Sistem de Monitorizare a Temperaturii In Interiorul Unei Matrite

Sistem de Monitorizare a Temperaturii In Interiorul Unei Matrite

Byadmin ianuarie 1, 2024

SISTEM DE MONITORIZARE A TEMPERATURII ÎN INTERIORUL UNEI MATRIȚE

Introducere

Sistemul de monitorizare a temperaturii din interiorul unei matrițe, care face obiectul prezentului proiect de licență, se referă la monitorizarea modului de fabricație a pieselor compozite pe bază de rășini termorigide care sunt formate în matrițe de injectare. Matrițele utilizate la fabricația pieselor compozite pot fi metalice sau după caz pot fi executate din materiale ceramice sau chiar compozite.

În interiorul matriței, ulterior momentului injectării rășinii are loc o reacție exotermă de polimerizare care culminează cu atingerea unui prag numit "maxim exotermic", de la care are loc o scădere progresivă și rapidă a temperaturii. Acest maxim de temperatură este specific fiecărui timp de material în parte și atingerea lui semnifică de fapt momentul în care a avut loc procesul de gelifiere și apoi de întărire a materialului injectat. De aceea cunoașterea momentului când se atinge acest prag este foarte important pentru procesul de fabricație a piesei compozite.

Pentru monitorizarea temperaturii din matrițe a fost realizat un sistem de măsurare a temperaturii folosind în acest scop elemente și componente electronice uzuale, accesibile cum este cazul diodelor semiconductoare. Pentru a asigura o mai mare universalitate și o productivitate ridicată, aparatul de măsurare a temperaturii a fost proiectat astfel încât să asigure monitorizarea temperaturii la patru matrițe simultan. Pentru a lărgi modul de citire a temperaturii din interiorul unei matrițe, aparatul proiectat a fost realizat astfel încât să asigure atât o afișare analogă cât și una digitală a temperaturii.

După realizarea aparatului în ceea ce privește partea lui electronică, s-a trecut la etalonarea senzorului de temperatură prin utilizarea în acest scop a unei incinte prevăzute cu rezistențe electrice de încălzire, temperatura din interiorul incintei putând fi măsurată prin intermediul unui termometru cu mercur. Senzorul de temperatură a fost introdus în incintă, alături de termometru, după care au fost cuplate rezistențele de încălzire, urmărindu-se concomitent variația temperaturii și a răspunsului electric al senzorului. S-a ridicat astfel, caracteristica de dependență a temperaturii senzorului, de curentul produs de diodă. S-a trasat astfel diagrama de etalonare a senzorului, ceea ce a permis apoi interpretarea rezultatelor finale ale variației temperaturii în interiorul matriței.

Lucrarea are următoarea componență:

parte teoretică, în care sunt prezentate materialele compozite și modul de formare a pieselor din aceste tipuri de materiale;

modalități de măsurare a temperaturii pe cale electrică;

proiectarea schemei electronice;

verificarea practică a senzorului de temperatură și trasarea diagramei de etalonare;

măsurători de temperatură cu standul proiectat;

rezultatele obținute și concluziile.

1.1. MATERIALELE COMPOZITE

Aplicațiile materialelor compozite sub forma pieselor realizate prin procedeul RTM acoperă în prezent cele mai diverse domenii de la aeronautică la construcția de autovehicule și de la echipamentele industriale la articolele de larg consum.

În aeronautică, compozitele sunt utilizate sub formă de matrice polimerică, de regulă rășină epoxidică, armată cu fibre de carbon, aramidă și sticlă.

Pe scară mare sunt utilizate compozitele pentru amenajarea cabinelor interioare ale pasagerilor, deoarece pe lângă proprietățile mecanice ridicate, acestea trebuie să fie și rezistente la foc și să nu emită gaze toxice sau fum.

Dar domeniul cel mai important din punct de vedere al consumului de compozite, este domeniul aviației militare. Întreaga structură de rezistență a unor elicoptere militare de ultimă generație este realizată din materiale compozite.

Din asemenea materiale se fabrică palete de turbine pentru motoarele cu reacție, cât și alte piese ce lucrează la temperaturi ridicate, cum ar fi carcasele de motoare pentru rachete. Utilizarea compozitelor în construcțiile navale poate fi regăsită la construcția părții submersibile a vapoarelor și a carcaselor de submarine.

Compozitele sunt utilizate cu mult succes la realizarea conductelor și a prăjinilor de foraj marin unde rezistă la presiuni ridicate și la efectele coroziunii apei marine, înlocuind oțelurile aliate.

Noțiunea de material compozit nu este nouă. Materialele compozite se găsesc în natură sub diferite forme: lemnul, este constituit din fibre legate între ele prin lignină, osul, este constituit la periferie dintr-un țesut compact având la interior măduva, întreg ansamblul fiind învelit la exterior de o membrană fibroelastică bogată în elemente celulare, vase sanguine și nervi. În ambele cazuri fibrele sunt constituenții care dau rezistența mecanică, celelalte elemente fiind fragile sau cu rezistența scăzută.

În anii '80 au fost realizate materiale compozite, numite "de generația a doua" sau de „înaltă performanță”, care prezintă o serie de proprietăți deosebite:

masă volumică redusă ( 2 kg/dm3 față de 7-8 kg/dm3 la oțel);

rezistență la tracțiune sporită;

coeficient de dilatare foarte mic în raport cu metalele;

rezistență la șoc și abraziune;

durabilitate ridicată;

capacitate mare de amortizare a vibrațiilor;

siguranță mai mare în funcționare (ruperea unui material compozit nu se face brusc ca la metale);

consum energetic scăzut pentru producere (pentru obținerea polietilenei se consumă 25 Kcal/cm3 în timp ce la oțel valoarea este de 160 Kcal/cm3);

rezistență extrem de ridicată la acțiunea factorilor atmosferici (oxidare, coroziune, mucegai);

stabilitate chimică ridicată;

rezistență mare la temperaturi ridicate și la medii agresive (acizi, baze etc.).

Definirea și clasificarea materialelor compozite

Un material compozit este un material compus în principal dintr-un material de bază (matrice) în care se găsește încorporat, într-o anumită dispunere, un material de armare care îi conferă ansamblului caracteristici superioare față de materialul de bază.

Este deci de reținut că prin combinarea celor două componente principale, matricea și respectiv armătura, ansamblul dobândește calități mecanice superioare fiecărui component luat separat.

Clasificarea materialelor compozite se poate face ținând seama de diferite criterii specifice. O clasificare generală ar cuprinde următoarele grupe:

Structura materialelor compozite

Materialele compozite se compun în principal dintr-un material de bază, un material de armare și eventual unele materiale auxiliare, matricea asigurând înglobarea materialului de armare. Fiecare component al noului material rezultat asigură realizare și îmbunătățirea unor caracteristici mecanice sau de altă natură. Astfel, matricea asigură păstrarea poziției inițiale a materialului de armare permițând transmiterea solicitărilor exterioare și influențând astfel rezistența la compresiune, iar materialul de armare influențează rezistența la tracțiune.

Matricea leagă între ele materialele de armare, repartizează eforturile, preia solicitările de compresiune și încovoiere și protejează structura împotriva agenților fizico-chimici. Materialele de armare sunt cele care asigură rezistența mecanică, preluând eforturile la tracțiune și constituie scheletul structurii realizate. Legătura dintre materialul de armare și matrice este asigurată prin tratamente speciale care să asigure o interfață optimă, adică o legătură stabilă ce previne deplasarea între elementele componente. Această coeziune este facilitată de existența unui număr cât mai mare de microporozități pe suprafețele materialului de armare.

Pe lângă elementele de bază, un material compozit are în structura sa și unele materiale auxiliare care au rolul de a asigura unele proprietăți speciale, sau de a reduce prețul, sau de a asigura o accelerare a polimerizării materialului de bază. Acești agenți auxiliari sunt într-o proporție foarte redusă în masa materialului compozit.

Materiale pentru matrice

În prezent sunt utilizate în practica industrială trei tipuri de matrice: organice, minerale și metalice.

