TEMA REFERAT

“SENZORI SI TRADUCTOARE DE TEMPERATURA”

Cuprins

1. Introducere.................................................................................................4

2. Structura generală a unui traductor............................................6

3. Structura generala a unui senzor...............................................................8

4. Clasificarea senzorilor..............................................................................10

5. Senzori si traductoare de temperatura....................................................12

6. Termocuplu..............................................................................................14

7. Efect Seebeck...........................................................................................17

8. Termorezistenta.......................................................................................18

9. Termistori.................................................................................................21

10.Termometru.............................................................................................26

11. Senzori si traductoare ca fibra optica......................................................29

12.Structura generala a sistemelor de masurat cu senzori cu fibre optice........................................................................................................31

13.Senzor cu fibre optice fluorescent pentru masurarea temperaturii……………………………………………………………………….….……………33

14.Senzor de temperatura fara contact …………………………….………………..……3715. Deosebirile dintre traductor şi aparatul de măsurat …………....…………….3916.Bibliografie...............................................................................................41

INTRODUCERE

Preluarea de catre om a informatiilor din lumea inconjuratoare s-a bazat, initial, pe cele cinci organe de simt. Prin originea latina a cuvantului, senzorii ne conduc la semnificatia de a o percepe, a simti si a distinge prin intermediul simturilor umane: vederea (senzori optici), mirosul ( enzori de gaze si umiditate) , auzul ( senzori acustici si de presiune), pipaitul ( senzori termici si de presiune), gustul ( senzori de compozitii chimice).

In prezent, omul nu se mai bazeaza numai pe propriile sale organe de simt, domeniul functiilor sale senzoriale fiind in continua crestere datorita dezvoltarii diferitelor tipuri de senzori, destinati masurarii si analizarii diverselor fenomene.

Analiza princiipilor de realizare si a caracteristicilor senzorilor are la baza examinarea marimilor m care se pot extrage de la fenomenul supus masurarii.

Utilizand principiile termodinamicii, se arata ca exista marimi:

Extensive (masa, sarcina electrica. Polarizarea electrica si magnetica)

Intensiva (potentialul electric si chimic, temperatura absoluta, campul electric si megnetic).

Fiecare marime extensiva are un corespondent in randul celor intensive, iar produsul lor reprezinta energia reversibila inmagazinata in material.

SENZORUL converteste marimea de masurat intr-o alta marime ale carei variatii uramresc fidel variatiile marimii de masurat.

El efectueaza transformarea analogica sau digitala a marimii de masurat intr-o marime fizica de aceeasi natura sau de natura diferita, avand insa calitatea importanta de a fi mai usor masurabila.

Diversitatea necesitatilor de masurare, consecinta a constrangerilor metrologice, economice sau operatorii, impun existenta, pentru acelasi masurand, a unor tipuri de conversi variate.

O clasificare sumara a diferitelor tipuri de senzori se poate realiza in functie de natura marimii de iesire s(m). Astfel, senzorul poate fi modelat prin:

- impedanta (R, L, C ) – senzor pasiv (parametric);

- sursa de energie – senzor activ ( generator).

Senzorul generator furnizeaza la iesire un semnal electric.

Senzorul parametric isi variaza impedanta sub actiunea masurandului si are nevoie de o sursa exterioara de energie pentru extragerea unui semnal electric util a fi transmis de-a lungul lantului de masurare. Ansamblul senzor pasiv- sursa de alimantare este cel care creeaza semnalul electric ale carui caracteristici (amplitudine, frecventa) trebuie legat de cele ale marimii de intrare.

Traductorul este dispozitivul care face ca unei marimi de intrare sa ii corespunda, conform unei legi determinate, o marime de iesire.

Exemple: transformatorul de masurare, termoelementul, electrodul de pH etc.

Traductorul poate avea in structura sa unul sau mai multi senzori, capabili de a efectua conversia marimii de masurat intr-o alta marime ce prezinta calitatea de a fi usor masurabila.

Structura generală a unui traductor

Realizarea funcţiilor de către traductor astfel încât semnalul obţinut la ieşirea acestuia să reprezinte valoric mărimea măsurată, sub formă accesibilă dispozitivelor de automatizare, implică o serie de operaţii de conversie însoţite totodată şi de transformări energetice bazate fie pe energia asociată mărimii preluate din proces, fie pe cea furnizată de sursele auxiliare. Schema structurală a unui traductor este prezentată în figura .

Fig - Structura generală a unui traductor

Semnificaţia blocurilor funcţionale este următoarea:

D ES (element sensibil), sau detector;

ET = element de transmitere (de transfer);

A AD este adaptorul;

SEA este sursa de energie auxiliară.

Mărimea de măsurat x este aplicată la intrarea traductorului, reprezentând parametrul reglat (temperatură, debit, presiune, turaţie, nivel, vitază, forţă etc).

Mărimea de ieşire y reprezintă valoarea mărimii măsurate, exprimată sub formă de semnal analogic (curent, tensiune sau presiune).

Detectorul (D) – numit şi element sensibil, senzor sau captor – este elementul specific pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare.

În mediul în care trebuie să funcţioneze traductorul, în afara mărimii x, există şi alte mărimii fizice. Detectorul trebuie să aibă calitatea de a sesiza numai variaţiile mărimii x, fără ca informaţiile pe care acesta le furnizează să fie afectate de celelalte mărimi din mediul respectiv (din proces).

În urma interacţiunii dintre mărimea de măsurat şi detector are loc o modificare de stare a acestuia, care, fiind o consecinţă a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conţine informaţia necesară determinării valorii mărimii de măsurat.

Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. În funcţie de fenomenele fizice pe care se bazează detecţia şi de puterea asociată mărimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieşirea elementului sensibil.

(Exemplu: Tensiunea electromotoare generată la bornele unui termocuplu în funcţie de temperatură.)

În alte situaţii modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametrii de material a căror evidenţiere se face utilizând o energie de activare de la o sursă auxiliară (SEA).

Indiferent cum se face modificarea de stare a detectorului (D), informaţia furnizată de acesta nu poate fi folosită ca atare, necesitând prelucrări ulterioare prin (ET) şi (A).

Adaptorul (A)– are rolul de a modifica (adapta) informaţia obţinută la ieşirea detectorului (D)– la cerinţele impuse de aparatura de automatizare, care o utilizează, adică să o convertească sub forma impusă pentru semnalul de ieşire y.

Structura generala a unui senzor

Senzorul converteste marimea de masurat intr-o alta marime ale carei variatii urmaresc fidel variatiile marimii de masurat. El efectueaza transformarea analogica sau digitala a marimii de masurat intr-o marime fizica de aceeasi natura sau de natura deferita, avand insa calitatea importanta de a fi mai usor masurabila.

Marimea de masurat poate trece prin mai multe convertiri datorita prezentei mai multor senzori in structura aceluiasi traductor.

Senzorii electrici reprezinta senzorii care convertesc marimea de intrare intr-o marime de iesire de natura electrica.

Se pun in evidenta cinci domenii de energie care se pot converti unul in calalat datorita unui senzor :

-energie termica ;

-energie mecanica ;

- energie electrica ;

-energie magnetica ;

- energie chimica.

In afara de acestea, in realizarea senzorilor este important domeniul energiei radiante.

Utilizarea acestor domenii de energie permite realizarea conversiilor din figura.

Conversii de energie la nivelul senzorilor.

Clasificarea senzorilor

Senzori activi sau senzori generatori – au la baza principiul de functionare un efect fizic ce asigura conversia directa in energie electrica.

In continuare se prezinta o descriere a acestor efecte fizice, pentru a pune in avidenta modul lor de aplicare :

• Efect termoelectric. Un circuit format din doua conductoare de natura chimica diferita, avand jonctiunile la temperaturaturile T1 si T2, genereaza o tensiune termoelectrica ET = S(T1 – T2).

•Efectul Hall. Un materiam, in general semiconductor, sub forma de placuta este parcursa de un curent de intensitate I si introdus in camp magnetic. In acest caz, va aparea, pe directia perpendiculara pe planul format de inductia magnetica B si de curentul I, o tensiune electrica UH = kHIB, constanta Hall kH depinzand de material si de dimensiunile placutei.

•Efect piezoelectic. Anumiti dielectrici cristalini au proprietatea de a se polariza in urma modificarilor dimensionale ca urmare a unei forte aplicate.

•Efectul inductiei electromagnetice. Daca un conductor se deplaseaza intr-un camp magnetic de inductie constanta, atunci apare o tensiune electromotoare, proportionala cu viteza de deplasare. De asemenea, in cazul unui circuit inchis aflat intr-un camp magnetic cu inductie variabila in timp, se induce o tensiune electromotoare egala cu viteza de variatie a fluxului magnetic prin suprafata circuitului.

•Efectul fotoelectric. Are la baza echilibrarea sarcinilor electrice intr-un material sub influenta inei radiatii luminoase, cand lungimea de unda este inferioara celei proprii ce caracterizeaza materialul.

Sezori pasivi sau senzori perametrici.

Ei se caracterizeaza prin aceea, ca marimea de intrare le influenteaza prorietatile, fiind convertita intr-o marime pasiva, cum ar fi : rezistenta, inductivitatea, capacitatea, etc.

In tabelul de mai jos sunt prezentate principiile fizice ce satu la baza functionarii senzorilor parametrici, precum si tipurile de materiale utilizate pentru obtinerea acestora.

Din realizarile existente se poate remarca, in special, locul important pe care il ocupa, in cadrul acestei categorii, senzorii rezistivi, inductivi si capacitivi. Posibilitatea de conversie a unor marimi de natura neelectrica in marime naturala electrica se datoreaza, deci, unor legi fizice, care exprima dependenta parametrilor electrici ai senzorului fata de aceste marimi.

Senzori si traductoare pentru temparatura

Masurarea temperaturii se bazeaza pe diferite efecte fizice determinate de variatia de temperatura.Cele mai importante dintre acestea sunt :

- Dilatarea solidelor , lichidelor sau a gazelor ;

- Variatia rezistentei electrice ;

- Tensiunea electromotoare la jonctiunea a doua metale ;

- Intensitatea radiatiilor emise ;

- Variatia frecventei de rezonanta a unui cristal, etc .

Intervalul de temperatura in univers se intinde de la aproximativ 3 K in spatiul interplanetar pana la miliarde de K in procesele de fuziune nucleara din interiorul unor stele. Intervalul practic de temperaturi pe Pamant poate fi considerat intre 0…….20 000 K, in general, sau 0….5000 K in majoritatea aplicatiilor stiintifice, industriale etc.

Aceasta este o gama inca extrem de larga, care nu poate fi acoperita de nici unul din tipurile cunoscute de traductoare de temperatura, De aceea, una din restrictiile care se impun la utilizarea traductoarelor de temperatura este intervalul util sau gama de temperaturi in care acesta poate functiona.Alti parametri functionali sunt : exactitatea de masurare, dimensiunile, sensibilitatea, stabilitatea, timpul de raspuns al traductorului. O caracteristica importanta in multe cazuri este interschimbabilitatea : unele traductoare ( ca de exemplu, termocuplurile, termorezistoarele metalice) sunt interschimbabile, pe cand altele ( de exemplu, termistoarele) nu sunt in general interschimbabile.

