Traductoare Pentru Masurarea Temperaturii. Modelare Si Simulare

TRADUCTOARE PENTRU MASURAREA TEMPERATURII.

MODELARE SI SIMULARE

Capitolul 1.Notiuni generale despre traductoare:

1.1.Introducere.Generalitati:

La modul general – un traductor este un dispozitiv care converteste un semnal de o anumitã naturã fizicã într-un semnal corespunzãtor având o naturã fizicã diferitã. Un traductor este in esentã -un convertor de energie , unde semnalul de intrare are întotdeauna energie sau putere. Totusi puterea (care prin integrare dã energia) asociatã semnalului de intrare trebuie sã fie suficient de mare pentru a nu fi perturbatã de cãtre traductor. Exista 6 clase diferite de semnale mecanic, termic, magnetic, electric, optic si chimic si putem spune cã orice dispozitiv care converteste semnale dintr-o clasã în alta este considerat a fi un traductor.

Traductorul are un caracter dual:

– de instrument de mãsurat;

– de element tipic functional al sistemului de automatizare;

♦ traductorul trebuie sã furnizeze semnale care sã poatã fi interpretate, deci iesirea lui este – de regulã – un semnal electric.

Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a măsura valorile parametrului reglat și de a converti acest parametru (mărime) într-o mărime fizică ce este compatibilă cu mărimea de intrare în elementul următor al sistemului. Informația furnizată de traductor nu se adresează unui operator uman, ci unui echipament de conducere sau reglare automată. Prin intermediul traductoarelor se pot obtine informatiile necesare conducerii automate a proceselor in circuit inchis, fiind montate de obicei pe bucla de reactie. În funcție de locul pe care îl ocupă pe lanțul de transmitere a informației traductoarele pot fi:

traductoare de intrare (sau senzori) care preia informația de la măsurand;

traductoare de ieșire care se găsește la ieșirea mijlocului de măsurare și realizează adaptarea lanțului de măsurare la sistemul de utilizare a informației;

traductoare intermediare cu rolul de a realiza transformări ale energiei purtătoare de informație astfel încât să asigure performanțe superioare.

Cateva exemple pe care le intalnim in viata de zi cu zi:

1.2.Structura generala a unui traductor:

Structura generală a traductoarelor este foarte diferită, de la un tip de traductor la altul, cuprinzând unul, două sau mai multe convertoare conectate în serie. În majoritatea cazurilor, structura generală a unui traductor este cea din figura 1.1:

Semnificația blocurilor funcționale 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, turație, nivel, vitază, forță etc). Mărimea de ieșire y reprezintă valoarea mărimii măsurate, exprimată sub formă de semnal analogic (curent, tensiune sau presiune). Marimea de iesire y este un semnal electric unificat sau specializat, in functie de aparatele sau sistemelor de achizitii de semnale folosite in aplicatie.

Detectorul (D) – numit și 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 funcționeze traductorul, în afara mărimii x, există și alte mărimii fizice. Detectorul trebuie să aibă calitatea de a sesiza numai variațiile mărimii x, fără ca informațiile pe care acesta le furnizează să fie afectate de celelalte mărimi din mediul respectiv (din proces). În urma interacțiunii dintre mărimea de măsurat și detector are loc o modificare de stare a acestuia, care, fiind o consecință a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conține informația necesară determinării valorii mărimii de măsurat.

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

Exemplu: Tensiunea electromotoare generată la bornele unui termocuplu în funcție de temperatură..În alte situații modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametrii de material a căror evidențiere se face utilizând o energie de activare de la o sursă auxiliară (SEA).

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

Adaptorul (A)– are rolul de a modifica (adapta) informația obținută la ieșirea detectorului (D)– la cerințele impuse de aparatura de automatizare, care o utilizează, adică să o convertească sub forma impusă pentru semnalul de ieșire y.

1.3.Clasificarea traductoarelor :

Clasificarea traductoarelor este o problemă destul de dificilă, deoarece varietatea acestora este multiplă. Una din variantele de clasificare, în funcție de mărimea de intrare și cea de ieșire, este prezentată schematic in cele ce urmeaza:

In functie de forma semnalului informational obtinut la iesirea traductorului se deosebesc:

traductoare analogice, la care semnalul de iesire este continuu, variaza peintr-o infinitate de valori;

traductoare numerice, la care semnalul de iesire este numeric (digital).

