Msurarea temperaturii [603235]

M`surarea temperaturii
17
2. M~SURAREA TEMPERATURII

2.1. Generalit`\i

2.1.1. Defini\ii

Temperatura termodinamic` este o m`rime fizic` de stare care
caracterizeaz` gradul de [nc`lzire al unui corp. Te mperatura reprezint` o m`sur` a
agita\iei moleculare a corpului, respectiv a energi ei sale cinetice.
Aparatul care m`soar` temperaturi se nume]te termometru .

2.1.2. Unit`\i de m`sur`. Sc`ri de temperatur`

Temperatura ]i unit`\ile de m`sur` pentru temperat ur` sunt definite [n
standardul « Sc`ri interna\ionale de temperatur` di n 1990 », adoptat de Comitetul
Interna\ional pentru Greut`\i ]i M`suri [n 1990 .
Unitatea de m`sur` a temperaturii termodinamice [n Sistemul Interna\ional
de unit`\i de m`sur` (SI) este Kelvinul , notat K. Acesta este definit ca raportul
16 ,273 1, [n care 273,16 reprezint` punctul triplu al apei, adic` temperatura la care
apa, ghea\a ]i vaporii de ap` se afl` [n echilibru dinamic.
Pentru definirea sc`rii de temperatur` se utilizea z` ca referin\` punctele de
schimbare de faz` ale unor substan\e pure, puncte c are au avantajul ca sunt u]or
reproductibile. Temperatura dintre dou` puncte fixe se determin` prin func\ii de
interpolare.
In func\ie de punctele de referin\` alese, se defi nesc mai multe sc`ri de
temperatur` (figura 2.1). Fiecare scar` de temperat ur` corespunde c@te unei unit`\i
de m`sur` a temperaturii.

Fig. 2.1 Sc`ri de temperatur` punctul de [nghe\ al apei pure punctul de fierbere
0 absolut punctul triplu al apei al apei

Temperatura 100 diviziuni
100 diviziuni
180 diviziuni
80 diviziuni 0 273,16 373,16

0 100

32 212

0 80
0 491,67 KELVIN
CELSIUS
FARENHEIT
REAUMUR
RANKIN [K]
[șC]

[°F]
[°Re]
[°R]

M`surarea m`rimilor neelectrice
18
Dintre sc`rile de temperatur` existente, cele mai des utilizate sunt:
/square4 Scara Kelvin : Originea se afl` [n punctul de temperatur` zero a bsolut, adic` la
valoarea temperaturii pentru care energia agita\iei moleculare este nul`. Al
doilea punct de defini\ie este punctul triplu al ap ei. Unitatea de m`sur` este
Kelvinul (K). Temperatura exprimat` [n Kelvini se n ume]te temperatur`
absolut` ]i [n mod uzual se noteaz` cu T.
/square4 Scara Celsius : Originea se afl` la valoarea temperaturii de [ngh e\ a apei. Al
doilea punct de defini\ie este punctul de fierbere al apei. Unitatea de m`sur` este
gradul Celsius (șC). Acesta a rezultat din [mp`r\ir ea intervalului dintre cele dou`
puncte de defini\ie [n 100 de p`r\i egale. Temperat ura exprimat` [n grade
Celsius se noteaz` cu t.
Conform defini\iei unit`\ii de m`sur`: 1K =1șC (o diferen\` de temperatur`
exprimat` [n Kelvini sau [n grade Celsius are aceea ]i valoare).
Rela\ia de leg`tur` [ntre cele dou` sc`ri de tempe ratur` este:

[][] 15 ,273 ș − =KT Ct (2.1)

[n care 273,15 K reprezint` punctul de [nghe\ al apei.

Rela\iile de transformare cu celelalte sc`ri de te mperatur` sunt:

– Scara Farenheit: [ ] [ ] [ ] 67 ,523 5932 ș59ș + = + = KT Ct FT (2.2)
– Scara Reaumur: [ ] [ ] [ ] 52 ,218 54ș54Re ș + = = KT Ct T (2.3)
– Scara Rankin: [ ] [ ] [ ] 34 ,983 5967 ,491 ș59ș + = + = KT Ct RT (2.4)

2.1.3. Tipuri de aparate de m`sur`

Clasificarea termometrelor dup` leg`tura cu m`rimea m`surat`:
/square4 Termometre cu contact (care sunt [n contact direct cu obiectul a c`rui
temperatur` o m`soar`): se bazeaz` pe schimbul de c `ldur` prin convec\ie ]i
conduc\ie termic` – []i m`soar` temperatura proprie , pe baza ipotezei c` se afl`
[n echilibru termic cu obiectul respectiv (nu exist ` schimb de c`ldur`). Timpul
de reac\ie este destul de ridicat, dar [n schimb te rmometrul este realativ ieftin.
/square4 Termometre f`r` contact (care nu intr` [n contact cu corpul a c`rui temper atur`
o m`soar`): se bazeaz` pe legile radia\iei termice – m`soar` energia radia\iei
infraro]ii sau optice primite, din care calculeaz` temperatura. Timpul de raspuns
este foarte scurrt, dar costul termometrului este m ai mare.

Clasificarea termometrelor dup` principiul de func \ionare: tabelul 2.1

M`surarea temperaturii
19
Tabelul 2.1
Clasificarea termometrelor dup` principiul de func\ ionare
Procedeul de m`surare
Aparat de m`sur` Variante constructive
MECANIC (cu contact)
– varia\ia volumului Termometru de sticl` cu
lichid – din sticl`, cuar\
– cu contact electric
– Beckmannn
– varia\ia presiunii Termometru manometric
(manotermometru) – cu lichid, amestec
bifazic, gaze
– varia\ia lungimii Termometru cu dilatarea
metalelor – cu tij`
– cu bimetal
ELECTRIC (cu contact)
Termometru cu rezisten\`
metalic` (termorezisten\`) – varia\ia rezisten\ei electrice
Termometru cu rezisten\`
din aliaje semiconductoare
(termistor) – cu s@rm` bobinat`
– cu arc
– cu straturi sub\iri
Termocuplu – din metale – generarea unei tensiuni
electromotoare Diode, tranzistori, circuite
integrate – din semiconductoare

SPECIAL (cu contact)
– punctul de topire al
materialelor
– schimbarea culorii
– modificarea luminiscen\ei Repere de temperatur`
(creioane, etichete, tablete,
vopsele etc.)

RADIATIV (f`r` contact)
Pirometre cu radia\ie total`
Pirometre cu radia\ie
monocromatic`
Pirometru de raport – captarea radia\iei infraro]ii
Termoviziunea – cu detector cuantic/
termic
– cu fibre optice sau nu

2.2. Termometre mecanice

Principiul de func\ionare al termometrelor mecanice se bazeaz` pe dilatarea unui:
– fluid ([n stare lichid`, gazoas`, sau de vapori): prin varia\ia volumului sau a
presiunii [n func\ie de temperatur`
– metal: prin varia\ia lungimii [n func\ie de temperatur`.

2.2.1. Termometrul de sticl` cu lichid

Termometrul de sticl` cu lichid m`soar` temperatur a pe baza dilat`rii unui
lichid odata cu varia\ia temperaturii.
Lichidul termometric este inclus [ntr-un bulb racor dat la un tub capilar,
transparent, din sticl` (figura 2.2). Ansamblul bu lb + tub capilar poate fi protejat

M`surarea m`rimilor neelectrice
20
(sau nu) printr-un [nveli] transparent de sticl` (s au cuar\). In zona bulbului,
[nveli]ul de protec\ie face corp comun cu vasul car e con\ine lichidul.
Gradarea termometrului se face direct pe firul cap ilar sau pe o scar`
gradat` plasat` [n spatele tubului capilar, [n inte riorul [nveli]ului de protec\ie.

Fig 2.2 Termometru de sticl` cu lichid

Variante constructive: figura 2.3

Fig. 2.3 Termometru de sticl` cu lichid – variante construc tive

Exist` dou` tipuri de lichid termometric:
– lichide care nu ud` pere\ii – de exemplu mercur
– lichide care ud` pere\ii – de exemplu lichide organ ice (alcool etilic, pentan
tehnic, toluen). Lichidele organice trebuie colorat e pentru a fi vizibile si a usura
citirea temperaturii.
Lichidele termometrice care uda peretii introduc e rori suplimentare la
scaderea temperaturii. Pe de alta parte, termometre le cu mercur au un rezervor mai
mare deoarece mercurul are un coeficient de dilatar e mai mic comparativ cu alte
lichide. In plus, mercurul este poluant. bulb
lichid
termometric grada\ie
[nveli] de
protec\ie tub capilar Termometrul se pune [n contact cu mediul a
c`rui temperatur` se m`soar`. Li chidul termometric
se dilat` diferit comparativ cu bulbul [n care se afl`.
Dilatarea diferit` a lichidului fa\` de bulb determin`
deplasarea coloanei de lichid [n tubul capilar. Tubul
este etalonat pentru a indica direct valoarea
temperaturii.
Pentru a ob\ ine m`sur`tori corecte, dilatarea
lichidului/ bulbului trebuie s` fie uniform` [n
domeniul de m`surare, iar coloana capilar` de lichid
trebuie s` fie continu`.
(a) (b) (c)
(a) cu tub drept

(b) [nveli] de protec\ie

(c) cu tub [ndoit ]i [nveli]
de protec\ie

M`surarea temperaturii
21
Desupra lichidului termometric, tubul con\ine vid sau un gaz inert sub
presiune (azot sau bioxid de carbon). In ultimul ca z, temperatura de vaporizare a
mercurului este mai mare, ceea ce face s` poat` fi m`surate temperaturi mai mari.

Termometre speciale:

/xrhombus Termometrul cu contact electric

Se utilizeaz` pentru transmiterea valorii m`surate la distan\`, automatiz`ri
simple sau pentru semnalizarea dep`]irii unor limit e. Variante constructive:
/square4 Pentru m`sur` punctual` – verificarea atingerii unor valori limit` (fig. 2 .5-a): Se
introduc capetele unui fir electric [n termometru: un cap`t [n interiorul bulbului
]i al doilea [n tubul capilar, la [n`l\imea corespu nz`toare temperaturii urm`rite
(reglabil`). Atunci c@nd lichidul termometric ating e firul din tubul capilar, se
[nchide circuitul ]i apare un curent electric.
/square4 Pentru m`sur` continu` (fig. 2.5-b): Firul electric traverseaza termometr ul prin
bulb ]i prin tubul capilar, iar capetele lui sunt l egate la o sursa de tensiune
constant`. Rezisten\a firului electric din interior ul termometrului se modific`
odat` cu varia\ia [n`l\imii la care se afl` lichidu l termometric. Temperatura se
ob\ine prin m`surarea intensit`\ii curentului [n ci rcuitul electric.

(a) m`sur` continu` (b) m` sur` punctual`

Fig. 2.5 Termometru cu contact electric

/xrhombus Termometrul Beckmann

Termometrul Beckmann se utilizeaz` pentru m`surare a unor diferen\e mici
de temperatur` cu precizie ridicat` (figura 2.4). C u acest termometru se pot m`sura
diferen\e de temperatur` de max. 5 – 6 șC, dar cu o precizie de o miime de grad.
Citirea temperaturii se face pe scara principal` de m`sur`.

