Traductoare de Temperatura
-
Upload
mihaela-ciontu-bejan -
Category
Documents
-
view
135 -
download
16
Transcript of Traductoare de Temperatura
CUPRINS
Argument........................................................................................................2
Capitolul I: Noţiuni generale despre traductoare.........................................3
1.1. Generalităţi, caracteristici, clasificare................................................3
1.2. Traductoare de temperatură................................................................6
Capitolul II: Traductoare termorezistive.......................................................8
2.1. Termorezistenţe conductoare..................................................................8
2.2. Termorezistenţe semiconductoare........................................................11
2.3. Traductoare termoelectrice...................................................................13
2.4. Traductoare pirometrice.......................................................................16
Capitolul III: Alte traductoare de temperatură...........................................20
3.1. Traductoare bimetalice.........................................................................20
3.2. Traductoare dilatometrice.....................................................................21
3.3. Traductoare manometrice.....................................................................21
Capitolul IV: Norme de protecţie a muncii şi P.S.I....................................23
BIBLIOGRAFIE..........................................................................................26
ANEXE.........................................................................................................27
Argument
Obiectul lucrării constă în studierea principalelor tipuri de traductoare de
temperatură şi a principiilor de funcţionare a acestora.
În prima parte a lucrării vom prezenta noţiuni generale despre traductoare, iar în
partea a doua vom intra puţin în detalii prezentând traductoare termorezistive. Aceste
tipuri de traductoare se compun la rândul lor în termorezistenţe conductoare,
termorezistenţe semiconductoare, traductoare termoelectrice şi traductoare pirometrice.
Pentru o mai bună informare despre aceste tipuri de aparate, vom mai prezenta şi
alte tipuri de traductoare de temperatură. Aceste sunt: traductoare bimetalice, traductoare
dilatometrice şi traductoare manometrice.
Pentru a asigura condiţii de muncă normale şi a înlătura cauzele care pot provoca
accidente de muncă sau îmbolnăviri profesionale în ultima parte a lucrării vom reaminti
nişte norme de protecţia muncii şi P.S.I.
2
Capitolul I: Noţiuni generale despre traductoare
1.1. Generalităţi, caracteristici, clasificare
Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a
măsura valorile parametrului reglat şi de a converti acest parametru (mărime) într-o
mărime fizică ce este compatibilă cu mărimea de intrare în elementul următor al
sistemului. Traductoarele se compun din elementul sensibil şi elementul traductor,
conform figurii 1.
Fig. 1
Elementul sensibil efectuează operaţia de măsurare propriu-zisă, iar elementul traductor
asigură transformarea semnalului într-un alt semnal, în general electric sau pneumatic,
unificat, semnal ce o pretează pentru transmiterea la distanţă.
Performanţele traductoarelor pot fi apreciate pe baza următoarelor caracteristici:
Sensibilitatea reprezintă limita raportului dintre variaţia infinit mică a mărimii
de ieşire şi cea de intrare, când ultima tinde spre zero, adică:
Este necesar ca această sensibilitate să fie constantă pe tot domeniul de măsură,
adică elementul să fie liniar, în caz contrar sensibilitatea putându-se defini în jurul
oricărui punct de funcţionare. În mod normal, elementele de măsurat prezintă un anumit
prag de sensibilitate, adică o valoare limită ∆i sub care nu mai apare o mărime măsurabilă
la ieşire.
3
Precizia se defineşte ca valoarea relativă a erorii exprimată în procente:
Elementele de măsurat din sistemele automate au clase de precizie de 0,2 - 1,5 %,
fiind necesar să fie cu cel puţin un ordin de mărime superioară preciziei reglajului în
ansamblu.
Liniaritatea se referă la aspectul caracteristicii statice a elementelor şi, această
caracteristică nu trebuie să prezinte curburi şi histerezis pe tot domeniul de
variaţie al mărimilor de intrare şi ieşire.
Comportarea dinamică. Această caracteristică se referă la capacitatea
elementului de a reproduce cât mai exact şi fără întârziere variaţiile mărimii
măsurate. Se apreciază pe baza funcţiei de transfer a elementului, adică pe
baza constantelor de timp ce intervin sau, uneori pe baza benzii de trecere.
Reproductibilitate, reprezintă proprietatea elementelor de a-şi menţine
neschimbate caracteristicile statice şi dinamice pe o perioadă cât mai lungă de
timp, în anumite condiţii de mediu admisibile.
Timpul de răspuns reprezintă intervalul de timp în care un semnal aplicat la
intrare se va resimţi la ieşirea elementului. Acest timp poate fi oricât de mic,
dar niciodată nul, putând fi asimilat cu inerţia.
Gradul de fineţe se caracterizează prin cantitatea de energie absorbită de
traductor din mediul de măsură, recomandându-se să fie cât mai mică pentru a
nu influenţa desfăşurarea procesului. Alegerea traductorului se va face în
funcţie de parametrul reglat, în funcţie de mediul de măsură, în funcţie de
tipul semnalului: continuu, electric sau neelectric, discontinuu, ş.a.
