Senzori de temperatura

16
Senzori de temperatura Preluarea de catre om a informatiilor din lumea inconjuratoare s-a bazat, initial, pe cele cinci organe de simt. Prin originea latina a cuvantului, senzorii ne conduc la semnificatia de a o percepe, a simti si a distinge prin intermediul simturilor umane: vederea (senzori optici), mirosul ( senzori de gaze si umiditate) , auzul ( senzori acustici si de presiune), pipaitul ( senzori termici si de presiune), gustul ( senzori de compozitii chimice). In prezent, omul nu se mai bazeaza numai pe propriile sale organe de simt, domeniul functiilor sale senzoriale fiind in continua crestere datorita dezvoltarii diferitelor tipuri de senzori, destinati masurarii si analizarii diverselor fenomene. Analiza princiipilor de realizare si a caracteristicilor senzorilor are la baza examinarea marimilor m care se pot extrage de la fenomenul supus masurarii. Utilizand principiile termodinamicii, se arata ca exista marimi: - Extensive (masa, sarcina electrica. Polarizarea electrica si magnetica) - Intensive (potentialul electric si chimic, temperatura absoluta, campul electric si megnetic). Fiecare marime extensiva are un corespondent in randul celor intensive, iar produsul lor reprezinta energia reversibila inmagazinata in material. SENZORUL converteste marimea de masurat intr-o alta marime ale carei variatii urmaresc fidel variatiile marimii de masurat. El efectueaza transformarea analogica sau digitala a marimii de masurat intr-o marime fizica de aceeasi natura sau de natura diferita, avand insa calitatea importanta de a fi mai usor masurabila. Diversitatea necesitatilor de masurare, consecinta a constrangerilor metrologice, economice sau operatorii, impun existenta, pentru acelasi masurand, a unor tipuri de conversi variate. O clasificare sumara a diferitelor tipuri de senzori se poate realiza in functie de natura marimii de iesire s(m). Astfel,senzorul poate fi modelat prin:

description

referat

Transcript of Senzori de temperatura

Senzori de temperatura

Preluarea de catre om a informatiilor din lumea inconjuratoare s-a bazat, initial, pe cele cinci organe de simt. Prin originea latina a cuvantului, senzorii ne conduc la semnificatia de a o percepe, a simti si a distinge prin intermediul simturilor umane: vederea (senzori optici), mirosul ( senzori de gaze si umiditate) , auzul ( senzori acustici si de presiune), pipaitul ( senzori termici si de presiune), gustul ( senzori de compozitii chimice). In prezent, omul nu se mai bazeaza numai pe propriile sale organe de simt, domeniul functiilor sale senzoriale fiind in continua crestere datorita dezvoltarii diferitelor tipuri de senzori, destinati masurarii si analizarii diverselor fenomene.

Analiza princiipilor de realizare si a caracteristicilor senzorilor are la baza examinarea marimilor m care se pot extrage de la fenomenul supus masurarii.Utilizand principiile termodinamicii, se arata ca exista marimi: - Extensive (masa, sarcina electrica. Polarizarea electrica si magnetica) - Intensive (potentialul electric si chimic, temperatura absoluta, campul electric si megnetic).

Fiecare marime extensiva are un corespondent in randul celor intensive, iar produsul lor reprezinta energia reversibila inmagazinata in material.

SENZORUL converteste marimea de masurat intr-o alta marime ale carei variatii urmaresc fidel variatiile marimii de masurat. El efectueaza transformarea analogica sau digitala a marimii de masurat intr-o marime fizica de aceeasi natura sau de natura diferita, avand insa calitatea importanta de a fi mai usor masurabila. Diversitatea necesitatilor de masurare, consecinta a constrangerilor metrologice, economice sau operatorii, impun existenta, pentru acelasi masurand, a unor tipuri de conversi variate. 

O clasificare sumara a diferitelor tipuri de senzori se poate realiza in functie de natura marimii de iesire s(m). Astfel,senzorul poate fi modelat prin:- impedanta (R, L, C ) – senzor pasiv (parametric);- sursa de energie – senzor activ ( generator).

