Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice [629365]

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 1LUCRAREA Nr. 1
Metode și aparate pentru m ăsurarea temperaturii
1. DEFINIȚII

• Temperatura = mărime de stare care caracterizeaz ă intensitatea st ării de mișcare
a particulelor care compun un corp (molecule, atomi, ioni).
Temperatura are valoarea zero doar atunci când înceteaz ă orice form ă de mișcare a
materiei (starea de zero absolut)
Teoria cinetico-molecular ă: 2 322wk Tµ= dacă: 0 0=⇒= w T
• Stare de echilibru termic (termodinamic) = stare care corespunde stabilirii
echilibrului energetic atât în interiorul corpului cât și între acesta și mediul s ău
exterior (corpurile care îl înconjoar ă). Aceasta stare presupune ca toate corpurile care
sunt în contact s ă aibă aceiași temperatur ă.
• Scară de temperatur ă = un șir de numere stabilite în baza unei anumite
convenții, care permite atribuirea de valori numerice temperaturii și gradarea
aparatelor de m ăsură.

2. SCĂRI DE TEMPERATUR Ă
Gradul de temperatur ă Celsius : 1/100 din intervalul de temperatur ă cuprins între
temperatura de topire a ghe ții și cea de fierbere a apei la presiunea normal ă (760 mmHg)
Gradul de temperatur ă Fahrenheit : 1/180 din intervalul de temperatur ă cuprins
între temperatura de topire a ghe ții și cea de fierbere a apei la presiunea normal ă.
Scara de temperatur ă poate fi:
a) empirică: originea este stabilit ă arbitrar (Celsi us, Fahrenheit);
b) termodinamic ă absolută: originea este stabilit ă în zero absolut – unde
temperatura ca parametru de stare este fizic zero (Kelvin, Rankine) ;
c) internațională practică: scară utilizată pentru gradarea și controlul
periodic al instrumentelor, în care sunt at ribuite valori numerice pentru temperatura unui
număr de stări fizice u șor de reprodus – puncte de fier bere sau solidificare al unor
substanțe pure (hidrogen, neon, oxigen, apa, zinc, argint, aur).

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 2
Relații matematice între diferite sc ări de temperatur ă:

()() 15,273o+= Ct KT

()()[] 3295o o− = Ft Ct ()()3259o o+= Ct Ft

3. METODE ȘI APARATE PENTRU M ĂSURAREA TEMPERATURII

I) Metode de m ăsurare prin care corpul termometric este adus în contact direct cu
sistemul studiat;
Condi ții: – realizarea echilibrului termic între corpul termometric și sistem
– masă mică a corpului termometric pent ru a nu modifica temperatura
sistemului

A) Aparate bazate pe dilatarea corpurilor solide sau lichide.
B) Aparate bazate pe varia ția presiunii corpului termometric
C) Aparate bazate pe varia ția rezisten ței electrice cu temperatura;
D) Aparate bazate pe efectul termoelectric;
E) Procedee speciale de m ăsurare a temperaturii.

II) Metode de m ăsurare de la distan ță.
Se bazeaz ă pe radiația termică emisă de corpuri

A) metode bazate pe m ăsurarea radia ției termice a unui corp;
B) metode bazate pe schimbarea culorii corpurilor cenu șii;
C) metode bazate pe m ăsurarea emisiunii electron ice a corpurilor solide și gazoase
prin observarea liniilor spectrale.

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 3
4. DESCRIEREA UNOR METODE ȘI APARATE DE M ĂSURARE A
TEMPERATURII

I) Metode de m ăsurare a temperaturii prin care corpul termometric este adus în
contact direct cu sistemul studiat

A) Aparate bazate pe dilatarea corpurilor solide sau lichide

A.1 Aparate bazate pe dilatarea corpurilor solide
– Se bazeaz ă pe fenomenul de dilatare liniar ă a unei tije sau lame metalice:
()t llα+=10
a) Termometre metalice (cu tij ă)

Acul indicator este deplasat datorit ă diferenței de dilatare dintre teac ă și tijă.
Se execut ă pentru temperaturi de maxim 500oC
Se utilizeaz ă pentru m ăsurarea temperaturii lichidelor
Poate avea contacte electrice ac ționate la atingerea unor anumite temperaturi.

b) Termometre bimetalice

Șurub Contact Conductori
Benzi metalice lipite
Postament Fig.1. Termometru metalic cu tij ă
Oțel+25%Ni+ 5%Mo
α = 20·10-6 K-1 Invar (oțel+36%Ni )
α = 2·10-6 K-1
Fig.2 Lamela bimetalic ă

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 4

Domeniul de m ăsurare: – 50…450 oC
Poate fi utilizat la instala ții în aer liber.

