DfcccAAAAOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOBBVN KCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCLMMTU3584I5

LUCRAREA NR. 3etalonarea termocuplelor ia termorezistenelor

I SCOPUL LUCRRII

A. Descrierea principiilor de funcionare a termocuplelor, termorezistenelor i a pirometrelor de radiaie, inclusiv prezentarea practic a acestora.

B. Efectuarea msurtorilor de temperatur.

C. Etalonarea termocuplelor i a termorezistenelor folosind valorile msurate.

II ECHIPAMENT NECESAR

A. Diverse tipuri de termocuple i termorezistene.

B. Termostat umplut cu ap.

C. Milivoltmetrul analogic i multimetrul digital.

III PRINCIPIUL LUCRRII

Aparate de msur pe care le vom studia n aceast lucrare i bazeaz funcionarea pe variaia urmtoarelor proprieti fizice ale materialelor sau corpurilor termometrice odat cu modificarea temperaturii:

apariia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.) la capetele libere a dou conductoare diferite, sudate ntre ele, atunci cnd sudura se afla la temperatura de msurat, iar capetele libere - la o temperatur cunoscut i constant (termocuple);

variaia rezistenei electrice a unor conductoare (termorezistene) i semiconductoare (termistoare - traductoare termorezistive);

aciunea termic a energiei radiate sub form de cldur de un corp nclzit (pirometre de radiaie)

Metode bazate pe efectul termoelectric

Msurarea temperaturii cu termocupla se bazeaz pe efectul termoelectric descoperit de Seebeck n 1821. El a artat c dac la capetele unei srme dintr-un anumit metal sau aliaj se sudeaz o srm dintr-un alt metal sau aliaj i ntre cele dou capete, sudate i libere, se creaaz o diferen de temperatur, atunci ntre capetele libere apare o diferen de potenial electric denumit tensiune termoelectromotoare (t.t.e.m.). Valoarea acestei tensiuni depinde de materialele folosite i de diferena de temperatur dintre capetele sudate (denumite sudura cald) i capetele libere (denumite sudura rece). Schema de principiu a unei termocuple este prezentat n figura 3.1.

Fig. 3.1. Schema de principiu a unei termocuple

Conform figurii E02 = E01 + E12 (3.1)unde: E02 = t.t.e.m. dat de termocupl atunci cnd sudura cald 2 (captul sudat al srmelor) este la temperatura de msurat t iar sudura rece 1 (capetele libere milivoltmetrul) este la temperatura de etalonare de 0(C

E12 = t.t.e.m. dat de termocupl atunci cnd sudura cald 2 este la temperatura t iar sudura rece 1 (milivoltmetrul) este la temperatura mediului ambiant ta diferit de 0(C E01 = t.t.e.m. corespunztoare diferenei de temperatur ntre 0(C i temperatura la care se afl milivoltmetrul tan practic termocuplele sunt construite din dou srme din metale sau aliaje diferite, sudate la unul din capete. Punctul de sudur 2 (sudura cald) se pune n contact cu sistemul a crui temperatur se determin iar capetele libere 1 (sudura rece) se leag la un aparat de msur a tensiunii electrice (milivoltmetru) gradat direct n grade Celsius.

Valorile tensiunilor termoelectromotoare sunt de ordinul mV / 100(C, n funcie de materialele din care sunt confecionate cele dou srme ale termocuplei.Etalonarea milivoltmetrelor pentru termocuple se face, n general, la temperatura de 0(C a sudurii reci. Dac, n condiiile de msurare, temperatura sudurii reci (locul unde se afl milivoltmetrul) variaz n raport cu temperatura de etalonare, se efectueaz o corecie a temperaturii, utiliznd relaia 3.1 (valoarea tensiunii E01 se determin din anexa, Tabelul 3.2). Corecia (compensarea) influenei variaiei temperaturii sudurii reci (temperatura la care se afl milivoltmetrul n momentul msurarii) se poate face i automat, prin folosirea unor dispozitive electrice numite puni compensatoare Wheatstone sau prin folosirea unui bimetal (dac etalonarea termocuplei s-a fcut la 0(C i milivoltmetrul se afl la la o alt temperatur ta, bimetalul din interiorul milivoltmetrului acioneaz acul indicator al milivoltmetrului meninndu-l la valoarea temperaturii ta).