4
Clasificarea traductoarelor este o problemă destul de dificilă, deoarece varietatea
acestora este multiplă. Una din variantele de clasificare, în funcţie de mărimea de intrare
şi cea de ieşire, este prezentată schematic în figura 2.
Un alt mod de clasificare, după cel prezentat poate fi făcut în raport de mărimea de natură
neelectrică pe cale electrică. În acest caz vom avea:
Traductoare pentru mărimi geometrice: rezistive, inductive, capacitive şi
numerice de deplasare; cu radiaţii; de proximitate.
Traductoare pentru mărimi cinematice: de viteză; de acceleraţie; de şocuri şi
vibraţii; giroscopice.
Traductoare pentru mărimi mecanice: elastice (tracţiune, compresie, îndoire,
cuplu); tensometrice rezistive; cu coardă vibrantă; magnetostrictive; de forţă; de
cuplu.
Traductoare pentru mărimi tehnologice: presiune, debite, nivel, temperatură.
Alte traductoare: integrate, etc.
Traductoarele se mai pot clasifica după următoarele criterii:
- După parametrul măsurat:
5
traductoare de temperatură, presiune, debit, nivel, pH, compoziţie, concentraţie,
etc.
Traductoarele îşi bazează funcţionarea pe fenomene sau proprietăţi ale
materialelor care permit transformarea unor mărimi fizice în altele cum ar fi: dilatarea
corpurilor, variaţia rezistenţei electrice, pierderea de presiune pe rezistenţe hidraulice sau
pneumatice etc.
- După natura fenomenului care stă la baza funcţionării lor.
traductoare: electrice, pneumatice, chimice, de radiaţie etc.
1.2. Traductoare de temperatură
Traductoarele de temperatură sunt dispozitive care convertesc temperatura într-
o deplasare sau dilatare (gaz sau metal), într-o variaţie a unui parametru al circuitelor
electrice (de obicei rezistenţă) sau într-o tensiune electromotoare.
Funcţionarea traductoarelor de temperatură are la bază proprietatea materialelor
conductoare de a-şi modifica rezistivitatea electrică (deci şi rezistenţa electrică), în
funcţie de temperatură, conform relaţiei :
Cele mai simple traductoare de temperatură sunt termometrele cu sau fără contact
(reglabil sau nereglabil), ambele tipuri fiind cu mercur.
Traductoarele cu contact cu obiectul de măsurare se împart la rândul lor in două
categorii:
a) cu senzori neelectrici:
- bazate pe dilatarea:
6
R = R0 (1 + α*Δθ)
rezistenţa electrică la o temperatură oarecare
rezistenţa electrică la temperatura de referinţă (de
obicei, 20 ˚C)
coeficient de variaţie a rezistenţei cu temperatura
variaţia de temperatură (faţă de temperatura de referinţă)
solidelor (metale). Sunt cu tijă sau cu bimetal;
lichidelor (mercur, alcool);
gazelor (manometre).
- cu senzori chimici, la care orice dilatare a unui corp poate fi preluată
de un traductor de deplasare, realizându-se astfel un termometru bazat
pe dilatare. Ca exemple, amintim: termometrele cu bimetal (-20˚C...
+400˚C, acurateţe ±2% şi timp de răspuns 45 s);
b) cu senzori electrici: termorezistoare, termocupluri, joncţiuni p-n. Etc
Când contactul direct al traductorului cu obiectul de măsurare nu este posibil
(temperatura este foarte înaltă sau punctul în care trebuie măsurată nu este accesibil),
pentru măsurarea temperaturii se utilizează pirometre, termometre în infraroşu, captatoare
de imagini în infraroşu (scanere IR), senzori cu fibre optice.
7
Capitolul II: Traductoare termorezistive
2.1. Termorezistenţe conductoare
La termorezistenţe, odată cu modificarea temperaturii (datorită variaţiei energiei
interne proprii) materialele din care se confecţionează suferă o serie de schimbări ce se
referă la structura cristalină, agitaţia termică ş.a., schimbări ce duc la modificarea
rezistenţei electrice în raport cu temperatura. Această dependenţă poate fi exprimată cel
mai simplu prin relaţia:
R = Ro.(1 + α.ΔT) (3)
unde Ro e rezistenţa electrică la 0E C, α e coeficientul de temperatură iar ΔT este variaţia
de temperatură.
Elementul sensibil al termorezistenţei este realizat dintr-o înfăşurare plată sau
cilindrică peste un suport izolant din mică, izoplac, ceramică, textolit, ş.a., cu un fir
bobinat neinductiv pe suport şi fixat de acesta prin impregnare sau presare mecanică.
