Mǎsurarea temperaturii - cuptoare electrice cu rezistoare

M surarea temperaturii - cuptoare electrice cu rezistoare

Traductoare de temperatur

Mǎsurarea temperaturii se bazeazǎ pe diferite fenomene si efecte fizice, in care modificarea temperaturii determinǎ modificǎri ale unor proprietǎti sau caracteristici ale materialelor: variatia dimensiunilor geometrice, variatia rezistentei electrice, aparitia unei tensiuni electromotoare de-a lungul jonctiunii a douǎ metale, variatia intensitǎtii radiatiei emise, variatia frecventei de rezonantǎ a unui cristal de cuart etc. Acuratetea procesului de mǎsurare a temperaturii este foarte importantǎ pentru cele mai multe aplicatii de control a diferitelor procese tehnologice.

In Tabelul 2.1 sunt prezentate patru dintre cele mai utilizate tipuri de traductoare de temperaturǎ, impreunǎ cu cateva caracteristici semnificative ale lor.

Termocuplurile sunt capabile sǎ mǎsoare temperaturi extreme dar necesitǎ tehnici de realizare a temperaturii de referintǎ, sunt neliniare si au un nivel mic al semnalului de iesire. Senzorii de temperaturǎ cu semiconductori se preteazǎ la realizarea lor sub formǎ integratǎ, au un nivel mare al semnalului de iesire dar acoperǎ un domeniu relativ restrans de temperaturi.   Termometrele cu rezistentǎ metalicǎ au o acuratete si o liniaritate mai bune, dar necesitǎ o sursǎ de energie de excitare si un circuit de mǎsurǎ de tip punte. Termistorii au cea mai mare sensibilitate, dar sunt puternic neliniari.

Termocuplul

Termoelectricitatea este relatia dintre temperatura unei substante si energia electricǎ. In anumite conditii energia electricǎ si cǎldura pot fi convertite reciproc. Dacǎ variatiile energiei electrice datorate conversiei energiei termice pot fi mǎsurate, acestea pot fi corelate cu temperatura substantei.

Fig. 2.1

Atunci cand o pereche de douǎ metale diferite sunt sudate formand o buclǎ inchisǎ, iar cele douǎ jonctiuni se aflǎ la temperaturi diferite (fig.2.1), bucla va fi parcursǎ de un curent electric a cǎrui intensitate depinde de diferenta dintre temperaturile jonctiunilor. Acesta este efectul Seebeck care este folosit pentru mǎsurarea temperaturilor.

Efectul Seebeck constǎ in aparitia unei tensiuni electromotoare nete intr-un circuit cu

douǎ jonctiuni intre metale diferite, aflate la temperaturi diferite.

Pentru aceleasi douǎ metale diferite si o aceeasi diferentǎ de temperaturǎ dintre jonctiuni, tensiunea electromotoare netǎ (suma algebricǎ a celor douǎ t.e.m.) este aceeasi. Ea poate fi mǎsuratǎ si calibratǎ in unitǎti de mǎsurǎ a temperaturii.

Dacǎ cele douǎ jonctiuni se aflǎ la aceeasi temperaturǎ, tensiunea electromotoare netǎ este nulǎ. In momentul in care temperatura uneia dintre cele douǎ jonctiuni incepe sǎ se schimbe, apare o t.e.m. netǎ, care este cu atat mai mare cu cat diferenta dintre temperaturi este mai mare. Acesta este principiul pe care se bazeazǎ functionarea termocuplului.

Fig. 2.2

Termocuplul este compus din douǎ fire metalice diferite sudate, astfel incat sǎ formeze un

circuit inchis (fig.2.2). Sonda propriu-zisǎ este reprezentatǎ de una din jonctiuni (jonctiunea de mǎsurǎ sau jonctiunea caldǎ) care poate fi pusǎ intr-o manta protectoare. Ea poate fi plasatǎ in mediul a cǎrui temperaturǎ vrem sǎ o mǎsurǎm. Mǎrimea si sensul curentului care va parcurge circuitul atunci cand jonctiunile se aflǎ la temperaturi diferite depinde de diferenta de temperaturǎ si de tipul metalelor folosite. De regulǎ, t.e.m. rezultantǎ este micǎ (de ordinul mV). Un voltmetru conectat in circuit reprezintǎ "iesirea" pentru utilizator si este calibrat in unitǎti de temperaturǎ.

Pentru o bunǎ acuratete a rezultatelor, cea de-a doua jonctiune (jonctiunea de referintǎ sau jonctiunea rece) trebuie mentinutǎ la o temperaturǎ constantǎ, eliminand astfel erorile datorate driftului termic. Jonctiunea de referintǎ este denumitǎ si jonctiune rece, chiar dacǎ temperatura ei (de regulǎ 0^oC) poate fi mai mare decat temperatura jonctiunii de mǎsurǎ.

