Download - Traductoare de Temperatură

Transcript
Page 1: Traductoare de Temperatură

PROIECT PENTRU EXAMENUL DE CERTIFICARE ACALIFICĂRII PROFESIONALE

NIVEL 3Specialitatea:

Tehnician în automatizări

Elev: GRIGORE CĂTĂLIN ÎndrumătorClasa: a XII-a A Ing. POPESCU MONICA

2015

Page 2: Traductoare de Temperatură

2015

Page 3: Traductoare de Temperatură

1

CUPRINSARGUMENT 2I. TRADUCTOARE 3

1.1. Generalități 31.2. Caracteristici 51.3. Clasificări 71.4. Adaptoare și convertoare 9

II. ELEMENTE SENSIBILE ALE TRADUCTOARELOR DE TEMPERATURĂ 12

2.1. Termorezistența 122.2. Termistorul 152.3. Termocuplul 18

III. TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ 20

3.1. Soluții tehnice 20

IV. ANEXE 22

4.1. Fenomenele fizice pe care se bazează conversia traductoarelor 22

BIBLIOGRAFIE 24

Page 4: Traductoare de Temperatură

2

ARGUMENTÎn scopul măsurării mărimilor fizice care intervin într-un proces tehnologic, este

necesară de obicei convertirea acestora în mărimi de altă natură fizică pentru a fiintroduse cu uşurinţă într-un circuit de automatizare.

Traductoarele, cunoscute frecvent sub numele de elemente de măsură, suntdestinate pentru măsurarea mărimilor conduse şi a unor mărimi semnificative pe bazacărora se pune în evidenţă echilibrul proceselor. Prin intermediul lor, vom obţineinformaţiile necesare conducerii automate a proceselor în circuit închis. Traductoarele seutilizează atât în cadrul sistemelor de măsurare şi control, cât şi în cadrul sistemelor dereglare automată. Traductoarele se compun dintr-un element sensibil şi un adaptor.Elementul sensibil, numit şi detector, este specific fiecărui parametru măsurat.

Elementul sensibil efectuează operaţia de măsurare propriu-zisă, iar elementultraductor asigură transformarea semnalului într-un alt semnal, în general electric saupneumatic, unificat, semnal ce pretează pentru transmiterea la distanţă.

Traductoarele folosite în sistemele automate din industria chimică sunt traductoarede mărimi neelectrice destinate măsurării parametrilor specifici industriei chimice, şianume: temperatură, presiune, debit, nivel, concentraţie, pH etc.

Lucrarea este structurată pe următoarele capitole:Capitolul 1: Traductoare în care se numeşte traductor acel element al SRA care

realizează convertirea unei mărimi fizice – de obicei neelectrică – în mărime de altănatură fizică – de obicei electrică – proporţională cu prima sau dependentă de aceasta,în scopul utilizării într-un sistem de automatizare.

Caracteristici generale ale traductoarelor în care am prezentat caracteristicilegenerale, valabile pentru orice traductor: natura fizică a mărimilor de intrare şi de ieşire,puterea consumată la intrare ( de obicei o putere mică sau foarte mică, de ordinulcâtorva waţi sau miliwaţi sau chiar mai puţin), caracteristica statică a traductorului,domeniul de măsurare, panta absolută (sau sensibilitatea) Ka, panta medie (Km).

Clasificarea traductoarelor în care am specificat felul în care clasificareatraductoarelor poate fi făcută: în funcţie de natura mărimii de ieşire xe sau în funţie denatura mărimii de intrare xi.

Capitolul 2: Elementele sensibile ale traductoarelor, în care sunt detaliatetermorezistența, termistorul, termocuplul

Capitolul 3: Traductoare de temperatură, conține exemple și modele practice derealizare a acestora

În concluzie, conducerea proceselor tehnologice în timp real nu se poate realizadecât utilizându-se aparatură de automatizare performantă, aparatură care înglobează înultimul timp şi sisteme de conducere cu microprocesor.

Un lucru trebuie neapărat menţionat, şi anume acela că automatizarea impune cunecesitate existenţa unor instalaţii tehnologice, cât şi a unor tehnologii moderne, care săjustifice existenţa acestor instalaţii. De asemenea, fără o mecanizare corespunzătoare,nici nu se poate pune problema automatizării, dat fiind faptul că, din punctul de vedere alevoluţiei tehnicii, automatizarea urmează mecanizării.

Page 5: Traductoare de Temperatură

3

I. TRADUCTOARE

1.1. Generalități

Baza oricărei inginerii este proiectarea, iar proiectarea se sprijină pe date obţinuteprin operaţii de măsurare. Atât în ştiinţă, cât şi în tehnică informaţiile necesare suntobţinute, în principal, prin măsurări.

Încă la finele secolului trecut, W.Thomson arăta că: “Istoria fizicii este în esenţăistoria evoluţiei mijloacelor de măsură deoarece un fenomen fizic nu poate fi înţeles şiutilizat în practică până nu e măsurat”. “Fizica este ştiinţa care măsoară realitatea”.

În prezent, trăim într-o lume a măsurătorilor; în nici un domeniu al activităţilorumane (ştiinţă, cercetare, producţie) nu se poate progresa fără operaţii de măsurare.Dintre ştiinţele tehnice, electronica este cea mai dependentă de tehnica măsurărilor. Înacelaşi timp, evoluţia remarcabilă a aparatelor de măsură electronice se datoreazăprogreselor realizate în domeniul dispozitivelor şi circuitelor electronice, a tehnicilornumerice de condiţionare şi prelucrare a semnalelor. AM electronice s-au răspândit atâtde mult în toate sferele de activitate, încât azi nu e posibil ca cineva să pretindă că are ocultură tehnică generală fără a cunoaşte cât de cât instrumentaţia electronică de bază. Înfine, afirmaţia lui G.Keinath (specialistul care a dominat scena metrologică electrică întreanii 1930-1950): “Mehr messen, mehr wissen” (măsurăm mai mult, ştim mai mult)pledează suficient de convingător în această direcţie.