Aspectul exterior al termorezistenţelor tehnice este similar cu cel al termocuplelor
şi prezentat în figura 3, realizându-se în varianta cu unul sau cu două elemente sensibile.
8
Dependenţa cu temperatura a rezistenţei electrice se exprimă prin coeficientul de
temperatură α al conductorului din care se execută înfăşurarea elementului sensibilşi
definit ca mărime a variaţiei rezistenţei de 1 Ω la o variaţie de 1E C a temperaturii.
Deoarece acest coeficient nu este dependent numai de natura materialului folosit, ci şi de
valoarea temperaturii, se obişnuieşte a se lua în calcule o valoare medie stabilită pentru
intervalul 0…100E C pe baza relaţiei:
R100 fiind rezistenţa electrică în ohmi la 100E C.
La alegerea materialelor din care se execută termorezistoarele se va ţine cont de
următoarele criterii:
rezistivitate mare pentru reducerea gabaritelor; coeficient de variaţie a
rezistivităţii cu temperatura ridicat , ceea ce permite şi sensibilităţi ridicate;
caracteristica de transfer să prezinte o bună liniaritate pentru a nu utiliza circuite
suplimentare de liniarizare; o bună stabilitate în timp şi la acţiunea agenţilor
chimici;
puritate ridicată pentru o bună reproductibilitate; preţ de cost redus.
Toate aceste cerinţe nu pot fi îndeplinite simultan, în realizarea termorezistenţelor
folosindu-ce materiale ca: platina (-180 ÷+600E C şi mai rar –200 ÷ +1000E C), nichelul (-
100÷+250E C), cupru, wolfram, fier. Cele mai utilizate sunt termorezistenţele din platină,
care se folosesc şi ca etaloane de temperatură în intervalul 0÷600E C.
Cu toate că nichelul are o sensibilitate mai mare decât platina, acesta are o
aplicabilitate mai redusă deoarece se oxidează la temperaturi ridicate şi prezintă
fenomenul de tranziţie la temperatura de 350E C ceea ce modifică accentuat rezistivitatea.
In acelaşi timp, nichelul prezintă neliniarităţi importante.
9
O foarte bună liniaritate şi sensibilitate o prezintă cuprul, dar domeniul de măsură
este redus prezentând şi dezavantajul unei acţiuni chimice pronunţate, structura sa
cristalină modificându-se în timp.
Rezistenţa nominală a dispozitivelor este de 25, 50, 100, 500 sau 1000Ω la 0E C,
ultimele variante fiind recomandate pentru temperaturi scăzute. Termorezistenţele
executate în ţară se confecţionează din platină, cu rezistenţe nominale de 50 şi 100 Ω, de
tipul PT 50 şi PT 100, fiind confecţionate din fire cu diametre între 0,05 ÷0,2 mm, cu
lungimi de ordinul 5 ÷ 20 cm, firele de legătură la blocul de borne fiind de nichel, cu
diametru mult mai mare, în scopul neglijării variaţiei rezistenţei acestora cutemperatura.
Constructiv, termorezistenţele trebuie să asigure protecţia la acţiunea agenţilor externi, să
preia rapid temperatura mediului de măsură, să permită măsurarea atât în curent continuu
cât şi alternativ, să nu fie influenţate de fenomenul dilatării.
Timpul de răspuns al acestor traductoare este de ordinul secundelor în apă şi de
ordinul zecilor de secunde în aer, iar pentru reducerea influenţei conductoarelor de
legătură se construiesc în variante cu 2, 3 sau uneori 4 borne de conectare.
În figura 4 se arată marcarea bornelor la termorezistenţele indigene (a., b., cu un
element sensibil, respectiv cu două în cazul a două fire de ieşire; c., d, cu un element
sensibil, respectiv două în cazul a trei fire de ieşire).
10
Lungimea nominală LN (cu referire la figura 3) este maxim 2000 mm,
dimensiunile minime fiind de 250 şi 500 mm, iar lungimea de imersie minimă este LI =
150, 220, 250 mm. Cel mai simplu circuit de măsurare cu termorezistenţe este cel cu
logometru magnetoelectric dar, se utilizează frecvent şi punţile de rezistenţe
(Weathsone).
2.2. Termorezistenţe semiconductoare
Termorezistenţe semiconductoare (termistoarele) sunt traductoare de
temperatură realizate din material semiconductor, fenomenele de conducţie în acest caz
fiind mult mai complexe.
În faza iniţială au fost utilizate pentru temperaturi scăzute, între 1 ÷35 K (ger-
maniu) şi <20 K (carbon), dar datorită perfecţionării tehnologiei siliciului, în ultima
perioadă (în special In tehnica circuitelor integrate) acesta se foloseşte dopat cu impurităţi
de tip “n”. Dependenţa de temperatură a rezistenţei pentru siliciu este:
unde: T – temperatura în ˚C; R25 – valoarea rezistenţei la 25˚ C; α = 7,8.10ˉ³ Kˉ¹; β =
18,4.10ˉ6 Kˉ².
