Aparate si traductoare utilizate pentru masurarea temperaturilor

APARATE SI TRADUCTOARE UTILIZATE PENTRU MASURAREA TEMPERATURILOR

CAPITOLUL 1-TRADUCTOARE

1. 1. STRUCTURA GENERALA A UNUI TRADUCTOR

Pentru masurarea marimilor fizice, care intervin intr-un proces tehnologic este necesara, de cele mai multe ori, convertirea acestora in marimi de alta natura fizica, convenabile pentru celelalte elemente din cuprinsul SRA. De exemplu, o temperatura sau o presiune sunt convertite in marimi de natura electrica - tensiune, curent electric - proportionale cu marimile initiale, care pot fi utilizate si prelucrate de elemente de automatizare ale SRA (comparatoare, regulatoare automate).

Se numeste traductor acel element SRA care realizeaza convertirea unei marimi fizice - de obicei neelectrica - in marime de alta natura fizica - de obicei electrica - proportionala cu prima sau dependenta de aceasta intr-un fel prestabilit, in scopul utilizarii intr-un sistem de automatizare.

Exista o mare varietate de traductoare, structura lor fiind mult diferita de la un tip de traductor la altul. Se poate stabili insa o structura generala a unui traductor, ca in figura 1.

Marimea de la intrarea traductorului ί (reprezentand valori de temperatura, presiune, forta, turatie) este convertita (tradusa) de catre elementul sensibil ES intr-o marime intermediara l (de exemplu o deplasare liniara, o rotatie), care se aplica adaptorul AD (convertorul de iesire). Acesta transforma marimea l inmarime de iesire y, de obicei de natura electrica ( tensiune, curent, rezistenta, inductanta), ce poate fi observata sauprelucrata mai usor in circuitul de reglare. Convertorul (adaptorul) de iesire are totodata rolul de a realiza si o adaptare cu celelalte elemente din cadrul SRA. In cazul particular al SRA unificate (sisteme cu semnal standard, atat ca natura, cat si ca nivel) - de exemplu, sistemul unificat E-IEA cu componente electronice discrete de tip serie sau sistemul SRA cu circuite integrate, fabricate in tara - adaptoarele au rolul de a converti o marime de iesire oarecare intr-un semnal unificat( de exemplu, semnalul de curent unificat :2-10 mA c. c. sau, respectiv, 4-20 mA c. c. sau pentru reglarile fluidice cel de presiune unificat :0,2-1 daN/cm²).

De obicei, adaptorul cuprinde si sursa de energie SE ( figura 1), necesara pentru convertirea marimii intermediare l in marime diruta la iesire y.

1. 2. CARACTERISTICILE GENERALE ALE TRADUCTOARELOR

Se pot stabili urmatoarele caracteristici generale, valabilepentru orice traductor :

- Caracteristica statica a traductorului :

Reprezinta dependenta intre marimea de iesire si marimea de intrare. Ea se poate exprima si printr-o ecuatie, y = f(x), sau prin reprezentarea grafica (figura 2).

-Caracteristica dinamica a traductorului : reprezinta variatia in timp a marimii de iesire la o anumita variatie a marimii de intrare. In general un traductor trebuie sa aiba o inertie cat mai mica si sa urmareasca cat mai fidel variatiile marimii de intrare.

-Precizia : traductorului se apreciaza prin eroarea tolerata sau prin clasa de precizie , care este raportul intre eroarea absoluta maxima si intervalul de masurare al traductorului respectiv. Majoritatea traductoarelor fabricate in tara realizeaza p precizie de 0,5%.

-Sensibilitatea : exprima raportul intre variatia marimii de iesire si variatia marimii de intrare.

Sensibilitatea poate fi exprimata si in valori relative ( procentual ) :

- panta medie - (k_m), reprezentand coeficientul unghiular ( panta) dreptei care aproximeaza caracteristica statica reala a traductorului ( figura 2)

- puterea consumata la intrare - (de obicei , o putere mica sau foarte mica, de ordinul catorva wati sau miliwati). Consumul propiu fiind, de regula, neglijabil, inseamna ca puterea transmisa elemntului urmator este induficienta pentru a detremina o actionare ; de aceea , in schemele de automatizare un traductor este urmat, aproape intptdeauna , de un amplificator.

-Natura fizica a marimilor de intrare si de iesire ( curent, tensiune electrica, rezistenta electrica, presiune, temperatura, nivel, debit).

1. 3. CLASIFICAREA TRADUCTOARELOR

In aparatele electrice pentru masurarea marimilor neelectrice se folosesc o mare varietate de traductoare. Ele se pot clasifica dupa mai multe criterii.