In functie de natura marimii de iesire se deosebesc:

traductoare pneumatice, la care marimea de iesire este un semnal pneumatic (de aer comprimat), de valori unificate Pe=0,2…1 atm; se folosesc in medii cu pericol de explozii sau incendii, spatii in care prezenta curentului electric este interzisa la oeice valori ale parametrului respectiv.

traductoare electrice („electronice”) la care marimea de iesire este un semnal electric, de obicei de valori unificate (Ie=2…10mA c.c., sau Ie=4…20 mA c.c.).

Traductoarele electrice se subdivid la randul lor in:

traductoare parametrice, la care marimea masurata este transformata intr-un „parametru de circuit electric” (rezistenta, inductanta sau capacitate). Traductoarele parametrice se impard deci la randul lor in: traductoare rezistive, traductoare inductive si traductoare capacitative.

traductoare generatoare, la care marimea masurata este transformataintr-o tensiune electromotoare a carei valoare depinde de valoarea marimii respective.

In functie de natura marii aplicate la intrare se disting:

traductoare de marimi neelectrice (temperatura, deplasare, debit, viteza, presiune)

traductoare de marimi electrice (curent, frecventa, putere, faza).

In practica, traductoarele sunt definite pe baza ambelor criterii aratate mai sus (de exemplu, traductor parametric rezistiv de temperatura).

In functie de domeniul de variatie al marimii de iesire, traductoarele se clasifica in:

traductoare unificate, la care marimea de iesire reprezinta un semnalunificat electric (2-10 mA c.c. sau 4-20 mA c.c.), sau pneumatic (0,2-1 kgf/cm’)

tarductoare neunificate (specializate)

1.4.Caracterizarea performantelor traductoarelor:

Caracteristicile funcționale ale traductoarelor reflectă relația de dependență dintre semnalele de intrare–ieșire.

Similar cu aparatele de măsură traductoarele au o caracteristică statica de funcționare care corespunde unui regim de lucru staționar.Spre deosebire de aparatele de măsură în cazul traductoarelor avem și caracteristici de regim dinamic.

1.4.1.Caracterizarea performantelor traductoarelor pentru regimul static:

Regimul staționar în care se definesc caracteristicile statice presupune că atât intrarea cât și ieșirea traductorului sa fie invariante în timp pe o durată de observație precizată.

În practică este puțin probabil ca dinamica parametrilor de proces să fie nulă pe un timp de observație mare.

Totuși, pe intervale scurte de timp, se poate considera că atât intrarea cât și ieșirea sunt invariante în timp:

Caracteristica statică a traductorului este reprezentată prin relația intrare – ieșire (I-E):

(1.1)

care exprimă legătura dintre intrarea și ieșirea traductorului în absența mărimii perturbatorii (z = 0). În realitate, asupra traductoarelor acționează pe lângă mărimea utilă x și o serie de alte mărimi de influență cu caracter intern (ξ1 , ξ2 , …. , ξn ) sau extern ( η1 , η2 , …, ηm).

Domeniul de masura:

Domeniul de măsurare este intervalul xmin … xmax în cadrul căruia traductorul permite efectuarea corectă a măsurării, în conformitate cu caracteristica statică acceptată ca atare a acestuia.

(1.2)

unde:

(domeniul maxim de masurare de la intrare) (1.3)

(domeniul maxim oferit la iesire) (1.4)

Sensibilitatea:

Sensibilitatea se definește sensibilitatea ca derivata ieșirii în raport cu intrarea, adică:

(1.5)

unde: S=sensibilitatea / ∆y-variatia marimii de iesire / ∆x-variatia marimii de intrare.

Sensibilitatea unui traductor este determinată de sensibilitatea elementelor componente și de modul cum acestea sunt incluse în cadrul schemei structurale. Se spune despre un traductor ca este liniar daca sensibilitatea sa este constanta pe intreg domeniul de masura.