Senzorul generator furnizeaza la iesire un semnal electric.Senzorul parametric isi variaza impedanta sub actiunea masurandului si are nevoie de o sursa exterioara de energie pentru extragerea unui semnal electric util a fi transmis de-a lungul lantului de masurare. Ansamblul senzor pasiv- sursa de alimantare este cel care creeaza semnalul electric ale carui caracteristici (amplitudine, frecventa) trebuie legat de cele ale marimii de intrare.Traductorul este dispozitivul care face ca unei marimi de intrare sa ii corespunda, conform unei legi determinate, o marime de iesire. Exemple: transformatorul de masurare, termoelementul, electrodul de pH etc. Traductorul poate avea in structura sa unul sau mai multi senzori, capabili de a efectua

conversia marimii de masurat intr-o alta marime ce prezinta calitatea de a fi usor masurabila.

Senzori de temperatura

Acesti senzori de temperatura folosesc elemente

Sensibile si rezistente, de platina situate in tuburi capilare.

Temperatura aerului

Temperatura si umiditatea relativa a aerului Acest senzor combinat "doi intr-unul" contine un senzor pentru temperatura si unul pentru umiditate relativa a aerului, integrati intr-un “adapost meteorologic” de inalta calitate. Acesta foloseste principiul convectiei naturale pentru a minimiza efectele soarelui si ale radiatiei pamintului. Senzorul este usor de instalat si se poate monta la orice inaltime, in functie de aplicatia data.

Umectarea frunzelor Acest senzor este esential in aplicatiile ce se refera la protectia plantelor. El simuleaza umectarea frunzelor provenita atit din precipitatii, cit si din roua. Senzorul functioneaza pe principul conductivitatii electrice a apei, masurind in 10 trepte gradul de umectare a frunzei, de la complet uscat la total umed. Suprafata senzorului este de 30 x 40 mm si este montat pe un suport care-i da

o flexibilitate deosebita la instalare, putind fi instalat in interiorul coroanei vegetale a plantelor.

Senzori umiditate

Acest senzor combină măsurarea precisă a temperaturii şi umiditatii cu flexibilitate. Este foarte uşor pentru a configura senzorul de umiditate în diferite moduri (hardware / software).Temperatura şi umiditatea sunt măsurate standard. Opţional ieşiri pentru valorile calculate după cum urmează: temperatura punctului de roua, temperatura in mediu umed, umiditatea absolută şi raportul de amestecare sunt posibile (Calculat prin microprocesor intern).

Acest senzor combină măsurarea precisă a temperatură şi umiditatii cu senzor de vârf detaşabil, utilizate în principal pentru montare pe perete. unde  monitorizarea precisă a condiţiilor de ambiantă este de este necesara: agricole, fabricarea de microelectronică, fabricarea de produse farmaceutice, laboratoare , depozitare industriale, etc

Masurarea umiditatii, poate fi realizata prin masurarea: diferentei de temperatura, modificarii capacitatii (cu ajutorul higristoarelor), sau a modificarii rezistentei.

Punctul de roua  Temperatura la care umiditatea incepe sa se formeze pe o suprafata, şi indica saturarea in proportie de 100% a aerului cu umiditate.Umiditatea absoluta  Exprima o masura reala a cantitatii de vapori de apa in aer.Umiditatea relativa - Procentul de umiditate in aer comparat cu o cantitate anterioara pe care o poate contine aerul.

 

 Figura 1.9. - Schema electrica de utilizare

Traductorul realizat masoara umiditatea relativa 0÷100 %. Schema electrica contine un amplificator diferential realizat cu circuitul LM308 şi genereaza la ieşire o tensiune intre 2.9÷3.9 V

Unitatea electronica are trei funcţii. În primul rând, e surse de alimentare pentru un set de senzori de vânt. Acestesenzori pot fi amplasate până la o distanţă de 1,5 km.in al doilea rând, unitatea include un procesor micro, care mediaza semnalelor digitale diferenţiale de senzori de vânt în intervale pre-stabilite .  Toate intrările pentru senzori de vânt sunt izolate optic şi unitate electronică este protejata împotriva interferenţelor

Intensitatea si directia vintului

 Ca urmare a constructiei sale senzorul este compact si robust. Senzorul pentru viteza a vintului este de fapt un generator de curent alternativ si un redresor de curent, astfel nemai fiind nevoie de perii si colector; senzorul pentru directia a vintului se bazeaza pe un potentiometru de mare precizie. Cele mai multe parti componente ale senzorului sunt fabricate dintr-un material plastic de inalta rezistenta. Senzorul are o limita de pornire (viteza minima) extrem de scazuta, ca urmare a unor lagare cu autoungere speciale. Este un senzor deosebit de robust bazat pe tehnologie elvetiana.

