L1 Masurarea Temp

8/6/2019 L1 Masurarea Temp

http://slidepdf.com/reader/full/l1-masurarea-temp 1/19

1.MASURAREA TEMPERATURILOR

1.1. Notiuni generale

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

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 corpultermometric, 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 termometricefunctie 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 (termometrecu lichid);

-variatia presiunii functie de temperatura a unor vapori, gaze sau lichide aflate intr-unvolum 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 660oC - se numesctermometre, iar peste 660oC,- pirometre. Domeniul de utilizare a principalelor aparate

folosite pentru masurarea temperaturii sunt prezentate in tabelul 1.1.

1



Tabelul 1.1 Domeniile de utilizare ale unor aparate de masurat temperatura

Domeniul de masura

[ oC]

Materiale Aparat de masurat

0 1 2

- 30 ... + 30

- 30 ... + 500

- 30 ... + 600

- 30 ... + 750

pana la + 1000

- 60 ... + 100

- 70 ... + 110

- 200 ... + 30

Mercur

Mercur si atmosfera de azot

la 10 bar

Idem la 20 bar

Idem la 70 bar

Umplutura de galiu

Aliaj de mercur cu taliu

Umplutura de toluen

Umplutura de pentan tehnic

Termometre cu

lichid

pana la + 100

pana la + 350

Umplutura de gaz lampant

Umplutura de mercur

Termometre cu

presiune de lichid

- 70 ... + 30 Bioxid de carbon

+ 50 ... + 180 Eter Termometre cu

- 30 ... + 400 Hidrocarburi presiune de vapori

+ 350 ... + 650 Mercur

+ 20 ... + 600 Invar cu continut de 36% Ni Termometre cu

dilatarea metalelor

pana la + 150 Fier

- 60 ... + 150 Nichel

2



- 50 ... + 150 Cupru Termorezistente

pana la + 400 Wolfram

- 220 ... + 500 Platina

pana la + 100 Bismut-platina Termoelemente

pana la + 600 Cupru-constantan

Tabelul 1.1 Continuare

0 1 2

pana la + 600Argint-constantan

pana la + 700 Fier-constantan

pana la + 900 Manganina-constantan Termoelemente

pana la + 1000 Nichelcrom-constantan

pana la + 1300 Nichel-nichelcrom

pana la + 1600 Platina-platinarodiu

+ 700 ... + 1400 (Cu diafragma) Pirometre de

+ 700 ... + 2000 radiatie totala

+ 600 ... + 1600 Pirometre de radia-

+ 600 ... + 3000 ( Cu filtru fumuriu) tie monocromatica

+ 600 ... + 2000 Con Seger

In sistemul international de unitati de masura, pentru masurarea temperaturii corpurilor,

se utilizeaza scara de temperatura termodinamica stabilita pe baza a sase temperaturi fixe

reproductibile definite de starile de echilibru ale unor materiale la presiunea normala de101325 Pa. In cadrul acestei scari, unitatea de temperatura termodinamica este Kelvinul

(K) definit ca fractiunea 1/273,16 din temperatura termodinamica a punctului triplu al

apei.

3



In afara de temperatura termodinamica (T), exprimata in Kelvin (K), in sistemul

international de unitati de masura se foloseste si temperatura exprimata in scara Celsius

(t), (ca unitate de masura tolerata), intre ele existand relatia:

t = T - 273,15 [ oC] . (1.1)

1.2. Descrierea aparatelor

Din multitudinea de aparate si metode folosite pentru masurarea temperaturii, in lucrare

se utilizeaza: termometrele de sticla cu lichid, termometrele electrice cu rezistenta, pirometrele termoelectrice (termocupluri) si pirometrul cu radiatie cu disparitia partiala a

filamentului.

Termometre de sticla cu lichid (figura 1.1.)

Masurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor de sticla cu lichid se bazeaza pe

variatia volumului unui lichid (mercur, toluen, alcool etilic, eter de petrol, pentan) inchisintr-un tub capilar de sticla.

Fig.1.1. Termometre de sticla cu mercur:

a- cu contacte fixe

b- cu contacte mobile.

Cele mai utilizate termometre sunt cele cu mercur (- 38oC ... + 700oC). Dezavantajul

acestora consta in faptul ca au inertie termica mare nefiind adecvate masurariitemperaturii in regim variabil.