Cele mai obisnuite mijloace de masurare a temperaturii sunt :

- Termometre cu lichid ;

- Termometre bimetalice ;

- Termometre mamometrice ;

- Termocupluri ;

- Termorezistoare metalice ;

- Termistoare ;

- Termometru cu jonctiune pn ;

- Termometre cu cuart ;

- Pirometre cu radiati ;

- Termometre cu termorezistente ;

Primele trei dintre acestea sunt traductoare primare de masurat a temperaturii, restul necesita dispozitive electronice pentru masurare.

Termocuplul

Termocuplul reprezinta ansamblul a doua conductoare omogene, de natura diferita, denumite termoelectrozi, sudate la unul din capete (sudare calda) care este imersat in mediul cu temperatura θ de masurat, la capetele libere, care constituie jonctiunea de referinta sau sudura rece, aflata la temperatura θo, aparand o tensiune electromotoare ETC prin efect Seebeck, a carei valoare este data de relatia aproximativa

ETC=KTC(θ-θo), unde KTC este sensibilitatea termocuplului, dependenta de natura celor 2 termoelectrozi.

Sensibilitatea KTC este de valori reduse – usual intre 0.005 si 0.007 mVºC, nefiind constanta pe domeniul de masurare, deci relatia scrisa anterior este valavila pe intervale mici de timp. De aceea caracteristica statica a termocuplului se stabileste graphic printr-o forma tabelata ce contine tensiunea electromotoare din 10º C in 10º C.

Un termocuplu industrial se compune din 2 termoelectrozi, teaca de protectie, cutie de conexiuni si placa de borne.

Termoelectrozii.

Datorita temperaturii mediului de masurare, am ales ca material de confectionare a termoelectrozilor Cromel-Cropel. Punctul de topire al cromelului este 1430ºC valori ce sunt net superioare lui θmax=100ºC. Termoelectrozii alesi nu au impuritati, tensiuni mecanice, deformari, si dezvolta o tensiune electromotoare in functie de temperatura de valoare relativ mare, avand in acelasi timp un coeficient de variatie cu temperatura a rezistentei electrice mic ( K(Pt)=0.27·10-3 K-1. De asemenea ele sunt rezistente la coroziune, socuri termicesi mecanice si nu isi schimba in timp temperatura.

Diametrele termoelectrozilor sunt de 0.35 mm, fapt de conduce la atingerea fara probleme a limitei de utilizare maxime de 100ºC.Forma termocuplului este cea standard, pentru a avea o mai larga utilizare industriala.

Teaca de protectie.

Teaca de protectie are rolul de a feri termoelectrozii de actiunea coroziva a mediului a carui temperatura se masoara, impiedica deteriorarea lor mecanica, asigura o montare corecta si comoda a termocuplului in zona de masurare.

Teaca de protectie aleasa in functie de mediul bazic in care va fi folosit traductorul si tinand cont de temperatura maxima de expunere, este cea de tip Otel-Inox 304 sau 306, cu o dimensiune de 20 mm.

Pentru a face fata la situatia cand presiunea mediului de lucru este superioara presiunii atmosferice, teaca de protectie va fi fixata cu nipluri sudate.

Lungimea nominala a tecii de protectie este de 2000 mm, aceasta fiind caracteristica termocuplului normal (standard) ales.

Pentru aplicatiile care impun masurarea temperaturii unor corpuri de dimensiuni reduse se va utiliza o sondade temperatura cu termocuplu incorporat, de tip termocupluri cu varfuri. Cei doi termoelectrozi sunt separati, sudura calda realizandu-se prin infigerea acestora in corpul conductor a carui temperatura se masoara. Se va avea grija ca suprafata sa fie curatata de oxizi pentru a se evita aparitia unei tensiuni electromotoare perturbatoare.

Dimensiunea si materialul tecii de protectie au fost astfel alese incat termocuplul rezultat are o constanta de timp intre 15s si 90s, termocuplul avand un timp de raspuns mediu.

Atingerea valorii de temperatura din incinta in care se face masurarea se realizeaza practic dupa un timp de raspuns ts=3-4T.

La montarea traductorului, se va tine seama de minimizarea erorilor de masurare si de aceea va fi montat pe directia gradientului maxim de temperatura.

Caracteristica temperatura- tensiune pentru termocuplu.

Efect Seebeck

Efectul Seebeck constã în apariþia unei tensiuni electromotoare într-un circuit format din douã materiale diferite, ale cãror contacte (suduri) sunt menþinute la temperaturi diferite. Un calcul exact ale acestei tensiuni electromotoare se face în cadrul teoriei fenomenelor de transport. Tensiunea termoelectromotoare (Seebeck) depinde de natura conductoarelor ºi de diferenþa de temperaturã între cele douã suduri.

E T T1 2 unde α reprezintã coeficientul Seeback

Pentru metalele simple, aflate la temperatura camerei este de câþiva microvolþi/°C, astfel încât la o diferenþã de temperaturã între suduri de 100 °C, se obþine o tensiune termoelectromotoare de ordinul milivolþilor.

Efectul Seebeck are aplicaþii la confecþionarea termocuplelor - dispozitive folosite la mãsurarea temperaturilor.