Măsurarea temperaturiiTemperatura indică gradul de încălzire a unui corp. (T)Unitatea de măsură pentru temperatura termodinamică este Kelvinul.Gradul Celsius este o unitate de măsură tolerată. t = T – 273,15Gradul Fahrenheit, se utilizează în ţările anglo-saxone. Se notează F şi

reprezintă a 180-a parte din intervalul de temperatură dintre temperatura de topire agheţii, notată 32 şi temperatura de fierbere a apei, notată 212.

10C=1,80FRelaţiile de transformare:

Ct = temperatura în grade Celsius; Ft = temperatura în grade Fahrenheit

9532 FC tt 32

59

CF tt

Gradul Reaumur (R) 10C=0,80RTemperatura se măsoară cu termometrul.Principii de măsurare: dilataţia corpurilor, variaţia rezistenţei electrice, efectul

termoelectric, radiaţia şi culoarea corpurilor, modificările de stare fizică.

Clasificarea termometrelor:1. Termometre bazate pe dilatarea corpurilor (gaze, lichide, solide);

a) termometre cu lichid (cu alcool sau mercur)

Page 6: Traductoare de Temperatură

4

b) termometre mecaniceb.1) Termometre cu tijă

- se bazează pe fenomenul de dilatare a corpurilor solide.1-tub de protecţie;2-tijă;3-pârghie;4-ax;5-arc;6-ac indicator.Tubul are coeficient de dilatare mic. Diferenţa de dilatare dintre tijă şi

tub determină mişcarea mecanismului indicator.b.2) Termometru bimetalic

- are elementul sensibil format dintr-un bimetal, adică o piesă confecţionată dindouă lamele metalice cu coeficienţi de dilatare diferiţi, lipite între ele.

- datorită temperaturii lamelele se dilată diferit şi elementul bimetalic se curbează;modificarea curburii se transmite acului indicator.

2. Termometre cu rezistenţă electrică (metalice sau semiconductoare)3. Termometre termoelectrice (termocupluri)4. Termometre bazate pe radiaţia termică a corpurilor (pirometre)5. Termometre manometrice – transformă variaţia de temperatură într-o variaţie de

presiune.

B. Măsurarea energiei termice- energia termică sau cantitatea de căldură este o mărime fizică derivată.- se notează Q- energia termică se măsoară în Joule (J).- pentru cantitatea de căldură se poate utiliza şi caloria (cal) 1cal=4,184 J- substanţa lichidă sau gazoasă prin care se realizează transportul energiei

termice se numeşte agent termic.Transferul de căldură se poate face prin:a) prin conducţie (ex. prin metale)b) prin convecţie – prin deplasarea substanţei caldec) prin radiaţie (ex. transformarea radiaţiei luminoase în căldură)

Mijloacele de măsurare a energiei se numesc contoare de energie termică şimăsoară debitul de agent termic, calculând energia termică.

1.2. Caracteristici

Prin aparat de măsurat se înţelege acel dispozitiv care stabileşte o dependenţăîntre mărimea de măsurat şi o altă mărime ce poate fi percepută nemijlocit cu ajutorulorganelelor de simţ umane, într-o manieră care permite determinarea valorii mărimiinecunoscute în raport cu o anumită unitate de măsură.

Page 7: Traductoare de Temperatură

5

În cazul SRA conducerea procesului făcându-se fără participarea directă aoperatorului uman, mijloacele prin care se realizează operaţia de măsurare se numesctraductoare.

Traductorul (definit în sensul atribuit de automatică) este un dispozitiv deautomatizare care stabileşte o corespondenţă între mărimea de măsurat (ce poate fi deorice natură sau domeniu de variaţie) şi o mărime de natură dată, având un domeniu devariaţie calibrat, mărime ce este recepţionată şi prelucrată de către echipamentele deconducere (regulatoare şi calculatoare de proces).

Noţiunea de traductor se poate extinde pentru definirea unor elemente cu funcţiunisimilare care intră în structura unor lanţuri de măsurare complexe, utilizate în scopuri decercetare, sau laboratoare metrologice .

În scopul măsurării mărimilor fizice ce intervin într-un proces tehnologic, estenecesară de obicei' convertirea („traducerea") acestora în mărimi de altă natură fizicăcare pot fi introduse cu ușurință într-un circuit de automatizare (de exemplu, otemperatură poate să influențeze un circuit de automatizare numai dacă este convertită(tradusă) într-o tensiune electrică proporțională sau dependentă de temperaturarespectivă).

Fig. 1.1 Structura generală a unui traductor.Elementul care, permite convertirea („traducerea") unei mărimi fizice (de obicei

neelectrică) într-o altă mărime fizică de obicei electrică) dependentă de prima, în scopulintroducerii acesteia într-un circuit de automatizare se numește traductor.

În structura traductoarelor se întâlnesc, în general, o serie de sub elementeconstitutive, ca, de exemplu: convertoare, elemente sensibile, adaptoare etc.

După cum va reieși din exemplele următoare, structura generală a traductoareloreste foarte diferită de la un tip de traductor la altul, cuprinzând unul, două sau mai multeconvertoare conectate în serie. În majoritatea cazurilor, structura generală a unuitraductor este cea din fig. 1.1.

Mărimea de intrare Xi (de exemplu, presiune, nivel, forță etc.) este convertită decătre elementul sensibil într-o mărime intermediară X0 (deplasare liniară sau rotire), careeste transformată în mărimea de ieșire Xe (tensiune electrică, rezistență, inductanță,capacitate), aplicată circuitului de automatizare cu ajutorul unui adaptor.

Observaţii:Făcând paralelismul funcţional între aparatele de măsurat şi traductoare, se

observă o serie de deosebiri prin faptul că traductorul este un element component alSRA.

Informaţia furnizată de traductor nu se adresează unui operator uman, ci unuiechipament de conducere sau reglare automată.

