PROIECTOptoelectronica

Realizat de: Bodeanu

Alexandrusi

Nistor ClaudiuGrupa: TC 32

TERMOCUPLE

1.

Introducere

Notiunea de temperatura isi are originea in anumite senzatii ale organelor de simt umane prin intermediul carora se pot face aprecieri referitoare la starea termica a corpurilor. Fundamentarea stiintifica a notiunii de temperatura este data prin intermediul termodinamicii si fizice statice care studiaza forma de miscare a materiei denumita miscare termica. Proprietatea de tranzitivitate permite compararea temperaturii pentru sisteme diferite fara a le pune in contact termic, folosind un anumit corp ca intermediar. 1.1. Notiuni generale Temperatura este o marime de stare termica ce caracterizeaza gradul de incalzire al corpurilor. Pentru masurarea temperaturii se recurge la un corp termometric ale carui proprietati fizice variaza cu temperatura. Indicarea temperaturii se obtine prin stabilirea echilibrului termodinamic intre corpul al carui temperatura se doreste a fi stabilita si corpul termometric, stare in care, transferul de caldura dintre acestea se anuleaza. Metodele si aparatele folosite pentru masurarea temperaturii se clasifica in functie de proprietatea fizica a corpului termometric utilizata in acest scop. In general, se foloseste variatia urmatoarelor proprietati fizice ale materialelor sau corpurilor termometrice functie de temperatura: -variatia dimensiunilor liniare ale unor corpuri solide cu temperatura (termometre cu tub si tija, termometre cu lama bimetalica); -variatia volumului functie de temperatura a unor lichide in tuburi capilare (termometre cu lichid); -variatia presiunii functie de temperatura a unor vapori, gaze sau lichide aflate intr-un volum inchis (termometre manometrice); -variatia functie de temperatura a rezistentei electrice a unor conductoare (termorezistente) si semiconductoare (termistoare) (traductoare termorezistive); -aparitia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.) la capetele libere a doua conductoare diferite, sudate intre ele, cand sudura se afla la temperatura de masurat iar capetele libere la o temperatura cunoscuta si constanta (termocupluri);

-actiunea termica si distributia spectrala a energiei radiate de un corp incalzit (pirometre optice cu radiatie totala, pirometre optice cu benzi de radiatie, pirometre spectrale si pirometre cu dispersie sau de culoare); -alte metode bazate pe variatia proprietatilor fizice si chimice ale corpurilor. In general, aparatele care servesc pentru masurarea temperaturilor sub 660oC - se numesc termometre, iar peste 660oC,- pirometre. Domeniul de utilizare a principalelor aparate folosite pentru masurarea temperaturii sunt prezentate in tabelul 1.1.

Tabelul 1.1 Domeniile de utilizare ale unor aparate de masurat temperatura Domeniul de masurao

Materiale

Aparat de masurat

C 1 Mercur Mercur si atmosfera de azot la 10 bar Idem la 20 bar Idem la 70 bar Umplutura de galiu Aliaj de mercur cu taliu Umplutura de toluen Umplutura de pentan tehnic Termometre cu lichid 2

0 - 30 ... 30 - 30 ... 500 - 30 ... 600 - 30 ... 750 pana la 1000 - 60 ... 100 - 70 ... 110 - 200 ... 30

pana la 100 pana la 350 - 70 ... 30

Umplutura de gaz lampant Umplutura de mercur Bioxid de carbon

Termometre cu presiune de lichid

50 ... 180 - 30 ... 400 350 ... 650 20 ... 600

Eter Hidrocarburi Mercur Invar cu continut de 36% Ni

Termometre cu presiune de vapori

Termometre cu dilatarea metalelor

pana la 150 - 60 ... 150 - 50 ... 150 pana la 400 - 220 ... 500 pana la 100 pana la 600

Fier Nichel Cupru Wolfram Platina Bismut-platina Cupru-constantan Termoelemente Termorezistente

Tabelul 1.1 Continuare 0 pana la 600 pana la 700 pana la 900 pana la 1000 pana la 1300 pana la 1600 700 ... 1400 700 ... 2000 600 ... 1600 600 ... 3000 600 ... 2000 ( Cu filtru fumuriu) 1 Argint-constantan Fier-constantan Manganina-constantan Nichelcrom-constantan Nichel-nichelcrom Platina-platinarodiu (Cu diafragma) Pirometre de radiatie totala Pirometre de radiatie monocromatica Con Seger Termoelemente 2

In sistemul international de unitati de masura, pentru masurarea temperaturii corpurilor, se utilizeaza scara de temperatura termodinamica stabilita pe baza a sase temperaturi fixe reproductibile definite de

starile de echilibru ale unor materiale la presiunea normala de 101325 Pa. In cadrul acestei scari, unitatea de temperatura termodinamica este Kelvinul (K) definit ca fractiunea 1/273,16 din temperatura termodinamica a punctului triplu al apei. In afara de temperatura termodinamica (T), exprimata in Kelvin (K), in sistemul international de unitati de masura se foloseste si temperatura exprimata in scara Celsius (t), (ca unitate de masura tolerata), intre ele existand relatia: t = T - 273,15 [ oC] . (1.1) 1.2. Descrierea aparatelor Din multitudinea de aparate si metode folosite pentru masurarea temperaturii, in lucrare se utilizeaza: termometrele de sticla cu lichid, termometrele electrice cu rezistenta, pirometrele termoelectrice (termocupluri) si pirometrul cu radiatie cu disparitia partiala a filamentului. Termometre de sticla cu lichid (figura 1.1.) Masurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor de sticla cu lichid se bazeaza pe variatia volumului unui lichid (mercur, toluen, alcool etilic, eter de petrol, pentan) inchis intr-un tub capilar de sticla.

Fig.1.1. Termometre de sticla cu mercur: a- cu contacte fixe b- cu contacte mobile.

Cele mai utilizate termometre sunt cele cu mercur (- 38oC ... + 700oC). Dezavantajul acestora consta in faptul ca au inertie termica mare nefiind adecvate masurarii temperaturii in regim variabil. Din punct de vedere constructiv se deosebesc: termometre capsulate, la care tubul capilar si scala gradata sunt introduse impreuna intr-un tub de protectie, precum si termometre tija, a caror scala este gradata direct pe tubul capilar. In afara de acestea exista si alte constructii speciale ca de exemplu: termometre cu contacte fixe, cu contacte mobile etc. Termometrele cu lichid indica corect temperatura numai atunci cand intreaga masa a lichidului termometric se afla la temperatura care trebuie masurata,

deci cand elementul sensibil este cufundat in intregime in mediul de masurat. Daca coloana de mercur este incomplet cufundata in mediul de masurat, se efectueaza corectia de temperatura t cu relatia: t = n ( t - t1 ) [ oC] , (1.2) in care: n este numarul de diviziuni ale portiunii necufundate a coloanei de mercur, exprimat in grade din scala termometrului; t - temperatura indicata de termometru, in oC ; t1 - temperatura firului capilar necufundat in mediul de masurat (de obicei egala cu cea a mediului ambiant), in oC ; - coeficientul de dilatare aparenta a lichidului termometric (pentru mercur 0,000166 grd-1), in grd -1. Corectia de temperatura se adauga temperaturii indicate de termometru. Termometre electrice cu rezistenta Functionarea acestor termometre se bazeaza pe variatia rezistentei electrice a metalelor cu temperatura. In figura 1.2 se prezinta variatia rezistentei electrice cu temperatura pentru cateva materiale mai des utilizate.

Fig.1.2. Variatia rezistentei electrice a metalelor in functie de temperatura.