O termocupl se compune dintr-un element sensibil 1 (termoelectrod = cele 2 srme), care este protejat de o teac metalic 2. La captul acesteia se gsete cutia de conexiuni 3 n interiorul creia se afl placa de borne 4, de unde pleac conductorii de legtur spre aparatul indicator, conform figurii 3.2.

Fig. 3.2 - Elementele componente ale unei termocuple

Termocuplele prezint o serie de avantaje: au o construcie simpl (fig. 3.2) i un pre redus, asigur msurarea temperaturii n domenii largi, pot fi utilizate la msurarea temperaturii oricrui mediu (fluid, solid), se pot face msurtori punctuale, permit transmiterea indicaiilor la distan i conectarea mai multor elemente sensibile, printr-un comutator, la un singur aparat indicator. Totui, au i unele dezavantaje: mbtrnirea termocuplelor, necesitatea compensrii temperaturii cu echipamente auxiliare etc.

Metode rezistive

Au la baz proprietatea materialelor conductoare de a-i modifica rezistena electric odat cu variaia temperaturii. Majoritatea metalelor i mresc rezistena electric cu aproximativ 40 % pentru o variaie de temperatur cuprins ntre 0(C i 100(C. Aceste termometre, denumite termorezistene, au un domeniu relativ mare de temperaturi (-120(C ( +850(C), folosindu-se pe scar larg n industrie.

Materialele din care se confecioneaz termorezistenele trebuie s satisfac urmtoarele condiii: s nu-i schimbe proprietile fizice i chimice, coeficientul de variaie a rezistenei electrice cu temperatura s fie mare, variaia rezistenei electrice cu temperatura s fie ct mai liniar, iar proprietile materialului s poat fi uor reproduse. Materialele care satisfac aceste cerine sunt platina (-183(C ( +700(C), cuprul, nichelul, fierul (-50(C ( +150(C), precum i unele aliaje. Pentru realizarea unor msurtori mai precise, rezistenele se confecioneaz din termistor. Acesta este un material semiconductor realizat din amestecuri foarte precis dozate de oxizi metalici sinterizai ntr-un regim termic riguros controlat i n atmosfer controlat. Termistorii au coeficientul de variaie a rezistivitii cu temperatura de 10 ori mai mare dect platina, precizia msurtorilor fiind deci foarte mare.

Rezistena electric a conductoarelor utilizate variaz cu temperatura, dup relaia:

(3.2)

unde:Rt[(]- rezistena electric la temperatura t;

Ro[(]- rezistena electric la temperatura de etalonare (n general 0 (C);

a, b, c, ... - constante.

n figura 3.3 se prezint schema de nfurare a elementului sensibil al unui termometru cu rezisten din platin (a), precum i aspectul exterior al termorezistenei (b).

Fig. 3.3 - Schema de nfurare i aspectul exterior al unei termorezistene

Att termocuplele, ct i termorezistenele sunt realizate n practic, de firme specializate. Elementul sensibil este protejat cu izolatori ceramici i introdus ntr-o teac metalic, care l protejeaz la solicitri mecanice. Mai sunt prevzute cu un dispozitiv de fixare i o cutie cu conexiuni electrice.

n cadrul lucrrii de laborator, msurarea rezistenei electrice a elementului sensibil al termorezistenei se va face cu un ohmetru.

Metode optice

Fa de termometrele de contact descrise anterior, pirometrele de radiaie prezint avantajul c nu vin n contact direct cu corpul a crei temperatur o msoar i deci nu deformeaz cmpul termic al acestuia. Un alt avantaj al acestor aparate este ineria lor termic foarte mic. Ele sunt ns relativ scumpe, necesit un operator experimentat pentru a efectua msurtori corecte i cu ele nu se poate msura temperatura din interiorul corpurilor, ci doar de la suprafaa acestora.