M`surarea m`rimilor neelectrice
22
scara
principal`
de m`sur` rezervor
suplimentar
(gradat)
rezervor
principal

Fig. 2.4 Termometrul Beckmann

/xrhombus Termometrul pentru temperaturi ridicate

Este asem`n`tor termometrului clasic, cu urm`toare le excep\ii: este
confec\ionat din cuar\ [n loc de sticl`, iar [n spa \iul de deasupra lichidului
termometric se face vid sau se introduce un gaz ine rt sub presiune (pentru a cre]te
temperatura de vaporizare a lichidului manometric).

Avantaje ]i limit`ri:

/square4 construc\ie simpl`
/square4 cost redus
/square4 scal` de m`sur` liniar`
/square4 aparat stabil, chiar ]i dup` cicluri de m`surare re petate
/square4 nu depinde de o surs` de curent electric
/square4 iner\ie termic` ridicat` (nu poate fi utilizat pent ru m`sur`tori rapide)
/square4 temperatura se determin` prin citire vizual` (intro duce o eroare subiectiv`)
/square4 temperatura se m`soar` local; este greu de [nregist rat ]i de transmis la distan\`
(pentru transmiterea la distan\` se utilizeaz` term ometre cu contact electric)
/square4 valoarea m`surat` este influen\at` de: temperatura ]i presiunea mediului.

2.2.2. Termometrul manometric (manotermometrul)

Principiul de func\ionare:

Termometrul manometric (manotermometrul) se bazeaz ` pe varia\ia
presiunii unui fluid [n func\ie de temperatur`, pen tru un volum constant. Aparatul
este de fapt un manometru a c`rui scar` este gradat ` [n valori de temperatur`.

Rezervorul suplimentar permite utilizarea
termometrului pentru un domeniu mai mare de
temperaturi. Acesta este legat printr- un tub U la
cap`tul superior al tubului capilar de mercur , put@nd
prelua o parte d in mercurul din rezervorul principal.
Indica\ia de zero a sc`rii principale este determinat`
de grada\ia la care se afl` mercurul din rezervorul
suplimentar.

M`surarea temperaturii
23

Fig. 2.6. Termometru manometric (manotermometru)

Manotermometrul este format dintr-un sistem [nchis etan] care cuprinde (fig. 2.6):
/circle4 un rezervor (senzorul de temperatur`) cilindic sau filiform (tub elicoidal
sau spiralat cu diametru foarte mic) – figura 2.7-a
/circle4 un tub capilar de leg`tur`, rigid sau flexibil (fig ura 2.7-b), a c`rui lungime
depinde de tipul indica\iei (local` sau la distan\` )
/circle4 un senzor sau un traductor de presiune
/circle4 un aparat indicator.

(a) rezervor (b) tub de l eg`tur`

Fig. 2.7 Variante constructive ale componentelor manotermom etrului

Fluidul de m`sur` poate consta din :
– lichid (mercur, petrol, ap` + alcool etc.),
– amestec bifazic de lichid ]i vapori (vapori satura\i de eter, hidro carburi etc)
– gaz (bioxid de carbon, azot, argon ).
Rezervorul (umplut cu fluid de m`sur`) este adus [ n contact cu mediul
m`surat, astfel [nc@t s` ajung` la aceea]i temperat ur` cu acesta. Presiunea din
interiorul termomanometrului depinde de temperatur` . Valoarea m`surat` este
presiunea, aceasta reprezent@nd o m`rime intermedia r` pentru determinarea
temperaturii.

Avantaje ]i limit`ri:

/square4 aparat robust, rezistent la vibra\ii
/square4 senzorul (rezervorul) poate fi montat [n medii cu p resiune ridicat`

cilindric filiform
elicoidal filiform
spiralat

rigid flexibil traductor de
presiune indica\ie de
temperatur`
senzor

M`surarea m`rimilor neelectrice
24
/square4 semnalul poate fi transmis la distan\` f`r` aport d e energie (maximum 100 m, [n
func\ie de lungimea tubului de leg`tur`)
/square4 aparatul dezvolt` for\e elastice importante, ceea c e face s` poat` fi utilizat`
pentru reglaje simple
/square4 se pot ata]a contacte electrice pentru transmitere a valorii m`surate la distan\`
/square4 precizie redus`
/square4 iner\ie mare
/square4 indica\ia este influen\at` de: presiunea ]i tempera tura mediului ambiant,
diferen\a de nivel dintre senzor ]i aparatul indica tor (mai pu\in la aparatele cu
gaz, datorit` densit`\ii reduse a acestuia)
/square4 aparatul are o eroare sistematic` care cre]te [n ti mp, datorit` deforma\iilor
permanente ale rezervorului.

2.2.3. Termometrul bazat pe dilatarea metalelor

Pentru m`surarea temperaturii se folose]te proprie tatea metalelor potrivit
c`reia volumul cre]te odat` cu temperatura. Varia\i a de volum este diferit` pentru
fiecare material [n parte ]i depinde de coeficientu l de dilatare al acestuia.

2.2.3.1. Termometrul cu tij`

Termometrul cu tij` se bazeaz` pe alungirea diferi t` a dou` materiale cu
coeficien\i de dilatare diferi\i, [n func\ie de tem peratur`.
Corpul termometrului este compus dintr-o \eav` me talic` [nchis` la un
cap`t. In interior se afl` o tij` fixat` de fundul \evii (figura 2.8).
|eava exterioar` este realizat` dintr-un metal care are un coeficient de
dilatare mare, iar tija interioar` dintr-un materia l cu coeficient de dilatare mic.

Fig 2.8Termometru cu tije
sistem de transmisie ]i
amplificare a mi]c`rii \eav` metalic` exterioar`

tij` interioar`
T1 T 2 > T 1

M`surarea temperaturii
25
metal cu coeficient
de dilatare mare metal cu coeficient
de dilatare mic Odat` cu cre]terea temperaturii, extremitatea liber ` a tijei se deplaseaz`
diferit fa\` de extremitatea liber` a \evii. Cap`tu l \evii se deplaseaz` mai mult dec@t
cap`tul tijei, diferen\a de alungire dintre cele do u` componente fiind [ns` destul de
mic` (pentru o \eav` de aprox. 25 cm, tija central` se deplaseaz` cu maximum 2-4
mm). Diferen\a de dilatare este amplificat` printr- un sistem de p@rghii ]i apoi
transformat` dintr-o mi]care liniar` [ntr-o mi]care circular`.
De regul`, \eava exterioar` se construie]te din al iaje cu coeficient de
dilatare c@t mai mare: aluminiu (t < 200 șC), alam` (t < 250 șC), aliaj de crom ]i
nichel (t < 900 șC). Tija interioar` se construie]t e dintr-un material cu coeficient de
dilatare c@t mai redus. In func\ie de nivelul de te mperaturi m`surat, aceasta se face
din: aliaj de o\el cu nichel, invar (aliaj de fier cu nichel), cuar\, por\elan.

Avantaje ]i limit`ri:

/square4 timp de reac\ie redus (deoarece schimbul de c`ldur` este activ)
/square4 for\` mare de pozi\ionare a acului indicator
/square4 nu depinde de o surs` de curent electric
/square4 se m`soar` o temperatur` medie, dat fiind c` senzor ul este lung
/square4 eroare mare de m`sur` (datorit` valorilor mici ale deplas`rii)
/square4 poate fi utilizat pentru automatiz`ri simple ]i sem nalizarea la distan\` a unor
temperaturi limit` (datorit` vitezei mari de reac\i e ]i for\ei create)
/square4 [n timp apare o deformare permanent` a metalului (c re]te eroarea de m`sur`).
2.2.3.2. Termometrul cu bimetal

Folose]te dilatarea liniar` a dou` metale diferite , unite [ntre ele (figura 2.9).

Fig 2.9 Termometru cu bimetal

Datorit` coeficien\ilor de dilatare diferi\i, meta lele au o dilatare diferit`
atunci c@nd sunt [nc`lzite. Ansamblul lor (bimetalu l) se curbeaz` [n direc\ia
metalului care are un coeficient de dilatare mai mi c. Curbarea bimetalului este cu
at@t mai mare cu c@t acesta este mai lung ]i mai su b\ire.
Bimetalului poate avea mai multe forme: drept (fig. 2.10-a), [n form` de U
(fig. 2.10-b), elicoidal (fig. 2.10-c) sau spiralat (fig. 2.10-d). Indiferent de forma
sa, poate fi utilizat pentru m`sura continu` sau pu nctual` a temperaturii (verificarea
de valori limit`).

M`surarea m`rimilor neelectrice
26
Combina\ia de metale cea mai potrivit` este cea di ntre alam` ]i invar (aliaj
de 64% fier cu 36% nichel). Pentru temperaturi ridi cate (< 600 șC), bimetalul se
fabric` din dou` aliaje inoxidabile (de ex. aliaj de Fe, Cu, Ni ]i o\el invar).

Fig. 2.10 Termometre bimetalice – variante constructive

Avantaje ]i limit`ri:

/square4 produce o deplasare mai mare dec@t termometrul cu t ije (sensibilitate crescut`)
/square4 nu depinde de o surs` de curent electric
/square4 timp de r`spuns redus (deoarece schimbul de c`ldur` este activ)
/square4 for\a creat` poate fi utilizat` pentru automatiz`ri simple ]i semnalizarea la
distan\` a unor temperaturi limit`
/square4 se m`soar` o temperatur` medie (senzorul este lung)
/square4 [n timp apare o deformare permanent` a metalului (c re]te eroarea de m`sur`).

2.3. Termometre electrice

Principiul de func\ionare se bazeaz` pe modificare a unei caracteristici
electrice [n func\ie de temperatur`: rezisten\a ele ctric` (prin varia\ia rezisten\ei cu
temperatura) sau tensiunea electromotoare generat` (pe baza efectului Seebeck).

(c) elicoidal (d) spiralat

(a) drept (b) [n form` de U

M`surarea temperaturii
27
2.3.1. Termometrul cu rezisten\` metalic` (termo rezisten\a)

Termometrul (fig. 2.11) cuprinde:
– un senzor de temperatur`: un fir metalic care are p roprietatea c` rezisten\a sa
electric` cre]te/ scade odat` cu cre]terea/ sc`dere a temperaturii
– un circuit electric: m`soar` valoarea rezisten\ei ( de obicei cu un circuit punte).

Fig. 2.11 Schema de m`sur` a termorezisten\ei

2.3.1.1. Senzorul de temperatur`

Variante constructive:

/xrhombus Senzorul de temperatur` cu s@rm` bobinat` – figura 2.12

Fig. 2.12 Senzor cu s@rm` bobinat`

Rezisten\a const` dntr-un fir metalic lung ]i sub\ire, bobina t [n spiral` pe
un suport dintr-un material izolator. Acest fir est e introdus [ntr-un tub izolator.
Suportul izolator pe care este bobinat` s@rma se face din mic` sau d in
sticl`. Sticla de tip Pyrex are un coeficient de di latare apropiat de cel al platinei ]i
de aceea este utilizat` preferen\ial.
Tubul izolator, de obicei din sticl` (tip Pyrex), reprezint` un [n veli] etan]
cu rolul de a preveni un scurt-circuit. Tubul trebu ie s` aibe acela]i coeficient de
dilatare cu rezisten\a metalic`, astfel [nc@t tensi unile mecanice ce apar datorit`
dilat`rii s` fie minime. Aceste tensiuni mecanice p rovoac` contrac\ii reziduale
ireversibile care produc un fenomen de histerezis ] i introduc erori de m`sur`.
Cablul exterior const` dintr-o s@rm` mai groas` la care este conec tat`
rezisten\a. Cele dou` fire (s@rma bobinat` ]i cablu l exterior) trebuie s` fie executate
din materiale compatibile, astfel [nc@t s` nu gener eze tensiuni termice care s`
introduc` erori de m`sur`.

