` autoconsumo degli strumenti ad ago è troppo alto. Nella sua realizzazione più semplice, una saldatura congiunge due fili di materiali diversi per formare una termocoppia; per esempio un filo d`argento con uno di costantana . Anche i fili esterni sono costituiti da argento e costantana . Nelle seconda parte è riportata la Fig. 167 che mostra una croce termica della Cambridge Instrument Co. , costruita per misurare correnti ad alta frequenza . Ci sono due fili di ferro e costantana con 0,05 millimetri di diametro per una corrente massima di 1 A. Questo serve anche come schermo elettrostatico. In genere le semplici croci termiche sono collegate direttamente allo strumento in CC . Tali strumenti sono costruiti in gran numero in America. Una realizzazione è della Weston Co. ( Modello 425 ) con portata fondo scala di 8 A. Il filo di riscaldamento di nichel-cromo con diametro di 0,5 mm. e lungo 6 mm, viene riscaldato a circa 220 °C alla corrente nominale. La caduta di tensione del filo di riscaldamento è di 200 mV , il consumo di potenza dello strumento è 3,8 mW [ Nel testo si legge 3,8 mA: 3,8 W / 0,2 V = 19 mA è un valore plausibile. N.d. T.] Secondo il costruttore, questo misuratore di corrente può essere impiegato fino al 50 % delle sue possibilità. Nel tentativo di forzarlo è stato rilevato comunque che all`80% delle prestazioni non vi era ancora nessun cambiamento per circa 5 secondi.
Lo strumento non è utilizzato per la corrente continua. [Poiché un simile strumento sarebbe adatto per usi diversi, in quanto in questo caso un galvanometro a bobina mobile risulta più preciso e sensibile, N. d. T].
  Il modello per piccole correnti a 115 mA , 5 mV. [ R • I2 va bene, ma non V • I e neppure V2 /R : 5 mA / 115 mV = 0,043 Ω; 115 mV • 5 mA = 0,575 mW ? ? Qualcosa non va nei dati riportati nel testo N. d.T.] con 0,15 Ω di resistenza intrinseca, corrispondente a quasi 2 mW di consumo di energia.
 Il contatore associato ha la forma di un orologio ed è dotato di resistenza di 5 ohm a 1 mA di corrente. La precisione di questa versione è ovviamente minore, cioè di circa ± 5 % dal valore nominale .
 CROCE TERMICA NEL VUOTO –
Per termocoppie a giunzione, realizzate con fili molto sottili, il calore vene dissipato principalmente per conduzione in aria, e, in parte minore, per irraggiamento e per conduzione attraverso le estremità metalliche.
Si può osservare che la sensibilità è notevolmente rafforzata, se la termocoppia viene posta in un bulbo di vetro con la pressione residua dell`aria fino a circa 0,01 mm di Hg.
La sensibilità di questo dispositivo cresce in modo significativo, dato che aumenta di 10 ÷ 20 volte la potenza termica del filamento a parità di corrente, ma il vuoto deve essere fatto con l`eliminazione di vapore acqueo, altrimenti la sensibilità si riduce nel tempo.
 Il convertitore termico Voegeschen (Etz. 1906, p 467) viene fornito da Siemens & Halske per le seguenti correnti riportate nella TABELLA 1.

 Il consumo per mV per questo termo convertitore è da 0,5 a circa 1 mW , cioè di 0,75 mW in media.
 The Cambridge Instrument Co. costruisce un convertitore termico visibile in fig. 169 [vedi seconda parte N.d.T.].
 Corredato di un millivoltmetro-unipivot con 10 ohm di resistenza e 2,4 mV di caduta di tensione. Vedi la TABELLA 2.

 Un convertitore termico molto sensibile viene costruito dalla Weston Instrument Co. con una resistenza del filamento di circa 700 Ω e 2 mA di corrente, genera circa 8 mV .
La composizione del filamento non è indicata dal costruttore, l`elevata resistenza e il suo basso coefficiente di temperatura negativo suggerisce che il conduttore è costituito da un filamento di carbonio.
Lo strumento della Siemens & Halske da 2 mA è sostanzialmente più sensibile di qualsiasi altro con tali forme di realizzazione; esso però, sottoposto a prove, ha mostrato carenze significative riguardanti la costanza nei risultati forniti che variano, seppur di pochi punti percentuali. Le versioni per correnti più elevate corrispondono approssimativamente alla precisione delle informazioni fornite dal fabbricante, ma non sembrano contenere le termocoppie altamente sensibili. I dati forniti dalla Weston Co. sono mostrati nella TABELLA 3 .

 [La corrente generata dalla termocoppia, che circola nel milliamperometro indicatore a bobina mobile, a sua volta per effetto Peltier causa delle variazioni di temperatura nella giunzione della termocoppia stessa, provocando derive nella misura. Si ricorda che l`effetto Peltier è il contrario dell`effetto Seebeck: mentre nel secondo differenze di temperatura nelle giunzioni causano differenze di potenziale e conseguente corrente nel circuito; nell`effetto Peltier la circolazione di corrente nella giunzione provoca una variazione di temperatura.
[Oggi si userebbe un voltmetro elettronico con resistenza di ingresso molto alta e corrente trascurabile, annullando l`effetto Peltier. N. d. T.]»
  Nella seconda parte si possono vedere sia le figure, sia le tabelle. Per consultarla  scrivere: “Thermokreuz” su Cerca. Per consultare la terza parte scrivere: “Croce”.
  Ringraziamo sentitamente il prof. Emerito Jean – Francois Loude di Losanna che ci ha fornito le pagine 209, 210, 213 e 214 tratte da “DIE TECHNIK ELEKTRISCHER MESSGERÄTE von Dr. Ing. Georg Keinath. DRITTE, VOLLSTÄNDING UMGEARBEITETE AUFLAGE ERSTER BAND MESSGERÄTE UND ZUBEHÖR MIT 561 TEXTBILDERN MÜNCHEN UND BERLIN 1928 DRUCK UND VERLAG VON R. OLDENBOURG”.
   Abbiamo ricevuto inoltre preziose indicazioni dal prof. Paolo Brenni, che ringraziamo per la collaborazione.
   Per la stesura del testo ci siamo avvalsi della sapiente consulenza dell`ing. Marco Ducco IK1PXM che ringraziamo, ma la responsabilità di quanto scritto è di Fabio Panfili.
    Foto di Claudio Profumieri, elaborazioni e ricerche di Fabio Panfili.