Termistoarele de siliciu au o bună stabilitate pentru temperaturi între –50
÷+120˚C. Până la 120˚C, în mecanismul de conducţie intervine dopajul ce reduce
mobilitatea purtătorilor de sarcină, pentru temperaturi mai mari, datorită ionizărilor
termice, rezistenţa scade cu temperatura.
În tehnică se utilizează temistoare a căror sensibilitate este superioară cu cel puţin
un ordin de mărime faţă de termorezistenţe. Se execută din oxizi cu proprietăţi
semiconductoare ca oxizii de mangan, nichel, cobalt, cupru, magneziu, zinc, aluminiu,
fier, care sunt măcinaţi şi apoi presaţi prin sinterizare la o temperatură ridicată, la
extremităţi aplicându-se prin metalizare electrozi de legătură. Se realizează în forme
11
miniaturizate de discuri, plachete, perle, cilindri şi permit măsurarea cvasipunctuală a
temperaturii cu o viteză de răspuns ridicate.
Domeniul de măsură poate acoperi plaja –200÷+400˚C, uzual fiind până la 200˚C şi se
poate demonstra că rezistenţa lor variază cu temperatura după relaţia:
unde: T – temperatura absolută; A – constantă dependentă de dimensiuni şi forma
constructivă (T→∞ => R = A, rezistenţa convenţională a termistorului); B – constantă
caracteristică a materialului din care e confecţionate termisorul, cu valori între 2500 ÷
5000 pentru temperaturî până la 200˚C.
Pentru cazul puterii disipate nule, caracteristica termistorului este o exponenţială
ce se poate obţine în practică doar prin extrapolare.
În mod frecvent, dependenţa rezistenţei de temperatură se exprimă în funcţie de
valoarea acesteia la temperatura de referinţă To, adică:
ca temperatură de referinţă fiind cosiderate 25˚C.
Aceste traductoare prezintă o serie de avantaje ca sensibilitate foarte ridicată,
putând atinge rezoluţii până la 0,01˚C, fiind indicate în măsurările de presiuni diferenţiale
dar, prezintă marele dezavantaj de interşanjabilitate (nu pot fi “împerecheate”). Este
foarte dificil ca dintr-un lot destul de mare să alegem două termistoare cu rezistenţă
identică la temperatura de referinţă, înlăturarea acestui neajuns făcându-se prin înseriere
unei rezistenţe fixe în circuitul de măsurare.
12
2.3. Traductoare termoelectrice
Traductoarele termoelectrice (termocuplele) tehnice, constructiv se realizează din
două conductoare metalice sau aliaje diferite (termoelectrozi) sudate împreună la unul din
capete; prin încălzirea locală a sudurii (joncţiunea de măsurare – capăt cald), prin efectul
termo-electric direct (efectul Seebeck) se va genera o tensiune termoelectromotoare la
capetele libere ale conductoarelor (joncţiunea de referinţă – capăt rece). Valoarea acestei
tensiuni poate fi exprimată prin aproximarea polinomială de forma:
e = a(T1 – T2) + b(T1 – T2)2 + c(T1 – T2)3 + … (8)
T1 ,T2 fiind temperaturile celor două capete.
Materialele utilizate la realizarea termocuplelor pot fi conductoare sau
semiconductoare, trebuind să asigure o sensibilitate ridicată şi stabilitate în timp la
acţiunea agenţilor atmosferici.
În figura 5 se prezintă schematic un termocuplu a. şi schema de legare a acestuia -
b., prezentându-se şi un al treilea electrod M3, care se poate utiliza la prinderea, lipirea,
răsucirea sau sudarea capătului cald.
La denumirea unui termocuplu, primul material indică electrodul pozitiv pentru o
diferenţă de temperatură pozitivă.
13
Prin menţinerea constantă a temperaturii joncţiunii de referinţă (capăt rece), de
preferinţă la o valoare standardizată (0, 20, 50˚C) numită temperatură de referinţă,
tensiunea termoelectromotoare ce se va produce depinde, la acelaşi termocuplu, numai de
temperatura sudurii (capătul cald).
Menţinerea temperaturii la valoarea constantă este greu realizabilă, deoarece
instalaţiile şi agregatele tehnologice la care se măsoară aceasta degajă cantităţi importante
de căldură prin radiaţie. De asemenea, însăşi conductibilitatea termică a termocuplelor
duce la încălzirea capetelor reci, uneori temperatura acestora atingând valori apreciabile
de până la 100 – 200˚C.
Reducerea erorilor de măsurare ce provin din faptul că temperatura capetelor reci
(cutia de borne sau sudura rece) este diferită de cea de referinţă, se face pe cale electrică
prin introducerea unor cabluri de compensare sau a cutiilor (dozelor) de compensaţie ce
au o comportare dinamică în concordanţă cu traductorul.
