TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ -...

13
TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene şi efecte fizice, în care modificarea temperaturii determină modificări ale unor proprietăţi sau caracteristici ale materialelor: variaţia dimensiunilor geometrice, variaţia rezistenţei electrice, apariţia unei tensiuni electromotoare de-a lungul joncţiunii a două metale, variaţia intensităţii radiaţei emise, variaţia frecvenţei de rezonanţă a unui cristal de cuarţ etc. Acurateţea procesului de măsurare a temperaturii este foarte importantă pentru cele mai multe aplicaţii de control a diferitelor procese tehnologice. În Tabelul 1 sunt prezentate patru dintre cele mai utilizate tipuri de traductoare de temperatură, împreună cu câteva caracteristici semnificative ale lor. Tabelul 1 Tip de traductor Domeniul de temperaturi [ o C] Caracteristici Observaţii cu SEMICONDUCTORI -55 ... +150 liniaritate repetabilitate sensibilitate 10mV/K sau 10µA/K necesită o sursă de excitare TERMOCUPLU -184 ... +2300 caracteristici repetabile necesită o joncţiune rece compensatoare cu REZISTENŢĂ VARIBILĂ -200 ...+850 liniaritate bună acurateţe necesită o sursă de excitare cost redus TERMISTORUL -75 ... +300 liniaritate slabă sensibilitate bună necesită o sursă de excitare Termocuplurile sunt capabile să măsoare temperaturi extreme dar necesită tehnici de realizare a temperaturii de referinţă, sunt neliniare şi au un nivel mic al semnalului de ieşire. Senzorii de temperatură cu semiconductori se pretează la realizarea lor sub formă integrată, au un nivel mare al semnalului de ieşire dar acoperă un domeniu relativ restrâns de temperaturi. Termometrele cu rezistenţă metalică au o acurateţe şi o liniaritate mai bune, dar necesită o sursă de energie de excitare şi un circuit de masură de tip punte. Termistorii au cea mai mare sensibilitate dar sunt puternic neliniari. Senzori cu dispozitive semiconductoare Se ştie că intensitatea curentului prin joncţiunea unei diode semiconductoare poate fi exprimată cu ajutorul relaţiei: = 1 kT eU s d e I I în care I s este curentul de saturaţie prin joncţiunea polarizată invers. În polarizare directă exponenţiala este mult supraunitară, astfel încât se poate scrie cu o foarte bună aproximaţie: kT eU s d e I I I I C E I E U BE Fig.1 1

Transcript of TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ -...

Page 1: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene şi efecte fizice, în care modificarea temperaturii determină modificări ale unor proprietăţi sau caracteristici ale materialelor: variaţia dimensiunilor geometrice, variaţia rezistenţei electrice, apariţia unei tensiuni electromotoare de-a lungul joncţiunii a două metale, variaţia intensităţii radiaţei emise, variaţia frecvenţei de rezonanţă a unui cristal de cuarţ etc. Acurateţea procesului de măsurare a temperaturii este foarte importantă pentru cele mai multe aplicaţii de control a diferitelor procese tehnologice. În Tabelul 1 sunt prezentate patru dintre cele mai utilizate tipuri de traductoare de temperatură, împreună cu câteva caracteristici semnificative ale lor.

Tabelul 1

Tip de traductor Domeniul de temperaturi

[oC] Caracteristici Observaţii

cu SEMICONDUCTORI -55 ... +150

liniaritate repetabilitate sensibilitate 10mV/K sau

10µA/K

necesită o sursă de excitare

TERMOCUPLU -184 ... +2300 caracteristici repetabile necesită o joncţiune rece compensatoare

cu REZISTENŢĂ

VARIBILĂ -200 ...+850 liniaritate bună

acurateţe necesită o sursă de excitare cost redus

TERMISTORUL -75 ... +300 liniaritate slabă sensibilitate bună necesită o sursă de excitare

Termocuplurile sunt capabile să măsoare temperaturi extreme dar necesită tehnici de realizare a

temperaturii de referinţă, sunt neliniare şi au un nivel mic al semnalului de ieşire. Senzorii de temperatură cu semiconductori se pretează la realizarea lor sub formă integrată, au un nivel mare al semnalului de ieşire dar acoperă un domeniu relativ restrâns de temperaturi. Termometrele cu rezistenţă metalică au o acurateţe şi o liniaritate mai bune, dar necesită o sursă de energie de excitare şi un circuit de masură de tip punte. Termistorii au cea mai mare sensibilitate dar sunt puternic neliniari. Senzori cu dispozitive semiconductoare Se ştie că intensitatea curentului prin joncţiunea unei diode semiconductoare poate fi exprimată cu ajutorul relaţiei:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 1kT

eU

s

d

eII

în care Is este curentul de saturaţie prin joncţiunea polarizată invers. În polarizare directă exponenţiala este mult supraunitară, astfel încât se poate scrie cu o foarte bună aproximaţie:

kTeU

s

d

eII ≅ I IC E

IEUBE

Fig.1

1

Page 2: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

Relaţia precedentă este valabilă şi pentru juncţiunea bază-emitor a unui tranzistor bipolar (fig.1) şi, neglijînd contribuţia curentului de bază la curentul de colector, se poate scrie:

kTeU

sC

BE

eII ≅ (1)