CCiirrccuuiitt
eelleeccttrriicc SSeennzzoorr
tteemmppeerraattuurr„ IInnddiiccaa\\iiee//
ttrraannssmmiissiiee
cablu
exterior s@rm` bobinat`
tub izolator
izolator suport izolator

M`surarea m`rimilor neelectrice
28
/xrhombus Senzorul de temperatur` cu arc – figura 2.13

Fig. 2.13 Senzor cu arc

Rezisten\a este de forma unui arc din s@rm` de pla tin`, asem`n`tor
filamentului unui bec. Arcul este introdus [n ni]te canale cilindrice practicate [ntr-
un tub izolator din ceramic` (de obicei oxid de alu miniu). Canalele sunt umplute cu
o pudr` ceramic` foarte fin` (tot din oxid de alumi niu).
Arcul se poate dilata ]i contracta liber, av@nd [n acela]i timp ]i un contact
termic bun cu procesul. Lipsa dilata\iilor rezidual e duce la stabilitate crescut`
pentru cicluri termice repetate ]i la absen\a fenom enului de histerezis.

/xrhombus Senzorul de temperatur` cu straturi sub\iri – figura 2.14

Fig. 2.14 Senzor cu straturi sub\iri

Rezisten\a senzorului const` dintr-un strat metali c foarte sub\ire (de ordinul
micronilor), fixat pe un suport izolator. Suportul izolator se alege astfel [nc@t s`
aibe un coeficient de dilatare c@t mai apropiat de cel al metalului. Pentru platin` se
utilizeaz` de obicei oxid de aluminiu . Ansamblul este protejat cu un [nveli] din
epoxy, silicon, ceramic` sau sticl`.
Avantajele acestui tip de senzor de temperatur` su nt: pre\ redus, timp de
r`spuns scurt, valori mari ale rezisten\ei (500 – 1 000 Ω) ]i dimensiuni mici ale
aparatului. Dezavantajul const` [n stabilitate redu s` a senzorului ]i posibilitatea
confec\ion`rii rezisten\ei acestuia numai din plati n`.

suport izolator cablu exterior
strat metalic
s@rm` bobinat`
cablu
exterior pudr` ceramic`
tub izolator (ceramic`) capac din ceramic`

M`surarea temperaturii
29
sigiliu
cablu de leg`tur`
teaca de protec\ie Protec\ia exterioar` :

Senzorul se protejeaz` de ac\iunea exterioar` a me diului prin introducerea
[ntr-o teac` metalic` (figura 2.15).

Fig. 2.15 Protec\ia exterioar` a senzorului cu rezisten\` me talic`

Teaca de protec\ie are rolul de a proteja termometrul de ac\iunea gaz ului/
lichidului a c`rui temperatur` o m`soar`. Aceasta s e face din metale cu rezisten\`
mare la coroziune ]i iner\ie termic` mic` (iau repe de temperatura mediului): o\el
inoxidabil, o\el carbon sau inconel (aliaj de niche l – fier – crom).
Pulberea dintre tubul izolator ]i teaca metalic` are rolul de a intensifica
schimbul de c`ldur` ]i de a proteja senzorul [mpotr iva ]ocurilor ]i a vibra\iilor. De
obicei se folose]te oxid de aluminiu sau de magnezi u.
Sigiliul [nchide teaca metalic` la cap`tul dinspre cablul ex terior. Acesta se
face de obicei din epoxy, dar poate fi ]i din cimen t ceramic sau silicon.

Materiale utilizate pentru construc\ia rezisten\ei electrice: metale pure sau
aliaje de metale – care [ndeplinesc urm`toarele condi\ii:
– rezistivitate c@t mai mare
– acelea]i propriet`\i [n tot domeniul de temperatu r`
– rezisten\` la coroziune
– stabilitate [ntr-un interval de temperatur` anume
– rezisten\` la cicluri repetate de temperatur`
– caracteristic` rezisten\` – temperatur` reproduct ibil`
– reac\ioneaz` rapid la modific`rile de temperatur`
– pot fi utilizate pentru fabricarea de s@rme foart e sub\iri
– ieftine.
Sunt pu\ine metale care satisfac toate aceste condi \ii. Uzual se utilizeaz`:
platin`, nichel, cupru sau aliaje de metale (nichel /fier etc.)
Datorit` propriet`\ilor sale, platina este materia lul cel mai des utilizat
pentru fabricarea senzorilor de temperatur`. In sta ndardul ITS-90, termometrul cu
rezisten\` din platin` este ales pentru definirea s c`rii de temperatur` [ntre punctul
triplu al hidrogenului (-259,3467 șC) ]i punctul de [nghe\ al argintului (961,78 șC).
Pentru caracterizarea metalului din care este fabr icat` rezisten\a, se
utilizeaz` un coeficient de temperatur`, notat α. Acesta este definit ca fiind panta
dreptei ce leag` punctele ce dau rezisten\ele la 0 șC ]i 100 șC :

M`surarea m`rimilor neelectrice
30

00 100
100 RR R−=α [Ω/Ω/șC ] (2.5)

unde:100 R, 0R – rezisten\a la temperatura de 100 șC , respectiv 0 șC [Ω]

Avantaje ]i limit`ri:

/square4 dintre senzorii utiliza\i [n industrie, este unul d in cei cu precizia cea mai ridicat`
/square4 temperatura poate fi exprimat` sub forma unui semna l electric, u]or de
[nregistrat ]i de transmis la distan\`
/square4 are liniaritate bun` a rela\iei dintre rezisten\` ] i temperatur`, ceea ce simplific`
transformarea valorii de tensiune [n valoare de tem peratur`
/square4 domeniu de m`sur` destul de larg
/square4 relativ stabil pe termen lung
/square4 scump
/square4 necesit` surs` de curent
/square4 varia\ie destul de mic` a rezisten\ei electrice cu temperatura
/square4 valoarea absolut` a rezisten\ei este destul de mic`
/square4 fiind un aparat de tip rezistiv, se auto[nc`lze]te. De]i curentul ce trece prin
senzor este foarte mic, el produce o [nc`lzire supl imentar`, care modific`
valoarea rezisten\ei ]i introduce astfel o eroare d e m`sur`.

2.3.1.2. Scheme electrice asociate

In func\ie de precizia dorit`, exist` mai multe sc heme de m`sur`: prin
metoda pun\ii Wheatstone (cu 2, 3 sau 4 fire) sau p rin metoda Kelvin.

Schema cu dou` fire (metoda pun\ii Wheatstone) – figura 2.16 – a:

Pentru a evita expunerea rezisten\elor pun\ii la ac eea]i temperatur` cu
rezisten\a-senzor, aceasta din urm` este separat` p rin fire de leg`tur`. Aceste fire
au ]i ele rezisten\ele lor proprii ( L1, L 2), care se [nseriaz` cu rezisten\a–senzor.

Schema cu dou` fire reprezint` cea mai simpl` sche m`, dar are
dezavantajul c` introduce erori atunci c@nd se util izeaz` fire lungi de leg`tur`.

Atunci c@nd puntea este echilibrat`:

2 1 3 LL R RT ++ = (2.6) mA

M`surarea temperaturii
31
Eroarea sistematic` care apare datorit` rezisten\ei firelor de leg`tur` se elimin` prin
utilizarea unei scheme cu mai multe fire.

Schema cu trei fire (metoda pun\ii Wheatstone) – figura 2.16 – b:

Este schema cel mai des utilizat` [n aplica\iile i ndustriale. Dou` dintre fire
sunt legate pe o parte a rezisten\ei-senzor, iar al treilea pe cealalt` parte a ei.
Dac` L 1= L3, atunci c@nd puntea este echilibrat`:

1 3 3 L R L RT+ = + ⇒ TR R=3 (2.7)

In aceast` variant`, se elimin` influen\a rezisten \elor de linie, dar
persist` influen\a datorat` rezisten\elor de contact .

Fig 2.16 Scheme de m`sur` a termorezisten\ei prin metoda pun \ii Wheatstone

Schema cu patru fire (metoda Kelvin) – figura 2.17:

Schema cu patru fire este cea mai precis`, fiind u tilizat` mai mult [n
aplica\iile de laborator dec@t [n cele industriale. Aceasta se ob\ine prin legarea a
c@te dou` fire de fiecare parte a rezisten\ei–senzo r.
Printr-un generator de curent se introduce [n rezi sten\a-senzor RT un curent
constant ]i stabil IS, prin firele L1 ]i L4. Deoarece rezisten\a voltmetrului este mult
mai mare comparativ cu RT, curentul prin voltmetru este mult mai mic dec@t c el
prin RT ]i poate fi neglijat. C`derea de tensiune m`surat ` [ntre firele L2 ]i L3 este:

T SRI U ⋅ = (2.8)
Din aceasta se ob\ine valoarea RT, neafectat` de rezisten\ele de leg`tur` ]i
de rezisten\ele de contact.

(a) schema cu dou` fire (b) schema cu trei fire
mA mA
Fig 2.17 Scheme de m`sur` a
termorezisten\ei prin metoda
Kelvin cu patru fire

M`surarea m`rimilor neelectrice
32

2.3.2. Termometrul cu rezisten\` din materiale se miconductoare
( termistor )

Termistorul se bazeaz` pe proprietatea materialelo r semiconductoare
(nemetalice) de a-]i modificarea rezisten\a electr ic` [n func\ie de temperatur`.

2.3.2.1. Senzorul de temperatur`

Principiul de func\ionare:

Principiul de func\ionare al termistorului este ac ela]i cu cel al
termometrului cu rezisten\` metalic`, diferen\a con st@nd numai [n materialul din
care este f`cut` rezisten\`: un semiconductor ([n l oc de metal sau aliaj de metale).
In func\ie de semiconductorul utilizat, exist` dou ` tipuri de termistori:
– cu coeficient de temperatur` negativ: rezisten\a scade cu cre]terea temperaturii
– cu coeficient de temperatur` pozitiv: rezisten\a cre]te cu cre]terea temperaturii.
Majoritatea termistorilor sunt de tipul cu coefici ent de temperatur` negativ.
Pentru un domeniu dat de temperaturi, rezisten\a variaz` [n func\ie de
temperatur` dup` o func\ie exponen\ial` definit` pr in coeficientulde temperatur` β:

1 21 1ln
12
T TRR
TT
−



=β (2.9)

[n care: 1T, 2T – temperaturile de referin\` [K]

1TR,
2TR- rezisten\a la 1T, 2T [Ω]

Pentru o temperatur` T rezult` rezisten\a: 


−
⋅ =1
111
TT
T T eR Rβ
(2.10)

Pentru o rezisten\` RT rezult` temperatura:
11ln 11
1T RRT
TT+


=
β (2.11)

Rezisten\a termistorului are valori mai mari dec@t a termorezisten\ei
(aprox. 1000 Ω la temperatura ambiant`). De aceea, termistorul nu necesit`
utilizarea schemei cu 3 sau 4 fire (firele de leg`t ur` introduc o eroare foarte mic`). T1 T 2 K Ω

RT2

R T1 β
Fig.2.18 Caracteristica
termistorului

M`surarea temperaturii
33

Variante constructive:

Construc\ia este aceea]i cu cea a termometrului cu rezisten\` metalic`:

Materialul semiconductor din care se face rezisten \a este un amestec de
oxizi de metal (Ni, Co, Cu, Fe etc) ]i silicon. Tubul izolator se face din: epoxy,
sticl`, ceramic` etc.

