Traductoare electrice de temperatura

Traductoare electrice de temperatura

Termorezistentele

Deplasarea electronilor de conductie din metale (sau din aliajele acestora) este ingreunata de vibratiile atomilor in nodurile retelei cristaline. Deoarece amplitudinea vibratiilor este dependenta de temperatura, rezistivitatea electrica a metalelor va fi, la randul ei, dependenta de temperatura. Cunoscand dependenta de temperatura a rezistivitatii electrice a metalului, putem construi un senzor de temperatura bazat pe acest fenomen. Pentru marea majoritate a metalelor pure sau a aliajelor, aceasta dependenta poate fi scrisa, simplificat, sub forma:

(1)

unde a reprezinta coeficientul de variatie cu temperatura al rezistentei electrice. In general, a are valori pozitive, ceea ce inseamna rezistenta creste odata cu cresterea temperaturii.

Termorezistentele sunt sunt utilizate pe scara larga in industrie, pentru masurarea temperaturilor cuprinse intre -200 si +500 ^oC. Unul din cele mai folosite metale pentru constructia termorezistentelor este reprezentat de platina deoarece, desi este scumpa, se prelucreaza relativ usor si este stabila din punct de vedere chimic si fizic intr-o o gama larga de temperaturi si in diverse medii.

Termistoarele

Termistoarele sunt traductoare termorezistive realizate din materiale semiconductoare omogene. Variatia rezistentei unui termistor in functie de temperatura poate fi descrisa de relatia simplificata:

(2)

unde T este temperatura absoluta, iar b - o constanta ce depinde de natura materialului din care este construit termistorul. Asa cum se poate observa din relatia 2, termistoarele au un coeficient negativ de variatie al rezistentei in raport cu temperatura. In plus, dependenta este neliniara, necesitand o prelucrare matematica mai laborioasa pentru evaluarea parametrilor R­₍₀₎ si b. Cea mai simpla metoda consta in logaritmarea relatiei (2), de unde se obtine:

(3)

Prin reprezentarea grafica log(R­_(t)) = f (1/T), ordonata la origine corespunde valorii R₀ iar panta ofera informatii despre b.

In comparatie cu termorezistentele, termistoarele prezinta o serie de avantaje:

au o sensibilitate mai mare decat termorezistentele deoarece au coeficientul de variatie al rezistentei in raport cu temperatura mult mai mare;

prin alegerea unor termistori cu rezistenta mare, acestia pot fi folositi pentru masuratori la distanta, rezistenta conductorilor de legatura putand fi neglijata in raport valoarea termistorului;

au dimensiuni reduse si inertie termica mica.

Pe de alta parte, termistoarele prezinta si o serie de dezavantaje, printre acestea putandu-se mentiona o dispersie semnificativa a valorilor parametrilor (R₀ si b), caracteristica puternic neliniara precum si un domeniu de temperaturi de utilizare relativ restrans (uzual, intre -20 si +100 ^oC).

Termocupluri

Un termocuplu este ansamblul alcatuit din doua fire din materiale de conductibilitati diferite, sudate la unul dintre capete. Prin incalzirea locala a sudurii, la capetele libere apare o diferenta de potential, denumita tensiune termoelectromotoare. Valoarea acestei tensiuni depinde de natura materialelor din care este construit termocuplul si de diferenta dintre temperatura punctului de sudura (T) si a capetelor libere ale termocuplului (T₀), conform relatiei:

(4)

In practica, pentru domenii restranse de temperatura, relatia se poate simplifica sub forma:

(5)

Asa cum se poate observa din relatia (4), masurarea cu termocupluri este precisa numai daca se mentine constanta temperatura capetelor libere. Deoarece temperatura capetelor libere este adeseori variabila, fiind influentata de cea a sudurii, termocuplurile se prelungesc cu conductoare realizare din aceleasi materiale pana intr-o zona in care temperatura se poate mentine constanta. In cazul termocuplurilor din materiale nobile, aceste prelungiri pot fi realizate si cu materiale mai ieftine, insa identice d.p.d.v. termoelectric cu componentii termocuplurilor, astfel incat sa nu dezvolte tensiuni termoelectromotoare suplimentare la punctele de contact.

In functie de domeniul de aplicare, au fost puse la punct diferite modele de termocupluri, cele mai utilizate fiind cele pe baza de: platina si platina-rodiu (se pot utiliza pana la temperaturi de 1300 - 1400 ^oC), cromel si alumel (se pot utiliza in intervalul 0 - 1200 ^oC) sau fier si constantan (se pot utiliza in intervalul 0 - 550 ^oC).

Avantajul major al termocuplurilor este reprezentat de domeniul foarte larg de temperaturi de utilizare. In acelasi timp, termocuplurile prezinta si dezavantajul unei tensiuni termoelectromotoare de valoare redusa (de ordinul milivoltilor), necesitand utilizarea unor voltmetre de precizie si luarea unor precautii suplimentare privind mentinerea constanta a temperaturii capetelor libere ale termocuplului.

Jonctiunile semiconductoare

Tensiunea de-a lungul unei jonctiuni p-n polarizata direct prezinta o excelenta dependenta lineara de temperatura; astfel, orice dioda sau un tranzistor cu o jonctiune p-n poate fi un traductor de temperatura. Aceasta dependenta poate fi scrisa sub forma:

(6)

Avantajele utilizarii jonctiunilor p-n ca traductoare de temperatura constau in variatia liniara a U_(t) in functie de t si valoarea mare a coeficientului b. Ca dezavantaj se poate mentiona limitarea domeniului de utilizare la intervalul cuprins intre -20 si +100 ^oC.

Aplicatie

Pentru intervalul de temperatura cuprins intre 0 si 110 ^oC, studiati variatia de rezistenta pentru o termorezistenta si un termistor, tensiunea termoeletromotoare pentru un termocuplu Fe-constantan si tensiunea la bornele unei jonctiuni p-n. Datele se vor trece intr-un tabel de forma:

Pe baza reprezentarilor grafice R­_{(t), TR} = f (t), log(R­_(t)) = f (1/T), e_(t) = f (t) si U_(t) = f (t), determinati principalii parametri ai traductoarelor de temperatura studiate:

R₀ si a pentru termorezistenta;

R₀ si b pentru termistor;

e₀ si a pentru termocuplu;

U₀ si b pentru jonctiunea p-n