Pragul de sensibilitate:

Pragul de sensibilitate reprezintă variația minimă a intrării care produce o deviație certă la ieșire. Este o caracteristică foarte importantă în stabilirea clasei de precizie maxim posibile deoarece semnalul de la ieșire, pe lângă componenta continuă, este caracterizat și de zgomote aferente.

Rezoluția:

Rezoluția reprezintă variația minimă produsă la intrare pentru a obține un salt elementar la ieșire. Este o proprietate specifică traductoarelor cu ieșire discontinuă sau cvasicontinuă. La traductoarele numerice rezoluția se exprimă prin numărul de biți ai conversiei care se reflectă în treapta elementară.:

(1.6)

** Concluzie:

Sensibilitatea este văzută ca o caracteristică de transfer a traductorului.

Rezoluția este văzută ca o caracteristică de intrare.

Pragul de sensibilitate este văzut ca o caracteristică de ieșire.

Liniaritatea:

Dependența liniară dintre intrare și ieșire ce asigură proporționalitatea dintre semnalul de intrare și semnalul de ieșire este stabilită de adaptor.

Dx-domeniu

Δy – abaterea absolută a caracteristicii reale (neliniare) de la caracteristica ideală (liniară).

(1.7)

Clasa de precizie:

Eroarea admisibilă de bază dată sub formă normată (raportată la domeniu) o definim ca o clasă de precizie:
(1.8)

Clase de precizie uzuale: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2

Din relația pentru clasa de precizie putem extrage eroarea admisibilă de bază:

(1.9)

Această eroare admisibilă de bază este întâlnită pentru mărimi din mediu pentru care se face măsurarea: temperatură, presiune, umiditate. Mărimi de mediu – date sub formă de valori de referință sau intervale de referință în jurul unei valori de referință.

Repetabilitatea:

Repetabilitatea este proprietatea unui traductor de a se reproduce sau de a furniza aceeasi marime de iesire in cazul aplicarii aceleiasi marimi de intrare pentru un numar cat mai mare de operatii. Experimentul se repetă de un număr prestabilit de ori și se notează valorile în punctele caracteristice.

(1.10)

Reproductibilitatea:

Reprezintă caracteristica unui traductor de a da aceleași valori în condiții spațio-temporale diferite de cele experimentale.

Puterea consumata:

In situatia in care traductorul masoara marimi active atunci energia necesara furniarii semnalului metrologic e consumata de la marimea de masurat.In cazul in care traductorul masoara marimi pasive atunci e necesara o sursa auxiliara de energie.

Legat de acest indicator se defineste finetea ca fiind calitatea unui traductor de a nu perturba masurandul.

1.4.2. Caracterizarea performantelor traductoarelor pentru regimul dinamic:

Caracteristicile dinamice se referă la funcționarea traductorului în regim dinamic – regim în care atât intrarea cât și ieșirea sunt variabile în timp: x(t), y(t). Dependenta dintre marimea de intrare si iesire se poate exprima printr-o ecuatie diferentiala cu coeficienti constant de forma:

(1.11)

unde: x(t)-marime de intrare

y(t)-marime de iesire

Aprecierea performantelor traductoarelor in regim dinamic se poate face:

În domeniul timpului – utilizând funcția indicială (răspuns la treaptă) sau funcția pondere (răspunsul la impuls);

În domeniul frecvenței – pe baza răspunsului permanent armonic la variația sinusoidală a intrării (x).

1.Pentru aprecierea functionarii traductoarelor in regim dinamic in domeniul timpului se definesc:

Timpul de crestere reprezinta timpul scurs din momentul in care marimea de iesire atinge 10% din valoare de regim stabilizat pana in momentul in care marimea de iesire atinge 90% din valoarea de regim stabilizat.

Timpul de stabilizare este timpul scurs din momentul aplicarii la intrare a marimii de masurat (sub forma de semnal treapta unitate ) si pana in momentul in care marimea de iesire inregistreaza oscilatii ce nu difera fata de valoarea de regim stabilizat Ys cu o valoare mai mare de 2%. Timpul de stabilizare depinde de gradul de amortizare al oscilatiilor.Cu cat amortizarea e mai puternica, cu atat timpul de stabilizare e mai mic si invers.