Dacã T0 este temperatura sudurii reci ºi este menþinutã constantã (de obicei prin introducerea ei într-un amestec de apã cu gheaþã), tensiunea termoelectromotoare va fi funcþie numai de temperaturã suduri calde

E f T

Dacã se mãsoarã experimental valorile tensiunii E la diferite temperaturi ºi

se reprezintã într-un sistem de axe perechile de valori Ei iT , se obþine o curbã numitã curba de etalonare a termocuplului.

Termorezistenta

Principiul de functionare al termorezistenelor se bazeaza pe proprietatea unui conductor de a-si modifica rezistenta electrica odata cu schimbarea temperaturii.

Constructia instalatiei în care se monteaza termorezistentele trebuie sa asigure spatiul necesar pentru montare, accesibilitate la cutia de borne, pentru asigurarea unor intervenii rapide în exploatare în caz de necesitate.

Principalele metode de amplasare a termorezistenelor în instalatiile beneficiarului sunt date de dispozitivele de fixare pe care le au acestea:

- fara dispozitiv de fixare;

- flansa mobila;

- flansa fixa;

- niplu sudat;

- manon tip baioneta, etc.

Montarea se executa astfel încât imersia termorezistenei în mediul de masura sa fie cât mai mare, transferul termic putându-se efectua în conditii bune.

Montarea termorezistentei se poate efectua direct în mediul de masura sau printr-o teaca suplimentara de protectie.

Utilizare. Termorezistentele se utilizeaza in general la masurarea, cu precizie ridicata, a temperaturii in buclele de automatizare, din cadrul proceselor tehnologice.

Descriere - caracteristici constructiveTermorezistentele au urmatoarea constructie:

element sensibil : Pt100 W, simplu sau dublu

teaca de protectie

cutie de borne (conexiuni)

dispozitiv de fixare

lungimea nominala Ln: 250 ... 2000 mm

lungimea de imersie Li: variabila

domeniul de temperatura: -200 ... +500°C

Termorezistentele se executa conform STAS 8420 - 86 si a standardului de firVariante constructive.

Termorezistente Multicalc

Utilizare: termorezistentele se utilizeaza la masurarea temperaturii in buclele de contorizare dotate cu calculator MULTICALC.

Descriere - caracteristici constructive

Termorezistentele MULTICALC au urmatoarea constructie:

termorezistenta propriu-zisa

teaca suplimentara

dispozitiv de fixare

etichete

Lungimea de imersie (Li): 60, 220 mm

Diametru conducta:Dn 15, 300mm

Dispozitiv de fixare: Niplu sudat G 1/4 si stut

Elementul sensibil: Pt100 W

Lungimea cablului (Lc): 1,45m

Domeniul temperaturii de lucru: 0,150°C

Termorezistenta este conceputa, proiectata si executata sa functioneze

într-un regim de exploatare static (montat într-un punct fix al instalatiei beneficiarului) ceea ce face ca exploatarea ei sa fie deosebit de facila.

În timpul exploatarii termorezistenta se protejeaza prin orice mijloace posibile tehnice de intemperii, praf, radiatii de tot felul (paravane, umbrele, acoperisuri). Acolo unde acest lucru nu este posibil trebuie executata o verificare periodica a locului de montaj prin îndepartarea apei, prafului sau mizeriei din apropierea si de la locul de montaj al termorezistenei.

Termorezistenta trebuie protejata de lovituri mecanice cu tarie ridicata, de vibratii necontrolate, de modificari bruste si repetate ale mediului (temperaturi si umiditate).

Întretinerea în exploatare a termorezistentelor se face în acelasi timp cu

întretinerea utilajului (cuptor, conducta, motor) pe care sunt montate acestea.

Revizia tehnica (mentenanta preventiva) la produsul termorezistente consta în

verificarea conexiunilor si a integritatii cutiei de conexiuni si placutei de borne. Ea se

efectueaza periodic, cel putin la sase luni.

Termistori

Un termistor este un senzor de temperatură rezisitiv, obţinut prin sinterizarea oxizilor unor metale, ca: magneziu, cobalt, nichel, fier sau cupru. Rezistenţa termistorului are un coeficient de temepratură negativ, cu valoarea de -0,04K-1. Conducţia electrică în termistori are loc prin saltul purtătorilor (hopping) de la poziţia unui atom la altul (ale căror energii sunt localizate în banda de energie interzisă a materialului respectiv). In expresia conductibilităţii σ = nqμ, unde n este concentraţia

de purtători, q - sarcina iar μ – mobilitatea, într-un termistor n=const şi responsabilă de variaţia cu temperatura este mobilitatea care este activată termic:

(4.4)

unde Ea este înălţimea barierei de potenţial dintre două poziţii localizate ale atomilor vecini. Ca urmare, dependenţa rezistivităţii în funcţie de tempertură se exprimă

astfel:

(4.5)

unde ρ∞ este rezistivitatea pentru T →∞. Coeficientul termic α al rezistivităţii, definit prin:

α = (4.6)

devine in acest caz:

(4.7)

unde B=Ea/k. Valoarea energiei de activare Ea la termistori este în jur de 0,3 eV, (între 0,15 şi 0,51 eV), şi pentru B=4000, coeficientul de temperatură α este:

(4.8)

iar la temperatura de 37oC, α = -0,0416 K-1=-4,16.10-2K-1.

Având în vedere că pentru rezistenţe metalice coeficientul lor termic este cu un ordin de mărime mai mare , rezultă că la aceeaşi temperatură sensibilitatea relativă a unui unui termistor este de 10 ori mai mare decât a unei rezistenţe metalice.