Deosebirile dintre traductor şi aparatul de măsurat rezidă mai ales în natura

Page 8: Traductoare de Temperatură

6

caracteristicilor statice şi dinamice. Din punct de vedere al caracteristicilor, traductoarelorli se impun următoarele cerinţe:

Relaţie de dependenţă liniară între intrare şi ieşire (I - E).Dinamică proprie care să nu influenţeze în mod esenţial comportarea SRA.Aceste cerinţe reprezintă restricţii severe în construcţia traductoarelor.Dacă pentru un aparat de măsură relaţia de dependenţă I-E poate fi neliniară, în

acest caz scara aparatului gradându-se neliniar, în cazul traductorului dependenţa I-Eeste impusă strict liniară, adică, eroarea de neliniaritate admisă este foarte redusă. Toateoperaţiile de conducere a procesului se bazează pe această proprietate.

În ceea ce priveşte, dinamica proprie, este necesar ca informaţia furnizată detraductor către echipamentul de conducere să ajungă la aceasta fără întârziere, pentruca deciziile de conducere să fie oportune.

Rezultă că dinamica proprie a traductorului trebuie să fie rapidă, încâtprogramarea informaţiei prin traductor (între I şi E) să se facă cu întârzieri minime(neglijabile) în raport cu dinamica procesului condus.

Se observă (deduce) că traductoarele trebuie să îmbine cerinţele de liniaritate şiviteză de răspuns cu performanţele metrologice privind precizia, similare cu cele aleaparatelor de măsură sau chiar mai ridicate, ţinând seama că posibilităţile dediscriminare ale SRA sunt superioare faţă de cele oferite de operatorul uman.

Toate consideraţiile implică şi necesitatea unei fiabilităţi sporite în raport cuaparatele de măsurat, datorită faptului că o indicaţie greşită dată de un aparat demăsurat poate fi uşor sesizată şi interpretată de către operator, pe când detectarea unorvalori eronate furnizate de traductoare este mult mai dificilă în cazul unui SRA.

Datorită unor avantaje bine cunoscute, majoritatea echipamentelor deautomatizare sunt electrice sau electronice, şi numai în cazuri speciale pneumatice(medii cu pericole de explozii sau incendii).

Ca urmare, semnale de ieşire ale traductoarelor sunt de natură electrică (tensiune,curenţi) sau pneumatică (aer instrumental).

Semnalele de ieşire ale traductoarelor, indiferent de natura lor –electrică saupneumatică, au domenii de variaţie fixate.

În acest mod se crează posibilitatea utilizării de echipamente tipizate, realizându-se aşa-numitele sisteme unificate de aparate pentru automatizare.

Prin sistem unificat de echipamente pentru automatizare se înţelege ansamblulaparatelor şi dispozitivelor realizate după un principiu constructiv unic, ce utilizează unsemnal unificat.

Sistemele unificate de echipamente pentru automatizări, în care sunt incluse şitraductoarele, asigură avantaje tehnico-economice legate de producerea în serii mari,modularizarea, tipizarea şi interconectarea rapidă a diferitelor componente, ceea cecontribuie la reducerea costurilor de întreţinere şi depanare.

Întrucât traductoarele sau unele componente ale acestora sunt montate direct îninstalaţiile în care se desfăşoară procesul, este necesar ca acestea să funcţionezecorect, în condiţii foarte dificile: umiditate, medii corozive sau uneori la temperaturiridicate sau la presiuni foarte mari.

Asigurarea unei funcţionări corecte în asemenea condiţii dificile impune o atenţie

Page 9: Traductoare de Temperatură

7

deosebită la realizarea constructivă a traductoarelor.Indiferent de tipul traductorului utilizat, se pot stabili următoarele caracteristici

generale, valabile pentru orice traductor: natura fizică a mărimilor de intrare şi de ieşire (curent, tensiune electrică,

rezistenţă electrică, presiune, temperatură, debit, nivel, etc.); puterea consumată la intrare ( de obicei o putere mică sau foarte mică, de

ordinul câtorva waţi sau miliwaţi sau chiar mai puţin). Consumul propriu fiind,de regulă, neglijabil, înseamnă că puterea transmisă elementului următor esteinsuficientă pentru a determina o acţionare; de aceea, în schemele deautomatizare, un traductor este urmat, aproape întotdeauna, de unamplificator;

caracteristica statică a traductorului, care reprezintă grafic dependenţa xe=f(xi)dintre mărimile de ieşire, respectiv de intrare ale traductorului. După tipultraductorului, această variaţie poate reprezenta o funcţie liniară sau neliniară,continuuă sau discontinuuă (cu valori discrete);

domeniul de măsurare, definit de pragurile superioare de sensibilitate xi max şixe max şi de cele inferioare xi min şi xe min (în fig. 1.2 s-a presupus xi min=0);

panta absolută (sau sensibilitatea) Ka, reprezentând raportul dintre variaţiilemărimilor de ieşire ∆xe, respective de intrare ∆xi (fig. 11.2): Ka=∆xe/∆xi;

panta medie (Km), reprezentând coeficientul unghiular (panta) dreptei careaproximează caracteristica statică reală a traductorului (fig 11.2): Km=tg ά ≈Ka.

Pentru aprecierea performanţelor unu traductor se utilizează o serie decaracteristici tehnice, majoritatea acestora fiind însă valabile şi pentru celelalte elementedin componenţa unui sistem de măsurare sau chiar pentru întregul sistem de măsurare.

Pragul de insensibilitate rezoluţia) reprezintă cea mai mică variaţie a mărimiide intrare care produce o variaţie sesizabilă asupra mărimii de ieşire;

Sensibilitatea într-un punct al domeniului de măsurare reprezintă panta tangenteiduse la caracteristica statică în punctul respectiv, adică raportul dintre variaţia mărimii deieşire şi cea a mărimii de intrare.

Liniaritatea exprimă proprietatea traductorului de-a avea o caracteristică staticăcu forma cât mai liniară. La un traductor cu caracteristica statică perefect liniară,sensibilitatea are aceeaşi valoare în toate punctele domeniului de măsurare.

Unidirecţionalitatea este proprietatea traductorului de a nu modifica valoareamărimii măsurate, în urma conectării acestuia la mediul de măsurat.