T.e.m. rezultantǎ nu este influentatǎ de dimensiunile conductorilor, de ariile suprafetelor

jonctiunilor sau de modul in care sunt sudate metalele.

Metalele tipice folosite pentru constructia termocuplurilor sunt rodiul, aliajele de nichel si crom, aliajele de aluminiu si nichel sau aliajele de nichel si cupru. Metalele care se imperecheazǎ cu acestea sunt platina, cuprul si fierul. Incinta de protectie in care este introdusǎ jonctiunea de mǎsurǎ trebuie sǎ fie rezistentǎ din punct de vedere mecanic si la mediile corozive.

In Tabelul 2.2 sunt prezentate tipurile de termocupluri si caracteristicile lor, precum si notatiile internationale folosite pentru ele, iar in fig.2.3 caracteristicile electrice ale lor.

Tabelul 2.2

Cromel - aliaj 90%Ni + 10%Cr

Constantan  - aliaj 55%Cu + 45%Ni

Alumel - aliaj Ni + Al

Termocuplurile sunt folosite pe scarǎ largǎ la mǎsurarea temperaturilor solidelor, lichidelor sau gazelor:

in furnale;

metale topite;

in reactoare nucleare;

monitorizarea temperaturii in timpul operatiilor medicale;

- mǎsurarea temperaturii obiectelor foarte mici, de exemplu a componentelor electronice;

semiconductoare.

In general, ele sunt ieftine si versatile. Utilizand termocupluri se pot mǎsura temperaturi de la - 265°C panǎ la + 2300°C cu o precizie care depinde de felul metalelor folosite pentru constructia lor. Dintre senzorii cu care temperatura se mǎsoarǎ direct, termocuplurile acoperǎ cel mai larg domeniu de temperaturǎ. Ele rǎspund destul de rapid la variatiile de temperaturǎ, dar au o acuratete mai micǎ decat termometrele cu rezistentǎ metalicǎ.

Fig.2.3

Cea mai la utilizatǎ metodǎ de mentinere la o temperaturǎ constantǎ a jonctiunii de referintǎ era plasarea ei intr-o baie de apǎ cu gheatǎ aflatǎ la 0^oC. Azi este insǎ mult mai practic sǎ se foloseascǎ metode electronice de realizare a tensiunii de referintǎ corespunzatoare temperaturii de 0°C, chiar dacǎ temperatura jonctiunii rece este la o altǎ temperaturǎ. In fig. 2.4. este prezentatǎ o schemǎ bloc a unui circuit electronic destinat acestui scop.

Fig. 2.4

Jonctiunea de referintǎ aflatǎ la o temperaturǎ oarecare este plasatǎ intr-un bloc izoterm a cǎrui temperaturǎ t, este mǎsuratǎ de un alt senzor de temperaturǎ. Semnalul electric (curent sau tensiune) furnizat de senzor este aplicat unui circuit electronic care furnizeazǎ la iesirea sa o tensiune (Ucomp) care compenseazǎ diferenta dintre tensiunea jonctiunii la temperatura t si tensiunea ei la 0°C.

Circuitul electronic de compensare poate fi realizat de exemplu cu un amplificator operational conectat ca aplificator diferential.

Analizand schema din fig.8 se poate observa cǎ:

U_ies - U_comp = V(t₁) - V(t₂)  (2.1)

Tensiunea de la iesirea comparatorului este functie de temperatura blocului izoterm. Calibrarea dispozitivului de mǎsurare se face in felul urmǎtor: se plaseazǎ jonctiunea de mǎsurǎ la 0°C si se ajusteazǎ amplificarea circuitului de compensare astfel incat tensiunea de iesire sǎ fie de 0°V. In aceste conditii:

-U_comp = V(0°C) - V(t₂) (2.2)

Substituind tensiunea de la iesirea comparatorului datǎ de relatia (9) in expresia tensiunii de iesire datǎ de relatia (8), se obtine pentru tensiunea de iesire la o temperaturǎ oarecare t₁ , expresia:

U_ies = V(t₁) - V(0°C) (2.3)

Este evident cǎ relatia precedentǎ este valabilǎ doar in conditiile in care temperatura jonctiunii de referintǎ este mentinutǎ constantǎ prin intermediul blocului izoterm.

Senzori rezistivi

Termometrele cu rezistentǎ metalicǎ acoperǎ un domeniu relativ larg de temperaturi, fiind folosite pentru mǎsurarea temperaturii gazelor si lichidelor, a temperaturii suprafetelor unor solide sau temperaturii din interiorul unor solide usoare. Ele sunt stabile si rezistente la conditii de mediu neprietenoase, fiind des intalnite in industria chimicǎ (pentru mǎsurarea temperaturii lichidelor corozive sau pulberilor) sau industria alimentarǎ (pentru mǎsurarea temperaturii produselor alimentare, cum ar fi carnea). Termometrele cu rezistentǎ metalicǎ au o acuratete bunǎ dar un rǎspuns lent in timp, fiind destul de fragile si uneori scumpe.