Caracteristicile principale ale termocuplelor utilizate în practică, sunt redate
sintetic în anexa 1, cu precizarea că momentan în ţară se execută doar cele cu codurile J,
K, R şi S.
Termocuplele din materiale semiconductoare nu se folosesc în mod direct la
măsurarea temperaturii deoarece siliciul prezintă o rezistenţă termică redusă dar,
potmăsura alte mărimi ce au la bază măsurarea temperaturii diferenţiale, prezentând
avantajul că pot fi realizate în tehnica circuitelor integrate.
Fig. 6
14
În figura 6 se prezintă forma tehnologică a unui termocuplu cu siliciu de tip “p” /
aluminiu, realizat din zone de silicIu “p” – 1 şi benzi de aluminiu – 2 şi SiO2 –3,
structură ce permite şi interconectarea la folosirea unor baterii de traductoare.
Sensibilitatea acestor traductoare depinde de proprietăţile electrice ale
semiconductoarelor şi de temperatură, fiind cuprinsă între 0,4 – 1mV/K pentru cazul
folosirii unor baterii de traductoare.
Principalele dezavantaje ale acestor traductoare constau în existenţa conexiunii
termice realizată prin siliciu între joncţiunea caldă şi cea rece şi rezistenţa interioară mult
mai mare decât la termocuplele metalice (de ordinul zecilor de kΩ).
În cazul în care variaţiile de temperatură ale mediului ambiant sunt reduse, se
poate utiliza un circuit de corecţie ca cel prezentat în figura 7, care foloseşte un termistor
RT ce se conectează într-o punte alimentată de la sursa de tensiune E.
Fig. 7
La temperatura de referinţă impusă To puntea este în echilibru şi tensiunea U în braţele
opuse lui E este nulă.
Dacă temperatura mediului ambiant Ta se modifică faţă de cea de referinţă puntea
nu mai e în echilibru şi tensiunea va fi dată de:
15
Dacă vom alege convenabil elementele punţii şi traductorul, variaţia tensiunii
termoelectromotoare poate fi compensată datorită modificării temperaturii Ta, adică:
unde S este sensibilitatea traductorului care, în cazul unui traductor platină-rodiu (10%) /
platină la 1500˚C, cu temperatura de referinţă de 25˚C şi variaţii ale lui Ta de ±15%, ne
dă o tensiune de compensare de ±140 μV, eroarea de compensare fiind mai mică de 1%.
Cu toate că sensibilitatea termocuplelor este mai redusă decât a
termorezistenţelor, ele sunt caracterizate de o serie de avantaje din care amintim:
generează tensiuni electromotoare fără componenta de offset şi nu produc semnal
de ieşire dacă nu există o diferenţă de temperatură;
nu interferează cu alte mărimi de influenţă, cu excepţia luminii şi a unor radiaţii
nucleare ce pot produce transmutaţii (fierul şi nichelul sunt stabile la aceste
fenomene;
nu necesită polarizări iniţiale.
Principalele dezavantaje ale temocuplelor constau în: scăderea accentuată a
sensibilităţii la temperaturi scăzute; apariţia fenomenelor de evaporare, contaminare
chimică sau chiar topirea la temperaturi ridicate; limitarea pragului de sensibilitate
datorită zgomotului termic propriu.
2.4. Traductoare pirometrice
Noţiunea de pirometrie derivă de la cuvântul grecesc „piro” (foc), referindu-se la
măsurarea temperaturii pe baza unor metode fără contact, în concordanţă cu legile
radiaţiei termice.
16
Este cunoscut faptul că toate substanţele emit energie radiantă ce depinde de
temperatura absolută a corpurilor respective, fenomenele de radiaţie termică fiind
descrise de o serie de legi deduse din termodinamică. Aceste legi au fost verificate pentru
un corp negru absolut , care este un emiţător sau receptor total al energiei radiante. Dar,
nu toate corpurile îndeplinesc această condiţie, fiind necesară introducerea unui
coeficient de corecţie (emisivitatea) mai mic decât unitatea, coeficient ce depinde de
natura şi starea suprafeţei corpului, precum şi de lungimea de undă a radiaţiei (cu
excepţia corpurilor gri).
Pe baza legilor lui Planck, Wien şi Stefan-Boltzmann s-au realizat pirometrele ce
permit măsurarea temperaturii prin intermediul energiei radiante în mai multe variante ca:
pirometre cu radiaţie totală; pirometre monocromatice (cu bandă îngustă); pirometre cu
dispariţie de filament; pirometre bicromatice.
Deoarece, în lanţul de măsură, de la corpul a cărui temperatură se măsoară există
o anumită distanţă, se impune ca radiaţia să se propage spre un traductor sau fotodetector.
In raport de caracteristica de sensibilitate a fotodetectoarelor, utilizarea pirometrelor este
limitată, anexa 2 prezentând limitele inferioare ale intervalului de temperatură pentru o
parte redusă de fotodetectoare utilizabile.