Aceste termometre se folosesc pe scara larga in industrie avand un domeniu larg de temperaturi, 120oC ...+ 850oC. Materialele din care se confectioneaza termorezistentele trebuie sa satisfaca urmatoarele conditii: sa nu-si schimbe proprietatile fizice si chimice, coeficientul de variatie a rezistentei electrice cu temperatura sa fie mare, variatia rezistentei electrice cu temperatura sa fie cat mai liniara iar

proprietatile materialului sa poata fi usor reproduse. Materialele care satisfac aceste cerinte sunt platina (- 183oC ... + 700oC), cuprul, nichelul, fierul (- 50oC ... + 150oC) si unele aliaje. Rezistenta electrica a conductoarelor utilizate variaza cu temperatura dupa relatia: Rt = Ro ( 1 + a t + b t2 + c t3 + ...) , (1.3) unde: Rt este rezistenta electrica la temperatura t, Ro - rezistenta electrica la temperatura de etalonare (in general 0oC), a, b, c, ... - constante. La majoritatea materialelor, pentru masurarea temperaturii se iau in considerare numai primele doua constante din paranteza relatiei precedente. In practica, relatia de mai sus este utilizata sub forma ecuatiei lui Callender:

, (1.4) in care: Ro, R100, Rt sunt rezistentele electrice ale materialului la 0oC; 100oC si la temperatura t, - coeficient. In figura 1.3 se prezinta schema de infasurare a unui termometru cu rezistenta din platina (a) precum si aspectul exterior al termometrului (b).

Fig.1.3. Schema de infasurare si aspectul exterior al unui termometru cu

rezistenta din platina.

Masurarea rezistentei electrice a elementului sensibil al termometrului se poate face cu ajutorul urmatoarelor instrumente electrice:

- punti echilibrate (fig.1.4) in care rezistentele R1, R2, R3 sunt constante, iar valoarea curentului prin galvanometru IG=0; - punti neechilibrate (fig.1.5), la care curentul prin galvanometru IG =f (Rt); -logometre (fig.1.6), la care unghiul de deviere al cadrului mobil -milivoltmetre digitale (electronice).

la

Fig.1.4. Schema de principiu a puntii echilibrate.

Fig. 1.5. Schema de principiu a puntii neechilibrate.

Fig.1.6. Schema de principiu a unui logometru.. Pirometre termoelectrice Termocuplul reprezinta un mijloc de masurare a temperaturii cu o larga raspandire datorita avantajelor pe care le ofera fata de alte mijloace de masurare a temperaturii si anume: are o constructie simpla, pret de cost redus, interval mare de masura (-200oC ... 3000oC), poate fi conectat la diferite indicatoare, inregistratoare, semnalizare si comanda. Termocuplul impreuna cu aparatul electric de masurat, poarta denumirea de pirometru termoelectric. Masurarea temperaturii cu ajutorul termocuplurilor se bazeaza pe legile fenomenelor termoelectrice. Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.), care apare in circuitul celor doi conductori omogeni care compun termocuplul, este rezultatul actiunii concomitente a efectului Thomson si a efectului Seebeck. Efectul Thomson reprezinta aparitia unei t.t.e.m. Ea intr-un conductor "a" (fig.1.7) a carui capete se afla la temperaturi diferite:

, (1.5) unde: a este coeficientul Thomson pentru conductorul respectiv. Efectul Seebeck consta in aparitia unei t.t.e.m. ab(T1), ab(T2), la locul de contact al celor doi conductori "a" si "b". T.t.e.m. totala care este functie numai de valorile temperaturilor T1 si T2, se poate prezenta prin relatia:

Eab(T1,T2) t ab(T2) - ab(T1)

(1.6)

unde: eab(T1), eab(T2) sunt t.t.e.m.care apar la cele doua capete ale termocuplului ca rezultat comun al celor doua efecte.

Aplicatiile practice se bazeaza pe trei legi de baza empirice si anume: - legea metalelor omogene.Intr-un circuit termoelectric format dintr-un singur metal omogen, nu poate aparea un curent termoelectric prin incalzirea acestuia; - legea metalelor intermediare. Suma algebrica a t.t.e.m. intr-un circuit compus dintr-un numar oarecare de materiale diferite este zero, daca intreg circuitul se afla la aceeasi temperatura; - legea temperaturilor succesive sau intermediare. Daca doua metale omogene, de natura diferita, produc o t.t.e.m. E1, cand jonctiunile sunt la temperaturile T1 si T2 si o t.t.e.m. E2 cand jonctiunile sunt la temperaturile T2 si T3, t.t.e.m. generata cand jonctiunile sunt la temperaturile T1 si T3 va fi E1 + E2. Din aceste legi rezulta ca daca intre jonctiunile 1 si 2 (fig.1.8) se introduce un conductor de prelungire, circuitul se comporta ca si cum nici nu ar exista cel de al treilea material.

Fig.1.7. Schema de principiu a unui termocuplu Fig.1.8. Circuit termoelectric elementar .. Daca una din temperaturi, de exemplu T2, se mentine constanta, t.t.e.m.rezultata depinde numai de temperatura T1, adica: Eab(T1, T2) =f (T1) . (1.7) Circuitele termoelectrice utilizate pentru masurarea temperaturii (fig.1.8), se compun din termocuplul format din doua materiale de natura diferita a si b sudate la jonctiunea 1 (sudura calda), cablurile de prelungire CP confectionate din acelasi material ca si conductorii termocuplului, care au rolul de a deplasa jonctiunea de referinta 2 (cu fluctuatii mari de temperatura) in zona 2, unde temperatura poate fi mentinuta constanta, si aparatul pentru masurarea t.t.e.m. 3 (care de obicei este un milivoltmetru) conectat la jonctiunea de referinta prin conductori de cupru.

Etalonarea milivoltmetrelor pentru termocupluri se face in general la temperatura de 0oC sau 20oC a sudurii reci. Daca, in conditiile de masurare temperatura sudurii reci variaza in raport cu temperatura de etalonare se efectueaza corectia acesteia dupa relatia: treal =tind k (t1 - to) (oC) , (1.8) unde: treal este temperatura reala, in oC; tind - temperatura indicata de aparat, in oC; to - temperatura sudurii reci la etalonare (to t=0oC,in cadrul lucrarii), in oC; t1 - temperatura sudurii reci in timpul masurarii, in oC; k - coeficient care depinde de tipul termocuplului si de intervalul de temperatura. In tabelul 1.2 se dau valorile coeficientului k pentru cele mai uzuale termocupluri.

Tabelul 1.2. Valorile coeficientului k TERMOCUPLUL Cromelcopel copel Constantan 0,067 0,056 0,053 0,046 Copel Constantan nichel 0,040 0,040 0,040 0,006 Alumel CromRodiuplatina FierFierCupruCupruCromelNichelPlatina

Compensarea influentei variatiei temperaturii sudurii reci se poate face automat prin folosirea unor dispozitive numite punti compensatoare (fig.1.9) alimentate la curent continuu, constant si alcatuite din doua rezistente (R1, R2) independente de temperatura (din manganina sau constantan) si doua rezistente (Rt1, Rt2) dependente de temperatura(Cu, Ni). Puntea este alimentata in curent continuu de la sursa S prin rezistenta aditionala Ra necesara reglarii curentului in punte. Cand are loc modificarea

temperaturii jonctiunii de referinta fata de temperatura de etalonare, se dezechilibreaza puntea iar diferenta de potential, proportionala cu variatia temperaturii care apare in diagonala CD, compenseaza t.t.e.m. dezvoltata de termocuplu. In tabelul 1.3 sunt prezentate termocuplurile cele mai uzuale si caracteristicile lor, iar in fig.1.10, ansamblul unui termocuplu pentru masurarea temperaturii in spatii inchise.

Fig.1.9. Compensarea automata a variatiei de temperatura. Fig.1.10. Termocuplu: 1-termoelectrozi; 2- teaca de protectie; 3- cutia de conexiuni; 4- placa de borne.