Conductibilitatea electricǎ a unui metal depinde de deplasarea electronilor prin reteaua sa

cristalinǎ. Datoritǎ excitǎrii termice, rezistenta electricǎ a unui conductor metalic variazǎ in functie de temperaturǎ. Marea majoritate a metalelor au un coeficient de temperaturǎ al rezistentei pozitiv (rezistenta electricǎ a lor creste odatǎ cu cresterea temperaturii). Pe domenii restranse de temperatur dependenta rezistentei unui conductor metalic de temperaturǎ este aproape liniarǎ. Pe domenii mai largi de temperaturǎ ea este neliniarǎ si poate fi scrisǎ sub forma:

R_t = R₀ (1 + αt + βt² + γt³ + ..) (2.4)

unde,

- Ro este rezistenta in ohmi a conductorului la o temperaturǎ de referintǎ (de regulǎ 0^oC),

- Rt este rezistenta in ohmi a conductorului la temperatura t^oC,

- a este coeficientul de temperaturǎ al rezistentei materialului,

- β, γ. sunt coeficienti de neliniaritate.

Aceastǎ dependentǎ de temperaturǎ a rezistentei electrice a metalelor stǎ la baza folosirii lor in termometrele cu rezistentǎ metalicǎ.

Metalele cele mai folosite ca traductori de temperaturǎ sunt platina, cuprul si nichelul.

Valorile standardizate pentru rezistentǎ la temperatura de referintǎ Ro (valori nominale) sunt 10, 50,100 , 500 si 1000 ohmi. In Tabelul 2.3 sunt prezentate caracteristicile acestor materiale, cu precizarea cǎ ele se referǎ la termometre cu rezistenta nominalǎ de 100 ohmi.

Dintre metalele folosite ca senzori rezistivi de temperaturǎ, mentionate in Tabelul 2.3, cel mai folosit este platina. Desi este foarte scumpǎ, ea are avantajul de a fi un material de referintǎ pentru standardele internationale. Platina este un metal stabil si are calitatea de a nu se volatiliza apreciabil la temperaturi panǎ la 1000^oC. In schimb ea poate fi contaminatǎ de gaze in atmosfere reducǎtoare si actioneazǎ ca un catalizator in prezenta anumitor hidrocarburi. De aceea termometrele cu fir de platinǎ sunt de obicei incapsulate.

Nichelul cu un grad inalt de puritate, are cea mai mare variatie a rezistentei cu temperaturi intre 0 si 100°C. Peste 300°C coeficientul sǎu de temperaturǎ scade brusc, iar caracteristica sa este puternic neliniarǎ.

Cuprul se oxideazǎ usor si isi pierde puritatea, ceea ce il face mai putin utilizabil. Pentru mǎsurarea temperaturilor de peste 1000°C poate fi utilizat wolframul.

Tabelul 2.3

Expresia reprezintǎ un parametru aditional pentru caracterizarea termometrelor cu rezistentǎ metalicǎ, cunoscut sub denumirea de coeficient mediu de temperaturǎ intre 0 si 100°C.

Existǎ diverse configuratii geometrice in care sunt construiti senzorii termometrelor cu rezistentǎ metalicǎ, in functie de aplicatia concretǎ cǎreia ii sunt destinate. In fig. 2.5 este prezentatǎ schematic una dintre ele. Firul metalic este infǎsurat pe un tub ceramic si fixat in interiorul unei incinte de protectie formand sonda de temperaturǎ.

Fig. 2.5

Ea este conectatǎ in ramura de mǎsurǎ a unei punti Wheatstone de curent continuu. Dupǎ ce puntea a fost echilibratǎ la temperatura de referintǎ, dezechilibrul ei va fi functie de temperaturǎ. Aceasta va fi indicatǎ de cǎtre voltmetrul din ramura de mǎsura a puntii, etalonat in unitǎti de temperaturǎ.

Curentul care parcurge senzorul rezistiv trebuie sǎ fie suficient de mic astfel incat sǎ nu determine cresterea temperaturii acestuia prin efect Joule. Practic se acceptǎ o crestere cu maximum 0,5^oC a temperaturii senzorului datoratǎ curentului de excitare. Un alt efect care poate introduce erori in procesul de mǎsurare este cǎderea de tensiune pe firele de conexiune dintre senzor si sistemul de mǎsura, mai ales dacǎ acestea sunt lungi si au rezistente comparabile cu ale senzorului.