Pirometrele de radiaţie totală au la baza funcţionării legea Stefan-Boltzmann şi
implică utilizarea unui detector de bandă largă, semnalul electric obţinut la ieşirea
fotodetectorului fiind proporţional cu puterea a patra a temperaturii, adică e = eo.k.T4, k
fiind o constantă iar eo emisivitatea medie.
Fig. 8
17
Principial, pirometrul cu radiaţie totală se realizează după schema prezentată în
figura 8. Corpul – 1 cu suprafaţa emisivă – 2 transmite radiaţia termică spre detectorul –
3, cu ajutorul unei diafragme – 4 şi o oglindă concavă – 5.
Pentru absorbţia totală a radiaţiilor de către detector, care poate fi un termocuplu, acesta
va trebui să se înnegrească.
La aceste traductoare, măsurarea temperaturii nu depinde de distanţa dintre suprafaţa
emisivă şi pirometru (oglindă), cu excepţia ca suprafaţa vizată de pirometru să fie activă.
Existenţa unor reflexii suplimentare, de exemplu corpul este executat din aluminiu, duce
la apariţia unor erori de măsurare deoarece corpul poate reflecta şi sursa care îl încălzeşte.
Pirometrele cu bandă îngustă (monocromatice) fac uz de o serie de filtre optice şi
detectoare şi prezintă o sensibilitate maximă pe axa filtrului optic doar pentru o anumită
fracţiune a spectrului de radiaţie termică.
Pirometrele cu dispariţie de filament funcţionează pe acelaşi principiu cu cele
monocromatice, având în componenţa lor şi o lampă etalon cu filament de wolfram.
Măsurarea se face prin comparaţie, adică pe imaginea suprafeţei radiante ce emite o
radiaţie în spectrul vizibil, se suprapun lampa etalon.
Fig. 9
Reglând curentul de filament se va modifica temperatura acestuia şi implicit
culoarea. Astfel (figura 9), în funcţie de temperatura filamentului Tf, valoarea curentului
prin acesta constituie o măsură a temperaturii urmărite Tm.
18
Pirometrele obişnuite au domeniile: 700˚C (filament roşu închis) şi tempera-tura maximă
a filamentului 1500˚C, dar pot fi extinse până la 3000˚C prin utilizarea unor atenuatoare
optice.
În cazul în care dispariţia filamentului e sesizată cu fotodetectoare, limita inferioară poate
ajunge până la 500˚C, cu erori de măsurare ce se pot situa sub ± 0,5%.
Pirometrele bicromatice se realizează din două pirometre monocromatice care
lucreazîn două regiuni apropiate ale radiaţiei termice, în aşa fel încât emisivitatea să se
poată considera constantă. Aceste pirometre pot măsura temperaturi în intervalul 700 ÷
2000˚C şi idicaţia lor nu depinde de natura corpului şi starea suprafeţei pentru cazul
emisivităţilor cuprinse între 0,3 şi 1.
Pirometrele sunt foarte mult utilizate în siderurgie (metalurgie) pentru măsurarea
temperaturii şarjei în cuptoare, furnale etc.
Pe lângă traductoarele de temperatură amintite în acest paragraf se mai pot aminti
traductoarele speciale (termometre) cu semiconductoare (cu una sau două diode),
termometrele bazate pe măsurarea zgomotului de fond ş.a., asupra cărora nu se va insista.
19
Capitolul III: Alte traductoare de temperatură
Din multitudinea traductoarelor de temperatură, se vor prezenta succint
traductoarele bimetalice, dilatometrice, manometrice şi pirometrice.
3.1. Traductoare bimetalice
Traductoarele bimetalice sunt materiale metalice fabricate din table sau benzi din
componente diferite, unite intim între ele şi caracterizate de coeficienţi de dilatare termică
liniară diferiţi. Bimetalul funcţionează pe principiul deformării la modificări de
temperatură sau la orice alte modificări de stări şi de procese ce au la bază variaţii de
temperatură.
În aplicaţiile industriale traductoarele bimetalice sunt elemente esenţiale în cazul
protecţiei la suprasarcini a masinilor, transformatoarelor, conductelor electrice, iar în
scopuri mai puţin „industriale” sunt utilizate la aparatele şi dispozitivele electrocasice
(calorifere, perne, plite, uscătoare, fiare de călcat,etc.).
Considerând că valoarea coeficienţilor de dilatare temică liniară a celor două
lamele este α1 şi α2, cu α1>α2 , sub acţiunea unei temperaturi, lamela se va încovoia spre
partea cu coeficient de dilatare mai mic, valoarea deplasării d puând fi evaluată teoretic
prin relaţia:
(11)
unde ΔT – variaţia de temperatură, k – connstantă dependentă de diferenţa între α1 şi α2
şi raportul modulelor de elestice al lamelelor, x – grosimea bimetalului şi L – lun-gimea
lamelei.
