APARATE PENTRU MASURAREA TEMPERATURII

APARATE PENTRU MASURAREA TEMPERATURII

Generalitati

Temperatura este o marime de stare termica ce caracterizeaza gradul de incalzire al corpurilor .

Pentru masurarea temperaturii se recurge la un corp termometric ale carui proprietati fizice variaza cu temperatura. Indicarea temperaturii se obtine prin stabilirea echilibrului termodinamic intre corpul al carui temperatura se doreste a fi stabilita si corpul termometric, stare in care, transferul de caldura dintre acestea se anuleaza.

Metodele si aparatele folosite pentru masurarea temperaturii se clasifica in functie de proprietatea fizica a corpului termometric utilizata in acest scop. In general, se foloseste variatia urmatoarelor proprietati fizice ale materialelor sau corpurilor termometrice functie de temperatura:

-variatia dimensiunilor liniare ale unor corpuri solide cu temperatura (termometre cu tub si tija, termometre cu lama bimetalica);

-variatia volumului functie de temperatura a unor lichide in tuburi capilare (termometre cu lichid);

-variatia presiunii functie de temperatura a unor vapori, gaze sau lichide aflate intr-un volum inchis (termometre manometrice);

-variatia functie de temperatura a rezistentei electrice a unor conductoare (termorezistente) si semiconductoare (termistoare) (traductoare termorezistive);

-aparitia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.) la capetele libere a doua conductoare diferite, sudate intre ele, cand sudura se afla la temperatura de masurat iar capetele libere la o temperatura cunoscuta si constanta (termocupluri);

-actiunea termica si distributia spectrala a energiei radiate de un corp incalzit (pirometre optice cu radiatie totala, pirometre optice cu benzi de radiatie, pirometre spectrale si pirometre cu dispersie sau de culoare);

-alte metode bazate pe variatia proprietatilor fizice si chimice ale corpurilor.

In general, aparatele care servesc pentru masurarea temperaturilor sub 660^oC - se numesc termometre, iar peste 660^oC,- pirometre

Traductoarele termorezistive cuprind traductoare a caror rezistenta electrica depinde de temperatura. Senzorii termorezistivi sant realizati din metale pure si din materiale semiconductoare, bazandu-se pe proprietatile materialelor d a-si modifica rezistivitatea electrica odata cu temperatura. Pentru metale benzile de valenta si de conductie se suprapun partial,astfel ca exista intotdeauna electroni de conductie si metalul prezinta conductivitate. In acest caz, rezistenta depinde de temperatura. Spre deosebire de metale, in cazul semiconductorilor,cele doua benzi, de conductie si de valenta, sunt separate de un interval de energie,avand valori specifice pentru fieecare material. Un electron trece din banda de valenta in banda de conductie si, implicit, conductivitatea semiconductorului sunt puternic dependente de temperature.

Senzorii termorezistivi realizati din materiale semiconductoare se numesc termistori.

Rezistivitatea metalelor creste odata cu cresterea temperaturii, adica prezinta un coefficient de temperatura pozitiv, iar rezistivitatea electrolitilor, a semiconductoarelor si a materialelor izolante scad odata cu cresterea temperaturii.

Termorezistentele si termistoarele se utilizeaza la fabricarea termometreeleo electrice.

ð     Termorezistentele sunt rezistente executate din metale pure, care prezinta mari variatii ale reezistentei electrice la variatia temperaturii, rezultand o caracteristica de conversie lineara, pe intervale largi de tempeeratura.

Cele mai utilizate metale pentru realizarea termorezistentelor sant:

Traductorul termorezistiv se realizeaza prinbobinarea bifilara a firului rezistiv, pe un support izolant,si introducerea lui intr-un tub de protectie. Traductorul se fixeaza in peretele incintei in care se masoara teemperatura, cu ajutorul unei flanse filetate. Firul rezistiv prezinta un diametru de 0.02-0.06 mm si o lungimee de 5-50 mm.

Materialele folosite pentru suportul bobinelor se aleg in functie de temperature astfel:

pana la +120◦C, materiale electroizolante obisnuite

pana la +300◦C, steatite si mica

pana la +550◦C, sticla dura

peste +550◦C, materiale ceramice speciale.

Tubul de protectie se executa din otel inoxidabil, cu sau fara camasa ceramica,in functie de mediul unde se desfasoara masurarea. Diametrul, lungimea, grosimea si natura materialului folosit ca si executia armaturii se aleg in functie de natura mediului de masurare, presiunea,temperature si viteza fluidului in locul de masurare.

