senzori si traductoare. termocuplu

Click here to load reader

  • date post

    23-Oct-2015
  • Category

    Documents

  • view

    184
  • download

    20

Embed Size (px)

description

despre termocuplu, constructie tipuri calcule

Transcript of senzori si traductoare. termocuplu

UNIVERSITATEA TEFAN CEL MARE SUCEAVA

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRIC

SPECIALIZAREA INGINERIE ECONOMIC

-Proiect-

Tip senzor:TERMOCUPLUStudent : Giurc Ionu

ndrumtor : Conf. univ. dr. ing. Dan MiliciCuprins:1. Tema de proiectare pag. 1

2. Generalitati despre termocuplupag. 4

3. Schema bloc a traductoruluipag. 9

4. Proiectarea blocurilor componentepag. 10

4.1 Alegerea senzoruluipag. 10

4.2 Proiectarea circuitului amplificatorpag. 11

4.3 Proiectarea circuitului afisorpag. 14

4.4 Proiectarea sursei de alimentarepag. 16

5. Instructiuni de montaj si exploaltarepag. 176. Schema electricapag. 18

6. Bibliografiepag. 181.Tema de proiectare:

Sa se proiecteze un termometru industrial care sa afieze temperatura digital si sa genereze un semnal de tip tensiune proporional cu temperatura msurata.

Date de proiectare:

traductor de temperatura;

tip senzor: termocuplu;

temperatura maxima [C]: 120; temperatura minima [C]: 0;

eroarea maxima: 1%

tensiunea de ieire maxima [V]: 2;

tensiunea de ieire minima [V]: 1;

mediul de msura: vas cu apa;

2.Generalitati despre termocuplu

Principiul functionare:

Materialele care puse mpreun manifest efect Seebeck formeaz un termocuplu. ntr-un fir metalic ale crui capete se afl la temperaturi diferite TA>TB apare o diferen de potenial electric UAB cauzat de faptul c electronii de conducie din captul cu temperatura mai mare au o energie cinetic mai mare i vor difuza ctre captul mai rece. n acest fel captul cald se va ncrca pozitiv, iar captul rece al firului se va ncrca negativ. De remercat c n cazul n care purttorii mobili de sarcin sunt golurile, sarcini pozitive, atunci captul cald se ncarc negativ, iar cel rece pozitiv. Din aceast cauz efectul termoelectric sau efectul Seebeck este folosit pentru determinarea tipului de purttori de sarcin liberi dintr-un semiconductor.

Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.) care apare UAB este direct proporional cu diferena de temperatur dintre capetele firului:

UAB = VA VB = S( TA TB ), unde S este coeficientul Seebeck, o proprietate a materialului din care este fcut firul.

n aplicaiile practice este necesar cunoaterea urmtoarelor trei legi referitoare la utilizarea fenomenelor termoelectrice [3] pentru msurarea temperaturii: legea circuitului omogen, legea metalelor intermediare, legea temperaturilor succesive.

1. Legea circuitului omogen. ntr-un circuit constituit dintr-un singur metal omogen nu se poate produce un curent electric numai prin crearea unei diferene de temperatur n circuit. Aceast lege se mai poate formula astfel: suma algebric a forei electromotoare ntr-un circuit constituit dintr-un singur metal omogen, cu sau fr variaii de seciune i temperatur, este zero. Rezult c n cazul unui circuit compus din dou metale diferite omogene, cu punctele de sudur la temperaturile T1 i T2 ,diferite, tensiunea electromotoare nu depinde de distribuia i gradientul de temperatur n lungul circuitului.

2. Legea metalelor intermediare. Suma algebric a tensiunii termoelectromotoare ntr-un circuit compus dintr-un numr oarecare de metale omogene i diferite este egal cu zero dac ntreg circuitul se afl la aceeai temperatur. Rezult c tensiunea termoelectromotoare a unui circuit compus dintr-un numr de metale diferite se obine din suma algebric a tensiunilor termoelectromotoare corespunztoare fiecrui metal fa de un metal de referin. n consecin, cnd se constituie un termocuplu sudura se poate realiza fie prin sudare direct, fie prin lipire cu un metal oarecare, care s nu se topeasc pn la temperatura de utilizare, deoarece elementele componente ale sudurii se gsesc la aceeai temperatur. Din acelai motiv cnd se msoar temperatura unei bi de metal topit, conductoarele metalice constituind sudura cald a termocuplului pot fi izolate electric ntre ele. n momentul msurrii prin imersare, metalul topit din baie realizeaz contactul electric jucnd rolul de metal de lipire a conductoarelor. Introducnd un al treilea conductor n circuitul unui termocuplu, fora termoelectromotoare nu se modific dac ambele capete ale celui de-al treilea conductor se gsesc la aceeai temperatur.

