Masurarea temperaturii

MASURAREA    TEMPERATURII

1. OBIECTIVUL LUCRARII

- cunoasterea principiului de functionare si a caracteristicilor constructiv-functionale ale diferitelor tipuri de traductoare de temperatura;

- cunoasterea structurii si functionarii sistemelor de masurare industriala a temperaturii;

- determinarea caracteristicii statice si dinamice a unui traductor de temperatura de tip termorezistenta.

2. NOTIUNI RECAPITULATIVE DE BAZA

Principial, un sistem de masurare industriala a temperaturii contine doua elemente principale si anume:

- traductorul T, care sesizeaza temperatura de masurat pe care o transpune pe un semnal purtator de informatie y;

- aparatul de vizualizare AV, care indica sau inregistreaza valoarea temperaturii, pe baza semnalului generat de traductor ( fig.1).

- element de convertire si adaptare ECA, in caz de necesitate.

Fig.1. Structura unui sistem de masurare a temperaturii:

T-traductor de temperatura; ECA-element de convertire si adaptare;

AV-aparat de vizualizare a rezultatului.

Temperatura unui corp (solid, lichid, gazos) poate fi determinata pe baza influentei acesteia asupra unei proprietati a corpului respectiv sau al altui corp pus in contact cu el si care reprezinta elementul sensibil al traductorului. Se foloseste acea proprietate care variaza foarte mult cu temperatura corpului de masurat si foarte putin cu alti factori. Astfel de proprietati sunt: modificarea cu temperatura a tensiunii termoelectromotoare, a rezistentei electrice, a dimensiunilor geometrice, a intensitatii radiatiilor termice s.a.

2.1. Traductoare termoelectrogeneratoare

Sunt cunoscute in practica sub denumirea de termocupluri si se compun din doi electrozi din metale pure sau aliaje, sudati la unul din capete (fig.2).

Punctul de sudura al electrozilor, numit si capatul 'cald', se gaseste la temperatura T a mediului de masurare, iar capetele libere, numite si 'reci', se gasesc ambele la aceeasi temperatura T₀.

Tensiunea electromotoare E_AB, generata intre capetele libere este proportionala cu diferenta dintre temperatura punctului cald si temperatura capetelor reci.

.

Fig.2.Termocuplul:

a), b) schema electrica; c) caracteristica statica.

Coeficientul a_AB relativ la conductorii A si B reprezinta sensibilitatea medie a termocuplului alcatuit din cei doi electrozi. In figura 2,c sunt reprezentate caracteristicile statice ale diferitelor tipuri de termocupluri.

Pentru a obtine o tensiune dependenta numai de temperatura T a mediului de masurare, capetele reci ale termocuplului se prelungesc, cu ajutorul unor conductoare, pana in camera de masurare unde se afla instalat adaptorul si aparatul de masurare. Compensarea influentei temperaturii din camera de masurare se face in mod automat prin inserierea cu termocuplul a unei punti electrice neechilibrate, avand conectata pe unul din brate o rezistenta de compensare R_c, din cupru sau nichel, dependenta de temperatura T₀ din camera dispecerului (fig.3).

Fig.3. Schema de compensare a influentei temperaturii

capetelor libere ale unui termocuplu.

Caracteristica dinamica a unui termocuplu este descrisa cu suficienta precizie printr-o ecuatie diferentiala liniara de ordinul I:

unde T₁ este constanta de timp, cu valori in domeniul 2 . 60 secunde, iar a_AB este sensibilitatea traductorului.

2.2. Traductoare termorezistive

Acestea functioneaza pe baza dependentei rezistentei electrice a unor metale pure sau semiconductoare cu temperatura.

Termorezistentele sunt traductoare termorezistive alcatuite dintr-un fir subtire de metal pur (platina, cupru, nichel) bobinat neinductiv pe un suport izolator (sticla, mica, textolit, ceramica), introdus intr-o teaca de protectie (fig.4).

Fig.4. Termorezistorul:

a) aspectul general; b) termorezistor cu trei conductori.

Cele mai utilizate sunt termorezistentele din platina, datorita avantajelor multiple pe care le prezinta platina: are punct de topire ridicat, se poate trefila la diametre mici, nu oxideaza, are o dependenta aproape liniara cu temperatura:

unde R₀ reprezinta valoarea termorezistentei la temperatura de referinta T₀=0^oC, iar a este sensibilitatea relativa medie pe intervalul T₀ . T. Termorezistentele din platina au valori standardizate la 0^oC: R₀ = 46 - Pt 46; R₀ = 50 - Pt 50; R₀ = 100 - Pt 100.