Reproductibilitatea repetabilitatea) este proprietatea de a se obţine rezultatecât mai apropiate în cazul repetării, în condiţii identice, a operaţiei de măsurare;

Fidelitatea este proprietatea de a se obţine rezultate cât mai puţin influenţate deacţiunea factorilor perturbatori interni şi externi. Utilizarea unui raport semnal util-zgomot cu valoarea cât mai mare duce la creşterea fidelităţii. Trecerea de la semnalulutil unificat 2... 10 mA la actualul semnal unificat 4...20 mA constituie un exemplusemnificativ în acest sens.

Timpul de răspuns durata regimului tranzitoriu) reprezintă timpul destabilizare a mărimii de ieşire la o variaţie bruscă, sub formă de treaptă, a mărimii de

Page 10: Traductoare de Temperatură

8

intrare.Precizia exprimă gradul de exactitate al operaţiei de măsurare. De remarcat faptul

că precizia unui aparat depinde de toate celelalte caracteristici menţionate mai sus.Fiabilitatea reprezintă proprietatea traductorului de a-şi îndeplini funcţia, în limita

unor performanţe impuse şi în condiţii de exploatare date, într-un interval de timp cât maimare.

Simplitatea în construcţie, funcţionare şi exploatare.Robusteţea la şocuri şi vibraţii mecanice.Interschimbabilitatea.Mentenanţa (întreţinerea).Preţul de cost.

Page 11: Traductoare de Temperatură

9

1.3. Clasificări

Clasificarea traductoarelor poate fi făcută în funcție de natura mărimii deieșire Xe .sau în funcție de natura mărimii de intrare Xi.

În funcție de forma semnalului informațional obținut la ieșirea traductoruluise deosebesc:

— traductoare analogice, la care semnalul de ieșire este continuu, variazăprintr-o infinitate de valori;

— traductoare numerice, Ia care semnalul de ieșire este numeric (digital).În funcție de natura mărimii de ieșire (Xe) se deosebesc:- traductoare electrice („electronice") la care mărimea de ieșire este un

semnal electric, de obicei de valori unificate (Ie=2 .. .10 mA c.c);- traductoare pneumatice, la care mărimea de ieșire este un semnal pneumatic

(de aer comprimat), de valori unificate Pe== 0,2 . . . 1 atm; se folosesc în medii cupericol de explozii sau incendii, spatii în care prezența curentului electric esteinterzisă la orice valori ale parametrului respectiv.

Traductoarele electrice se subdivid la rândul lor în: Traductoare parametrice, la care mărimea măsurată este

transformată într-un „parametru de circuit electric“ (rezistență,inductanță sau capacitate). Traductoarele parametrice se împart deci larândul lor în: traductoare inductive și traductoare capacitive;

Traductoare generatoare, la care mărimea măsurată estetransformată într-o tensiune electromotoare a cărei valoare depinde devaloarea mărimii respective.

În funcție de natura mărimii aplicate la intrare (Xi) se disting:- traductoare de mărimi neelectrice (temperatură, deplasare, debit, o

presiune etc.);- traductoare de mărimi electrice (curent, frecvență, putere, fază etc.).În practică, traductoarele sunt definite pe baza ambelor criterii arătate mai sus

(de exemplu, traductor parametric rezistiv de temperatură).În funcție de domeniul de variație al mărimii de ieșire, traductoarele se

clasifică în:- traductoare unificate, la care mărimea de ieșire reprezintă un semnal

unificat electric (2—10 mA c.c. sau 4—20 mA c.c.), sau pneumatic ;(0,8 -1 kgf/cm2);

- traductoare neunificate (specializate).În figura 1.2. se prezintă ca exemplu un traductor rezistiv de presiune.

Presiunea de măsurat P este aplicată unui burduf metalic special B capsulămanometrică) care se deplasează în sus pe măsură ce presiunea crește, deplasând

Page 12: Traductoare de Temperatură

10

prin tija T cursorul reostatului R.

Fig. 1.2. Traductor rezistiv de presiune. Fig. 1.3. Traductor inductiv de forță.Așadar, rezistența R obținută între bornele c și o va crește o dată cu creșterea

presiunii. Pentru a pune în evidență variația rezistenței Rx, deci a presiunii P, serealizează un circuit electric ca cel din figură, și anume: rezistenței totale R0 aplică otensiune constantă U0, iar voltmetrul V este legat potenţiometric între bornele c şi o(pe rezistența Rx).

În consecință, voltmetrul V va indica tensiunea Ux, proporțională cu rezistențaRx, deci cu deplasarea, dx care la rândul său depinde de presiunea P. Scaravoltmetrului este gradat direct în unități de măsură ale presiunii (atm). :

În figura 1.3 este prezentat un traductor inductiv de forță. Acesta cuprinde unmiez magnetic format dintr-o armătură fixă C și o armături mobilă M ținută înpoziție verticală de resoartele A1 şi A2, la o distanță δ de armătură fixă. Pe armăturăfixă se află o bobină conținând N spire a cărei inductanță Lx variază cu întrefierul δ.

În aceste condiții, când forța crește, δ crește corespunzător, şi deci L scade.Cum curentul Ix din circuitul electric crește o dată cu scăderea inductanței, el crestedeci cu creșterea forței F.

Fig. 1.4. Traductor capacitiv de dimensiune.În figura 1.4 s-a prezentat un traductor capacitiv pentru măsurare diametrelor

axelor care se prelucrează prin strunjire. Acesta cuprinde do armături curbe C1 şi C2,având raza de curbură R0 şi centrul de curbură în centrul O al axului A, care serotește, fiind strunjit de cuțitul S. Notând cu Rx raza axului, rezultă că distanța d(d=R0—Rx) crește o dată cu scădere diametrului 2Rx al axului de prelucrat. Valoarea

Page 13: Traductoare de Temperatură

11

capacității Cx este determinată de cele două capacități formate din, armăturile C1 şiC2, înseriate prin axul A.

1.4. Adaptoare și convertoare

AdaptoarePentru realizarea unei anumite funcții de automatizare, elementele sistemelor

automate se leagă sub forma unor „lanțuri“ sau „bucle“, astfel că mărimea de ieșireEx dintr-un element E1 se aplică la intrarea i2 a, unul element E2 ş.a.m.d. (fig. 1.5. a).