Matricea organică este realizată din două mari familii de materiale plastice:

rășinile termorigide, adică materialele plastice care în timpul formării suferă o reacție chimică de polimerizare, reacție ireversibilă rezultând copuri rigide insolubile și infuzibile. Din această categorie fac parte rășinile poliesterice nesaturate, cele epoxidice, melaminice, fenolice, furanice și siliconice;

rășinile termoplastice, adică acele rășini care se înmoaie atunci când sunt încălzite și se solidifică la răcire, procesul putând fi repetat ori de câte ori este necesar, fără ca materialul să sufere modificări chimice. Din această categorie fac parte rășinile vinilice, acrilice, poliamidele, poliimidele, policarbonații, polipropilena etc.

Materiale de armare

Armarea polimerilor se poate face cu fibre folosite ca atare sau sub formă de țesături, împletituri sau împâslituri, dar și cu particule macroscopice și microscopice în formă de microsfere, fulgi etc.

Armarea polimerilor se face cu fibre continue (lungi), cu fibre discontinue (scurte) și cu filamente monocristaline (whiskers). Fibrele lungi conferă compozitului cele mai bune caracteristici mecanice, dar prezintă anumite dificultăți de prelucrare, față de fibrele scurte care dau proprietăți inferioare față de cele lungi datorită raportului nefavorabil lungime / diametru, în schimb prezintă avantaje la prelucrare și posibilitatea orientării privilegiate.

Există multe tipuri de materiale de armare dintre ele cele mai utilizate sunt: fibrele de stică, fibrele de carbon, fibrele aramidice și aliajele de titan.

În general fibrele se obțin sub formă de mănunchiuri de filamente continue, care pot fi folosite ca atare, tăiate la lungimi standardizate sau prelucrate prin operații textile sub formă de materiale nețesute sau sub formă de țesături și împletituri bi și tridimensionale, sau chiar împletituri 4D, neimpregnate sau impregnate.

Materialele nețesute se prezintă sub formă de împâslituri (mat), fiind executate din fibre tocate sau continue, orientate întâmplător și aglomerate mecanic din țesături care sunt executate cu un anumit număr de noduri pe centimetrul pătrat și cu un anumit aspect (model) al suprafeței sau sub formă de împletituri care pot fi realizate prin împletirea a două sau mai multe seturi de fibre. În figura de mai jos sunt prezentate principalele modele de țesături și împletituri utilizate la armarea pieselor compozite. Aceste forme asigură o rezistență rațională la eforturile exterioare, eliminând în același timp pericolul delaminării.

În țara noastră la fabrica Firos București au fost realizate diverse tipuri de produse pe bază de fibre de sticlă, respectiv fibre bobinate, mat-uri și țesături cu diverse densități măsurate în grame pe metru pătrat.

Caracteristicile mecanice ale fibrelor de sticlă se înrăutățesc odată cu creșterea temperaturii peste valori de 2500C. Umiditatea influențează negativ rezistența mecanică a fibrei, o umiditate a mediului de 50% putând duce la înjumătățirea ei.

Materiale auxiliare

Pe lângă cele două componente principale, matricea și structura de armare, în structura unui material compozit intră și o serie întreagă de materiale auxiliare care sunt destinate atingerii anumitor caracteristici fizice sau economice.

Pentru realizarea unei piese din material compozit, pe lângă elementele de bază, matricea și structura de armare, sunt folosiți, alături de materialele de umplutură, și o serie întreagă de substanțe cu destinații speciale, pe care le putem denumi, aditivi, fiecare având un rol bine determinat.

Procedee de formare a pieselor compozite din materiale termorigide

Piesele executate din materiale compozite pot fi formate prin câteva procedee tehnologice de bază, ceea ce le diferențiază fiind modul de obținere și gradul de tehnicitate al utilajului. Procedeele cunoscute la ora actuală pentru formarea pieselor compozite din materiale termorigide sunt:

formarea prin contact;

formarea prin proiecție simultană;

formarea cu sac;

formarea prin presare;

formarea prin laminare continuă;

formarea prin transfer;

formarea prin centrifugare;

dintre toate aceste procedee vom prezenta doar metoda de formare prin transfer de rășină, metodă care utilizează matrițe închise.

Formarea prin transfer

Procedeul formării prin transfer de rășină, constă în injectarea sub presiune, a unei matrice polimerice, care va trebui să traverseze un material de armare preformat, dispus în cavitatea unei matrițe închise. Ca material de armare, la acest procedeu, se utilizează fibrele lungi, orientate preferențial (unidirecțional sau multidirecțional), sau aleatoriu, ceea ce conferă piesei finite, înalte calități de rezistență mecanică. În acest caz se folosesc matrițe realizate conform formei și dimensiunii pieselor.

Polimerizarea rășinilor

Rășina este livrată sub formă de soluție în monomer, iar pentru a se preveni gelifierea în timpul depozitării se introduc inhibitori. Procesul de întărire are loc în prezența inițiatorilor la temperatura camerei.

Procesul de polimerizare a rășinii, așa cum rezultă și din diagrama de mai sus, cuprinde mai multe etape: inducția (când se consumă stabilizatorul), gelifierea, întărirea și apoi definitivarea (reacții în stare solidă a rășinii). Atingerea temperaturii de maxim exotermic este de fapt semnalul de începere a răcirii piesei, care va fi în acest moment complet formată și întărită ceea ce va permite desfacerea matriței și recuperarea piesei finite.

Măsurarea electrică a temperaturii

Măsurarea temperaturii pe cale electrică reprezintă o modalitate de vizualizare a unei mărimi neelectrice prin utilizarea unor componente de natură electrică sau electronică.

2.1. Generalități

Măsurarea temperaturii este o problemă legată atât de definirea acestei mărimi cat și de utilizarea unor scări de temperatură adecvate metodelor practice de măsurare.

Prin temperatură empirică (practică) se înțelege un parametru termic care are proprietatea ca într-un sistem izolat format din mai multe corpuri aflate în contact termic, condiția necesară și suficientă de echilibru este ca toate corpurile sa aibă aceeași valoare a temperaturii.

Prin temperatură absolută (termodinamică) se înțelege factorul de proporționalitate al schimbului de energie prin efect termic pentru fiecare corp aparținând unui sistem termodinamic.

Pentru măsurarea temperaturilor se impune definirea unei scări precise cu valori stabile si reproductibile între care să fie stabilite relații de interpolare, care să fie cât mai apropiate de Scara termodinamică de temperatură ce derivă din legile termodinamicii. Prima scară practică de temperatură a fost Scara hidrogenului normal stabilită în anul 1887. Ca urmare a perfecționării metodelor de măsurare și creșterii preciziei, scările practice de temperatură au suferit o serie de modificări; în prezent este valabilă Scara Internatională practică de temperatură din 1968 (SIPT – 68). Dintre elementele SIPT-68 pot fi amintite:

unitatea de temperatură este kelvinul (K) egal cu 1/273,16 din temperatura termodinamică corespunzătoare punctului triplu al apei;

: scara este împărțită în 4 domenii, în funcție de mijloacele de interpolare folosite (de exemplu, domeniul II este cuprins intre 0 °C și 630,74 °C definit de punctul triplu al apei, 0 °C și punctul de solidificare al zincului, relația de interpolare fiind o parabolă de tip Callendar modificată pentru rezistența termometrului standard din platină);

SIPT – 68 are 11 puncte fixe reprezentate de temperaturile pentru care se obține un echilibru între diferite faze ale unor substanțe pure (de exemplu, echilibrul între faza solidă și lichidă etc.).

In activitatea curentă se utilizează o unitate de măsură tolerată – gradul Celsius (°C), care este egal cu kelvinul; relația de corespondență fiind:

T[K] =t[°C]+ 273,15 (1)

In țările anglo-saxone ca unități de măsură a temperaturii se folosesc:, rankin [°R] – ca unitate absoluta, și , respectiv, Fahrenheit [°F] – ca unitate tolerată, cu următoarele relații de transformare:

T [K] = (5/9) Φ; (2)

și

T (0C) = (5/9) (Φ – 491,67)

unde Φ reprezintă temperatura în grade rankin [0 R];

Relația de transformare dintre gradul Celsius și gradul Fahrenheit este:

T[0F]=1,8 T[0C]+32 (3)

Măsurarea electrică a temperaturii prezintă importanță nu numai în ceea ce privește mărimile termice, indirect putând fi folosită la măsurarea debitelor, a presiunilor joase, a valorii efective a tensiunilor și a curenților.