Prin deformarea lamelei bimetalice se pot închide sau deschide contacte electrice fixe sau
reglabile cu temperatura.
20
Bimetalele sunt traductoare robuste, cu erori de măsurare ce nu depăşesc ±1%, fiind
utilizate cu rezultate bune în plaja de temperaturi –50 ÷ +100˚C.
3.2. Traductoare dilatometrice
Traductoarele dilatometrice funcţioneaze principiul dependenţei dintre variaţiile
de temperatură şi dilatarea termică a unei ţevi metalice.
Fig. 10
Principial, un astfel de traductor e prezentat în figura 10, care se compune din ţeava
metalică – 1 (confecţionată obişnuit din cupru cu coeficient de dilatare termică liniară
mare şi o tijă – 2 confecţionată din invar (coeficient de dilatare redus). Prin intermediul
unui dop, tija se sudează cu un capăt la fundul ţevii, iar celălalt capăt acţionează direct
sau prin intermediul unui sistem de pârghii , una sau mai multe perechi de contacte – 3 ce
se conectează în sistemul de reglare a temperaturii.
3.3. Traductoare manometrice
Traductoarele manometrice funcţionează pe principiul variaţiei presiunii
lichidelor şi gazelor la volum constant în funcţie de temperatură. Constructiv, figura 11,
sunt realizate din rezervorul – 1 umplut cu un lichid cu punct de fierbere ridicat, vapori
sau gaze ce se introduce în mediul de măsură, tubul capilar – 2 şi resortul manometric –
3. Aceste părţi componente formează un sistem ermetic protejat faţă de corpul
dispozitivului.
21
Fig. 11
Variaţiile de temperatură ale fluidului din rezervor vor produce variaţii de
presiune ale vaporilor de fluid şi deformarea proporţională a resortului manometric, care
printr-un sistem de transmitere adecvat va acţionad pentru indicare, înregistrare,
semnalizare sau reglare.
Domeniul temperaturilor de lucru este cuprins între –50 ÷ +400˚C, cu o eroare de
măsurare ce nu depăşeşte ±1,5%, fiind utilizate la scară redusă datorită construcţiei
dificile şi preţului de cost ridicat.
22
Capitolul IV: Norme de protecţie a muncii şi P.S.I.
Respectarea normelor de tehnica securităţii muncii contribuie la asigurarea
condiţiilor de muncă normale şi la înlăturarea cauzelor care pot provoca accidente de
muncă sau îmbolnăviri profesionale.
În această direcţie responsabilitatea pe linie tehnică a securităţii muncii şi
prevenirea şi stingerea incendiilor, revine atât celor care organizează, controlează şi
conduc procesul de muncă, cât şi celor care lucrează direct în producţie.
Conducătorul laboratorului trebuie să ia măsuri pentru realizarea următoarelor
obiective:
Să se asigure iluminatul, încălzirea şi ventilaţia în laborator;
Să se asigure expunerea vizuală prin afişe sugestive, privitoare atât la protecţia
muncii, cât şi la prevenirea şi stingerea incendiilor;
Maşinile şi instalaţiile din laborator să fie echipate cu instrucţiuni de folosire;
Să se asigure legarea la pământ şi la nul a tuturor maşinilor acţionate electric;
În laborator să se găsească la locuri vizibile mijloace pentru combaterea
incendiilor;
Să se efectueze instructaje periodice pe linie de protecţie a muncii, de prevenire şi
stingere a incendiilor;
Înainte de începerea orei se va verifica dacă atmosfera nu este încărcată cu vapori
de benzină sau cu gaze inflamabile;
Dacă s-a utilizat benzină sau alte produse uşor inflamabile pentru spălarea
mâinilor, acestea trebuie din nou spălate cu apă şi săpun şi şterse cu un prosop;
Machetele sau exponatele trebuie să fie bine fixate în suport, iar utilizarea lor se
va face numai în prezenţa inginerului sau laborantului;
Materialele utilizate se vor manevra cu grijă, pentru a nu se produce accidente
precum: răniri ale măinilor, răniri ale ochilor, insuficienţe respiratorii, etc.
Manevrarea instrumentelor, a mijloacelor de lucru, a machetelor mai grele se va
face cu atenţie pentru a evita riscul de lovire.
23
Elevii:
Vor utiliza materialul didactic doar sub supravegherea profesorului, iar în timpul
pauzelor vor aerisi sala de clasă pentru a păstra un microclimat corespunzător de
lucru;
Nu vor folosi în joacă instrumentele puse la dispoziţie;
Nu vor introduce obiecte în prizele electrice;
Vor avea grijă de mobilierul şi mijloacele didactice din dotarea laboratorului;
Vor efectua lucrările de laborator în prezenţa profesorului sau laborantului;
Vor păstra o atmosferă de lucru în timpul orelor, în linişte şi cu seriozitate.
