MĂSURAREA TEMPERATURII

Aparatura pentru măsurarea temperaturii se bazează, pe diferite efecte fizice, determinate de variaţia temperaturii, cum sunt: dilatarea corpurilor solide si a fluidelor, variaţia rezistentei electrice, apariţia t.e.m. la joncţiunea a doua metale, variaţia intensităţii radiaţiilor emise, etc.

Practic cele mai răspândite mijloace de măsurare a temperaturii sunt: termometrele cu lichid, termometrele manometrice, termometrele bimetalice, termorezistoarele metalice, termistoarele, termocuplurile, pirometrele de radiaţii si termometrele cu cuarţ.

1. Termometrul cu lichid

Serveşte la măsurarea temperaturii prin contact.

Principiul de funcţionare se bazează pe dilatarea lichidului termometrie sub acţiunea căldurii, conform legii;

V2=V1(l+α θ).

in care: V1 si V2 - sunt volumele lichidului la temperaturile θ1 si θ2;

α - este coeficientul mediu aparent de dilatare in volum a lichidului in intervalul de temperaturi θ = θ1 - θ2 (acest coeficient este aparent, deoarece tine seama de coeficientul de dilatare in volum a sticlei in acelaşi interval de temperatura θ).

Termometrul cu lichid este constituit, de regula, dintr-un tub capilar din sticla cu secţiunea transversala uniforma, închis la capătul superior si prevăzut cu un rezervor la capătul inferior, in care se afla lichidul termometric.

Lichidele termometrice sunt: mercurul (singurul metal in stare lichida la temperatura ambientala, cu limite de utilizare intre -35°C si 300°C), mercurul sub presiune (-35°C ... 800°C), alcoolul etilic 96% (-110°C ... 70°C), pentan tehnic (- 200°C ... 20°C), aliaj de galiu (0°C ... 1050 0C) si altele.

2. Termometrul manometric Se compune dintr-un tub capilar 1 care permite racordarea (la distanta) a rezervorului 2, un tub Bourdon 3, im sistem de pârghii 4, un ac indicator 5 si o scala 6, gradata direct in unităţi de temperatura. Rezervorul 2 se umple cu diferite substanţe si se imersează in mediul a cărei temperatura se măsoară. Volumul fluidului din rezervorul 2 este constant. Daca temperatura mediului in care este imersat rezervorul 2, creste, conform ecuaţiei transformării la volum constant: P1=T1, P2 T2

rezulta ca si presiunea creste cea ce face ca prin sistemul de pârghii 4 sa fie acţionat acul 5.

Ca fluide termometrice se folosesc ; lichide (mercur, alcool, xilen, hexan), vapori (etan si propan, clorura de etil, butan, apa, alcool etilic, toluen, acilina) sau gaz (azot la presiune iniţiala de 20 - 50 daN/cm2, argon, bioxid de carbon). Domeniul de măsurare este intre -55°C si 600°C. 3. Termometrul bimetalic Este constituit din doua lame metalice (reunite prin presare, lipire, laminare, etc.) care au coeficienţi de dilatare liniara diferiţi si la care, prin încălzire sau răcire, dilatarea inegala a lamelelor produce încovoierea bimetalului intr-un sens sau altul. Acela mai răspândite bimetale utilizate m construcţia termometrelor sunt in forma de spirala plana, elice simpla si elice multipla coaxiala.

a) lamelara b) spirala plana c) elice simpla d) elice multipla coaxiala

a) b) c)

d)

4.Tennorezistoare metalice Se bazează, pe variaţia rezistivităţii metalelor cu temperatura. Ele sunt alcătuite din: termorezistenta (firul metalic calibrat) teaca de protecţie, cutia de conexiuni, firele de legătura intre cutia de borne si elementul sensibil (termorezistenta) si dispozitivul electric de indicare (logometre, punţi). Aceste termometre permit indicarea sau înregistrarea valorii temperaturii locale sau la distanta, cu o precizie de 0,1 ... l 0C si intr-un timp de răspuns relativ mic. Cele mai răspândite materiale pentru confecţionarea termorezistentelor sunt : platina, nichelul, wolfram si cuprul. In aplicaţii speciale se mai folosesc: iridiul, rodiul, argintul, fierul si tantalul. Platina are temperatura de topire ridicata (1769°C) grad de oxidare foarte redus volatilizare redusa pana la 1000°C, stabilitate in fiuicţionare. Intre zero si 630 0C, rezistenta electrica a platinei variază după ftmcţia: 2 0 1 R R a b In care: Rθ - este rezistenta la temperatura θ; Ro - este rezistenta la temperatura 00C; a si b sunt constante de temperatura (pentru platina pura a = 398. 10 -5 0C si 0,058. 10 -5 0C Pentru temperaturi mai mari de 630°C relaţiei i se aduc corecturi, practic neesenţiale. Domeniul de măsurare este intre -220°C si 850 °C, iar in construcţii speciale intre – 250 °C si l000 °C.