Acest efect poate fi compensat prin adǎugarea unor conductori de compensare in ramura puntii adiacentǎ cu sonda, ca in fig.2.5, sau folosind metoda celor 4 fire (conexiunea Kelvin). Aceast metodǎ se foloseste mai ales atunci cand distanta de la sondǎ la sistemul de mǎsura si afisare a temperaturii este mare. O astfel de sondǎ este prezentatǎ in fig. 2.6.

Fig.2.6

Schema electricǎ echivalentǎ a sondei si sistemului de mǎsura este prezentatǎ in fig.2.7.

Alimentarea sondei se face cu o sursǎ de curent constant aflatǎ in apropierea ei, prin conductoare scurte.

Fig. 2.7

Mǎsurarea tensiunii pe senzorul rezistiv se face fie cu un voltmetru digital cu impedantǎ de intrare foarte mare, etalonat in unitǎti de temperaturǎ, fie cu un amplificator operational sau de instrumentatie. In ambele cazuri curentul care parcurge conductoarele de mǎsurǎ este foarte mic, astfel incat cǎderea de tensiune pe ele este mult mai micǎ decat cǎderea de tensiune pe renzorul rezistiv.

In cazul in care domeniul de temperaturi mǎsurate este mare si variatia rezistentei senzorului nu mai poate fi consideratǎ liniarǎ, rǎspunsul lui poate fi liniarizat folosind o punte cu amplificator operational (punte activǎ), senzorul rezistiv fiind plasat in ramura de curent constant (ramura de reactie negativ a amplificatorului operational). Dacǎ semnalul de la iesirea puntii astfel realizatǎ nu este suficient de mare el poate fi amplificat cu un al doilea amplificator operational sau de instrumentatie. O schemǎ de principiu care aplicǎ acestǎ metodǎ este arǎtatǎ in fig. 2.8:

Fig. 2.8

Se poate demonstra usor cǎ tensiunea de dezechilibru a unei punti de curent continuu ca cea din fig. 2.9 este:  U_CD = *

Fig. 2.9 Fig. 2.10

Dupǎ cum se vede, dependenta ei de variatia ∆R a unei rezistente este neliniarǎ. Neliniaritatea rǎspunsului unei punti pentru E = 5V si Ro = 100 Ω se poate observa si in reprezentarea graficǎ din fig.2.10, in care pentru R am considerat un domeniu mare de variatie pentru o mai bunǎ vizualizare a neliniaritǎtii.

Vom arata acum cǎ folosind o schemǎ ca cea din fig.2.8, pe de o parte se liniarizeazǎ rǎspunsul puntii de mǎsura, iar pe de alta, se amplificǎ semnalul de iesire al acesteia. Pentru aceasta vom redesena schema din fig.2.8 astfel incat sǎ se observe mai bine rolul fiecǎrui amplificator operational (fig. 2.11). La o observare atentǎ se va vedea cǎ cele douǎ scheme sunt identice.

Fig.2.11

Amplificatorul operational AO₁ lucreazǎ in conexiune inversoare, tensiunea la iesire fiind:

v₁ = - * E (2.6)

Scriind expresia termorezistentei la o temperaturǎ oarecare T ca:

R_T = R_T0 + ∆R_T  (R_T0 este valoarea termorezistentei la 0^oC), se vede cǎ tensiunea de iesire v₁ este liniar dependentǎ de variatie ∆R_T a acesteia.

Amplificatorul operational AO₂ lucreazǎ in conexiune sumatoare. El insumeazǎ ponderat

tensiunea v₁ cu tensiunea de referintǎ, furnizand la iesire tensiunea:

v₀ = - v₁ - E = * E - E (2.7)

Tinind cont de conditia de echilibru a unei punti de curent continuu, este oportun sǎ se aleagǎ R₁=R₂, astfel incat relatia precedentǎ va deveni:

v_o = * () * E

Dacǎ impunem conditia ca la temperatura de 0°C tensiunea de iesire sǎ fie nulǎ, atunci trebuie sǎ alegem R₃=R_T0, astfel incat expresia finalǎ a tensiunii de iesire va avea forma:

v_o = * () * E

sau fǎcand substitutia R_T = R_T0 + ∆R_T se obtine:

v_o = * * E (2.10)

Astfel, tensiunea de iesire a traductorului compus din senzorul de temperaturǎ si electronic de mǎsurǎ va avea douǎ avantaje majore fatǎ de traductorul cu punte simplǎ:

dependenta tensiunii de iesire de variatia rezistentei senzorului este liniarǎ;

tensiunea de dezechilibru a puntii este amplificatǎ.

Mǎrimea amplificǎrii poate fi ajustatǎ modificand valoarea rezistentei R₄ din reteaua de reactie a amplificatorului sumator.