senzori si traductoare. termocuplu

30
UNIVERSITATEA “ŞTEFAN CEL MARE” SUCEAVA FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ SPECIALIZAREA INGINERIE ECONOMICĂ -Proiect- Tip senzor:TERMOCUPLU Student : Giurcă Ionuţ Îndrumător : Conf. univ. dr. ing. Dan Milici 1

description

despre termocuplu, constructie tipuri calcule

Transcript of senzori si traductoare. termocuplu

Page 1: senzori si traductoare. termocuplu

UNIVERSITATEA “ŞTEFAN CEL MARE” SUCEAVA

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ

SPECIALIZAREA INGINERIE ECONOMICĂ

-Proiect-

Tip senzor:TERMOCUPLU

Student : Giurcă Ionuţ

Îndrumător : Conf. univ. dr. ing. Dan Milici

1

Page 2: senzori si traductoare. termocuplu

Cuprins:

1. Tema de proiectare pag. 1

2. Generalitati despre termocuplu pag. 4

3. Schema bloc a traductorului pag. 9

4. Proiectarea blocurilor componente pag. 10

4.1 Alegerea senzorului pag. 10

4.2 Proiectarea circuitului amplificator pag. 11

4.3 Proiectarea circuitului afisor pag. 14

4.4 Proiectarea sursei de alimentare pag. 16

5. Instructiuni de montaj si exploaltare pag. 17

6. Schema electrica pag. 18

6. Bibliografie pag. 18

2

Page 3: senzori si traductoare. termocuplu

1.Tema de proiectare:

Sa se proiecteze un termometru industrial care sa afişeze temperatura digital si sa

genereze un semnal de tip tensiune proporţional cu temperatura măsurata.

Date de proiectare:

traductor de temperatura;

tip senzor: termocuplu;

temperatura maxima [C]: 120;

temperatura minima [C]: 0;

eroarea maxima: 1%

tensiunea de ieşire maxima [V]: 2;

tensiunea de ieşire minima [V]: 1;

mediul de măsura : vas cu apa;

3

Page 4: senzori si traductoare. termocuplu

2.Generalitati despre termocuplu

Principiul functionare:

Materialele care puse împreună manifestă efect Seebeck formează un termocuplu.

Într-un fir metalic ale cărui capete se află la temperaturi diferite TA>TB apare o diferenţă

de potenţial electric UAB cauzată de faptul că electronii de conducţie din capătul cu

temperatura mai mare au o energie cinetică mai mare şi vor difuza către capătul mai rece.

În acest fel capătul cald se va încărca pozitiv, iar capătul rece al firului se va încărca

negativ. De remercat că în cazul în care purtătorii mobili de sarcină sunt golurile, sarcini

pozitive, atunci capătul cald se încarcă negativ, iar cel rece pozitiv. Din această cauză

efectul termoelectric sau efectul Seebeck este folosit pentru determinarea tipului de

purtători de sarcină liberi dintr-un semiconductor.

Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.) care apare UAB este direct

proporţională cu diferenţa de temperatură dintre capetele firului:

UAB = VA – VB = S·( TA – TB ), unde S este coeficientul Seebeck, o proprietate a

materialului din care este făcut firul.

În aplicaţiile practice este necesară cunoaşterea următoarelor trei legi referitoare la

utilizarea fenomenelor termoelectrice [3] pentru măsurarea temperaturii: legea circuitului

omogen, legea metalelor intermediare, legea temperaturilor succesive.

1. Legea circuitului omogen. Într-un circuit constituit dintr-un singur metal omogen

nu se poate produce un curent electric numai prin crearea unei diferenţe de

temperatură în circuit. Această lege se mai poate formula astfel: suma algebrică a

forţei electromotoare într-un circuit constituit dintr-un singur metal omogen, cu

sau fără variaţii de secţiune şi temperatură, este zero. Rezultă că în cazul unui

circuit compus din două metale diferite omogene, cu punctele de sudură la

4

Page 5: senzori si traductoare. termocuplu

temperaturile T1 şi T2 ,diferite, tensiunea electromotoare nu depinde de

distribuţia şi gradientul de temperatură în lungul circuitului.