Tabelul 1.3. Termocupluri si caracteristicile lor Limita de utilizare (oC) Termocuplul Sim- Polaritatea bol 0 FierConstantan Const CupruConstantan Const CromelConstantan E Cromel Const -270 600 1000 76,358 T Cu -270 400 400 20,869 1 J 2 Fe 3 -200 Minima continuu 4 600 Maxima intermitent 5 760 T.t.e.m. maxima (mV) 6 42,922

Cromel-AluMel(NiCrNi) Cupru-Copel

K

Cromel Alumel -

-270

1000

1370

54,807

-

Cu Copel -

-200

100

100

4,721

CromelCopel

-

Cromel Copel -

0

600

800

66,470

PtRh(lo%) -Pt PtRh(13%)Pt PtRh(30%)PtRh(6%) (PtRh-18) PtRh(20%)PtRh(5%) IrRh(40%)-Ir

S

PtRh(l0) Pt -

0

1400

1760

18,612

R

PtRh(13) Pt -

0

1400

1760

21,006

B

PtRh(30) PtRh(6) -

0

1700

1820

13,814

-

PtRh(20) PtRh(5) -

0

1700

1790

12,509

-

IrRh(40) Ir -

0

2000

2150

11,612

IrRh(5o%) Ir

-

IrRh(50) Ir -

0

2000

2140

12,224

IrRh(60%) Ir

-

IrRh(60) Ir -

0

2000

2100

11,654

Tabelul 1.3. Continuare 0 WRo(5%) WRo(25%) WRo(3%) WRo(25%) Cromel FeAu(0,07) 1 2 WRo(5) WRo(25) WRo(3) WRo(25) Cromel FeAu(0,07) -273 0 52,629 0 2300 2400 40,678 3 0 4 2300 5 2500 6 33,636

Termometru Digital Tensiunea termoelectromotare care apare in circuit poate fi masurata si cu un termometru digital. Senzorul de temperatura este un termocuplu. Acest aparat permite citirea temperaturii direct 0C, 0F sau K. Domeniul de masurare pentru termocuplul digital este 200-18000C (depinde de tipul termocuplului) iar domeniul de tensiuni de la 10-75 mV.

Fig.1.11.Termometru Digital

Pirometre cu radiatie Legile care stabilesc legatura dintre energia radiata si temperatura sunt legile radiatiei emise de Stefan-Boltzmann si Plank. Aceste legi arata ca un corp radiaza energie termica la orice temperatura si ca o crestere a temperaturii provoaca o crestere a energiei radiate. Dupa principiul lor de functionare pirometrele cu radiatie se impart in : pirometre cu radiatie totala avand la baza legea Stefan-Boltzmann, pirometre optice cu disparitia filamentului (cu radiatie partiala) bazate pe legea lui Plank si pirometre fotoelectrice. Pirometrele optice monocromatice cu disparitia filamentului sunt larg raspandite in practica industriala deoarece sunt simple, suficient de robuste si usor de manevrat. Schema de principiu a unui pirometru optic cu disparitia filamentului este prezentata in figura 1.12. El se compune dintr-o parte optica si una electrica. Partea optica se compune din: obiectivul 1, ocularul 2, filtrul 3, sticla absorbanta 4 si diafragma 5. Partea electrica este formata din lampa pirometrica 6, reostatul 7, aparatul de masura 8, becul 9 pentru iluminarea scalei aparatului de masura, scala 10, releul 11, bateriile uscate (de 1,5V) 12, butonul 13 pentru inchiderea circuitului electric al aparatului de masura si butonul 14 pentru alimentarea becului. Masurarea temperaturii se face prin compararea intensitatii radiatiei emise de corpul cercetat cu intensitatea radiatiei filamentului lampii pirometrice a carei incandescenta se regleaza cu ajutorul reostatului. Citirea temperaturii se efectueaza pe scala superioara a aparatului pana la temperatura de 1400oC. Peste aceasta valoare este necesar a se introduce intre obiectiv si lampa pirometrica sticla absorbanta 4 pentru evitarea volatilizarii filamentului. In felul acesta se pot masura temperaturi pana la 2000oC. Temperatura unui corp care nu este negru, masurata cu pirometrul optic monocromatic, este totdeauna mai mica decat temperatura reala a corpului. Corectiile de temperatura ce se impun in asemenea cazuri se efectueaza cu relatia: treal =tind t oC , (1.9) unde: t este corectia de temperatura determinata din nomograma din figura 1.13, in care reprezinta coeficientul de absorbtie al corpului a carui temperatura se masoara si care se obtine din tabelul 1.4.

Fig.1.12. Schema unui pirometru cu radiatie partiala.

1.3. Mersul lucrarii Masurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor de sticla cu lichid se efectueaza asupra mediului ambiant. Pentru masurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor cu rezistenta, a pirometrelor termoelectrice si a pirometrelor cu radiatie cu disparitia partiala a filamentului, se foloseste instalatia din figura 1.14, a carei schema electrica este prezentata in figura 11.2. (Lucrarea 11). Dupa cuplarea instalatiei la reteaua de energie electrica cu ajutorul intrerupatoarelor 15 si 7, se efectueaza masurarea temperaturii cu ajutorul termorezistentelor din Pt si Cu, pirometrului termoelectric din Pt-RhPt si a pirometrului cu radiatie partiala.

Fig.1.13. Nomograma pentru corectia temperaturii la pirometrul cu radiatie partiala.

1.4. Prelucrarea si interpretarea rezultatelor Valorile citite se vor trece in tabelul 1.5, dupa ce in prealabil s-au indicat caracteristicile si clasa de precizie a aparatelor. Se va efectua de asemenea corectarea temperaturilor cu ajutorul relatiilor (1.8) si (1.9).

Tabelul 1.4. Coeficientii de absorbtie ai unor materiale la diferite temperaturi pentru =0,650 Materialul 0 Fier solid Fier lichid Cupru solid Cupru lichid Nichel Wolfram Wolfram Wolfram Carbon grafit Carbon grafit Carbon grafit Otel topit Oxid de cupru Oxid de cupru Oxid de fier Oxid de fier Oxid de nichel Oxid de nichel Al2O3 Al2O3 MgO MgO Temperatura oC 1 1050 1530 1100 1000 2000 3400 1000 2000 3000 1000 1100 800 1200 800 1300 900 1700 900 1700 2 0,30 0,36 0,11 0,15 0,37 0,45 0,43 0,40 0,90 0,85 0,81 0,40 0,80 0,60 0,98 0,96 0,96 0,85 0,20 0,40 0,20 0,45

Portelan Samota

-

0,25 - 0,50 0,70 - 0,80

Valorile citite se vor trece in tabelul 1.5, dupa ce in prealabil s-au indicat caracteristicile si clasa de precizie a aparatelor. Se va efectua de asemenea corectarea temperaturilor cu ajutorul relatiilor (1.8) si (1.9).

Fig.1.14. Instalatia utilizata pentru masurarea temperaturii: 1- cuptor electric; 2- bare de silita; 3termorezistente din Pt; 4- termocuplu Pt-RhPt; 5- termorezistenta din Cu; 6- logometru; 7intrerupator alimentare curent continuu; 8- panou; 9- tablou de comanda; 10- reostat; 11- intrerupator alimentare retea; 12- logometru; 13- voltmetru; 14- milivoltmetru; 15- intrerupator alimentare bare de silita; 16- ampermetru.