3. Legea temperaturilor succesive sau intermediare. Tensiunea termoelectromotoare produs de un termocuplu alctuit din metale omogene cu punctele sale de sudur la temperaturile T1 i T3 este egal cu suma tensiunilor termoelectromotoare ale aceluiai termocuplu cu punctele de sudur o dat la temperaturile T1 i T2 i o dat la temperaturile T2 i T3. Aceast lege i gsete aplicaii n utilizarea practic a termocuplurilor.

Termocuplul se compune din dou fire din metale diferite, numite termoelectrozi, sudate la un capt 1. Captul sudat se numete sudur cald, iar celelalte capete 2 i 3, numite capete libere ale termocuplului, se leag prin conductoarele de legtur la aparatul electric pentru msurarea forei termoelectromotoare. Legturile dintre capetele libere i conductoarele de legtur constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie meninut la o valoare constant.

Deoarece termoelectrozii au o lungime maxim de 200cm, din care dou treimi intr n cuptorul n care se msoar temperatura, sudura rece se va gsi totdeauna n apropierea cuptorului. Acesta fiind la temperatur ridicat, degaj cldur i creeaz n jurul lui o temperatur mai ridicat dect a camerei i variabil n timp. Din acest motiv, ct i pentru c este incomod s se realizeze sudura rece n imediata apropiere a cuptorului, s-a cutat s se deplaseze sudura rece n alt parte, unde se poate menine o temperatur constant.

Rezolvarea problemei a fost prelungirea termoelectrozilor cu alte conductoare de aceeai natur, n general chiar din acelai material. n felul acesta la contactul dintre conductoarele de prelungire i firele termocuplului nu se formeaz un termocuplu, deci nu ia natere fora termoelectromotoare. Aceste fire se numesc cabluri de compensare i sunt complet separate de termocuplu, legtura executndu-se numai la montarea termocuplului. Cablul de compensare are rolul de a muta sudura rece din apropierea cuptorului ntr-un loc cu temperatura constant. Sudura rece se va forma acum la legtura dintre cablul de compensare i cablul de legtur.

Termocuplurile se execut din diferite metale sau aliaje. Valoarea tensiunii termoelectromotoare a diferitelor termocupluri depinde att de materialul din care sunt executai termoelectrozii, ct i de temperatura sudurilor calde i reci. Relaia dintre temperatura i fora termoelectromotoare se poate exprima printr-o ecuaie de gradul al doilea de forma:

n care E este fora termoelectromotoare rezultant, atunci cnd t este temperatura sudurii calde, iar temperatura sudurii reci este constant (n general 0C); a, b i c sunt trei constante ale cror valori se determin prin msurarea tensiunii termoelectromotoare la temperaturi fixe cunoscute (temperatura de solidificare a stibiului, a argintului i a aurului). Valoarea constantelor a, b i c depinde numai de materialul termoelectrozilor din care s-a executat termocuplul.

Curbele care reprezint legtura dintre temperatura i tensiunea termoelectromotoare se numesc curbe internaionale. Fiecare tip de termocuplu are curb internaional proprie. Pentru a uura utilizarea acestor curbe internaionale valorile corespunztoare sunt tabelate.

