Traductoare de temperatura

Traductoare de temperatura

Masurarea electrica a temperaturii prezinta importanta nu numai in ceea ce priveste marimile termice; ea poate furniza, indirect, informatii si despre debite, presiuni joase, tensiuni, curenti.

Traductoarele de temperatura sunt dispozitive care functioneaza fie pe principiul generarii unei tensiuni electromotoare, fie pe principiul convertirii temperaturii intr-o variatie a unui parametru al circuitelor electrice (de obicei rezistenta) sau, cele mai simple convertesc temperatura intr-o deplasare sau dilatare (gaz sau metal).

Un traductor de temperatura foarte simplu se realizeaza pornind de la proprietatea cunoscuta a materialelor conductoare de a-si modifica rezistivitatea, si deci si rezistenta electrica, atunci cand temperatura lor se modifica.

Masurand (prin metode cunoscute) rezistenta electrica a unui conductor cu o anumita temperatura, se pot obtine informatii despre valoarea temperaturii respective.

Un astfel de traductor, numit termorezistor, poate fi realizat si cu materiale semiconductoare si in acest caz se numeste termistor.

Constructiv, traductoarele termorezistive se pot realiza:

fie ca o infasurare, pe un suport izolant;

fie ca o pelicula (film) depusa pe o placa din aluminiu, oxidata (timbre termorezistive).

Cele mai simple traductoare de temperatura sunt temometrele cu sau fara contact (reglabil sau nereglabil), ambele tipuri fiind cu mercur,

Cele cu contact reglabil (Beckmann) au posibilitatea de modificare a temperaturii reglate cu o precizie mai mare decat cele cu contact nereglabil.

Contactul se realizeaza intre coloana de mercur ce se dilata intr-un tub capilar si un electrod prevazut cu un surub de reglare la partea superioara. Curentul maxim din circuit nu poate depasi 1 A

Pentru curenti mai mari sunt prevazute cu dispozitive de amplificare (relee), iar domeniul temperaturilor este de 0 - 300⁰ C cu o precizie de ±2%.

Traductoare termoelectrice (termocuple)

Termocuplele tehnice, constructiv se realizeaza din doua conductoare metalice sau aliaje diferite (termoelectrozi) sudate impreuna la unul din capete; prin incalzirea locala a sudurii (jonctiunea de masurare - capat cald), prin efectul termoelectric direct (efectul Seebeck) se va genera o tensiune termoelectromotoare la capetele libere ale conductoarelor (jonctiunea de referinta - capat rece).

Materialele utilizate la realizarea termocuplelor pot fi conductoare sau semicon-ductoare, trebuind sa asigure o sensibilitate ridicata si stabilitate in timp la actiunea agentilor atmosferici.    

In figura este  prezentat schematic un termocuplu (a) si schema de legare a acestuia (b), prezentandu-se si un al treilea electrod M₃, care se poate utiliza la prinderea, lipirea, rasucirea sau sudarea capatului cald.

In denumirea unui termocuplu, primul material indica electrodul pozitiv pentru o diferenta de temperatura pozitiva.

Prin mentinerea constanta a temperaturii jonctiunii de referinta (capat rece), de preferat la o valoare standardizata (0, 20, 50⁰C) numita temperatura de referinta, tensiunea termoelectromotoare ce se va produce depinde, la acelasi termocuplu, numai de temperatura sudurii (capatul cald).

Mentinerea temperaturii la valoarea constanta este greu realizabila, deoarece instalatiile si agregatele tehnologice la care se masoara aceasta degaja cantitati importante de caldura prin radiatie.

Insasi conductibilitatea termica a termocuplelor duce la incalzirea capetelor reci, uneori temperatura acestora atingand valori apreciabile de pana la 100 - 200⁰ C.

Reducerea erorilor de masurare datorate faptului ca temperatura capetelor reci (cutia de borne sau sudura rece) este diferita de cea de referinta, se face pe cale electrica, prin introducerea unor cabluri de compensare sau a cutiilor (dozelor) de compensatie, ce au o comportare dinamica in concordanta cu traductorul.

Principalele parti constructive ale termocuplelor sunt redate in figura, cu urmatoarele elemente :

     1 - unul sau doua termoelemente realizate din electrozi diferitiizolati cu tuburi sau margele ceramice;

     2 - teaca de protectie cu sau fara dispozitiv de montare, confectionata din: otel carbon (OLT 45), otel inoxidabil (ST 3), otel refractar (P-4S), ceramica (PENTRU-1, KER 610, KER 710);

     3 - dispozitiv de montare: flansa mobila F, flansa sudata Fw, niplu filetat (G ¾^'' sau 1^'');

     4 - cutie de borne cu capac;

     5 - placa de borne.

