45979130 6 Senzori de Temperatura

11
Microcontrollere Documentatie Proiect: Sistem de control al temperaturii cu ajutorul unui microcontroller din familia 8051 55

description

asdasd

Transcript of 45979130 6 Senzori de Temperatura

Sisteme de Achizitie de Date

Microcontrollere

DocumentatieProiect:

Sistem de control al temperaturii cu ajutorul unui microcontroller din familia 8051

Student:

Bertici Stefan, anul III EA, grupa 2132Senzori de temperaturMsurarea temperaturii constituie una dintre cele mai uzuale procese de msurare. Probabil, cel mai simplu i mai des folosit fenomen n msurarea temperaturii este dilatarea termic. Acesta este principiul ce st la baza termometrelor din sticl cu lichid. Pentru a transforma energia termic n semnal electric se folosesc detectori rezistivi, termoelectrici, optici i piezoelectrici.

Cnd un senzor (sonda) este introdus ntr-un obiect sau plasat pe suprafaa obiectului, va exista un transfer de cldur ntre sond i obiect: senzorul se va rci sau se va nclzi. Acelai fenomen va aprea i n cazul transferului de energie termic sub forma de radiaie energetic n IR, senzorul va absorbi sau emite radiaie IR n funcie de temperatura corpului monitorizat.

Exist dou metode de procesare a semnalului n msurtorile de temperatur: metoda echilibrrii i metoda predictiv.

n primul caz, temperatura se va msura doar n momentul n care nu mai exist gradient de temperatur ntre senzor i obiect (au aceeai temperatur), iar n cazul metodei predictive, punctul de echilibru nu este atins niciodat, ci este determinat din viteza de schimbare a temperaturii senzorului. Folosind metoda echilibrrii, timpul necesar atingerii temperaturii de echilibru poate fi de durat foarte mare (mai ales cnd suprafaa de contact este uscat). De exemplu dac pentru a lua cu un termometru medical temperatura apei dintr-un rezervor este nevoie de 10 secunde, pentru a lua temperatura corpului uman este nevoie de 3 4 minute.

Un senzor de temperatur de contact tipic va fi format din urmtoarele pri componente:

1. Un element senzitiv un material ce-i modific proprietile in funcie de temperatur. Materialul trebuie s aib cldur specific mic, conductivitate termic ridicat, senzitivitate mare la temperatur i o bun predictibilitate.

2. Contactele sunt fire sau plci (pad) conductive ce asigura interfaa dintre elementul senzitiv i circuitul electronic exterior. Contactele trebuie s aib o conductivitate termic i o rezisten electric ct mai mic. n general se folosesc i pentru susinerea senzorului.

3. Un strat protector ce separ fizic elementul senzitiv de mediul exterior. Materialul protector trebuie s aib rezisten termic mic, s fie un bun izolator electric i s fie impermeabil.

Un senzor de temperatur de tip noncontact se aseamn n principiu cu senzorii de tip contact, excepie fcnd modul de transfer a cldurii: la senzorii de tip contact transferul se face prin conducie termic, n timp ce la cei de tip noncontact transferul se face prin radiaie termic.Arhitectura unui senzor de temperatur de tip: A contact, B noncontact

Senzori termorezistivi

Termorezistoare metalice - RTD ( resistance temperature detector)

Dependena de temperatur a metalelor i a aproape a tuturor aliajelor d oportunitatea folosirii lor ca senzori de temperatur. Rezistena electric apare n primul rnd din cauza agitaiei termice i ea depinde, pentru o temperatur dat, de natura materialului, prezena impuritilor sau a defectelor din reeaua cristalin , lungimea i seciunea materialului. La modificarea temperaturii are loc att o modificare a mobilitii purttorilor de sarcin, ct i o modificare a dimensiunilor geometrice. Prin urmare, variaia rezistenei electrice se datoreaz pe de-o parte modificrii rezistivitii electrice, iar pe de alt parte modificrii dimensiunilor (dilatare). Deoarece coeficientul de variaie al rezistivitii cu temperatura este la metale cu dou ordine de mrime mai mare dect coeficientul de dilatare, ultimul efect este de obicei neglijabil.