Din punct de vedere constructiv se deosebesc: termometre capsulate, la care tubul capilar si scala gradata sunt introduse impreuna intr-un tub de protectie, precum si termometre

tija, a caror scala este gradata direct pe tubul capilar. In afara de acestea exista si alteconstructii speciale ca de exemplu: termometre cu contacte fixe, cu contacte mobile etc.

Termometrele cu lichid indica corect temperatura numai atunci cand intreaga masa a

lichidului termometric se afla la temperatura care trebuie masurata, deci cand elementulsensibil este cufundat in intregime in mediul de masurat. Daca coloana de mercur este

4



incomplet cufundata in mediul de masurat, se efectueaza corectia de temperatura ∆ t cu

relatia:

∆ t = n⋅ α ⋅ ( t - t1 ) [ oC] , (1.2)

in care: n este numarul de diviziuni ale portiunii necufundate a coloanei de mercur,exprimat in grade din scala termometrului;

t - temperatura indicata de termometru, in oC ;

t1 - temperatura firului capilar necufundat in mediul de masurat (de obicei egala cu cea a

mediului ambiant), in oC ;

α - coeficientul de dilatare aparenta a lichidului termometric ( pentru mercur α =0,000166 grd-1), in grd -1.

Corectia de temperatura se adauga temperaturii indicate de termometru.

Termometre electrice cu rezistenta

Functionarea acestor termometre se bazeaza pe variatia rezistentei electrice a metalelor cu temperatura. In figura 1.2 se prezinta variatia rezistentei electrice cu temperatura

pentru cateva materiale mai des utilizate.

Fig.1.2. Variatia rezistentei

electrice a metalelor in

functie de temperatura.

Aceste termometre se folosesc pe scara larga in industrie avand un domeniu larg de

temperaturi, - 120oC ...+ 850oC.

Materialele din care se confectioneaza termorezistentele trebuie sa satisfaca urmatoarele

conditii: sa nu-si schimbe proprietatile fizice si chimice, coeficientul de variatie arezistentei electrice cu temperatura sa fie mare, variatia rezistentei electrice cu

temperatura sa fie cat mai liniara iar proprietatile materialului sa poata fi usor reproduse.

5



Materialele care satisfac aceste cerinte sunt platina (- 183oC ... + 700oC), cuprul, nichelul,

fierul

(- 50oC ... + 150oC) si unele aliaje.

Rezistenta electrica a conductoarelor utilizate variaza cu temperatura dupa relatia:

R t = R o ( 1 + a⋅ t + b⋅ t2 + c⋅ t3 + ...) , (1.3)

unde:

R t este rezistenta electrica la temperatura t,

R o - rezistenta electrica la temperatura de etalonare (in general 0oC),

a, b, c, ... - constante.

La majoritatea materialelor, pentru masurarea temperaturii se iau in considerare numai

primele doua constante din paranteza relatiei precedente.

In practica, relatia de mai sus este utilizata sub forma ecuatiei lui

Callender:

, (1.4)

in care: R o, R 100, R t sunt rezistentele electrice ale materialului la 0oC; 100oC

si la temperatura t, δ - coeficient.

In figura 1.3 se prezinta schema de infasurare a unui termometru cu rezistenta din platina

(a) precum si aspectul exterior al termometrului (b).

Fig.1.3. Schema de infasurare si aspectul

6



exterior al unui termometru cu

rezistenta din platina.

Masurarea rezistentei electrice a elementului sensibil al termometrului se poate face cuajutorul urmatoarelor instrumente electrice:

- punti echilibrate (fig.1.4) in care rezistentele R 1, R 2, R 3 sunt constante, iar

la valoarea curentului prin galvanometru IG=0;

- punti neechilibrate (fig.1.5), la care curentul prin galvanometru

IG =f (R t);

-logometre (fig.1.6), la care unghiul de deviere al cadrului mobil

ϕ tϕ (R t);

-milivoltmetre digitale (electronice).

Fig.1.4. Schema de principiu

a puntii echilibrate.

Fig. 1.5. Schema de principiu

a puntii neechilibrate.

7



Fig.1.6. Schema de principiu

a unui logometru..