Termorezistentele prezinta rezistente de 25,50, 100 Ω la 0◦C cu un current maxim admisibil de 10 mA, o constanta de timp cuprinsa intre 0.05 ms si cateeva minute. Au precizii uzuale de 1% putand ajunge la 0.05%.

Aceestea se utilizeaza la masurarea temperaturii si in constructii speciale, la masurarea vitezei gazelor, a debitului volumetric, a concentratiei gazelor si a presiunilor scazute.

ð     Termistoarele sant senzori pasivi de temperetura, a caror caracteristica esentiala o reprezinta sensibilitatea, ele variindu-si cel mai mult marimeea de iesire intre aceleeasi limite de temperatura.

Teermistorul a fost descoperit in 1833 de Michael Faraday. Este realizat din mateeriale ceramice, ce au urmat un process de sinterizare la temperature ridicate. Acestea pot fi de 2 tipuri:

-cu coeficient de temperatura negativ (NTC), rezistenta electrica scazand odata cu cresterea temperaturii

-cu coefficient de temperature pozitiv (PTC),

Din cauza dificultatilor de producere si de aplicare, utilizarea industriala a inceput acum 100 de ani.

In present termistoarele se obtin prin preessare, in forme sferice sau discuri, pereevazute cu 2 teerminale, din amestecuri de materiale semiconductoare, care prezinta variatii ale rezistivitatii cu temperature.

Daca la o termorezistenta se utilizeaza montaje cu 3 fire de conexiune, care conduc la scheme complicate de prelucrare, termistorul se leaga doar cu 2 fire. Teermistoarele sant indicate atat pentru masurari statice, cat in special pentru masurari dinamice.

Efectul termoelectric

Fie doua metale A si B sub forma de sarme ale caror capete le unim prin sudura, lipire sau pur si simplu rasucire realizand in acest fel doua jonctiuni 1 si 2. Daca cele doua jonctiuni se mentin la temperaturi diferite T₁ T₂ atunci prin circuit va circula un curent electric datorita tensiunii electrice generate de diferenta de temperatura dintre cele doua jonctiuni. Intrerupand unul din conductori vom putea masura diferenta de potential generata de diferenta de temperatura dintre cele doua jonctiuni. Acest fenomen a fost pus in evidenta de Seebeck in anul 1821 si poarta numele de efect Seebeck . In tabelul alaturat prezentam valoarea tensiunii termoelectromotoare (t.t.e.m.) U, in milivolti, pentru diverse materiale fata de platina (Pt) atunci cand o jonctiune este mentinuta la 0 ^oC si cealalta la 100 ^oC.

Se vede ca cea mai mare t.t.e.m. se poate obtine cu antimoniu (stibiu,Sb) si bismut (Bi) ca termocuplu metalic. Curentul electric circula de la Sb la Bi prin jonctiunea rece. Tensiuni mult mai mari se pot obtine folosind materiale semiconductoare pentru realizarea termocuplului. Metalele se pot ordona intr-o serie : Bi, Pt, Pb, Cu, Ag, Fe, Sb, astfel incat in oricare cuplu realizat curentul va circula in jonctiunea calda de la metalul aflat mai la stanga in serie catre cel aflat mai la dreapta.

In 1834 Peltier a descoperit ca trecand curent electric prin jonctiunea realizata cu doua metale diferite in functie de sensul curentului se absoarbe sau se cedeaza caldura P·q proportionala cu cantitatea de electricitate q ce traverseaza jonctiunea, acesta fiind efectul Peltier.

In 1851 Thomson (lordul Kelvin) descopera ca intr-un conductor omogen ale carui capete se afla la temperaturi diferite se produce sau se absoarbe in mod reversibil caldura 'h× q' proportionala cu cantitatea de electricitate deplasata 'q', efectul Thomson .

Coeficientul Thomson 'h' al unui material reprezinta cantitatea de caldura absorbita sau generata reversibil cand sarcina electrica unitate traverseaza doua puncte din material a caror temperatura difera cu un grad Celsius sau Kelvin ([h]_SI = J/(C× K) = V/K, util m V/ ^oC).

Trebuie precizat clar ca efectul Thomson este altceva decat efectul Joule. In efectul Joule materialul se incalzeste sub actiunea curentului electric, se genereaza caldura in mod ireversibil, indiferent de sensul curentului electric si proportional cu patratul intensitatii lui, iar in efectul Thomson se poate genera sau absorbi caldura in mod reversibil, depinzand de sensul curentului electric si proportional cu intensitatea lui.