Un potentiometru este un rezistor variabil care prezinta 3 pini disponibili. Intre doi dintre cei trei pini masuram intotdeauna (indiferent de pozitia cursorului) aceeasi rezistenta. Daca masuram intre cel de-al treilea pin si unul dintre cei doi pini, vom avea o rezistenta variabila care depinde de pozitia cursorului. Astfel, putem folosi un potentiometru cupland sau doar doi din cei trei pini (si atunci obtinem un rezistor variabil), sau putem folosi toti cei 3 pini (obtinand un divizor de tensiune).

Un mod simplu de a determina care dintre pini sunt cei care au intotdeauna aceeasi rezistenta, si care este pinul pe care masuram rezistenta variabila este cu ajutorul unui aparat de masura (multimetru).

  Piranometrul MS-020VM este potrivit pentru masuratori ale radiatiei solare (in

W/m2) in domeniul lungimilor de unda 400 pina la 700 nm. Senzorul are o corectie de cosinus incorporata si asigura o performanta ridicata avind o dependenta de temperatura mai mica de 0,5% intr-o gama de 50 ˚C. Este incapsulat intr-o carcasa protejata la interferente electromagnetice avind o clasa de protectie IP 65. Acest senzor este foarte util pentru calculul evapotranspiratiei

Pluviometrul Rain-O-Matic functioneaza pe principiul unei cupe cu auto-golire. Este un sistem patentat, unic in lume si care asigura o precizie deosebita a masurarii cantitatii de precipitatii. Cupa basculeaza si se goleste automat in momentul in care a acumulat o cantitate exacta, prestabilita de apa. Colectorul de apa este fabricat din Styrosun, un material plastic foarte rezistent la caldura, inghet si radiatii ultraviolete, extrem de rezistent la conditiile dificile ale mediului exterior.

Temperatura solului si temperatura apei

C-Probe, senzor pentru masurarea continutului de apa din sol Senzorul C-Probe este disponibil pentru diferite adincimi (0,5, 1,0, 1,5 si 2,0 metri) si ofera o precizie mai buna de 1% apa din volumul de pamint, in timp ce repetabilitatea este mai buna de � 1%. Pentru a elimina variabilitatea cauzata de factorii inerenti din productie, fiecare senzor este normalizat individual prin preluarea valorilor contoarelor inregistrate in conditii de aer si apa, astfel incit din punct de vedere matematic valorile de iesire ale senzorilor sunt identice in conditii egale de masura. Pentru a obtine rezultate perfecte, normalizarea se face chiar in tubul final in care va fi montat senzorul. Pe de alta parte, pentru a corela valorile de iesire ale senzorului cu continutul de apa din sol, se recomanda o calibrare suplimentara la locul implantarii in functie de tipul solului in care va fi montat senzorul. O ecuatie standard de calibrare este disponibila si ofera coeficientii de corelare pentru o gama larga de tipuri de sol, de la cele nisipoase pina la cele argiloase.

Aquaflex senzor pentru masurarea continutului de apa din solAquaflex este un senzor flexibil care complementeaza oferta ATG disponibila pentru masuratori ale cantitatii de apa din sol. Un avantaj al acestui senzor este acela ca permite masurarea cantitatii de apa in adincimea solului pe intreg profilul acoperit de senzor. Adincimea de masura se intinde pina la 3 metri si pe un diametru de 50 mm in jurul senzorului. Este ideal pentru observarea cantitatii de apa din soluri cultivate sau pajisti la care sunt necesare date despre apa din adincime. O varianta speciala a senzorului ofera si posibilitatea masurarii temperaturii solului, pentru aplicatii care au nevoie si de acest parametru.Partea electronica este turnata intr-un material plastic robust; o data instalat, senzorul Aquaflex nu are nevoie de intretinere si are o durata de viata de pina la 10 ani.