Dupa natura marimii neelectrice de la intrare, traductoarele pot fi :

- traductoare pentru marimi geometrice ( lungime, arie, volum, grosime, nivel, unghi).

- traductoare pentru marimi mecanice ( masa, forta, presiune, debit, viteza de rotatie).

- traductoare de temperatura.

- traductoare pentru marimi fotometrice.

- traductoare pentru radiatii.

-traductoare pentru marimi de compozitie (concentratie).

-traductoare pentru marimi de material (densitate, vascozitate).

In functie de natura marimii electrice de la iesire y se deosebesc :

- traductoare parametrice, la care marimea masurata este transformata intr-un 'parametru de circuit electric' (rezistenta, inductanta sau capacitate). Traductoarele parametrice se impart, la randul lor, in

a)- traductoare rezistive

b)- traductoare inductive

c)- traductoare capacitive

Ele necesita alimentarea electrica si furnizeza semnalul de iesire sub forma variatiei unui parametru(de exemplu, termorezistente, traductoare inductive sau capacitive, de deplasare).

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

Ele produc un semnal electric fara sa fie alimentate cu energie electrica ( de exemplu, termocupluri, tahogeneratoare, dispozitive fotoelectrice).

-traductoare analogice, la care marimea de la iesire variaza continuu.

-traductoare digitale, la care marimea de la iesire variaza discontinuu, dupa un anumit cod.

1. 4. TRADUCTOARE DE TEMPERATURA

Elemente sensibile - cel mai des utilizate in cadrul masurarii temperaturii din instalatiile tehnologice intalnite in industria chimica sunt termorezistentele si termocuplurile.

Termorezistentele - transforma variatia de temperatura a mediului in care sunt introduse intr-o variatie de rezistenta electrica. Aceasta variatie este liniara in functie de temperatura, pentru un anumit domeniu. Astfel, pentru masurarea temperaturilor in domeniul -50 grade C+180 grade C se utilizeaza termorezistentele confectionate din sarma de cupru. Pentru game mai largi de temperatura si pentru precizie mai buna se utilizeaza termorezistentele din sarma de platina, domeniul de temperatura pentru ecestea fiind cuprinse intre -200 grade C si +500 grade C.

In tara noastra se produc termorezistente din cupru si platina care se utilizeaza fie impreuna cu adaptoare de tip ELT 162, ca in figura 128,constituind traductorul de temperatura cu termorezistenta, fie cu alte aparate, cum ar fi indicatoarele, inregistratoarele sau chiar regulatoare de temperatura.

Termocuplurile - sunt traductoare generatoare a caror functionare se bazeaza pe tensiunea termoelectromotoare, care apare in punctul de sudare a 2 materiale diferite A si B, supuse incalzirii.

Punerea in evidenta a acestei tensiuni se poate face folosindu-se un milivoltmetru.

Aceasta tensiune termoelectromotoare este de obicei cuprinsa intre 5 si 50 mV.

Metalele folosite pentru confectioarea termocuplurilor sunt:

fierul, cuprul, constantul, wolfram, molibden.

CAPITOLUL 2. APARATE PENTRU MASURAREA

TEMPERATURII

Temperatura este o marime care caracterizeaza starea de incalzire a corpurilor. Masurarea temperaturii unui corp se bazeaza pe schimbul de caldura intre corpuri cu grade diferite de incalzire si pe variatia cu temperatura a proprietatilor fizice ale unor materiale.

Masurarea temperaturii cu aparate electrice se realizeza cel mai des folosind traductor de temperatura termoelectrice sau termorezistive.

2. 1 MASURAREA TEMPERATURII CU TRADUCTOARE TERMOELECTRICE

Traductoarele termoelectrice sunt realizate cu termocupluri

2. 1. 1. PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE AL TERMOCUPLURILOR

Un termocuplu(figura 3) este un ansamblu alcatuit din 2 fire din materiale de conductibilitati diferite, sudate intre ele la unul dintre capete. Prin incalzirea locala a sudurii, la capetele libere apare o diferenta de potential. Valoarea acestei tensiuni depinde de materialele din care este facut termocuplul si de diferenta de temperatura dintre punctul de s sudura si capetele libere( efect termoelectric sau efect Seebeck)

2. 1. 2 CONSTRUCTIA TERMOCUPLURILOR

Termocuplurile sunt utilizate pentru masurarea temperaturilor mari, intre 300⁰ C si 1600⁰C. Practic, un termocuplu (figura 4) este realizat din 2 electrozi sub forma de fire sau benzi, sudati intre ei la un capat (1-punctul de sudura). Pentru o buna functionare a termocuplului este necesara protejarea acestuia impotriva actiunii gazelor fierbinti sau corozive care pot distruge electrozii. Din acest motiv, termocuplul se introduce intr-o teaca de protectie 2. Capatul termocuplului opus sudurii formeaza o cutie 3, unde se gasesc bornele de legatura. Pentru a proteja conexiunile cutiei, aceasta se inchide cu un capac 4. Electrzii sunt izolati electric intre ei si fiecare - fata de teaca de protectie, cu margele izolatoare 5.