Nichelul are coeficientul de temperatura α, relativ mare (α = 615 ...626. 10 -5 0C) si care este aproximativ constant pana la temperatura de 350°C după care, variaţia rezistentei cu temperatura devine nelmiara. Nichelul se oxidează la temperature ridicate; din acest motiv domeniul de utilizare a termorezistentelor din nichel este de maxim 1800C . Wolframul se utilizează in special pentru termorezistoare cu domeniul de măsurare peste 1000°C, având avantajul unei varietăţi liniare a rezistivitătii cu temperatura. Peste 600°C, wolframul prezint fenomenul de volatilizare, ceea ce presupune instabilitatea indicaţiilor tennometrului. Totuşi, datorita rezistentei mecanice foarte mari, el poate fi utilizat sub forma de fir subţire (10 ... 15 mm) pentru măsurarea temperaturii curenţilor de gaze cu viteza ridicata, a variaţiilor foarte rapide de temperatura, inerţia termica a firului fiind practic nula, realizându-se astfel im timp de răspuns redus. Cuprul este mai puţin utilizat din cauza oxidării lui accentuate la temperaturi peste 200°C. Termorezistentele din cupru sunt sub forma de sarma, acoperite cu 1g de bachelita, fiind utilizate in intervalul de temperatura -50°C ... 180°C. Alte materiale pentru elemente sensibile, utilizate la temperaturi peste 1000 0C sunt oxizii greu fuzibili, cu coeficientul de temperatura negativ.

5. Termistoare – (la care R scade cu temperatura) Sunt dispozitive semiconductoare, a căror rezistenta variază sensibil cu temperatura, după o relaţie exponenţiala: 0 a R R e unde exponentul a are valoarea a = b(1/Tθ-1/T0). In aceste relaţii, b este o constanta caracteristica a termistorului cuprinsa intre 2500 K si 5000 K (pentru termistoare cu domeniul de utilizare pana la 300 0C) si intre 6000 K si 13000 K (pentru termistoare refractare); e - baza logaritmului natural; R0 - rezistenta termistorului la temperatura T0; Rθ - rezistenta termistorului la temperatura de măsurat Tθ, in care θ = T0- 273,15. Coeficientul de temperatura al termistorului rezulta: 0 2 0 0 0 1 dR b R dT T Majoritatea termistoarelor au coeficientul de temperatura negativ fiind confecţionate din oxizi de nichel, mangan, cobalt, fier, magneziu, titan si alte metale smtetizate la temperaturi peste l000 0C, in forma de disc, şaiba, mărgea sau cilindric. Pe acestea se aplica prin metalizare electrozi, la care se lipesc firele de conexiune, apoi se acoperă cu lac si se închid in capsule metalice sau sticla.

Din caracteristica tensiune U - curent I, rezulta ca la o anumita tensiune Uo, curentul I creste cu temperatura, deci rezistenta termistorului scade cu atât mai mult cu cat temperatura sa este mai ridicata.

In termometrie sunt utilizate numai porţiunile liniare din caracteristici, deci cele pentru care, la variaţii ale tensiunii U, rezistenta termistorului ramane constanta (R = U /I constanta) când temperatura mediului se menţine constanta. Un avantaj al termistoarelor îl constituie faptul ca, in scheme, rezistenta conductoarelor de alimentare este neglijabila fata de rezistenta termistorului

Punte simpla pentru măsurarea temperaturii, cu amplificarea tensiunii de dezechilibru. Rθ - termistor activ, f(temperatura) Rθ2 - termistor de referinţa – sunt cunoscute, R1 si R2 - rezistente reglabile si cunoscute, A - amplificator operaţional; G - galvanometru gradat in unităţi de temperatura.

Deşi termistorele au o mare sensibilitate, timp de răspuns foarte mic, dimensiuni de gabarit reduse, preţ de cost scăzut, totuşi, ele nu s-au răspândit din cauza intervalului de măsurare limitat (intre -100°C si 300°C).

Demonstraţie

R1, R2 –fixe si ct, R3 – reglabila si constanta, G – galvanometru (măsoară curenţi foarte mici), Se reglează R3 pana când curentul prin G este zero! Teorema a-II-a Kirchoff – suma tensiunilor=suma căderilor de tensiune: 0= - R1I2+RtI1 Rt=R4 (sensul de parcurgere al ochiurilor electrice este arbitrar). 0= - RtI1+ R1I2 0= R1I2 - RtI1 0= R2I2-R3I1 R1I2=RtI1 -R2I2= -R3I1 Rt=R1R3/R2

6. Termocupluri. Termocuplul este un dispozitiv care se bazează pe efectul termoelectric si care este constituit din doua fire din metale sau aliaje diferite, sudate intre ele.

