STUDIUL SENZORILOR SI TRADUCTOARELOR PENTRU TEMPERATURÃ

1. Obiectul lucrarii

In aceasta lucrare se urmareºte cunoaºterea principalilor senzori ºi metode de masurare electrica a temperaturii, cat ºi a mijloacelor de masurare aferente acestora.

2. Aspecte teoretice

2.1 Senzori de temperatura

2.1.1 Senzori generatori. Termocuplul.

Termocuplul (termoelementul) este un senzor generator a carui funcþionare se bazeaza pe fenomenul termoelectric. Astfel daca se realizeaza un circuit din doua conductoare a ºi b de natura diferita, unite intre ele prin sudura sau lipire in punctele de contact P₁ ºi P₂ , ºi aceste capete sunt incalzite la doua temperaturi diferite q ºi q q > q ) apare o tensiune termoelectrica, egala intr-o prima aproximaþie cu tensiunea Seebeck, care produce un curent de circulaþie in circuit (fig. 4.1.a). Aceasta tensiune se poate masura cu ajutorul unui milivoltmetru magnetoelectric sau digital ºi depinde de natura metalelor din care sunt realizate conductoarele a ºi b, pentru intervale restranse de temperatura fiind proporþionala cu diferenþa de temperatura:

E S q q (4.1)

S fiind sensibilitatea termocuplului, q temperatura joncþiunii calde (joncþiune de masurare) ºi q temperatura joncþiunii reci (joncþiune de referinþa).

Din punct de vedere practic, termoelementul se poate utiliza atat in varianta cu un singur punct de sudura (fig. 4.1.b), cat ºi in varianta cu doua puncte de sudura (fig. 4.1.c).

a) b) c)

Fig. 4.1 Senzorul termoelectric a - explicarea fenomenului termoelectric;

b - schema principiala de masurare pentru termoelementul cu un singur punct de sudura

c - schema principiala de masurare pentru termoelementul cu doua puncte de sudura

Caracteristicile principalilor senzori de temperatura sunt prezentate in tabelul 4.1.

Tabelul 4.1

La alegerea unui celui mai potrivit termocuplu pentru o aplicaþie data trebuie sa se þina cont, in principal, de urmatoarele: intervalul de temperaturi de masurat, precizia necesara, natura mediului in care se face masurarea, timpul de raspuns.

Acestea prezinta urmatoarele avantaje: robusteþe, simplitate, precizie relativ buna,

interschimbabilitate, posibilitatea telemasurarii, timp de raspuns relativ scurt.

2.1.2 Senzori parametrici.

a) Termorezistorul.

Termorezistorul este un senzor parametric care funcþioneaza pe principiul variaþiei rezistenþei electrice a unui conductor cu temperatura, dupa relaþia:

R R₀ a Dq b Dq (4.2)

unde:

R este rezistenþa electrica la o temperatura q

R₀ este rezistenþa electrica la temperatura de referinþa q

a b sunt coeficienþi de variaþie ai rezistenþei cu temperatura.

Pentru un interval restrans de temperatura coeficientul a se cosidera constant ºi rezistenþa senzorului este data de relaþia simplificata:

R R₀ a Dq (4.3)

Termorezistoarele se confecþioneaza in mod uzual din:

cupru, pentru temperaturi mai mici de 150 C, deoarece peste aceasta temperatura cuprul se oxideaza puternic;

nichel, pentru temperaturi mai mici de 300 C, deoarece la temperaturi mai inalte variaþiile rezistenþei nichelului sunt ireversibile;

platina, pentru temperaturi mai mici de 700 C ºi sunt protejate de obicei contra acþiunii agenþilor chimici ºi mecanici cu teci de protecþie, ceea ce mareºte inerþia lor termica.

Termoreyistoarele prezinta urmatoarele avantaje: interschimbabilitate, timp de raspuns relativ scurt, precizie buna.

b) Termistorul.

Termistoarele sunt confecþionate din materiale semiconductoare, a caror rezistenþa electrica variaza cu temperatura dupa o lege exponenþiala:

R R₀ e⁽⁾    (4.4)

unde:

R₀ este rezistenþa electrica la temperatura T₀;

b este o constanta de material.