Măsurarea temperaturii în tehnică se face într-o gamă largă de valori, de la zecimi de kelvin până la mii sau zeci de mii de kelvini, măsurările curente fiind situate, de regulă, în intervalul 70 – 4000 K.

Trebuie observat că în majoritatea cazurilor temperatura de măsurat nu este identică cu temperatura măsurată din cauza efectuării unor schimburi de căldură între mediu și traductor. Evaluarea erorii de măsurare se face prin calculul răspunsului traductoarelor de temperatură folosind analogiile electrice.

Dacă se consideră doua corpuri în contact termic, delimitate prin suprafețele S și Sb având temperaturile Ta si Tb, puterea schimbată între cele două corpuri

Pab= d Q /dt

este dată de legea lui Ohm:

(4)

Unde:

Pab este puterea schimbată între cele două corpuri;

Gab este conductanța termică între cele două corpuri;

Ta și Tb este temperaturile celor două corpuri în contact.

Termometria rezistivă

Termorezistoare metalice

O dată cu modificarea temperaturii, din cauza variației energiei interne proprii, materialele suferă o serie de schimbări privind: structura rețelei cristaline, agitația termică etc., care în final conduc la dependența rezistenței de temperatură.

Rezistența electrică apare în primul rând din cauza agitației termice și ea depinde, pentru o temperatură dată, de natura materialului, precum și de prezența impurităților, respectiv a defectelor din rețeaua cristalină, de lungimea și secțiunea materialului; la modificarea temperaturii are loc atât o modificare a mobilității purtătorilor de sarcină, cât și o modificare a dimensiunilor geometrice ale materialului. Prin urmare, variația rezistenței electrice se datorează pe de-o parte modificării rezistivității, iar pe de altă parte modificării dimensiunilor (dilatare). Deoarece coeficientul de variație al rezistivității cu temperatura este la metale cu două ordine de mărime mai mare decât coeficientul de dilatare, ultimul efect este de obicei neglijabil.

Considerând numai mobilitatea electronilor, se poate demonstra că, pentru metale, rezistivitatea este direct proporțională cu temperatura. Din cauza dilatării rețelei și, respectiv, a modificării energiei electronilor, în realitate dependența de temperatură este neliniară, relația de legătură dintre rezistența electricăp și temperatură este dată de relația:

R=R0 [1+αT (T-T0)] (5)

Unde:

αT – este un coeficient de variație a rezistivității. Acest coeficient este mare pentru a obține o sensibilitate cât mai mare;

R0 – rezistența la temperatura inițială (nominală) trebuie să fie mare pentru a putea obține termorezistențe de gabarite cât mai mici și pentru a putea neglija rezistența firelor de legătură;

R{T) =R(To) (1+A.DT+ B.DT2 + C.DT3 + …), (6)

unde R(To) reprezintă valoarea rezistenței la temperatura de referință T0.

Prezența impurităților în metale crește numărul de coliziuni ale electronilor, conducând și la creșterea rezistivității; la temperaturi nu prea înalte, termenul corespunzător rezistivității proprii metalului este comparabil cu termenul corespunzător rezistivității datorat impurităților, ceea ce conduce la scăderea sensibilității. Din acest motiv, la construirea termorezistoarelor metalice se folosesc numai metale cu puritate ridicată.

Criteriile privind alegerea metalelor din care se confecționează termorezistoarele sunt:

rezistivitate mare pentru obținerea unor traductoare de dimensiuni reduse;

coeficient de variație a rezistivității cu temperatura ridicat pentru a avea o sensibilitate ridicata;

o bună liniaritate a caracteristicii de transfer pentru a nu necesita circuite de liniarizare suplimentare;

asigurarea unei purități cat mai ridicate pentru reproductibilitate;

stabilitate în timp și la acțiunea agenților chimici;

prețul de cost cât mai scăzut.

Îndeplinirea simultana a condițiilor de mai sus nu poate fi realizată; în prezent, ca materiale pentru realizarea termorezistoarelor metalice se folosesc: platina, nichelul, cuprul și wolframul.

Dependența rezistenței de temperatură pentru diferite materiale metalice poate fi urmărită pe diagrama din figura de mai jos. Graficele sunt date pentru materialele de tip fier, nichel, cupru și platină.

Se poate remarca aspectul aproape liniar al acestor digrame pentru intervale de temperatură relativ mari, 100-3000C.

Dintre metalele enumerate, platina se apropie cel mai mult de cerințele cerute, cu excepția prețului de cost; platina poate fi realizată cu o puritate de 99,999% – de unde rezultă o bună reproductibilitate, este inactivă chimic și nu prezintă modificări cristaline în timp. Termorezistoarele din platină se folosesc în intervalul de temperatură (-180 °C – +600 °C), eventual extins între -200 si +1000 °C.

Termorezistoarele din platină se folosesc ca etaloane de temperatură în intervalul cuprins între 0 si 600 °C.

Deși prezintă o sensibilitate mai ridicată decât a platinei, nichelul este mai puțin folosit la construcția termorezistoarelor atât din cauza oxidării la temperaturi ridicate, cât și din cauza unei tranziții ce are loc la 350 °C care modifică puternic rezistivitatea.

Termorezistoarele din nichel se folosesc în domeniul -100 °C – +250 °C, principalul lor dezavantaj fiind legat de neliniaritatea pe care o prezintă.

O liniaritate foarte bună și o mare sensibilitate o au termorezistoarele din cupru, însă domeniul lor de măsurare se limitează la intervalul -50°C – +180°C din cauza activității chimice pronunțate; un alt dezavantaj este datorat rezistivității reduse care conduce la gabarite și greutăți mari ale traductorului.

Deși wolframul are o sensibilitate și liniaritate superioară platinei, este relativ puțin folosit la construcția termorezistoarelor, datorită modificărilor pe care le suferă structura cristalină în timp.

Rezistența nominată a termorezistoarelor metalice la 0 °C poate fi 25, 50, 100, 500 sau 1000 Ω, ultimele fiind folosite în special pentru temperaturi joase; pentru a reduce influența conductoarelor de legătură, ele se construiesc în variante cu 3 sau 4 borne de conectare.

Constructiv, termorezistoarele trebuie să asigure protecția la acțiunea agenților exteriori, preluarea rapidă a temperaturii mediului în care sunt introduse, sa nu fie influențate de fenomenele de dilatare și să permită măsurarea atât în curent continuu, cât și în curent alternativ. Forma constructivă cea mai răspândită este prezentată în figura de mai jos. Pe un suport izolator, realizat de obicei din două plăci din mică în formă de cruce, se realizează o înfășurare neinductivă dublu elicoidată (inițial se spiralizează conductorul cu spire de 1 – 2 mm în diametru, după care se înfășoară pe suport câte două spire, începând din vârf, cu mijlocul conductorului). Această construcție nu este afectată de fenomenele de dilatare.

Întreaga înfășurare este introdusă într-un tub de protecție închis la un capăt și terminat la celălalt capăt cu o flanșă de fixare și o cutie în care se găsește blocul bornelor.

Timpul de răspuns al acestor traductoare este de ordinul secundelor în apă și de ordinul zecilor de secunde în aer.

La termorezistoarele din platină firul are diametrul de ordinul zecilor de micrometri și o lungime de câțiva zeci de centimetri; firele de legătură de la termorezistor la blocul de borne sunt din nichel cu diametru mult mai mare pentru ca variația rezistenței acestora cu temperatura să fie neglijabilă.

O altă variantă constructivă se poate realiza prin depunere; astfel, pe o placă din aluminiu oxidată se depune un film din platină, obținându-se un termistor cu o inerție de câteva ori mai mică decât la varianta precedentă, însă și cu o scădere a sensibilității cu circa 50%.

De asemenea, în practică se folosesc sonde termorezistive de suprafață, asemănătoare timbrelor tensometrice, confecționate din nichel sau aliaje din feronichel; inerția lor termică este redusă – de ordinul milisecundelor, însă sunt sensibile și la deformații.

Legarea termistoarelor la circuitele de măsurare se face printr-o linie bifilară sau coaxială cu rezistența totală a conductoarelor de 10 sau 20 Ω (dacă rezistența conductoarelor este mai mică se introduc rezistențe bobinate de egalizare pentru compensarea diferenței).