Efectul termoelectnc, sau efectul Secbek(1822), se enunţa astfel : intr-un circuit închis format din doua sau mai multe conductoare cu proprietăţi fizico - chimice diferite, ia naştere un current

electric, daca cel puţin doua puncte de legătura au temperatun diferite. 1 - punct de sudura, aflat la temperatura ce se măsoară: joncţiune de măsura. 2 - termoelectrozi. 3 - conector pentru capetele reci ale termocuplului. 4 - conductoare de legătura. 5 - joncţiune de referinţa. 6 - aparat de măsura. 5 si 6 - sistem de indicare a temperaturii. Demonstraţie: Termocuplul reprezintă un generator electric care produce o tensiune termoelectromotoare (t.t.e.m) , cuplu de 2 metale diferite sudate la capăt, punct de sudura calda pentru ca este supus temperaturii t. Metodele au proprietatea ca in urma încălzirii sa apăra electroni liberi. Prin încălzire se înţelege ca energia termica se transforma in energie cinetica a electronilor care înving forţa de atracţie a nucleului si astfel devin liberi, atomul devin ion pozitiv

Ambele metode pierd electroni in punctul t dar număr diferit. Ambele se încărca pozitiv dar un metal este mai electropozitiv decât celalalt. Apare in punctul t, o diferenţa de potenţial electrica numita tensiune electromotoare E, care este direct proporţionala cu temperatura t care se măsoară in (mV) gradat in 0C. Principalele avantaje ale termocuplurilor sunt: domeniul de măsurare larg (intre -265°C si 900°C, chiar 2300°C), erori de măsurare reduse, posibilitatea înregistrării continue a variaţiei temperaturii in timpul desfăşurării procesului tehnologic, interschimbabilitatea.

Tipul termocuplului

Sensibilitate[mV 0C-1]

Domeniul de măsurare [ 0C]

Proprietăţi

min max min maxWolfram -W74N26

0.002 0.021 0 +2300 Preţ de cost ridicat, casant, manipulare greoaie.

Pt 70Rh30 - Pt94Rh6

0.0006 0.0011 0 +1900 Liniaritate buna peste 1000°C

Ft 90Rh 10 - Platina

0.005 0.0012 0 +1750 Timp de răspuns mic, dimensiuni reduse, costisitor.

Pt87Rh 13- Platina

0.005 0.0014 0 +1700 Timp de răspuns mic,

dimensiuni reduse, costisitor.

Cromel - Alumel

0.016 0.043 -190 +1400 Cea mai bima liniaritate. Relativ costisitor.

Cromel - Constantan

0.027 0.075 -200 +1000 Stabilitate in timp relativ mica. Cea mai mare sensibilitate.

Fier-Constantan

0.025 0.063 -200 +780 Cel mai ieftin.

Cupru - Constantan

0.014 0.0163 -190 +400 Rezistent la umiditate.

Cupru - Aur si Cobalt

0.001 0.045 -265 0 Preţ de cost ridicat. Sensibilitate buna sub -100°C

Termocuplurile se inchid in diverse tipuri de învelişuri protectoare: teci, carcase, iar cele pentru temperaturi mai ridicate sunt introduse in tuburi din ceramica acoperite cu manta metalica. Aşezarea joncţiunii de măsura (sudura) trebuie sa se facă astfel incat sa fie asigurata transmisia de căldura optima intre corpul a cărui temperatura se măsoară si joncţiune de măsura. In acest sens, corpul activ al tennocuplului se fixează pe corpul încărcat prin diferite procedee : cimentare, sudare, presare, lipire etc. Pentru măsurarea temperaturii gazelor se utilizează termocupluri de aspiraţie prevăzute cu un canal prin care circula forţat gazul fierbinte, spălând joncţiunea de măsura a tennocuplului; aceste termocupluri pot fi prevăzute cu circuite de răcire cu apa.

Montaje pentru măsurarea temperaturii cu termocupluri

a)

Masurarea temperaturii medii θ=1/n Σθi indicate de aparatul de masura A.

b) măsurarea temperaturii θ cu doua aparate : A1 indicator si A2 înregistrator

7. Pirometru ontic.

Principiul de funcţionare a pirometrelor optice cu dispariţia filamentului se bazează pe comparaţia intensităţii luminoase a corpului căruia i se măsoară temperatura cu intensitatea luminoasa a unei lămpi pirometrice la care este cuplat in aparat de măsura (ampermetru sau milivoltmetru) gradat direct in grade. In funcţie de intensitatea curentului trecut prin lampa pirometrica sau a căderii de tensiune se determina, după o anumita lege bine stabilita, temperatura corpului. Pe fondul luminos al corpului a cărui temperatura se măsoară, se vede imaginea filamentului lămpii 2. Filtru roşu 5 lasă sa treacă numai lumina roşie pentru a compara culoarea corpului cu a filamentului. Se reglează intensitatea curentului electric ce trece prin filament cu ajutorul reostatului 3 pana când nu se mai vede filamentul, moment in care temperatura filamentului este egala cu cea a corpului, valoare ce se citeşte pe aparatul 1. Daca intensitatea luminoasa este mica nu se foloseşte sticla opaca 7. La intensităţi luminoase mari, pentru a proteja filamentul lămpii 2, se introduce sticla opaca 7 si in acest caz in momentul dispariţiei filamentului se va citi temperatura pe a doua banda de măsurare a aparatului 1. Cele doua benzi ale aparatului 1 sunt: 800 0C - 1400°C si 1200°C - 2000°C.

1 - aparat indicator

2 - lampa

pirometrica

3 - reostat4 - baterie5 - filtru

roşu6 -ocular7 - sticla

opaca8 - obiectiv