2.3.2.2. Scheme electrice asociate

Datorit` faptului c` rezisten\a senzorului are o v aloare mare (aprox. 5 000
Ω) ]i firele de leg`tur` nu influen\eaz` valoarea m` surat`, este suficient` utilizarea
pun\ii Wheatstone sau a unei scheme simple (cu tens iune sau curent constant) –
figura 2.19.

(a) punte Wheatstone (b) schem` tensiune con stant` (c) schem` curent constant

Fig.2.19 Scheme de m`sur` pentru termistor

Avantaje ]i limit`ri:

/square4 cel mai sensibil aparat, dintre cele uzuale (termor ezisten\`, termistor,
termocuplu)
/square4 coeficientul de temperatur` este mai mare dec@t cel al termorezisten\elor
/square4 firele de leg`tur` nu influen\eaz` m`sura (este suf icient` puntea Wheatstone, nu
necesit` o schem` special`)
/square4 dimensiuni foarte mici, deci timp de reac\ie rapid
/square4 domeniul de m`sur` este mai mic dec@t cel al termor ezisten\elor
/square4 aparat fragil (se decalibreaz` u]or atunci c@nd m`s oar` temperaturi ridicate)
/square4 leg`tura dintre rezisten\` ]i temperatur` este pute rnic neliniar` (neliniaritatea se
poate reduce prin combinarea a dou` elemente de ter mistor individuale)
V Rx I mA
Rx U

– cu s@rm` bobinat` – cu arc – cu straturi sub\iri

M`surarea m`rimilor neelectrice
34
/square4 aparat de tip rezistiv. De]i curentul ce trece prin senzor este foarte mic, el
produce o [nc`lzire suplimentar`, introduc@nd astfe l o eroare de m`sur`
/square4 necesit` tensiuni de alimentare mai mari dec@t term orezisten\a.

2.3.3. Termocuplul

Principiul de func\ionare:

Termocuplul este un aparat care converte]te energi a termic` [n energie
electric` pe baza efectului Seebeck.
Efectul Seebeck const` [n apari\ia unei tensiuni electromotoare e atunci
c@nd se leag` la ambele capete dou` fire din metale diferite, iar unul dintre capete
este [nc`lzit. Valoarea tensiunii electromotoare ge nerate (de ordinul mV) depinde
de natura metalelor ]i de diferen\a de temperatur` dintre capetele.
Ca urmare, termocuplul const` din dou` fire din ma teriale conductoare
diferite, unite la unul dintre capete. Acest cap`t este denumit jonc\iune de m`sur`
sau jonc\iune cald` . Leg`tura capetelor libere ale firelor la circuitu l de m`sur` al
termocuplului se nume]te jonc\iune de referin\` sau jonc\iune rece (figura 2.20).

Fig 2.20 Schem` de principiu a termocuplului

Valoarea for\ei electromotoare produse depinde de temperatura jonc\iunii
de m`sur` ( T), dar ]i de temperatura jonc\iunii de referin\` ( TREF ). Indica\ia de
temperatur` se ob\ine prin m`surarea varia\iei tens iunii produse datorit` modific`rii
temperaturii jonc\iunii calde (cu ajutorul unui cir cuit electric).

2.3.3.1. Senzorul de temperatur` (termocuplul)

Construc\ia termocuplului:

Firele termocuplului sunt [ncastrate [ntr-o teac` de protec\ie metalic` sau
ceramic` (figura 2.21). Aceasta are uzual diametrul [ntre 1 – 6,3 mm, dar poate
scade p@n` la 0,4 mm. Cu c@t diametrul este mai mic , cu at@t scade timpul de
reac\ie, dar scade ]i valorea maxim` de temperatur` ce poate fi m`surat`.

jonc\iunea
de m`sur`
(cald`) jonc\iunea
de referin\`
(rece)
Metal A
e12 +

_ Metal B T TREF

M`surarea temperaturii
35
Jonc\iunea nu se afl` [n leg`tur` direct` cu interi orul tecii de protec\ ie,
spa\iul dintre cele dou` fiind ocupat cu materialul de umplere
Avantaj: izola\ie electric` bun`
Dezavantaj: timp de r`spuns mai mare dec@t [n va rianta cu legare la
mas`

Fig. 2.21. Construc\ia termocuplului

In ceea ce prive]te pozi\ia jonc\iunii termocuplu lui [n raport cu
teaca de protec\ie, exist` trei tipuri constructriv e:

/xrhombus Termocuplu cu legare la mas`

/xrhombus Termocuplu cu cap`t izolat

/xrhombus Termocuplu expus

Materiale utilizate:

Performan\ele termocuplului depind de combina\iile de materiale utilizate
pentru fabricarea firelor. Acestea trebuie s` [ndep lineasc` urm`toarele cerin\e: Jonc\iunea este [n afara tecii, expus` direct mediu lui exterior.
Avantaj: are cel mai bun timp de reac\ie la varia\iii de tem peratur`
Dezavantaj: utilizare limitat` numai la medii care nu
sunt corozive ]i care nu se afl` sub presiune (jonc \iunea intr` [n
contact direct cu mediul m`surat).

Jonc\iunea se afl` [n leg`tur` direct` cu interioru l tecii de protec\ie.
Avantaj: se asigur` un transfer de c`ldur` bun de la mediul ext erior
spre teac` ]i termocuplu
Dezavantaj: jonc\iunea nu este izolat` electric fa\ ` de teaca de
protec\ie.
jonc\iunea cald` (de m`sur`) firele termocuplului
material de umplere (pulbere) teac` de protec\ie Intre fi re ]i teaca de
protec\ie se introduce un material
de umplere sub form` de pulbere,
care poate fi:
– de oxid de magneziu (MgO)
– de oxid de siliciu (SiO 2)
– de alumin` (Al 2O3).
Pulberea are rolul de a
[mbun`t`\i transferul de c`ldur` ]i
de a preveni vibra\iil e ce ar putea
deteriora cele dou` fire.

M`surarea m`rimilor neelectrice
36
– s` aibe o varia\ie c@t mai mare ]i c@t mai constant ` a for\ei electromotoare [n
func\ie de temperatur`
– s` se preteze a fi prelucrate sub form` de fire
– s` aibe un punct de topire c@t mai ridicat.
In func\ie de combina\ia de metale utilizate ]i de dimensiuni, exist` patru
tipuri principale de termocupluri: fier – constanta n (J), crom – aluminiu (K), cupru
– constantan (T), crom – constantan (E). Alte mater iale utilizate sunt: crom –
constantan, nichel – nichel crom, nichel – nichel m olibden, tungsten – rhenium,
crom – aur alb, molibden – tungsten etc.
Deoarece aceste metale au un cost ridicat, firele termocuplului se
prelungesc p@n` la jonc\iunea rece cu conductoare de compensare (figura 2.22).

Fig 2.22 Schem` de principiu a termocuplului cu conductoare de compensare

Conductoarele de compensare sunt realizate din met ale sau din aliaje de
metale mai ieftine, echivalente din punct de vedere termic cu firele termocuplului.
Acestea pot fi utilizate p@n` la temperaturi de max imum 200 șC ]i trebuie alese
astfel [nc@t s` nu dea na]tere la tensiuni electrom otoare suplimentare.
Pentru a reduce erorile introduse de jonc\iunile s uplimentare Js, acestea se
introduc [ntr-un bloc izolat termic (un izolator electric ]i termic care asigur` un
transfer de c`ldur` foarte bun [ntre cele dou` jonc \iuni ]i protec\ie fa\` de varia\iile
temperaturii exterioare). In acest fel, jonc\iunile m`soar` aceea]i temperatur` ]i
genereaz` tensiuni electromotoare egale ]i de semn opus, care se anuleaz`.

2.3.3.2. Circuitul termocuplului

M`surarea tensiunii electromotoare produse:

Tensiunea electromotoare produs` prin efect Seebeck este dat` de rela\ia:

T eα= [mV] (2.12)

unde: α – coeficientul Seebeck.

Pentru a m`sura aceast` tensiune, se monteaz` un v oltmetru la capetele
termocuplului. Prin conectarea acestuia, apar dou` jonc\iuni suplimentare ( J3 ]i J4),
care genereaz` la r@ndul lor o tensiune electromoto are dependent` de temperatura jonc\iunea
de m`sur`
(cald`)
jonc\iunea
de referin\`
(rece)
2'
2T T< 2T
1T
conductor de
compensare conductor
termocuplu Js

M`surarea temperaturii
37
din acele puncte (figura 2.23). Introducerea jonc\i unilor suplimentare face ca
tensiunea m`surat` de voltmetru s` depinde de tempe raturile T1, T2 , T3 , T4.

In func\ie de metalele utilizate pentru fire, exis t` dou` situa\ii care pot
apare la jonc\iunea dintre voltmetru ]i termocuplu:

Dac` leg`tura se face [ntre metale identice (de exe mplu Cu – Cu): la
jonc\iunea dintre dou` metale de acela]i tip nu apa re tensiune electromotoare.
Tensiunea [n J3 ]i J4 este nul`, deci nu influen\eaz` valoarea m`surat`:

04 3 = =V V (2.13)

Dac` leg`tura se face [ntre metale diferite (de exe mplu Cu – Fe): [n J3 ]i J4
apar dou` tensiuni electromotoare suplimentare, V3 ]i V4 , corespunz`toare
temperaturilor T3 ]i T4 din acele puncte. Pentru a elimina influen\a jonc\i unilor
de leg`tur`, acestea se introduc [ntr-un bloc izolat termic, ca ]i jonc\iunile
conductoarelor de compensare.

In J3 ]i J4 :

4 3T T= ⇒ 4 3 V V −= (2.14)

Odat` eliminat` influen\a J3 ]i J4 , milivoltmetrul va indica tensiunea:

( )2 1 2 1 TT VVV − = −= α (2.15)

Tensiunea m`surat` de voltmetru depinde de: difere n\a de temperatur`
dintre jonc\iunile J1 ]i J2 : ( T1 – T2), de caracteristicile metalelor utilizate pentru
construc\ia firelor ]i de caracteristicile circuitu lui electric.
J 1
(T 1) J 2
(T 2) J 3 J 4
(T 3) (T 4)
Cu Cu
surs` de
c`ldur` fire din
metale diferite voltmetru
Jonc\iune de
referin\` (rece) Jonc\iune de
m`sur` (cald`)
Fig. 2.23 M`surarea tensiunii produse de termocuplu cu ajuto rul voltmetrului

M`surarea m`rimilor neelectrice
38
In rela\ia de calcul a tensiunii produse, singurel e variabile sunt
temperaturile [n jonc\iunile T1 ]i T2. Pentru a ob\ine o rela\ie de leg`tur` direct`
[ntre temperatura jonc\iunii de m`sur` T1 ]i tensiunea produs` V, trebuie eliminat`
influen\a temperaturii jonc\iunii reci T2.