1. Istorie Thomas Johann Seebeck (1770-1831), un fizician german-baltic, este creditat cu descoperirea curentului generat de atingerea a doua metale diferite la temperaturi diferite pentru a devia un ac de compas. Seebeck a produs primele termocupluri i a experimentat cu metale de diferite tipuri i forme. Cu toate acestea, el a crezut c curentul produs era defapt magnetic si nu electric. ntr-adevr, rapoartele sale la Academia de tiine a Prusiei ntre 1822 i 1823 descriu observaiile sale ca

"polarizarea magnetica a metalelor si minereurilor produsa de o diferenta de temperatura." Cu toate acestea, efectul termoelectric este acum denumit Efectul Seebeck. Folosind munca lui Seebeck ca fundatie a cunostintelor sale, fizicianul italian Leopoldo Nobili (1784-1835) a colaborat cu un alt fizician italian, Macedonio Melloni (1798-1854), pentru a dezvolta o baterie termoelectrica n 1826. Denumita "thermo-multiplicateur" (termomultiplicator), a derivat de la descoperirea lui Seebeck a termoelectricitatii prin combinarea unui termopil i a unui galvanometru pentru msurarea radiaiilor. Pentru munca lui, unii oameni il considera ca inventator al termocuplului cum este cunoscut astzi, sau cel puin arhetip. Astazi termocuplurile sunt utilizate pe scar larg, n special n misiuni de explorare spaial, aparatele de nclzire i electronice de fabricaie. Ele sunt populare n aceste industrii, deoarece acestea sunt simple, durabile, nu au nevoie de baterii, de ncredere i acoper o gam larg de temperaturi. 1. 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 o C. Met Ag Bi Cu Co Fe Ge M Ni Pb Sb Si al o U(m 0,7 0,7 1,9 33, 1,4 0,4 4,8 V) 4 7,3 6 1,3 8 9 5 1,4 4 9 41,5 4 3 8 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 Pq 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)nkB , 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/(ne) = (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 = aT 2 + bT + c (2) coeficientul Seebeck S fiind: S = dU/dT = 2aT + b, [S]SI = V/K (util m V/oC) (3) Termocuplul Cu Fe

0 U(mV ) T(oC) 0

0,5 57

1 135

1,5 28 5

1 45 5

0,5 51 3

0 570

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 2 h=(p /2) (T/TF) kB/e: S = ? (h/T) dT= h (13)

2. Tipuri de traductoare de temperatura

Msurarea temperaturii se bazeaz pe diferite fenomene i efecte fizice, n care modificarea temperaturii determin modificri ale unor proprieti sau caracteristici ale materialelor: variaia dimensiunilor geometrice, variaia rezistenei electrice, apariia unei tensiuni electromotoare de-a lungul jonciunii a dou metale, variaia intensitii radiaei emise, variaia frecvenei de rezonan a unui cristal de cuar etc. Acurateea procesului de msurare a temperaturii este foarte important pentru cele mai multe aplicaii de control a diferitelor procese tehnologice. n Tabelul 1 sunt prezentate patru dintre cele mai utilizate tipuri de traductoare de temperatur, mpreun cu cteva caracteristici semnificative ale lor.Tabelul 1 Tip detraductorcu SEMICONDUCTORI

Domeniul de temperaturi [oC]

Caracteristiciliniaritate repetabilitate sensibilitate 10mV/K sau 10A/K

Observaii

-55 ... +150

necesit o surs de excitare

TERMOCUPLU

-184 ... +2300

caracteristici repetabile

necesit o jonciune rece compensatoare

cu REZISTEN VARIBIL

-200 ...+850

liniaritate bun acuratee

necesit o surs de excitare cost redus

TERMISTORUL

-75 ... +300

liniaritate slab sensibilitate bun

necesit o surs de excitare

Termocuplurile sunt capabile s msoare temperaturi extreme dar necesit tehnici de realizare a temperaturii de referin, sunt neliniare i au un nivel mic al semnalului de ieire. Senzorii de temperatur cu semiconductori se preteaz la realizarea lor sub form integrat, au un nivel mare al semnalului de ieire dar acoper un domeniu relativ restrns de temperaturi. Termometrele cu rezisten metalic au o acuratee i o liniaritate mai bune, dar necesit o surs de energie de excitare i un circuit de masur de tip punte. Termistorii au cea mai mare sensibilitate dar sunt puternic neliniari.

TermocuplulTermoelectricitatea este relaia dintre temperatura unei substane i energia electric. n anumite condiii, energia electric i cldura pot fi convertite reciproc. Dac variaiile energiei electrice datorate conversiei energiei termice pot fi msurate, acestea pot fi corelate cu temperatura substanei.

Atunci cnd o pereche de dou metale diferite sunt sudate formnd o bucl nchis, iar cele dou jonciuni se afl la temperaturi diferite (fig.1), bucla va fi parcurs de un curent electric a crui intensitate depinde de diferena dintre temperaturile jonciunilor. Acesta este efectul Seebeck care este folosit pentru msurarea temperaturilor.

Pentru aceleai dou metale diferite i o aceeai diferen de temperatur dintre jonciuni, tensiunea electromotoare net (suma algebric a celor dou t.e.m.) este aceeai. Ea poate fi msurat i calibrat n uniti de masur a temperaturii. Dac cele dou jonciuni se afl la aceeai temperatur, tensiunea electromotoare net este nul. n momentul n care temperatura uneia dintre cele dou jonciuni ncepe s se schimbe, apare o t.em. net, care este cu att mai mare cu ct diferena dintre temperaturi este mai mare. Acesta este principiul pe care se bazeaz funcionarea termocuplului.

Termocuplul este compus din dou fire metalice diferite sudate, astfel nct s formeze un circuit nchis (fig.2). Sonda propriu-zis este reprezentat de una din jonciuni (jonciunea de masura sau jonciunea cald) care poate fi pus ntr-o manta protectoare. Ea este plasat n mediul a crui temperatur vrem s o msurm. Mrimea i sensul curentului care va parcurge circuitul atunci cd jonciunile se afl la temperaturi diferite depinde de diferena de temperatur i de tipul metalelor folosite. De regul, t.e.m. rezultant este mic (de ordinul mV). Un voltmetru conectat n circuit reprezint ieirea pentru utilizator i este calibrat n uniti de temperatur. Pentru o bun acuratee a rezultatelor, cea de a doua jonciune (jonciunea de referin sau jonciunea rece) trebuie meninut la o temperatur constant, eliminnd astfel erorile datorate driftului termic. Jonciunea de referin este denumit i jonciune rece, chiar dac temperatura ei (de regul 0oC) poate fi mai mare dect temperatura jonciunii de msur. T.e.m. rezultant nu este influenat de dimensiunile conductorilor, de ariile suprafeelor jonciunilor sau de modul n care sunt sudate metalele.

Metalele tipice folosite pentru construcia termocuplurilor sunt rodiul, aliajele de nichel i crom, aliajele de aluminiu i nichel sau aliajele de nichel i cupru. Metalele care se mperecheaz cu acestea sunt platina, cuprul i fierul. Incinta de protecie n care este introdus jonciunea de msur trebuie s fie rezistent din punct de vedere mecanic i la mediile corozive. n Tabelul 2 sunt prezentate tipurile de termocupluri i caracteristicile lor, precum i notaiile internaionale folosite pentru ele, iar n fig.3 caracteristicile electrice ale lor.

Termocuplurile sunt folosite pe scar larg la msurarea temperaturilor solidelor, lichidelor sau gazelor: -n furnale -metale topite -n reactoare nucleare -monitorizarea temperaturii n timpul operaiilor medicale -msurarea temperaturii obiectelor foarte mici, de exemplu a componentelor electronice semiconductoare In general ele sunt ieftine i versatile. Utiliznd termocupluri se pot msura temperaturi de la 265oC pn la 2300oC, cu o precizie care depinde de felul de metalelor folosite pentru construcia lor. Dintre senzorii cu care temperatura se msoar direct, termocuplurile acoper cel mai larg domeniu de temperaturi. Ele rspund destul de rapid la variaiile de temperatur dar au o acuratee mai mic dect termometrele cu rezisten metalic.

Cea mai la ndemn metod de meninere la o temperatur constant a jonciunii de referin era plasarea ei ntr-o baie de ap cu ghea aflat la 0oC. Azi este ns mult mai practic s se foloseasc metode electronice de realizare a tensiunii de referin corespunztoare temperaturii de 0oC, chiar dac jonciunea rece este la o alt temperatur. n fig.4 este prezentat o schem bloc a unui circuit electronic destinat acestui scop.