Este evident că pentru a se asigura o funcționare optimă este necesar caelementul E1 să se „adapteze” la E2, E2 la E3, adică:

e1=i2; e2=i3...De obicei, aceste condiții nu pot fi îndeplinite şi, ca urmare, este necesar ca

între elementele care nu se adaptează (de exemplu, Ex şi E2 au ; mărimile et≠i2) să seintroducă elementul de adaptare, adaptorul A, care ‘ -a realizeze condiția de mai sus,adică (fig. 1.5, b):

e1=iA şi eA=i2.

Fig. 1.5. Conectarea elementelor de automatizare: a - fără adaptor: b - cu adaptor.Observația 1. Mărimile e1 și i2 pot fi de aceeași natură fizică, de exemplu

tensiuni electrice, însă de valori diferite, caz în pare adaptorul se reduce, deexemplu, la un simplu transformator sau divizor de tensiune etc. În cazul în carenatura fizică a celor două mărimi este diferită (de exemplu, deplasare-curent),structura adaptorului este mai complicată.

Observația 2. Adaptorul poate fi considerat ca un caz particular de convertor,având însă funcția precizată mal sus (adaptarea între elemente).:

În cadrul sistemelor unificate (de exemplu, sistemul unificat E), adaptoareleau rolul de a transforma o mărime de ieșire oarecare într-un semnal unificat (deexemplu, o deplasare liniară sau o mărime electrică — o- tensiune sau o rezistență— în semnal unificat 2—10 mA c.c.).

Așadar, adaptoarele realizate în cadrul aparaturii sistem E convertesc mărimeaintermediară (deplasare, rezistență sau tensiune) în semnal electric unificat, deci

Page 14: Traductoare de Temperatură

12

adaptează valorile mărimilor obținute de la traductoarele primare la valorileunificate ale mărimilor de intrare în aparatura de măsurare, control, reglare etc.

ConvertoareElementele de automatizare, ca de altfel şi multe alte elemente cunoscute în

tehnică, cuprind în structura lor unul sau mai multe sub elemente , de „convertire",adică de transformare a unei mărimi în altă mărime, dependentă de aceasta.

Fig. 1.6. Exemple de convertoare: a — termometru cu lichid; b — manometrucu tub; c — voltmetru cu redresor; d — divizor de tensiune.

Pentru înțelegerea noțiunii de convertire a mărimilor, în figura 1.6.c prezintăcâteva exemple de „convertoare" frecvent întâlnite în tehnică.

• Termometrul cu lichid (fig. 1.6. a). Temperatura produsă de o sursă fiecăldură S influențează volumul V al lichidului (dilatare) care, ridicându-se în tubulcapilar T produce modificarea lungimii l (scară gradată).

Deci temperatura ɵ este convertită într-un volum V, iar acesta într-o lungimel: V=l, deci ɵ=l

În concluzie, se poate considera că un termometru cu lichid este un convertorcu ajutorul căruia o temperatură ɵ este convertită într-o lungime l prin douătransformări (convertiri) intermediare.

• Manometrul eu tub (fig. 1.6, b). Presiunea P a unui fluid, acționândasupra secțiunii S a coloanei de mercur, este convertită într-o forță F (F= P*S), iaraceasta echilibrează greutatea coloanei de mercur de lungime l. Adică:

P=>F; F=>l, deci P=>l.• Voltmetrul eu redresor (fig. 1.6, c), Tensiunea alternativă U produce un

curent alternativ (determinat de rezistența totală a aparatului), care este redresat prinpuntea de diode D în curentul continuu I ce străbate galvanometrul G.

Cuplul activ M produs de acest curent este echilibrat de resorturile

Page 15: Traductoare de Temperatură

13

antagoniste ale galvanometrului la un unghi a al acului indicator. Deci, avem învedere următoarele convertiri succesive.

.Prin urmare, voltmetrul cu redresor este un convertor tensiune-unghi .• Divizorul de tensiune (fig. 1.6. d). Tensiunea U0 este convertită în curentul I

determinat de rezistența totală iar acesta produce tensiunea U perezistenţa parţială R(U=RI); adică:

.Concluzii. Din exemplele de mai sus rezultă că procesele de convertire a

mărimilor fizice se întâlnesc, practic, destul de frecvent în tehnică. În automatică,noțiunea de convertor este. atribuită unor sub elemente realizate fie sub o formăindependentă, fie incluse în structura unor elemente complexe (traductoare,regulatoare etc.) și care au, de exemplu rolul de a transforma un semnal unificatelectric într-un semnal unificat pneumatic (convertor electropneumatic), sau omărime analogică într-una numerică (convertor analog-numeric) etc.

Page 16: Traductoare de Temperatură

14

II. ELEMENTE SENSIBILE ALE TRADUCTOARELOR DETEMPERATURĂ

Temperatura este mărimea fizică ce caracterizează starea de încălzire a unuicorp. Pentru a măsura temperatură este necesară o scară de temperatură care, însistemul internațional de unități (SI), este scara termodinamică. Scaratermodinamică practică are la bază două puncte fixe: acela de topire a gheții (0°C) șide fierbere a apei (100°C), interval care a fost divizat în 100 de părți (grade) — 100de grade centigrade. Se mai folosește de asemenea și scara termodinamică absolută(Kelvin), care are ca origine punctul zero absolut al temperaturilor; simbolulgradului absolut este K. Valoarea unui grad absolut este egală cu aceea a unui gradcentigrad și întrucât punctul de topire al gheții este 273,15 K, relația care leagătemperatura unui corp măsurată la scara centigrad (t°C) şi absolută (T°C) esteurmătoarea:

T=(273,15 + f)KAparatura pentru măsurarea temperaturii se clasifică în funcție de variația unui

parametru cu temperatura în aparate bazate pe:— variația termică (dilatarea) a corpurilor;— variația rezistenței electrice (termorezistențe);— variația tensiunii termoelectrice (termocupluri);— variația radiației termice (pirometre).Denumirea generală a aparatelor pentru măsurarea temperaturii este aceea de

termometre.

