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:

kT eU

s

d

eII ≅ I IC E

IE UBE

Fig.1

1

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:

kT eU

sC

BE

eII ≅ (1)

Exprimând tensiunea dintre bază şi emitor din relaţia precedentă:

CIkT ln=

v P t

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:

kT eU

sCnCCC

BEn

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

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

C BEn

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=IC IC1 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:

ies s

C

s

C U nI I

e kT

I I

e kT

+= lnln

2

astfel încât expresia tensiunii de ieşire va fi:

n e

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 ≅⇒

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

T circu

Termoelectricitatea condiţii, 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.

te şi ca

D În m t.em prin

Conductor metalic XConductor metalic X

Conductor metalic X

Jonctiunea 1

Conductor metalic X

Jonctiunea 2 t.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 de protectie

spre circuitul de masura

firele termocuplului

jonctiunea calda

Conductor metalic X

V

jonctiunea rece

V -V1 2

1 2

Fig.6 etalic

4

mă

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