Pirometre termoelectrice

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 (-200oC ... +

3000

o

C), 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 incircuitul 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. Ea intr-un conductor "a" (fig.1.7) a carui

capete se afla la temperaturi diferite:

, (1.5)

unde: σ a este coeficientul Thomson pentru conductorul respectiv.

Efectul Seebeck consta in aparitia unei t.t.e.m. ε ab(T1), ε ab(T2), la locul de contact al

celor doi conductori "a" si "b".

T.t.e.m. totala care este functie numai de valorile temperaturilor T1 si

T2, se poate prezenta prin relatia:

Eab(T1,T2) tε ab(T2) - ε ab(T1) + (1.6)

unde: eab(T1), eab(T2) sunt t.t.e.m.care apar la cele doua capete ale termocuplului ca

rezultat comun al celor doua efecte.

8



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-unnumar 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.

Din aceste legi rezulta ca daca intre jonctiunile 1 si 2’ (fig.1.8) se introduce un conductor de prelungire, circuitul se comporta ca si cum nici nu ar exista cel de al treilea material.

Fig.1.7. Schema de principiu a unui termocuplu Fig.1.8. Circuit termoelectric elementar

. .

Daca una din temperaturi, de exemplu T2, se mentine constanta, t.t.e.m.rezultata depinde

numai de temperatura T1, adica:

Eab(T1, T2) =f (T1) . (1.7)

Circuitele termoelectrice utilizate pentru masurarea temperaturii (fig.1.8), se compun din

termocuplul format din doua materiale de natura diferita a si b sudate la jonctiunea 1(sudura calda), cablurile de prelungire CP confectionate din acelasi material ca si

conductorii termocuplului, care au rolul de a deplasa jonctiunea de referinta 2 (cu

fluctuatii mari de temperatura) in zona 2’, unde temperatura poate fi mentinuta constanta,si aparatul pentru masurarea t.t.e.m. 3 (care de obicei este un milivoltmetru) conectat la

jonctiunea de referinta prin conductori de cupru.

9



Etalonarea milivoltmetrelor pentru termocupluri se face in general la temperatura de 0oC

sau 20oC a sudurii reci. Daca, in conditiile de masurare temperatura sudurii reci variaza in

raport cu temperatura de etalonare se efectueaza corectia acesteia dupa relatia:

treal =tind + k ⋅ (t1 - to) (oC) , (1.8)

unde:

treal este temperatura reala, in oC;

tind - temperatura indicata de aparat, in oC;

to - temperatura sudurii reci la etalonare (to t=0oC,in cadrul

lucrarii), in oC;

t1 - temperatura sudurii reci in timpul masurarii, in oC;

k - coeficient care depinde de tipul termocuplului si de intervalul

de temperatura.

In tabelul 1.2 se dau valorile coeficientului k pentru cele mai uzuale termocupluri.

Tabelul 1.2. Valorile coeficientului k

T E R M O C U P L U L

Cromel-

copel

Fier-

copel

Fier-

Constan-

tan

Cupru-

Copel

Cupru-

Constan-

tan

Cromel-

Alumel

Nichel-

Crom-

nichel

Platina

Rodiu-

platina

0,067 0,056 0,053 0,046 0,040 0,040 0,040 0,006

Compensarea influentei variatiei temperaturii sudurii reci se poate face automat prin

folosirea unor dispozitive numite punti compensatoare (fig.1.9) alimentate la curentcontinuu, constant si alcatuite din doua rezistente (R 1, R 2) independente de temperatura

(din manganina sau constantan) si doua rezistente (R t1, R t2) dependente de

temperatura(Cu, Ni). Puntea este alimentata in curent continuu de la sursa S prin

10



rezistenta aditionala R a necesara reglarii curentului in punte. Cand are loc modificarea

temperaturii jonctiunii de referinta fata de temperatura de etalonare, se dezechilibreaza

puntea iar diferenta de potential, proportionala cu variatia temperaturii care apare in

diagonala CD, compenseaza t.t.e.m. dezvoltata de termocuplu.

In tabelul 1.3 sunt prezentate termocuplurile cele mai uzuale si caracteristicile lor, iar infig.1.10, ansamblul unui termocuplu pentru masurarea temperaturii in spatii inchise.

Fig.1.9. Compensarea automata

a variatiei de temperatura.