Circuitele de măsurare pentru termorezistoare sunt circuite specifice pentru măsurarea rezistențelor (eventual a variațiilor de rezistență pentru eliminarea componentei de offset), singura cerință fiind aceea ca valoarea curentului de măsurare să fie sub o valoare impusă (10- 20) mA – pentru ca încălzirea proprie să nu introducă erori importante; uneori, în cadrul circuitelor de măsurare, se folosesc și circuite de liniarizare. Deci nu întotdeauna problema are soluție, liniarizarea urmărește obținerea unui punct de inflexiune în interiorul intervalului de măsurare; pentru aceasta, în serie sau în paralel cu traductorul, având caracteristica neliniară, se conectează un rezistor a cărui valoare este independentă de temperatură.

O largă răspândire în practică o au punțile de rezistențe (Weathstone) care conțin într-unul din brațe un termorezistor; deoarece în majoritatea cazurilor termorezistorul este plasat la o distanță apreciabilă de punte, pentru a reduce influența rezistențelor de linie, el se conectează prin 3 fire. Sunt posibile doua scheme de conectare (vezi figura de mai jos); în ambele cazuri, pentru ca perturbațiile preluate de conductoarele de legătură să fie reduse, este necesar ca firele să fie foarte apropiate între ele, eventual răsucite.

Pentru primul caz – legarea la sursă – tensiunea parazită captată de cel de-al treilea fir se leagă în serie cu sursa, iar rezistența R13 crește rezistența internă a sursei; pentru cel de-al doilea caz – legarea la indicatorul de nul- tensiunea perturbatoare preluată de cel de-al treilea fir și rezistența R13 apar în serie cu tensiunea de dezechilibru și deci cu indicatorul de nul.

Deoarece în majoritatea cazurilor tensiunea perturbatoare este mai mică decât tensiunea de alimentare, dar mai mare decât tensiunea de dezechilibru, se preferă prima schemă și în aceste cazuri R2, se poate dimensiona din considerente de liniaritate optimă.

In cazul în care termorezistorul se conectează numai cu două conductoare, pentru simetria montajului, este bine ca într-un braț adiacent să se introducă o rezistență de compensare, eventual chiar două conductoare identice cu cele de legătura, atât ca formă, cât și ca geometrie, scurtcircuitate la unul dintre capete.

Folosirea punților de curent continuu în regim dezechilibrat, urmate de amplificatoare, ridică o serie de probleme, ca de exemplu:

creșterea factorului de rejecție a modului comun prin alimentarea punții de la două surse de tensiune egale și în opoziție;

micșorarea derivei termice și de nul – cerință ce poate fi realizată prin folosirea amplificatoarelor de instrumentație sau cu modulare – demodulare;

liniarizarea caracteristicii traductoarelor prin folosirea unor scheme electrice/electronice adecvate (de exemplu, pentru un termorezistor din platină ce măsoară în intervalul (0 – 600) °C, valoarea rezistenței este cuprinsă între 100 și 300 Ω, iar abaterea de la caracteristica liniară, calibrată pentru capetele intervalului de măsurare este de aproximativ 13 °C).

In multe situații, schemele pentru măsurarea temperaturii sunt incluse în bucle de reglare a temperaturii pentru incinte termostatate; dacă încălzirea se face electric, nu este indicat ca alimentarea schemei de măsurare să se facă de la aceeași sursă de putere ca și pentru rezistorul de încălzire, deoarece pot apare cuplaje parazite importante, care măresc histerezisul temperaturii reglate. în acest caz este indicat ca alimentarea pentru încălzire să se realizeze în c.a., iar alimentarea schemei de măsurare – în c.c

Termorezistoare semiconductoare

În principiu, și materialele semiconductoare pot fi folosite la realizarea termorezistoarelor, însă fenomenele de conducție la acestea sunt mult mai complexe.

Inițial, materialele semiconductoare au fost folosite la construcția traductoarelor pentru măsurarea temperaturilor foarte joase (germaniul pentru măsurarea temperaturilor cuprinse între 1 si 35 K, respectiv carbonul – pentru măsurarea temperaturilor mai mici de 20 K).

Datorită dezvoltării tehnologiei siliciului, în ultima vreme, în special în cadrul traductoarelor integrate, se folosește și siliciul, de regulă, dopat cu impurități de tip "n" dependența rezistenței de temperatură pentru siliciu are expresia:

R(r) =R25 [ 1 +α (T- 25) + (β – 25 )2] (7)

Unde:

T reprezintă temperatura exprimată în grade Celsius,

R25 – valoarea rezistanței la temperatura de 25 grade Celsius;

α și β – constante

Termistoarele de siliciu au o dispersie sub 1 %, ceea ce le asigură interșanjabilitatea și o stabilitate bună în intervalul – 50 – 4- 120°C. Până la 120 °C, în mecanismul de conducție contează dopajul, care scade mobilitatea purtătorilor de sarcină, în timp ce la temperaturi ridicate, rezistența descrește cu temperatura din cauza ionizărilor termice.

Cea mai mare răspândire o cunosc termistoarele care realizează sensibilități mai mari cu circa un ordin de mărime decât termorezistoarele metalice. Ele sunt realizate din amestecuri de oxizi metalici (MgO, MgAl204, Mn203, Fe304, C0203, NiO) sau săruri (ZnTi04, BaTi03) – cu lianți, supuse unor procese de sintetizare. Au forme miniaturale de discuri, cilindri, perle, permițând măsurarea cvasipunctuală a temperaturii, cu o viteză de răspuns ce poate fi de ordinul milisecundelor.

Domeniul de măsurare se poate întinde de la -200 °C până la circa 400 °C, însă sunt sensibile la șocurile termice care pot distruge materialul protector și au toleranțe de ordinul 10%, ceea ce face dificilă operația de interșanjabilitate.

In funcție de natura materialelor utilizate la construcția termistoarelor, acestea pot avea coeficient de variație al rezistivității negativ – numite termistoare NTC (engl.- Negative Temperature Coefficient) sau pozitiv – numite termistoare PTC (engl.- Positive Temperature Coefficient); în măsurări,ca traductoare de temperatură, se folosesc de obicei termistoarele NTC.

Mecanismele de conducție în materialele semiconductoare se explică prin generarea purtătorilor de sarcină perechi – electron /gol – generare ce depinde de temperatură. Se poate demonstra că dependența rezistenței termistoarelor în funcție de temperatură poate fi exprimată printr-o relație de forma:

R(T) = A exp (B/T), R(T)= A exp(B/T) !!!!! ***** (8)

unde: T reprezinta temperatura absoluta, iar A si B sunt constante ce depind de forma constructiva si natura materialului; in practica se prefera o formula ce deriva din relatia de mai sus in care apare valoarea rezistentei termistorului R( 7’) la temperatura de referinta T0:

R(T) =R(T0) exp B(1 /T- 1/T0;) (9)

Ca temperatură de referință pentru termistoare se consideră de obicei 25 °C, iar B are valori în intervalul (2700 – 5400)K; in figura de mai jos (stânga) este prezentată dependența rezistenței termistorului în funcție de temperatura pentru putere disipată zero; această caracteristică se poate obține în practică numai prin extrapolare.

Dacă puterea disipată de termistor este diferită de zero, din cauza încălzirii proprii, rezistența termistorului se modifică; ca în figura din dreapta, unde este prezentată caracteristica tensiune/curent pentru un termorezistor având ca parametru temperatura exterioară. Din figură rezultă că pentru încărcări mici {PDwax <10 mW), pentru o temperatură constantă, caracteristica este liniară, pentru ca – la încărcări mari – să atingă un maxim, după care începe să scadă.

Din caracteristica R(T) rezultă că sensibilitatea termistoarelor este variabilă, crescând o data cu scăderea temperaturi pentru anumite intervale de măsurare este posibil să se liniarizeze caracteristica de transfer conectând rezistente suplimentare in serie, paralel sau serie-paralel ca în figura de mai jos.

De asemenea, liniarizarea se poate realiza cu multiplicatoare analogice, cu transformatoare funcționale cu diode etc., însă orice liniarizare conduce la scăderea sensibilității.