In vederea asigurarii unor masurari corecte, pentru reducerea influentei temperaturii mediului ambiant asupra conductoarelor de legatura, s-a adoptat solutia conectarii termorezistentei la adaptor prin intermediul a trei conductoare de legatura (fig.5).

Fig.5. Schema de compensare a rezistentei cablului de legatura.

Termistoarele sunt elemente semiconductoare fabricate din amestecuri de oxizi de mangan, nichel, cobalt, fier, cupru etc., sinterizate la temperaturi inalte (peste 1000^oC) sub forma de placute, pastile sau baghete, cu dimensiuni de ordinul milimetrilor. Rezistenta electrica R a termistoarelor variaza cu temperatura absoluta T dupa o lege exponentiala de forma:

, a, b > 0,

iar sensibilitatea este mult mai mare decat la termorezistente. Domeniul de lucru utilizabil in practica este cuprins intre -100 . +300^oC.

CONTINUTUL SI DESFASURAREA LUCRARII DE LABORATOR

Partea experimentala a lucrarii consta in efectuarea lucrarilor care urmeaza:

1. Cunoasterea fizica a mai multor tipuri de termocupluri si termorezistente. Se vor citi si interpreta caracteristicile tehnice inscrise pe placutele traductoarelor.

2. Identificarea elementelor componente ale sistemelor de masurare a temperaturii din figura 6 si figura 7.

Fig.6. Sistem neunificat de masurare si simulare a temperaturii

cu termorezistenta Pt 100:

R-aparat inregistrator (punte automata), C-comutator,

CR-cutie de rezistente

Fig.7. Sistem unificat de masurare a temperaturii cu termorezistenta Pt 50:

AD-adaptor, R-aparat inregistrator (compensator automat).

3. Determinarea caracteristicilor statice R=f(T) a termorezistentei Pt 100. In acest scop se utilizeaza montajul din figura 6, cu comutatorul C in pozitia 2 (in care termorezistenta este simulata cu ajutorul cutiei de rezistente CR).

Pentru fiecare punct (R_k, T_k), rezistenta R_k va fi stabilita cu ajutorul comutatoarelor decadice ale cutiei de rezistente, iar temperatura T_k va fi citita pe scala inregistratorului R. Se va intocmi un tabel de forma:

Caracteristica statica va fi reprezentata si grafic.

4. Determinarea experimentala a raspunsului indicial al unui traductor de temperatura tip termorezistenta Pt 50.

Pentru aceasta se utilizeaza montajul din figura 7.

Variatia treapta a marimii de intrare se realizeaza prin trecerea la t=0 a termorezistentei din baia de ulei incalzit intr-un vas cu apa (sau invers). Se cronometreaza timpul la diferite valori ale temperaturii sesizate de traductor. Rezultatele se inscriu intr-un tabel de forma:

Se realizeaza un grafic de forma:

Modelul matematic dinamic al traductorului de temperatura este de forma:

unde constantele a si b se determina din reprezentarea grafica. Astfel:

Constanta a se determina astfel: se ia un punct pe curba T_e(t) si se duce din acest punct o tangenta la curba respectiva pana ce intersecteaza asimptota la grafic. Prin punctul considerat si prin punctul de intersectie cu asimptota se duc doua verticale. Distanta dintre ele constituie constanta de timp a [sec].

Cu valorile constantelor a si b se rezolva ecuatia modelului matematic si se reprezinta grafic, comparandu-se cu cel determinat pe cale experimentala.

INTREBARI DE CONTROL

1. Ce tipuri de traductoare de temperatura cunoasteti si pe ce principiu se bazeaza functionarea acestora?

2. Ce intelegeti prin caracteristica statica a unui traductor? Exemplificati aceasta pentru un traductor de tip rezistiv.

3. Precizati care sunt elementele componente ale unui sistem de masurare a temperaturii si rolul fiecaruia dintre ele.

4. Care sunt principalele surse de erori la masurarea temperaturii cu termocuple?

5. Care este modelul matematic dinamic al unui traductor de temperatura de tip termocuplu?

6. In ce constau functiile elementelor de convertire si adaptare?

7. Care sunt principalele caracteristici statice si dinamice ale sistemelor de masurare a temperaturii?