Watermark, senzor pentru masurarea continutului de apa din sol Setul Watermark este constituit din trei senzori de umiditatea solului de tip Watermark, USA si o interfata speciala. Senzorii indica gradul de saracire a solului in apa dind astfel posibilitatea optimizarii irigatiilor. Se asigura in acest fel un maxim de confort pentru plante cu un consum minim de apa. Cei trei senzori pot fi instalati la aceeasi adincime, dar distribuiti pe o suprafata mai mare, sau la diferite adincimi in acelasi loc pentru a putea observa efectul drenajului si al utilizarii de apa in straturile de pamint.

Senzorul de temperatura RCI P 400V a fost special dezvoltat pentru a masura temperatura solului la diverse adincimi. El este incapsulat intr-o tija metalica rezistenta la coroziune care poate fi introdusa in sol pina la adincimea de 30 cm (masuratorea se executa la virful tijei). Senzorul este conform cu clasa de protectie IP65.

Presiunea apei Manometrul de inalta precizie distribuit de ATG este prevazut cu un filet standard de 1/4". Pentru aplicatii care folosesc filete diferite ATG furnizeaza si adaptoare pentru filete de 1/2" sau NPT. Senzorii, de calitate elvetiana, se caracterizeaza printr-o viata indelungata, stabilitate si robustete. Sunt oferiti pentru diferite game de masura.

Nivelul apei Acest senzor de nivel de apa este compensat intern digital si este utilizabil intr-o gama larga de aplicatii. Este echipat cu o cutie de egalizare avind ca scop compensarea presiunii atmosferice. Senzorul are o stabilitate deosebita. El poate rezista la o suprapresiune de aprox. 4 ori presiunea data de capatul de scala. Senzorii sunt oferiti pentru diferite game de masura, de la citeva zeci de cm pina la 10 m.

Senzor de apa pentru puturi de mare adincime Acest senzor este deosebit de util in situatii in care masurarea nivelelor de apa trebuie facuta la mari adincimi (citeva sute de metri), ca de exemplu in puturi de mare adincime. El functioneaza pe principiul transmiterii digitale a datelor: o cutie cu componetele electronice montata la suprafata, asigura pe de o parte comunicatia prin cablu la nivel digital cu senzorul; pe de alta parte converteste valorile digitale si livreaza o valoare analogica catre statia de masura distanta. Senzorul este astfel 100% compatibil cu linia de statii Adcon A7x3. Electronica din cutia de comanda asigura si compensarea valorilor masurate cu presiunea atmosferica.

Conductibilitatea apei Fiind unul dintre cei mai importanti parametri utilizati in industria asigurarii calitatii apei, acest senzor de conductibilitatea apei furnizeaza masuratori de inalta precizie si nu are nevoie de intretinere aproape de loc. El este oferit in

citeva game de masura atit pentru apa potabila cit si apa reziduala. Masurarea conductibilitatii apei se face in curent alternativ sinusoidal cu frecventa de aproximativ 2 kHz. Senzorii sunt calibrati din fabrica si sunt 100% compatibili cu seria de statii de masura Adcon A7x3.

Senzori termoelectrici pentru temperatura

a. Efecte termoelectrice

Fie doua metale A si B sub forma de sarme ale caror capete le unim prin sudura, lipire sau pur si simplu rasucire realizand in acest fel doua jonctiuni 1 si 2. Daca cele doua jonctiuni se mentin la temperaturi diferite T1 T2 atunci prin circuit va circula un curent electric datorita tensiunii electrice generate de diferenta de temperatura dintre cele doua jonctiuni. Intrerupand unul din conductori vom putea masura diferenta de potential generata de diferenta de temperatura dintre cele doua jonctiuni. Acest fenomen a fost pus in evidenta de Seebeck in anul 1821 si poarta numele de efect Seebeck [1]. In tabelul alaturat prezentam valoarea tensiunii termoelectromotoare (t.t.e.m.) U, in milivolti, pentru diverse materiale fata de platina (Pt) atunci cand o jonctiune este mentinuta la 0 oC si cealalta la 100 oC.