Exprimând tensiunea dintre bază şi emitor din relaţia precedentă:

CIkT ln=

vPt

c

d

U

s(

U

s

U

s

BE Ie (2)

om observa că aceasta este direct proporţională cu temperatura mediului în care se află joncţiunea. e această dependenţă se bazează folosirea unor structuri integrate cu tranzistori pentru măsurarea

emperaturii. La 300K mărimea raportului kT/e este de 26 mV. Considerând o structură formată din n tranzitori identici conectaţi în paralel (fig.2), curenţii de

olector ai tranzistorilor vor fi şi ei identici, astfel încât curentul total de colector al structurii va fi:

kTeU

sCnCCC

BEn

enIIIII =+++= ...21 (3)

Astfel, tensiunea dintre bazele şi emitorii tranzistorilor va avea expresia:

CBEn

IkT ln=

(4)

U snIe

Dacă o astfel de structură se asociază cu încă un tranzistor (T11) identic cu primii şi cu o oglindă

e curent (T12 şi T13), se realizează un senzor de temperatură ca cel din fig.3.

IC1 IC2 ICn

Uies

T1 T2 Tn

I/2=IC

R

I

UBEnUBE

T11

T12 T13

I/2=ICIC1 IC2 ICn

BEn

T1 T2 Tn

IC

Fig.2 Fig.3

Oglinda de curent asigură egalitatea curenţilor de colector pentru tranzistorul T11 şi pentru tructura T1, T2, ..., Tn. Tensiunea dintre baza şi emitorul a tranzistorului T11 este dată de expresia 2) iar tensiunea UBEn va fi cea dată de relaţia (4). Între tensiunile marcate în figură există relaţia:

iesBEnBE UU +=

au:

iess

C

s

C UnII

ekT

II

ekT

+= lnln

2

Page 3: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

astfel încât expresia tensiunii de ieşire va fi:

ne

kTUies ln= (5)

Pe acelaşi principiu fizic se bazează folosirea amplificatorului operaţional Norton ca senzor de

temperatură. Conexiunea folosită atunci când este folosit în acest scop este prezentată în fig.4a.

a) b) c)

Joncţiunea bază-emitor a tranzistorului T1 din structura internă a amplificatorului (în fig.4b este pre

i+

ib1

i+

i-

D1

T4

T1

v

R2

R1

R1

i-

ud

i1 i2

R2

v

Fig.4

zentată doar partea de intrare a acestuia) este polarizată direct de către tensiunea de ieşire care apare ca urmare a alimentării amplificatorului cu tensiunea V+. Expresia tensiunii de ieşire poate fi calculată pe baza schemei echivalente din fig.4c, din care pot fi scrise ecuaţiile:

2121 , iiiii ≅⇒<<−

11 R

ui d=

1122v RiRi +=

i

d

u

⎞⎛ R

cvt

R

l

(6)

Considerând constante valorile rezistenţelor din circuit, din ec.6 se observă că tensiunea de eşi

(7)

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝+=

1

21vR

ud

re depinde exclusiv de tensiunea joncţiunii bază-emitor a tranzistorului T1. Este cunoscut faptul ă pentru o joncţiune de Si, tensiunea în polarizare directă este dependentă de temperatură. Ea ariază cu aproximativ -2mV/oC, astfel încât pe baza ec.6 poate fi scrisă ecuaţia de variaţie a ensiunii de ieşire:

⎤⎡⎞⎛ R mV

Variaţia tensiunii de ieşire poate fi scalată alegând în mod adecvat raportul R2/R1. Astfel, dacă or

tfel de senzor este sensibil chiar la variaţii de temperatură datorate contactului cu corpul m

⎥⎦⎢⎣⎟⎟⎠

⎜⎜⎝+⋅−=∆

CR 01

2 12v

im ca tensiunea de ieşire să varieze cu 10mV la o variaţie a temperaturii cu 1oC, se alege 2/R1=4.