2.Aprecierea performantelor traductoarelor in domeniul frecventei se face considerand ca la intrare se aplica o excitatie sinusoidala de forma:

(1.12)

In acest caz la iesirea traductorului se obtine un semnal de aceeasi amplitudine, dar cu frecventa diferita, adica un semnal de forma:

(1.13)

Pentru aprecierea functionarii traductoarelor in regim dinamic in domeniul frecventei se definesc:

caracteristica de frecventa (1.14)

caracteristica amplitudine-frecventa: (1.15)

caracteristica fazei-frecventa: (1.16)

Cel mai important indicator de apreciere a functionarii traductoarelor in regim dinamic in domeniul frecventei este banda de frecventa.

Banda de frecventa reprezinta intervalul intre o frecventa inferioara si o frecventa superioara in care amplitudinea semnalului de la iesire nu scade mai putin de din valoare de regim stabilizat.

Capitolul 2.Principalele categorii de traductoarelor folosite in mediile industriale:

2.1.Traductoare de poziție și deplasare:

transformă o deplasare liniară sau unghiulară într-o variație a unui parametru al unui element pasiv de circuit electric (rezistență electrică, capacitate electrică, inductanță magnetică)

deplasare unghiulară (a)

Funcționare: Pentru deplasări unghiulare se utilizează un potențiometru de formă circulară, obținut prin bobinarea unui fir rezistiv pe un suport izolant circular, fir rezistiv peste care alunecă un cursor, astfel că, rezistența la ieșirea potențiometrului și tensiunea de ieșire, când acesta este alimentat la o tensiune continuă stabilizată, depind numai de unghiul de rotație α .

deplasare liniară (b)

Funcționare: Subansamblul mobil a cărui deplasare liniară se măsoară, este conectat solidar cu cursorul ce alunecă pe înfășurarea rezistivă, astfel că variația rezistenței electrice este măsurată prin căderea de tensiune între capătul fix de rezistență zero și cursor.

2.2.Traductoare capacitive de deplasare:

se deosebesc trei categorii de traductoare capacitive de deplasare după relația capacității electrice a unui condensator:

Prin deplasarea dielectricului sau a unei armături (solidare cu dispozitivul a cărui deplasare se măsoară) se produce variația unuia din cei trei parametri (ε, S, d), variație ce duce la modificarea capacității condensatorului, mai ușor măsurabilă.Toate traductoarele capacitive funcționează în curent alternativ, la o frecvență de cel puțin 1 kHz.

Se utilizează frecvent pentru măsurări de deplasări rapide (metoda compensării) sau prin montarea în punte a două traductoare identice, unde numai unul dintre traductoare este acționat de mărimea neelectrică măsurată sau controlată. Armăturile se confecționează dintr-un material special numit invar, pentru înlăturarea erorilor datorate variațiilor de temperatură.

2.3.Traductoare de forță și cupluri:

Sunt traductoare elastice care se bazează pe modificarea reversibilă a formei unei structuri de bază (bară, inel) sub acțiunea forței aplicate: măsurând lungirea sau contracția structurii respective, se obțin informații despre mărimea forței care a determinat-o.

Odată cu modificările de natură mecanică (lungime l, secțiune S sau rezistivitate electrică ) ale unui corp metalic sau semiconductor, supus unei forțe, are loc și o modificare a rezistivității acestuia – efectul tensorezistiv, a cărui aplicație o reprezintă timbrele tensorezistive.

Acestea sunt realizate dintr-un fir conductor dispus în zig-zag sau dintr-o folie conductoare foarte subțire ce se depune pe un suport izolator și se lipește pe piesa solicitată. Suportul izolator și adezivul pentru lipire sunt materiale elastice și foarte durabile.

2.4.Traductoare de presiune:

Presiunea se definește prin relația: (2.1)

Principiul de funcționare al traductoarelor de presiune constă în convertirea unei presiuni într-o deplasare liniară care este convertită apoi într-o variație de tensiune cu ajutorul unui montaj potențiometric sau cu o punte de măsură.

Elementele sensibile ale traductoarelor de presiune pot fi:

2.5.Traductoare de nivel:

Măsurarea nivelului în recipienți este foarte importantă pentru multe procese tehnologice și pentru evaluarea stocurilor existente. Funcționarea traductoarelor de nivel se bazează pe acțiunea forței arhimedice. Pot fi utilizate numai pentru lichide.

