22
SISTEME DE MASURARE A MARIMILOR TERMICE 2.1. MĂSURAREA TEMPERATURII

Marimi termice

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Marimi termice

SISTEME DE MASURARE A MARIMILOR TERMICE

2.1. MĂSURAREA TEMPERATURII

Page 2: Marimi termice

2.1.1. Generalităţi

•Temperatura este cunoscuta de om prin simtul tactil

•Temperatura a putut fi masurata abia din sec.XVIII

•Temperatura este marime non-aditiva

•Primele termometre foloseau dilatarea

•Pentru definirea unitatii sau ales punctele de solidificare si fierbere ale apei - scara Celsius - sau punctul triplu al apei - scara Kelvin.

•In1927 s-a propus şi acceptat Scara Practică Internaţională de Temperaturi (International Practical Temperature Scale) care foloseste si alte puncte de referinta cum ar fi punctul de solidificare al aurului, etc.

•In sec.XIX s-au descoperit fenomene electrice dependente de temperatura: modificarea rezistentei, termocuplul etc.

•Se folosesc si legile radiatiei pentru masurarea temperaturii de la distanta

Page 3: Marimi termice

2.1.2. Traductoare de temperatură

Traductoarelor parametrice de temperatură sunt:• traductoarele termorezistive in doua variante:

- termorezistenţele- termistorii. - traductoarele integrate

• traductoare piezoelectrice. Traductoarele termorezistive proprietatea materialelor

conductoare sau semiconductoare de a-şi modifica rezistenţa electrică cu temperatura.

Traductoarele piezoelectrice isi modifica frecventa proprie de rezonanta cu temperatura.

Traductoarele integrate folosesc modificarea tensiunii baza-emitor a unui tranzistor bipolar cu temperatura.

Traductoarele generatoare de temperatura sunt:

• termocuplele

Page 4: Marimi termice

a) Termorezistenţele metaliceOrice metal îşi modifică rezistivitatea electrică cu variaţia

temperaturii () după o funcţie ce poate fi asemănată unei serii Taylor:

...])(1[ 20

• pentru intervale mai reduse de temperatură, coeficienţii , ..., ai funcţiei pot fi consideraţi constanţi

• în majoritatea aplicaţiilor se neglijeaza termenii superiori ai seriei

)](1[ 00 RRR - valoarea rezistenţei la temperatura R0 - valoarea rezistenţei la temperatura 0

- coeficientul constant dat în tabele pentru diferite metale pe intervale de temperatură apropiate de 0C.

• În practică se preferă tabele de valori ale rezistenţei traductorului la diverse temperaturi (din 10 în 10 C).

• metalele pure cele mai uzuale utilizate sunt: platina, nichelul, cuprul.

Page 5: Marimi termice

Metalul Domeniul de temperatură 0

C 1/C mPlatina -200+600 3,91.10-3 0,0983.10-6

Nichelul -100+300 5,43.10-3 0,0638.10-6

Cuprul -30+150 4,0.10-3 0,0178.10-6

• Termorezistenţele sunt realizate sub forma unui fir cu diametrul de 0,020,06 mm de lungime cuprinsă între 550 cm, bobinat bifilar (neinductiv) pe un suport izolant (textolit, steatit, mică, sticlă dură, porţelan) potrivit ales în funcţie de temperatura de lucru.• El este introdus într-un tub de protecţie din porţelan sau oţel inoxidabil (după mediul în care se introduce) având o flanşă de fixare cu filet sau şuruburi. • Valorile nominale ale termorezistenţelor la 0C sunt în general de 25, 50, 100 şi admit un curent maxim de 510 mA, au o constantă de timp de = 100ms10min, cu precizii de 0,05 1%.• Pentru utilizare, termorezistenţele au scoase în cutia de borne, trei fire, două de la un capăt şi unul de la celălalt al firului rezistiv.

Page 6: Marimi termice

b) Termistorii Sunt rezistoare realizate din materiale semiconductoare şi au o lege

de variaţie a rezistenţei cu temperatura de timp exponenţial:

)/1/1(0

0TTeRR

R - rezistenţa la temperatura T,R0 - rezistenţa la temperatura T0, - caracteristică de material.