Un asan. El poate fi folosit ca senzor de nivel de temperatură dacă semnalul de la ieşirea sa este aplicat

a intrarea unui comparator de tensiune care poate fi realizat tot cu un amplificator Norton.

3

Page 4: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

Termocuplul este relaţia dintre temperatura unei substanţe şi energia electrică. În anumite

Atunci când o pereche de două metale diferite sunt sudate formând o buclă închisă, iar cele două nc

P

ns

Tcircu

Termoelectricitateacondiţii, energia electrică şi căldura pot fi convertite reciproc. Dacă variaţiile energiei electrice datorate conversiei energiei termice pot fi măsurate, acestea pot fi corelate cu temperatura substanţei. Conductor metalic X

Conductor metalic Y

Fig.5

jo ţiuni se află la temperaturi diferite (fig.5), bucla va fi parcursă de un curent electric a cărui intensitate depinde de diferenţa dintre temperaturile joncţiunilor. Acesta este efectul Seebeck care este folosit pentru măsurarea temperaturilor.

teşi ca

DÎn mt.emprin

Conductor metalic XConductor metalic X

Conductor metalic X

Jonctiunea 1

Conductor metalic X

Jonctiunea 2t.e.m. 1 t.e.m. 2

Efectul Seebeck constă în apariţia unei tensiuni electromotoare nete într-un circuit cu două joncţiuni între metale diferite, aflate la temperaturi diferite.

entru aceleaşi două metale diferite şi o aceeaşi diferenţă de temperatură dintre joncţiuni,

ermocuplul este compus din două fire m e diferite sudate, astfel încât să formeze un it închis (fig.6). Sonda propriu-zisă este reprezentată de una din joncţiuni (joncţiunea de

iunea electromotoare netă (suma algebrică a celor două t.e.m.) este aceeaşi. Ea poate fi măsurată librată în unităţi de masură a temperaturii. acă cele două joncţiuni se află la aceeaşi temperatură, tensiunea electromotoare netă este nulă. omentul în care temperatura uneia dintre cele două joncţiuni începe să se schimbe, apare o

. netă, care este cu atât mai mare cu cât diferenţa dintre temperaturi este mai mare. Acesta este cipiul pe care se bazează funcţionarea termocuplului.

sonda

manta deprotectie

spre circuitul de masura

firele termocuplului

jonctiunea calda

Conductor metalic X

V

jonctiunea rece

V -V1 2

1 2

Fig.6 etalic

4

Page 5: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

drif

i cupru. Metalele care se împerechează cu ace

pentru ni

tenisiune pe tot i

t

Intervalul de temperatură

reco o

Notaţie ANSI Caracteristici

sură sau joncţiunea caldă) care poate fi pusă într-o manta protectoare. Ea este plasată în mediul a cărui temperatură vrem să o măsurăm. Mărimea şi sensul curentului care va parcurge circuitul atunci câd joncţiunile se află la temperaturi diferite depinde de diferenţa de temperatură şi de tipul metalelor folosite. De regulă, t.e.m. rezultantă este mică (de ordinul mV). Un voltmetru conectat în circuit reprezintă „ieşirea” pentru utilizator şi este calibrat în unităţi de temperatură.

Pentru o bună acurateţe a rezultatelor, cea de a doua joncţiune (joncţiunea de referinţă sau joncţiunea rece) trebuie menţinută la o temperatură constantă, eliminând astfel erorile datorate

tului termic. Joncţiunea de referinţă este denumită şi joncţiune rece, chiar dacă temperatura ei (de regulă 0oC) poate fi mai mare decât temperatura joncţiunii de măsură.

T.e.m. rezultantă nu este influenţată de dimensiunile conductorilor, de ariile suprafeţelor joncţiunilor sau de modul în care sunt sudate metalele.

Metalele tipice folosite pentru construcţia termocuplurilor sunt rodiul, aliajele de nichel şi crom, aliajele de aluminiu şi nichel sau aliajele de nichel ş

stea sunt platina, cuprul şi fierul. Incinta de protecţie în care este introdusă joncţiunea de măsură trebuie să fie rezistentă din punct de vedere mecanic şi la mediile corozive.

În Tabelul 2 sunt prezentate tipurile de termocupluri şi caracteristicile lor, precum şi notaţiile internaţionale folosite pentru ele, iar în fig.7 caracteristicile electrice ale lor.

Tabelul 2 Variaţia de

Materialejoncţiu ntervalul de

peratură [mem V] mandat [ C]

Pt 94% Rh 6% – h 30% Pt 70% R

Liniarit eraturi înalte 13,6 38...+1800 B ate bună la temp

W95%Re5% - W 75% Re 25% 37 0...+2300 C

Adecvat pentru temperaturi alte. Casant, greu de manipulat, în

costisitor.