Seria standardizata a lungimii nominale L_N este: 250, 500, 750, 1000, 1250, 1500 si 1750 mm, iar lungimea de imersie L_I trebuie sa fie cu cel putin 100 mm mai mica decat cea nominala.          

Deoarece, in tara, tensiunile electromotoare sunt standardizate, termocuplele de orice tip pot fi conectate cu milivoltmetre etalonate in conformitate cu aceste standarde.

Caracteristicile principale ale termocuplelor utilizate in practica, sunt redate sintetic in tabelul 6.6.1, cu precizarea ca momentan in tara se executa doar cele cu codurile J, K, R si S, iar dependenta tensiunii electromotoare cu temperatura este prezentata in Anexa 8.

Tabelul 6.6.1

Termocuplele din materiale semiconductoare nu se folosesc in mod direct la masurarea temperaturii deoarece siliciul prezinta o rezistenta termica redusa dar, pot masura alte marimi ce au la baza masurarea temperaturii diferentiale, prezentand avantajul ca pot fi realizate in tehnica circuitelor integrate.

In figura este prezentata forma tehnologica a unui termocuplu cu siliciu de tip "p"/aluminiu, realizat din zone de silicIu "p" - 1 si benzi de aluminiu - 2 si SiO₂ -3, structura ce permite si interconectarea la folosirea unor baterii de traductoare.

Sensibilitatea acestor traductoare depinde de proprietatile electrice ale semiconductoarelor si de temperatura, fiind cuprinsa intre 0,4 - 1mV/K pentru cazul folosirii unor baterii de traductoare.

Principalele dezavantaje ale acestor traductoare constau in existenta conexiunii termice realizata prin siliciu intre jonctiunea calda si cea rece si rezistenta interioara mult mai mare decat la termocuplele metalice (de ordinul zecilor de kΩ).

In cazul in care variatiile de temperatura ale mediului ambiant sunt reduse, se poate utiliza un circuit de corectie ca cel prezentat in figura urmatoare, care foloseste un termistor R_T ce se conecteaza intr-o punte alimentata de la sursa de tensiune E.

La temperatura de referinta impusa T₀ puntea este in echilibru si tensiunea U in bratele opuse lui E este nula

Daca temperatura mediului ambiant T_a se modifica fata de cea de referinta puntea nu mai e in echilibru si tensiunea va fi data de:

(6.6.1)

Daca vom alege convenabil elementele puntii si traductorul, variatia tensiunii termoelectromotoare poate fi compensata datorita modificarii temperaturii T_a, adica:

ΔU = S.(T₀ - T_a)                    (6.6.2)

unde S este sensibilitatea traductorului care, in cazul unui traductor platina-rodiu (10%)/platina la 1500⁰C, cu temperatura de referinta de 25⁰C si variatii ale lui T_a de ±15%, ne da o tensiune de compensare de ±140 μV, eroarea de compensare fiind mai mica de 1%.

Cu toate ca sensibilitatea termocuplelor este mai redusa decat a termorezistentelor, ele sunt caracterizate de o serie de avantaje din care amintim:

     nu produc semnal de iesire daca nu exista o diferenta de temperatura;

     nu interfereaza cu alte marimi de influenta, cu exceptia luminii si a unor radiatii nucleare ce pot produce transmutatii (fierul si nichelul sunt stabile la aceste fenomene;

     nu necesita polarizari initiale.

Principalele dezavantaje ale temocuplelor constau in:

     scaderea accentuata a sensibilitatii la temperaturi scazute;

     aparitia fenomenelor de evaporare, contaminare chimica sau chiar topirea la temperaturi ridicate;

     limitarea pragului de sensibilitate datorita zgomotului termic propriu.

Traductoare termorezistive

Din aceasta categorie fac parte :

     Traductoare termorezistive metalice - termorezistentele

     Traductoare termorezistive semiconductoare - termistoarele

Termorezistentele - sunt traductoare la care, odata cu modificarea temperaturii (datorita variatiei energiei interne proprii), materialele din care se confectioneaza sufera o serie de schimbari ce se refera la structura cristalina, agitatia termica s.a., schimbari ce duc la modificarea rezistentei electrice in raport cu temperatura.

