	Aeronautica	Comunicatii	Constructii	Electronica	Navigatie	Pompieri
	Tehnica mecanica

Electronica

Index » inginerie » Electronica
» Traductor de temperatura cu termocuplu

Traductor de temperatura cu termocuplu

Date de intrare

Domeniul de masurat : 1200 - 1400˚ C

Eroarea de neliniariate maxima ε=1%

Afisarea se va face in 4 cifre

Iesirea va fi in format BDC.

1. Introducere

Temperatura reprezinta una dintre marimile cele mai frecvent masurate in numeroase domenii datorita faptului ca in majoritatea proceselor fizice, chimice, biologice naturae sau artificiale, intervin fenomene de natura termica. Se apreciaza ca in aplicatiile industriale, in medie 50% din totalul punctelor de masurare si peste 20 din cel al buclelor de reglare au ca obiect temperatura sau alte marimi termice.

Supravegherea si/sau reglarea temperaturii pot fi intalnite practic in toate ramurile industriale, principalele scopuri fiind optimizarea fluxurilor termice in procesele tehnologice, intocmirea bilanturilor de energie termica, evaluarea si reducerea pierderilor prin transfer de caldura, asigurarea si mentinerea anumitor conditii climatice in fazele de productie, depozitare sau transport etc.

Valorile temperaturilor care trebuiesc masurate variaza in limite largi de la -200 C pana la 3000 - 3500 C. Totodata este demn de subliniat faptul ca, date fiind implicatiile tehnico-economice deosebite, masurarile trebuiesc efectuate cu precizie ridicata si mijloacele de masurare utilizate sa nu exercite influente nedorite asupra proceselor respective. Mediile ale caror temperaturi se masoara se pot afla in oricare dintre cele trei stari de agregare posibile. Pot astfel sa apara situatii foarte variate, de exemplu masurarea temperaturii unor fluide sau chiar solide in miscare, masurari de temperaturi locale sau pe suprafete mari, in zone si la distante usor accesibile sau dimpotriva.

In acest context si tinand seama ca practica masurarii si reglarii temperaturii are o istorie indelungata (cu mult inainte de definirea stiintifica a notiunilor de temperatura si caldura), au fost dezvoltate numeroase tipuri de aparate de masurat si de traductoare de temperatura. Principiile care stau la baza functionarii acestora deriva, in esenta, din dependenta de temperatura a anumitor proprietati fizice si chimice ale corpurilor in stare solida, lichida sau gazoasa. Dezvoltarile stiiintifice si tehnologice din ultimul sfert de secol au largit considerabil gama fenomenelor susceptibile de a furniza semnale reprezentand valorile temperaturii, cu precizie ridicata si in conditii tehnico-economice adecvate aplicatiilor industriale. Perfectionarea dispozitivelor electronice, introducerea accelerata a mijloacelor de calcul in toate domeniile, determina tendinta inlocuirii termometrelor indicatoare cu traductoare de temperatura care ofera posibilitati multiple de transmisie si stocare a informatiei.

Daca un gradient de temperatura se produce intr-un conductor electric, fluxul de caldura va crea o miscare de electroni generandu-se in acea regiune o forta electromotoare.

Marimea si directia fortei electromotoare vor depinde de marimea si directia gradientului de temperatura si de materialul din care este realizat conductorul. Tensiunea existenta la capetele conductorului va reprezenta suma algebrica a fortelor electromotoare generate de-a lungul conductorului. Astfel, pentru o diferenta de temperatura data T1-T2, distributiile de gradient vor produce aceasi tensiune totala E, presupunand ca pe toata lungimea conductorului caracteristicile sale termo-electrice sunt uniforme. Tensiunea de iesire a unui singur conductor nu este in mod normal masurabila intrucat suma fortelor electromotoare íntr-un circuit inchis al unui conductor uniform va fi, in orice situatie a temperaturii, egala cu zero.

