Masurarea momentului, puterii și temperaturii

MĂSURAREA MOMENTULUI, PUTERII ŞI TEMPERATURII

În multe aplicaţii de inginerie mecanică cantităţile menţionate mai sus trebuie să fie măsurate. Unele dintre aceste aplicaţii sunt enumerate mai jos:

Măsurarea momentului:– măsurarea puterii de frânare la un motor– măsurarea momentului produsă de un motor electric– studii asupra unui element de construcţie aflat sub torsiune

Măsurarea puterii – măsurare putere efectivă/utilă de frânare a unui motor (în cai putere)

– măsurarea puterii produsă de un generator electrice

Aşa cum este evident din cele de mai sus măsurarea momentului și puterii sunt implicate în sisteme dinamice şi, prin urmare, acoperă o gamă foarte largă de aplicaţii de inginerie mecanică cum ar fi centrale electrice, motoare, vehiculele de transport şi aşa mai departe.

Alte zone în care sunt implicate aceste cantităţi sunt în aplicaţii biologice, medicină sport, ergonomie şi măsurători proprietăților mecanice ale materialelor. Având în vedere că lista este foarte mult am acoperi unele dintre aplicaţii importante numai în ceea ce urmează.

MĂSURAREA MOMENTULUI ȘI PUTERII

Momentul și puterea sunt mărimi importante la transmisia de forţă/de putere la motoare, turbine, compresoare, motoare şi aşa mai departe.

Măsurarea momentul și puterii se efectuează cu ajutorul dinamometrului. Într-un dinamometru momentul și viteza de rotație sunt măsurate independent, iar produsul acestora este puterea.

Măsurarea momentului

Pentru măsurarea momentului la componente statice, cea mai eficientă şi metoda simplă este de a folosi un levier de comandă a frânei şi un traductor de forţă. Un astfel de aranjament poate fi uşor etalonat prin intermediul unor greutăţi. Aceasta este metoda utilizată în mod tradiţional pentru dinamometre de motor, în cazul în care momentul absorbit de dinamometru se măsoară la carcasa unităţii. Dacă nu există fluctuaţii rapide de moment, sau acceleraţiile semnificative tranzitorie a componentelor rotative, aceasta metodă poate fi inexactă, şi este apoi preferabil să se măsoare momentul pe un arbore în rotaţie.

Traductoarele de moment sunt disponibile pentru montarea pe arbori în rotaţie. Ele sunt în general mărci tensometrice sau traductoare piezoelectrice, şi transmit datele de ieşire pentru aparate de măsură şi de control de inele de contact sau de semnale radio. Utilizarea acestor traductoare este adecvată în cazul în care acestea pot fi încorporate în stadiul de proiectare, pe un dispozitiv de testare, de exemplu. Cu toate acestea, în cazul în care măsurătorile momentului sunt necesare pe o maşină existentă este de multe ori fizic imposibilă, pentru a încorpora un traductoarele de moment, şi chiar dacă spaţiu este disponibil, traductorul poate afecta caracteristicile dinamice ale meșinei. Ca motiv pentru efectuarea măsurătorilor este nevoi de multe ori pentru a stabili momentele dinamice şi caracteristicile vibraţiilor de torsiune, utilizarea traductoarelor de moment ar putea da indicații false.

Abordarea adoptată este obişnuit este să se aplice traductoarele direct la o parte din arborele de rotaţie, şi să transmită semnale de unde radio (sau infraroşu) legate de la aparate de măsură şi de control;. Echipamentele atașate la arborele în rotație pot fi mai mici decât o cutie de chibrituri, şi a bateriilor autonome potrivite pentru câteva ore de funcționare. Această metodă a fost folosit cu succes pe o gamă largă de maşini în unele medii negative.

1

Masurarea momentului, puterii și temperaturii Dacă operaţie continuă este necesară, poate fi necesar să se prevadă o putere de intrare prin

intermediul inele de alunecare sau un transformator. Inele de alunecare uneori sunt utilizate pentru transmiterea semnalului, dar acestea sunt predispuse la zgomot, şi, prin urmare, transmisia radio este preferată, dacă este posibil.

Măsurarea momentului:a) Sistemul de frânare;b) Măsurarea tensiunii de forfecare pe un arbore;

Dinamometru cu frână pe o tobă (frâna Prony)

Fig.1

Dinamometru cu frână pe o tobă este un dispozitiv prin care un cuplu cunoscut poate fi aplicat pe un arbore în rotaţie, care poate aparține la oricare dintre dispozitivele care au fost menţionat mai devreme. Schema dinamometrului cu frână pe o tobă este prezentat în figura 1. O frânghie sau centura este înfăşurată în jurul tobei frânei anexat la arbore. Cele două capete de frânghie sau centura anexate pe suporți rigizi cu două resoarte, aşa cum este arătat. Şurubul de încărcare poate fi strâns pentru a creşte sau pentru a micşora momentul de frecare aplicate pe tambur. Atunci când se roteşte arborele tensiune pe cele două părţi vor fi diferită. Diferenţa este doar forța de frecare aplicată la periferia tamburului frânei. Produsul acestei diferențe înmulţită cu raza tobei oferă momentul. Mod alternativ de măsurare a momentului folosind, în esenţă, dinamometrul frână tambur este prezentat în figura 2. Brațul cuplului este ajustat pentru a lua pe poziţia orizontală prin adăugarea de greutăți corespunzătoare din recipient după ajustarea şurubului de încărcare la un nivel adecvat de etanşeitate. Momentul este dat de produsul brațului cuplului și greutatea din recipient.