C n romel - Constanta 75 0...+982 E Cea mai mare sensibilitate. Derivă relativ mare în timp.

Este nemagnetic. Fier - Constantan 50 - 184...+760 J Cel mai ieftin

Cromel - Alumel 56 -184...+1260 Cea m v K a elatii bună liniaritate. Rcostisitor.

Platină – Pt 87% Rh 13% 1 8,7 0...+1593 R

Dimensiuni mici, timp de răspuns scurt. Poate fi utilizat în

atmosfere oxidante. Platină –

Pt 90% Rh 10% 16 0...+1538 S Idem

C - Rezisten ţii

în industria al ră, frigorifică upru - Constantan 26 184...+400 T t la umiditate. Aplica

imentaşi în mediul înconjurător.

Cu - Aur şi cobalt 5,8 -265...0 Sensibilitate bună la temperaturi joase. Costisitor.

Cr aj 90%Ni + 10%Cr Const 55%Cu + 45 i

ă largă la măsurarea temperaturilor solidelor, lichidelor sau azelor:

omel - aliantan - aliaj %N

Alumel - aliaj Ni + Al

Termocuplurile sunt folosite pe scar

g în furnale metale topite în reactoare nucleare monitorizarea temperaturii în timpul operaţiilor medicale măsurarea temperaturii obiectelor foarte mici, de exemplu a componentelor electronice

semiconductoare

5

Page 6: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

În265oC u o precizie care depinde de felul de metalelor folosite pentru construcţia lor.

Cea mai la îndemână metodă de menţinere la o temperatură constantă a joncţiunii de referinţă era plasarea ei într-o baie de apă cu gheaţă aflată la 0oC. Azi este însă mult mai practic să se folosească metode electronice de realizare a tensiunii de referinţă corespunzătoare temperaturii de 0oC

Joncţiunea de referin într-un bloc izoterm a cărui mperatură, t, este măsurată de un alt senzor de temperatură. Semnalul electric (curent sau

tensiune) furnizat de senzor este aplicat unui circuit electronic care furnizează la ieşirea sa o tensiune (Ucomp) care compensează diferenţa dintre tensiunea joncţiunii la temperatura t şi tensiunea

general, ele sunt ieftine şi versatile. Utilizând termocupluri se pot măsura temperaturi de la -până la 2300oC, c

Dintre senzorii cu care temperatura se măsoară direct, termocuplurile acoperă cel mai larg domeniu de temperaturi. Ele răspund destul de rapid la variaţiile de temperatură dar au o acurateţe mai mică decât termometrele cu rezistenţă metalică.

30

40

50

60

70

-10

0

10

20

t [ C]o

150010005000

U [mV]ies

Fig.7

, chiar dacă joncţiunea rece este la o altă temperatură. În fig.8 este prezentată o schemă bloc a unui circuit electronic destinat acestui scop.

Tip J

Tip K

Tip S

Tip T

-250-250 2000

Tip E

Tip C

Tip R 30

40

50

60

70

80

0

10

20

Coeficient Seebeck [ V/ C]µ o

t [ C]o150010005000-250

Tip S

Tip K

Tip JTip E

Fig.8

ţă, aflată la o temperatură oarecare este plasatăte

Circuit electronic de compensare

Bloc izoterm

Senzor detemperatura

t1 t2

V t( )1 V t( )2

UiesCu

Ucomp

Cu Cu

aceeasitemperatura

6

Page 7: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

ei

asează joncţiunea de măsură la 0oC şi se aju de ieşire să fie 0V. În aceste condiţii:

1

d S

t

la 0oC. Circuitul electronic de compensare poate fi realizat de exemplu cu un amplificator operaţional conectat ca aplificator diferenţial.

Analizând schema din fig.8 se poate observa că: )()( 21 tVtVUU compies −=− (8)

Tensiunea de la ieşirea comparatorului este funcţie de temperatura blocului izoterm. Calibrarea dispozitivului de măsurare se face în felul următor: se pl

stează amplificarea circuitului de compensare astfel încât tensiunea

)()0( 2tVCVU ocomp −=− (9)

Substituind tensiunea de la ieşirea comparatorului dată de relaţia (9) în expresia tensiunii de ieşire dată de relaţia (8), se obţine pentru tensiunea de ieşire la o temperatură oarecare t , expresia:

(10) )0()( 1 CVtVies −= o

Tptncar

cd(

d

Rrtm

ş

V1c

fsl

p

U

Este evident că relaţia p tă este valabilă doar în condiţiile în care temperatura joncţiunii e referinţă este menţinută c

enzori rezistivi

uprafeţelor unor solide sau rul unor solide uşoare. Ele sunt stabile şi rezistente la condiţii de mediu s folosite în industria chimică (pentru măsurarea temperaturii lichidelor

peraturii). Pe domenii restrânse de em

recedenonstantă prin intermediul blocului izoterm.

ermometrele cu rezistenţă metalică acoperă un domeniu relativ larg de temperaturi, fiind folosite entru măsurarea temperaturii gazelor şi lichidelor, a temperaturii semperatura din interioeprietenoase, fiind deorozive sau pulberilor) sau industria alimentară (pentru măsurarea temperaturii produselor limentare, cum ar fi carnea). Termometrele cu rezistenţă metalică au o acurateţe bună dar un ăspuns lent în timp, fiind destul de fragile şi uneori scumpe.

Conductibilitatea electrică a unui metal depinde de deplasarea electronilor prin reţeaua sa ristalină. Datorită excitării termice, rezistenţa electrică a unui conductor metalic variază în funcţie e temperatura. Marea majoritate a metalelor au un coeficient de temperatură al rezistenţei pozitiv rezistenţa electrică a lor creşte odată cu creşterea tem

peratură dependenţa rezistenţei unui conductor metalic de temperatură este aproape liniară. Pe omenii mai largi de temperatură ea este neliniară şi poate fi scrisă sub forma:

( )...1 32 ++++= tttRR ot γβα (11)

Unde, Ro este rezistenţa în ohmi a conductorului la o temperatură de referinţă (de regulă 0oC), t este rezistenţa în ohmi a conductorului la temperatura toC, α este coeficientul de temperatură al

ezistenţei materialului iar astă dependenţă de emperatură a rezisteţei electrice a metalelor stă la baza folosirii lor în termometrele cu rezistenţă e

feră la termometre cu rezistenţa nominală de 100 Ω.

tă de gaze în atmosfere reducătoare i a

β, γ, ... sunt coeficienţi de neliniaritate. Ace

talică. Metalele cele mai folosite în ca traductori de temperatură sunt platina, cuprul şi nichelul.

alorile standardizate pentru rezistenţa la temperatura de referinţă Ro (valori nominale) sunt 10, 50, 00, 500 şi 1000 ohmi. În Tabelul 3 sunt prezentate caracteristicile acestor materiale, cu precizarea ă ele se re

Dintre metalele folosite ca senzori rezistivi de temperatură, menţionate în Tabelul 3, cel mai olosit este platina. Deşi este foarte scumpă, ea are avantajul de a fi un material de referinţă pentru tandardele internaţionale. Platina este un metal stabil şi are calitatea de a nu se volatiliza apreciabil a temperaturi până la 1000oC. În schimb ea poate fi contamina

cţionează ca un catalizator în prezenţa anumitor hidrocarburi. De aceea termometrele cu fir de latină sunt de obicei încapsulate. Nichelul cu un grad înalt de puritate, are cea mai mare variaţie a

7

Page 8: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

rezistenţei cu temperatura între 0 şi 100oC. Peste 300oC coeficientul său de temperatură scade brusc, iar caracteristica sa este puternic neliniară. Cuprul se oxidează uşor şi îşi pierde puritatea, ceea ce îl face mai puţin utilizabil. Pentru măsurarea temperaturilor de peste 1000oC poate fi utilizat wolframul.

Tabelul 3 Caracteristici/Material Platină Nichel Cupru

Rezistivitatea la 0oC [Ω-1m-1] 9,83x10-8 63,8x10-8 15,6x10-8

o

oRR100R100−

[oC-1] 3 6, 4, ,85x10-3 17x10-3 26x10-3

α [oC-1] 3,92x10-3 5,43x10-3 - β [oC-2

-] 0,558x10-6 7,85x10-6 - Domeniul de tem ăsurabile [oC] 200 peraturi m -200...+600 -100...+250 - ...+150

Expresia oR100

reprezintă un paramoRR100 − etru adi a ometrelor cu

rez tenţă metalic, cunoscut sub denumirea de coeficient mediu de temperatură între 0 şi 100oC. verse con

rezis alică, în funcei

urentu care parcurge senzorul rezistiv trebuie să fie suficient de mic, astfel încât să nu determine c şterea temperaturii acestuia prin efect Joule. Practic se acceptă o creştere cu maximum 0,5oC a temperaturii senzorului datorată curentului de excitare.Un alt efect care poate introduce erori în procesul de măsurare este căderea de tensiune pe firele de conexiune dintre senzor şi