2. Legea metalelor intermediare. Suma algebrică a tensiunii termoelectromotoare

într-un circuit compus dintr-un număr oarecare de metale omogene şi diferite este

egală cu zero dacă întreg circuitul se află la aceeaşi temperatură. Rezultă că

tensiunea termoelectromotoare a unui circuit compus dintr-un număr de metale

diferite se obţine din suma algebrică a tensiunilor termoelectromotoare

corespunzătoare fiecărui metal faţă de un metal de referinţă. În consecinţă, când

se constituie un termocuplu sudura se poate realiza fie prin sudare directă, fie prin

lipire cu un metal oarecare, care să nu se topească până la temperatura de

utilizare, deoarece elementele componente ale sudurii se găsesc la aceeaşi

temperatură. Din acelaşi motiv când se măsoară temperatura unei băi de metal

topit, conductoarele metalice constituind sudura caldă a termocuplului pot fi

izolate electric între ele. În momentul măsurării prin imersare, metalul topit din

baie realizează contactul electric jucând rolul de metal de lipire a conductoarelor.

Introducând un al treilea conductor în circuitul unui termocuplu, forţa

termoelectromotoare nu se modifică dacă ambele capete ale celui de-al treilea

conductor se găsesc la aceeaşi temperatură.

3. Legea temperaturilor succesive sau intermediare. Tensiunea termoelectromotoare

produsă de un termocuplu alcătuit din metale omogene cu punctele sale de sudură

la temperaturile T1 şi T3 este egală cu suma tensiunilor termoelectromotoare ale

aceluiaşi termocuplu cu punctele de sudură o dată la temperaturile T1 şi T2 şi o

dată la temperaturile T2 şi T3. Această lege îşi găseşte aplicaţii în utilizarea

practică a termocuplurilor.

Termocuplul se compune din două fire din metale diferite, numite termoelectrozi,

sudate la un capăt 1. Capătul sudat se numeşte sudură caldă, iar celelalte capete 2 şi 3,

numite capete libere ale termocuplului, se leagă prin conductoarele de legătură la aparatul

electric pentru măsurarea forţei termoelectromotoare. Legăturile dintre capetele libere şi

5

Page 6: senzori si traductoare. termocuplu

conductoarele de legătură constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie

menţinută la o valoare constantă.

Deoarece termoelectrozii au o lungime maximă de 200 cm, din care două treimi intră

în cuptorul în care se măsoară temperatura, sudura rece se va găsi totdeauna în apropierea

cuptorului. Acesta fiind la temperatură ridicată, degajă căldură şi creează în jurul lui o

temperatură mai ridicată decât a camerei şi variabilă în timp. Din acest motiv, cât şi

pentru că este incomod să se realizeze sudura rece în imediata apropiere a cuptorului, s-a

căutat să se deplaseze sudura rece în altă parte, unde se poate menţine o temperatură

constantă.

Rezolvarea problemei a fost prelungirea termoelectrozilor cu alte conductoare de

aceeaşi natură, în general chiar din acelaşi material. În felul acesta la contactul dintre

conductoarele de prelungire şi firele termocuplului nu se formează un termocuplu, deci

nu ia naştere forţa termoelectromotoare. Aceste fire se numesc cabluri de compensare şi

sunt complet separate de termocuplu, legătura executându-se numai la montarea

termocuplului. Cablul de compensare are rolul de a muta sudura rece din apropierea

cuptorului într-un loc cu temperatura constantă. Sudura rece se va forma acum la legătura

dintre cablul de compensare şi cablul de legătură.

Termocuplurile se execută din diferite metale sau aliaje. Valoarea tensiunii

termoelectromotoare a diferitelor termocupluri depinde atât de materialul din care sunt

executaţi termoelectrozii, cât şi de temperatura sudurilor calde şi reci. Relaţia dintre

temperatura şi forţa termoelectromotoare se poate exprima printr-o ecuaţie de gradul al

doilea de forma:

în care E este forţa termoelectromotoare rezultantă, atunci când t este temperatura sudurii

calde, iar temperatura sudurii reci este constantă (în general 0°C); a, b şi c sunt trei

constante ale căror valori se determină prin măsurarea tensiunii termoelectromotoare la

temperaturi fixe cunoscute (temperatura de solidificare a stibiului, a argintului şi a

6

Page 7: senzori si traductoare. termocuplu

aurului). Valoarea constantelor a, b şi c depinde numai de materialul termoelectrozilor

din care s-a executat termocuplul.