Rezistența nominală a termistoarelor la 25°C poate fi cuprinsă între sute de ohmi și sute de kiloohmi; deoarece variația rezistenței este foarte rapidă, o atenție deosebită trebuie acordată circuitului de măsurare, astfel încât încălzirea proprie sa fie neglijabilă în orice condiții. Dacă se cunoaște constanta de disipare a căldurii G ce reprezintă puterea evacuată pentru o diferență de temperatură față de exterior de 1 K,se poate determina factorul de încălzire propriu ΔT cu relația:

ΔD T= P/G !!!**** (10)

unde: P este puterea disipată de termistor. Trebuie amintit că valoarea lui G depinde de mediul cu care traductorul este în contact, cât și de montură. Valoarea obținută din această relație se introduce drept corecție la temperatura măsurată.

Schemele de măsurare sunt similare cu cele de la termorezistoarele metalice, cu diferența că valoarea curentului prin termistoare este de obicei de ordinul zecilor de μA.

Datorită sensibilității lor foarte mari, termistoarele sunt indicate la măsurarea diferențială a temperaturii, atingând rezoluții de ordinul 0,01 °C

Traductoare cu dispozitive semiconductoare active

Utilizarea dispozitivelor semiconductoare active ca traductoare pentru măsurarea temperaturii se bazează pe dependenta caracteristicilor acestora de temperatură.

Astfel, la diodele semiconductoare, dependența curentului de tensiunea de polarizare are forma:

(11)

Unde:

I0 este curentul rezidual de saturație ce se poate determina cu relația:

(12)

Unde:

q – sarcina electronului,

k – constanta lui Boltzmann,

T – temperatura absolută,

U0 – diferența de potențial corespunzătoare benzii interzise, care pentru siliciu este de 1,12 V,

m – o constantă ce depinde de natura materialului semiconductor având o valoare aproximativă de 3 pentru siliciu,

C – este o constantă ce depinde de geometria diodei independentă de temperatură.

Din relație rezultă că dacă se menține constantă una dintre mărimile electrice (curentul sau tensiunea) cealaltă mărime va depinde de temperatură. În practică se preferă menținerea constantă a curentului astfel încât căderea de tensiune pentru dioda direct polarizată va avea expresia:

(13)

Dacă se cunoaște valoarea tensiunii Ui pentru o temperatură Ti relația de mai sus devine:

(14)

Această expresie arată prezența unei neliniarități, arătând în același timp condiția de interșanjabilitate, adică la T=Ti să existe tensiunea U=Ui și diodele să aibă același m. eroarea de neliniaritate pentru diode este de același ordin de mărime cu eroarea de neliniaritate a termorezistoarelor din platină, dar cu semn schimbat, în intervalul de temperaturi cuprins între -50 și + 15o grade Celsius. Sensibilitatea diodelor folosite la măsurarea temperaturilor este ceva mai scăzută ca la termorezistoare.

In practică, de obicei, nu se utilizează diode, ci tranzistoare în montaj de diodă, ca în figura de mai jos; tranzistorul T, având baza legată la colector, reprezintă traductorul de temperatură.

Sursa de alimentare stabilizată E, împreună cu rezistorul R1 de valoare mare, reprezintă un generator de curent constant. Amplificatorul A1 asigură o impedanță mare de intrare și transmite semnalul amplificatorului A2 potențiometrul R3 servește la calibrarea schemei, iar domeniul de măsurare se modifică prin raportul R5/R4.

In cazul utilizării tranzistoarelor ca traductoare de temperatură se folosește: fie variația curentului rezidual de colector pentru o tensiune constantă aplicată între bază și emitor fie variația tensiunii de polarizare bază-emitor, pentru un curent de emitor constant.

Deși în primul caz se obține o sensibilitate mai mare, în practică se preferă cea de-a doua metodă care asigură o liniaritate mai bună; datorită posibilităților de alegere a schemelor astfel încât să se obțină și o amplificare, sensibilitatea obținută poate fi de ordinul sutelor de mV/°C, însă apar probleme legate de interșanjabilitatea traductoarelor din cauza dispersiei parametrilor tranzistoarelor.

O atenție deosebită trebuie acordată încălzirii suplimentare a dispozitivelor semiconductoare datorită curenților interni; pentru ca încălzirea proprie să fie neglijabilă se recomandă ca puterea disipată să nu depășească 100 μW.

Traductoare termoelectrice generatoare (termocupluri)

Principiul de funcționare a traductoarelor termoelectrice generatoare (termocupluri) are la bază efectul termoelectric direct (efectul Seebeck), care constă în apariția unei tensiuni termoelectromotoare într-un circuit format din două conductoare de natură diferită, atunci când cele două joncțiuni se află la temperaturi diferite.

Explicația fizică a fenomenului termoelectric constă în faptul că o dată cu creșterea temperaturii, crește și mobilitatea purtătorilor de sarcină în mod diferit în cele două materiale, conducând la un fenomen de migrare a purtătorilor de sarcină de la zonele mai calde spre zonele mai reci. Trebuie amintit și fenomenul invers – efectul Peltier, dacă un termocuplu este parcurs de un curent injectat din exterior de o anumită polaritate, are loc un fenomen de transport de căldură de la joncțiunea mai rece la joncțiunea mai caldă (pompa de căldură), fenomen ce își găsește o serie de aplicații, ca de exemplu, la realizarea minifrigiderelor.

Atât construcția cât și utilizarea traductoarelor termogeneratoare se realizează pe baza următoarelor legi

1.Legea circuitului omogen (Thomson): într-un circuit format dintr-un material omogen nu apare tensiune termoelectromotoare, indiferent de diferența de temperatură care există între diferitele puncte ale sale.

Această lege permite utilizarea unor conductoare de legătură (cabluri de extensie) între termocuplu și circuitul de măsurare.

2.Legea metalelor intermediare (Volta), într-un circuit izoterm nu se generează tensiune termoelectromotoare, indiferent de natura elementelor ce formează circuitul.

Consecințele imediate ale acestei legi sunt:

termocuplele nu au tensiune de offset (dace T —> 0 si E —> 0);

lipirea conductoarelor ce formează joncțiunea se poate face și cu un alt material;

joncțiunea „rece” poate fi formată și din circuitul de măsurare, cu condiția ca toate elementele acestuia se aibă aceeași temperatură.

3.Legea metalelor succesive (inparalel): tensiunea termoelectromotoare generată de un termocuplu format din conductoarele A si B este egale cu diferenta tensiunilor termoelectromotoare generată de termocuplele formate A și C, și, respectiv, C si B, dacă diferența de temperatură dintre joncțiuni este aceeași.

Pe baza acestei legi se poate face etalonarea termocuplelor luându-se, de obicei, un material de referință – plumbul sau platina

4.Legea temperaturilor intermediare. tensiunea termoelectromotoare echivalentă diferenței de temperatură T2 – T1 este egală cu suma tensiunilor termoelectromotoare obtinuțe pentru diferențele de temperatură T2 – T3 și, respectiv, T3- T1. ,

Această lege permite realizarea corecțiilor la schimbarea temperaturii de referință.

In figura de mai jos este prezentată schema de principiu a unui termocuplu împreună cu schema derivată pe baza legilor termocuplelor.

Materialele folosite la construcția termocuplelor pot fi conductoare sau semiconductoare; ele trebuie să asigure o sensibilitate ridicată și să aibă stabilitate în timp și la acțiunea agenților exteriori. Realizarea joncțiunii se face prin răsucire, sudură sau lipire, eventual folosind cel de-al treilea material.

Deși sensibilitatea termocuplelor este mai redusă decât sensibilitatea termorezistoarelor, ele oferă o serie de avantaje, ca:

generează o tensiune electromotoare fără componenta de offset și nu produc semnal la ieșire dacă nu există o diferență de temperatură;

nu interferează cu alte mărimi de influență (cu excepția luminii și, eventual, a unor radiații nucleare care pot produce transmutații (fierul și nichelul sunt stabili din acest punct de vedere);

nu necesită polarizări inițiate în circuitul de măsurare.

Ca dezavantaje ale termocuplelor pot fi citate :

scăderea sensibilității la temperaturi joase;

fenomene de evaporare, contaminare chimică sau chiar topire la temperaturi ridicate;

zgomotul termic propriu ce limitează pragul de sensibilitate.