Criteriile privind alegerea metalelor din care se confecioneaz termorezistoarelor sunt:

rezistivitate mare pentru obinerea unor traductoare de dimensiuni reduse

coeficient de variaie a rezistivitii cu temperatura ridicat pentru a avea o sensibilitate ridicat

asigurarea unei puriti ct mai ridicate pentru reproductibilitate

stabilitate n timp la aciunea agenilor chimici

i nu n ultimul rnd pre de cost ct mai redus

Din pcate ndeplinirea simultan a tuturor condiiilor de mai sus nu poate fi realizat. n prezent ca materiale pentru realizarea termorezistoarelor metalice se folosesc: platina, nichelul, cupru i wolframul.

Dintre metalele enumerate, platina se apropie cel mai mult de caracteristicile unui termorezistor ideal: stabilitate pe termen lung, durabilitate, reproductibilitate n rspuns, poate fi realizat cu puritate mare 99,99 %, inactiv chimic, etc.

Constructiv, termorezistoarele trebuie s fie protejate la aciunea agenilor exteriori, s preia temperatura mediului n care sunt introduse, s nu fie influenate de fenomenele de dilatare, s permit msurarea att n curent continuu ct i n curent alternativ.

Termistorii

Termenul de termistor provine de la prescurtarea cuvintelor termic i rezistor. n general denumete un senzor metal oxid fabricat sub form de bar, cilindru, filme subiri sau droplets. Termistorii se mpart n dou mari grupe NTC (coeficient de temperatur negativ) i PTC (coeficient de temperatur pozitiv).

Termistori NTC

Un termistor metal oxid convenional are coeficientul de temperatur negativ, adic rezistena lui va scdea cu creterea temperaturii.

Circuitul echivalent al unui termistor este prezentat n figura 2.55 i const dintr-un element rezistiv dependent de temperatur RT, i rezistorii constani rs i 1 / gp, unde gp este conductana materialului, rs se numete rezistena serie i are o valoare mic i negativ, RT0 este valoarea rezistenei la temperatura de referin T0, iar este caracteristica de temperatur a termistorului.

Circuitul echivalent al unui termistor

n general termistorii pot fi clasificai n funcie de tehnica de fabricare n trei grupe.

A. Termistorii n form de perle

Acetia pot fi neizolai sau ncapsulai n sticl sau metal. Conductorii metalici sunt dintr-un aliaj de platin sinterizai ntr-un corp ceramic. n timpul fabricrii o poriune din amestecul de metal oxid - liant este plasat ntre doi conductori paraleli. Dup ce amestecul este uscat se introduce ntr-un cuptor pentru sinterizare. n urma sinterizrii datorit procesului de micorare a metal oxidului, ntre cei doi conductori se va realiza o legtur electric intim. Dup care senzorul este acoperit cu un strat protector, n general sticl.

Termistori n form de perle

B. Un alt tip de termistor sunt termistorii de tip cip. Sunt sub form de panglic iar conductorii au o anumit suprafa de contact metalizat. Pot fi ntlnii sub diverse forme.

C. Cea de-a treia grup este format din termistorii fabricai prin depunerea unui strat semiconductor pe un substrat de sticl, alumin, etc. Acest tip de senzori se folosesc n special pentru senzorii integrai

Termistorii PTCn principiu orice metal poate fi folosit ca material PTC, dar coeficientul lor de temperatur este destul de mic. Spre deosebire de metale, coeficientul de temperatur al materialelor ceramice este relativ mare i pe un domeniu larg de temperatur. Materialele ceramice se obine n urma sinterizrii unei substane ceramice policristaline, de obicei titanat de bariu sau o soluie solid de titanat de bariu i stroniu, materiale ce devin semiconductoare la dopare.

n figur este prezentat funcia de transfer a unui PTC n comparaie cu funciile de transfer a unui NTC i RTD.

Funcia de transfer a unui PTC

Senzori termoelectrici de contact (termocuplul)Senzori termoelectrici de contact sunt denumii termocuple deoarece pentru a face un senzor este nevoie de cel puin doi conductori de natur diferit.

Principiul de funcionare a senzorilor termoelectrici generatori (termocupluri) are la baz efectul termoelectric direct (efect Seebeck), care const n apariia unei tensiuni termoelectromotoare ntr-un circuit format din dou conductoare de natur diferit, atunci cnd cele dou jonciuni se afl la temperatur diferit.