Este de a fi remarcat faptul că puterea este absorbită de frână tambur şi disipată ca și căldură. În practică este necesar să se răcească tamburului frânei prin trecerea apă rece prin tuburi încorporate în blocuri de frână sau tamburului frânei.

Generator electric folosit ca un dinamometru:

Un generator electric este montat pe arborele care este condus de dispozitiv de putere ale cărui putere de ieşire este măsurată ca în figura 3. Statorul care în mod normal este fix permite plutirea între două lagăre. Încărcarea a dinamometrului se face prin trecerea curentului de la generator printr-o baterie de rezistori. Putere generat este disipată din nou în căldură de baterie de rezistori. În practică un aranjament de răcire este necesar pentru disiparea căldurii. Statorul are un braţ ataşată la acest, care se bazează pe o platformă de echilibru, așa cum se arată în figura. Statorul exprimă momentul datorită rotaţie rotorului datorită forţelor electromagnetice, care sunt echilibrate de un egal şi moment opus furnizat de forţă de reacţie la punctul în cazul în care a brațului cuplului se bazează pe echilibru platformă. Momentul pe arbore este dat de echilibrul platformei înmulţit cu brațul cuplului.

2

Masurarea momentului, puterii și temperaturii

Fig. 2. O metodă alternativă de măsurare momentului cu o frână Prony

Fig.3. Generator electric folosit ca un dinamometru

Momentul, de asemenea, poate fi măsurat prin măsurarea tensiunii de forfecare dată de un arbore ce este antrenat. Dacă arborele este condiționat de torsiune principalelor tensiuni şi de tensiunile de forfecare sunt identice în conformitate cu figura 4.

Fig. 4. Tensiunile pe suprafața unui arbore torsionat

3

Masurarea momentului, puterii și temperaturii

Fig. 5. Măsurarea forfecării

Am observa că tensiunile principale sunt de întindere şi compresie în lungul celor două diagonalelor. Dacă celulele de încărcare sunt montate în formă de o punte de legătură cu brațele punții de-a lungul muchiilor unui pătrat orientate spre la 45 ° la axa arborelui, tensiunea de dezechilibru produsă de o punte de legătură este o măsură a tensiunilor principale pe care, de asemenea, este egală cu tensiunea de forfecare. Aranjamentul acesta de celule de încărcare este după cum se arată în Figura 4. Acest aranjament îmbunătăţeşte sensibilitatea aparatelor de măsură şi de control cu un factor de 2.

Noi cunoaștem ca când . Aici T este momentul, R este raza arborelui și J

este moment polar de inerţie. Utilizând celula de încărcare valoarea măsurată τ, putem calcula momentul încercat de arbore. În această metodă dinamometrul este folosit doar pentru aplicarea sarcinii, iar momentul este măsurat prin folosirea datelor punților de încărcare.

Măsurarea vitezei de rotație

a) Tahometru - Dispozitiv mecanicb) Puterea electrică – Motorul de acționare a unui generatorc) Instrument de măsura a numărului de rotații pe minut optic fără contact

Cum am menţionat mai devreme măsurarea puterii impune măsurarea vitezei de rotație, în plus faţă de măsurarea momentului.La mişcarea de rotaţie viteza unghiulară a unui punct material este definită de relaţia:

unde:

– viteza unghiulară;

- unghiul corespunzător arcului de cerc parcurs;

–timpul necesar parcursului.

Unitatea de măsură pentru viteza unghiulară este rad/s.

Mijloacele pentru măsurarea vitezei de rotaţie se numesc tahometre.Tahometre le mecanice (portabile)

cu dispozitiv centrifugal; cu dispozitiv cronometric;

4

Masurarea momentului, puterii și temperaturii vibratoare; hidrocentrifugale; pneumatice.Tahometrele mecanice cu dispozitiv centrifugal sunt caracterizate de o precizie scăzută

(2%), fiind prevăzute cu o cutie de viteze, care le dă posibilitatea de a fi utilizate în mai multe domenii de măsurare. Funcţionează pe baza creşterii forţei centrifuge cu pătratul turaţiei maselor de rotaţie.