Ca urmare folosirea unui termistor este adecvată pentru utilizarea la măsurări de temperatură fiziologice, caz în care este necesară o rezoluţie mai mare într-un domeniu limitat de temperatură. Termistorii comerciali au au rezistenţe care variază între 6 şi 60 kΩ la 0oC şi de la 15 la 150 Ω la 37oC. Majoritatea termistorilor comerciali sunt destul de stabili pentruuzul clinic. Modificarea rezistenţei lor este de 0,1 m Ω într-o sută de zile, dacă nu sunt afectaţi de ciclurile termice, în timp ce şocurile şi deformările mecanice pot provoca abateri importante ale dependenţei rezistivităţii de temperatură, deci o importantă ireproductibilitate.

Pentru uzul medical au fost realizate diferite tipuri de sonde cu termistori:

a) termistorul perlă, o sferă de 0,3 mm diametru, încapsulată în sticlă şi conectată la fire conductoare (Fig. 4.1a)

Fig. 4.1a

b) sondă de tip cateter, în care termistorul este legat la un cablu izolator flexibil; zona de conexiuni este complet izolată (Fig. 4.1b)

Fig.4.1b

c) sondă de tip ac, în care termistoul este introdus într-un ac hipodermic (Fig.4.1c)

Fig. 4.1c

Timpul de răspuns al unei sonde cu termistor depinde de forma, şi dimensiunea sa precum şi de tipul materialului în care este introdusă şi a

mediului înconjurător. Sondele subţiri de tip cateter sau ac au timp de răspuns de 0,1 s sau mai puţin în apă şi de 3 s sau mai mult în aer.

Caracteristica unui termistor, adică dependenţa rezistivităţii funcţie de temperatură, este neliniară (ecuaţia (4.5)). Pentru a obţine un răspuns linear în raport cu temperatura a rezistenţei RT a unui termistor au fost propuse mai multe tehnici. Intr-un domeniu îngust de temperatură, linearizarea poate fi realizată prin adăugarea unui rezistor de rezistenţă R in circuite electrice ca cele din figura 4.2: a) atunci când este folosită o sursă de tensiune constantă, se adaugă un rezistor de rezistenţă R1 , în serie (Fig. 4.2a)

Fig.4.2a

b) atunci când este folosită o sursă de curent constant , se plasează în circuit un rezistor de rezistenţă R1 , în paralel (Fig. 4.2b)

Fig.4.2b

Pentru a diminua eroarea măsurării în domeniul de temperatură respectiv, rezistenţa R1 a rezistorului ce trebuie plasată în circuit ca în Fig. 4.2.a sau în Fig. 4.2b, este astfel proiectată încât:

(4.9)

unde B are semnificaţia dată de relaţia (4.7), T este temperatura medie a domeniului de măsură iar R este rezistenţă termistorului la T. Pentru circutul din Fig. 4.2a, se poate găsi imediat dependenţa liniară a curentului I de temperatură. Astfel, dacă sursa de tensiune furnizează circuitului tensiunea Va, atunci:

I T (4.10)

Pentru circutul din Fig. 4.2b, sursa de curent constantă debitează curentul Ic iar dependenţa tensiunii de ieşire Vieş este proporţională cu temperatura măsurată, după

cum urmează:

(4.11)

In ecuaţiile (4.10) şi (4.11) am înlocuit rezistena termistorului RT cu R, valoarea sa de la tempertura medie, ceea ce înseamnă că din ecuaţiile respective obţinem numai valorile curentului pentru temperatura T medie a domeniului investigat. Se poate calcula valoarea curentului I din ecuaţia (4.10) pentru diferite temperaturi din intervalul de temperatură (290-310) K, cu valoarea RT corespunzătoare astfel (pentru B = 3 000 K):

(4.12)

In tabelul 4.1 sunt date valorile curentului unde am notat valoarea constantă Va/R∞=A calculate pentru 5 valori ale lui T, iar în figura 4.3 este prezentată “o curbă de etalonare” pentru dependenţa curentului normat în funcţie de temperatură pentru domeniul de măsură de la 290 la 310 K.

Abaterea de la liniaritate în acest domeniu este de 0,03K. Dacă este permisă o eroare de 0,1 K, atunci poate fi acoperit un domeniu cuprins între 285 şi 315 K.

Termometrul

Termometrul, instrument folosit la măsurarea temperaturii. Cel mai des folosit tip de termometru este cel cu mercur, care este alcătuit dintr-un capilar de sticlă cu diametrul uniform care este deschis într-un balon um-plut cu mercur la un capăt. Ansamblul este închis pentru a asigura o stare parţială de vid. Dacă temperatura creşte, mercurul se ridică în capilar. Temperatura poate fi apoi citită de pe o scală

adiacentă. Mercurul este des folosit pentru măsurarea temperaturilor obişnuite; alcoolul, eterul şi alte lichide sunt şi ele folosite în termometre.

Invenţia termometrului îi este atribuită lui Galileo Galilei, deşi termome-trul etanş nu a fost inventat decât abia în 1650. Termometrele moderne cu alcool şi mercur au fost inventate de fizicianul german Gabriel Fahrenheit, care a propus de asemenea şi prima scala termometrică larg folosită, ce-i poartă numele, în care 32 F este punctul de îngheţare al apei şi 212 F este punctul de fierbere al acesteia la o presiune atmosferică normală. După aceea au mai fost propuse multe alte scări; în cea centi-gradă (a lui Celsius), folosită în majoritatea lumii, punctul de îngheţ se află la 0 C, iar cel de fierbere la 100 C.