Cu pirometrele de radiaie se poate msura temperatura suprafeei unui corp prin msurarea energiei sub form de cldur emise prin radiaie termic de acesta n mediul nconjurtor. Legile transmiterii cldurii prin radiaie termic sunt cele de la electromagnetism i au fost deduse de Stefan-Boltzmann i Plank (capitolul Transmiterea cldurii din curs). Aceste legi arat c un corp radiaz energie termic la orice temperatur i c o cretere a temperaturii provoac o cretere a energiei radiate. Aceasta poate fi examinat pe dou ci, fie msurnd energia radiat pentru toate lungimile de und, fie msurnd numai energia radiat pe o anumit lungime de und.

n funcie de principiul de funcionare se deosebesc dou tipuri de pirometre: pirometre de radiaie total i pirometre de radiaie monocromatic.

La pirometrele de radiaie total energia emis de suprafaa corpului este focalizat de un dispozitiv optic pe un receptor de energie de radiaie. Acesta este de obicei o foi de platin nnegrit. Temperatura receptorului se msoar cu o termocupl i este o msur a temperaturii suprafeei corpului. La unele pirometre receptorul de energie este o celul fotoelectric, iar curentul fotoelectric produs de aceasta este proporional cu fluxul de energie emis de suprafaa corpului, fiind deci o msur a temperaturii suprafeei acestuia.

La pirometrele de radiaie monocromatic (fig. 3.4), denumite i pirometre optice vizuale sau cu dispariia filamentului, se compar luminozitatea i culoarea unei suprafee incandescente cu cea a unui radiator etalon. Acesta este de obicei un fir metalic (filament) alimentat cu un curent electric. Imaginea lui se poate suprapune, cu ajutorul unui dispozitiv optic, peste imaginea suprafeei a crei temperatur trebuie msurat i se variaz intensitatea curentului electric pn cnd firul nu mai este vizibil, avnd aceeai culoare cu suprafaa corpului. Se observ, deci, c pirometrul optic cu dispariia filamentului se compune dintr-o parte optic i una electric. Partea optic cuprinde: un obiectiv O1, un ocular O2, un filtru de culoare F (de obicei, rou), o sticl absorbant S i o diafragm D. Partea electric este format din: lampa pirometric L, al crei filament se gsete pe axa optic, o rezisten variabil R, un miliampermetru mA i o surs de tensiune E. Intensitatea curentului cu care este alimentat filamentul este o msur a temperaturii suprafeei vizate. Aceste aparate se numesc pirometre optice vizuale i nu pot fi folosite dect pentru temperaturi mai mari dect 700C. Ele sunt larg rspndite n practica industrial fiind simple, suficient de robuste i uor de manevrat.

Fig. 3.4 - Schema de principiu a unui pirometru cu radiaie monocromatic

IV MERSUL LUCRRII

1. Se folosete acelai stand de laborator pentru etalonarea termocuplelor i a termo-rezistenelor ca cel utilizat la Lucrarea 2.

2. Se aleg termocuplele i termorezistenele care vor fi etalonate i se realizeaz montajul termometrelor pe aparatul verificator.

3. Se msoar temperatura aerului ambiant, care reprezint de fapt, temperatura sudurii reci ta care se noteaz n Foaia de calcule.

4. Se determin constanta milivoltmetrului, notndu-se, de asemenea, n Foaia de calcule.

5. Etalonarea unui termocuplu const n stabilirea corespondenei ntre valorile tensiunii termoelectromotoare citite la milivoltmetru i temperaturile sudurii calde la momentele respective, msurate cu un termometru etalon (de obicei un termometru cu coloan de mercur). Pentru aceasta,

se seteaz termometrul cu contact la temperatura de 30 (C i se pornete instalaia de laborator (termostatul).

o dat ajuns apa la temperatura prestabilit, se citesc, simultan, indicaiile date de milivoltmetru i de ohmmetru. Astfel, se noteaz n tabelul 3.1 numrul de diviziuni la care a ajuns acul indicator al milivoltmetrului, precum i valoarea rezistenei electrice a termorezistenei citit cu ohmetrul.

se repet aceeai procedur pentru urmtoarele paliere de temperatur, atunci cnd se crete temperatura cu 10(C, fa de temperatura setat iniial (30(C). Toate rezultatele se nscriu n tabelul 3.1.