A.2 Aparate bazate pe dilatarea lic hidelor (termometre cu lichid)

Fig. 3.Termometrul cu spiral ă bimetalic ă
Fig.4 Principiul
termometrului cu lichid Fig.5 Astronomul suedez Anders Celsius (1701-1744)
și termometrul realizat de el în1742.

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 5 Principiul de func ționare: dilatarea volumic ă a lichidelor:
()t VVv 01α+=

Lichide termometrice

Fig.6 Termometru cu scar ă interioar ă Fig.7 Termometru baghet ă

Fig.8 Termometru cu tij ă dreaptă Fig.9 Termometru cu cot Limite de utilizare
[oC] t [oC] (la p N) αv Lichidul
inferioară superioar ă solidificare fierbere [K-1]ּ103
Mercur −30 700 −38,86 356,7 0,18
Toluen −90 100 −95 110,8 1,07
Alcool metilic −95 60 −98 64,5 1,19
Alcool etilic −100 75 −117 78 1,03
Pentan −120 20 −130 36 1,52
Aliaj de Galiu 0 1050 −23 1700 0,55

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 6

a) b) c)

Fig. 10 Alte tipuri de termometre
a) Termometru cu contacte electrice, b) Termometru de camer ă c) Termometru Galilei

Magnet
permanent
Tije
filetată
Piuliță
ovală
Fir metalic
Coloana
de
mercur

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 7

Termometrele de sticl ă se protejeaz ă cu ajutorul unor teci me talice în care se introduce
ulei sau, pentru temperaturi peste 150 oC, pilitur ă de cupru sau aluminiu.
Montarea tecii trebuie s ă asigure pozi ționarea rezervorului pe cât se poate în centrul
conductei; în cazul conductelor de diamet ru mic montarea se va face oblic, c ătre amonte.

B) Termometre manometrice

Principiul de func ționare: varia ția presiunii corpului termometric în raport cu
temperatura.
B.1. Termometre manometrice cu gaze

Fig.12. Schema de principiu a unui termometru manometric

Are cea mai mic ă răspândire.
Legea fizic ă utilizată: legea lui Charles (izocora):

00TTpp=
Gazul utilizat: CO 2, N2, aer
Limite de utilizare: -60 oC … +550 oC
Scara este liniar ă
Fig. 13 Termometru cu gaz

Rezervor
Tub
capilar Aparat de
măsură
Tub de
legătură
Termometru
Teacă protecție
Ulei ( t < 180°C)
Pilitură Cu,Al,oțel (t > 180°C)a)
D 2
3D
b) α D2
3D
c)
Fig.11. Montarea în instala ții și protejarea termometrelor tehnice

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 8 B.2. Termometre manometrice cu vapori

Legea fizic ă utilizată: Variația presiunii vaporilor satura ți în raport cu temperatura
(ecuația Clausius – Clapeyron):
T TcTbap ln ln +++=
Agen ți utilizați: freon, clorur ă de metil, alcool etilic
Domeniu de utilizare: -60…+200 oC
Fig.14. Termometru manometric cu vapori
Scara este neliniar ă.
Pot avea contacte electrice de minim și/sau maxim.

C) Aparate bazate pe varia ția rezisten ței electrice a corpurilor

C.1. Termometre cu rezisten ță electrică
Legea fizic ă utilizată: variația rezisten ței unui metalic cu temperatura:
()t RR α+= 10

Fig.15 Varia ția rezisten ței electrice a diferitelor metale cu temperatura
Materiale uzuale pentru termorezisten țe

Rezistență Grosime fir
[mm] Rezistivitatea ρ
[Ωmm2/m] Limite de m ăsură
[°C]
Platină 0,05-0,07 0,1 −180→630
Cupru 0,1 0,017 −50→150
8

7

6

5

4

3

2

1

0 Rt/R0 Fe
Ni
Pt Cu
100 200 300 400 500 600 700 °C

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 9

Fig.16. Schema de principiu a unei termorezisten țe
1 – teac ă metalică de protec ție
2 – piuli ță de fixare
3 – cutie de conexiune
4 – suport ceramic
5 – firul termorezisten ței

Fig.17. Construc ția termorezisten ței

Metode de m ăsurare a rezisten ței electrice:

Fig.18 Metoda pun ții neechilibrate Fig.19 Metoda pun ții echilibrate manual
()2 3 1 R R R RRC t⋅+=⋅

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 10

Fig. 20 Logometrul

Fig 21 Termometru cu termorezisten ță

C2. Termometre cu termistoare
Este un material semiconductor, a c ărui rezisten ță variază mult cu temperatura, în
special în domeniul temperaturilor joase, dup ă o lege exponen țială de forma:
Tb
T ea R⋅=
Se fabric ă în general din amestecu ri de oxizi cu propriet ăți semiconductoare, cum sunt
oxizii de Mn, Co, Fe, Zn, Al. în formă de disc sau baghet ă.

Fig. 22 Varia ția rezisten ței
termistorului cu temperatura.
1-termistor 2-platina

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 11D) Aparate bazate pe efectul termoelectric

Principiul de func ționare: efectul termoelectric (efectul Seebeck)
” Într-un circuit închis format din dou ă sau mai multe conductoare diferite, ia na ștere
un curent electric, dac ă cel puțin două puncte de leg ătură au temperaturi diferite ”.

a) b)

Fig.23. Montarea milivoltmetrului pentru m ăsurarea tensiunii termoelectromotoare :
a) la lipitura rece; b) la termoelectrod.

Fig.24. Men ținerea temperaturii sudurii reci
Simbol A (+) B (-) Tmax
(funcț.cont.) Tmax
(funcț.interm.)
J Fe Constantan 600 șC 800 șC
N Ni NiCr 900 șC 1200 șC
K Cromel
(Ni+Cr+Fe) Alumel
(Ni+Al+Mn+Si)900 șC 1300 șC
S Pt PtRh(10%Rh) 1550 șC 1850 șC
– W MoAl 2000 șC 2000 șC
– Rh IrRh 2400 șC 2400 șC
Cablu de
compensare Constantan
Fier Cuptor
1 2 3 2' 3'
Electrod din fier Electrod din constantan
Vas Dewar mV
Fire
din cupru la
milivoltmetru Cablu de compensare
mVmV

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 12
Con întreg
Con topit Con indicato r
Fig.25 Diferite tipuri de termocupluri și instrumentul de m ăsură

E) Metode bazate pe schimbarea st ării corpului termometric
E.1 Conuri SEGER și Conuri ORTON

Fig.26. Conuri ORTON

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 13 E.2 Termoculori

II) Metode de m ăsurare a temperaturii
de la distan ță

A) Metode bazate pe m ăsurarea radia ției termice a unui corp

A.1 Pirometru optic monocromatic

Fig.27. Pirometrul optic – schi ța de principiu
1 –obiectiv; 2 – lamp ă cu filament;3 – ocular;4 – filtru ro șu;5 – reostat; 6 – rozeta reostatului;7 –
filtru neutru;8-manet ă pentru ac ționarea filtrului.

Fig..28 Varia ția luminozit ății filamentului
Culoare Substanță chimică
inițial final t [°C] Reversibilitate
Sulfură de Hg roșu cafeniu –
negru 230→250 da
Cromat de Pb roșu cafeniu –
negru 230→250 nu
Iodură de
Hg și Ag roșu maro 70 nu

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 14
– Se utilizeaz ă pentru m ăsurarea temperaturii
obiectelor incandescente: metale topite, fl ăcări,
piese metalice cu temperatura peste 550 oC
– Precizia de m ăsurare:1..5 oC
– Aparatul este etalonat în raport cu corpul negru,
necesitând corec ții ăn funcție de factorul de
emisivitate al corpului a c ărui temperatur ă se
măsoară.

Fig.29 Prometru optic Pyrolux.

A2. Pirometru de radia ție totală

Fig. 30 Schema și aspectul unui pirometru de radia ție totală
1-obiectiv; 2-termocuplu; milivoltmetru

Are acelea și utilizări ca și pirometrul optic monocromatic
Domeniul de m ăsurare: temperaturi mai mari de 700 oC

Catedra de Termotehnic ă, Mașini Termice și Frigorifice
S.Dimitriu © 2010 15

Fig. 31 Termometru in infraro șu

Termometrele în infraro șu permit m ăsurarea temperaturii corpurilor prin captarea
radiației infraro șii emisă de acestea
Domeniul de m ăsurare: -20…250 oC; -30..900 oC
Se construiesc pentru factor de emisie fix sau cu factor de emisie variabil.
Au sistem de vizare cu laser.