Condiii

Materiale ntrebuinate la construcia termocuplurilor Ca electrozi se utilizeaz n special metale i aliaje, care n afar de faptul c satisfac unele condiii impuse acestora dezvolt n acelai timp tensiuni termoelectromotoare relativ mari. Se pot utiliza metale sau aliaje care satisfac urmtoarele condiii:

s aib o compoziie omogen i constant; s dezvolte o tensiune termoelectromotoare stabil la temperaturi ridicate; curba tensiunii termoelectromotoare n funcie de temperatur s fie ct se poate de liniar; s aib o bun conductivitate electric; proprietile electrice ale metalului sau aliajului s nu se modifice n urma oxidrii; fora electromotoare s fie constant n timp; s fie posibil fabricarea unor materiale identice care s asigure intersanjabilitatea termocuplurilor. Cele mai bune termocupluri se caut pe cale experimental. Se studiaz proprietile electrice ale diferitelor metale sau aliaje i se selecioneaz acelea care satisfac cel mai mult condiiile de mai sus. Pentru a gsi combinaia cea mai bun din punctul de vedere al tensiunii termoelectromotoare dezvoltate s-a determinat experimental curba tensiune electromotoare n funcie de temperatura pentru o serie de metale i aliaje care formeaz termocupluri cu platin. S-a ales platina ca metal de referin deoarece ea se poate obine n stare foarte pur i are o mare stabilitate electric i chimic. Cele mai rspndite materiale care se ntrebuineaz la executarea conductoarelor pentru termocupluri sunt prezentate n continuare. Platina. Datorit calitilor chimice i electrice, platina (Pt) mpreun cu aliajele de platin cu rhodiu PtRh (10% Rh) constituie un termocuplu de mare precizie. Platina avnd o mare stabilitate chimic i o temperatur de topire ridicat (1769 oC) se ntrebuineaz la msurarea temperaturilor nalte, devenind chiar un instrument etalon pentru msurarea acestor temperaturi. Termocuplul platin-platin rhodiu msoar temperaturi ntre 0 i 1600C. Se mai obinuiete formarea termocuplului platin cu platin-iridiu (10% Ir). Platina trebuie ferit ns de carbon, hidrogen i vapori de metale, care au efecte duntoare asupra ei. n mod special trebuie evitat utilizarea platinei n atmosfer oxidant sau reductoare n care se gsesc oxizi metalici.

Avantaje:construcie simpl i pre de cost redusDezavantaje:fenomenul de imbatranire a metalelor in cazul utilizrii la temperaturi apropiate de temperatura de topire a electrozilor;imposibilitatea folosirii la corpurile aflate in miscare;

3.Schema bloc a traductorului

SHAPE \* MERGEFORMAT

Senzorul este elementul sensibil care intra in contact cu mediul de msura. In cazul de fata este vorba de un termocuplu care transforma temperatura, o mrime neelectrica, in tensiune care este o mrime electrica direct msurabila cu un voltmetru. In unele variante constructive ale senzorilor este nevoie de circuit adaptor care face legtura intre senzor si amplificator.

Deoarece semnalul provenit de la senzor este necesara amplificarea semnalului la o valoare msurabila de aparatul de msura.

In cazul in care eroare rezultata din calculele ulterioare este mai mare, este necesara folosirea unui circuit de liniarizare care face liniarizarea pe poriuni in funcie 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, adic permit trecerea unui curent electric in momentul in care diferena de potenial dintre 2 valori succesive este mai mare dect 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 afior care permite afiarea in mod digital a tensiunii finale, liniarizata si corecta in funcie de valoare msurata 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 reea 230V tensiune alternativa si cu ajutorul unui transformator si a unei puni redresoare se obin valori ale tensiunii necesare alimentarii fiecrui bloc in parte.

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.

4.2.Proiectarea circuitului amplificator

TemperaturaU1[mV]U2[V]Eroarea[%]Ui[V]

0-2,65-0,6890-0,689

10-2,13-0,55380,90495-0,54883

20-1,6-0,4161,794454-0,40867

30-1,07-0,27823,612663-0,2685

40-0,54-0,14049,402597-0,12833

50001000,011833

600,540,14047,6315790,152

701,080,28083,8904730,292167

801,620,42122,5751730,432333

902,170,56421,4497820,5725

1002,720,70720,7670720,712667

1103,270,85020,3087750,852833

1203,820,99320,0201410,993

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

Tensiunea ideala de calculeaz cu formula dreptei in plan care are urmtoarea formula:

EMBED Equation.3 , unde x este temperatura T iar y este tensiunea reala U2 si se ajunge la formula de mai jos:

4.3 Proiectarea circuitului afior

Circuitul afior este de tipul LCD (cristale lichide) care permite afiarea digitala a semnalului. Circuitul integrat folosit pentru comanda afiorului este de tipul ICL 7106, circuitul afior conectndu-se la pinii 21 si 25. Alimentarea circuitului integrat se face cu V- la pinul 26 si V+ la pinul 1.