Părţi componente:1-ax de antrenare; 2-pârghie; 3-greutăţi; 4-piesă mobilă; 5-ghidaj; 6-pârghii; 7-sector dinţat; 8-pinion; 9-ac indicator; 10-scară gradată.

axul de antrenare 1 primeşte mişcarea de la axul căruia i se măsoară turaţia; mişcarea de rotaţie se transmite pârghiilor 2 cu greutăţi, piesei mobile ce culisează în

ghidajul care are rolul de a transforma mişcarea de rotaţie în mişcare de translaţie; de la ghidajul 5, prin intermediul pârghiei 6, mişcarea ajunge în zona de prelucrare a

semnalului pentru a putea fi afişată mărimea măsurată. domeniul de măsurare: 30 min-1..

48000 min-1(unităţi de turaţie).

viteza unghiulară se calculează: [rad/sec]

MASURAREA TEMPERATURII

In stadiul actual al tehnicii, masurarea temperaturii constituie o problema importanta in toate ramurile industriale. Necesitatea de a masura temperaturi inalte, de a mari precizia de masurare si de a transmite la distanta indicatiile respective a dus la elaborarea de noi metode de masurare.

Temperatura este o marime fizica de stare locala a sistemelor, ce caracterizeaza gradul de incalzire a materiei, deci masoara intensitatea agitatiei termice a particulelor componente. Mai precis, temperatura termodinamică, este una dintre cele şapte mărimi fundamentale pe care se bazează Sistemul Internaţional de Unităţi (SI). Unitatea temperaturii termodinamice este kelvinul, simbol K, definit ca fracţiunea 1/273,16 din temperatura termodinamică a punctului triplu al apei.

Conceptul de temperatură este definit pe baza principiilor termodinamicii, cu ajutorul unei scări având un singur punct fix. Această scară de temperatură a fost propusă de William Thomson (lordul Kelvin) în anul 1854 şi este cunoscută sub numele de scara termodinamică de temperatură. Măsurarea temperaturii în conformitate cu definiţia scării fundamentale necesită,

5

Masurarea momentului, puterii și temperaturii însă, proceduri şi termometre care sunt dificil de realizat iar rezultatele ce se obţin nu sunt suficient de exacte şi de reproductibile.

De aici s-a născut necesitatea stabilirii unei scări practice de uz internaţional, în care măsurările de temperatură să fie mai uşor de efectuat, să fie mai exacte şi foarte reproductibile.

Scara Celsius

O scara de temperatură standardizată este scara stabilită în mod empiric, în 1736 de Anders Celsius (1701 – 1744). Punctele de bază, alese de Celsius au fost:

- punctul de vaporizare a apei: 0;- punctul de solidificare a apei: 100

Carl von Linne’ (1707 – 1778) a inversat scara, astfel că temperatura de topire a gheţii a devenit 0 grade, iar temperatura de vaporizare a apei a devenit 100 grade. Această scară păstrează numele lui Celsius; temperatura se dă în oC.

Gradul Celsius [oC] este diviziunea scarii de temperatura cu acelasi nume, care atribuie valoarea zero punctului de topire a ghetii si valoarea 100, punctului de fierbere al apei, ambele la presiunea de 1 Atm.

Scara Kelvin

În 1854, Lord Kelvin of Largs a introdus scara temperaturii absolute, pentru a elimina particularităţile termometrelor care se utilizau anterior. Temperatura absoluta este temperatura termodinamica masurata in grade termometrice absolute pe scara Kelvin, fiind una din marimile fizice fundamentale ale SI. Zero al scarii absolute este –273,15 oC, temperatura la care moleculele unui gaz nu mai au energie cinetica de translatie.

Gradul Kelvin [K] este dimensiunea scarii termodinamice de temperatura, care are ca interval aceeasi marime ca gradul Celsius. Valorile punctelor de reper ale scarii difere, astfel ca temperaturii de 0 oC ii corespund 273,15 K iar celei de 100 oC, 373,15 oC, deci T[K]=t[oC]+273,15.

Gradul Fahrenheit [oF] este diviziunea scarii de temperatura cu acelasi nume, punctul de topire al ghetii corespunde temperaturii de 32 oF, iar punctul de fierbere al apei, celei de 212 oF. Legatura intre temperatura masurata in grade Celsius si aceeasi temperatura masurata in oF, este:

t[oC]=

Scara Internaţională de TemperaturăÎn prezent este în vigoare Scara Internaţională de Temperatură din 1990 (SIT-90), care s-

a dezvoltat dintr-o serie de cinci scări practice internaţionale de temperatură anterioare, revizuite şi îmbunătăţite la intervale de aproximativ 20 de ani. SIT-90 defineşte temperatura Kelvin internaţională, simbol T90 dar, din considerente istorice, utilizează şi temperatura Celsius internaţională, simbol t90:

t90 / ºC = T90 / K–273,15. Scara Internaţională de Temperatură din 1990 se bazează pe o serie de puncte fixe de definiţie si utilizează patru mijloace de interpolare şi extrapolare: - termometrul cu presiune de vapori, - termometrul cu gaz, - termometrul cu rezistenţă din platină, - termometrul de radiaţieetalonate la unul sau mai multe puncte fixe; pe baza acestor etalonări şi folosind ecuaţiile de interpolare specificate în SIT-90, se stabileşte întregul domeniu de temperatură al scării, de la 0,65 K până la cea mai ridicată temperatură ce poate fi măsurată pe baza legii de radiaţie a lui Planck.