Curbele care reprezintă legătura dintre temperatura şi tensiunea

termoelectromotoare se numesc curbe internaţionale. Fiecare tip de termocuplu are curbă

internaţională proprie. Pentru a uşura utilizarea acestor curbe internaţionale valorile

corespunzătoare sunt tabelate.

Condiţii

Materiale întrebuinţate la construcţia termocuplurilor Ca electrozi se utilizează în

special metale şi aliaje, care în afară de faptul că satisfac unele condiţii impuse acestora

dezvoltă în acelaşi timp tensiuni termoelectromotoare relativ mari. Se pot utiliza metale

sau aliaje care satisfac următoarele condiţii:

să aibă o compoziţie omogenă şi constantă; să dezvolte o tensiune termoelectromotoare

stabilă la temperaturi ridicate; curba tensiunii termoelectromotoare în funcţie de

temperatură să fie cât se poate de liniară; să aibă o bună conductivitate electrică;

proprietăţile electrice ale metalului sau aliajului să nu se modifice în urma oxidării; forţa

electromotoare să fie constantă în timp; să fie posibilă fabricarea unor materiale identice

care să asigure intersanjabilitatea termocuplurilor. Cele mai bune termocupluri se caută

pe cale experimentală. Se studiază proprietăţile electrice ale diferitelor metale sau aliaje şi

se selecţionează acelea care satisfac cel mai mult condiţiile de mai sus. Pentru a găsi

combinaţia cea mai bună din punctul de vedere al tensiunii termoelectromotoare

dezvoltate s-a determinat experimental curba tensiune electromotoare în funcţie de

temperatura pentru o serie de metale şi aliaje care formează termocupluri cu platină. S-a

ales platina ca metal de referinţă deoarece ea se poate obţine în stare foarte pură şi are o

mare stabilitate electrică şi chimică. Cele mai răspândite materiale care se întrebuinţează

la executarea conductoarelor pentru termocupluri sunt prezentate în continuare. Platina.

Datorită calităţilor chimice şi electrice, platina (Pt) împreună cu aliajele de platină cu

rhodiu PtRh (10% Rh) constituie un termocuplu de mare precizie. Platina având o mare

stabilitate chimică şi o temperatură de topire ridicată (1769 oC) se întrebuinţează la

7

Page 8: senzori si traductoare. termocuplu

măsurarea temperaturilor înalte, devenind chiar un instrument etalon pentru măsurarea

acestor temperaturi. Termocuplul platină-platină rhodiu măsoară temperaturi între 0 şi

1600°C. Se mai obişnuieşte formarea termocuplului platină cu platin-iridiu (10% Ir).

Platina trebuie ferită însă de carbon, hidrogen şi vapori de metale, care au efecte

dăunătoare asupra ei. În mod special trebuie evitată utilizarea platinei în atmosferă

oxidantă sau reducătoare în care se găsesc oxizi metalici.

Avantaje:construcţie simplă şi preţ de cost redus

Dezavantaje:fenomenul de imbatranire a metalelor in cazul utilizării la

temperaturi apropiate de temperatura de topire a electrozilor;imposibilitatea folosirii la

corpurile aflate in miscare;

8

Page 9: senzori si traductoare. termocuplu

3.Schema bloc a traductorului

Senzorul este elementul sensibil care intra in contact cu mediul de măsura. In

cazul de fata este vorba de un termocuplu care transforma temperatura, o mărime

neelectrica, in tensiune care este o mărime electrica direct măsurabila cu un voltmetru. In

unele variante constructive ale senzorilor este nevoie de circuit adaptor care face legătura

intre senzor si amplificator.

Senzorul Amplificator

Sursa de alimentare

Circuit de afişare

230V~50Hz

Circuit deliniarizare

Circuitul adaptor

UoutU2U1

9

Page 10: senzori si traductoare. termocuplu

Deoarece semnalul provenit de la senzor este necesara amplificarea semnalului la

o valoare măsurabila de aparatul de măsura.