2.6.Traductoare de debit:

Măsurarea debitului este o problemă legată de curgerea unui fluid. Ca fenomen, curgerea este caracterizată prin viteză însă, de cele mai multe ori, interesează debitul.

Traductorul de debit cel mai simplu se bazează pe faptul că un fluid care curge, poate pune în mișcare de rotație un sistem mecanic.

Traductorul de debit cu paletă:

Se obține prin montarea unei palete pe direcția de curgere a fluidului.

Funcționare: Datorită curgerii fluidului, asupra paletei acționează o forță care o rotește în jurul articulației, rotire care este pusă în evidență printr-un traductor de deplasare unghiulară; cu cât forța este mai mare, cu atât unghiul α este mai mare. Dezavantaje : măsurarea modifică debitul de curgere a fluidului iar informația care se obține este însoțită de erori.

2.7.Alte tiputi de traductoare:

Traductoare intregrate:

Exploatarea masivă a tehnicilor microelectronicii permite realizarea pe o bucată de siliciu a unor senzori noi, de dimensiuni foarte mici, ce pot fi realizați în serie mare, în producție de masă, la un preț scăzut, cu caracteristici reproductibile.

Permit integrarea pe același cristal a circuitelor electronice necesare.

Procedeele tehnologice utilizate pentru microprelucrarea siliciului, ca nanolitografierea sau depunerea de straturi de Si anizotrop pe cristal, permit realizarea de dimensiuni spațiale de ordinul a 0,011m.

Fig.2.12. Traductor de accelerație integrat pe un cip de Si.

a) vedere de sus, b) secțiune transversală

Accelerometru integrat în siliciu (fig.2.12):

Se compune dintr-o lamă de grosime 515m decupată de substratul de Si și încastrată la un singur capăt.

La celălalt capăt al lamei există o masă seismică de 200 m lățime, mai mare ca lama, care constituie elementul sensibil la vibrații.

Se poate adăuga, prin depunere, un strat de aur sau alt element greu pentru a schimba masa vibrantă.

Vibrația acestei mase poate fi detectată cu un element sensibil piezorezistiv, capacitiv sau optic. Frecvența de rezonanță a unui astfel de senzor este de câteva sute de Hz.

Traductor de temperatură cu rezistență din strat subțire:

Traductorul, este constituit din 4 elemente termosensibile: 2 destinate măsurării și 2 destinate sistemului de încălzire. Geometria ansamblului, pe fața de măsură și pe fața cu conexiuni, este dată în Fig.2.13.

Diferența esențială de concepție, față de traductorul masiv, este acela că, ansamblul dispozitivului este situat într-un singur plan.

Astfel este ușor de definit distanța geometrică între elementul încălzitor și elementul de măsurat (63 m) .

Ca urmare, timpul de răspuns al senzorului se poate ajusta, experimental, pentru a deveni compatibil cu performanțele microsistemului electronic de achiziție și control.

Se poate astfel câștiga un factor de 1000 față de timpul de răspuns obținut cu un senzor masiv.

Traductoare inteligente:

Cea mai importanta categorie de traductoare .Aceste traductoare realizeaza transformarea uneia sau mai multor marimi numerice putand exista comunicatii prin intermediul unor interfete bilaterale, fie cu magistrale de date, fie cu alte computere.

Asa cum se poate observa in fig.2.14. in componenta traductorului inteligent intra:

Traductorul principal cu rol de preluare a marimii de masurat de la obiectul sau procesul supus obervatiei.

Traductoarele secundare cu rol de evaluare a marimii de influenta ale procesului de masurare in vederea identificarii efectului acestor marimi de influenta asupra marimii de masurat.

A(amplificatory)/CAN(convertor analog numeric)/Multiplexorul/CEM(circuit de esantionare-memorare)formeaza SAD(sistem de achizitie a datelor).

PROM- aici sunt stocate programe de corectie, coduri ale traductoarelor principale si secundare si baze de date despre marimile de masurat.

RAM – se pot stoca doar datele curente de operare si cele ce urmeaza a fi transmise.