Corectarea temperaturii jonc\iunii reci:

Pentru corectarea tensiunii [n func\ie de temperat ura jonc\iunii reci exist`
dou` solu\ii:
o solu\ia clasic` : men\inerea jonc\iunii reci la o temperatur` const ant`, cunoscut`,
controlabil` (prin introducerea J2 [ntr-un recipient cu ghea\` care se tope]te)
o solu\ia modern` : m`surarea ]i corectarea temperaturii jonc\iunii r eci prin
compensare electronic`: software sau hardware.

/xrhombus Recipientul cu ghea\`

Temperatura jonc\iunii de referin\` T2 se men\ine la o valoare fix` (de
referin\`), astfel [nc@t varia\ia tensiunii produse s` depind` numai de varia\ia
temperaturii jonc\iunii de m`sur`, T1. Pentru a avea o m`sur` c@t mai precis` (care
se ob\ine av@nd o tensiune c@t mai mare), T2 trebuie s` aibe o valoare c@t mai
sc`zut`.

Fig. 2.24 Circuit cu recipient cu ghea\`

Tensiunea citit` pe voltmetru este:

( ) ( )
( )1 12 1 2 1 2 1
15 .273 0 15 .273 15 .273 15 .273
t tt t TT VVV
α αα α
= −− + == −− + = − = −=
(2.16)

Metoda de m`sur` cu ghea\` este foarte exact` deoa rece temperatura de
0 șC poate fi controlat` foarte bine.

Standardul industrial
impune T2 = 0 șC. Pentru
ob\inerea acestei valori,
jonc\iunea rece se
plaseaz` [ntr-un recipient
umplut cu buc`\i de
ghea\` (figura 2.24).
jonc\iune
cald`
(de m`sur`)
jonc\iune rece
(recipient cu ghea\`) T1
T2 V1
V2 V
+
+ +
–
– –

M`surarea temperaturii
39
T1
T2
jonc\iune
cald`
(de m`sur`)
senzor
temperatur` ajustarea
m`rimii
de ie]ire V jonc\iune
rece /xrhombus Corectarea temperaturii jonc\iunii reci prin compen sare electronic`

Solu\ia modern` nu mai impune p`strarea unei valor i fixe a temperaturii
jonc\iunii reci, ci efectuarea unei corec\ii [n fun c\ie de valoarea ei curent`. Pentru
aceasta se utilizeaz` un circuit electronic ca cel din figura 2.25. Pe l@ng`
temperatura jonc\iunii de m`sur`, se m`soar` ]i tem peratura jonc\iunii de referin\`.
Valoarea temperaturii de referin\` este utilizat` c a factor de corec\ie.

Fig. 2.25 Circuit cu corec\ie de temperatur`

Temperatura de referin\` se m`soar` cu un termisto r, cu o termorezisten\`
sau cu un circuit integrat. Corec\ia [n func\ie de valoarea acesteia se face printr-un
program de calcul (compensare software) sau printr- un circuit electric (compensare
hardware).
Se pune [ntrebarea: de ce este nevoie de termocupl u dac` [n circuit exist`
deja un aparat care m`soar` temperatura ? R`spunsul este legat de avantajele
termocuplului: domeniu de m`sur` mult mai mare, apa rat robust, simplu.

Compensare software: utilizeaz` programul unui calculator pentru a compe nsa
efectul jonc\iunii de referin\`. Cu ajutorul unui m ultimetru digital controlat de
calculator se parcurg urm`toarele etape (fig.2.26):
– se m`soar` temperatura de referin\` (termistor, ter morezisten\`, circuit integrat)
– se converte]te T2 [ntr-o valoare echivalent` de tensiune V2
– se m`soar` tensiunea V
– se afl` tensiunea corespunz`toare termocuplului, pr in sc`derea: 2 1 VV V − =
– cunosc@nd V1, rezult` T1

Fig. 2.26 Compensare software

Avantajele aparatului cu compensare software:
/square4 versatilitate: utilizarea se reduce la conectarea u nei perechi de fire (compensarea
referin\ei ]i conversia de la tensiune la temperatu r` se face prin program) T1

T2
+

– V

M`surarea m`rimilor neelectrice
40
/square4 la o singur` jonc\iune de referin\` se pot lega mai multe termocuple de tipuri
diferite. Singura condi\ie de legare este cunoa]ter ea tipului lor, astfel [nc@t s` se
poat` face [n program modific`rile corespunz`toare.

Singurul dezavantaj al variantei cu compensare sof tware este acela c`
necesit` un timp de calcul suplimentar pentru deter minarea temperaturii de
referin\`. Pentru cre]terea vitezei de calcul se po ate utiliza varianta de compensare
hardware.

Compensare hardware: [n schem` se introduce o surs` de tensiune care s`
anihileze tensiunea jonc\iunii de referin\` (figura 2.27). Compensarea se face
printr-un circuit electric ]i nu printr-un program de calcul, ca [n cazul anterior.

Efectul compens`rii hardware este acela]i cu cel a l recipientului cu ghea\`:
anularea V2. Avantajul compens`rii hardware este acela c` se e fectueaz` o
compensare mai rapid`. Prin eliminarea calculului T2 se economisesc doi pa]i de
calcul: conversia T2 → V2 ]i efectuarea diferen\ei: 2 1 VV V − = . Dezavantajul este
acela c` la o jonc\iune de referin\` se pot lega nu mai termocupluri de acela]i tip.

Transformarea tensiunii electromotoare [n valoare d e temperatur` :

Valoarea tensiunii se m`soar` cu un voltmetru ([n milivol\i). Pentru a
u]ura utilizarea termocuplului, unele voltmetre arat ` direct valoarea
temperaturii (prin gradarea scalei direct in grade s au prin intermediul unui
circuit electronic). Alte aparate au m`rimea de ie]i re indicat` [n milivol\i,
urm@nd ca transformarea [n grade de temperatur` s` se fac` pe baza unor
tabele de coresponden\` date de furnizor.

Avantaje ]i limit`ri:

/square4 aparat ieftin, simplu, robust
/square4 nu necesit` surs` de alimentare (depinde de variant `)
/square4 domeniu mare de m`sur` (< 0 șC … 1000 șC) T1
T2
T1
T2 T1
T2
Fig. 2. 27 Compensare harware

M`surarea temperaturii
41
/square4 varia\ie neliniar` a tensiunii [n fun\ie de tempera tur`
/square4 tensiunea are valori mici, comparabile cu tensiunil e parazite produse la
jonc\iunea firelor cu aparatul de m`sur` (necesit` compensare)
/square4 are nevoie de o referin\` de temperatur`
/square4 stabilitate foarte mic`, sensibilitate sc`zut`.

2.3.4. Diode, tranzistori ]i circuite integrate

Diodele, tranzistorii ]i circuitele integrate fac parte din categoria aparatelor
care utilizeaz` ca element de baz` jonc\iunea p-n ( elemente semiconductoare).
Jonc\iunea p-n este format` din dou` elemente semic onductoare, dintre care unul
este dopat cu particule de tip n, iar cel`lalt cu particule de tip p. Intre cele dou`
elemente apare o tensiune electromotoare a c`rei v aloare depinde de temperatur`.
Materialele semiconductoare utilizate sunt:
– pentru diode : siliciu (cel mai des), germaniu (mai rar) sau ars eniur` de galiu
– pentru tranzistori : siliciu
Pentru elementele semiconductoare, rela\ia de vari a\ie a tensiunii
electromotoare [n func\ie de temperatur` este linia r` ]i are o pant` mai mare
comparativ cu termocuplul (figura 2.30-b).
Metoda de m`surare bazat` pe jonc\iuni p–n este ut ilizat` pentru m`surarea
temperaturii microprocesoarelor. In figura 2.30 se arat` cum se poate utiliza o
diod` pentru ob\inerea unui senzor de temperatur` f oarte ieftin.

(a) schema de m`sur` (b) varia\ia tensiune – t emperatur`

Fig. 2.30 Senzor de temperatur` cu diod`

Avantaje ]i limit`ri:

/square4 varia\ia tensiunii electromotoare [n func\ie de tem peratur` este liniar` ]i mare
/square4 circuitul de m`sur` utilizeaz` componente ce au un pre\ relativ sc`zut
/square4 exist` abateri considerabile [ntre elemente de acel a]i tip, ceea ce face necesar` o
calibrare individual` (fapt care le cre]te pre\ul)
/square4 dimensiuni relativ mari ale elementului sensibil: d iametru de 7–10 mm
(comparativ cu termocupul, care poate avea ]i diame tre de 0.4 mm)
/square4 nu poate m`sura punctual temperatura (datorit` dime nsiunilor mai mari). Pentru o valoare
constant` de curent de
polarizare de 12 V/10 k Ω
(fig.2.30- a), c`derea de
tensiune prin dioda de
siliciu este de aproximativ
–2 mV/șC (fig.2.30-b). ΩΩ ΩΩ

M`surarea m`rimilor neelectrice
42
2.4. Repere de temperatur`

Reperele de temperatur` sunt constituite din difer ite materiale care []i
modific` o proprietate fizico-chimic` [n func\ie de temperatur`. Propriet`\ile fizico-
chimice folosite sunt: punctul de topire, culoarea, luminiscen\a.
Reperele de temperatur` au urm`toarele caracterist ici:
/square4 se utilizeaz` pentru verificarea [ncadr`rii [n anum ite limite de temperatur`
/square4 m`sur`torile au caracter subiectiv
/square4 au precizie de m`sur` mic` (aproximativ ± 5 șC)
/square4 timp de r`spuns ridicat (de ordinul minutelor)
/square4 sunt de unic` folosin\` (schimbarea de stare este i reversibil`) – cu excep\ia celor
cu cristale lichide.

2.4.1. Repere de temperatur` bazate pe punctul de topire

In func\ie de compozi\ia chimic`, metalele ]i alia jele metalice au puncte de
topire diferite. Pentru m`surarea temperaturii se u tilizeaz` ni]te corpuri (sub form`
de conuri, bare, pastile, inele) realizate din mate riale cu puncte de topire diferite.
Acestea se introduc [n mediul a c`rui temperatur` s e m`soar`. Temperatura se
apreciaz` [n func\ie de starea ]i forma materialulu i (figura 2.31). Metoda se
utilizeaz` pentru m`surarea temperaturilor foarte r idicate (100 – 2000 șC).

Fig. 2.31 Repere bazate pe punctul de topire al materialelor – conuri Seger

2.4.2. Repere de temperatur` bazate pe schimbar ea culorii

Metoda folose]te diferi\i compu]i chimici (sub for m` de etichete, tablete,
vopsele etc.), care au proprietatea de a-]i schimba culoarea la o anumit`
temperatur`. Materialele folosite sunt sub form` de etichete, tablete, creioane,
lacuri, vopsele, chituri epoxidice. Domeniul de tem peratur` este [ntre 40 … 650 șC.
Tipuri de substan\e utilizate:
/boxshadowdwn monotermocromatice : care au o singur` schimbare de culoare, brusc`
/boxshadowdwn multitermocromatice : care au schimbare repetat` a culorii, virarea de la o nuan\`
la alta f`c@ndu-se brusc la temperaturi fixe
/boxshadowdwn termocromatice continuu : la care culoarea se modific` continuu cu temperat ura

2.4.3. Repere de temperatur` bazate pe modificar ea luminiscen\ei

Metoda utilizeaz` tablete cu cristale lichide, car e []i schimb` intensitatea
luminoas` la o anumit` temperatur`.