Deoarece dimensiunea termocuplului este redusă, rezultă că ele pot măsura temperaturi punctiforme, cu o viteză mare de răspuns; termocuplele se realizează în două variante: termocuple de suprafață, de obicei fără protecție, și de imersie – caz în care termocuplele sunt protejate de teci de protecție din oțeluri inoxidabile sau izolatoare ceramice (alumina), inerția termică în acest caz fiind similară termorezistoarelor cu construcție asemănătoare.

In concluzie, construcția termocuplelor trebuie să asigure tensiuni mecanice reduse în întregul interval de temperatură ce se măsoară, cât și protecție la posibilitățile de contaminare chimică sau radiații nucleare. Diametrul conductoarelor poate fi impus din condiții referitoare la rezistența interioară (zgomotul termic propriu), însă determină și temperatura maximă la care poate fi folosit termocuplul; în tabelul de mai jos este prezentată dependența temperaturii maxime pe care o poate măsura un termocuplu de chromel/constantan în funcție de diametrul conductoarelor.

În tabelul de mai jos sunt prezentate caracteristicile principalelor tipuri de termocuple, precum și codul american de notare a acestora

Așa cum rezultă din tabel, există o gamă largă de termocuple ce pot fi utilizate în practică, alegerea lor făcându-se în funcție de intervalul de temperatură în care urmează a fi folosite, sensibilitate, neliniaritate etc; termocuplele pentru aplicații speciale se folosesc de obicei la măsurarea unor gradienți de temperatură pe baza cărora se determină alte mărimi fizice, ca: valori efective ale tensiunilor și curenților, puteri, debite, concentrații (de exemplu, termocuplul de cupru-paladiu iși modifică sensibilitatea în funcție de cantitatea de hidrogen absorbită de paladiu, fiind folosit la măsurări în chimie.

In figura de mai jos este prezentata dependența tensiunii termoelectromotoare în funcție de diferența de temperatură pentru principalele tipuri de termocupluri.

In ceea ce privește termocuplele din materiale semiconductoare, deși nu se folosesc direct la măsurarea temperaturii din cauza rezistenței termice mici a siliciului, ci la măsurarea altor mărimi, ele au marele avantaj de a putea fi realizate în tehnologia circuitelor integrate; în figura de mai jos este prezentată forma constructivă a unui termocuplu siliciu de tip "p"/aluminiu.

Termocuplele sunt realizate din zone de siliciu de tip "p" și benzi din aluminiu prin care se poate face și interconectarea termocuplelor în cazul folosirii unor baterii de traductoare. Sensibilitatea acestor traductoare este cuprinsa intre 0,4 și 1 mV/K (în cazul folosirii bateriilor de termocupluri) și depinde de proprietățile electrice ale semiconductoarelor, cât și de temperatură.

Ca principale dezavantaje ale acestor termocuple sunt conexiunea termica ce se realizează prin siliciu intre jonctiunea calda și cea rece, precum și rezistenta interioara (de ordinul zecilor de kiloohmi), mult mai mare decât la termocuplele metalice.

Așa cum s-a amintit, posibilitatea de a le realiza in forma de circuite integrate le face deosebit de avantajoase la măsurarea altor mărimi, care au la baza măsurarea diferențială a temperaturii.

Termometre cu cuarț

Principiul de funcționare a termometrelor cu cuarț se bazează pe faptul că frecvența proprie de oscilație depinde de temperatură; lama de cuarț se orientează cristalografic astfel încât să se obțină sensibilitatea maximă. Termometrele cu cuarț permit obținerea unor precizii și rezoluții mari, imunitate la perturbații, precum și conversia numerică a semnalului.

La modificarea temperaturii are loc variația frecvenței de rezonanță mecanică, concomitent cu modificarea elementelor din schema electrică echivalentă.

Traductoarele se introduc în cutii de oțel umplute cu heliu pentru asigurarea conducției termice.

Circuitul de măsurare folosește un oscilator cu cuarț care poate avea schemă ca cea din figura de mai jos; în această schemă impedanța cuarțului se prezintă inductiv, rezultând o funcționare ca oscilator de tip Collpits. Tranzistorul cu efect de câmp TEC asigură o impedanță mare de intrare, iar bobina de șoc Ls realizează separarea în curent alternativ a sursei de alimentare E.

Schema de măsurare propriu-zisă folosește, de obicei, două oscilatoare, cu două traductoare, unul fiind traductorul de referință, urmată de un schimbător de frecvențe, de la ieșirea căruia se extrage componenta de joasă frecvență.

Domeniul de măsurare pentru termometrele cu cuarț este cuprins între – 80 și 250°C, cu rezoluții ce pot atinge 0,0001 °C, având erori de liniaritate și histerezis inferioare valorii de ±0,05 % și o inerție termică de ordinul secundelor.

Dioda semiconductoare

Semiconductoarele reprezintă o categorie de materiale electrotehnice a căror conductivitate electrică are o valoare intermediară între cea a materialelor metalice și cea a materialelor izolatoare. Proprietățile electrice ale materialelor semiconductoare (în primul rând conductivitatea) pot fi influențate în limite destul de largi de o serie întreagă de agenți fizico-chimici cum ar fi spre exemplu:

prin adaosuri în concentrații mici a unor impurități;

prin variația temperaturii;

prin acțiuni mecanice;

prin radiații electromagnetice și nucleare.

Semiconductoarele se deosebesc fundamental de conductoare deoarece conductivitatea lor electrică crește odată cu creșterea temperaturii, în timp ce la conductoare scade. De asemenea valoarea conductivității lor este puternic influențată de defectele existente în structura rețelei cristaline, în timp ce la conductoare prezența acestor defecte de structură nu are practic nicio influență. La fabricația semiconductoarelor se utilizează materiale semiconductoare cu impurități special introduse pentru a obține o serie de efecte dorite. Introducerea de impurități într-un material semiconductor pur se numește dopare. Ca elemente de dopare a siliciului și germaniului se utilizează de regulă fosfor, arseniu și stibiu (care conțin 5 electroni periferici) sau bor, aluminiu, indiu, galiu (care conțin 3 electroni periferici).

Atomii elementelor de dopare introduși în semiconductor și care sunt capabili să producă electroni liberi se numesc donori deoarece donează electroni materialului semiconductor. În schimb atomii impurităților care dau naștere golurilor de rețea cristalină iar prin aceasta putând căpăta sau accepta electroni se numesc acceptori.

Lipind cele două tipuri de materiale electronii de la regiunea n vor difuza în zona p unde se vor combina cu golurile care în regiunea p sunt majoritare, iar golurile din regiunea p vor difuza spre regiunea n unde se vor combina cu electronii care în regiunea n sunt majoritari. Astfel regiunea n va rămâne încărcată pozitiv datorită sarcinilor necompensate ale atomilor donori (+), iar regiunea p se va încărca negativ (-). În zona de contact dintre cele două regiuni va fi un strat electric de tranziție dublu iar câmpul electric corespunzător acestui strat se va opune în continuare difuziei purtătorilor de sarcină (goluri și electroni).

Astfel, în vecinătatea joncțiunii se va genera o zonă sărăcită de purtători majoritari, zonă care e numește regiune de trecere. Datorită acestei separări de sarcină, în regiunea de trecere a pare un câmp electric intern, câmp a cărui intensitate crește odată cu creșterea cantității de sarcină difuzate și care se opune procesului de difuzie. Când el a devenit suficient de intens se ajunge la o situație de echilibru în care cantitatea de sarcină difuzată rămâne constantă

Diferența de potențial care se stabilește între cele două regiuni p și n se numește diferență de potențial de contact și are valori de ordinul 0,2-0,3 V pentru germaniu și 0,6-0,7V pentru siliciu, această diferență de potențial opunându-se mișcării electronilor și golurilor. Vor putea trece peste această barieră doar purtătorii de sarcină cu energie suficient de mare pentru a învinge bariera de potențial.

Joncțiunea p-n poate fi polarizată în sens direct dacă polul pozitiv al sursei de alimentare este conectat la regiunea p și polul negativ la regiunea n. În acest caz câmpul electric creat va fi orientat de la regiunea p către regiunea n, deci în sens invers câmpului electric al joncțiunii (care este de la n la p). prin aceasta înălțimea barierei de potențial scade și prin joncțiune trece un curent electric. Se spune atunci că joncțiunea este polarizată în sensul de conducție electrică.