2.1. Termorezistența

Traductoarele termorezistive (traductoare parametrice) sau, cum se mai numesc,termorezistențele, sunt rezistoare sensibile la temperatura, confecționate din materialeconductoare sau semiconductoare a căror rezistivitate variază cu temperatura.

Termorezistențele conductoare (metalice) sunt confecționate din metale pure,cum sunt: fierul, cuprul, nichelul sau platina, având coeficientul de temperatură cuprinsîntre 3,7 •10-3 şi 6,5 10-3 1/°C. Aceasta înseamnă că la o creștere a temperaturii de100°C, rezistența materialului' crește cu 37—65%:

Variația rezistenței metalelor în funcţie.de temperatură este liniară- pentrutemperaturi de 100—200°C, fiind exprimată prin relația:

in care:Rt este valoarea finală a rezistenței (Ω);R0 — valoarea inițială a rezistenței (Ω);ɵ- — variația de temperatură (°C);α— sensibilitatea relativă (1-/°C). -Pentru cupru, în intervalul +50<t<150°C sensibilitatea relativă α =4,3-10-9 (1/°C).La termorezistenţe, odată cu modificarea temperaturii (datorită variaţiei energiei

Page 17: Traductoare de Temperatură

15

interne proprii) materialele din care se confecţionează suferă o serie de schimbări ce sereferă la structura cristalină, agitaţia termică ş.a., schimbări ce duc la modificarearezistenţei electrice în raport cu temperatura. Această dependenţă poate fi exprimată celmai simplu prin relaţia:

R = R0.(1 + α.ΔT)unde R0 e rezistenţa electrică la 00C, α e coeficientul de temperatură iar ΔT este variaţiade temperatură.

În fig.2.1. este reprezentata schematic o termorezistenta si conexiunile sale laschema de masurare, la care semnificatia elementelor este urmatoarea:

Fig.2.1. Termorezistenta; reprezentare principiala si conectare în circuitul de măsurareR - termorezistența construita din firul metalic bobinat pe un suport izolant

din material ceramic sau sticla și care este introdusa în tuburi de protecție similare cucele menționate la termocupluri.

C1 - conector ce reprezintă bornele de ieșire A, B, b ale termorezistenței.C2 - conector ce reprezintă bornele de intrare A', B', b' în aparatul de

măsurat.CL - cablu de legătură.Re - rezistența de echilibrare.SM - schema de măsurare.

Fig.2.2. Schema de conectare a termorezistentei la puntea de măsurare înconexiunea cu 3 fire

Legătura bb' se utilizează la schema de conectare în punte a termorezistenței,

Page 18: Traductoare de Temperatură

16

schema ce compensează influența temperaturii asupra conductoarelor de legătura(conexiunea cu trei conductoare) - fig.2,2.

E - sursa de alimentare a punii,R1, R2, R 3 - rezistențe din punte,Ud - tensiunea de dezechilibru a punții (puntea funcționează în regim

dezechilibrat),Rc1, Rc2 - rezistențele firelor de legătura; ele apar în brațe adiacente ale

punții și din aceasta cauza modificările lor cu temperatura se compensează.În fig.4 sunt trasate curbele de variație a rezistenței electrice cu temperatura

pentru principalele tipuri de termorezistențe (R0 reprezintă rezistența la 0C, R rezistențala temperatura ).

Fig.2.3. Dependenta rezistentei electrice cu temperatura la principalele tipuri determorezistente

În tabelul de mai jos sunt date comparativ caracteristicile termorezistențelor din Pt,Cu si Ni.

Caracteristici Pt Cu NiLiniaritate foarte buna foarte buna slabaSensibilitate Acceptabila buna mareDomenii deutilizare

-200C - +900C 0C - +120C 0C - +250C

Stabilitatechimica

foarte buna instabil buna

În regim dinamic datorita masei termice a învelișului de protecție,termorezistențele se comporta, pe zonele de liniaritate, ca elemente de întârziere:

Elementul sensibil al termorezistenţei este realizat dintr-o înfăşurare plată saucilindrică peste un suport izolant din mică, izoplac, ceramică, textolit, ş.a., cu un firbobinat neinductiv pe suport şi fixat de acesta prin impregnare sau presare mecanică.

Dependenţa cu temperatura a rezistenţei electrice se exprimă prin coeficientul detemperatură α al conductorului din care se execută înfăşurarea elementului sensibilşidefinit ca mărime a variaţiei rezistenţei de 1 Ω la o variaţie de 10C a temperaturii.Deoarece acest coeficient nu este dependent numai de natura materialului folosit, ci şi devaloarea temperaturii, se obişnuieşte a se lua în calcule o valoare medie stabilită pentru

Page 19: Traductoare de Temperatură

17

intervalul 0…1000C pe baza relaţiei:

0

0100

R100RRα

R100 fiind rezistenţa electrică în ohmi la 1000C.La alegerea materialelor din care se execută termorezistoarele se va ţine cont de

următoarele criterii: rezistivitate mare pentru reducerea gabaritelor; coeficient de variaţiea rezistivităţii cu temperatura ridicat , ceea ce permite şi sensibilităţi ridicate;caracteristica de transfer să prezinte o bună liniaritate pentru a nu utiliza circuitesuplimentare 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 termorezistenţelorfolosindu-ce materiale ca: platina (-180 ÷+6000C şi mai rar –200 ÷ +10000C), nichelul (-100÷+2500C), cupru, wolfram, fier. Cele mai utilizate sunt termorezistenţele din platină,care se folosesc şi ca etaloane de temperatură în intervalul 0÷6000C.

Cu toate că nichelul are o sensibilitate mai mare decât platina, acesta are oaplicabilitate mai redusă deoarece se oxidează la temperaturi ridicate şi prezintăfenomenul de tranziţie la temperatura de 3500C ceea ce modifică accentuat rezistivitatea.In acelaşi timp, nichelul prezintă neliniarităţi importante.

O foarte bună liniaritate şi sensibilitate o prezintă cuprul, dar domeniul de măsurăeste redus prezentând şi dezavantajul unei acţiuni chimice pronunţate, struc-tura sacristalină modificându-se în timp.