Jonctiunea de referinta, aflata la o temperatura oarecare este plasata ntr-un bloc izoterm a crui temperatur t, este msurat de un alt senzor de temperatur. Semnalul electric (curent sau tensiune) furnizat de senzor este aplicat unui circuit electronic care furnizeaz la ieirea sa o tensiune

(Ucomp) care compenseaz diferena dintre tensiunea jonciunii la temperatura t i tensiunea ei la 0oC. Circuitul electronic de compensare poate fi realizat de exemplu cu un amplificator operaional conectat ca aplificator diferenial. Analiznd schema din fig.4 se poate observa c:

Tensiunea de la ieirea comparatorului este funcie de temperatura blocului izoterm. Calibrarea dispozitivului de msurare se face n felul urmtor: se plaseaza jonciunea de msur la 0oC i se ajusteaza amplificarea circuitului de compensare astfel nct tensiunea de ieire s fie 0V. n aceste condiii: Substituind tensiunea de la ieirea comparatorului dat de relaia (9) n expresia tensiunii de ieire dat de relaia (8), se obine pentru tensiunea de ieire la o temperatur oarecare t, expresia: Este evident c relaia precedent este valabil doar n condiiile n care temperatura jonciunii de referin este meninut constanta prin intermediul blocului izoterm.

Traductoarele de temperatur cu termorezisten Traductoarele de temperatur cu termorezisten i bazeaz funcionarea pe proprietatea metalelor (materiale conductoare) de a produce o sarcin electric spontan ca rezultat al modificrii brute a temperaturii (efectul piro-electric). S-au folosit mai ales informaii legate de rezistivitate, inversul conductibilitii, rezultnd dezvoltarea traductoarelor de temperatur cu termorezisten. Fiecare metal are o rezistivitate specific ce poate fi determinat experimental. Aceast rezisten (R) este direct proporional cu lungimea firului (l) i invers proporional cu aria seciunii transversale (S). n cazul unui conductor omogen formula este: l R= (1) S unde =constanta de proporionalitate sau rezistivitatea materialului. Elementele sensibile rezistive i bazeaz funcionarea pe proprietatea unor materiale (metale, aliaje, oxizi metalici) de a-i modifica rezistena electrica n funcie de temperatura mediului de lucru n care sunt introduse. Variaiile de rezisten electric sunt preluate de ctre un adaptor, care le convertete n semnal electric de ieire. Traductoarele de temperatur cu termorezisten sunt realizate din metale a cror rezisten crete cu temperatura. Pentru o variaie mic de temperatur rezistivitatea crete liniar cu temperatura: t=0[1+(t-t0)] (2) unde t = rezistivitatea la temperatura t; 0 = rezistivitatea la temperatura t0; =coeficient de temperatur al termorezistenei (C-1). Msurarea temperaturii este esenial n industrie. Aceast sarcin revine traductoarelor de temperatur cu termorezistene care sunt disponibile n configuraii variate, att n medii normale (de laborator), ct i n medii cu pericol ridicat de explozie. Combinnd ecuaiile (1) i (2), n condiiile n care t0 este temperatura la 0C i punnd rezultatul sub forma y=mx+b, rezult clar c rezistena variaz liniar cu temperatura: R =1+t (3) Ro

Cele mai rspndite termorezistene n aplicaiile industriale se obin prin bobinarea antiinductiv, pe un suport izolant, rezistent la temperatur; elementul sensibil astfel obinut se introduce n teci de protecie, prevzute cu dispozitive de prindere i cutii de borne. Pentru fabricarea termorezistenelor se folosete ca suport izolant textolitul, mica sau ceramica. Pe suportul respectiv se bobineaz neinductiv un fir metalic. Metalele utilizate permit prelucrarea la un diametru foarte mic i o bun stabilitate n timp sub influena temperaturii ridicate i agenilor chimici. Teaca de protecie este destinat pentru a proteja elementul sensibil i firele conductoare de legtur de aciunea duntoare a mediului. Se poate executa din diferite materiale. Materialul tecilor de protecie este condiionat pe lng domeniul de temperatur i natura fluidului a crui temperatur o msoar. Comportarea n timp a tecilor de protecie este influenat puternic de factorii locali activi. Pentru exprimarea i compararea proprietilor termice ale materialelor folosite la confecionarea elementelor sensibile se utilizeaz coeficientul de temperatur 0100 , definit pe intervalul 0C100C prin relaia: R100 R 0 0100 = 100 R0 sau raportul W100 al rezistenelor: R100 W100= R0 unde R0,R100 reprezint rezistenele firului la 0C, respectiv la 100C. S-a observat experimental c 0100 este cu att mai mare cu ct puritatea metalului utilizat este mai ridicat, crescnd de asemenea odat cu nlturare tensiunilor mecanice ale firului rezistiv. Alte caracteristici care permit compararea termorezistenelor ntre ele sunt urmtoarele: materialul din care este confecionat elementul sensibil(platin, cupru, nichel, mai rar wolfram si molibden); valoarea rezistenei la 0C (R0) i eroarea sa tolerat (se construiesc termorezistene de 100 0.1%, 100 0.2%, 50 0.1%, 50 0.2% , mai rar 46 0.1% i 53 0.1%); constanta de timp (se disting termorezistene cu constant de timp mic T 15s, medie 15s90s); intervalul de msurare, n funcie de care exist termorezistene de joas temperatur (-200C+650C/+850C); gradul de protecie mecanic, climatic, antiexploziv, anticorosiv; clasa de precizie delimitat prin eroarea tolerat admis raportului W100 (clasa nti 0,0005, clasa a doua 0,001, clasa a doua 0,002). Teoretic orice metal poate fi folosit la msurarea temperaturii. Metalul ales trebuie s aib un grad nalt de sensibilitate i abilitatea de a reduce efectele corosive. Materialul care ndeplinete aceste cerine cel mai bine este platina i astfel ea a devenit elementul sensibil ales n termorezistene. Printre caracteristicile sale se numr de asemenea stabilitatea chimic, disponibilitate n form pur i proprietile electrice care sunt foarte bine redate. Pentru proprietile sale(punct de topire ridicat , 1772C, rezistena la medii oxidante, reproductibilitatea foarte bun a valorii rezistenei electrice pentru orice temperatur din domeniul de utilizare ), platina este metalul cel mai utilizat n realizarea termorezistenelor pentru aplicaii industriale. Se realizeaz termorezistene etalon din platin pentru reproducerea scrii de temperatur. Alte materiale folosite sunt: Cuprul permite realizarea unei bune reproductibiliti deoarece se poate obine cu puritate naintat pe cale electrolitic, termorezistenele tehnice se utilizeaz n domeniul -50C+180C, ntruct peste +180C apare fenomenul de oxidare, producnd alterarea ireversibil a proprietilor de reproductibilitate. Nichelul are o bun sensibilitate i liniaritate, dar termorezistenele tehnice se utilizeaz n domeniul -60C+180C datorit apariiei fenomenului de oxidare la temperaturi ridicate. Wolframul prezint o bun liniaritate i o rezisten, astfel c se confecioneaz termorezistene din fire de diametru mic (1015m), utilizate pe domeniul 0C+600C; wolframul este folosit cu

predilecie fr teac de protecie, n medii gazoase cu viteze mari de curgere, sub form de elemente sensibile cu fire calde. n mod uzual pe acelai suport izolant se realizeaz unu sau dou elemente sensibile; pentru protecia la agresivitatea mediului de lucru, tecile de protecie pentru termorezistene se confecioneaz din: cupru (indicate pentru msurarea temperaturilor joase), oel de construcie OLT 45 (recomandate pentru temperaturi pozitive n medii neutre), oel inoxidabil (indicate la temperaturi pozitive n medii oxidante sau reductoare). n funcie de forma i dimensiunile tecii de protecie, ca i de restriciile mediului n care se face msurarea, se poate face o clasificare a termorezistenelor n: termorezistene subminiatur, termorezistene miniatur, termorezistene rapide, termorezistene normale, termorezistene cu cot, termorezistene pentru presiuni nalte, termorezistene multiteac, termorezistene pentru suprafee plane. Structura general a traductorului este urmtoarea:

Unde:

ES este elementul sensibil, CC este circuitul de condiionare, CAN este Convertorul Analog Numeric, SAE este sursa auxiliar de energie, ICA este interfaa de comunicare si afiare.