Sensibilitatea termistorului nu este constantă şi are expresia:

2TR

dT

dRS

• Sensibilitatea scade cu pătratul temperaturii deci domeniul indicat de utilizare este cel al temperaturilor mici (-50+150C).• Termistoarele pot să-şi mărească rezistenţa cu temperaturia sau să şi-o micşoreze (cele mai utilizate) după semnul coeficientului .• Au valori nominale de la 10 la 200k, pot fi realizate ca discuri sau sfere cu diametre de 0,5 10 mm, şi de aceea au inerţii foarte mici.• Dezavantajele esenţiale sunt legate de caracteristica puternic neliniară, de dispersia mare a caracteristicilor, de modificarea în timp prin îmbătrânire.

Page 7: Marimi termice

c) Termocuplele Sunt perechi de conductoare din metale diferite sudate la un capăt,

numit punct cald, supus la temperatura mai ridicată, în timp ce capetele libere sunt la temperatură constantă mai scăzută.

Fenomenul termoelectric face să apară între capetele libere o tensiune numită termoelectromotoare dependentă de diferenţa: = -0.

32 )()()( e

Pentru intervale restrânse de temperatură, dacă 0=0C atunci: care este o relaţie liniară între tensiune şi temperatură.

Fig. 2.1. Traductoare termoelectrice.

Constanta depinde de natura metalelor; s-au căutat perechi de metale si aliaje cu cât mai mare pentru a avea o sensibilitate mare a măsurării.

Page 8: Marimi termice

Termocuplul Sensibilitate Domeniul de temperaturăV/C C

Fier - Constantan 50 -200+600Cu - Constantan 41 -200+200Cromel - Alumel 41 01100Pt - Pt+10%Rh 7 +500+1500

Termocuplul este introdus într-o structură mecanică de izolare şi protecţie asemănătoare ca la termorezistenţe

Page 9: Marimi termice

2.2.3. Termometre electrice.

– a) Termometre cu termorezistenţă Pentru realizarea termometrelor electrice cu termorezistenţă

schemele electrice cele mai folosite sunt: – scheme cu logometre magnetoelectrice, – scheme de punte în regim neechilibrat sau în regim echilibrat.

Termometrul cu logometrul magnetoelectric

Fig. 2.2. Termometre cu termorezistenţă şi logometru.

Page 10: Marimi termice

Variaţiile rezistenţelor de linie nu mai afectează măsurarea temperaturii deoarece logometrul măsurând raportul curenţilor, indicaţia lui nu va fi afectată de variaţiile egale ale curenţilor în cele două bobine.

22

11

2

1

RRR

RRRfc

I

Ifcc

la

l

• Rezistenţa Ra are rolul de reglaj. • Cu R scurtcircuitată se introduce R0 în circuit şi se reglează Ra până când logometrul indică o anumită temperatură corespunzătoare lui R0, după care acesta se scurcircuitează şi se reintroduce R în circuit.• Precizia unui astfel de termometru este determinată mai ales de precizia logometrului utilizat.

Termometrele cu punte în regim neechilibrat • Sunt în general mai sensibile dar şi puternic neliniare. • Pentru liniaritate trebuie utilizate două termorezistenţe în loc de una singură câte una pe fiecare din cele două braţe adiacente.

Page 11: Marimi termice

Fig. 2.3. Termometru cu termorezistenţă şi punte neechilibrată

Page 12: Marimi termice

b) Termometre cu termistor. • Sunt realizate pentru intervale de temperaturi cuprinse între -50 + +150C, cu scheme de liniarizare a caracteristicii de obicei electronice.• Ele sunt indicate la măsurarea câmpurilor de temperatură deoarece, având dimensiuni mici, nu perturbă distribuţia temperaturii. • Rezistenţa mare a termistoarelor face ca să nu mai fie necesară compensarea variaţiei cu temperatura a rezistenţelor de linie, deoarece acestea devin neglijabile. • Caracterizate prin timp de răspuns foarte scurt, sub 20 mA, aceste termometre sunt indicate în măsurările variaţiilor rapide de temperatură.