6. Se calculeaz valoarea efectiv a t.t.e.m. E12 citit cu milivoltmetrul.

7. Se citete din tabelul 3.2 (anex) valoarea E01 corespunztoare diferenei de temperatur de la 0(C la ta.

8. Se corecteaz valoarea t.t.e.m. E12 obinndu-se t.t.e.m. E02.9. Se traseaz curba de variaie a t.t.e.m. n funcie de temperatur E02 = f(t) numit curb de etalonare, precum i variaia rezistenei electrice n funcie de temperatur. Pe diagram trebuie notat temperatura la care s-a fcut etalonarea (tetalonare = 0(C). Dac n timpul utilizrii ulterioare a termocuplei, milivoltmetrul se va afla la o temperatur diferit de cea la care s-a fcut etalonarea, valorile msurate vor fi corectate n mod corespunztor.

V REZULTATE EXPERIMENTALE

1. Se determin constanta milivoltmetrului folosind urmtoarea relaie:

unde E max- tensiunea maxim ce se poate msura cu milivoltmetrul, corespunztoare bornelor lSe calculeaz t.t.e.m. E12 prin nmulirea numrului de diviziuni indicate de acul indicator al milivoltmetrului cu tensiunea corespunztoare unei diviziuni (k), completndu-se apoi coloana corespunztoare din tabelul 3.1.

2. Se calculeaz t.t.e.m. E02 cu ajutorul formulei (3.1) i se nscrie n tabelul 3.1.

FOAIE DE CALCULE

Nume i prenume: Data:

Temperatura sudurii reci la etalonare:0(C

Temperatura sudurii reci (a mediului ambiant): ta = ________________Constanta milivoltmetrului:k = _________________Tensiunea termoelectromotoare (din anex)corespunztoare diferenei de temp. de la 0(C la ta E01 = ______________Tabel 3.1 - Corespondena ntre valorile temperaturii sudurii caldei valorile t.t.e.m. i ale rezistenei electriceNr. crt.Temperatura termometrului etalonNumr de diviziuniTensiunea termoelec-tromotoare necorectatTensiunea termoelec-tromotoare corectatRezistena electric

t1 [(C]n [div]E12 = n*k [mV]E02 = E01 + E12 [mV]R [(]

Fe-CoCr-AlumelFe-CoCr-AlumelFe-CoCr-Alumel

1.30

2.40

3.50

4.60

5.70

6.80

7.90

8.100

AnexaTabel 3.2. Tensiunile termoelectromotoare [mV] corespunztoare unor diversetemperaturi [(C], pentru tipurile cele mai uzuale de termocuple, cu sudura rece la 0(CTempera-tura [(C]Cu-CoFe-CoCopel-CromelCromel-AlumelCrNi-NiPtRh-Pt10 % Rh

-200-5,7-8,15

-100-3,4-4,60

0000000

1004,255,376,954,104,040,64

2009,2010,9514,668,138,141,44

30014,8916,5522,9112,2112,242,32

40020,9912,1531,4916,4016,383,26

50027,4027,8440,1620,6520,644,22

60034,3033,6649,0224,9124,945,23

700-39,7957,7729,1529,156,27

800-46,2366,4233,3233,277,34

900-52,1574,9037,3737,328,45

1.000-41,3241,329,60

1.100-45,1645,2210,77

1.200-48,8549,0211,97

1.300-13,17

1.400-14,38

1.500-15,58

1.600-16,76

E12 = f(t-ta)

E01

E02

1

1

2

ta

t

0(C temp.

de etalonare

mv

14

_1105362118.unknown

_1107939710.docDfcccAAAAOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOBBVN KCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCLMMTU3584I55555555555566666666666666666666YOMOYYYTDYYHUUUUUUUUUUUUUUUUP/MK?JKLJ666LSM666666

_1105297744.unknown