Joncțiunea p-n poate fi polarizată și în sens invers, dacă polul pozitiv este conectat la regiunea n iar polul negativ la regiunea p. în cazul acesta, câmpul electric aplicat din exterior, fiind orientat în sensul câmpului electric intern al joncțiunii, va contribui la creșterea înălțimii barierei de potențial. Ca efect, electronii liberi din regiunea n nu mai pot difuza spre regiunea p și golurile mobile din regiunea p nu mai pot difuza spre regiunea n, iar ca atare joncțiunea p-n nu conduce.

Tensiunea de deschidere reprezintă valoarea tensiunii la care dioda începe sa conducă curentul electric (tensiunea minima de polarizare) și depinde de tipul diodei. Caracteristica de polarizare inversă este caracterizată prin aceea că la variațiile mari ale tensiunii de polarizare curentul prin diodă este neglijabil. Tensiunea de polarizare inversă la care curentul prin diodă crește brusc se numește tensiune de avalanșă.

Dioda semiconductoare este realizată sub forma unei joncțiuni p-n prevăzută cu contacte metalice atașate la cele două regiuni și care este montată într-o capsulă metalică sau din alte materiale (sticlă, plastic) destinate a o proteja de mediul exterior. Regiunea p a joncțiunii constituie anodul diodei, iar regiunea n, catodul. Dacă la anod (p) se aplică o tensiune pozitivă, se spune că dioda este polarizată direct. Rezistența electrică directă a diodei este mică și depinde de tipul diodei. Dioda se notează pe schemele electronice cu simbolul de mai jos, săgeată înnegrită reprezentând sensul convențional al curentului prin diodă.

Dioda are două terminale, fiind deci un dipol. Anodul este conectat la zona de tip p în timp ce catodul este conectat la zona de tip n. Dacă dioda este conectată într-un circuit electronic ea se comportă în mod diferit în funcție de sensul diferenței de potențial la care este supusă. Din structura sa internă se poate observa că dacă anodul este la un potențial mai mic decât catodul, atunci câmpul extern se va adăuga câmpului intern și amândouă se vor opune mai drastic “curgerii” purtătorilor majoritari de sarcină prin joncțiune. În această situație bariera de potențial va crește iar despre joncțiune se spune că este polarizată

Dacă potențialul anodului este mai mare decât cel al catodului, câmpul extern și cel intern vor fi orientate în sens contrar. Bariera de potențial se va micșora. Atâta timp cât suma celor două câmpuri are sensul înspre regiunea p, purtătorii de sarcină majoritari nu se vor putea deplasa prin joncțiune. În momentul în care câmpul total își schimbă sensul (bariera de potențial dispare), purtătorii majoritari de sarcină din cele două zone vor putea traversa joncțiunea și dioda va fi parcursă de un curent electric. În acest caz se spune despre diodă că este polarizată direct.

Practic, în polarizare inversă dioda este blocată. Se poate observa însă existența unui curent invers care este datorat purtătorilor minoritari (golurile din zona n și electronii din zona p) are pot traversa joncțiunea. Dar, densitatea lor fiind foarte mică, intensitatea acestui curent, numit curent invers de saturație(Is) este practic neglijabilă. Ea este de ordinul zecilor de μA. Menționăm aici că reprezentarea grafică nu este la scară tocmai pentru a putea pune în evidență curentul invers de saturație.

Dependența curentului de temperatură esteexponențială, această dependență reflectându-se și pe caracteristica I=f(U) a diodei așa cum rezultă din diagramă. În cazul diodelor de germaniu depensența curentului de temperatură este mai intensă decât în cazul diodelor de siliciu.

Dacă ID este constant tensiunea directă scade cu creșterea temperaturii, fenomen pus în evidență prin existența unui coeficient de variație a tensiunii cu temperatura (CUD).

(15)

Coeficient considerat în condițiile că ID=constant și a cărui valoare este pentru diodele de siliciu de -2mV/0C.

În polarizare directă, atâta timp cât bariera de potențial există, curentul este practic nul. când aceasta dispare, dioda va permite trecerea unui curent a cărui intensitate crește foarte rapid pentru variații mici ale tensiunii aplicate diodei. Valoarea intensității maxime a curentului direct poate fi de la câțiva mA până la sute de A, în funcție de tipul de diodă. Tensiunea la care dioda începe să conducă se numește tensiune de deschidere și, pentru diodele de siliciu, ea este în jurul valorii de 0,6V. După ce dioda intră în stare de conducție căderea de tensiune pe a crește foarte puțin (0,1 – 0,15V).

Amplificatoare operaționale

Amplificatorul operațional este un circuit integrat liniar cu câștig mare de tensiune și care întrunește următoarele proprietăți:

câștig de tensiune foarte mare, de ordinul sutelor de mii;

impedanță de intrare foarte mare de ordinul megaohmilor;

impedanță de ieșire foarte mică de ordinul zecilor de ohmi; bandă de frecvențe transmise fără distorsiuni de la curent continuu până la o frecvență focrte ridicată.

Reprezentarea unui amplificator operațional este redată sub forma unui triunghi având două puncte de alimentare +U și -U, precum și din două intrări notate (+) și (-) și o ieșire. Intrarea (+) se numește intrare neinversoare iar cea notată cu (-) intrare inversoare.

Factorul de amplificare (A) se calculează ca fiind raportul dintre variația tensiunii de ieșire (U0) și tensiunea diferențială de la intrare astfel:

Amplificator operațional neinversor

În acest caz semnalul se aplică la borna (+). Tensiunea aplicată la borna de intrare se obține din tensiunea de la ieșire iar amplificarea semnalului este în aceeași fază cu semnalul de ieșire (+).

Valoarea amplificării se determină cu relația:

(16)

Amplificator operațional inversor

Semnalul de la intrare se aplică pe borna (-) iar borna (+) este legată la masă.

Amplificarea se determină cu relația:

(17)

Se observă că semnul (-) al semnalului de ieșire este în fază cel al semnalului de intrare.

Observăm că tensiunea de la ieșire este aplicată la intrarea inversoare. În acest fel, operaționalul se „autoreglează”, generând la ieșire o tensiune așa încât diferența de tensiune între intrările sale să fie foarte mică, aproximativ zero. Astfel, obținem o configurație în care amplificarea depinde doar de rețeaua de reacție negativă. Adică, tensiunea la ieșire este egală cu tensiunea de la intrare înmulțită cu produsul (R1+R2)/R1. Adică doar cele două rezistențe externe circuitului. Practic operaționalul va modifica tensiunea de la ieșire, astfel încât la intrarea inversoare să fie aceeași tensiune ca la intrarea neinversoare.

Măsurarea temperaturii matriței

Pentru măsurarea temperaturii în matriță, dar și în diferitele puncte ale instalației s-a realizat un aparat analogic de măsurare a temperaturii în patru puncte diferite. Ca senzori de temperatură s-au utilizat diode tranzistoare din siliciu BC107/B, elemente care permit o variație liniară a tensiunii în raport cu variația temperaturii. Schema desfășurată a montajului electronic este prezentată în figura de mai jos.

Aparatul poate avea utilizări multiple ca:

măsurarea în 4 puncte a temperaturilor unor montaje sau subansamble între limitele 0…100° C

detector de nivel termic în instalații de automatizare, racordat la un sistem de declanșare cu prag de tensiune, având 4 ieșiri pentru comandă, etc.

Măsurarea temperaturii mediului ambiant, etc.

Este recomandabil ca aparatul să fie utilizat la măsurarea unor temperaturi lent variabile, deoarece prezintă o inerție termică de 1-2 minute, determinate de constanta termică a capsulei tranzistoarelor folosite ca senzori.

Senzorii sunt tranzistoare de Siliciu, conectate ca diode. Procedeul permite obținerea unei variații liniare a tensiunii pe joncțiunea E-BC, cu temperatura.

Mecanismul de măsurare este următorul: cu cât temperatura de măsurat crește sau scade, căderea de tensiune pe joncțiunea diodei urmărește fidel această variație și care se modifică cu circa 2,2…2,5 mV la fiecare grad Celsius.