• Prin măsuri speciale s-au realizat termometre cu termistoare cu erori sub 0,05%. • O schemă care se pretează la afişarea digitală a temperaturii, utilizează termistorul în reţeaua RC a unui oscilator, frecvenţa de oscilaţie fiind dependentă de temperatură, după relaţiile:

32

32

211

)(,

2

1

RRR

RRRR

CCRRf e

e

Page 13: Marimi termice

Fig. 2.4. Termometru cu termistor

• Rezistenţele R2 şi R3 servesc la liniarizarea caracteristicii termistorului.• Asemenea scheme au însă intervale mai mici de măsurare (050C) pentru a avea o liniaritate acceptabilă a termistorului şi timpi mai lungi de răspuns. • Frecvenţa de ieşire este în gama 102103 Hz. Precizia 0,50,1%.

Page 14: Marimi termice

c) Termometru cu cuarţ.Un cristal de cuarţ are frecvenţa vibraţiei de rezonanţă dependentă

de temperatură după o lege de forma:

....])()()(1[ 30

2000 cbaff

Prin alegerea potrivită axelor de tăiere a feţelor cristalului se obţine b = 0 şi c = 0 astfel că dependenţa frecvenţei de temperatură devine liniară.

)()(

)](1[

00001

001

kfafff

aff

Fig. 2.5. Schema de principiu a termometrului cu cuarţ

Page 15: Marimi termice

• Schema termometrului trebuie să permită măsurarea cu precizie a diferenţei f1 - f0.

• Ea conţine două cuarţuri identice, unul termostat la temperatura , iar celălalt aflat la temperatura de măsurat (fig. 2.5).

• Cele două frecvenţe sunt amestecate într-un sumator care va furniza la ieşire suma şi diferenţa lor.

• Un filtru trece jos (FTJ) extrage diferenţa f1 - f0, care va fi măsurată cu o schemă de frecvenţmetru numeric, format din baza de timp B.T, bloc de comandă BC, circuite poartă CP şi bloc de afişare (N,M,A).

• Cu un cristal potrivit ales s-a obţinut o sensibilitate de 1000 Hz/C deci o rezoluţie de 10-4 dacă se citeşte şi 0,1Hz.

• Gama de temperaturi măsurată poate fi -40+230C cu erori maxime de măsurare de 0,1C.

Page 16: Marimi termice

d) Termometre de radiaţie totală.• Termometrele electrice de radiaţie numite şi pirometre datorită temperaturilor mari pe care le măsoară (10001400C) nu au cu elemente în contact cu sursa de căldură.• Ele utilizează fenomenele de radiaţie totală sau parţială (de culoare) ale obiectului supus măsurării.• Energia totală radiată pe o unitate de suprafaţă în unitatea de timp de un corp negru este dependentă de temperatură după legea Stefan-Boltzman:

]/[10.67,5, 2284 KmWTE

Fig. 2.6. Pirometre

a)cu radiaţie totală, b)cu radiaţie parţială.

Page 17: Marimi termice

• Energia absorbită de un corp negru va produce încălzirea lui după aceeaşi lege.• Cadranul milivoltmetrului poate fi gradat direct în C prin etalonarea întregului ansamblu.• Indicaţia pirometrului nu depinde de distanţa de aşezare, cu condiţia ca plăcuţa să primească pe toată suprafaţa energie radiantă.• Din cauza absorbţiei mai pronunţate de către L1 a radiaţiilor ultraviolete şi infraroşii, scala aparatului este mult comprimată în domeniul 0800C unde de altfel aparatul nu se foloseşte. • Intervalul uzual de temperatură fiind 8002000C. Erorile de măsurare la aceste aparate sunt de 12,5%.• Pentru corpuri care nu sunt negre, este necesară corecţia indicaţiei cu un coeficient de absorbţie (sau emisie), care reprezintă raportul dintre energia absorbită şi energia totală primită restul fiind transmisă sau reflectată.(coeficientul de corp cenusiu).