Aceasta dependenta poate fi exprimata cel mai simplu prin relatia:

R = R₀ (1 + α ΔT)                   (6.6.3)

unde R₀ e rezistenta electrica la 0⁰C, α e coeficientul de temperatura iar ΔT este variatia de temperatura.

Elementul sensibil al termorezistentei este realizat dintr-o infasurare plata sau cilindrica peste un suport izolant din mica, izoplac, ceramica, textolit s.a., cu un fir bobinat neinductiv pe suport si fixat de acesta prin impregnare sau presare mecanica.

Aspectul exterior al termorezistentelor tehnice este similar cu cel al termocuplelor realizandu-se in varianta cu unul sau cu doua elemente sensibile.

Dependenta cu temperatura a rezistentei electrice se exprima prin coeficientul de temperatura α al conductorului din care se executa infasurarea elementului sensibil si definit ca marime a variatiei rezistentei de 1 Ω la o variatie de 1⁰C a temperaturii.

Deoarece acest coeficient nu este dependent numai de natura materialului folosit, ci si de valoarea temperaturii, se obisnuieste a se lua in calcule o valoare medie stabilita pentru intervalul 0.100⁰C pe baza relatiei:

(6.6.4)

R₁₀₀ fiind rezistenta electrica in ohmi la 100⁰C.

La alegerea materialelor din care se executa termorezistoarele se va tine cont de urmatoarele criterii:

     rezistivitate mare pentru reducerea gabaritelor;

     coeficient de variatie a rezistivitatii cu temperatura ridicat, ceea ce permite si sensibilitati ridicate;

     caracteristica de transfer sa prezinte o buna liniaritate pentru a nu utiliza circuite suplimentare de liniarizare;

     o buna stabilitate in timp si la actiunea agentilor chimici;

     puritate ridicata pentru o buna reproductibilitate;

     pret de cost redus.

Toate aceste cerinte nu pot fi indeplinite simultan, in realizarea termorezistentelor folosindu-ce materiale ca: platina (-180 ÷+600⁰C si mai rar -200 ÷ +1000⁰C), nichelul (-100÷+250⁰C), cupru, wolfram, fier.

Cele mai utilizate sunt termorezistentele din platina, care se folosesc si ca etaloane de temperatura in intervalul 0÷600⁰C.

Cu toate ca nichelul are o sensibilitate mai mare decat platina, acesta are o aplicabilitate mai redusa deoarece se oxideaza la temperaturi ridicate si prezinta fenomenul de tranzitie la temperatura de 350⁰C ceea ce modifica accentuat rezistivitatea. In acelasi timp, nichelul prezinta neliniaritati importante.

O foarte buna liniaritate si sensibilitate o prezinta cuprul, dar domeniul de masura este redus prezentand si dezavantajul unei actiuni chimice pronuntate, structura sa cristalina modificandu-se in timp.

Rezistenta nominala a dispozitivelor este de 25, 50, 100, 500 sau 1000Ω la 0⁰C, ultimele variante fiind recomandate pentru temperaturi scazute.

Termorezistentele executate in tara se confectioneaza din platina, cu rezistente nominale de 50 si 100 Ω, de tipul PT 50 si PT 100, fiind confectionate din fire cu diametre intre 0,05 ÷0,2 mm, cu lungimi de ordinul 5 ÷ 20 cm, firele de legatura la blocul de borne fiind de nichel, cu diametru mult mai mare, in scopul neglijarii variatiei rezistentei acestora cu temperatura.

Constructiv, termorezistentele trebuie :

     sa asigure protectia la actiunea agentilor externi,

     sa preia rapid temperatura mediului de masura,

     sa permita masurarea atat in  curent continuu cat si alternativ,

     sa nu fie influentate de fenomenul dilatarii.

Timpul de raspuns al acestor traductoare este de ordinul secundelor in apa si de ordinul zecilor de secunde in aer, iar pentru reducerea influentei conductoarelor de legatura se construiesc in variante cu 2, 3 sau uneori 4 borne de conectare.             

Termistoarele - sunt traductoare de temperatura realizate din material semiconductor, fenomenele de conductie in acest caz fiind mult mai complexe.

In faza initiala au fost utilizate pentru temperaturi scazute, intre 1 ÷35 K (germaniu) si < 20 K (carbon), dar datorita perfectionarii tehnologiei siliciului, in ultima perioada (in special In tehnica circuitelor integrate) acesta se foloseste dopat cu impuritati de tip "n.