Funcionarea ecranelor cu LCD

Cristalele lichide au fost descoperite de Fredreich Rheinizer in 1888. In anii 60 s-a demonstrat ca stimulate de o diferena de potenial, cristalele lichide pot modifica proprietile luminii care trece prin ele. Ecranele LCD color produse in prezent conin cristale lichide (biphenyl) aezate intre doua staturi de sticla transparenta.

Elementul funcional al unui ecran LCD este pixel-ul, format dintr-o celula LCD. Cristalele care formeaz celula isi schimba polarizarea sub aciunea unei diferene de potenial electric si modifica cantitatea de lumina care trece prin celula. Daca se modifica diferena de potenial se modifica si cantitatea de lumina care trece prin celula. Diferena de potenial 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 afieaz caractere folosind electrozi de forme specifice. Metoda matricii afieaz caractere si imagini folosind electrozi in forma de puncte.

Metoda electrozilor

Metoda matricii

Metoda segmentelor este este folosita pentru afiaje simple care trebuie sa afieze doar caractere. Metoda matricii este folosita pentru afiaje de rezoluie mare cum este cazul monitoarelor sau televizoarelor.

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 realizeaz 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 avnd erori mai mici dect 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 afior.

5. Instruciuni de montaj si exploatareTermocuplul este destinat msurrii temperaturii in domeniul 0-500C regim continuu si 0-550C regim intermitent, climat temperat.

Termocuplul se compune din urmtoarele pari principale:

- termoelectrozi, sudai la unul din capete;

- tuburi sau mrgele izolate;

- teaca de protecie, metalica sau ceramica;

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

Termoelectrozii, constituii din materialele fier-constantan, sudai la unul din capete constituie jonciunea de msurare; capetele libere constituie jonciunea de referina.

Tuburile (mrgelele) sunt confecionate din material ceramic in care se introduc termoelectrozii pentru ai izola unul de celalalt.

Teaca de protecie, metalica sau ceramica, protejeaz termoelectrozii mpotriva ocurilor mecanice sau termice, a influentelor mediilor agresive si ptrunderii umiditii. Asigura un bun contact cu mediul de msura.

Cutia de conexiuni,fixata la captul tecii de protecie, prevzuta cu o placa de borne (fisa de conectare) din material izolant termic si electric, cu doua borne din material inoxidabil prin intermediul crora se face legtura intre termolectrozi si cablul de prelungire, care are rolul de a deplasa jonciunea de referina intr-o zona in care temperatura poate fi meninuta constanta.

Principiul de funcionare al termocuplurilor se bazeaz pe efectul termoelectric care consta in aceea ca in circuitul a doua conductoare de materiale diferite , ale cror jonciuni se gsesc la temperaturi diferite, apare o tensiune electromotoare denumita tensiune termoelectromotoare (t.t.e.m) care variaz cu diferena dintre temperaturile celor doua jonciuni dup o lege cunoscuta .

Construcia instalaiei in care monteaz termocuplul trebuie sa asigure spaiu necesar pentru montare, accesibilitate la cutia cu borne, pentru asigurarea unor intervenii rapide in exploatare in caz de necesitate.

Acest termocuplu este fra dispozitiv de fixare. Montarea lui se executa astfel nct imersia termocuplului in mediul de msura sa fie cat mai mare , transferul termic putndu-se a se efectua in condiii foarte bune.

Montarea termocuplului se efectueaz direct in mediul de msura sau printr-o teaca suplimentara de protecie.

Pregtirea pentru punerea in funciune si punerea in funciune

1) Se verifica integritatea termocuplului.

2) Se verifica corectitudinea mbinrii dintre termocuplu si zona de msura, se iau masuri de etanare suplimentare daca este cazul.

3) Se efectueaz conexiunile intre termocuplu si aparatul secundar (nregistrator sau indicator).

4) Se verifica corectitudinea conexiunilor intre termocuplu si aparatul nregistrator.

5) Se verifica corectitudinea si funcionarea termocuplului dup indicaiile date de aparatul nregistrator.