ţion l pentru caracterizarea term

isExistă di figuraţii geometrice în care sunt construiţi senzorii termometrelor cu tenţă met ţie de aplicaţia concretă căreia îi sunt destinate. În fig.9 este prezentată

schematic una dintre ele. Firul metalic este înfăşurat pe un tub ceramic şi fixat în interiorul unincinte de protecţie formând sonda de temperatură. Ea este conectată în ramura de măsură a unei punţi Wheatstone de curent continuu. După ce puntea a fost echilibrată la temperatura de referinţă, dezechilibrul ei va fi funcţie temperatură. Aceasta va fi indicată de către voltmetrul din ramura de măsură a punţii, etalonat în unităţi de temperatură.

manta deprotectie

rezistenta bobinata

SONDA DETEMPERATURA

conductori

de conexiune conductori de compensare

punteWheatstone

alimentare

+

Fig.9

C l re

8

Page 9: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

sist

chema electrică echivalentă a sondei şi sistemului de măsură este prezentată în fig.11. Alimentarea sondei se face cu o sursă de curent constant aflată în apropierea ei, prin conductoare scurte. Măsurarea tensiunii pe senzorul rezistiv se etru digital cu impedanţă de intrare foarte mare, etalonat în unităţi de tempera cu un amplificator operaţional sau de inst mic,

cazul în care domeniul de temperaturi măsurate este mare şi variaţia rezistenţei senzorului nu

mai poate fi considerată liniară, răspunsul lui poate fi liniarizat folosind o punte cu amplificator operaţional (punte activă), senzorul rezistiv fiind plasat în ramura de curent constant (ramura de rea ă semnalul de la ieşirea punţii astfel realizate nu este

Fig.12

emul de măsură, mai ales dacă acestea sunt lungi şi au rezistenţe comparabile cu ale senzorului. Acest efect poate fi compensat prin adăugarea unor conductori de compensare în ramura punţii adiacentă cu sonda, ca în fig.9, sau folosind metoda celor 4 fire (conexiunea Kelvin). Această metodă se foloseşte mai ales atunci când distanţa de la sondă la sistemul de măsură şi afişare a temperaturii este mare. O astfel de sondă este prezentată în fig.10.

praf de ceramica de mare puritate

izolator de ceramica de mare puritate

trecere ermetica latemperatura ridicata

terminale de conexiune

carcasa din otel inoxidabil

element rezistiv incapsulat in ceramica

9

Fig.10

S

face fie cu un voltmtură, fie

rumentaţie. În ambele cazuri curentul care parcurge conductoarele de măsură este foarte astfel încât căderea de tensiune pe ele este mult mai mică decât căderea de tensiune pe senzorul rezistiv.

Fig.11

În

cţie negativă) a amplificatorului operaţional. Dac suficient de mare, el poate fi amplificat cu un al doilea amplificator operaţional sau de

instrumentaţie. O schemă de principiu care aplică această metodă este arătată în fig.12.

AO2

P

AO1

E

R1

RT

vo

punte R

R2

3

spre voltmetru digital sau amplificatorI senzor rezistiv

100Ω

alimentare masura

alimentare masura

Page 10: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

Se poate demonstra uşor că tensiunea de dezechilibru a unei punţi de curent continuu ca cea din fig.13 este:

(12)

fn

r

pr(

vv

RR ∆+22RE

CD∆

⋅=

U

Fig. 14

ţia ∆R a unei rezistenţe este neliniară. Neliniaritatea = 100 se poate observa şi în reprezentarea grafică din

ig.14, în care pentru ∆R am considerat un domeniu mare de variaţie pentru o mai bună vzualizare a eliniarităţii.

Am irea lui f

Fig.13

După cum se vede, dependenţa ei de variaăspunsului unei punţi pentru E = 5V şi Ro Ω

Vom arăta acum că folosind o schemă ca cea din fig.12, pe de o parte se liniarirează răspunsul unţii de măsură iar pe de alta, se amplifică semnalul de ieşire al acesteia. Pentru aceasta vom edesena schema din fig.12 astfel încât să se observe mai bine rolul fiecărui amplificator operaţional fig.15). La o observare atentă se va vedea că cele două scheme sunt identice.

Fig.15

plificatorul operaţional AO1 lucrează în conexiune inversoare, tensiunea la ieş iind:

ERRT

11v −= (13)

Scriind expresia termorezistenţei la o temperatură oarecare T ca: (RTo este aloarea termorezistenţei la 0oC), se vede că nea de ieşire v1 este liniar dependentă de ariaţia ∆RT a acesteia.