Termocuplul se compune din dou fire din metale diferite, numite termoelectrozi, sudate la un capt 1. Captul sudat se numete sudur cald, iar celelalte capete 2 i 3 numite capete libere ale termocuplului, se leag prin conductoarele de legtur c la aparatul electric pentru msurarea tensiunii termoelectromotoare. Legturile dintre capetele libere i conductoarele de legtur constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie la o valoare constant. Firele folosite pentru prelungirea termocuplului se numesc fire de compensare, i au rolul de a muta sudura rece din apropierea cuptorului ntr-un loc cu temperatur constant figur

Arhitectura unui termocuplu

Termocuplurile se execut din diferite metale sau aliaje. Valoarea tensiunii termoelectromotoare depinde att de materialul din care sunt confecionai termoelectrozii ct i de temperatura sudurilor calde i reci.

Cele mai rspndite materiale sunt: platina, constantanul, cromelul, nichelul, alumel, etc.

Curbele obinute cu sudura la 0 C sunt prezentate n figur

Tensiunea termoelectromotoare n funcie de temperatur

Realizarea jonciunii se face prin rsucire, sudur sau lipire, eventual se poate folosi cel de-al treilea material.

Avnd o dimensiune redus ele pot msura temperaturi punctiforme, au vitez mare de rspuns.

Senzori optici de temperatur

Exist cazuri de condiii extreme (cmpuri electromagnetice, electrice sau magnetice foarte puternice, tensiuni electrice foarte mari) n care trebuie fcute msurtori de precizie ale temperaturii, cazuri n care se impun folosirea metodelor de msurare noncontact: metode optice de msur.

Senzori fluoroptici

Acest tip de senzor se bazeaz pe proprietile speciale ale compuilor pe baz de fosfor de a emite o radiaie fluorescent ca rspuns la o excitaie luminoas. Forma pulsului de rspuns este funcie de temperatur. Cel mai uzual material este fosforul sinterizat la 1200 C. Pentru a minimiza efectele de interferen ce pot aprea ntre radiaia de excitaie (UV sau lumin albastr) i cea emis (lumin roie, IR apropiat) se folosesc filtre trece band de separare a celor dou spectre de radiaie folosite. Ca sursa de radiaie este folosit o lamp de xenon. Msurarea temperaturii se face prin determinarea vitezei de scdere a intensitii radiaiei fluorescente, practic se va msura timpul n care intensitatea radiaiei fluorescente scade de e (baza logaritmului natural) ori.

Msurarea temperaturii cu metoda fluoroptic

Senzori acustici

Un alt caz de condiie extrem n care nu se pot folosi metodele de msurare care necesit contact fizic ntre senzor i obiect este msurarea temperaturii unor medii ermetic nchise, sau n condiii cu nivele de intensitate ale radiaiei foarte mari (reactoare nucleare), medii opace pentru radiaii din IR, etc. n aceste condiii se pot folosii senzorii acustici.

Principiul de funcionare al unui astfel de senzor se bazeaz pe dependena dintre temperatura unui mediu i viteza sunetului din acel mediu. n cazul n care mediul de propagare este aerul uscat viteza sunetului funcie de timp se poate scrie:

m/s,

Un senzor acustic de temperatur este compus din trei componente: un emitor ultrasonic, un receptor ultrasonic i un tub umplut cu gaz nchis ermetic.

Termometru acustic

Emitorul i receptorul sunt nite plci piezoelectrice ce emit i recepioneaz unde acustice prin tubul n care se gsete, ca mediu de propagare a sunetului, aer uscat. Clock-ul este de frecven joas (100 kHz) i prin intermediul controlorului de proces va activa emitorul n timp ce receptorul este dezactivat, cristalul piezoelectric va emite o und acustic ce se va propaga n interiorul tubului i va reactiva receptorul nainte ca unda acustic s ajung pe suprafaa cristalului receptor. Cristalul receptor va transforma energia undei acustice ntr-un semnal electric ce va fi amplificat i transferat la intrarea unui sistem de control. Sistemul de control (controlorul) va calcula viteza sunetului prin determinarea timpului de propagare a sunetului prin tub (practic se urmrete timpul dintre activarea emitorului i momentul n care receptorul genereaz semnal electric). Alte sisteme folosesc un singur cristal piezoelectric att ca emitor ct i ca receptor.

PAGE 62

_1087293709.bin

_1488448336.unknown

_1087291181.bin