Intr-un termocuplu, sunt combinate practic doua materiale avand caracteristici forta electromotoare/temperatura diferite, pentru a produce o tensiune de iesire utilizabila. Astfel, un termocuplu format din doi conductori A si B, diferiti ca material, intr-o situatie a gradientului de temperatura, va genera semnal de iesire datorita interactiunii gradientului de temperatura in ambii conductori A si B.Se va produce aceeasi iesire Et pentru orice distributie a gradientului in interiorul unei diferente de temperatura date T1 - T2, presupunand caracteristicile termoelectrice ale conductorilor uniforme pe toata lungimea conductorului .

Intrucat jonctiunile M, R1 si R2 reprezinta limitele portiunilor generatoare de forta electromotoare ale conductorilor A si B, daca restul conductorilor legand dispozitivul de masurare sunt din sarma (uniforma) de cupru, iesirea termocuplului va deveni in mod efectiv o functie de temperaturile jonctiunilor.

Deci, un termocuplu produce o iesire care este in relatie cu temperaturile celor doua jonctiuni ale sale. Se obisnuieste sa se denumeasca conexiunea intre cele doua fire din materiale diferite ca jonctiunea de masura iar jonctiunea legand firele din materiale diferite cu conexiunile de iesire din cupru ca jonctiune de referinta. Daca jonctiunea de referinta este mentinuta la o temperatura fixa cunoscuta, temperatura jonctiunii de masura poate fi dedusa din tensiunea de iesire a termocuplului. Exista tabele de calibrare pentru fiecare combinatie de termocuplu prin care se stabileste legatura intre tensiunea de iesire si temperatura jonctiunii de masura, daca jonctiunea de referinta este mentinuta la temperatura de 0°C.

Ajunsi la capatul acestor consideratii teoretice si practice asupra celor doua metode importante de masurare a temperaturilor se poate pune intrebarea daca exista criterii pentru selectarea metodei de masurare in functie de aplicatie. comparatia prezentatain tabelul de mai jos poate sa dea un minimum de indicatii celor care se afla in situatia de a opta pentru una sau alta din metode.

2. ALEGEREA ELEMENTULUI SENSIBIL

Materiale pentru termocupluri

Majoritatea materialelor conductoare produc tensiune termo-electrica, dar consideratii cum ar fi largimea domeniului de temperatura, semnalul de iesire util, stabilitatea si lliniaritatea relatiei temperatura/tensiune electromotoare fac ca posibilitatile practice de selectie sa fie destul de reduse. Din fericire, procesul de selectie a fost realizat de furnizorii de termocupluri; exista astazi o gama utila de metale si aliaje disponibila sub forma de fire sau senzori completi, acoperind un domeniu de temperaturi de la -250°C pana la peste 2000°C.

Acest domeniu de temperaturi nu poate fi acoperit cu o singura combinatie de materiale. Domeniile de temperatura pentru cele mai utilizate tipuri de termocupluri sunt date in Tabelele 1 si 2. Acestea sunt standardizate pe plan international. In general materialele de termocupluri avand la baza platina sunt cele mai stabile. Ele au un domeniu de temperatura util pornind de la temperatura mediului ambiant pana la 2000°C, desi semnalul lor de iesire este mic comparativ cu tipurile avand la baza metale. In Tabelul 1 sunt prezentate unele tipuri comune de termocupluri bazate pe platina. Limitele superioare ale temperaturilor prezentate in Tabel sunt nominale; ele pot fi ridicate sau coborate in functie de conditiile de lucru, de durata expunerii, de durata de viata si precizia ceruta etc.

Codificare internationala	Materialul conductorului	Domeniul de temperatura (°C)
R	Pt - 13% Rh (+) Pt (-)	0 la +1600
S	Pt - 10% Rh (+) Pt (-)	0 la +1550
B	Pt - 30% Rh (+) Pt - 6% Rh (-)	+100 la +1600 intermitent +1750
K	Ni - Cr (+) Ni - Al	0 la +1100
T	Cu (+) Cu - Ni	-185 la +300
J	Fe (+) Cu - Ni	+20 la +700
E	Ni - Cr (+) Cu - Ni	0 la +800

Tabelul 1 - Diferite tipuri de materiale conductoare

Aliajele prezentate in aceasta rubrica mai sunt cunoscute si dupa urmatoarele denumiri comerciale: Cromel (Ni - Cr), Alumel (Ni - Al), Constantan (Cu - Ni).

pentru domeniul de temperatura specificat mai sus vom alege un element sensibil pe baza de Pt-13%Rh vs Pt de tip R.