TToT RRR ∆+= tensiu

punte decurent continuu

Ro+∆RRo

Ro Ro

A

B

C DE

Voltmetru digital cu impedanta de intrare foarte mare

E

AO1

vo

RT

R1 R = RTo3

R = R2 1

AO2

P (R )4

INVERSOR SUMATOR

E

v1

o

0 10 20 30 40 500,0

0,2

0,4

UCD

[V]

∆R [Ω]

10

Page 11: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

Amplificatorul operaţional AO2 lucrează în conexiune sumatoare. El însumează ponderat cu tensiunea de referinţă, furnizând la ieşirea tensiunea: tensiunea v1

ERRRRR 2312

13

Ţinînd cont de condiţia de echilibru a unei punţi de curent continuu, este oportun să se aleagă R

RERRERR To

4444 vv −⋅=−−= (14)

recedentă va deveni: 1

= R2, astfel încât relaţia p

ERR To ⋅⎟⎟

⎞⎜⎜⎛

−⋅= 1v 4 (15) RR ⎠⎝ 31

Dacă impunem condţia ca la temperatura de 0 ă fie nulă, atunci trebuie să alegem

oC tensiunea de ieşire s R3 = RTo, astfel încât expresia finală a tensiunii de ieşire va avea forma:

ERR To ⋅⎟⎟

⎞⎜⎜⎛

−⋅= 1v 4 RR To ⎠⎝1

(16)

sau, facând substituţia

m

, TToT RRR ∆+= , se obţine:

a

Ttm

n

p

T

1cm

pc

si

E

RR T∆4

Astfel, tensiunea de mperatură şi electronica de

ăsură va avea două avantaje majore faţă de traductorul cu punte simplă:

(17)

ieşire a traductorului compus din senzorul de te

dependenţa tens variaţia reziunii de ieşire de istenţei senzorului este liniară tensiunea de dezechilibru a punţii este amplificată

Mărimea amplificării poate fi ajustată modificând valoarea rezistenţei R4 din reţeaua de reacţie a mplificatorului sum tor.

erm a rezistenţei cu empe or, engl.) folosesc acelaşi principiu de ă

senzorilor rezistivi metalici. Aceasta se întâmplă deoarece ei sunt onfecţionaţi din materiale semiconductoare, mult mai sensibile la variaţiile de temperatură decât

sunt amestecuri de oxizi ai pământurilor rare, Mn, Cr, Ni, Co, amestecaţi cu o

normal, rezistenţa unui termistor scade odată cu creşterea temperaturii. De aceea ei se im

exprimată rin

a

ermistori ometrele cu rezistenţe metalice bobinate au dezavantajul variaţiei mici ratura. Termistorii (abrevierea de la thermal resist

surarea a temperaturii dar variaţia cu temperatura a rezistenţei lor este mult mai mare (de peste 00 de ori) decât cea a

etalele. Termistorii

ulbere fină de cupru. Nu se folosesc oxizi de germaniu sau siliciu, care de obicei sunt utilizaţi la onfecţionarea dispozitivele semiconductoare (diode, tranzistori, circuite integrate etc.).

Pentru măsurarea temperaturilor în intervalul -75 ... +75oC se folosesc termistori cu rezistenţe ub 1kΩ. În intervalul 75 – 150oC se folosesc termistori cu rezistenţe de pînă la 100kΩ, iar în ntervalul 150 – 300oC termistori cu rezistenţe mai mari de 100kΩ.

În modesc termistori cu coeficient negativ de temperatură (NTC – negative temperature coefficient).

xistă şi termistori cu coeficient pozitiv de temperatură dar ei sunt folosiţi foarte rar. Dependenţa dintre rezistenţă şi temperatură este exponenţială (deci neliniară) şi este relaţia:

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

−TTR

11β⎠⎝= o

oeR (18) T

ERR To

o ⋅⋅=1

v

11

Page 12: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

undra absolută de referinţă To [K] iar β este o constantă caracteristică materialului

termistortului, depinzând de compoziţia materialului acestuia şi de tehnologia de fabricaţie. Coeficientul β se defineşte ca:

e RT este rezistenţa termistorului la temperatura absolută T [K], Ro este rezistenţa termistorului la temperatu

221

ln11 RTT

⋅−

=β (19)

având valori uzuale cuprinse î

11 R

n domeniul 3000-5000K. În relaţia (19) T1 şi T2 sunt temperaturi specificate, de regulă 273,15K (0oC) şi 323,15K (50oC), iar R1 şi R2 sunt valorile rezistenţei termistorului la ace

În multe cataloage termistorii sunt caracterizaţi şi prin coeficientul α, definit ca: ste temperaturi.

dTRT⋅=α (20)

El este exprimat în % per

dRT1

ât coeficienţii şi β sunt mai mari, cu atât variaţia per C a

c, m ă.