Metal

Ag Bi Cu Co Fe Ge Mo Ni Pb Sb Si

U(mV)

0,74

-7,34

0,76

-1,33

1,98

33,9

1,45

-1,48

0,44

4,89

-41,5

Se vede ca cea mai mare t.t.e.m. se poate obtine cu antimoniu (stibiu,Sb) si bismut (Bi) ca termocuplu metalic. Curentul electric circula de la Sb la Bi prin jonctiunea rece. Tensiuni mult mai mari se pot obtine folosind materiale semiconductoare pentru realizarea termocuplului. Metalele se pot ordona intr-o serie : Bi, Pt, Pb, Cu, Ag, Fe, Sb, astfel incat in oricare cuplu realizat curentul va circula in jonctiunea calda de la metalul aflat mai la stanga in serie catre cel aflat mai la dreapta.

In 1834 Peltier a descoperit ca trecand curent electric prin jonctiunea realizata cu doua metale diferite in functie de sensul curentului se absoarbe sau se cedeaza caldura P·q proportionala cu cantitatea de electricitate q ce traverseaza jonctiunea, acesta fiind efectul Peltier.

Coeficientul Peltier P al jonctiunii e definit ca energie termica cedata sau absorbita reversibil la jonctiunea dintre cele doua metale cand aceasta e traversata de cantitatea de electricitate unitate([P]SI = J/C = V).

Explicatie microscopica.Punand impreuna cele doua metale se egaleaza nivelele lor Fermi prin transfer de sarcini electrice. Fiindca energiile cinetice corespunzatoare electronilor aflati in jurul nivelului Fermi (se masoara de la fundul benzii de conductie la nivelul Fermi) difera in cele doua metale atunci cand un electron cu energie cinetica mare traverseaza jonctiunea catre metalul cu energie cinetica mai mica surplusul sau de energie il cedeaza sub forma de energie termica retelei cristaline a metalului. Daca inversam sensul curentului electric electronul cu energie cinetica mai

mica traversand jonctiunea in metalul cu energie cinetica mai mare corespunzatoare nivelului Fermi va absorbi energie termica din reteaua cristalina a acestui metal ca sa isi completeze deficitul de energie cinetica.

In 1851 Thomson (lordul Kelvin) descopera ca intr-un conductor omogen ale carui capete se afla la temperaturi diferite se produce sau se absoarbe in mod reversibil caldura "h× q" proportionala cu cantitatea de electricitate deplasata "q", efectul Thomson [2].

Coeficientul Thomson "h" al unui material reprezinta cantitatea de caldura absorbita sau generata reversibil cand sarcina electrica unitate traverseaza doua puncte din material a caror temperatura difera cu un grad Celsius sau Kelvin ([h]SI = J/(C× K) = V/K, util m V/ oC).

Trebuie precizat clar ca efectul Thomson este altceva decat efectul Joule. In efectul Joule materialul se incalzeste sub actiunea curentului electric, se genereaza caldura in mod ireversibil, indiferent de sensul curentului electric si proportional cu patratul intensitatii lui, iar in efectul Thomson se poate genera sau absorbi caldura in mod reversibil, depinzand de sensul curentului electric si proportional cu intensitatea lui.

Explicatie microscopica. Daca curentul electric circula de la capatul cald al materialului catre cel rece, iar purtatorii mobili de sarcina electrica sunt golurile, sarcini pozitive, atunci golurile "calde" deplasandu-se spre capatul rece transporta o anumita cantitate de caldura suplimentara. Schimband sensul curentului golurile "reci" in deplasarea lor spre capatul cald vor absorbi o anumita cantitate de caldura suplimentara. Daca purtatorii mobili de sarcina electrica sunt electronii, sarcini negative, atunci in primul caz se absoarbe caldura,sensul deplasarii electronilor fiind de la capatul rece spre cel cald, iar in cazul al doilea se genereaza caldura.