-gestioneaza activitatea curenta a sistemelor de achizitie a datelor, poate realize autoetalonari, diversi algoritmi de calcul, corectii etc.

Intefata bilaterala poate comunica cu:magistrala de comunicatii,computere,alte traductoare inteligente.

2.8.Principii generale de alegere a traductoarelor:

Alegerea traductorului, dintr-o gamă relativ extinsă oferită de firmele constructoare, pentru o anumită aplicație necesară utilizatorului, reprezintă o problemă tehnico – economică. Soluția corectă ține seama de particularitățile funcțional – constructive ale traductoarelor, determinate de locul, rolul și durata de utilizare a acestora în automatizarea proceselor industriale.

Utilizând terminologia aplicată, în mod curent, în proiectarea și construcția echipamentelor de automatizare, principalii factori care definesc eficiența economică a unui traductor sunt:

eficacitatea operațională (E.O.);

costurile totale de utilizare(C.T.U.).

Variațiile celor doi factori ce definesc eficiența economică prin utilizarea unui traductor sunt prezentate în figura 1.n:

Eficacitatea operațională a unui traductor exprimă modul în care acesta satisface cerințele impuse de aplicația căruia îi este destinat pe o perioadă de utilizare fixată. În esență, acest factor exprimă capabilitatea traductorului (proprietatea acestuia de a-și menține performanțele nominale, pe durata prestabilită de utilizare în cadrul echipamentului de automatizare).

Costurile totale de utilizare reprezintă suma cheltuielilor de achiziție, verificare și instalare, cât și cheltuieli de întreținere în scopul menținerii eficacității operaționale pentru durata de utilizare stabilită. Variația costurilor în raport cu fiabilitatea traductorului este dată în figura 2.10.

Eficacitatea economică în alegerea unui traductor se poate exprima simplu prin raportul Kef dintre eficacitatea operațională (E.O.) și costurile totale de utilizare (C.T.U.)

(2.2)

CAPITOLUL 3. Masurarea temperaturii.Conditii generale.Aparate de masura a temperaturii.

3.1.Generalitati temperatura:

Temperatura este marimea fizica ce caracterizeaza starea de incalzirea a unui corp.O serie intreaga de procese tehnologice din industria metalurgica, chimica, constructoare de masini, etc. sunt puternic influentate de temperatura, de aceea masurarea cu precizie a acestui parametru are o importanta deosebita.

Temperatura este o marime de stare locala a sistemelor fizico-chimice, ce se refera la echilibrul termic al lor. Doua sisteme sunt in echilibru termic, cand au aceeasi temperature.

Temperaura indică viteza cu care atomii ce alcătuiesc o substanță se mișcă, în cazul încălzirii viteza lor crescând.

Instrumentul cu ajutorul căruia se determină temperatura corpurilor sau mediilor cu care vine în contact se numește termometru. În principiu este alcătuit dintr-un corp termometric, caracterizat de o mărime fizică, numit mărime termometrică, ce variază cu temperatura după o anumită lege fizică.

3.2.Unitati de masura:

Unitatea de măsură în Sistemul Internațional (SI) este kelvinul (K).

Temperatura 0 K este cea numită zero absolut și este punctul în care moleculele și atomii au cea mai mică energie termică. De obicei se folosesc două scări de temperatură, scara Celsius, cu precădere în țările europene și scara Fahrenheit, în Statele Unite.

Acestea se definesc cu ajutorul scării Kelvin care constituie scara fundamentală a temperaturilor în știință și tehnică.

Un grad Celsius reprezintă a 1/273,16-a parte din intervalul cuprins între punctul triplu al apei (0,01 °C) și punctul de zero absolut (-273,15 °C), la presiune normala.

3.3.Scari de temperatura:

Scara de temperatura este un șir de numere stabilite în baza unei anumite convenții, care permite atribuirea de valori numerice temperaturii și gradarea aparatelor de măsură.