entru măsurarea temperaturii, termistorul poate fi conectat în ramura de măsură a unei punţi Wheatstone, într-o manieră similară conectării rezistenţei metalice (fig.9). El are un simbol propriu, care-l deosebeşte de cel al unei rezistenţe obişnuite. Termistorul se poate încălzi şi datorită trecerii prin el a unei părţi din curentul care alimentează puntea, determinând o eroare, un drift, în precizia de măsurare. Compensarea acestei erori se fac onectarea în punte a unui al doilea termistor, identic cu prim

oC. Cu c α o

rezistenţei termistorului este mai mare, adică el are o sensibilitate mai bună. Termistorii se produc sub mai multe forme geometrice (fig.16): dis ărgea, bar

protectie din sticla

BaraMargea SimbolDisc

termistor

Fig.16 P

e prin cul şi menţinerea lui la o temperatură de referinţă constantă. In cazul termistorilor cu

rezistenţe de ordinul kΩ-lor efectul rezistenţei firelor de conexiune poate fi neglijat şi nu se pune problema folosirii unor conexiuni de tip Kelvin.

Termistorii pot fi fabricaţi la dimensiuni foarte mici şi rezistenţe mari şi au un răspuns rapid la variaţiile de temperatură. Domeniul de temperaturi acoperit este, -100 ... +300oC, dar sunt posibile şi temperaturi mai mari. Ei pot fi folosiţi pentru măsurarea temperaturii în spaţii mici. Având o bună repetabilitate şi o rezoluţie fină pe domenii mici de temperatură, termistorii sunt foarte folosiţi în aplicaţii medicale. De asemenea, sunt folosiţi pentru monitorizarea circuitelor electronice şi pot fi încapsulaţi în corpuri solide pentru a fi folosiţi ca sonde pentru măsurarea temperaturii suprafeţelor.

Deoarece variaţia cu temperatura a rezistenţei termistorilor este puternic neliniară, etalonarea instrumentului indicator este dificilă. De aceea se pune problema liniarizării răspunsului lor. Pe domenii restrânse de temperatură, aceasta se poate realiza prin conectarea în paralel cu termistorul a unei rezistenţe (şunt). Valoarea rezistenţei se calculează astfel încât, la mijlocul intervalului de temperatură considerat, valoarea rezistenţei echivalente (termistor în paralel cu rezistenţa de liniarizare) să fie egală cu media aritmetică a rezistenţelor echivalente la capetele intervalului de temperatură. Astfel, dacă:

12

Page 13: TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ - phys.ubbcluj.rosorin.anghel/teaching/SIS_hide]/diverse_materiale... · TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene

R1 - rezistenţa termistorului la temperatura t1R2 - rezistenţa termistorului la temperatura t2 Rm - rezistenţa termistorului la temperatura medie (t1 + t2)/2

tvaloarea rezis enţei de liniarizare, Rlin, se calculează din ecuaţia:

rAlmt

cc

Pp

d

r

o

21 RRRR linlin +

(21)

ale rezistenţei unui termistor, a ezistenţei şunt de liniarizare şi a rezistenţei „liniarizate”, pe un domeniu de temperatură de 100oC. m folosit ghilimelele pentru că dependenţ de tempe zistenţei echivalente nu este perfect

iniară. La temperaturi cuprinse între temp i mperatura medie ea este ceva mai are decât rezistenţa corespunzătoare dreptei care trece prin cele trei puncte definite anterior, iar la

em

practică, termistorul împreună cu rezistenţa şunt de liniarizare se montează într-o punte de urent continuu, al cărei răspuns se liniarizează cu un amplificator operaţional (punte activă), aşa um folosit în cazul senzorilor rezistivi metalici (fig.12). Grupul paralel format din termistor şi zistenţa de liniarizare se conectează în ramura de reacţie negativă a amplificatorului operaţional. entru amplificarea semnalului de răspuns al p tive la valoarea dorită, semnalul de la ieşirea un

În fig.17 sunt reprezentate dependenţele de temperatură

a ratură a renimă şi teeratura m

peraturi cuprinse între temperatura medie şi temperatura maximă este ceva mai mică. Abaterile e la liniaritate sunt maxime la mijlocul celor două semi-intervale de temperatură.

Fig.17

În

ame

unţii acţii active se poate aplica la intrarea unui etaj de amplificare realizat tot cu un amplificator

peraţional.

2Rmlin +21 RRRRRR linlinmlin ++

= R

60

80

100

120

0

20

40

t [ C]o

7550250

140

R [ ]Ω

100

160

180

Rtermistor

Rliniarizare

Rliniarizata

13