Nerespectarea regulilor mai sus menţionate poate conduce la accidente nedorite,
de aceea, abaterile vor fi sancţionate conform prevederilor legale şi ale regulamentului de
ordine interioară.
Măsuri de protecţia muncii la utilizarea instalaţiilor şi echipamentelor
electrice
Asigurarea inaccesibilităţii elementelor care fac parte din circuitele electrice prin:
- izolarea electrică a conductoarelor
- folosirea carcaselor de protecţie legate la pămant
Folosirea tensiunilor reduse (de 12, 24 şi 36 V) lămpile şi sculele electrice
portabile.
La utilizarea uneltelor şi lămpilor portabile electrice sunt obligatorii:
- verificarea atentă a uneltei, a izolaţiei şi a fixării sculei înainte de începerea
lucrului;
- evitarea încolăcirii sau a răsucirii cablului de alimentare în timpul lucrului;
- evitarea deplasării elevului în timpul lucrului;
- evitarea trecerii cablului de alimentare peste alte mese de lucru sau peste căile de
acces;
24
- interzicerea reparării sau remedierii defectelor în timpul funcţionării motoarelor
(machetelor) sau nesupravegherea uneltelor conectate la reţeaua electrică;
Folosirea mijloacelor individuale de protecţie şi a mijloacelor de avertizare:
- echipament de protecţie (covoraşe de cauciuc, mănuşi electroizolante, etc.)
- folosirea sculelor cu manere electroizolante urmărind ca acestea să nu prezinte
fisuri, zgarieturi şi să reziste tensiunii la care sunt folosite.
Protecţia prin legarea la pămant este folosită pentru asigurarea personalului
împotriva electrocutării prin atingerea echipamentelor şi instalaţiilor aflate sub tensiune.
Elementele care se leagă la pămant sunt:
o carcasele şi postamentele utilajelor;
o carcasele tablourilor de distribuţie;
o scheletele metalice care susţin echipamentele electrice.
25
BIBLIOGRAFIE
1. Constantin Vlaicu şi Costin Cepisca, Senzori şi traductoare, editura Bucureşti 2001;
2. Dragoș Simulescu, Constantin Popescu, Aparate, echipamente și instalații de electronică industrială, manual cl. XI și XII, Editura Didactică și Pedagogică București;
3. Emil Micu, ş.a., Electrotehnică de la A la Z , Editura Stiinţifică şi Enciclopedică, Bucureşti, 1985;
4. Eugenia Isac, Măsurări electrice și electronice, manual cl. XI și XII, Editura Didactică și Pedagogică București;
5. Gheorghe Frățicoriu, Andrei Țugulea, Mihai Vasilui, Electrotehnică și electronică aplicată, manual cl. X, Editura Didactică și Pedagogică București;
6. Theodor Dănilă, Monica Ionescu Vaida, Componente și circuite electronice, manual cl. XI și XII, Editura Didactică și Pedagogică București ;
7. Sergiu Colin, Stelian Popescu , Aparate, echipamente și instalații de electronică industrială automatizării, manual pentru cl. XI-XII, Editura Didactică și Pedagogică București.
26
Anexa 1 - Caracteristicile principale ale termocuplelor
TERMOCUPLU COD DOMENIU DE
TEMPERATURĂ[˚C]
SENSIBILITATEA
μV/˚C
Chromel /
Constantan
E - 270… 870 70 valoare medie
Fier / Constantan J - 210… 800 52,9 la 0˚C; 63,8 la
700˚C
Cupru / Constantan T - 270…370 15 la –200˚C; 60 la
350˚C
Chromel / Alumel K - 270…1250 40 valoare medie
Platină- rodiu(13%)
/ Platină
R - 50….1500 10 valoare medie
Platină- rodiu(10%)
/ Platină
S - 50….1500 6,4 la 0˚C; 11,5 la
1000˚C
Platină- rodiu(30%)
/ Platină-rodiu(6%)
B 0………1700 6 valore medie
Wolfram-reniu(5%)
/ Wolfram
reniu(26%)
0…2760 100 aplicaţii
speciale
Horning[(Bi
95%;Sn 5%) / (Bi
97%; Sb 3%)]
- < 100 13 valore medie
Schwartz[(Te 33%,
Ag 32%, Cu 27%,
Se 7%, S 1%) /
Ag2S 50%, Ag2Se
50%)]
- < 100 > 1000 aplicaţii
speciale
Siliciu “p” /
Aluminiu
- - 50….-150 44
Cupru / Paladiu - < 100 - aplicaţii speciale
28
Anexa 2
Limitele inferioare ale intervalului de temperatură pentru o parte redusă de fotodetectoare utilizabile.
Tip
fotodetector
Fotodiode Fototranzistoare
Si Ge PbS PbSe InSb HgCdTe
Temperatura
minima[˚C]
600 200 100 50 0 -50
29