In cazul in care eroare rezultata din calculele ulterioare este mai mare, este

necesara folosirea unui circuit de liniarizare care face liniarizarea pe porţiuni in funcţie

de cate abateri maxime exista de la eroarea din datele de proiectare. Componentele

electronice folosite la circuitul de liniarizare sunt diode Zener sau normale, si rezistente

folosite pentru limitarea curentului prin diode. Diodele se deschid, adică permit trecerea

unui curent electric in momentul in care diferenţa de potenţial dintre 2 valori succesive

este mai mare decât valoarea tensiunii de deschidere a tipului de dioda folosita.

Astfel tensiunea liniarizata, cu erori sub limita admisa din datele de proiectare,

este primita de circuitul afişor care permite afişarea in mod digital a tensiunii finale,

liniarizata si corecta in funcţie de valoare măsurata a temperaturii.

Orice bloc component, in afara de senzor, are nevoie de alimentare cu tensiune

continua iar aceasta este realizata cu ajutorul unei surse de alimentare care preia de la

reţea 230V tensiune alternativa si cu ajutorul unui transformator si a unei punţi

redresoare se obţin valori ale tensiunii necesare alimentarii fiecărui bloc in parte.

10

Page 11: senzori si traductoare. termocuplu

4.Proiectarea blocurilor componente

4.1.Alegerea senzorului

Cod : TTC-01.8.01.3.9.1

Simbolizare:

01- Tipul termocuplului: normal;

8- Materialul termoelectrozilor si numarul termoelementelor: fier-constant, 2;

01-Caracteristicile tubului de protectie: D(mm)-14; L nominala(mm) 250;

3-Materialul tubului de protectie: otel, inox;

2- Domeniul temperaturii de lucru:continuu 0-500; intermitent:0-550;

3- Dispozitiv de fixare: flansa,fixa;

9- Lungime de imersie: 100 mm;

1- Climat : normal-temperat.

11

Page 12: senzori si traductoare. termocuplu

4.2.Proiectarea circuitului amplificator

Temperatura U1[mV] U2[V] Eroarea[% Ui[V]

12

Page 13: senzori si traductoare. termocuplu

]

0 -2,65 -0,689 0 -0,689

10 -2,13 -0,5538 0,90495 -0,54883

20 -1,6 -0,416 1,794454 -0,40867

30 -1,07 -0,2782 3,612663 -0,2685

40 -0,54 -0,1404 9,402597 -0,12833

50 0 0 100 0,011833

60 0,54 0,1404 7,631579 0,152

70 1,08 0,2808 3,890473 0,292167

80 1,62 0,4212 2,575173 0,432333

90 2,17 0,5642 1,449782 0,5725

100 2,72 0,7072 0,767072 0,712667

110 3,27 0,8502 0,308775 0,852833

120 3,82 0,9932 0,020141 0,993

Circuitul amplificator permite amplificarea tensiunii la o valoare sesizabila de aparatul de

măsura.

Tensiunea ideala de calculează cu formula dreptei in plan care are următoarea

formula:

, unde x este temperatura T iar y este tensiunea

reala U2 si se ajunge la formula de mai jos:

13

Page 14: senzori si traductoare. termocuplu

14

Page 15: senzori si traductoare. termocuplu

4.3 Proiectarea circuitului afişor

Circuitul afişor este de tipul LCD (cristale lichide) care permite afişarea digitala a

semnalului. Circuitul integrat folosit pentru comanda afişorului este de tipul ICL 7106,

circuitul afişor conectându-se la pinii 21 si 25. Alimentarea circuitului integrat se face cu

V- la pinul 26 si V+ la pinul 1.

Funcţionarea ecranelor cu LCD

Cristalele lichide au fost descoperite de Fredreich Rheinizer in 1888. In anii 60 s-a

demonstrat ca stimulate de o diferenţa de potenţial, cristalele lichide pot modifica

proprietăţile luminii care trece prin ele. Ecranele LCD color produse in prezent conţin cristale

lichide (biphenyl) aşezate intre doua staturi de sticla transparenta.