Elementul sensibil Elementul sensibil ales este platina Pt100. Termorezistenele de platin sunt fcute din platin de clas IEC/DIN sau platin cu clas de referin. Diferena const n puritatea platinei folosite. Din clasa IEC/DIN standard face parte platina pur care e intenionat contaminat cu alte particule de platin cu un anumit grad de impuritate. Platina din clasa de referin are puritate a de 99,99%. Ambele probe vor msura 100 la 0C, dar la 100C platina din clasa DIN va arta 139,02. Comitetele internaionale au stabilit curbele de dezvoltare standard pentru traductoarele cu termorezisten. S-au stabilit de asemenea coeficienii de temperatur ntre 0C i 100C. Rezolvnd ecuaia (3): =(R100-R0)/ R0t (4) -1 Pentru curba european (IEC/DIN): =0.00385 (C ) Pentru platina din clasa de referin: =0.003926 (C-1)

Relaia dintre rezisten i temperatur poate fi aproximat de ecuaia lui Callendar-Van Dusen, care poate fi simplificat i adus la urmtoarea form: Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3] (5) Rt R0(1+At+Bt2) (6) Callendar-Van Dusen a rezolvat problema innd cont de dou puncte suplimentare: punctul de fierbere a apei (100C) i punctul triplu al zincului (419.58C). Coeficienii A,B,C depind de firul de platin i de puritatea lui. n conformitate cu IEC 751-2 (ITS 90) se cunosc: A=3.9083*10-3(C-1) B=-5.775*10-7(C-2) C=-4.183*10-12(C-4) Relaiile de mai sus se folosesc n operaiile de etalonare efectuate n laboratoarele metrologice autorizate; pentru aplicaiile industriale se utilizeaz caracteristica static tabelat, care precizeaz valoarea rezistenei termorezistenei, din C n C sau din 10C n 10C, pe domeniul maxim de utilizare a acesteia. n mod uzual domeniul de lucru al termorezistenelor de platin este de -200C+650C, iar n construcii speciale poate fi extins pn la 850C. Spre temperaturi nalte apare fenomenul de volatilizare, care este contracarat prin folosirea unei srme din platin cu diametru mare (diametrul firului este tipic 0.05mm, dar poate ajunge pn la 0.5mm atunci cnd se dorete extensia limitei superioare a domeniului de utilizare). Folosirea termorezistenelor din platin fr teac de protecie, impus de necesitatea obinerii unei constante de timp foarte mici, trebuie fcut cu precauie mai ales n medii gazoase, deoarece n contact cu amestecurile combustibile platina devine catalizator accelernd procesul de ardere, consecina fiind eronarea temperaturii msurate. Deoarece de la cutia de borne pn la adaptor rezistena termorezistenei este adus prin intermediul unui cablu, care introduce suplimentar o rezisten de linie, este indicat ca valoarea nominal R0 s fie ct mai mare; aa se explic utilizarea predilect a termorezistenelor cu R0=100, existnd chiar realizri industriale de 500 i 1000. Tendina de standardizare pe plan mondial din domeniul sistemelor i echipamentelor de automatizare se rsfrnge i asupra termorezistenelor (de exemplu, pentru cazul termorezistenelor de platin destinate aplicaiilor industriale, marile firme utilizeaz cu predilecie Pt 100 cu W100=1.385). Datorit diametrului mic al firului rezistiv puterea disipat de o termorezisten este redus; pentru a nu exista pericolul nclzirii prin efect Joule, curentul admis printr-o termorezisten nu depete 1mA pentru cele cu srm de 0.05mm respectiv 10mA pentru cele cu diametrul srmei de 0.1...0.5mm. Cnd discutm despre traductoare de temperatur cu termorezistene trebuie luate n considerare urmtoarele aspecte: autonclzirea sau efectul Joule. Temperatura indicata de senzor este un pic mai mare datorita acestuia. Totodat, autonclzirea depinde puternic de mediul in care este imersata termorezistena; precizia msurrii. Exist dou seturi de tolerane: clasa A (-200 +650oC) - se aplica doar termorezistenelor in conexiune pe trei sau patru fire i clasa B (-200 +850oC); stabilitatea o proprietate a senzorilor de a menine constant ieirea cnd avem la intrare o tensiune constant. Modificrile fizice sau chimice pot duce la apariia unor cureni de calibrare. Proporiile acestor cureni specificate de productori sunt tipic de 0.05oC/an ; repetabilitatea. Este proprietatea unui senzor de a da acelai rezultat la ieire, la efectuarea repetat a msurrii n aceleai condiii; rspunsul n timp. Este capacitatea senzorului de a reaciona la variaia temperaturii i acest rspuns n timp depinde de masa senzorului i a materialului testat. Specificaiile termorezistenei conin i constantele de timp ale acesteia definita ca perioada de timp care i trebuie termorezistenei s ating valoarea de 2/3 din valoarea de echilibru atunci cnd termorezistena este supusa unei trepte de temperatura;

configuraia instalaiei electrice. n funcie de modul de conectare a surselor i a ieirii traductorului se disting 3 variante de conexiune: pe 4 fire, pe 3 fire (deviat din cea de 4 fire cu observaia c e posibil o legtur comun ntre alimentare i ieirea traductorului) i pe 2 fire (specifice traductoarelor cu ieirea n curent unificat. Cele dou fire de conectare sunt folosite att pentru alimentare ct i pentru obinerea semnalului de ieire. n acest caz exist dou surse de curent: una cu ieire constant i cealalt cu ieire comandat de circuitul de intrare CI.)

3. Exemplu practic

Traductor de temperatura cu element sensibil termocuplu

Se va concepe folosind date de catalog schema unui traductor de temperature cu element sensibil de tip termocuplu, capabil de urmatoarele performante generale: alimentare si semnal analogic de iesire pe 2 fire; mediu de lucru industrial; timp de raspuns de ordinal microsecundelor; posibilitatea afisarii locale a marimii masurate; conversia analog-numerica in cod binar a marimii masurate pentru cuplarea directa la echipamente numerice de conducere. Domeniul de masurare: min=0C, max=100C; Curentul de iesire Ie=1-5 mA; Eroarea maxima admisa pe tot domeniul de functie: =0.6%; Rezistenta de sarcina maxim admisa Rs=0-5K; Mediul in care se face masurarea= oxidant; Timpul de raspuns al elementului sensibil, =1,5 min. 1. Conform schemei , un traductor de temperatura cu termocuplu este alcatuit principial din : elementul sensibil de tip termocuplu, care face conversia din temperatura in tensiune termoelectromotoare; cablurile de prelungire, prin intermediul carora jonctiunea de referinta este adusa la locul masurarii intr-o zona unde este posibila mentinerea constanta a temperaturii; adaptorul care obtine semnalul unificat de iesire Ie ; Iesirea analogica a traductorului este convertita in semnal numeric prin intermediul unui convertor analog-numeric (CAN), conectat la iesirea adaptorului. Interfata de comunicatie, IC va avea ca sursa de iesire codul numeric y.

SAE reprezinta sursa de alimentare auxiliara ce alimenteaza elementul de legatura si transport precum si adaptorul. Elementul sensibil de tip termocuplu este de tip activ (generator), deci nu necesita alimetare auxiliara, energia necesara efectuarii masurarii fiind preluata de la masurand.

x

ES

ELT

A

Y

ICC CAN IC

Y

SAE

1.1 Elementul sensibil de tip termocuplu. Termocuplul reprezinta ansamblul a doua conductoare omogene, de natura diferita, denumite termoelectrozi, sudate la unul din capete (sudare calda) care este imersat in mediul cu temperatura de masurat, la capetele libere, care constituie jonctiunea de referinta sau sudura rece, aflata la temperatura o, aparand o tensiune electromotoare ETC prin efect Seebeck, a carei valoare este data de relatia aproximativa ETC=KTC(-o), unde KTC este sensibilitatea termocuplului, dependenta de natura celor 2 termoelectrozi. Sensibilitatea KTC este de valori reduse intre 0.005 si 0.007 mVC, nefiind constanta pe domeniul de masurare, deci relatia scrisa anterior este valabila pe intervale mici de timp. De aceea caracteristica statica a termocuplului se stabileste graphic printr-o forma tabelata ce contine tensiunea electromotoare din 10 C in 10 C. Constructiv termocuplurile se compun din urmtoarele elemente: - termoelectrozi (1) - teaca de protecie (2) - cutia de conexiuni (3) - dispozitiv de fixare (4) Poziionarea acestora este dat in figura 2:

Fig. 2.