Punctele fixe sunt stări de echilibru reproductibile ale unor substanţe foarte pure, având temperaturi definite: puncte triple, puncte de topire şi puncte de solidificare. Punctul triplu este temperatura în care fazele solidă, lichidă şi gazoasă ale substanţei coexistă în echilibru. Punctul

6

Masurarea momentului, puterii și temperaturii de topire şi punctul de solidificare reprezintă temperatura tranziţiei unei substanţe din faza solidă în faza lichidă şi, respectiv, din faza lichidă în faza solidă, la presiunea de 101 325 Pa.

Între punctele fixe, temperatura se găseşte prin folosirea unor anumite ecuaţii şi instrumente de interpolare. Punctele fixe elementare sunt realizate ca stări de echilibru a unor substanţe pure. Aceste stări de echilibru şi valorile corespunzătoare ale temperaturii sunt prezentate în Tabelul 1.

Temperatura de echilibru Valorile temperaturiiK oC

Punct triplu al H2 (temperatura de echilibru între H2 solid, lichid şi în stare de vapori)

13,81 -259,34

Punct de fierbere al H2 (temperatura de echilibru între H2 lichid şi în stare de vapori) la o presiune de 33,330 KPa (250 mm Hg)

17,042 -256,108

Punct de fierbere al H2 (temperatura de echilibru între H2 lichid şi în stare de vapori)

20,28 -252,87

Punct de fierbere al N2 (temperatura de echilibru între N2 în stare lichidă şi în stare de vapori)

27,102 -246,048

Punct triplu al O2 (temperatura de echilibru între O2 solid, lichid şi în stare de vapori)

54,361 -218,789

Punct de fierbere al O2 (temperatura de echilibru între O2 în stare lichidă şi în stare de vapori)

90,188 -182,962

Punct triplu al H2O (temperatura de echilibru între gheaţă, starea lichidă şi cea de vapori)

273,16 0,01

Punct de fierbere al H2O (temperatura de echilibru între H2O în stare lichidă şi în stare de vapori)

373,15 100

Punct de solidificare al Zn (temperatura de echilibru între Zn în stare solidă şi în stare lichidă)

692,73 419,58

Punct de solidificare al Ag (temperatura de echilibru între Ag în stare solidă şi în stare lichidă)

1235,08 961,93

Punct de solidificare al Au (temperatura de echilibru între Au în stare solidă şi în stare lichidă)

1337,58 1064,43

Din 1954 (a zecea Conferinta Generala asupra Masurilor si Greutatilor de la Paris) se foloseste un singur punct fix, punctul triplu al apei, care reprezinta starea in care gheata, apa lichida si vaporii de apa coexista in echilibru. Aceasta stare de echilibru poate fi obtinuta numai la o anumita presiune si este univoc determinata. Presiunea vaporilor de apa in punctul triplu este de3 4,58 torr. Temperatura in acest punct fix standard este aleasa in mod arbitrar egala cu 273,16 K.

Proprietatea de tranzitivitate a stărilor de echilibru termodinamic permite compararea valorilor temperaturii a două sau mai multor corpuri fără a le pune în contact termic direct, ci folosind un alt corp, numit corp termometric. Dispozitivul ce cuprinde un corp termometric se numeşte termometru, sau mai general instrument termometric. Instrumentul termometric trebuie să fie comod şi precis, să dea indicaţii reproductibile, să nu modifice starea termică a sistemului a cărui temperaturi o măsurăm. Exista doua mari categorii de instrumente pentru controlul temperaturii bazate pe :

- măsurarea mecanica a temperaturii- măsurarea electrica a temperaturii.Măsurarea mecanica a temperaturii se bazează pe proprietățile anumitor materiale de a-şi

modifica forma fizica sau volumul direct proporțional cu temperatura aplicata. In aceasta categorie intra termometrele cu mercur, cu bimetal şi cele cu dilatare de gaze.

Măsurarea electrica a temperaturii se bazează pe:- efectul termoelectric (efectul Seebeck), care consta in apariția unei tensiuni intr-un

circuit format din doua metale diferite ale căror joncțiuni nu au aceeași temperatura. 7

Masurarea momentului, puterii și temperaturii Tensiunea electromotoare din circuit se numește tensiune termoelectromotoare şi este diferita ca valoare, la aceeași temperatura, funcție de natura celor două metale in contact.

- modificarea rezistentei electrice a unor materiale metalice conductoare, in funcție de temperatura.