Acest model microscopic ne permite sa evaluam coeficientul Thomson. Capacitatea calorica a electronilor de conductie din untatea de volum este:

cv = (p2/2)·(T/TF)·n·kB ,unde:

N – este numarul electronilor din unitatea de volum, TF – temperatura Fermi corespunzatoare energiei cinetice a electronilor aflati

langa nivelul Fermi, kB – constanta Boltzmann si T – temperatura metalului. Capacitatea calorica a unitatii de sarcina electrca va fi:

h = cv/(n·e) = (p2/2)·(T/TF)·kB/e (1)

adica coeficientul Thomson.

Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.) generata de un termocuplu la care o jonctiune este mentinuta la temperatura constanta T0 , temperatura T a celeilalte jonctiuni fiind variabila, variaza cu temperatura dupa legea :

U = a·T 2 + b·T + c (2)

coeficientul Seebeck S fiind:

S = dU/dT = 2·a·T + b, [S]SI = V/K (util m V/oC) (3)

Termocuplul Cu – Fe

U(mV)

0 0,5 1 1,5 1 0,5 0

T(oC) 0 57 135 285

455

513

570

Temperatura la care tensiunea termoelectromotoare U este maxima se numeste temperatura neutra (285 oC), iar cea la care sensul t.t.e.m. isi schimba semnul se numeste temperatura de inversiune (570 oC).

Pentru majoritatea metalelor graficul coeficientului Seebeck in functie de temperatura este o linie dreapta. Pentru fier diagrama contine o serie de trepte paralele, temperaturile asociate punctelor de inflexiune de pe grafic corespunzand temperaturilor critice ale tranzitiilor de faza ale fierului.

Efectul Seebeck are trei cauze care se reflecta in coeficientul Seebeck :

S = Sv+Sc+Sf (4)

Sv - componenta volumica a coeficientului Seebeck, datorata difuziei preponderente a purtatorilor mobili de sarcina electrica de la extremitatea calda spre cea rece;

Sc - componenta de contact a coeficientului Seebeck, datorata variatiei potentialului de contact cu temperatura, legat de dependenta de temperatura a potentialului chimic (nivelului Fermi F)

Sc = - (1/e) dF/dT (5)

Sf - componenta fononica a coeficientului Seebeck, datorata antrenarii electronilor de conductie de catre fononii (vibratiile retelei cristaline) care se deplaseaza de la extremitatea calda spre cea rece (importanta doar la temperaturi joase, criogenice).

Primul principiu al termodinamicii aplicat efectului termoelectric (conservarea energiei): Lucrul mecanic efectuat asupra sarcinii electrice "q" deplasate in circuitul inchis format de cele doua metale A si B prin diferenta de potential termoelectric U [q× U] este egal cu suma algebrica a caldurilor schimbate de sistem cu mediul la nivelul jonctiunilor 1 si 2 prin efect Peltier [q× P1-q× P2] si pe lungimea fiecarui conductor prin efect Tomson [q×? (hB-hA)× dT]:

q× U = q× P1-q× P2+ q×? (hB-hA)× dT (6)

Derivand relatia dupa temperatura obtinem:

S = hB-hA+dP/dT (7)

Fiind un ciclu termodinamic inchis pe care il parcurge sarcina "q" in drumul ei prin circuit al doilea principiu al termodinamicii ne spune ca variatia entropiei (caldura impartita la temperatura dQ/T) este zero :

q× P1/T1-q× P2/T2 + q×? (hB/T- hA/T)× dT = 0 (8)

Derivand relatia dupa temperatura obtinem:

d(P/T)/dT=(hA-hB)/T sau hA-hB = T× d(P/T)/dT (9)

care inlocuita in relatia primului principiu da:

S = P/T sau P = S× T (10)

Aceasta relatie folosita pentru eliminarea coeficientului Peltier din relatia corespunzatoare principiului doi da :

hA-hB = T× dS/dT sau hA-hB = T× d 2U/dT 2 (11)

Relatiile de baza ale coeficientilor efectelor termoelectrice sunt:

P = S× T si h = T× dS/dT (12)

Ele ne permit evaluarea coeficientului Seebeck pentru metale stiind coeficientul Thomson h=(p2/2)× (T/TF)× kB/e:

S = ? (h/T)× dT= h (13)