Fig.1.10. Termocuplu:

1-termoelectrozi; 2- teaca

de protectie; 3- cutia de co-

nexiuni; 4- placa de borne.

Tabelul 1.3. Termocupluri si caracteristicile lor

Limita de utilizare (oC) T.t.e.m.

Termocuplul Sim- Polaritatea Minima Maxima maxima

bol continuu intermitent (mV)

0 1 2 3 4 5 6

Fier-

Constantan

J Fe +

Const -

-200 600 760 42,922

Cupru-Constantan

T Cu +

Const -

-270 400 400 20,869

11



Cromel-

Constantan

E Cromel+Const -

-270 600 1000 76,358

Cromel-Alu-

Mel(NiCr- Ni)

K Cromel+

Alumel -

-270 1000 1370 54,807

Cupru-Copel - Cu +

Copel -

-200 100 100 4,721

Cromel-

Copel

- Cromel+

Copel -

0 600 800 66,470

PtRh(lo%)

-Pt

S PtRh(l0)+

Pt -

0 1400 1760 18,612

PtRh(13%)-

Pt

R PtRh(13)+

Pt -

0 1400 1760 21,006

PtRh(30%)-

PtRh(6%)

(PtRh-18)

B PtRh(30)+

PtRh(6) -

0 1700 1820 13,814

PtRh(20%)-

PtRh(5%)

- PtRh(20)+

PtRh(5) -

0 1700 1790 12,509

IrRh(40%)-Ir - IrRh(40) +

Ir -

0 2000 2150 11,612

IrRh(5o%) – Ir

- IrRh(50) +

Ir -

0 2000 2140 12,224

IrRh(60%) -

Ir

- IrRh(60) +

Ir -

0 2000 2100 11,654

12



Tabelul 1.3. Continuare

0 1 2 3 4 5 6

WRo(5%) -

WRo(25%)

- WRo(5) +

WRo(25) -

0 2300 2500 33,636

WRo(3%) -

WRo(25%)

- WRo(3) +

WRo(25) -

0 2300 2400 40,678

Cromel -

FeAu(0,07)

- Cromel +

FeAu(0,07)

-

-273 - 0 52,629

Termometru Digital

Tensiunea termoelectromotare care apare in circuit poate fi masurata si cu un termometru

digital. Senzorul de temperatura este un termocuplu.

Acest aparat permite citirea temperaturii direct

0

C,

0

F sau K.

Domeniul de masurare pentru termocuplul digital este 200-18000C (depinde de tipul

termocuplului) iar domeniul de tensiuni de la –10-75 mV.

Fig.1.11.Termometru

Digital

Pirometre cu radiatie

13



Legile care stabilesc legatura dintre energia radiata si temperatura sunt legile radiatiei

emise de Stefan-Boltzmann si Plank. Aceste legi arata ca un corp radiaza energie termicala orice temperatura si ca o crestere a temperaturii provoaca o crestere a energiei radiate.

Dupa principiul lor de functionare pirometrele cu radiatie se impart in : pirometre cu

radiatie totala avand la baza legea Stefan-Boltzmann, pirometre optice cu disparitia

filamentului (cu radiatie partiala) bazate pe legea lui Plank si pirometre fotoelectrice.

Pirometrele optice monocromatice cu disparitia filamentului sunt larg raspandite in

practica industriala deoarece sunt simple, suficient de robuste si usor de manevrat.

Schema de principiu a unui pirometru optic cu disparitia filamentului este prezentata in

figura 1.12. El se compune dintr-o parte optica si una electrica. Partea optica se compune

din: obiectivul 1, ocularul 2, filtrul 3, sticla absorbanta 4 si diafragma 5. Partea electricaeste formata din lampa pirometrica 6, reostatul 7, aparatul de masura 8, becul 9 pentru

iluminarea scalei aparatului de masura, scala 10, releul 11, bateriile uscate (de 1,5V) 12, butonul 13 pentru inchiderea circuitului electric al aparatului de masura si butonul 14

pentru alimentarea becului. Masurarea temperaturii se face prin compararea intensitatii

radiatiei emise de corpul cercetat cu intensitatea radiatiei filamentului lampii pirometricea carei incandescenta se regleaza cu ajutorul reostatului. Citirea temperaturii se

efectueaza pe scala superioara a aparatului pana la temperatura de 1400oC. Peste aceasta