1.1.1

Termoelectrozii.

Sunt confecionai din materiale omogene (fr impuriti, deformri, tensiuni mecanice etc.). Doi termoelectrozi din materiale diferite sunt sudai la unul din capete, formand un termoelement. Exist termocupluri cu un termoelement (termocupluri simple) i cu dou termoelemente (termocupluri duble). Termoelectrozii trebuie s aib urmtoarele proprieti: - tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m) cat mai mare in funcie de temperatur; - conductibilitate termic mare; - coeficient mic al variaiei rezistenei electrice cu temperatura; - uor prelucrabili; - rezisteni la coroziune, ocuri mecanice i termice; - s nu-i schimbe in timp caracteristicile termoelectrice. Diametrul termoelectrozilor poate influena limita maxim de utilizare a termocuplului. Acest lucru este ilustrat in tabelul 1. (regim continuu de utilizare):

Tabelul 1

Datorita temperaturii mediului de masurare, am ales ca material de confectionare a termoelectrozilor Cromel-Cropel. Punctul de topire al cromelului este 1430C valori ce sunt net superioare lui max=100C. Termoelectrozii alesi nu au impuritati, tensiuni mecanice, deformari, si dezvolta o tensiune electromotoare in functie de temperatura de valoare relativ mare, avand in acelasi timp un coeficient de variatie cu temperatura a rezistentei electrice mic ( K(Pt)=0.2710-3 K-1. De asemenea ele sunt rezistente la coroziune, socuri termicesi mecanice si nu isi schimba in timp temperatura. Diametrele termoelectrozilor sunt de 0.35 mm, fapt ce conduce la atingerea fara probleme a limitei de utilizare maxime de 100C. Forma termocuplului este cea standard, pentru a avea o mai larga utilizare industriala.

1.1.2

Teaca de protectie. Teaca de protectie are rolul de a feri termoelectrozii de actiunea coroziva a mediului a carui

temperatura se masoara, impiedica deteriorarea lor mecanica, asigura o montare corecta si comoda a termocuplului in zona de masurare. Teaca de protectie aleasa in functie de mediul bazic in care va fi folosit traductorul si tinand cont de temperatura maxima de expunere, este cea de tip Otel-Inox 304 sau 306, cu o dimensiune de 20 mm.

Pentru a face fata la situatia cand presiunea mediului de lucru este superioara presiunii atmosferice, teaca de protectie va fi fixata cu nipluri sudate. Lungimea nominala a tecii de protectie este de 2000 mm, aceasta fiind caracteristica termocuplului normal (standard) ales. Pentru aplicatiile care impun masurarea temperaturii unor corpuri de dimensiuni reduse se va utiliza o sondade temperatura cu termocuplu incorporat, de tip termocupluri cu varfuri. Cei doi termoelectrozi sunt separati, sudura calda realizandu-se prin infigerea acestora in corpul conductor a carui temperatura se masoara. Se va avea grija ca suprafata sa fie curatata de oxizi pentru a se evita aparitia unei tensiuni electromotoare perturbatoare. Dimensiunea si materialul tecii de protectie au fost astfel alese incat termocuplul rezultat are o constanta de timp intre 15s si 90s, termocuplul avand un timp de raspuns mediu. Atingerea valorii de temperatura din incinta in care se face masurarea se realizeaza practic dupa un timp de raspuns ts=3-4T. La montarea traductorului, se va tine seama de minimizarea erorilor de masurare si de aceea va fi montat pe directia gradientului maxim de temperatura. 1.1.3 Cutia de borne (cutia de conexiuni). Cutia de borne este partea component a termocuplului care face legtura propriu-zis intre termocuplu i mijlocul de msurare direct. Cutia de borne este rezistent pan la temperatura de 150C i are o rezisten mecanic bun. Ea are in interior pozitionat plcuta de borne unde se face racordul direct intre capetele libere ale termo-elementului i cablul de prelungire. 1.1.4 Dispozitive de fixare. Dispozitivul de fixare poate fi: - flan mobil; - flan fix; - niplu sudat; - niplu mobil. Dispozitivele de fixare flan sudat i niplurile fixe sunt fixate pe teac printr-un cordon de sudur. Distana de la vrful tecii pan la faa inferioar a dispozitivului se numete lungime de imersie. Alegerea corect a lungimii de imersie determin obinerea unei bune precizii de msurare i un timp de rspuns (constant de timp) scurt. Lungimea nominal (Ln) trebuie s fie cu minim 100 mm mai mare decat Li (lungimea de imersie) in funcie de temperatura de msurare i trebuie s se distaneze cutia de borne de sursele de cldur astfel incat temperatura acesteia s nu depeasc 150C. Termocuplurile echipate cu dispozitiv de

montare sudat se folosesc la msurarea temperaturilor fluidelor la presiuni superioare celei atmosferice. Pan la presiunea de 10 x 105 Pa se pot folosi orice tipuri de dispozitive de montare fixe. 1.1.5 Izolatori ceramici. Termoelectrozii sunt izolai in interiorul tecii atat intre ei cat i fa de teac cu ajutorul tuburilor ceramice sau cu oxid de magneziu. Materialele refractare din care sunt confecionai izolatorii, odat cu creterea temperaturii au tendina de a-i micora rezistivitatea. Pe lang scderea rezistivitii materialelor refractare cu temperatura, mai are loc o scdere a rezistenei de izolaie datorit ionizrii spaiului dintre termoelectrozi cand tuburile izolatoare sunt de tipul mrgea ceramic (discontinuu). Acest fenomen apare la msurarea temperaturjlor inalte ale mediilor gazoase. Configuraia cea mai bun i care asigur maximum de protecie pentru termoelectrozii termocuplului este cea in care acetia sunt izolai in tuburi ceramice pe toat lungimea lor, totul fiind introdus in teaca de protecie.

1.2 Cabluri de prelungire. Jonctiunea de referinta. Valoarea tensiunii termoelectomotoare data de termocuplu, cu jonctiunea de masurare imersata intr-un mediu cu temperatura , este in conformitate cu caracteristica statica daca jonctiunea de referinta o este mentinuta la temperatura de 0 C. Cum capetele libere ale celor doi termoelectrozi sunt aduse la cutia de borne, aflata in mediul ambiant din imediata apropiere a procesului in care se face masurarea, nu este posibil de mentinut temperatura acestuia la 0 C, de aceea se procedeaza la folosirea unor cabluri de prelungire, ce deplaseaza jonctiunea de referinta de la cutia de borne la un loc din apropierea adaptorului. Cablurile de prelungire sunt doua conductoare, izolate electric, realizate din materiale diferite de termoelectrozii termocuplului, intrucat termoelectrozii sunt alcatuiti din metale nobile. Datorita termoelectrozilor folositi si proprietatilor mediului de tip oxidant, cablurile de prelungire sunt de tip: conductorul pozitiv din Cromel, iar cel negativ constituit dintr-un aliaj de Copel cu temperaturile de utilizare intre 0 200 C. Conductorul pozitiv al cablului de prelungire va fi codificat prin culoarea albastra, iar cel negativ prin culoarea rosie astfel incat la montare sa fie mai usoara conectarea conductoarelor la termoelectrodul aferent (+ la + si la - ).

Modalitatea de compensare a temperaturii jonctiunii de referinta se va realiza prin : - introducerea in circuitul termocuplu a unei tensiuni de compensare egala si de sens contrar celei produse de variatiile de temperatura asupra jonctiunii de referinta.