Termistoarele de siliciu au o buna stabilitate pentru temperaturi intre -50 ÷ +120⁰C. Pana la 120⁰C, in mecanismul de cnductie intervine dopajul ce reduce mobilitatea purtatorilor de sarcina, pentru temperaturi mai mari, datorita ionizarilor termice, rezistenta scade cu temperatura.

In tehnica se utilizeaza temistoare a caror sensibilitate este superioara cu cel putin un ordin de marime fata de termorezistente.

Se executa din oxizi cu proprietati semiconductoare ca oxizii de mangan, nichel, cobalt, cupru, magneziu, zinc, aluminiu, fier, care sunt macinati si apoi presati prin sinterizare la o temperatura ridicata, la extremitati aplicandu-se prin metalizare electrozi de legatura.

Se realizeaza in forme miniaturizate de discuri, plachete, perle, cilindri si permit masurarea cvasipunctuala a temperaturii cu o viteza de raspuns ridicate.

Domeniul de masura poate acoperi plaja -200 ÷ +400⁰C, uzual fiind pana la 200⁰C si se poate demonstra ca rezistenta lor variaza cu temperatura dupa relatia:

(6.6.5)

unde: T - temperatura absoluta; A - constanta dependenta de dimensiuni si forma constructiva (T→∞ => R = A, rezistenta conventionala a termistorului); B - constanta caracteristica a materialului din care e confectionate termitsorul, cu valori intre 2500 ÷ 5000 pentru temperaturi pana la 200⁰C.

Pentru cazul puterii disipate nule, caracteristica termistorului este o exponentiala ce se poate obtine in practica doar prin extrapolare.

Aceste traductoare prezinta o serie de avantaje ca sensibilitate foarte ridicata, putand atinge rezolutii pana la 0,01⁰C, fiind indicate in masurarile de presiuni diferentiale dar, prezinta marele dezavantaj de intersanjabilitate (nu pot fi "imperecheate").

Este foarte dificil ca dintr-un lot destul de mare sa alegem doua termistoare cu rezistenta identica la temperatura de referinta, inlaturarea acestui neajuns facandu-se prin inserierea unei rezistente fixe in circuitul de masurare.                    

Alte traductoare de temperatura

    Traductoare bimetalice

Sunt realizate din materiale metalice, fabricate din table sau benzi din componente diferite, unite intim intre ele si caracterizate de coeficienti de dilatare termica liniara diferiti.

Bimetalul functioneaza pe principiul deformarii la modificari de temperatura sau la orice alte modificari de stari si de procese ce au la baza variatii de temperatura.

In aplicatiile industriale traductoarele bimetalice sunt elemente esentiale in cazul protectiei la suprasarcini a masinilor electrice, transformatoare-lor, conductelor electrice, iar in scopuri mai putin "industriale" sunt utilizate la aparatele si dispozitivele electrocasice (calorifere, perne, plite, uscatoare, fiare de calcat etc.).

Prin deformarea lamelei bimetalice se pot inchide sau deschide contacte electrice fixe sau reglabile cu temperatura.

Bimetalele sunt traductoare robuste, cu erori de masurare ce nu depasesc ±1%, fiind utilizate cu rezultate bune in plaja de temperaturi    -50 ÷ +100⁰C.

    Traductoarele dilatometrice

Functioneaza principiul dependentei dintre variatiile de temperatura si dilatarea termica a unei tevi metalice.

Principial, un astfel de traductor, prezentat in figura, se compune din :

teava metalica - 1 (confectionata obisnuit din cupru cu coeficient de dilatare termica liniara mare si o tija - 2 confectionata din invar (coeficient de dilatare redus).

Prin intermediul unui dop, tija se sudeaza cu un capat la fundul tevii, iar celalalt capat actioneaza direct sau prin intermediul unui sistem de parghii , una sau mai multe perechi de contacte - 3 ce se conecteaza in sistemul de reglare a temperaturii.     

    Traductoarele manometrice

Functioneaza pe principiul variatiei presiunii lichidelor si gazelor la volum constant in functie de temperatura.

Constructiv, sunt realizate din rezervorul - 1 umplut cu un lichid cu punct de fierbere ridicat, vapori sau gaze ce se introduce in mediul de masura, tubul capilar - 2 si resortul manometric - 3.