M`surarea temperaturii
43
2.5. Termometre de radia\ie

2.5.1. No\iuni privind radia\ia termic`

Toate corpurile aflate la o temperatur` mai mare de 0 K emit energie
termic`. Cu c@t temperatura lor este mai ridicat`, cu at@t cantitatea de energie
termic` emis` este mai mare. Folosind aceast` propr ietate, temperatura se poate
determina prin m`surarea energiei emise.
Aparatele care determin` temperatura corpurilor pe baza energiei termice
radiate se numesc termometre de radia\ie sau pirometre (pyro = foc [n grece]te).
Ini\ial, cele dou` denumiri nu au avut aceea]i sem nifica\ie. Primele
termometre bazate pe radia\ia termic`, denumite pir ometre, puteau m`sura numai
temperatura corpurilor incandescente (la care radia \ia este vizibil` ochiului uman).
Termometrele de radia\ie de ast`zi pot m`sura tempe ratura oric`rui corp, nu numai
a celor incandescente. Astfel, pirometrele reprezin t` o subclas` a termometrelor de
radia\ie. Cu toate acestea, [n prezent termenilor d e pirometru sau termometru de
radia\ie li se atribuie aceea]i semnifica\ie: un ap arat care intercepteaz` ]i evalueaz`
radia\ia termic` a corpurilor, f`r` a intra [n cont act direct cu acestea.
Radia\ia termic` poate fi definit` [n dou` modalit `\i: ca und`
electromagnetic` (tradi\ional) sau ca flux de foton i (prin mecanica cuantic`).
Conform descrierii tradi\ionale utilizate [n trans ferul de c`ldur`, radia\ia
termic` este emis` de pe suprafa\a unui corp sub fo rm` de unde electromagnetice.
Unda electromagnetic` con\ine dou` unde, una electr ic` ]i una magnetic`,
perpendiculare [ntre ele ]i perpendiculare pe direc \ia de deplasare, fiind definit`
prin:

Din [ntreg spectrul electromagnetic (care cuprind e totalitatea undelor
electromagnetice, av@nd toate lungimile de und` pos ibile – figura 2.32), radia\ia
termic` ocup` domeniul cu lungimi de und` [ntre 0,1 – 1000 µm, adic`: o parte din
domeniul ultraviolet (UV), domeniul vizibil (VIS) ] i domeniul infraro]u (IR).
Pentru m`sur`torile de temperatur` uzuale se utiliz eaz` numai o parte din domeniul
ocupat de radia\ia infraro]ie (IR): cu λ [ntre 0,7 – 20 µm.

Fig. 2.32 Spectrul electromagnetic
λ
und`
magnetic`
und`
electric` – frecven\a oscila\iilor : ν
– lungimea de und` : νλc=(distan\a dintre
dou` creste consecutive ale unei unde)

[n care: c-viteza luminii
lungime
de und`, λ
raze gama raze X UV microunde unde radio
unde scurte unde
lungi VIS IR

M`surarea m`rimilor neelectrice
44
Conform principiului cuantic a lui Plank, energia este emis` sau absorbit`
discret. Astfel, emisia de energie de pe suprafa\a unui corp se face sub forma unor
pachete de energie, denumite cuante sau fotoni.
In func\ie de domeniul studiat, comportamentul cu antei este apropiat celui
al corpurilor din mecanica newtonian` sau al undelo r. In cazul radia\iei termice,
cuanta poate fi asociat` unei unde.
Indiferent dac` radia\ia termic` este privit` ca o und` electromagnetic` sau
ca un flux de fotoni, ecua\iile ce o descriu sunt a sem`n`toare.

2.5.1.1. Comportamentul radia\iei termice fa\` d e corpuri

Radia\ia termic` I (descris` ca und` electromagnetic` sau ca foton) po ate
fi absorbit` ( A), reflectat` ( R) sau transmis` ( T) de corpuri (fig.2.33). Din radia\ia
absorbit` de corp, o parte este reflectat` intern ] i o parte este re-emis` ( E).

Fig. 2.33 Radia\ia termic`

La echilibru termodinamic, [ntreaga energie absorb it` este re-emis`
(radiat`) de corp (dac` nu ar fi a]a, corpurile s-a r [nc`lzi sau s-ar r`ci, deci nu ar
mai avea temeratura constant` – condi\ia de echilib ru termodinamic). Avem:

εα= unde: ε – factor de emisie (emisivitate) (2.19)

adic`
ετρ ++=1 , indiferent de lungimea de und` (2.20)

Valoarile factorilor ρ, τ, α, ε depind de lungimea de und` ]i de
caracteristicile suprafe\ei corpului.

Cazuri particulare ale rela\iei 2.20:
• Pentru corpul negru: 0 ;1 == = ρτ ε
• Pentru corpurile lucioase (reflect` [ntreaga radia\ ie): 0 ;1 == = ετ ρ
• Pentru corpurile transparente fa\` de radia\ie: 0 ;1 == = ρε τ
• Pentru corpurile opace la radia\ie: 1 ;0 =+ = ερ τ I R
T
E A corp
I I I ATRI ⋅+⋅+⋅=++= α τ ρ
unde: (2.17)
ρ – factor de reflexie
τ – factor de transmisie
α – factor de absorb\ie

Rezult`:
ατρ ++=1 (2.18)

M`surarea temperaturii
45
Pentru caracterizarea corpurilor din punct de ved ere al comportamentului
fa\` de radia\ia termic` se define]te un factor adi mensional, denumit:

Emisivitate: raportul dintre energia radiat` de un obiect oarec are ]i energia
radiat` de corpul negru, la aceea]i temperatur`:

0EE=ε (2.21)

Corpul negru (conceput de Kirchhoff) are proprietatea c` nu ref lect` ]i nu
transmite radia\ia termic`. Acesta absoarbe ]i re-e mite [ntreaga radia\ie, indiferent
de lungimea de und` ]i de direc\ia acesteia. De ace ea, emisivitatea corpului negru
are valoare unitar`:

10
0 00 0
= == =
ε ατ ρ
(2.22)

In natur` nu se cunoa]te existen\a vreunui corp ne gru; acesta fiind utilizat
numai pentru efectuarea de calcule teoretice. Cea m ai apropiat` realizare practic`
este o cavitate opac`, sferic`, cu o mic` intrare t ubular` – a c`rei suprafa\`
interioar` are factorul de emisie ε = 0,998 (fig.2.34).
Toate corpurile din lumea [nconjur`toare au o emis ivitate cuprins` [ntre 0
]i 1. Valoarea este subunitar` deoarece corpurile n u absorb [ntreaga energie, o parte
din aceasta fiind reflectat` ]i/ sau transmis`.
Emisivitatea depinde de mai mul\i factori:
– lungimea de und`
– temperatur`
– unghiul de observare
– forma, materialul din care este confec\ionat corpul
– starea suprafe\ei (cu c@t este mai lucios, cu at@t reflect` mai mult radia\ia).
De aceea, la m`surarea temperaturii trebuie f`cut e corec\ii [n func\ie de
valoarea emisivit`\ii. Exemplu: un corp cu ε = 0.5 (care radiaz` 50% din energia
corpului negru) va p`rea mai rece dec@t un corp cu ε = 0.8 (care radiaz` 80% din
energia corpului negru).

2.5.1.2. Comportamentul radia\iei termice fa\` d e atmosfer`

Pentru radia\ia termic`, atmosfera reprezint` un a lt corp, interpus [ntre
obiectul analizat ]i instrumentul de m`sur`.
Ca orice corp, atmosfera este ]i ea caracterizat` prin factori de reflexie,
transmisie, absorb\ie ]i emisie proprii – ce depind de lungimea de und` ]i de 11
(a) teoretic (b) practic

Fig.2.34. Corp negru

M`surarea m`rimilor neelectrice
46

λI
λIcompozi\ia atmosferei. Astfel, exist` anumite benzi spectrale, [n care radia\ia este
absorbit` diferit (mai mult sau mai pu\in).
Pentru a avea o pierdere de energie minim` la tran smisia prin mediul
ambiant, spectrul infraro]u utilizat pentru detecta rea radia\iilor (0,7 – 20 µm) este la
r@ndul s`u [mp`r\it [n anumite zone atmosferice, la care absorb\ia este minim`:
0,7 – 1,3 ; 1,4 – 1,8 ; 2,0 – 2.5 ; 3 ,2 – 4,3 ; 4,8 – 5,3 ; 8 – 14 µm.

2.5.1.3. Comportamentul radia\iei termice la var ia\ia temperaturii

Cu c@t cre]te temperatura:

cre]te energia emis` de corp – conform legii lui Stephan Boltzmann:

4T W σ= [W/m 2/s] (2.23)

unde: 810 672 . 5−⋅ =σ W/m 2/K 4 – constanta Stephan Boltzmann
T – temperatura absolut` [K].

cre]te intensitatea radia\iei (= energia radiat` [n unitatea de suprafa\` ]i de
timp) – conform legii lui Plank ]i a defini\iei em isivit`\ii:

1
5 2 01 2−
−



− =⋅ =KT hc
e hc I Iλ
λ λ λ πε ε [erg s -1 cm -3] (2.24)

unde: 0
λI – intensitatea radia\iei corpului negru [erg s -1 cm -3]
34 10 626 . 6−⋅ =h Js – constanta lui Planck
810 9979 . 2 ⋅ =c m/s – viteza luminii
λ – lungimea de und`
23 10 381 . 1−⋅ =K J/K – constanta lui Boltzmann

scade lungimea de und` corespunz`toare intensit`\ii maxime – conform legii
lui Wien:
T2897 . 0
max = λ (2.25)

La temperaturi foarte ridicate, distribu\ ia
spectral` se poate extinde [n spectrul vizibil, cul oarea
modific@ndu-se de la ro]u spre alb.
λ I

M`surarea temperaturii
47
2.5.1.4. Comportamentul radia\iei termice la temp eratur` constant`

Pentru o temperatur` constant`:

intensitatea radia\iei variaz` [n func\ie de lungim ea de und` ]i de emisivitate –
conform legii lui Plank ]i a defini\iei emisivit`\ ii

lungimea de und` corespunz`toare intensit`\ii maxim e depinde de temperatur` –
conform legii lui Wien.

2.5.2. Componentele termometrului de radia\ie

Principalele elemente componente ale unui termomet ru de radia\ie sunt
(figura 2.35):
o Sistemul optic : care focalizeaz` energia emis` de obiect asupra d etectorului de
radia\ie
o Detectorul de radia\ie : un sistem sensibil la radia\ii, care genereaz` un semnal
electric propor\ional cu energia absorbit`
o Sistemul electronic : pentru ajustarea ]i corectarea semnalului
o Fibre optice (numai la termometrul de radia\ie cu fibre optice): pentru
transmisia semnalului.

Fig. 2.35 Componentele termometrului de radia\ie

2.5.2.1. Sistemul optic

Sistemul optic focalizeaz` radia\ia asupra detecto rului. Focalizarea se poate
face cu ajutorul unor lentile sau a unei oglinzi (f igura 2.36).