In serie cu termocuplul TC se conecteaza tensiunea de dezechilibru UCD a unei punti rezistive Wheastone, alimentata in diagonala AB cu curentul constant I, care cuprinde in structura sa o rezistenta RT din nichel, celelalte rezistente fiind realizate din constantan. In ipoteza simplificatoare ca atat termocuplul cat si rezistenta RT au caracteristici statice liniare pe domeniul maxim de variatie a temperaturii jonctiunii de referinta, RTmax = RT0 =(1+RT o max) UBDmax=( RTmax- RT0) I1= RT0 RT o max I1, unde: RTmax este coeficientul de variatie al rezistentei RT cu temperatura. RT0= valoarea lui RT la O C RTmax = valoarea lui RT la max. UBDmax=variatia de tensiune maxima pe rezistenta corespunzatoarevariatiei maxime de temperatura. Cum ETC (0 max)= UBDmax, va rezulta imediat valoarea rezistentei RT0= ETC (0 max) / RT o max I1, Deoarece caracteristica statica a termocuplului este neliniara se poate proceda printr-o metoda grafo-analitica constand in determinarea grafica a erorii maxime de neliniaritate a termocuplului pe domeniul 0 max.

Pentru termocuplul pe care l-am folosit ( Cromel-Copel) a carui jonctiune de referinta trebuie compensata pe domeniul 0 - 40 C: pentru rezistenta RT se utilizeaza sarma de cupru iar pentru celelalte rezistente din punte vom utiliza manganina. 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

tensiune (mv)

temperatura (celsius)

Caracteristica statica a traductorului de temperatura avand ca termoelectrozi Cromel respectiv Copel, dedusa din tabelul de valori succesive ale tensiunii termoelectromotoare la temperaturi din 10 in 10 C, este prezentata in graficul de mai sus.

Pe baza valorilor am determinat eroarea de neliniaritate maxima n=7.05% sau exprimata in mV este 0.49; UBDmax =Ecromel-copel(40C )-0.5 n=2.66-0.24=2.42 mV; Impunand I1=I2=2,5 mA stiind ca cu=0.426 10-2 K-1 si daca se impune U=8V si Uab=6V rezulta: RT0 = 5.68; 1.3 Adaptorul.

Schema principiala a unui adaptor este prezentata in figura de mai jos:

Dupa cum se vede si din schema alaturata, adaptorul unui traductor are ca elemente principale: circuitul de intrare, circuitul de prelucrare intermediara ce se ocupa cu liniarizarea caracteristicii statice, precum si circuitul de iesire. De asemenea este necesara o sursa auxiliara de energie pentru alimentarea acestor componente. Cum traductorul are alimentare si semnal analogic de iesire pe 2 fire, aceasta se rasfrange asupra adaptorului care va fi de tip conexiune cu 2 fire (reprezentat schematic in figura urmatoare). Adaptorul are doua generatoare de curent, unul cu iesire constanta Io si celalalt al carei iesiri Iv este comandata de circuitul de intrare:

1.3.4 Circuitul de intrare. Termocuplul fiind un element generator, preia o parte mica din puterea disponibila a masurandului si produce o tensiune care contine informatie despre marimea de proces, temperatura. Fiind semnale slabe obtinute pe surse echivalente cu rezistente interne importante rezulta ca circuitul de intrare va fi o componenta activa in principal bazata pe amplificatoare operationale de mare impedanta de intrare. Pentru a realiza o rejectie pe modul comun suficienta (1200 db), am utilizat ca circuit de intrare urmatoarea schema de structuri cu amplificatoare instrumentale LM 201 A (analog devices), ce permit un timp de raspuns de ordinul milisecundelor:

Am ales R=1 respectiv RCT=500; Cum, tensiunea de iesire Ue=(1+2R / RCT) ees, va rezulta amplificarea circuitului de intrare A=Ue/es =1+2R / RCT =1 000. Valoarea erorii de neliniaritate maxima obtinuta pe cale grafica din caracteristica tensiunii de iesire din circuitul de intrare este identica cu eroarea de neliniaritate a elementului sensibil determinate anterior n=7.05%. In consecinta se va proceda la liniarizarea caracteristii statice in cadrul circuitului de prelucrare intermediara. Se observa din caracteristica statica a elementului sensibil prezenta a 4 regiuni liniare.

1.3.5 Circuitul de prelucrare intermediara. Pantele obtinute pe cele 4 regiuni liniare sunt:

M1 =0.0665; M2=0.119; M3=0.020; M4=0.054; Printr-o metoda grafica de liniarizare a dependentei cu tensiunii de intrare in circuitul de prelucrare intermediara se obtin pantele M1,M2,M3,M4 corespunzatoare variatiei tensiunii de iesire din

circuitul de prelucrare intermediara cu tensiunea de intrare in circuitul de prelucrare intermediara pentru a se obtine la iesirea acestui circuit o dependenta liniara cu temperatura. M1 =0.725; M2=0.295; M3=119; M4=0.85;

Aceste pante pot fi obtinute cu ajutorul unui circuit de liniarizare cu diode Zener:

Din conditia ca pantele stabilite pe cale grafica ale dependentei tensiunii de iesire din CPI in functie de tensiunea de intrare in CPI sa fie modelate cu diodele Zener din calcule se impun urmatoarele conditii: Rezistentele vor fi astfel alese astfel incat sa se satisfaca simultan conditiile: M1=Rr/R0; M2=Rr/(R0||R1); M3=Rr/(R0||R1||R2); M4=Rr/(R0||R1||R2||R3);

Deasemenea diodele Zener au tensiunile de deschidere a jonctiunilor: Udz1=Uci1=2.66V (tensiunea maxima de intrare in CPI pe prima portiune liniara); Udz2=Uci2+Uci1=6.51V; (tensiunea maxima de intrare in CPI pe doua portiune liniara); Udz3=Uci3+Uci2+Uci1=10.05V; (tensiunea maxima de intrare in CPI pe treia portiune liniara); Panta dependentei tensiunii de iesire din CPI de marimea de masurat(temperatura) este de 0.047;

Circuitul de iesire Ca circuit de iesire am folosit un convertor tensiune-curent. Pentru asigurarea unui curent de iesire independent de Rs pe variatii mari ale acesteia (0-5K), schemele practice folosesc tranzistoare montate in iesire pe post de surse de curent cu alimentare independenta de cea a convertorului propriu zis. Ie=1-5mA Rs=0-5k Uies=IeRs=25 V. Se vor monta insa 2 surse de 24 deV inseriate (48 V), pentru a avea o rezerva de tensiune pentru jonctiunile b-e ale tranzitoarelor de iesire, precum si pe rezistenta Rs:

Ies= -(R2/R1)(Ucpi/Ro + Uref/Ro); Se pun conditii asupra rezistentelor R1,R2,Ro tinand cont ca Ucpi minim este 0 V iar Ucpi maxim este 4.7V; In montajul din figura se recurge la folosirea unei surse de referinta pentru a asigura limita inferioara a curentului unificat din iesire. Se pun conditiile R2=0.85(RoR1) si Uref=6V;

Pentru realizarea afisarii locale, in cutia de borne se va adauga o rezistenta de sarcina de 1k. Curentul variaza intre 1-5mA, deci tensiunea de iesire afisata se va afla intre domeniul 1 V si 5 V. La 1 V (nulul electric) corespunde o=0 C, iar la capatul scalei max=100C, deci vom avea 10 C pe diviziune(o diviziune reprezinta 0.5V). Se prevede conectarea usoara in circuit a unui aparat de masura (printr-un jack cu 2 mufe). Pentru cuplarea traductorului la o schema de conducere numerica se foloseste interfata de comanda si conversie care are in structura ei un CAN ce are rolul de a transforma semnalul echilibrat din iesire in semnal numeric.Astfel in cazul de fata poate fi folosit un CAN cu aproximari successive cu o iesire pe 3 biti;