Sensibilitatea unui termistor este data de relatia

S R     (4.5)

ºi se observa ca scade cu patratul temperaturii, motiv pentru care domeniul de sensibilitate ridicata al termistoarelor este cel al temperaturilor joase. Termistoarele prezinta urmatoarele avantaje: sensibilitate ridicata, valori de rezistenþa in intervale largi (de la zeci ohmi la sute de kiloohmi), dimensiuni foarte mici, timp de raspuns foarte scurt ºi cost redus.

c) Joncþiunea pn.

Polarizata direct la un curent constant joncþiunea pn iºi modifica tensiunea directa cu aproximativ 2.2 mV/ C ºi implicit rezistenþa dinamica (fig. 4.2).

Fig. 4.2 Caracteristica directa a joncþiunii pn.

2.1.3 Caracteristica dinamica a senzorilor de temperatura

Caracteristica dinamica a unui senzor de temperatura, reprezinta raspunsul acestuia (vezi fig. 4.3) la funcþia treapta. Aceºti senzori, din punct de vedere dinamic, sunt elemente de intarziere de ordinul intai, raspunsul lor fiind de forma

q q e)    (4.6)

unde t este timpul dupa care marimea de ieºire a atins valoarea ( 1 ) q_max q_max ºi reprezinta "constanta de timp termica" a senzorului, care se utilizeaza la determinarea timpului de masurare.

Fig. 4.3 Caracteristica dinamica a senzorilor termici.

2.2 Mijloace de masurare a temperaturii

2.2.1 Generalitaþi.

Cele mai obiºnuite mijloace de masurare a temperaturii sunt termometrele. In continuare vor fi prezentate doua tipuri de termometre: analogic ºi digital utilizate in lucrare.

2.2.2 Termometru electronic TE 100 cu termorezistor Pt 1000

Principiul de funcþionare al acestui termometru este relativ simplu, exploatand pe de o parte neliniaritatea caracteristicii termorezistenþei Pt 1000 pe fiecare din domeniile (0 C ºi respectiv (0 C (neliniaritate care este mai mica de 0.1%), iar pe de alta parte modul de funcþionare a voltmetrului integrat MMC 7106, a carui indicaþie cifrica arata, cu o eroare mai buna de 0.1% raportul dintre tensiunea de intrare ºi tensiunea de referinþa ce i se aplica (fig. 4.4).

Fig. 4.4 Schema termometru electronic TE 100

cu termorezistor Pt 1000.

Tensiunea de la bornele termorezistenþei este aplicata unui preamplificator de precizie in montaj diferenþial CI₁ (bMTX 121AN), iar tensiunea de la ieºirea acestuia (tensiunea datorata modificarii temperaturii) se aplica unui amplificator sumator neinversor AO₁ alaturi de tensiunea furnizata de un amplificator inversor AO₃ (cele doua amplificatoare sunt consituite din doua din cele patru porþi ale integratului CI₂ (bM 324)), rezultand la ieºirea sumatorului AO₂ o tensiune ce reprezinta tensiunea de intrare in voltmetrul integrat CI₃ (MMC 7106).

In acest mod indicaþia voltmetrului integrat, egala cu (unde V_IN reprezinta tensiunea de intrare in voltmetrul integrat (pe pinul 31), iar V_REF reprezinta tensiunea de referinþa

(pe pinul 36)), va fi egala cu raportul dintre variaþia valorii termorezistenþei faþa de valoarea acesteia la 0 C ºi o rezistenþa de valoare constanta in raport cu temperatura.

Curentul consumat de intregul aparat este de aproximativ 4 mA, o baterie 6F22 asigurand aproximativ 100 ore de funcþionare continua. Atunci cand tensiunea bateriei scade sub 7.2 V, existand pericolul sa fie afectata liniaritatea raspunsului voltmetrului integrat, un comparator activeaza un segment sageata pe afiºaj, semnalizand necesitatea inlocuirii bateriei.

2.2.3 Termometru analogic cu termistor

Termistorul este conectat intr-o punte Wheatstone (fig. 4.5). Pentru a compensa neliniaritatea foarte accentuata a termistorului se monteaza in paralel cu acesta o rezistenþa de valoare fixa, practic independenta de temperatura. Acest ansamblu va avea o rezistenþa practic dependenta de temperatura, evident o sensibilitate mai redusa, dar ºi o caracteristica de conversie liniarizata.   

Fig. 4.5 Schema termometru analogic cu termistor.

Termometrul analogic cu termistor folosit in lucrare este destinat masurarii temperaturii fluidelor in intervalul (16 C, fiind prevazut cu doua intervale de masurare ºi anume (16 C, respectiv (29 C. Comutatorul K₁ permite realizarea funcþiei de "Masurare" ºi anume pe poziþia 2 masurarea temperaturilor in intervalul (29 C, iar pe poziþia 3 masurarea temperaturilor in intervalul (16 C precum ºi a funcþiei de "Calibrare" pe poziþia 1.

Valoarea unei diviziuni pe scala aparatului este de 0.2 C, iar eroarea de masurare a temperaturii este de C.

3. Desfaºurarea lucrarii

3.1 Chestiuni de studiat

3.1.1 Ridicarea caracteristicilor de transfer ºi de sensibilitate pentru urmatorii senzori de temperatura:

termocuplu Fier Constantan:    E f (Dq) ; S_E f (Dq

termorezistor Cu R f (Dq) ; S_R f (Dq

termistor cu coeficient negativ de temperatura: R_t f (Dq ; S_Rt f (Dq

3.1.2 Ridicarea caracteristicilor de transfer ºi sensibilitate pentru un termorezistor de imersie Cu

3.1.3 Determinarea abaterilor maxime de la liniaritate pentru urmatorii senzori de temperatura studiaþi mai sus:

termocuplu Fier Constantan;

termorezistor Cu

termorezistor de imersie Cu

3.1.4 Ridicarea caracteristicii dinamice pentru termorezistorul de imersie Cu 50 ºi determinarea pe cale grafica a constantei sale de timp termice.

3.1.5 Determinarea timpului de stabilizare termic pentru termometrul digital TE 100 cu termorezistor Pt 1000.

3.1.6 Verificarea termometrului analogic cu termistor pe intervalul de temperatura studiat (1642) C si ridicarea caracteristicii e f (q

3.2 Modul de experimentare ºi prelucrarea datelor

3.2.1 In vederea obþinerii caracteristicilor de conversie ale senzorilor studiaþi se va lua ca referinþa indicaþia termometrului bimetalic cu care este dotat cuptorul. Rezultatele masuratorilor se trec in tabelul 4.2.

Modul de lucru este urmatorul:

se introduc cei trei senzori in cuptor;

t.e.m. a termocuplului se masoara cu ajutorul unui multimetru numeric E 0304 M;

rezistenþa electrica a termorezistorului ºi a termistorului se masoara fiecare cu ajutorul cate unui multimetru numeric E 0304 M;

temperatura q se va citi cu termometrul bimetalic;

se vor calcula sensibilitaþile celor trei senzori cu relaþiile:

S_E     (4.7)

S_R     (4.8)

S_Rt     (4.9)

se vor trasa caracteristicile de transfer ºi de sensibilitate.

Tabelul 4.2

unde q reprezinta temperatura mediului ambiant.

3.2.2 In vederea obþinerii caracteristicilor de conversie ale termorezistorului de imersie Cu 50 se ia ca referinþa indicaþia termometrului electronic TE 100 cu termorezistor Pt 1000. Rezultatele masurarilor se trec in tabelul 4.3.

Modul de lucru este urmatorul:

se introduce senzorul in recipientul cu amestecul de apa ºi gheaþa;

rezistenþa electrica a termorezistorului se masoara cu ajutorul unui multimetru numeric E 0304M;

se incalzeºte amestecul de apa ºi gheaþa, citindu-se temperatura cu ajutorul termometrului electronic TE 100 cu termorezistor Pt 1000. Rezultatele masuratorilor se trec in tabelul 4.3.

se va calcula sensibilitatea senzorului ºi se vor trasa caracteristicile de transfer ºi de sensibilitate.

Tabelul 4.3

unde q C.

Observatie. Termometrul electronic TE 100 cu termorezistor Pt 1000, destinat masurarii temperaturii fluidelor in intervalul (0 C,este prevazut cu doua intervale de masurare a temperaturii ºi anume (0 C, respectiv (50 C, eroarea de masurare fiind minima cand temperatura indicata este in interiorul scalei alese. Astfel eroarea de masurare a temperaturii este de C 1 digit.

3.2.3 Abaterile maxime de la liniaritate se vor determina cu relaþiile:

e_nt pentru termocuplu (4.10)

unde:

DE₁ este diferenþa maxima intre caracteristica reala ºi cea ideala;

DE_max E_max E₀ ;

e_nr pentru termorezistoare (4.11)

unde:

DR₁ este diferenþa maxima intre caracteristica reala ºi cea ideala;

DR_max R_max R₀ .

3.2.4 In vederea ridicarii caracteristicii dinamice R f(t) pentru termorezistorul de imersie Cu 50, treapta de temperatura se va realiza prin introducerea senzorului un timp in recipientul cu amestecul de apa ºi gheaþa ºi apoi brusc in recipientul cu apa incalzita la 100 C.

Se va masura rezistenþa traductorului din 5 in 5 secunde timp de 10 masurari, apoi urmatoarele masurari se vor efectua din 10 in 10 secunde pana cand avem 3 4 valori consecutive identice.

Rezultatele masurarilor se vor trece in tabelul 4.4.

Tabelul 4.4

3.2.5 Timpul de stabilizare termic pentru termometrul electronic TE 100 se determina dupa urmatorul algoritm:

se introduce senzorul (termorezistorul Pt 1000) in incinta cu gheaþa;

dupa circa cinci minute se pune sub tensiune termometrul;

se citeºte indicaþia acestuia din minut in minut pana cand se obþin trei valori consecutive identice, care reprezinta "timpul de stabilizare termic al aparatului".

Rezultatele obþinute se trec in tabelul 4.5.

Tabelul 4.5

Se va trasa caracteristica q f (t).

3.2.6 Se va verifica in intervalul C termometrul analogic ce foloseºte drept senzor un termistor, folosind ca etalon termometrul electronic TE 100 ce foloseºte drept senzor un termorezistor Pt 1000.

Rezultatele masurarii se trec in tabelul 4.6.

Tabelul 4.6

unde:

e (4.12)

in care:

q_e reprezinta temperatura indicata de termometrul etalon;

q_v reprezinta temperatura indicata de termometrul de verificat;

D reprezinta intervalul de temperatura studiat.

4.Intrebari ºi probleme

4.1 Care sunt criteriile pe baza carora se aleg senzorii termici pentru o aplicaþie data?

4.2 Care sunt principalele avantaje ale folosirii termoelementelor?

4.3 Care sunt principalele avantaje ale folosirii termorezistoarelor ºi termistoarelor?

4.4 Care sunt principalele metode de liniarizare a caracteristicilor senzorilor ºi traductoarelor?

4.5 Cum se determina experimental constanta de timp a unui senzor de temperatura ºi la ce se foloseºte aceasta?

4.6 Cat este sensibilitatea unui termoelement la care se masoara urmatoarele:

pentru q C E₁ 7.5 mV

pentru q C E₂ 15 mV

4.7 Sa se determine timpul de raspuns t (timpul dupa care cu o anumita eroare este obþinuta valoarea de echilibru) pentru termorezistorul de imersie Cu 50 studiat daca procesul de masurare a temperaturii se realizeaza cu o incertitudine de masurare de 1%. Se da in tabelul 4.7 dependenþa raportului dintre timpul de raspuns ºi constanta de timp in funcþie de incertitudinea de masurare.

Tabelul 4.7

4.8 Se considera un termocuplu cupru constantan alcatuit din conductoare cu diametrul d 0.5 mm, lungimea l = 3.95 mm ºi rezistivitatile r_Cu W mm²/m ºi r_Constantan W mm²/m.

La bornele termocuplului se conecteaza un aparat magnetoelectric ce are o scara liniara cu n = 100 div, poate indica un curent maxim I_max = 100 mA ºi are o rezistenþa interna R_i = 10 W

Se cunoaºte sensibilitate termocuplului S = 0.04 mV/ C.

La ce diferenþa de temperatura Dq va rezulta indicaþia maxima la aparatul magnetoelectric?