Clasificarea instrumentelor termometrice se face în raport cu proprietatea corpului termometric, dependenţa de temperatură a cărei mărime şi evoluţie este măsurată şi urmărită.

a. Instrumente termometrice bazate pe variaţia cu temperatura a volumului corpului termometric, care poate fi gaz sau lichid (uneori şi solid), menţinut la p = ct (termometria volumetrică);

b. Instrumente termometrice bazate pe variaţia cu temperatura a presiunii corpului termometric, constituit dintr-un volum de gaz, vapori sau lichid menţinut constant; în cazul unui corp termometric în stare de vapori, instrumentul termometric se bazează pe dependenţa de temperatură a presiunii vaporilor saturaţi în echilibru cu lichidul corpului termometric (termometria manometrică).

c. Instrumente termometrice bazate pe variaţia cu temperatura a frecvenţei vibraţiei de rezonanţă a corpului termometric, constituit dintr-un cristal de cuarţ (termometria electromagnetică);

d. Instrumente termometrice bazate pe variaţia cu temperatura a proprietăţilor electrice caracteristice corpului termometric: variaţia rezistenţei electrice sau variaţia tensiunii termoelectomotoare (termometria electrică);

e. Instrumente termometrice bazate pe variaţia cu temperatura a susceptibilităţii magnetice a corpului termometric constituit dintr-un compus paramagnetic (termometria magnetică);

f. Instrumente termometrice bazate pe variaţia cu temperatura a puterii emisiei optice a corpului termometric (parametria optică);

g. Instrumente termometrice bazate pe variaţia cu temperatura a vitezei sunetului în corpul termometric (termometria acustică);

h. Instrumente termometrice bazate pe variaţia cu temperatura a densităţii electronice de emisie şi absorbţie ale unor sisteme gazoase ce constituie corpul termometric (termometria spectroscopică);

i. Instrumente termometrice bazate pe procedee speciale de măsurare a temperaturii (termometria specială);Alegerea instrumentului termometric se face în funcţie de foarte mulţi factori, între care

domeniul de măsurare joacă un rol important. In continuare vor fi prezentate câteva traductoare de temperatura, împreuna cu principiile lor de funcționare.

Traductoare bazate pe dilatarea termica a corpurilor solide

Funcționarea acestor traductoare se bazează pe variația dimensiunilor liniare ale corpurilor solide in funcție de variația temperaturii. Intr-un interval mic de temperatura lungimea unor tuburi, tije sau lamele metalice depinde aproximativ liniar de temperatura. Legătura intre alungirea Δl a unui material, coeficientul de dilatare liniara α si creșterea temperaturii Δθ este definita prin relația:Δl = α Δθ.

Prin urmare, aceste traductoare convertesc temperatura intr-o deplasare care poate fi transmisa la un ac indicator sau la un adaptor pentru obținerea unui semnal electric. Când deplasarea se transmite la un ac indicator se obține un termometru. Termometrele bazate pe acest principiu sunt de doua tipuri constructive: cu tub si tija si cu lama bimetalica.

In figura următoare este reprezentat un termometru cu tub si tija. Tubul 1 este confecționat dintr-un material cu un coeficient de dilatare liniara mare: alama, bronz, Al, Cu, Ni, Cr-Ni etc. Tija 2 este confecționata dintr-un material cu un coeficient de dilatare foarte mic: porțelan, cuarț sau invar (64% Fe si 36 % Ni). La creșterea temperaturii tubul se dilata mai mult decât tija, iar capătul liber al acesteia se deplasează in jos. Aceasta deplasare depinde de

8

Masurarea momentului, puterii și temperaturii temperatura si este transmisa acului indicator prin intermediul unui mecanism de pârghii. De obicei, pentru transmiterea deplasării se utilizează roti dințate, sectoare dințate si cremaliere. Mecanismul de transmitere a deplasării are rolul de a amplifica deplasarea si de a o transmite acului indicator.

Fig.1 Termometru cu tub si tijaTermometrele bimetalice sunt formate dintr-o lama bimetalica (doua lame sudate pe

toata lungimea lor) si un mecanism de transmitere a deplasării la acul indicator. Ca si la termometrele cu tub si tija, cele doua materiale din care se confecționează lamele trebuie sa aibă coeficienți de dilatare liniara foarte diferiți. Sudarea celor doua lame este executata pe toata suprafața lor. Când temperatura creste, lama care are un coeficient de dilatare mare se dilata mai mult si lama bimetalica se îndoaie in partea lamei cu coeficient de dilatare redus. Deplasarea capătului liber al lamei bimetalice poate fi transmisa la acul indicator direct sau prin intermediul unui mecanism special de transmitere. La termometrele bimetalice, in funcție de sensibilitatea dorita, lama poate fi si de forma spirala sau elicoidala. Grosimea lamei bimetalice este cuprinsa in general intre 0,05 si 2 mm, iar lungimea ei se alege in funcție de deplasarea care trebuie sa fie transmisa acului indicator.

Cu aceste traductoare se pot măsura temperaturi cuprinse intre -50°C si +500°C; aceste limite de măsurare depind de stabilitatea chimica a metalelor din care sunt confecționate traductoarele.

Traductoare bazate pe dilatarea termica a gazelor si lichidelorCele mai răspândite traductoare de acest tip sunt formate dintr-un sistem închis umplut cu

lichid, gaz sau vapori, din care cauza sunt numite si traductoare termomanometrice. Aceste traductoare convertesc temperatura intr-o deplasare care poate fi transmisa la un adaptor sau la un ac indicator. In ultimul caz se obține un termometru manometric.