Pentru a avea o m`sur`toare corect`, trebuie ca im aginea corpului m`surat
(focalizat` de lentil`) s` acopere complet detector ul (s` umple [ntreg c@mpul vizual
al acestuia – pentru a nu m`sura ]i alte energii). Aceasta se ob\ine printr-o orientare
corect` a aparatului.

Corp
m`surat Sistem optic Detector Sistem
electronic

M`surarea m`rimilor neelectrice
48
jonc\iune
rece
jonc\iune
cald`
zon` de captare
a energiei IR

Fig. 2.36 Variante de sisteme optice

2.5.2.2. Detectorul de radia\ie

Exista dou` tipuri principale de detectoare de radi atie:
1. Bazate pe legile transferului de c`ldur`:
– detectoare termice
2. Bazate pe teoria cuantic`:
– detectoare cuantice
– detectoare cu fibr`optic`

/xrhombus Detector de radia\ie IR termic

Detectorul termic este format din mai multe termoc upluri (50–200) a]ezate
radial, legate [n serie ]i amplasate la o distan\` c@t mai mic` unul fa\` de cel`lalt
(1–2 mm) – figura 2.37.

Fig. 2.37 Detector de radia\ie IR cu termocuplu
lentile detector
oglind`
detector
lentile
detector oglind`
(reflect` energia
IR ]i transmite
energia vizual`)

M`surarea temperaturii
49
Jonc\iunile calde (de m`sur`) sunt expuse radia\ie i incidente, iar jonc\iunile
reci (de referin\`) sunt izolate [n interiorul apar atului (la temperatura ambiant`).
Prin absorb\ia energiei, jonc\iunile calde se [nc` lzesc. Astfel, fiecare
termocuplu genereaz` o tensiune electromotoare prop or\ional` cu energia absorbit`
(deci cu temperatura). Semnalul de ie]ire al detect orului este dat de suma
tensiunilor generate de fiecare termocuplu [n parte .
Detectoarele termice sunt cele mai des utilizate. Acestea sunt cel mai pu\in
influen\ate de lungimea de und`, dar au o vitez` de reac\ie ceva mai mic` (de
ordinul secundelor), deoarece jonc\iunile trebuie s ` ajung` la echilibru termic cu
obiectul m`surat.

/xrhombus Detector de radia\ie IR cuantic

Detectorul cuantic este format din cristale semico nductoare (PbS, PbSe,
HgCdTe) dopate cu particule de tipul n sau p. Princ ipiul de m`sur` se bazeaz` pe
dependen\a dintre conductivitatea electric` a crist alului semiconductor ]i
temperatur`.
Pe fotoconductor se aplic` o tensiune polarizat` ] i se m`soar` curentul prin
circuit (figura 2.38).

Fig. 2.38 Detector de radia\ie IR cuantic (cu fotoconductori )

In absen\a radia\iei, prin circuit trece un curent rezidual . Cu c@t cre]te
temperatura, scade energia necesar` ca fotonii s` f ie absorbi\i de cristal, iar
lungimea de und` a fotonilor absorbi\i cre]te.
Fotonii absorbi\i creeaz` perechi libere “electron + gol”, care au ca efect
cre]terea curentului. Astfel, radia\ia IR este sesi zat` ca o cre]tere de curent.
Valoarea curentului total este cu at@t mai mare cu c@t temperatura este mai ridicat`.
Cre]terea de curent datorat` varia\iei temperaturi i se ob\ine dac` se scade
din curentul total valoarea curentului rezidual.

/xrhombus Detector de radia\ie cu fibr` optic`

Utilizarea fibrelor optice reprezint` cel mai rece nt progres din domeniul
termometrelor f`r` contact.
foton foton

M`surarea m`rimilor neelectrice
50
Fibra optic` (fig.2.39-a) const` dintr-un miez fle xibil din sticl` ce conduce
lumina. Acesta este [nconjurat de un strat de prote c\ie sub\ire din sticl` cu
coeficient de refrac\ie mic. Diametrul unei fibre o ptice este foarte mic, de ordinul
µm. Termometrul de radia\ie cu fibre optice utilizea z` c@teva sute de fibre optice,
incluse [ntr-o teac` de protec\ie (metalic` sau nu) .

(a)

(b)

Fig. 2.39 Detector de radia\ie cu fibr` optic`

La cap`tul de m`sur` al fibrei optice se afl` un cristal semiconductor
(detectorul IR). Acesta are proprietatea c` absoarb e energia cu lungimi de und` mai
mici dec@t o anumit` valoare (denumit` prag de abso rb\ie) ]i transmite energia cu
lungimi de und` peste acest prag. Valoarea pragului de absorb\ie (m`rime
cunoscuta) cre]te cu temperatura (figura 2.39-b).
Prin fibra optic` se trimite c`tre cristalul semic onductor un semnal
luminos. In func\ie de temperatur`, o parte din lum in` este absorbit` de cristal ]i o
parte este transmis` ]i apoi reflectat` de oglind` . Lungimea de und` maxim` a
undei reflectate reprezint` pragul de absorb\ie. Di n valoarea acestuia se determin`
temperatura.

2.5.2.3. Sistemul electronic

Sistemul electronic modific` semnalul de ie]ire al detectorului. Acesta cuprinde:
– circuitul de liniarizare ]i amplificare
– circuitul de compensare a temperaturii mediului amb iant , astfel [nc@t s` nu
afecteze semnalul de ie]ire λ T
↑ Energie
absorbit` Energie
transmis`
Fibr`
optic` Teac` de
protec\ie
Oglind` dielectric` Surs`
lumin` Cap`t de
m`sur` Cristal
semiconductor
(GaAs)

M`surarea temperaturii
51
– circuitul de ajustare a emisivit`\ii , astfel [nc@t caracteristicile corpului
m`surat s` se potriveasc` la calibrarea aparatului .

Pentru sistemul electronic (ca ]i [n alte cazuri), tendin\a este de a se renun\a
la electronica analogic` [n favoarea sistemelor cu microprocesor. Semnalul de
ie]ire al senzorului este digitizat, toate calculel e legate de corec\ii, compens`ri etc.
fiind f`cute cu ajutorul unui microprocesor.

2.5.3. Procedee de m`sur` a temperaturii

2.5.3.1. Termometru de radia\ie total` (cu band` larg`)

Termometrul de radia\ie total` (fig.2.40) concentr eaz` asupra detectorului
[ntreaga radia\ie emis` de corpul m`surat ([ntre o lungime de und` minim` ]i
maxim`). Acesta este cel mai simplu, dar ]i cel mai ieftin termometru de radia\ie.
Termometrul de radia\ie trotal` se utilizeaz` pentr u m`surarea temperaturilor
ridicate din spa\ii [nchise (care se comport` aprop iat corpurilor negre), de exemplu
din focarul cazanelor de abur.

Fig. 2.40 Termometru de radia\ie total`

2.5.3.2. Termometru de radia\ie monocromatic`
(cu band` [ngust`, cu o culoare)

Termometrul de radia\ie monocromatic` m`soar` inte nsitatea radia\iei
termice emise de corpuri [ntr-o band` foarte [ngust ` de lungimi de und` ( ≅ 1 µm).

Nevoia utiliz`rii unei benzi spectrale c@t mai [ng uste rezult` din necesitatea
elimin`rii interferen\elor mediului intermediar (at mosferic sau altul), sau din
necesitatea m`sur`rii temperaturii unor medii care sunt transparente pentru o gam`
surs` de
c`ldur` detector amplificator
linearizare
ajustare ε semnal ie]ire
Pentru re\inerea radia\iei dintr- o band` foarte [ngust` de
lungimi de und` se utilizeaz` filtre selective . Acestea
reprezint` unul dintre cele mai importante progrese ale
termometriei [n infraro]u: permit alegerea [ntre m ai multe
benzi ([nguste) de lungimi de und`.

M`surarea m`rimilor neelectrice
52
larg` a radia\iei IR (gazele sau alte substan\e ). De asemenea, precizia unui senzor
cu domeniu spectral [ngust este mai pu\in afectat` de modific`rile de emisivitate
ale obiectului m`surat.
Alegerea benzii utilizate se face [n func\ie de do meniul de temperaturi ]i de
tipul materialului a c`rui temperatur` se m`soar`. Aplica\iile care nu necesit`
modificarea benzii de lungimi de und` utilizeaz` de obicei λ = 0,7 µm. Motiva\ia
utiliz`rii celei mai mici lungimi de und` din IR es te legat` de faptul c` emisivitatea
corpurilor este mai mare pentru lungimi de und` mai mici.
Bazat pe aceea]i motiva\ie, primele aparate cu rad ia\ie monocromatic`
comparau intensitatea radia\iei corpului m`surat cu intensitatea radia\iei produs` de
o surs` de referin\` (un filament). Radia\ia monocr omatic` emis` de sursa de
referin\` corespunde culorii ro]ii din domeniul viz ibil (lungimea de und` de 0,65
µm) ]i se ob\ine prin intercalarea unui filtru ro]u [n calea radia\iilor.
Compararea intensit`\ilor celor dou` radia\ii se p oate face [n dou`
modalit`\i:
– prin modificarea intensit`\ii radia\iei sursei de r eferin\` (prin modificarea
tensiunii filamentului)
– prin atenuarea intensit`\ii radia\iei incidente (pr intr-un filtru cenu]iu
progresiv).

Pirometrele moderne utilizeaz` schema din figura 2 .35, la care se adaug`
un filtru selectiv pentru re\inerea lungimii de und ` dorite din radia\ia IR (fig. 2.41).

Fig. 2.41 Termometru de radia\ie monocromatic`

Dezavantajul pirometrelor monocromatice este a cela c` pot introduce erori prin:
– obiectele care nu acoper` [ntreg c@mpul vizual al d etectorului
– absorb\ia radia\iei [ntre corpul m`surat ]i detecto r (obstruc\ii pe traseu)
– varia\ia emisivit`\ii [n func\ie de temperatur` (ca zul majorit`\ii metalelor, a
siliconului, ceramicii monocristaline etc.)
In aceste situa\ii, se recomand` pirometrele de ra port (cu dou` sau mai
multe culori).

detector amplificare,
liniarizare,
ajustare ε
etc.
filtru selectiv surs`
de
c`ldur` lentil`
indica\ie

M`surarea temperaturii
53
2.5.3.3. Termometru de radia\ie cu raport
(cu dou` sau mai multe culori)

Pirometrul cu dou` sau mai multe culori se utilize az` pentru eliminarea
influen\ei emisivit`\ii (care este variabil` cu tem peratura). Principiul de m`sur`
este acela]i cu cel al pirometrului monocromatic, d ar [n locul m`sur`rii energiei
emise [ntr-o singur` lungime de und` se face raport ul energiei IR emise de corp la
dou` (sau mai multe) lungimi de und` diferite.
Fasciculul de radia\ie este focalizat de lentil` a supra unui colimator (figura
2.42). Separatorul de fascicul desparte fasciculul [n dou` fascicule cu lungimi de
und` diferite. Valorile de ie]ire ale celor dou` de tectoare sunt raportate.