Elementul funcţional al unui ecran LCD este pixel-ul, format dintr-o celula LCD.

Cristalele care formează celula isi schimba polarizarea sub acţiunea unei diferenţe de

15

Page 16: senzori si traductoare. termocuplu

potenţial electric si modifica cantitatea de lumina care trece prin celula. Daca se modifica

diferenţa de potenţial se modifica si cantitatea de lumina care trece prin celula. Diferenţa de

potenţial este creata printr-un sistem de electrozi. Lumina este generata de o sursa care se afla

in spatele ecranului.

Exista doua metode de a produce imagini folosind celule LCD: metoda segmentelor si

metoda matricii. Metoda segmentelor afişează caractere folosind electrozi de forme specifice.

Metoda matricii afişează caractere si imagini folosind electrozi in forma de puncte.

Metoda electrozilor

Metoda matricii

Metoda segmentelor este este folosita pentru afişaje simple care trebuie sa afişeze

doar caractere. Metoda matricii este folosita pentru afişaje de rezoluţie mare cum este cazul

monitoarelor sau televizoarelor.

16

Page 17: senzori si traductoare. termocuplu

4.4 Proiectarea sursei de alimentare

Orice componenta electronica, pentru a functiona are nevoie de electrica iar

acest lucru este realizat de sursa de alimentare. Aceasta preia de la retea o tensiune

alternativa de aproximativ 230V si de frecventa de 50HZ, si cu ajutorul unui

transformator si a puntilor redresoare se obtine o valoare mai mica a tensiunii dar

continua.

Condensatorii C1 si C3 au rolul de a oferii un filtraj cat mai bun al tensiunii

provenite de la puntile redresoare. Stabilizarea tensiunilor de alimentare a

amplificatorului se realizează cu circuite stabilizatoare de tipul CI 7815 si a

condensatorilor C2 si C4, iar pentru alimentarea circuitului afisor cu 9V se foloseste

circuitul stabilizator CI 7809.

Datorita faptului ca tipul de senzor este termocuplu si având erori mai mici

decât cea din datele de proiectare nu este necesara folosirea circuitului adaptor si a

circuitului de liniarizare. Astfel sursa este folosita pentru alimentarea circuitului

amplificator cu tensiunile +15V si -15V, respectiv 9V pentru circuitul afişor.

17

7809

+15V

-15V

+9V

Page 18: senzori si traductoare. termocuplu

5. Instrucţiuni de montaj si exploatare

Termocuplul este destinat măsurării temperaturii in domeniul 0-500°C regim

continuu si 0-550°C regim intermitent, climat temperat.

Termocuplul se compune din următoarele parţi principale:

- termoelectrozi, sudaţi la unul din capete;

- tuburi sau mărgele izolate;

- teaca de protecţie, metalica sau ceramica;

- cutie de conexiuni cu placa de borne ( fisa de conectare ).

Termoelectrozii, constituiţi din materialele fier-constantan, sudaţi la unul din

capete constituie joncţiunea de măsurare; capetele libere constituie joncţiunea de

referinţa.

Tuburile (mărgelele) sunt confecţionate din material ceramic in care se introduc

termoelectrozii pentru ai izola unul de celalalt.

Teaca de protecţie, metalica sau ceramica, protejează termoelectrozii împotriva

şocurilor mecanice sau termice, a influentelor mediilor agresive si pătrunderii umidităţii.

Asigura un bun contact cu mediul de măsura.

Cutia de conexiuni,fixata la capătul tecii de protecţie, prevăzuta cu o placa de

borne (fisa de conectare) din material izolant termic si electric, cu doua borne din

material inoxidabil prin intermediul cărora se face legătura intre termolectrozi si cablul de

prelungire, care are rolul de a deplasa joncţiunea de referinţa intr-o zona in care

temperatura poate fi menţinuta constanta.

Principiul de funcţionare al termocuplurilor se bazează pe efectul termoelectric

care consta in aceea ca in circuitul a doua conductoare de materiale diferite , ale căror

joncţiuni se găsesc la temperaturi diferite, apare o tensiune electromotoare denumita

tensiune termoelectromotoare (t.t.e.m) care variază cu diferenţa dintre temperaturile

celor doua joncţiuni după o lege cunoscuta .