Reguli de exploatare

1) Termocuplul este conceput, proiectat si executat sa funcioneze intr-un regim static de exploatare (montat intr-un punct fix al instalaiei) ceea ce face ca exploatarea lui sa fie destul de facila.

2) In timpul exploatrii termocuplul se protejeaz prin orice mijloace posibile tehnic de intemperii, praf, radiaii de tot felul (paravane, umbrele, acoperiuri). Acolo unde acest lucru nu este posibil trebuie executa o verificare periodica a locului de montaj si ndeprtarea apei, prafului sau mizeriei din apropierea si de la locul de montaj al termocuplului.

3) Termocuplul trebuie protejat de lovituri mecanice cu trie ridicata, de vibraii necontrolate, de modificri brute si repetate ale mediului (temperatura si umiditate). Pentru ndeplinirea acestei reguli utilizatorul poate lua masurile pe care le considera necesare (plcute de avertizare, ecrane protectoare, climatizarea ncperilor unde se monteaz termocuplurile.

4) Termocuplurile nu se regleaz in exploatare.

Defectri posibile si mod de depanare

1) Termocuplul este ntrerupt: se nlocuiete.

2) Termocuplul furnizeaz semnal eronat:

se verifica conexiunile cu atenie att la termocuplu cat si la aparatul secundar , se da o atenie deosebita verificrii polaritii cablului de prelungire, in cazul neremedierii defectului produsul se nlocuiete.

Se extrage termocuplul din mediul de msura si se verifica integritatea tecii de protecie, daca aceasta nu corespunde produsului se nlocuiete, daca teaca este intacta dar defectul persista, se procedeaz ca la alineatul anterior.

3) Termocuplul este un produs din categoria nereparabile.

Reguli de ntreinere

ntreinerea in exploatare e termocuplurilor se face in acelai timp cu ntreinerea utilajului (cuptor, conducta, motor) pe care sunt montate acestea. Revizia tehnica la termocupluri se consta in verificarea conexiunilor si a integritii cutiei cu conexiuni si plcutei cu borne, ea efectundu-se periodic cel puin o data la sase luni.

6.1 Schema electrica

Bibliografie

ntreprinderea de traductoare si regulatoare directe Pacani, 1989, Termocupluri;

Ciobnia, Vasile, Radiorecepia mica enciclopedie pentru tineret, Editura Albatros, 1982;

Milici, Dan, Metode moderne de msurare a temperaturii in industrie, Editura Universitatii Suceava,2004;

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

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

U1

U2

Uout

Circuitul

adaptor

Circuit de

liniarizare

230V~

50Hz

Circuit de

afiare

Sursa de

alimentare

Amplificator

Senzorul

+9V

-15V

+15V

7809

PAGE 21

_1293310064.unknown

_1294126862.unknown

_1294129423.unknown

_1294476948.xlsDiagram1

-0.689-0.689

-0.5538-0.5488333333

-0.416-0.4086666667

-0.2782-0.2685

-0.1404-0.1283333333

00.0118333333

0.14040.152

0.28080.2921666667

0.42120.4323333333

0.56420.5725

0.70720.7126666667

0.85020.8528333333

0.99320.993

U2[V]

Ui[V]

Foaie1

TU1[mV]U2[V]EUiU3TU2[V]Ui[V]

0-2.65-0.6890-0.6890-0.689-0.689

10-2.13-0.55380.9049498937-0.548833333310-0.5538-0.5488333333

20-1.6-0.4161.7944535073-0.408666666720-0.416-0.4086666667

30-1.07-0.27823.6126629423-0.268530-0.2782-0.2685

40-0.54-0.14049.4025974026-0.128333333340-0.1404-0.1283333333

50001000.01183333335000.0118333333

600.540.14047.63157894740.152600.14040.152

701.080.28083.8904734740.2921666667700.28080.2921666667

801.620.42122.57517347730.4323333333800.42120.4323333333

902.170.56421.44978165940.5725900.56420.5725

1002.720.70720.76707202990.71266666671000.70720.7126666667

1103.270.85020.30877467270.85283333331100.85020.8528333333

1203.820.99320.02014098690.9931200.99320.993

Foaie1

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

U2[V]

Ui[V]

Foaie2

Foaie3

_1294126829.unknown

_1293304174.unknown