Așa cum se vede in figura 3, termometrul manometric este format dintr-un balon 1 (sonda) umplut cu lichid sau cu gaz si unit printr-un tub capilar 2 sau cu un tub elastic 3. Tubul elastic este curbat si are o secțiune ovala sau elipsoidală. Capătul liber al tubului elastic este legat prin intermediul unor articulații sau angrenaje de acul indicator. La încălzirea balonului umplut, de exemplu cu azot, presiunea din sistemul închis creste si capătul liber al tubului elastic se va deplasa. Aceasta deplasare sete transmisa acului indicator; prin urmare aparatul poate fi gradat in °C. Principalele avantaje ale termometrelor manometrice sunt:

- sensibilitate ridicata (aceasta se explica prin faptul ca presiunea din sistemul închis creste mult cu temperatura);

- simplitatea construcției;- rezistenta la trepidații- siguranța împotriva exploziilor.Dezavantajele lor:- variatule temperaturii mediului exterior influențează tubul capilar;

9

Masurarea momentului, puterii și temperaturii - sunt necesare verificări frecvente ale funcționarii;- reparațiile in cazul ruperii tubului capilar sunt dificile.

Figura 2. Termometru manometric

Precizia termometrelor manometrice este in general mica, ajungând pana la clasa de precizie 2,5. Termometrele manometrice cu substanțe lichide organice (xilen, alcool, hexan) se utilizează pentru intervalul de temperatura de la -80°C pana la 320°C, iar cele cu vapori saturați ai unui lichid cu un punct de fierbere scăzut (clorura de metan, butan, eter etilic) pentru intervalul de temperatura de la 0°C pana la 250°C. Termometrele manometrice umplute cu gaze (azot, argon) se folosesc in limite mai largi de temperatura, de la -200°C pana la +600°C. Deoarece tubul elastic înmagazinează suficienta energie la variația presiunii datorita modificării temperaturii, deplasarea acestuia poate fi utilizata si pentru deplasarea unei pernițe (cu cerneala speciala) pe o diagrama.

Traductoare termoelectrice (termocupluri)Termocuplule reprezintă de fapt o pereche de metale sau aliaje lipite. Acțiunea lor

depinde de faptul ca atunci când o îmbinare de doua metale diferite e încălzita, in aceasta apare un mic voltaj, a cărui mărime depinde de temperatura. Prin atenta alegere a materialelor, este posibila realizarea unor termocuplu care sa funcționeze pe o gama larga de temperaturi, de la zero absolut pana la 2000°C. Termocuplule mascara temperatura in mod direct si pot oferi o citire continua.

Un mare avantaj al acestora este posibilitatea de a fi introduse in cele mai mici crăpături datorita dimensiunilor reduse ale îmbinării. De aceea, termocuplule sunt populare pentru măsurarea temperaturii in diferitele parți ale mașinilor aflate in mișcare.

Alte avantaje ale termocuplelor:- precizia destul de mare;- posibilitatea transmiterii semnalului la distanta;- posibilitatea verificării temperaturii in mai multe puncte in care se montează cate un

termocuplu, utilizând un comutator care conectează aparatul indicator pe RAND la fiecare dintre termocupluri.

Termocuplurile se pot confecționa din metale nobile, din metale obișnuite sau din diferite aliaje. Termocuplurile din metale nobile conțin in general platina si se folosesc la măsurarea temperaturilor industriale de peste 1100°C si la măsurări de precizie in laboratoare. Termocuplurile din metale obișnuite se folosesc pe scara larga la măsurarea temperaturii in cele mai variate domenii ale tehnicii. Cele mai răspândite termocupluri au la baza aliaje de crom, aluminiu, cupru, etc. Pentru măsurarea temperaturilor înalte se folosesc termocupluri din molibden si wolfram.

Traductoare termorezistiveAceste aparate se clasifica in termorezistente si termistore.

10

Masurarea momentului, puterii și temperaturii Termorezistentele sunt utilizate pe scara larga in industrie la măsurarea temperaturilor

cuprinse intre -120°C si +500°C. Ele pot fi folosite uneori si in intervalul de temperaturi de la -200°C la +800°C. Principiul de funcționare la acestora se bazează pe proprietatea unor conductoare de a-si modifica rezistivitatea electrica la variația temperaturii.

Materialele din care se confecționează termorezistentele trebuie sa îndeplinească următoarele condiții:

- sa nu-si schimbe proprietățile fizice si chimice in timp;- coeficientul de variație cu temperatura al rezistivității electrice sa fie cat mai mare;- variația rezistivității electrice cu temperatura sa fie cat mai liniara;Dintre materialele care satisfac aceste condiții fac parte: platina, cuprul, nichelul, fierul,

precum si unele aliaje. Platina este utilizata atât la măsurări industriale, cat si la operații de etalonare. Aliajele utilizate la confecționarea termorezistentelor sunt: constantanul, manganin, bronzul fosforos, etc.