Scara de temperatură poate fi:

scara termometrică Celsius (Cº/centigrade) care este cel mai frecvent utilizată pe plan mondial (scara universală), aceasta având două valori importante: t1=0ºC (punctul de îngheț al apei la o atmosferă) și t2=100ºC (punctul de fierbere al apei la o atmosferă);

scara Fahrenheit (ºF) cu un interval de 180 ºF (32ºF-212ºF);

scara Kelvin (K) sau scara temperaturii absolute la care 0K = -273,15ºC (zero absolut); temperatura în grade Kelvin poate fi calculată prin adăugarea cifrei 273,15 temperaturii în grade Celsius;

scara Reaumur (ºR), cu gradații cuprinse între 0 (punctul de îngheț al apei) și 80ºR (punctul de fierbere al apei);

scara Rankine (ºRa), cu punctul de fierbere al apei la 671,67ºRa și punctul de îngheț al apei la 491,67 ºRa.

3.4.Descrierea unor metode si aparate de masura a temperaturii:

Aparate bazate pe dilatarea corpurilor solide:

Termometru metalic cu tija:

Se bazeza pe fenomenul de dilatate liniara a unei tije sau lame metalica:.

Acul indicator este deplasat datorită diferenței de dilatare dintre teacă și tijă.

Se execută pentru temperaturi de maxim 500ºC Se utilizează pentru măsurarea temperaturii lichidelor. Poate avea contacte electrice actionate la atingerea unor anumite temperaturi.

Termometru bimetalic

Ca exemplu de aparat: termometrul bimetalic: două lame sunt lipite ca în figură, ele având coeficienți de dilatare diferiți. Sub acțiunea căldurii, întregul ansamblu se deformează ca în figură(fig2.3) ,aceasta deoarece invarul are un coeficient de dilatare mai mic. Poate fi utilizat la instalații în aer liber.

Domeniul de măsurare: -100…+100ºC.

Aparate bazate pe dilatarea lichidelor(termometre cu lichid):

Termometrele cu lichid se folosesc în diverse domenii: în industrie, în laboratoare, în medicină

Princiupiul de functionare se bazeaza pe dilatarea volumica a lichidelor:

Termometrele de sticlă se protejează cu ajutorul unor teci metalice în care se introduce ulei sau, pentru temperaturi peste 150ºC, pilitură de cupru sau aluminiu.

Precizia unui termometru este cea mai mică variație de temperatură pe care o poate măsura termometrul. În cazul termometrelor cu lichid, în funcție de construcție, precizia de măsurare variază între 0,01 °C și 1 °C.

Termometre manometrice:

Termometrele manometrice reprezinta aparate de masura ce folosesc drept principiu de functionare variatia presiunii cu temperatura.Domeniul de temperaturi pentru termometrele industriale este –40 … 200 °C. Dacă este cazul, manometrul poate fi prevăzut cu contacte electrice, instrumentul lucrând ca senzor în automatizări.

Aparate ce folosesc efectul termoelectric:

Efectul termoelectric constă în apariția unui curent electric în circuitul închis format din două conductoare din materiale diferite, dacă sudurile sunt supuse unor temperaturi diferite.

În funcție de natura materialelor utilizate la construcția termoelectrozilor, avem:

Termocupluri cu termoelectrozi din metale mobile. Sunt folosite pentru etalonări și verificări. Cele mai răspândite sunt cele din aliaje de Pt-Rh cu diferite procente ale Rh.

Termocupluri cu termoelectrozi din metale obișnuite. Cele mai utilizate combinații în construcția termoelectrozilor sunt: Fe – Const., Cromel – Alumel, Cromel – Copel, Cu – Const.,W – Ta, Mo – Ta (ultimele trei pentru valori până la 2000°C) etc.

Termocupluri cu termoelectrozi nemetalici (un termoelectrod metalic și unul nemetalic sau ambii electrozi nemetalici). Combinațiile frecvente sunt: carbură de siliciu – grafit, sau grafit – grafit .Construcția este de tipul teacă – baghetă centrală.

Termometru Digital

Tensiunea termoelectromotare care apare in circuit poate fi masurata si cu un termometru digital. Senzorul de temperatura este un termocuplu.Acest aparat permite citirea temperaturii direct in0C, 0F sau K.