Pentru temperaturi variind intre 1200⁰C si 1400⁰C tensiunea electromotoare ce apare intre electrozi este redata in tabelul urmator:

temperatura

T	Ur (mV)	U ideal	D	Eps (%)

U_r reprezinta tensiunea masurata (si se masoara in mV);

U_ideal reprezinta tensiunea ideala (caracteristica liniara);

D reprezinta diferenta de tensiune; D U_ideal-U_r

Eps reprezinta eroarea de neliniaritate.

Din tabel se observa ca eroarea de neliniaritate maxima este 0,707% la o temperatura de 1010^oC, cum aceasta eroare este sub 1% rezulta ca nu necesita circuit de liniarizare.

3. PREZENTAREA SCHEMEI BLOC

ES - element sensibil

ELT - elemente de legatura si transmisie

A - adaptor

SAE - surse auxiliare de elergie

CAN - convertor analog-numeric

IC - interfata de comunicatie

1. ELEMENTUL SENSIBIL

Pentru majoritatea aplicatiilor de masurare de temperatura este convenabil de a cumpara termocuplul ca un ansamblu sau ca senzor separat. Gama de tipuri si stiluri de senzori de termocupluri este foarte larga pentru a corespunde necesitatilor industriei sau stiintei. In mod frecvent conductorii termocuplului vor fi introdusi intr-o teaca realizata dintr-un aliaj rezistent la caldura sau dintr-un material refractar (vezi fig. 1).

In toate cazurile furnizorii trebuie sa acorde o mare grija pentru a se asigurade fabricarea si instalarea corecta a conductorilor in ansamblul senzorului, in conditiile unui control strict. In acest mod modificarile zonei incalzite ale conductorilor care pot apare in timpul operarii, afectand uniformitatea, sunt reduse la minim. Acest lucru este deosebit de important intrucat ansamblul senzorului trebuie sa fie in portiunea cu cel mai ridicat gradient de temperatura si astfel o parte semnificativa a tensiunii de iesire sa fie generata in aceasta zona.

O alta forma de constructie presupune utilizarea cablurilor cu izolatie minerala unde conductorii termocuplului sunt introdusi intr-o pulbere minerala inerta, compacta si inconjurati de o captuseala metalica (de exemplu otel inoxidabil sau aliaj pe baza de nichel), formand un ansamblu etansat ermetic. Captuseala functioneaza ca o protectie utila in multe situatii. Aceste tipuri de ansamble pot fi realizate cu diametre exterioare pornind de la 0,25 mm pana la 19 mm si lungimi care pot varia intre cativa milimetri si sute de metri (vezi fig. 2).

Fig. 2

Pentru aplicatii speciale, care pretind un raspuns foarte rapid, se poate realizaun termocuplu cu izolatie minerala cu jonctiunea expusa. Intrucat aceasta solutie poate impune anumite limitari legate de considerente de rezistenta sau de compatibilitatea materialelor jonctiunii cu mediul in care se face masurarea, se recomanda consultarea furnizorului.

Fig.3

Senzorii de termocupluri sunt adesea livrati cu o cutie de conexiuni sau de borne care permite legarea corespunzatoare a restului circuitului termocuplului. Ca o solutie alternativa, termocuplurile pot fi prevazute cu un conector fisa special ai carui pini de conectare sunt realizati din materiale termo-electrice, la fel ca si cei ai conectorului priza pereche (vezi fig. 3). Aceasta este o solutie convenabila care permite o conectare - deconectare rapida la montarea sau inlocuirea senzorului, fara a sacrifica uniformitatea conductorului termocuplului. Conectorii, atat fisa cat si priza au polaritatea marcata, pentru a realiza conexiuni corecte.