Din punct de vedere constructiv, termorezistentele se prezintă sub forma de fire sau benzi, care se înfășoară pe un suport special. Materialul suportului trebuie sa fie termostabil si sa aibă o rezistenta mecanica ridicata. Pentru temperaturi mari se folosesc suporturi din cuarț si porțelan, iar pentru temperaturi joase (sub 150°C) se folosește mica si conductoare de legătura din cupru. La temperaturi mari se folosesc conductoare de legătura din materiale termorezistente, iar pentru operații de etalonare se folosesc conductoare de legătura din platina.

In ultimul timp, o larga utilizare au capotat traductoarele termorezistive care folosesc semiconductoare. Acestea se numesc termistore. Materialul de baza utilizat in fabricarea termistoarelor este un oxid sau un amestec de oxizi de metale cu proprietatea semiconductoare (titan, vanadiu, mangan, fier, tungsten, uraniu). Alegerea acestor materiale este determinata de valoarea rezistivității, de coeficientul de variație cu temperatura al rezistentei electrice, de stabilitatea in timp a parametrilor si de temperatura maxima de utilizare. După purificare si măcinare, amestecul este presat cu un adaos de liant in diferite forme. Aceste forme sunt introduse in cuptor la temperaturi înalte, in vederea realizării concentrației dorite in oxigen. După scoaterea din cuptor se sudează legăturile exterioare.

Formele constructive ale termistoarelor sunt foarte variate: plăcute, baghete, discuri sau sfere la care sunt sudate firele de legătura.

Avantajele principale pe care le prezintă termistoarele in comparație cu termorezistentele sunt:

- valoarea mare a coeficientului de variație cu temperatura a rezistentei electrice, care poate ajunge pana la 3% pe °C. Acest factor determina sensibilitatea mare a termistoarelor;

- rezistivitatea mare a semiconductoarelor permite construirea de traductoare cu o rezistenta ohmica mare. Acest fapt face posibila utilizarea termistoarelor pentru măsurări la distanta, deoarece se poate neglija influenta rezistentei mult mai mici a conductoarelor de legătura;

- deoarece termistoarele se pot confecționa cu dimensiuni reduse, inerția termica si influenta termistorului asupra câmpului de temperatura sunt neglijabile.

Totuși, termistoarele prezinta un mare dezavantaj prin faptul ca nu se pot executa cu tolerante reduse.

Datorita sensibilitatii mari si datorita valorii negative a coeficientului de variatie cu temperatura al rezistentei, termistoarele se utilizeaza si pentru compensarea variatiei unor rezistente cu temperatura (de exemplu, in scheme electronice cu tranzistoare).

Pirometrele de radiatiePentru masurarea temperaturilor inalte nu pot fi utilizate traductoarele in contact cu

mediul respectiv, datorita coroziunii materialelor. Astfel, termocuplurile pot fi utilizate la temperaturi peste 1400°C numai daca se folosesc materiale speciale pentru izolatie si pentru termoelectrozi. In mod identic, termorezistentele pot fi utilizate la temperaturi de cel mult 850°C.

11

Masurarea momentului, puterii și temperaturii Din aceste motive, pentru masurarea temperaturilor inalte sunt utilizate traductoare fara contact cu mediul analizat.

Principiul de functionare al pirometrelor de radiatie se bazeaza pe dependenta intre energia radiata de un corp incalzit si temperatura acestuia. Metodele de masurare cu ajutorul pirometrelor de radiatie sunt urmatoarele:

- metoda de masurare a temperaturii utilizand variatia cu temperatura a energiei totale de radiatie;

- metoda de masurare a temperaturii utilizand variatia intensitatii radiatiei monocromatice a corpului negru absolut cu temperatura;

- metoda de masurare a temperaturii utilizand deplasarea maximului intensitatii de radiatie in functie de temperatura.

Avantajul principal al pirometrelor de radiatie consta in faptul ca ele masoara temperatura fara un contact direct cu corpul a carui temperatura se masoara. de asemenea, aceste aparate nu au o limita superioara de temperatura pana la care pot fi utilizate.

In continuare vor fi prezentate doua dintre cele mai noi inventii in domeniul masurarii temperaturii.

Cip-urile de silicon Firma Dallas Semiconductor din S.U.A. a dezvoltat o aplicatie software bazata pe

tehnologia iButton, aplicatie care permite monitorizarea temperaturii prin programarea unor microcip-uri de silicon foarte rezistente la conditiile de mediu agresiv. Aplicarea acestei solutii este diversa: transportul bunurilor perisabile, auditul energetic al cladirilor, determinarea rezistentei termice a peretilor sau a tamplariei cladirilor, industria de termoficare, fabricarea cimentului, industria farmaceutica, depozitarea in conditii optime a rezervelor de sange in spitale etc.

In cazul transporturilor de bunuri perisabile, de exemplu, beneficiarul are posibilitatea de a verifica, la livrare, temperatura la care s-au transportat bunurile. Beneficiarul poate verifica pe loc daca temperatura a depasit valorile prag stabilite, iar daca acest lucru s-a intamplat, are un motiv solid de a refuza transportul.