Tipuri de termometre:

O mare varietate de dispozitive sunt folosite ca termometre. Condiţia principală este ca o proprietate uşor de măsurat, cum ar fi lungimea co-loanei de mercur, să se schimbe pronunţat şi previzibil o dată cu schimbări ale temperaturii. Variaţia acelei proprietăţi ar trebui sa rămână relativ liniară faţă de variaţiile temperaturii. Cu alte cuvinte, o schimbare cu o unitate în temperatură ar trebui să ducă la o schimbare cu o unitate în proprietatea ce va fi măsurată în toate punctele scalei.

Rezistenţa electrică a conductorilor şi semiconductorilor creşte cu o dată cu creşterea temperaturii. Acest fenomen este baza termometrului cu rezistenţă unde un voltaj constant sau un potenţial electric, este aplicat unui termistor. Pentru un termistor de o anumită compoziţie măsura unei temperaturi specifice va determina o rezistenţă specifică prin termistor. A-ceastă rezistenţă poate fi măsurată de un galvanometru şi devine măsura temperaturii.

Diferiţi termistori din nichel, mangan sau cobalt sunt folosiţi pentru tem-peraturi între –46 C şi 150 C. Similar, termistori din alte metale sau aliaje sunt folosiţi pentru temperaturi mult mai înalte; platina, de exemplu, poa-te fi folosită pentru temperaturi de până la 930 C.

Măsurări foarte precise de temperatură pot fi făcute cu termocupluri, unde o diferenţă mică de voltaj (măsurată în milivolţi) apare când două fire de metale diferite sunt unite pentru a forma un cerc şi cele două jonc-ţiuni au temperaturi

diferite. Pentru a mări voltajul, mai multe termocu-pluri pot fi conectate în serie pentru a forma un termopil. Deoarece volta-joul depinde de diferenţa de temperatură a joncţiunilor, o joncţiune trebu-ie păstrată la o temperatură cunoscută; altfel un circuit electronic de com-pensaţie trebuie construit în dispozitiv pentru a măsura temperatura actuală a senzorului.

Termistorii şi termocuplurile au adesea o unitate senzitivă mai mică de ¼ cm în lungime care le permite să răspundă rapid la schimbările de tem-peratură şi le face ideale pentru multe scopuri biologice şi de inginerie.

Pirometrul optic este folosit pentru a măsura temperatura obiectelor so-lide la temperaturi mai mari de 700 C unde majoritatea celorlalte termo-metre s-ar topi. La o asemenea temperatură ridicată, solidele radiază suficientă energie în raza vizuală pentru a permite măsurări optice folosind aşa-numitul fenomen glow color. Culoarea la care strălucirea obiectelor fierbinţi se schimbă de la roşu închis trecând prin galben şi atingând aproape culoarea albă este de aproximativ 1300 C. Pirometrul conţine un filament de tipul celui din becul obişnuit controlat de un reostat care este calibrat în aşa fel încât culorile în care filamentul străluceşte să corespun-dă unor temperaturi specifice. Temperatura unui obiect strălucitor poate fi măsurată prin observarea obiectului prin pirometru şi prin ajustarea reos-tatului până când filamentul se îmbină în imaginea obiectului. În acest punct temperatura filamentului şi a obiectului este egală şi poate fi citită de pe reostatul calibrat.

Termometre cu scopuri speciale:

Termometrele mai pot fi construite pentru a înregistra temperatura ma-ximă sau minimă atinsă. Un termometru clinic cu mercur, de exemplu, e un instrument de citirea a temperaturii maxime unde o capcană în tubul capilar între balon şi fundul capilarului permite mercurului să „urce” o dată cu creşterea temperaturii, dar îl opreşte să meargă înapoi decât prin scu-turare puternică. Temperaturile maxime atinse în timpul activităţii cu unel-te şi maşini poate fi de asemenea estimată cu ajutorul unor straturi de vopsea specială care-şi schimbă culoarea când anumite temperaturi sunt atinse.

Senzori si traductoare cu fibra optica

Generalitati

Fibra optica este un ghid de unda dielectric cilindric, care consta dintr-o regiune centrala numita miez care are indicele de refractie mai mare decat al materialului dielectric care inconjoara miezul si care formeaza camasa fibrei.

Miezul respectiv camasa sunt inconjurate de un invelis cu rol de protectie impotriva fortelor exerioare si care ofera o buna rezistenta mecanica.

Principiul de functionare al acestor ghiduri de unda este bazat pe reflexia totala a razelor de lumina la o suprafata de separatie.

Fibra optica poate fi in acelasi timp senzor si transmitator de informatii; daca in extremitatea fibrei se realizeaza un microcorp negru se poate capta radiatia emisa de corp a carui temperatura se doreste sa se cunoasca.

Se poate utiliza de asemenea fotoluminiscenta, adica se transmite o radiatie pana la capatul fibrei, prevazuta cu o pastila luminiscenta, care emite la randul sau raze dependente de caldura sa.

Folosirea senzorilor cu fibra optica este legata din ce in ce mai mult de disponibilitatea acestor materiale, iar cercetarile in vederea utilizarii lor se face in mai multe directii:

• Pe de o parte transmisia de date (reteaua telefonica este cel mai bun exemplu);

• O folosire originala este alimentarea cu energie, pentru dispozitive ce necesita securitate intrinseca;

• Transmiterea unui flux luminos emis de o substanta (dozat prin chimiluminiscenta);

• In sfarsit modificarea proprietatilor de reflexie de la extremitatea unei fibre optice sub efectul unei marimi de masurat este utilizata pentru a capta senzori miniaturizati utilizati in rabotica si medicina.

Descrierea fenomelogica a proceselor de detectie.