Termocuplul

Termocuplul reprezinta un mijloc de masurare a temperaturii cu o larga raspandire datorita avantajelor pe care le ofera fata de alte mijloace de masurare a temperaturii si anume: are o constructie simpla, pret de cost redus, interval mare de masura (-200^oC 3000^oC), poate fi conectat la diferite indicatoare, inregistratoare, semnalizare si comanda.

Termocuplul impreuna cu aparatul electric de masurat, poarta denumirea de pirometru termoelectric. Masurarea temperaturii cu ajutorul termocuplurilor se bazeaza pe legile fenomenelor termoelectrice. Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.), care apare in circuitul celor doi conductori omogeni care compun termocuplul, este rezultatul actiunii concomitente a efectului Thomson si a efectului Seebeck.

Efectul Thomson reprezinta aparitia unei t.t.e.m. E_a intr-un conductor 'a a carui capete se afla la temperaturi diferite

Aplicatiile practice se bazeaza pe trei legi de baza empirice si anume:

- legea metalelor omogene.Intr-un circuit termoelectric format dintr-un singur metal omogen, nu poate aparea un curent termoelectric prin incalzirea acestuia;

- legea metalelor intermediare. Suma algebrica a t.t.e.m. intr-un circuit compus dintr-un numar oarecare de materiale diferite este zero, daca intreg circuitul se afla la aceeasi temperatura;

- legea temperaturilor succesive sau intermediare. Daca doua metale omogene, de natura diferita, produc o t.t.e.m. E₁, cand jonctiunile sunt la temperaturile T₁ si T₂ si o t.t.e.m. E₂ cand jonctiunile sunt la temperaturile T₂ si T₃, t.t.e.m. generata cand jonctiunile sunt la temperaturile T₁ si T₃ va fi E₁ E₂.

Pirometrul

Pirometrul cu rezistenta de platina- se foloseste de faptul ca rezistenta electrica a firului de platina creste odata cu temperatura. Acesta, inchis intr-o carcasa de silica (bioxid de siliciu-SiO2), e pus in contact cu corpul cald. Rezistenta electrica e masurata cu ajutorul Puntii Wheatstone (un circuit electric ce foloseste trei rezistente cunoscute pentru a o afla pe cea a unui al patrulea component necunoscut), aflandu-se de aici temperatura. Un pirometru cu rezistenta de platina poate fi folosit pentru temperaturi de pana la 1200 C, cu o acuratete de 0,01 C.

Pirometrul optic- foloseste lumina sau alta radiatie emanata de un obiect cald pentru a-i masura temperatura. Ochiul uman a fost primul pirometru optic-culoarea unui obiect ne spune aproximativ cat de cald este. Pirometrele optice sunt folosite pentru masurarea temperaturilor intre 1200 si 3000˚C. Sunt mai corect denumite instrumente de masurare a radiatiilor, pentru ca masoara radiatia emanata de obiectele calde.

Un avantaj este acela ca instrumentul nu trebuie introdus intr-un cuptor si expus caldurii distructive. Se poate aseza la o anumita distanta de acesta iar radiatia emanata printr-o deschizatura din peretele furnalului (cuptorului) cade pe aparat.

Cel mai comun pirometru optic este tipul ,,cu filament ce dispare". O lampa electrica si corpul cald sunt observate prin ecrane de absorbtie iar curentul asigurat lampii este reglat pana cand cele doua obiecte arata la fel. Temperatura filamentului lampii poate fi reglata de curent.

Bibliografie

1.Damachi E. Tunsoia - Electronica . EDP-BUC. 1979

2.Gray P.E. - "Bazele electronici moderne"- vol. I-II, ETH, BUC. 1979

3.Vacarescu A. -"Dispozitive semiconductoare-Manual de utilizare" ETH.    BUC -

1975

4. Ceanga E. Tusac I. , Miholca C.-"Electronica industriala si automatizari"- EHT. BUC.

1979

5. Constantin P. Barca-Galareanu }.a. -"Electronica Industriala"- EDH -BUC.-1976

6. Maican S. -"Sisteme numerice cu circuite integrate" ETH-BUC. 1980

7. Dancia I. -" Micro-procesoare arhitectura interna", E. Dacia- Cluj-Napoca - 1979

8. Savescu M. , si . a. -"Circuite Electronice"vol. I,II,III, ETH, BUC.-1987-1989

9. Cartureanu V.Iancu O. si.a. -"Materiale si componnte electronice"

EDP. BUC. 1972

10. Internet -Electronica si automatizari