2. 1. 3 CONECTAREA TERMOCUPLURILOR LA APARATELE DE MASURAT

Masurarea cu termocupluri este precisa numai daca se mentine constanta temperatura capetelor libere. Deoarece temperatura capetelor libere este adeseori variabila, fiind influentata de punctul cald, termocuplurile se prelungesc pana intr-o zona cu temperatura constanta, unde se afla dispozitivul de masurat, cu conductoare de legatura.

Aceste conductoare trebuie sa fie realizate din aceleasi materiale ca si termocuplul sau (in cazul termocuplurilor din materiale nobile) din alte materiale mai ieftine, dar care sunt identice din punct de vedere termoelectric cu materialele termocuplului , astfel incat in punctele de legatura sa nu se dezvolte tensiuni termoelectromotoare suplimentare. In acest caz, capetele reci ale termocuplului (punctele 1 si 2 in figura 5) pot avea temperatura variabila intr-un interval restrans, in timp ce punctele 3 si 4- fiind la distanta - pot fi mentinute mai usor la o temperatura constanta.

2. 2. MASURAREA TEMPERATURILOR CU TRADUCTOARE

TERMOREZISTIVE

Traductoarele termorezistive se intalnesc in 2 variante:

termorezistente

termistoare

2. 2. 1. TERMOREZISTENTELE

Termorezistentele sunt utilizate pe scara larga in industrie la masurarea temperaturilor cuprinse intre -200⁰C si +500⁰C. Principiul de functionare al termorezistentelor se bazeaza pe propietatea materialelor conductoare (Pt, Cu, Ni, Fe) de a-si modifica rezistenta electrica in functie de temperatura. Aceasta variatie se poate exprima cu relatia:

R_i = R₀(1 + αt),

unde α este coeficientul de variatie cu temperatura al rezistentei electrice.

Din punct de vedere constructiv, termorezistentele se prezinta sub forma de fire sau benzi care se infasoara pe un suport cilindric, sau sub forma de placuta. Termorezistentele sunt montate in cate o teaca de protectie si sunt prevazute cu o cutie cu borne ca la termocupluri.

In tara noastra se fabrica termorezistente din platina utilizate in intervalul(-200. . . +500)⁰C si termorezistente din cupru (care sunt mai ieftine) utilizate in intervalul de temperatura (0. . . +120)⁰C.

2. 2. 2. TERMISTOARELE

Termistoarele sunt traductoare termorezistive realizate din materiale semiconductoare. Variatia rezistentei unui termistor in functie de temperatura este:

R_t = R_ol - b/t ,

unde T este temperatura absoluta, iar b - o constanta care depinde de materialul din care este facut termistorul. Coeficientul de variatie a rezistentei unui termistor cu temperatura este negativ.

In comparatie cu termorezistentele, termistoarele prezinta urmatoarele :

Avantaje:

au sensibilitatea mare mare deoarece coeficientul de variatie al rezistentei cu temperatura este mare;

- pot fi folosite la masurari la distanta deoarece rezistenta lor fiind mare, se poate neglija rezistenta conductoarelor de legatura;

- au dimensiuni reduse si inertie termica mica.

Dezavantaje-Termistoarele sunt mai instabile decat termorezistentele metalice, au dispersie mare a valorilor parametrilor, caracteristica puternic neliniara si temperatura maxima de utilizare mai redusa.

Pentru masurarea temperaturilor-cu traductoare termorezistive, acestea se folosesc in montaje de punte, echilibrate sau neechilibrate.

In figura 6 este reprezentata o punte automata. Traductorul termorezistiv este conectat intr-un brat al puntii, iar in alt brat este prevazut o rezistenta variabila. La cresterea temperaturii, rezistenta electrica R_T a traductorului se modifica si puntea se dezechilibreaza. Tensiunea de dezechilibru este amplificata de amplificatorul A si se aplica unui motor, care prin intermediul unui reductor schimba pozitia cursorului rezistentei variabile. Cand puntea este adusa la echilibru prin varierea rezistentei reglabile, motorul se opreste. Pozitia cursorului va depinde de variatia rezistentei R_t. Prin urmare, pozitia cursorului rezistentei variabile poate indica direct (printr-o gradare corespunzatoare) valori ale temperaturii.