Rezistenţa nominală a dispozitivelor este de 25, 50, 100, 500 sau 1000Ω la 00C,ultimele variante fiind recomandate pentru temperaturi scăzute. Termorezisten-ţeleexecutate 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, culungimi de ordinul 5 ÷ 20 cm, firele de legătură la blocul de borne fiind de nichel, cudiametru 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 curentcontinuu cât şi alternativ, să nu fie influenţate de fenomenul dilatării.

Timpul de răspuns al acestor traductoare este de ordinul secundelor în apă şi deordinul zecilor de secunde în aer, iar pentru reducerea influenţei conductoarelor delegătură se construiesc în variante cu 2, 3 sau uneori 4 borne de conectare.

Cel mai simplu circuit de măsurare cu termorezistenţe este cel cu logometrumagnetoelectric dar, se utilizează frecvent şi punţile de rezistenţe (Weathsone).

2.2. Termistorul

Termorezistențele semiconductoare, numite și termistoare, sunt confecționateprin presare din oxizii, carburile sau sulfurile unor metale ca: nichel, cupru, plumb,magneziu, etc. Rezistivitatea acestor materiale este incomparabil mai mare decât cea ametalelor (de 1010 . . .1021 ori mai mare), însă, spre deosebire de metale, rezistențatermistoarelor Rt scade cu creșterea temperaturii, după o relație exponențială:

Page 20: Traductoare de Temperatură

18

în care:Rt1 este rezistenţa termistorului la temperatura Tx (K);B — constantă specifică fiecărui material;T — temperatura exprimată în Kelvini (temperatura absolută).Observație. La 0 K (zero absolut) rezistivitatea termistoarelor devine infinit în timp

ce rezistivitatea cu duetelor devine zero (fenomenul de „supraconductivitate”).În figura 2.4 este reprezentată variația rezistenţei unei termorezistenţe

conductoare și uneia semiconductoare în funcție de temperatură. În cazultermorezistenţei semiconductoare, variații este incompatibil mai mare decât în cazultermorezistenţelor conductoare mai ales în domeniu, temperaturilor negative pe scaraCelsius. Din acest motiv, termistoarele sunt folosite mai ales pentru măsurareatemperaturilor joase. De exemplu, pentru o încălzire de la 0 la 100°C, o termorezistenţădată, confecționată din cupru (conductor), își variază rezistența de la 100 la 140 Ω, întimp ce alta din oxid cupros (cuproxid) — care este semiconductor — scade de la 100 la5Ω.

Aceste proprietăți ale termorezistențelor (metalice sau semiconductoare) facposibilă folosirea lor ca elemente sensibile în realizarea traduc toarelor.

După modul de încălzire a termorezistențelor folosite în construcția traductoarelor,se deosebesc două principii de măsurare:

— temperatura şi implicit rezistența termorezistenței sunt determinate detemperatura mediului ambiant, influenta curentului de măsurare fiind neglijabilă(termorezistențe folosite la termometre);

— încălzirea este produsă de curentul electric care străbate termorezistența,temperatura, şi deci valoarea rezistenței, fiind determinată de condiţiile variabile detransmitere a căldurii în mediul ambiant (termorezistențele folosite la analizoarele de gaz,la vacuummetre, la anemometre etc.).

În acest caz, schimbul de căldură (disiparea) între conductorul termorezistiv şimediul ambiant se face prin convecție, conducție şi radiație.

Termorezistențele metalice se confecționează de obicei din sârma de; cupru,nichel sau platină cu diametre de circa 0,1 mm și de lungimi care să asigure rezistențenormale de 46 sau 100 Ω.

Sârma se bobinează pe carcase de mică, porțelan sau cuarț şi, uneori, cândmediul de măsurare este ”agresiv” (atacă materialul termorezistenţei), se introduc în tecimetalice de protecție (fig. 2.5).

Termometrele cu termistoare au valori nominale cuprinse între 1 000 j şi 200 000Q şi sînt utilizate în special în domeniul temperaturilor negative ţ pe scare Celsius,datorită sensibilităţii mari a acestora (v. fig. 2.4). j

Termorezistențele de cupru se folosesc pentru măsurarea temperaturilor îndomeniul 0—-120°C şi prezintă în acest domeniu o variație liniară cu temperatura.

Page 21: Traductoare de Temperatură

19

Fig. 2.4. Variaţia rezistivității termorezistenţelor cu temperatura.

Fig. 2.5. Termorezistențe cu teacă.

Fig. 2.6. Traductor termorezistiv de temperatură.Termorezistențele de platină sunt utilizate pentru măsurarea temperaturilor

cuprinse între -200 şi +500°C.Termorezistoarele pot fi utilizate ca traductoare de temperatură unificate (fig. 2.6)

prin cuplarea lor cu adaptoare formate din blocuri de gamă tip H72 (la o termorezistență)sau tip H77 (două termorezistențe) şi amplificator cu modulator tip ELT 160. Se obțineastfel la ieșire un semnal unificat i=2 . . .10 mA c.c., corespunzător domeniului de variațieal temperaturii.

Page 22: Traductoare de Temperatură

20

2.3. Termocuplul

Acestea sunt traductoare generatoare a căror funcționare se bazează petensiunea electromotoare (numită tensiune termoelectromotoare) care apare în punctulde sudare (joncțiune) a două materiale diferite A ,şi B supuse încălzirii.

Această tensiune, care este proporțională cu temperatura măsurată, poate fi pusăîn evidentă, de exemplu, cu ajutorul milivoltmetrului mV (fig. 2.7, b). Circuitul format dincele două conductoare (termoelectrozi) poartă şi numele de termocuplu.