Aceste parti componente formeaza un sistem ermetic protejat fata de corpul dispozitivului.

Variatiile de temperatura ale fluidului din rezervor vor produce variatii de presiune ale vaporilor de fluid si deformarea proportionala a resortului manometric, care printr-un sistem de transmitere adecvat va actiona pentru indicare, inregistrare, semnalizare sau reglare.

Domeniul temperaturilor de lucru este cuprins intre -50 ÷ +400⁰C, cu o eroare de masurare ce nu depaseste ±1,5%, fiind utilizate la scara redusa datorita constructiei dificile si pretului de cost ridicat.

         Traductoare pirometrice.

Notiunea de pirometrie deriva de la cuvantul grecesc "piro" (foc), referindu-se la masurarea temperaturii pe baza unor metode fara contact, in concordanta cu legile radiatiei termice.

Este cunoscut faptul ca toate substantele emit energie radianta ce depinde de temperatura absoluta a corpurilor respective, fenomenele de radiatie termica fiind descrise de o serie de legi deduse din termodinamica.

Aceste legi au fost verificate pentru un corp negru absolut, care este un emitator sau receptor total al energiei radiante.

Dar, nu toate corpurile indeplinesc aceasta conditie, fiind necesara introducerea unui coeficient de corectie (emisivitatea) mai mic decat unitatea, coeficient ce depinde de natura si starea suprafetei corpului, precum si de lungimea de unda a radiatiei (cu exceptia corpurilor gri).

Pe baza legilor lui Planck, Wien si Stefan-Boltzmann s-au realizat pirometrele ce permit masurarea temperaturii prin intermediul energiei radiante in mai multe variante ca:

pirometre cu radiatie totala;

pirometre monocromatice (cu banda ingusta);

pirometre cu disparitie de filament;

pirometre bicromatice.

Pirometrele de radiatie totala

Principial, pirometrul cu radiatie totala se realizeaza dupa schema prezentata mai jos unde corpul - 1 cu suprafata emisiva - 2 transmite radiatia termica spre detectorul - 3, cu ajutorul unei diafragme - 4 si o oglinda concava - 5.

Pentru absorbtia totala a radiatiilor de catre detector, care poate fi un termocuplu, acesta va trebui sa se innegreasca.

La aceste traductoare, masurarea temperaturii nu depinde de distanta dintre suprafata emisiva si pirometru (oglinda), cu exceptia ca suprafata vizata de pirometru sa fie activa.

Existenta unor reflexii suplimentare, de exemplu corpul este executat din aluminiu, duce la aparitia unor erori de masurare deoarece corpul poate reflecta si sursa care il incalzeste.

Pirometrele cu banda ingusta (monocromatice)

Fac uz de o serie de filtre optice si detectoare si prezinta o sensibilitate maxima pe axa filtrului optic doar pentru o anumita fractiune a spectrului de radiatie termica.

Pirometrele cu disparitie de filament

Functioneaza pe acelasi principiu cu cele monocromatice, avand in componenta lor si o lampa etalon cu filament de wolfram.

Masurarea se face prin comparatie, adica pe imaginea suprafetei radiante ce emite o radiatie in spectrul vizibil, se suprapun lampa etalon.

Regland curentul de filament se va modifica temperatura acestuia si implicit culoarea.

In functie de temperatura filamentului T_f, valoarea curentului prin acesta constituie o masura a temperaturii urmarite T_m , astfel:

Pirometrele obisnuite au domeniile: 700⁰C (filament rosu inchis) si temperatura maxima a filamentului 1500⁰C, dar pot fi extinse pana la 3000⁰C prin utilizarea unor atenuatoare optice.

In cazul in care disparitia filamentului e sesizata cu fotodetectoare, limita inferioara poate ajunge pana la 500⁰C, cu erori de masurare ce se pot situa sub ± 0,5%.

Pirometrele bicromatice

Se realizeaza din doua pirometre monocromatice care lucreaza in doua regiuni apropiate ale radiatiei termice, in asa fel incat emisivitatea sa se poata considera constanta.

Aceste pirometre pot masura temperaturi in intervalul 700 ÷ 2000⁰C si indicatia lor nu depinde de natura corpului si starea suprafetei pentru cazul emisivitatilor cuprinse intre 0,3 si 1.

Pirometrele sunt foarte mult utilizate in siderurgie (metalurgie) pentru masurarea temperaturii sarjei in cuptoare, furnale etc.