valoare este necesar a se introduce intre obiectiv si lampa pirometrica sticla absorbanta 4

pentru evitarea volatilizarii filamentului. In felul acesta se pot masura temperaturi pana la2000oC. Temperatura unui corp care nu este negru, masurata cu pirometrul optic

monocromatic, este totdeauna mai mica decat temperatura reala a corpului. Corectiile detemperatura ce se impun in asemenea cazuri se efectueaza cu relatia:

treal =tind + ∆ t [ oC] , (1.9)

unde: ∆ t este corectia de temperatura determinata din nomograma din figura 1.13, in

care ε reprezinta coeficientul de absorbtie al corpului a carui temperatura se masoara si

care se obtine din tabelul 1.4.

14



Fig.1.12. Schema unui

pirometru cu

radiatie partiala.

15



1.3. Mersul lucrarii

Masurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor de sticla cu lichid se efectueaza asupra

mediului ambiant. Pentru masurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor cu rezistenta,a pirometrelor termoelectrice si a pirometrelor cu radiatie cu disparitia partiala a

filamentului, se foloseste instalatia din figura 1.14, a carei schema electrica este

prezentata in figura 11.2. (Lucrarea 11). Dupa cuplarea instalatiei la reteaua de energieelectrica cu ajutorul intrerupatoarelor 15 si 7, se efectueaza masurarea temperaturii cu

ajutorul termorezistentelor din Pt si Cu, pirometrului termoelectric din Pt-RhPt si a

pirometrului cu radiatie partiala.

Fig.1.13. Nomograma pentru corectia temperaturii la pirometrul cu radiatie partiala.

1.4. Prelucrarea si interpretarea rezultatelor

Valorile citite se vor trece in tabelul 1.5, dupa ce in prealabil s-au indicat caracteristicile

si clasa de precizie a aparatelor. Se va efectua de asemenea corectarea temperaturilor cuajutorul relatiilor (1.8) si (1.9).

Tabelul 1.4. Coeficientii de absorbtie ε ai unor materiale la diferite

temperaturi pentru λ =0,650 µ

16



Materialul Temperatura [ oC] ε

0 1 2

Fier solid 1050 0,30

Fier lichid 1530 0,36

Cupru solid - 0,11

Cupru lichid 1100 0,15

Nichel - 0,37

Wolfram 1000 0,45

Wolfram 2000 0,43

Wolfram 3400 0,40

Carbon grafit 1000 0,90



Otel topit - 0,40

Oxid de cupru 1000 0,80

Oxid de cupru 1100 0,60

Oxid de fier 800 0,98

Oxid de fier 1200 0,96

Oxid de nichel 800 0,96

Oxid de nichel 1300 0,85

Al2O3 900 0,20

Al2O3 1700 0,40

MgO 900 0,20

17



MgO 1700 0,45

Portelan - 0,25 - 0,50

Samota - 0,70 - 0,80

Valorile citite se vor trece in tabelul 1.5, dupa ce in prealabil s-au indicat caracteristicile

si clasa de precizie a aparatelor. Se va efectua de asemenea corectarea temperaturilor cu

ajutorul relatiilor (1.8) si (1.9).

Fig.1.14. Instalatia utilizata pentru masurarea temperaturii: 1- cuptor electric; 2- bare de silita; 3-

termorezistente din Pt; 4- termocuplu Pt-RhPt; 5- termorezistenta din Cu; 6- logometru; 7- intrerupator alimentare curent continuu; 8- panou; 9- tablou de comanda; 10- reostat; 11- intrerupator alimentare retea;

12- logometru; 13- voltmetru; 14- milivoltmetru; 15- intrerupator alimentare bare de silita; 16- ampermetru.

Tabelul 1.5. Rezultatele masuratorilor

Caracteristici Clasa

de

pre-

cizie

Temperatura Modul

cum s-a

facut

corectia

Aparatul Ele-

mentul

Limita de

masurare

citita corectata

sensibil min. max. °C K °C K

Termometru de Hg

18



sticla cu lichid

Termometre 1 Pt

cu 2 Pt

rezistenta 3 Pt

4 Cu

Pirometrutermoelectric

Pt-RhPt

Pirometru cu

radiatie partiala

19

L1 Masurarea Temp

Documents

Transcript of L1 Masurarea Temp