Aparate ce folosesc variația rezistenței electrice cu temperatura:

Aparatele se numesc termometre cu rezistență electrică, măsoară temperaturi între 200 și + 850°C și se compun din:

termorezistență, care constituie elementul sensibil;

conductoare de legătură;

aparatul de măsură

Avantajele termometrelor cu rezistenta electrica:

precizie ridicata;

posibilitatea centralizarii controlului temperaturilor prin conectarea mai multor

termometre la un singur aparat de masura;

posibilitatea inregistrarii automate a temperaturii.

Aparate care utilizeaza fenomenul de radiație pentru măsurarea temperaturii:

Există mai multe tipuri de pirometre, dintre care cele mai folosite sunt următoarele:

Pirometrele de radiație totală, folosite curent la măsurarea temperaturilor până la 900 °C prin vizare cu un spot laser și peste această temperatură (când spotul laser nu mei este vizibil datorită faptului că corpurile devin strălucitoare), până la 3000 °C prin vizare optică printr-o lunetă.

Pirometrele optice cu cu dispariția filamentului, numite și pirometre optice monocromatice, folosite curent la măsurarea temperaturilor corpurilor când acestea emit lumină vizibilă, adică peste 700 °C.

Pirometre de culoare determină temperatura de culoare a corpului a cărui temperatură se măsoară.

3.5.Alte mijloace de măsurat temperatura:

Conuri SEGER :

Conurile Seger se folosesc pentru determinarea temperaturilor ridicate în cuptoarele industriale. Acestea sunt piramide triunghiulare de 30 sau 58 mm înălțime, confecționate din diferite amestecuri de caolin, cuarț, feldspat și alți fondanți ceramici, alese astfel încât diferitele indicatoare să aibă temperatura de înmuiere între 600 și 2000 °C cu intervale din 20 în 20 °C. Se notează cu numere care corespund cu 1/10 din temperatura de înmuiere a lor (ex. I.P. 130 înseamnă că temperatura de înmuiere a acestuia este de 1300 °C.) la care vârful conului atinge planul bazei sale.

Culori termoscopice (indicatori de temperatură) :

Principiul metodei are la bază proprietatea unor substanțe de a-și schimba culoarea în funcție de temperatură. Fenomenul, numit termochromie, oferă posibilități rapide și ieftine de evaluare a temperaturii. Domeniul de utilizare este cuprins între +40°C și +1350°C. De exemplu, iodura dublă de cupru și mercur este roșie pt temperaturi până la 55 °C, devine roșie-brună până la 63 °C, brună până la 70°C și neagră peste 100°C.

Temperatura magnetică :

Pentru temperaturi foarte scăzute care formează domeniul criogeniei, termometria utilizează legătura dintre susceptibilitatea magnetică x și temperatura magnetică T* dată de legea:

,C -constanta Curie. Legătura dintre temperatura magnetică și temperatura termodinamică este o funcție cunoscută pentru sărurile paramagnetice utilizate.

Bolometrul:

Bolometrul este un instrument utilizat la măsurarea intensității radiațiilor electromagnetice, în special a celor din domeniul infraroșu. Funcționarea sa are la bază dependența rezistenței electrice de temperatură, asemănându-se în acest sens cu un termometru cu rezistență.

Se pot folosi pentru a masura energia termica la distanta, de exemplu in sistemele de cercetare si ghidare in infrarosu sau in astronomie pentru masurarea temperaturii

stelelor.

Măsurarea temperaturilor criogenice:

În tehnică, prin temperaturi criogenice se înțeleg temperaturi sub cea de lichefiere a unor gaze care prezintă interes industrial, începând cu metanul. Convențional, se consideră temperaturi criogenice cele sub 120 K. In criogenie se folosește cu preponderență scara Kelvin, a temperaturilor absolute.Aplicațiile criogeniei se regăsesc în industria gazelor, medicină, industria alimentară, industria spațială și cea nucleară:

Temperaturi peste 3 K Termometrul etalon pentru aceste temperaturi este termometrul cu rezistență de platină. Măsurarea practică a temperaturilor criogenice se poate face cu termocupluri. Temperaturi începând cu cea de fierbere azotului (77 K) se pot măsura chiar și cu termocupluri comune de tip J (fier-constantan).

Temperaturi sub 5 K Termometrele etalon pentru măsurarea temperaturilor sub 5 K sunt cele cu presiune de vapori de heliu.