Fig. 2.7. Termocuplu: a — principiul de funcționare; b — schema de măsurare.În acest caz (fig. 2.7, a). tensiunile termoelectromotoare EAB1 şi EAB2, obținute la

joncțiunile J1 şi J2, vor fi funcții de temperaturile, T1 şi T2,:EAB1=f1(T1) și EAB2=f2(T2)Joncțiunea J1 la care se aplică sursa temperaturii de măsurat, se numește capătul

activ al termocuplului, iar joncțiunea J2, capătul liber. Tensiunea termoelectromotoare Eab

; măsurată de aparatul de măsurare (milivoltmetrul mV) va fi dată de relația:Eab=EAB1—EAB2= f1(T1 - f2(T2)Aceasta înseamnă că, pentru ca indicația aparatului mV să fie corectă, trebuie ca

temperatura capătului liber să fie constantă, deci f2(T2)=KAtât timp cât temperaturile de măsurat sunt relativ mari (sute sau mii de grade),

erorile de măsurare provenite din variația temperaturii mediului ambiant (de exemplu,T2=21 . . . + 40°C) sunt neglijabile.

La măsurări de precizie, capătul liber al termocuplului este introdus într-un vas cuapă cu gheață (T1=0°C).

Materialele folosite pentru confecționarea termocuplurilor sunt:— pentru temperaturi până la 1 i.00°C — metale şi aliaje obișnuite ca fierul,

cuprul, constantanul, cromelul (90% Ni+ 10% Cr), aluminiul (95% Ni+procente de Mn, Al,Si, Fe), copelul (56%. Cu+44% Ni) etc;

— pentru temperaturi cuprinse între 1 100 şi 1 600°C- metalele nobile caplatina, thoriul, iridiul etc.;

Page 23: Traductoare de Temperatură

21

— pentru temperaturi ce depășesc 1 600°C - materiale greu fuzibile(refractare), cum sunt: wolframul, molibdenul, carbura de siliciu etc.

Tensiunile termoelectromotoare obținute de la termocupluri sunt de obicei cuprinseîntre 5 și 50 mV.

Industria românească fabrică o mare varietate de termocupluri, din diversemateriale şi pentru mai multe game de temperatură.

Termocuplurile sunt protejate de obicei în teci metalice de protecție identice cu ceadin figura 2.5. astfel că numai după aspectul exterior nu se poate face totdeaunadistincție între o termorezistență şi un termocuplu.

Fig. 2.8. Caracteristicile electrice ale termocuplurilor-

Page 24: Traductoare de Temperatură

22

III. TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ

3.1. Soluții tehnice

Traductorul pirometric de radiație totală tip K42 (K56) funcționează pe bazadependenței dintre temperatura absolută T (în Kelvini) a unui corp încălzit și energiatotală Er radiată pe toate lungimile de undă:

Er=KT4, în care K este o constantă ce depinde de natura corpului încălzit.Elementul sensibil este constituit dintr-o cutie A (fig. 3.1. a), fixată de exemplu în

peretele B al unui cuptor de topit metal, care cuprinde niște plăcuțe P din platinăînnegrită (reprezentând corpul „negru absolut” care absoarbe toate radiațiile incidente).

Pe aceste plăcuțe sunt fixate ,,termocupluri” E de tipul cromel-constantan care daula ieșire o tensiune U proporțională cu temperatura la care sunt încălzite.

Un sistem de lentile L concentrează pe plăcuțele P radiația calorică emisă decorpul (metalul topit) care este încălzit la temperatura T.

Așadar, tensiunea U obținută la ieșirea elementului sensibil (pirometru) estedependentă de temperatura T.

Fig. 3.1. Traductor pirometric de radiație totală: a - schema de principiu; b - aspectexterior.

Traductorul pirometric conține și adaptorul tip ELT 161, care transformă tensiuneaU în semnal unificat de curent i=2...10mA c.c., corespunzător diverselor domenii demăsurare a temperaturii: 600—1 400°C; 700—1 500°C; 700— 1600°C; 800—1 700°C şi1 100—2 000°C.

În figura 3.1. b este reprezentat aspectul exterior al pirometrului de radiație totalătip K 42.

La unele variante constructive pirometrul este prevăzut cu un sistem de răcire (cuapă) pentru protejare împotriva încălzirii excesive a corpului acestuia.

Supraveghetorul de flacără SFT 168 este tot un traductor pirometric utilizatpentru supravegherea automată a flăcării unui arzător (de gaze sau combustibil lichid).

Supraveghetorul cuprinde două părți distincte:— detectorul de vizare realizat cu un element fotoelectric și care este orientat spre

Page 25: Traductoare de Temperatură

23

flacără;— adaptorul electronic cuprinzând un releu care permite un semnal discontinuu la

întreruperea flăcării.

Fig. 3.2. Supraveghetor de flacără.Detectorul este realizat în variante diferite pentru sensibilitatea maximă în spectrul

ultraviolet sau infraroșu.În figura 3.2 se reprezintă secțiunea în două plane prin detectorul (capul de vizare)

al supraveghetorului de flacără SF1" 168.

Fig. 2.5. Termorezistențe cu teacă.

Page 26: Traductoare de Temperatură

24

IV. ANEXE

4.1. Fenomenele fizice pe care se bazează conversiatraductoarelor

Page 27: Traductoare de Temperatură

25

Page 28: Traductoare de Temperatură

26

BIBLIOGRAFIE

1. Emil Micu, ş.a. “Electrotehnica de la A la Z “, Editura Stiinţifică şi Enciclopedică,

Bucureşti, 1985

2. A. Ţugulea, Gh. Frăţiloiu, Mihai Vasiliu Emanoil Cocoş, “Manual de Electrotehnică”,

Editura Didactică şi Pedagogică 1996

3. Robe Mariana, Monica Meteescu, Angela Popescu, Popa Vasilica, ş.a., “Manual de

pregătire pentru domeniul electric”, anul I, “Şcoala Profesională”, Editura Economică

Preuniversitaria, 2000

4. C.Popescu, “Manual de Tehnologia lucrărilor electrotehnice”, Editura Didactică şi

Pedagogică, 1983

5. P. Dinulescu, “Instalaţii şi echipamente electrice”, Editura Didactică şi Pedagogică, 1981

6. M. Popescu, Sabina Hilohi, “Manual de instalaţii şi echipamente electrice pentru clasa IX-

X”, Editura Didactică şi Pedagogică 1992.