Download - Traductoare de Temperatura

Transcript

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

ANEXE

27

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

Anexa 3

Traductoare rezistive pentru deplasare liniară

Traductoare de temperatură

30

Anexa 4

Traductor de temperatură programabil Traductoare de temperatura cu 4...20 mA

Traductor de temperatură, temperaturi -50°C ÷ +150°C, conexiune filetată G1/2".

31