18

Page 19: senzori si traductoare. termocuplu

Construcţia instalaţiei in care montează termocuplul trebuie sa asigure spaţiu

necesar pentru montare, accesibilitate la cutia cu borne, pentru asigurarea unor intervenţii

rapide in exploatare in caz de necesitate.

Acest termocuplu este fãra dispozitiv de fixare. Montarea lui se executa astfel

încât imersia termocuplului in mediul de măsura sa fie cat mai mare , transferul termic

putându-se a se efectua in condiţii foarte bune.

Montarea termocuplului se efectuează direct in mediul de măsura sau printr-o

teaca suplimentara de protecţie.

Pregătirea pentru punerea in funcţiune si punerea in funcţiune

1) Se verifica integritatea termocuplului.

2) Se verifica corectitudinea îmbinării dintre termocuplu si zona de măsura, se

iau masuri de etanşare suplimentare daca este cazul.

3) Se efectuează conexiunile intre termocuplu si aparatul secundar (înregistrator

sau indicator).

4) Se verifica corectitudinea conexiunilor intre termocuplu si aparatul

înregistrator.

5) Se verifica corectitudinea si funcţionarea termocuplului după indicaţiile date

de aparatul înregistrator.

Reguli de exploatare

1) Termocuplul este conceput, proiectat si executat sa funcţioneze intr-un regim

static de exploatare (montat intr-un punct fix al instalaţiei) ceea ce face ca

exploatarea lui sa fie destul de facila.

2) In timpul exploatării termocuplul se protejează prin orice mijloace posibile

tehnic de intemperii, praf, radiaţii de tot felul (paravane, umbrele, acoperişuri).

Acolo unde acest lucru nu este posibil trebuie executa o verificare periodica a

locului de montaj si îndepărtarea apei, prafului sau mizeriei din apropierea si

de la locul de montaj al termocuplului.

19

Page 20: senzori si traductoare. termocuplu

3) Termocuplul trebuie protejat de lovituri mecanice cu tărie ridicata, de vibraţii

necontrolate, de modificări bruşte si repetate ale mediului (temperatura si

umiditate). Pentru îndeplinirea acestei reguli utilizatorul poate lua masurile pe

care le considera necesare (plăcute de avertizare, ecrane protectoare,

climatizarea încăperilor unde se montează termocuplurile.

4) Termocuplurile nu se reglează in exploatare.

Defectări posibile si mod de depanare

1) Termocuplul este întrerupt: se înlocuieşte.

2) Termocuplul furnizează semnal eronat:

- se verifica conexiunile cu atenţie atât la termocuplu cat si la aparatul

secundar , se da o atenţie deosebita verificării polarităţii cablului de

prelungire, in cazul neremedierii defectului produsul se înlocuieşte.

- Se extrage termocuplul din mediul de măsura si se verifica integritatea tecii

de protecţie, daca aceasta nu corespunde produsului se înlocuieşte, daca

teaca este intacta dar defectul persista, se procedează ca la alineatul anterior.

3) Termocuplul este un produs din categoria nereparabile.

Reguli de întreţinere

Întreţinerea in exploatare e termocuplurilor se face in acelaşi timp cu întreţinerea

utilajului (cuptor, conducta, motor) pe care sunt montate acestea. Revizia tehnica la

termocupluri se consta in verificarea conexiunilor si a integrităţii cutiei cu conexiuni si

plăcutei cu borne, ea efectuându-se periodic cel puţin o data la sase luni.

6.1 Schema electrica

20

Page 21: senzori si traductoare. termocuplu

Bibliografie

Întreprinderea de traductoare si regulatoare directe Paşcani, 1989, Termocupluri;

Ciobăniţa, Vasile, Radiorecepţia – mica enciclopedie pentru tineret, Editura Albatros,

1982;

Milici, Dan, Metode moderne de măsurare a temperaturii in industrie, Editura

Universitatii Suceava,2004;

http://ro.wikipedia.org/wiki/Termocuplu

http://www.ack.ro/produse/_docs/carti/termocup.pdf

21