Microinregistratorul de temperatura este un dispozitiv revolutionar, cu dimensiuni reduse. Intr-o armura de otel inoxidabil, un singur cip de silicon integreaza un transmitator/receptor, un termometru digital, un ceas/calendar, o baterie de litiu si o memorie nonvolatila, cip-ul avand o adresa globala unica pe 64 de biti. Protectia solida ii permite sa functioneze in conditii de mediu agresiv: loviri, praf, apa, etc.

Caracteristicile tehnice ale microinregistratorului de temperatura:1. Are un termometru digital care masoara temperaturi cuprinse intre -40°C si +85°C;2. Precizia masuratorilor este de +/- 1 °C;3. Inregistreaza pana la 2048 masuratori consecutive ale temperaturii in memoria read-only;

12

Masurarea momentului, puterii și temperaturii 4. Se activeaza automat si masoara temperatura la intervale intre 1 si 255 minute (intervalul la care cip-ul se activeaza si inregistreaza temperatura este stabilit de utilizator);5. Alarme programabile (valori maxime si minime ale temperaturii);6. Inregistreaza momentele in care temperatura depaseste valorile lilita stabilite;7. Integreaza un ceas/calendar digital;8. Se asigura integritatea datelor prin protocoale cu detectie si corectie de erori la scriere/citire.

Cip-ul poate fi configurat si interogat cu ajutorul unui calculator de tip PC. Cu ajutorul acestei aplicatii software, utilizatorul programeaza modul de lucru al microcip-ului, urmand pasii urmatori:1. Utilizatorul stabileste momentul in care cip-ul va incepe masurarea temperaturii;2. Cip-ul se “trezeste” automat si masoara temperatura la intervale programabile de catre utilizator;3. Inregistreaza pana la 2048 temperaturi consecutive in memorie, dupa care utilizatorul stabileste daca viitoarele date se vor scrie peste cele existente sau procesul se opreste;4. Inregistreaza momentul si durata in care temperatura a depasit valorile critice prestabilite de utilizator;5. Dupa terminarea misiunii, datele arhivate in memoria cip-ului pot fi descarcate pe PC prin intermediul unei interfate seriale.

Datele obtinute pot fi salvate sau exportate spre diferite aplicatii (MS Office, Star Office, etc).

Monitorizand evolutia temperaturii, cip-ul arhiveaza datele pe perioade lungi de timp si garanteaza acuratetea masuratorilor.

Instrument virtual pentru masurarea temperaturiiUrmarirea variatiilor de temperatura se poate realiza cu ajutorul unui instrument virtual

folosind mediul de programare LabWindows/CVI. In figura de mai jos se prezinta panoul frontal al instrumentului.

Acesta este impartit in cinci zone, fiecare continand butoane, respectiv campuri de afisare. Prima zona de Control arata starea instrumentului, contine butonul de cuplare si LED-ul pentru afisarea starii instrumentului.

Zona Domeniu de temperatura contine doua butoane pentru selectarea limitelor minime si maxime de temperatura intre care se doreste mentinerea acestuia. Sub butoanele rotative se

13

Masurarea momentului, puterii și temperaturii afiseaza valoarea exacta reglata, dar se permite si inscrierea valorilor limita de temperatura. Daca limitele de temperatura sunt depasite se aprind becurile de avertizare Sub limita, respectiv Peste limita. In aceste situatii se da comanda elementului de executie pentru cuplarea sau decuplarea incalzirii incintei unde trebuie controlata temperatura.

Campurile Senzorul 1 si Senzorul 2 sunt identice. Ele permit vizualizarea sub forma grafica a variatiilor de temperatura in timp, detectate de cei doi senzori. Variatiile de temperatura sunt automat salvate in fisiere (Temp1 si Temp2) pentru o eventuala analiza ulterioara. Urmarirea temperaturii se face si cu ajutorul unor termometre numerice, iar valoarea exacta apare si in cele doua afisoare numerice.

Ultima zona contine butoane pentru controlul instrumentului si al panoului. Butonul de Start porneste masurarea, selectarea seriala a canalelor, conversia si achizitia datelor, respectiv afisarea temperaturii actuale. Dupa pornire, butonul se transforma intr-unul de oprire (Stop). Prin apasare repetata se suspenda masurarea si afisarea datelor. Printr-o noua actionare se reiau masuratorile.

In final, butonul Quit permite iesirea din program, dar nu inaintea opririi masuratorilor si decuplarea instrumentului.

Bibliografie:1. Dordea R., Nitu C. – “Aparate si metode de masurat si control”, Editura Didactica si

Pedagogica, Bucuresti, 19762. www.fizica.unibuc.ro 3. Katalin Agoston – “Instrument virtual pentru masurarea temperaturii”, Conferinta

Nationala de Instrumentatie Virtuala, Bucuresti, 20054. www.scada.ro 5. www.amco-otopeni.ro 6. www.bsun.org

14