2. Elemente de legatura si transmisie

Elementele de legatura si transmisie sunt reprezentate de cablurile de extensie si sunt un mod convenabil si relativ economic de a extinde circuitele de termocupluri de la senzor la unitatea de referinta sub forma unor cabluri din fire cu materialele conductorilor similare celor ale senzorului. Exista si solutia in care se folosesc materiale ale conductorilor diferite, dar care, in combinatie, dezvolta semnale de iesire similare celor ale termocuplului pe un domeniu limitat de temperatura. In aceste cazuri cablurile se mai numesc si cabluri de compensare.

Un exemplu evident de utilizare a cablurilor de compensare este la termocuplurile pe baza de platina unde costul materialelor este ridicat si, ìn consecinta, este o necesitate economica de a utiliza cabluri de compensare care sunt mai ieftine. Trebuie totusi retinut ca, daca se permite cresterea temperaturii ìn cutia de borne, semnalul de iesire de la cablul de compensare va diferi de cel al termocuplului de platina crescand astfel eroarea de masurare a temperaturii.

Un alt exemplu de utilizare a cablului de compensare este in cazul termocuplului tip K a carui iesire, la temperaturi joase, se potriveste cu cea a combinatiei de conductori Cu/Cu - Ni. Intrucat unul din conductori este deja din cupru, numarul jonctiunilor de referinta se injumatateste, fapt care este avantajos in schemele cu mai multe termocupluri.

Cablurile de extensie se produc in mod uzual in forme convenabile pentru transportul pe distante lungi, cum ar fi cablurile multifilare. La folosirea cablurilor de extensie erorile de imperechere decurgand din temperaturile ridicate din cutiile de conexiuni sunt, de regula, mai mici decat cele care apar la folosirea cablurilor de compensare.

Afisarea numerica

Folosim intrarea unui Convertor Analogic-Numeric (CAN 1) care transforma tensiunea de la iesirea puntii tensiometrice (-1 . +1 Vcc) in 8 biti de informatie numerica.

Pentru a putea vizualiza pe un afisaj numeric variatia liniara x conectam semnalul analogic de la iesirea tensiometrului electronic la intrarea unui Convertor Analogic-Numeric (CAN 2) care are ca iesire numerica un afisaj de 3 ½ digiti pe care domeniul de masura poate fi afisat :

Temperatura	Valoare afisata de displayul LED
1200-1400grade C

Schema bloc a conexiunilor este prezentata in fig. 13:

Notatii:

CE 1 - circuit de iesire 1;

CE 2 - circuit de iesire 2;

CAN 1 - convertor analogic-numeric 1 (8 biti);

CAN 1 - convertor analogic-numeric 1 (afisare numerica);

Capsula C.I. si diagrama functionala sunt prezentate in fig. 4:

Fig.4

Circuitul de corectie CE 1 trebuie sa adapteze tensiunea de la iesirea puntii tensiometrice (-1 . +1 Vcc) intr-o tensiune potrivita pentru intrarea analogica a CAN 1 (-5 . +5 Vcc). CE 1 este un circuit de iesire in tensiune format dintr-un neinversor. Schema de principiu este in fig. 5:

Pentru CAN 2 folosim circuitul integrat MAX 139 care este un convertor analogic-numeric cu display LED integrat (3 ½ digiti) care are posibilitatea de a masura si afisa atat tensiuni pozitive cat si negative.

C.I. MAX 139 are urmatoarele caracteristici electrice maxime:

Capsula C.I. si dispunerea pinilor sunt prezentate in fig. 6:

fig. 6

Schemele de utilizare ale MAX 139 sunt prezentate in fig. 7

Circuitul de corectie CE 2 trebuie sa adapteze tensiunea de la iesirea puntii tensiometrice (-1 . +1 Vcc) intr-o tensiune potrivita pentru intrarea analogica a CAN 2 (alegem -2,5 . +2,5 Vcc). CE 2 este un circuit de iesire in tensiune format dintr-un neinversor. Schema de principiu este in fig. 8: