Senzorul termoelectric (termocuplu)

Senzorul termoelectric (termocuplu)

Un traductor de temperatura cu termocuplu (figura 10.10), este alcatuit, in principiu, din senzorul de tip termocuplu, care face conversia din temperatura in tensiune termoelectromotoare, cablurile de prelungire, prin intermediul carora jonctiunea de referinta este adusa de la locul masurarii intr-o zona unde este posibila mentinerea constanta a temperaturii, si adaptorul prin intermediul caruia se obtine semnalul unificat de iesire I_e.

Un termocuplu (figura reprezinta ansamblul a doua conductoare omogene (A si B), de natura diferita (denumite termoelectrozi) sudate la unul din capete - sudura este denumita jonctiune de masurare sau sudura calda - fiind in contact cu mediul a carui temperatura se masoara. La capetele libere, care consti­tuie jonctiunea de referinta (sudura rece), aflate la temperatura , se obtine o ten­siune termoelectromotoare E_TC (t.te.m.)- efect Seebeck - a carei valoare este data de relatia aproximativa:

E_TC=K_TC(

in care K_TC [mV/°C] este sensibilitatea termocuplului, dependenta de natura celor doi termoelectrozi.

Efectul Seebeck consta in aparitia unei tensiuni electromotoare nete intr-un circuit cu doua jonctiuni intre metale diferite, aflate la temperaturi diferite.

Explicativa pentru functionarea senzorului termocuplu

Pentru aceleasi doua metale diferite si o aceeasi diferenta de temperatura dintre jonctiuni,    tensiunea electromotoare neta (suma algebrica a celor doua t.e.m.) este aceeasi. Ea poate fi masurata si calibrata in unitati de masura a temperaturii.

Sonda propriu-zisa este reprezentata de una din jonctiuni (jonctiunea de masura sau calda) care poate fi pusa intr-o manta protectoare. Ea este plasata in mediul a carui temperatura vrem sa o masuram

Marimea si sensul curentului care va parcurge circuitul atunci cand jonctiunile se afla la temperaturi diferite depinde de diferenta de temperatura si de tipul metalelor folosite. De regula, t.e.m. rezultanta este mica (de ordinul mV). Un voltmetru conectat in circuit reprezinta "iesirea" pentru utilizator si este calibrat in unitati de temperatura.

Pentru o buna acuratete a rezultatelor, cea de a doua jonctiune (jonctiunea de referinta sau jonctiunea rece) trebuie mentinuta la o temperatura constanta, eliminand astfel erorile datorate driftului termic. Jonctiunea de referinta este denumita si jonctiune rece, chiar daca temperatura ei (de regula 0 C) poate fi mai mare decat temperatura jonctiunii de masura.

T.e.m. rezultanta nu este influentata de dimensiunile conductorilor, de ariile suprafetelor jonctiunilor sau de modul in care sunt sudate metalele.

Metalele tipice folosite pentru constructia termocuplurilor sunt rodiul, aliajele de nichel si crom, aliajele de aluminiu si nichel sau aliajele de nichel si cupru. Metalele care se imperecheaza cu acesta sunt platina, cuprul si fierul. Incinta de protectie in care este introdusa jonctiunea de masura trebuie sa fie rezistenta din punct de vedere mecanic si la mediile corozive

In general, ele sunt ieftine si versatile. Utiliand termocupluri se pot masura temperaturi de la -265 C pana la 2300 C, cu o precizie care depinde de felul de metalelor folosite pentru constructia lor. Dintre senzorii cu care temperatura se masoara direct, termocuplurile acopera cel mai larg domeniu de temperaturi. Ele raspund destul de rapid la variatiile de temperatura dar au o acuratete mai mica decat termometrele cu rezistenta metalica.

Cea mai la indemana metoda de mentinere la o temperatura constanta a jonctiunii de referinta era plasarea ei intr-o baie de apa cu gheata la 0 C. Azi este insa mult mai practic sa se foloseasca metode electronice de realizare a tensiunii de referinta corespunzatoare temperaturii de 0 C, chiar daca jonctiunea rece la o alta temperatura

Jonctiunea de referinta, aflata la o temperatura oarecare este plasata intr-un bloc izoterm a carui temperatura, t, este masurata de un alt senzor de temperatura. Semnalul electric (curent sau tensiune) furnizat de senzor este aplicat unui circuit electronic care furnizeaza la iesirea sa o tensiune U_comp care compenseza diferenta dintre tensiunea jonctiunii la temperatura t si tensiunea ei la 0°C. Circuitul electronic de compensare poate fi realizat de exemplu cu un amplificator operational conectat ca apmplificator diferential.

Analizand schema din figura de mai sus se poate observa ca :

U_ies-U_comp =V(t₁)- V(t₂)

Tensiunea de la iesirea comparatorului este functie de temperatura blocului izoterm. Calibrarea dispozitivului de masurare se face in felul urmator: se plaseaza jonctiunea de masura la 0 C si se ajusteaza amplificarea circuitului de compensare astfel incat tensiunea de iesire sa fie de 0V. In aceste conditii :

-U_comp    =V(0 C)-V(t₂

Substituind tensiunea de la iesirea comparatorului in expresia tensiunii de iesire, se obtine pentru tensiunea de iesire la o temperatura oarecare t, expresia

U_ies=V(t₁)-V(0 C)

Observatii

In circuitele termoelectrice (formate din termoelectrozii A si B) apar doua tensiuni electromotoare:

t.e.m. de contact (efect Volta);   

t.e.m. datorita efectului Peltier - Thomson

Aparitia celor doua t.e.m. se poate explica cu ajutorul teoriei electronilor liberi din metale. Pentru intervale restranse de temperatura, expresia t.t.e.m. este:

unde: K - constanta lui Boltzmann; e - sarcina electronului; N_A si N_B - numarul de electroni liberi pe unitatea de volum a termoelectrodului A, respectiv B.

Relatia (10.19) reprezinta expresia simplificata a t.t.e.m. data prin ( ), atunci cand temperatura sudurii reci este constanta.