Page 18: Marimi termice

e) Termometre de radiaţie parţială (de culoare).• Folosesc numai radiaţii de o anumită lungime de undă din spectrul vizibil sau dintr-o bandă foarte îngustă.• Cel mai utilizat tip este pirometrul cu dispariţie de filament. • El se compune din:

- lentilele L1 şi L2 ale obiectivului şi ocularului, - un filament de wolfram sau tungsten închis într-o capsulă vidată sau cu gaze inerte, plasat în focar,- filtrul de culoare FC; lasă să treacă spre operator numai radiaţia cu o anumită lungime de undă (roşu, portocaliu =650nm).

• Operatorul va vedea filamentul pe fondul corpului radiant ce se măsoară.• Din reostatul R se reglează curentul I până filamentul nu se mai deosebeşte de corpul radiant (CR). • În acest moment filamentul are aceeaşi temperatură cu CR.• Temperatura maxima a filamentul poate fi de 15001800C, • Pentru extinderea domeniului de temperatură până la 3000C se folosesc filtre F cu transparenţă cunoscută plasate în faţa obiectivului.• Scala miliampermetrului poate fi gradată direct în grade, precizia acestor aparate atingând şi 0,20,5% datorită principiului de compensare optică.

Page 19: Marimi termice

2.2. MĂSURAREA CANTITĂŢII DE CĂLDURĂ

v mc

cD c D cdt

dQ

Măsurarea electrică a fluxului de căldură vehiculat de un agent termic (apă, abur etc.) ţine seama de mărimile ce compun acest flux:

Cantitatea de căldură într-un interval de timp T se obţine prin contorizare:

dtQt

t

c2

1

Pentru măsurarea cantităţii de căldură trebuie convertite în mărimi electrice debitul D şi diferenţa de temperatură , trebuie efectuat produsul lor şi integrat acest produs.

Page 20: Marimi termice

• Pentru conversia electrică a debitului se utilizează un traductor compus care furnizează în final un tren de impulsuri cu frecvenţa proporţională cu debitul.• Pentru măsurarea diferenţei de temperatură se pot utiliza termocuple pentru temperaturi mai mari (abur) sau termorezistenţe pentru temperaturi mai mici (apă).

Fig. 2.7. Contor pentru măsurarea fluxului termic şi a cantităţii de căldură.

Page 21: Marimi termice

Schema de principiu a unui contor pentru măsurarea cantităţii de căldură poate contine:

- termocuple şi

- debitmetru cu turbină sau rotor şi ieşire în impulsuri.

- CNA care converteste diferenţa de tensiune e de la termocuple într-un semnal numeric.

- multiplicatorul realizează multiplicarea acestui semnal cu debitul şi furnizează o mărime numerică proporţională cu debitul de căldură.

- Integratorul care furnizeaza un semnal proportional cu cantitatea de căldură livrată consumatorului.

- EPROM memorie nevolatilă in care sunt înmagazinate mărimile măsurate.

- microprocesor specializat care se ocupa cu gestiunea măsurărilor, operaţiile de calcul si operaţii de transfer la distanţă prin porturi standard (RS 232, USB etc.) sau prin unde radio.

Page 22: Marimi termice

• În cazul măsurării diferenţei de temperatură cu termorezistenţe se utilizează o punte alimentată cu tensiune constantă ce furnizează un semnal de dezechilibru proporţional cu variaţia celor două termorezistenţe.

• În locul debitmetrelor cu turbină sau rotor, care necesită întreţinere periodică şi sunt mai puţin fiabile se utilizează din ce în ce mai mult debitmetre cu ultrasunete bazate pe efect Doppler care nu au piese în mişcare şi nu necesită întreţinere. Din cauza electronicii mai complicate aceste contoare de căldură sunt ceva mai scumpe.

• Astfel de contoare de căldură au erori cuprinse între 0,51%.

• Datorită evoluţiei circuitelor integrate şi a scăderii preţului de cost, astfel de contoare se montează acum şi pentru consumatorii medii de energie termică (blocuri de locuinţe, scări de bloc, secţii de fabricaţie etc.)

• Unitatea de măsură utilizată este gigacaloria (G cal) deşi nu este cuprinsă în sistemul de unităţi SI.