Radiatiile electromagnetice pot reactiona cu materia in diferite moduri. Se pot clasifica aceste actiuni din punct de vedere al efectelor fononice, termice si ondulatorii.

In prima categorie, fononii actioneaza direct asupra electronilor materialului. Cum acesti electroni pot fi legati de atomii din retea sau de atomii de impuritati sau din contra pot fi liberi, este posibila o mare varietate de interactiuni.

A doua categorie este caracterizata prin modificarea anumitor proprietati ale materiei ca urmare a cresterii temperaturii provocata de absortia radiatiilor.

A treia categorie de efecte este bazata pe interactiunea campului electromagnetic datorat fononilor, cu materia , a carei rezultat este schimbarea anumitor priprietati interne ale materialelor.

Structura generala a sistemelor de masurat cu senzori cu fibre optice

Sistemele de masurat cu fibre oprice au doua sectiuni:

- sectiunea optica;

- sectiunea electronica.

Structura unui sistem de masurat cu fibra optica.

In sectiunea optica, suportul energetic al informatiei manipulate este radiatia optica (radiatia electromagnetica din spectrul vizibil, inflarosu si uneori ultraviolet).

1. Fibrele optice constituie canalul de transmitere a informatiei sau a energiei luminoase in sistem, iar in cazul senzorilor intrinseci, ele pot constitui si elementul sensibil prin intermediul caruia marimea necunoscuta poate fi masurata (aceasta moduleaza unul dintre parametrii luminii ghidate prin intermediul fibrei active).

2. Conectorii optici asigura cuplarea eficienta si stabila aradiatiei de la sursa optica la fibra, de la fibra la fotodetector si intre fibre (sai intre fibre si alte componente optice).

3. Elemente de prelucrare a radiatiei optice sunt dispozitive necesare pentru madificarea caracteristicilor fasciclelor luminose din diferite zone a sectiuni optice. Cele mai uzuale prelucrari sunt :

• focalizarea, colimarea, expandarea sau reflexia fasciculului optic ;

•divizarea sau compunerea unor fascicule ;

•polarizarea sau analiza luminii polarizate ;

•filtrarea radiatiei optice ;

4. Optrodul. In cazul sistemelor de masurare, elementul specific este senzorul (optrodul), la nivelul caruia fasciculul optic incident este modulat de semnalul de masurat (Xm).

Sectiunea electronica asigura integrarea sistemelor cu fibre optice in sistemele electrice si electronice conventionale.

1. Bloc electric de comanda a sursei optice :

- Sursa optica : in marea majoritate a aplicatiilor sursa optica este o dioda superluminiscenta sau dioda laser ;

- Circuite de alimentare electrica .

2. Blocul electronic de receptie, are o structura asemanatoare atat pentru sistemele de masurat, cat si pentru cele de comunicati.

Senzor cu fibre optice fluorescent pentru masurarea temperaturii

Senzorul de temperatura cu fibre optice este alcatuit dintr-o sursa optica, o sonda de temperatura cu fibre optice si blocul de tetectie si prelucrare electronica a semnalului.

Fig. 1 . Structura senzorului.

Sursa optica produce radiatie optica care excita cristalul de rubin. Acasta este preluata printr-o fibra optica a sondei si lasata asupra cristalului de rubin. Radiatia generata prin fluorescenta este colectata de cea de a doua fibra optica a sondei si este ghidata de detectorul optic din blocul de detectie si prelucrare, unde este transformata intr-un semnal electric analogic, prelucrat in continuare pentru extragerea informatiei metrologice.

Din punct de vedere al fenomenului de fluorescenta, rubinul are comportarea unui convertot de ordin 1 : un salt treapta al radiatiei luminoase incidente in banda albastra sau verde , i(t) :

i (t) = A l(t)∙

determina o variati exponentiala a radiatiei rosii emisa prin fluorescenta in liniile R, f(t) :

Senzorul de temperatura realizat foloseste pentru determinarea constantei de timp a fluorescentei metoda sudiului in timp. Sursa optica emite un flux luminos modulat treptunghiular care excita cristalul de rubin. Blocul de prelucrare electronica extrage din semnalul detectat componenta exponentiala si o prelucreaza, rezultand un interval de timp proportional cu constanta de timp a fluorescentei.

Sursa optica este o dioda electroluminiscenta (LED) care emite in banda verde, cu lungimea de unda centrala de 565 nm si o largime de banda de emisie 80 nm, centrata pe lungimea de unda centrala. Dioda este alimentata de un generator de curent comandat, care injecteaza un curent de 80 mA in palierul superior al undei dreptunghiulare. Comanda generatorului de curent este realizata de un oscilator treptunghiular cu factorul de umplere 50 % si cu nivelul de iesire TTL, a carui frecventa a fost fixata la 35 Hz. Valoarea frecventei de oscilatie a fost aleasa incat sa se permita obtinerea regimului stabilizat pentru semnalul de fluorescenta.

Sonda de temperatura (fig. 2) este alcatuita din doua fibre optice de aproximativ 1,5 m fiecare, echipate la cate un capat cu conectoare din plastic si lipite cu capetele de aceeasi parte a unui cristal de rubin. Inainte de lipire, pe o portiune de aproximativ 5mm s-a departat camasa de protectie a fibrei si capetele astfel pregatite au fost fixate impreuna cu un tub termocontractil. Pentru lipirea fibrelor de cristal s-a folosit adeziv optic. Ansamblul astfel realizat a fost invelit intr-o folie refectorizanta in scopul maririi semnalului receptat de fibra colectoare si apoi inglobat in rasina epoxidica ( ARALDITE) pentru rigidizarea ansamblului.