Pentru a evita erorile posibile cauzate de modificarea tensiunii de alimentare a senzorilor aceștia sunt alimentați separat prin generatoare de curent constant proprii (T1-T2-T3-T4).

Cele 4 canale de măsurare fiind indentice, descrierea funcționării se rezumă la un singur canal.

Astfel prin rezistența R6 la semnalul de la senzorul D1 se aplică la intrarea reinversoare (+) a circuitului integrat operațional Ci-1.

De la divizorul de tensiune stabilizat se culege o tensiune care se aplică la intrarea inversoara (-). Circuitul integrat operațional lucrează cu reacție negativă și are aplificare

Au= R7/R8; (18)

se alege Au=10

În circuitul de ieșire s-a montat instrumentul de măsură (ƍA- metru cu gradația liniară de la 0…100), prin intermediul comutatorului de selectare a punctelor de măsură (PM.1-2-3-4) corespunzătoare celor 4 canale.

În mod suplimentar pentru fiecare canal s-a prevăzut câte o ieșire pentru a comanda la nevoie, la atingerea unui prag de tensiune (respectiv temperatură) conectarea sau deconectarea unei rezistențe de încălzire, electroventil, alarmă etc. Cu ajutorul unui aparat complementar adecvat.

Nivelul tensiunilor acestor ieșiri depind de informația dată de senzorul canalului respectiv și oscilează între 0…2,5V.

Etalonarea (calibrarea) termometrului se face cu ajutorul potențiometrelor semireglabile P1 și P2. Din P1 se reglează valoarea minimă (0°) a gamei, iar din P2 valoarea maximă (100°), folosind un termometru etalon.

Dioda (senzorul) având o variație liniară a tensiunii de joncțiune cu temperatura, rezultă că restul indicațiilor scalei vor corespunde automat.

O calibrare simplă se poate face cu apă înghețată și apă în clocot pentru 100°C, efectuând reglarea rezistențelor P1 și P2 astfel încât acul aparatului indicator să stea nemișcat în cele 2 poziții extreme, cu senzorul introdus în mediile respective.

Fixarea senzorilor se face cu un adeziv- asigurând un contact termic cât mai bun iar dacă acestea se prind pe suprafețele metalice este obligatoriu intercalarea între senzori și suprafața de metal o foiță mică.

Consumul propriu al aparatului este de circa 10 VA și este asigurat de un alimentator simetric care furnizează +12V/0V/-12V conform figurii de la pagina 4.

Senzorii de temperatură sunt alcătuiți din 4 bucăți tranzistoare BC 107/B legate cu diode, după o prealabilă sortare căutând exemplare cât mai apropiate ca parametrii.

Observație: Aparatul se alimentează de la rețeaua de 220 V curent alternativ dintr-o priză cu contact de protecție legat la conductorul nul al rețelei, conform regulamentului de utilizare a energiei electrice.

Astfel se asigură punerea la pământ sigură a carcasei aparatului, evitând pericolul de electrocutare.

Consumul propriu al aparatului pe partea de ± 12V nu depășește 0,1 Amper.

3.1. Lista pieselor folosite în montaj

În generatoare de curent constant:

tranzistoare PNP BC177A = 4 bucăți

diode Si 1N4001 = 4 bucăți

rezistențe 6,8K, 0,5 W = 4 bucăți

rezistențe 3,3K, 0,5W = 4 bucăți

În divizorul de tensiune stabilizat:

– diode Si 1N4001 = 4 bucăți

– diodă Zenner PL6V2 = 1 bucată

potențiometru semireglabil 1KΏ = 1 bucată

rezistență 1K, 0,5W = 1 bucată

rezistență 5,6K, 0,5W = 1 bucată

În montajul electronic:

– circuite integrate operaționale A741 = 4 bucăți

– tranzistoare Si BC107 legate cu diode = 4 bucăți

– diode de comutație BH243 (d7,d8) = 2 bucăți

– rezistențe chimice 1K 025W = 8 bucăți

– rezistențe chimice 10K 025W = 8 bucăți

– rezistențe chimice 100K 025W = 4 bucăți

– potențiometru semireglabil 1K (P2) = 1 bucată

– condensatoare electrolitice din tantal 10µF/10V = 4 bucăți

– µA-metru 0-100µA = 1 bucată

– bucșe, fișe și mufe

În blocul de alimentare:

– transformator 220V/15V-15VA = 1 bucată

– diode Si 1N4001 = 2 bucăți

– diode Zenner 12V = 2 bucăți

– conductoare electrolitice 470µF/25V = 2 bucăți

– rezistențe chimice 2,7K, 0,5W = 2 bucăți

– tranzistor de medie putere BD136 = 1 bucată

– tranzistor de medie putere BD137 = 1 bucată

Căderea de tensiune la joncțiunea diodei urmărește variația de temperatură cu 2,2 mV la fiecare grad Celsius, iar pentru a nu introduce erori de măsurare datorate variației tensiunii de alimentare, senzorii au fost alimentați de la un generator de curent continuu, citirea tensiunilor pe fiecare senzor fiind realizată de către un circuit integrat operațional BA 741. Pentru a evita erorile cauzate de modificarea tensiunilor de alimentare a senzorilor, aceștia sunt alimentați separat prin generatoare de curent constant (T1…T4) proprii. Astfel, de la senzorul de temperatură (D1…D4) semnalul se aplică la intrarea neinversoare (+) a circuitului integrat operațional (IC1…IC4), iar de la divizorul de tensiune stabilizat se culege o tensiune care se aplică la intrarea inversoare (-), circuitul lucrând cu reacție negativă la un factor de amplificare de 10. În circuitul de ieșire este montat un micrometru electronic cu gradație liniară iar prin intermediul comutatorului de selectare se pot citi valorile temperaturii în cele patru puncte de măsurare. În mod suplimentar pentru fiecare canal s-a prevăzut câte o ieșire suplimentară pentru a se putea comanda la nevoie conectarea în regim de termostat a rezistenței de încălzire suplimentară a matriței.

Etalonarea fiecărui senzor s-a făcut prin intermediul unor rezistențe semireglabile folosind un termometru etalon prin imersarea acestora în apă aflată la temperatura de fierbere și respectiv de înghețare. Aparatul dispune de un buton de reglare la zero pentru ca acesta să se poată re-etalona periodic.

Cadranul aparatului permite vizualizarea nivelului temperaturii la fiecare senzor. Pentru aceasta punctul de măsurare poate fi selectat manual prin intermediul unui comutator cu patru poziții.

Rezultatele măsurătorilor

Etalonarea senzorului s-a făcut pe instalația de etalonare din laboratorul de traductoare. Senzorul a fost introdus în nișa specială a cuptorului alături de un termometru cu mercur până la o anumită adâncime. Apoi cuptorul a fost cuplat la rețeaua electrică permițând astfel alimentarea rezistențelor interioare. Pe măsură ce rezistențele se încălzeau, senzorul înregistra creșterea temperaturii prin intermediul creșterii tensiunii de la ieșirea din senzor, temperatură care era citită simultan și pe termometru. S-a făcu o etalonare atât pe timpul încălzirii cuptorului cât și pe timpul răcirii lui, graficele fiind asemănătoare. Se constată caracterul liniar al dependenței tensiunii de la ieșirea din senzor cu temperatura.

Fig. 30. Diagrama de etalonare (la încălzire)

Bibliografie

Ignea, A. Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice. Timișoara, Editura de Vest, 1996.

Agoston Katalin. Senzori și traductoare. Note de curs. Tîrgu-Mureș, Litografia Universității "Petru Maior", 2001.

Agoston Katalin. Măsurări electrice și electronice. Curs. Vol. I. Tîrgu-Mureș, Litografia Universității "Petru Maior", 2009.

Iliescu, C. Măsurări electrice și electronice. București, Editura Didactică și Pedagogică, 1983.

Manolescu, P. și Golovanov, C. Măsurări electrice și electronice. București, Editura Didactică și Pedagogică, 1979.

Asavinei, I. și Niculescu, C. Măsurarea temperaturilor înalte. Metode pirometrice. București, Editura Tehnică, 1989.

Bodea, M.ș.a. aparate electronice pentru măsurare și control. București, Editura Didactică și Pedagogică, 1985.

Nicolau, E. Manualul inginerului electronist. Măsurări electronice. București, Editura tehnică, 1979.