Prin acest procedeu, orice schimbare ap`rut` [n ce ea ce prive]te
propriet`\ile de emisie ale materialului sau ale tr aseului este perceput` identic de
cele dou` detectoare. Astfel, raportul celor dou` m `rimi de ie]ire este influen\at
doar de varia\ia temperaturii.
Metoda elimin` erorile determinate de: obiectele c are nu acoper` [ntreg
c@mpul vizual al detectorului, prezen\a obstruc\iil or de pe traseu (gaze, vapori de
ap`, praf, al\i aerosoli) sau de modificarea emisiv it`\ii cu temperatura.
In schimb, pot apare erori datorate:
– modific`rii diferite a emisivit`\ii cu temperatura pentru cele dou` λ
– particolelor de pe traseu care au acelea]i dimensi uni cu λ m`surat`.
De aceea, [n astfel de cazuri se utilizeaz` pirome tre bazate pe mai multe
lungimi de und` (denumite pirometre multispectrale) .

2.5.3. 4. Termoviziunea

Termoviziunea reprezint` un procedeu de televiziun e sensibil la radia\iile
infraro]ii. Prin aceast` tehnic` se permite cunoa]t erea reparti\iei spa\iale ]i a
evolu\iei temporale a temperaturii unui obiect.
Semnalele ob\inute sunt prelucrate electronic, ob\ in@ndu-se o termogram`
(figura 2.43-b). Aceasta poate avea diferite forme:
separator
de fascicol
λλ λλ2 λλ λλ1 I1 / I2
colimator Surs` de
c`ldur` Lentile : focalizeaz`
energia emis` de corp
Fig. 2.42 Termometru de radia\ie cu raport

M`surarea m`rimilor neelectrice
54
– imagine alb negru sau colorat`, av@nd clasele de te mperatur` marcate diferit.
(cu num`rul de grade dintr-o clas` de temperatur` p redefinit de utilizator)
– imagine care con\ine izotermele.
–

(a) camer` de luat imagini termice (b) termogram`

(c) imagine bloc [n spectrul vizibil (b) imagine bloc [n spectrul IR (termogram`)

Fig. 2.43 Termoviziunea

2.6. Montarea termometrelor

2.6.1. Montarea termometrelor cu contact

La montarea termometrelor de contact trebuie avut [n vedere c`:
– majoritatea senzorilor m`soar` temperatura punctifo rm (introduc erori [n cazul
[n care se m`soar` temperatura unui mediu neomogen termic)
– se pot introduce erori de m`sur` datorate transferu lui de c`ldur` cu mediul
exterior ]i aportului de c`ldur` prin efect Joule (dac` este cazul).
Pentru ca o m`sur`toare s` fie corect`, trebuie [n deplinite urm`toarele
condi\ii:
/square4 elementul sensibil s` fie corect amplasat [n c@mpul de temperaturi

M`surarea temperaturii
55
/square4 s` se asigure un schimb de c`ldur` c@t mai bun [ntr e mediul m`surat ]i senzor
/square4 schimb de c`ldur` minim [ntre senzor ]i alte corpur i dec@t cel m`surat
/square4 s` nu existe perturba\ii ale c@mpului termic [n jur ul aparatului
/square4 s` se men\in` condi\iile [n care a fost f`cut` etal onarea aparatului.

2.6.1.1. M`surarea temperaturii fluidelor

Teaca de protec\ie:

Pentru a proteja senzorul de temperatur` [mpotriva ac\iunii chimice ]i a
solicit`rilor mecanice provenite din mediul m`surat , acesta se introduce [ntr-o teac`
de protec\ie. Teaca de protec\ie trebuie s` [ndepli neasc` urm`toarele condi\ii:
• s` nu devieze c@mpul termic
• s` aibe diametru c@t mai apropiat de cel al senzoru lui
• s` aibe grosime c@t mai mic` (aprox. 1 mm)
• s` aibe ad@ncime de cufundare c@t mai mare (de 6 – 8 ori diametrul)
• s` fie confec\ionat` dintr-un material adecvat medi ului ]i temperaturilor
m`surate (s` reziste la solicit`ri mecanice, chimic e, de presiune, temperatur`)
• s` reziste la solicit`ri prin vibra\ii (pentru teci le mai lungi de 25 cm).

Pentru intensificarea schimbului de c`ldur`, [ntre senzorul de temperatur`
]i teaca de protec\ie se introduce un material de umplere (naftalin`, amestec de
azotat de sodiu ]i potasiu, ulei mineral, mercur, c ositor etc.). Materialului de
umplere trebuie:
– s` umple numai partea inferioar` a tecii de protec\ ie (dac` se introduce prea
mult` umplutur`, apar erori de m`sur` datorate devi erii fluxului termic – ca ]i [n
cazul pere\ilor prea gro]i)
– s` nu vaporizeze [n domeniul de temperaturi al senz orului (dac` vaporizeaz`,
senzorul m`soar` temperatura de vaporizare a materi alului de umplere)
– s` nu fie aderent
– senzorul s` nu pluteasc` deasupra materialului de u mplere.

Intr-o conduct`, teaca de protec\ie se monteaz`:

/square4 oblic (figura 2.44 – a):
– pentru m`surarea temperaturii [n conducte de diamet ru mic ([n condi\iile [n
care trebuie respectat` condi\ia referitoare la ad@ ncimea de imersie).

/square4 [n cot (figura 2.44 – b):
– pentru m`surarea temperaturii medii: datorit` turbu len\elor de curgere
ap`rute, distribu\ia de temperaturi [n sec\iunea c onductei se uniformizeaz`
– pentru m`surarea temperaturii gazelor ]i aburului. In acest caz, se utilizeaz`
o teac` de protec\ie cu aripioare, pentru intensifi carea schimbul de c`ldur`
(prin m`rirea suprafe\ei de schimb de c`ldur`).

M`surarea m`rimilor neelectrice
56
/square4 [n centru (figura 2.44 – c):
– pentru m`surarea temperaturii maxime (conform distr ibu\iei de temperaturi
din sec\iunea conductei, temperatura maxim` este [n axul conductei).
Montarea tecii [n lungul izotermelor are avantajul c` nu deviaz` fluxul.

(a) oblic (b) [n cot (c) [n centru

Fig. 2.44 Montarea tecii de protec\ie [n conducte

2.6.1.2. M`surarea temperaturii la suprafa\a ]i [n interiorul
corpurilor solide

M`surarea temperaturii corpurilor solide este [ngr eunat` datorit`:
– pierderilor de c`ldur` prin conduc\ie ]i convec\ie de la suprafa\a corpurilor
solide spre mediul [nconjur`tor
– aportului de temperatur` prin efect Joule, [n cazul firelor electrice parcurse de
curent.
Condi\iile care trebuie [ndeplinite pentru a efect ua o m`sur`toare corect`
cu termocuplul (fig. 2.45) sunt:
• s` aibe un contact c@t mai bun cu suprafa\a m`surat `: v@rful termocuplului se
sudeaz` pe o pl`cu\` metalic` sub\ire ]i cu conduct ibilitate termic` bun` (cupru)
– [n acest fel se realizeaz` un contact mai bun ]i se cre]te suprafa\a de schimb de
c`ldur`
• pl`cu\a trebuie bine izolat` de mediul exterior – p entru a nu m`sura temperatura
acestuia [n loc de cea a corpului
• conductorii termocuplului trebuie s` parcurg` o dis tan\` paralel cu suprafa\a
m`surat` (aprox. 10 cm) – nu trebuie s` fie perpend iculari pe suprafa\` (pentru a
nu se disipa c`ldur` prin ei).

gre]it corect gre]it corect

(a) la suprafa\a corpului (b) [n interiorul corpului

Fig. 2.45 M`surarea temperaturii cu termocuplul
T

M`surarea temperaturii
57

2.6.2. Montarea termometrelor f`r` contact

Termometrele f`r` contact pot fi portabile sau fix e.
Pentru termometrele portabile nu se pune problema existen\ei unor condi\ii
de montare, ci numai a respect`rii cerin\elor legat e de o m`sur`toare corect`
([ncadrarea corect` a obiectului m`surat, evitarea prelu`rii radia\iilor provenite de
la alte corpuri etc.)
Pentru termometrele a c`ror amplasare este fix`, v ariantele de montare ]i
accesoriile utilizate sunt prezentate schematic [n:
– figura 2.46 – pentru termometrele IR standard
– figura 2.47 – pentru termometrele IR cu fibre optic e.

Fig. 2.46 Montarea termometrelor de radia\ie standard

MEDIU OSTIL
LABORATOR
tub de vizare dispozitiv de
insuflare aer
fereastr`
cu flan]` c`ma]e de
protec\ie
capac de
[nchidere
plac` de
montare
flan]` r`cit`
cu ap` suport termometru IR

M`surarea m`rimilor neelectrice
58

Fig. 2.47 Montarea termometrelor de radia\ie cu fibre optice

Varianta de montare adoptat` ]i acesoriile utilizat e se aleg [n func\ie de
mediul m`surat ]i a celui tranzitat, de condi\iile specifice [n care se face
m`sur`toarea.

Accesorii pentru montarea termometrelor de radia\ie :

/xrhombus Plac` de montare – pentru fixarea ansamblului la locul de montaj. Plac a de
montare poate fi:
• nereglabil`: cu unghi de vizare fix
• reglabil`: permite reglarea unghiului de vizare al aparatului.

/xrhombus Tub de vizare – pentru asigurarea unei atmosfere c@t mai curate [n c@mpul de
vizare al aparatului (f`r` impurit`\i care duc la e rori de m`sur`).Tubul de
vizare poate fi:
• deschis la cap`t: utilizat pentru vizarea corpurilor solide prin pra f, fum etc
• [nchis la cap`t: utilizat pentru m`surarea temperaturii fluidelor.

/xrhombus Dispozitiv pentru insuflare de aer (de la un compresor sau ventilator), pentru:
• p`strarea c@t mai curat` a lentilelor aparatului (s e evit` depunerea de
condens, praf sau alte particule pe lentile, care c onduc la erori de m`sur`)
• dispersarea fumului din unghiul de vizare al aparat ului.
MEDIU OSTIL

LABORATOR
tub de vizare cu
dispozitiv de
insuflare aer termometru IR
cu fibre optice
plac` de
montare
suport
dispozitiv de fixare

M`surarea temperaturii
59

/xrhombus Fereastr` cu flan]` – pentru alinierea tubului de vizare ]i a dispoziti vului de
insuflare de aer la corpul optic al aparatului.

/xrhombus C`ma]e de protec\ie – pentru protejarea aparatului din punct de vedere :
• mecanic: prin construc\ia c`m`]ii din materiale rezistente la coroziune
• termic: prin r`cirea c`m`]ii cu ap` sau aer (dac` este caz ul).

/xrhombus Capac de [nchidere – pentru a asigura protec\ia p`r\ii din spate a apa ratului.
Capacul de [nchidere este prev`zut cu un conector, care s` u]ureze montarea.

/xrhombus Dispozitiv de fixare – pentru a fixa aparatul [n locul de utilizare. Exi st` mai
multe tipuri de dispozitive de fixare:
• fixe : nu permit rotirea aparatului
• mobile: permit rotirea aparatului

/xrhombus Filtru optic – pentru alegerea lungimii de und` (la pirometrul c u una sau cu
dou` culori).

/xrhombus Suport – pentru montarea aparatului (atunci c@nd nu este n ecesar` o c`ma]e
de protec\ie).