Fig. 2. Sonda de temperatura cu fibra optica.

Fibra optica folosita este fibra polimer, indicata pentru aplicatiile in spectrul vizibil, cu diametrul miezului de 1 mm, apertura numerica AN = 0,47, atenuarea tipica de 200 dB/Km si temperatura de utilizare intre -30 si +85˚C. Diametrul miezului si apertura numerica mari sunt ideale pentru aplicatia de fata, permitand cuplarea eficienta la fibra a luminii emise de LED, ca si colectarea in masura mare a semnalului de fluorescenta emis de cristal.

Valoarea mare a atenuarii, caracteristica fibrei din polimer, nu este relevanta pentru lungimi mici de fibra utilizate, in schimb intervalul de temperatura redus limiteaza aplicabilitatea senzorului.

Cristalul folosit este rubin roz, cu forma de prisma triunghiulara si este taiata dintr-o bara de rubin pentru laser.

Blocul de detectie si preluare electronica asigura conversia semnalului optic in semnal electric, extragerea semnalului util si prelucrarea acestuia pentru obtinerea informatiei de temperatura. Schema bloc este prezentata in figura 3.

Detectorul optic contine un filtru optic si un ansamblu fotodioda pin-amplificator FET cu zgomot redus. Filtru optic este de tip trece-sus (RG 695) si are rolul de a opri trecerea spre fotodetector a radiatiei emise de LED si cuplata in fibra colectoare prin refexi interne in cristal, ca si o mare parte din lumina ambianta colectata accidental. In acest mod se evita saturarea amplificatorului cu o componenta continua care nu contine informatie metrologica.

Semnalul de la iesirea detectorului (s2) este filtrat si amplificat (s3) si apoi prelucrat in continuare, abtinandu-se un impuls de durata proportionala cu constanta de timp a fluorescentei (s4). Prin urmare, marimea de iesire, este un interval de timp, proportional cu temperatura.

Senzori de temperatură fără contact

Firma americană Banner s-a hotărât să umple un gol de piaţă prin lansarea unui senzor de temperatură tip pirometru la un preţ accesibil.

Acest senzor denumit T-GAGE există atât în variantă cu ieşire pe contactcât şi în variantă analogică.

Caracteristicile acestui senzor sunt următoarele:

Timp de răspuns 75 milisecunde Programare simplă prin teach; nu e necesară reglarea

potenţiometrică

Carcasă compactă, mică; nu este necesar nici un controller extern

Nu este necesară mişcarea obiectului pentru detectare

Funcţie teach statică sau dinamică

Ieşire pe alarmă pentru indicare semnal maxim

Ieşire analogică programabilă crescător sau descrescător cu temperatura

Aplicaţii:

Detectare părţi fierbinţi: metale, recipiente de sticlă sau plastic, cauciuc, produse de pâine şi patiserie

Părti încălzite – control de contur sau formă

Veghere flacără

Monitorizare lipici fierbinte

Monitorizare etanşeitate închidere la închiderile prin lipire la cald

Detectare părţi îngheţate, hrană congelată, gheaţă etc

Monitorizare echipamente (ca o avertizare a apariţiei defectului): ex. cutia de viteze sau motorul supraîncălzite

Monitorizare temperatură suprafaţă

Deosebirile dintre traductor şi aparatul de măsurat

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

În cazul SRA conducerea procesului făcându-se fără participarea directă a operatorului uman, mijloacele prin care se realizează operaţia de măsurare se numesc traductoare.

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

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

Observaţii:

Făcând paralelismul funcţional între aparatele de măsurat şi traductoare, se observă o serie de deosebiri prin faptul că traductorul este un element component al SRA.

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

Deosebirile dintre traductor şi aparatul de măsurat rezidă mai ales în natura caracteristicilor statice şi dinamice. Din punct de vedere al caracteristicilor, traductoarelor li se impun următoarele cerinţe:

a) Relaţie de dependenţă liniară între intrare şi ieşire (I - E).b) 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-E este impusă strict liniară, adică, eroarea de neliniaritate admisă este foarte redusă. Toate operaţiile de conducere a procesului se bazează pe această proprietate.

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

Rezultă că dinamica proprie a traductorului trebuie să fie rapidă, încât programarea 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 şi viteză de răspuns cu performanţele metrologice privind precizia, similare cu cele ale aparatelor de măsură sau chiar mai ridicate, ţinând seama că posibilităţile de discriminare ale SRA sunt superioare faţă de cele oferite de operatorul uman.

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

Bibliografie

1. Senzori si traductoare de Constantin Vlaicu si Costin Cepisca, editura Bucuresti 2001 ;

2. Indrumar pentru electronisti de C. Constantinescu, editura Tehnica Bucuresti 1986 ;

3. Curs ‘’Masurari neelectrice’’ de Valentin Dogaru ;

4. www_RegieLive_ro_TRADUCTOR_DE_TEMPERATURA_CU_ELEMENT_SENSIBIL_TERMOCUPLU ;

5. www_RegieLive_ro_TRADUCTOR_DE_TEMPERATURA_CU_TERMOREZISTENTA ;

6. www_RegieLive_SENZORI_SI_TRADUCTOARE ;

7. www_RegieLive_ro_SENZORI_SI_TRADUCTOARE_CU_FIBRE_OPTICE ;

8. www_RegieLive_ro_COMPONENTELE_PRINCIPALE_ALE_TRADUCTOARELOR ;

9. www_RegieLive_ro_SENZORI_SI_TRADUCTOARE_6 ;

10.www_RegieLive_ro_INTRODUCERE_IN_SENZORI_SI_TRADUCTOARE .