MĂSURAREA TEMPERATURII 2.. Traductoare termoelectrice (termocuplele) Termocuplul reprezintă un mijloc de măsurare a temperaturii cu o largă răspândire datorită avantajelor pe care le oferă faţă de alte mijloace de măsurare a temperaturii: are o construcţie simplă, preţ de cost redus, domeniul larg de măsurare a temperaturii şi poate fi conectat la diferite indicatoare, înregistratoare, semnalizare şi comandă. Un termocuplu reprezintă ansamblul a două conductoare omogene, de natură diferită, denumite termoelectrozi, sudate la unul din capete sudura este denumită joncţiune de măsurare care este imersat în mediul cu temperatura t de măsurat. La capetele libere, care constituie joncţiunea de referinţă, aflate la temperatura t 0, apare o tensiune termoelectromotoare E TC efect Seebeck a cărei valoare este dată de relaţia aproximativă: E TC = k TC (t-t 0 ) (2.) k TC - este sensibilitatea termocuplului, dependenta de natura celor doi termoelectrozi (uzual între 0,00 şi 0,07 mv/ C). E TC Fig. 2.. Schema de principiu a unui traductor de temperatură cu termocuplu Fig. 2.2. Elementele constructive ale unui termocuplu industrial termoelectrozi; 2 teacă de protecţie; 3 cutie de conexiuni; 4 placă de borne; niplu sudat; 6 flanşă fixă; 7 flanşă mobilă; 8 joncţiune de măsurare; capac; 0 acces conductoare de prelungire @207 /
Efectul Seebeck evidenţiat în 822 constă în apariţia a unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.) şi/sau a unui curent corespunzător într-un circuit format din două metale diferite ale căror joncţiuni se află la temperaturi diferite. Ulterior s-a demonstrat că efectul Seebeck este în fapt superpoziţia a altor două efecte distincte: efectul Peltier şi efectul Thomson. Efectul Peltier descoperit în 834 constă în răcirea sau încălzirea unei joncţiuni termoelectrice străbătute de curent şi depinde de sensul curentului prin joncţiune. Efectul Thomson descoperit în 84 constă în generarea sau absorbţia unei cantităţi de căldură în plus faţă de cea produsă de efectul Joule la trecerea curentului electric printr-un conductor sau semiconductor de-a lungul căruia există un gradient de temperatură, depinzând de sensul curentului. Deoarece procesele termoelectrice sunt reversibile s-a constatat că la alimentarea cu energie electrică a unui convertor termoelectric, fluxul de căldură îşi schimbă sensul, convertizorul trecând în regim de refrigerator. Apariţia unei diferenţe de temperatură la trecerea unui curent prin termoelement este dependentă de degajarea la una din joncţiuni şi absorbţia la cealaltă joncţiune a căldurii Peltier. Cabluri de prelungire şi compensare sunt utilizate la deplasarea joncţiunii reci a termocuplului de la locul de montaj până la aparatul de măsură, ele interpunându-se între bornele de conexiune ale termocuplului şi aparatul de măsură. Cablurile pot avea izolaţia din: PVC - rezistent până la 8 C; teflon - rezistent până la 20 C; cauciuc siliconic - rezistent pană la 80 C; fibră de sticlă - rezistent până la 400 C. Teci de protecţie ceramice se utilizează pentru protecţia termoelementelor termocuplelor pentru temperaturi cuprinse între 00 800 C în anumite medii agresive de funcţionare. Adaptor cu ieşire în semnal unificat (4 20 ma)l este dedicat echipării termorezistenţelor şi termocuplelor industriale, realizând conversia cu bună precizie a mărimii de intrare (tensiune în cazul termocuplelor sau rezistenţă în cazul termorezistenţelor) în curent unificat 4 20 ma. Adaptoarele sunt încasetate astfel încât să poată fi montate în interiorul unei cutii de borne pentru termorezistenţă sau termocuplu. Conectarea adaptorului Principalele perechi de materiale utilizate pentru termocupluri industriale sau de laborator sunt prezentate în tabelul 2.. @207 2/
Tabel 2.. Principalele perechi de materiale utilizate pentru termocupluri industriale Tip termocuplu Sensibilitatea Domeniul de Tensiune de ieşire termocuplului k TC temperatură [mv] [mv/ C] [ C] Platină - Rhodiu 0 700 0 2,426 Cromel - Connstantan 0,080-200 00-8,824 68,783 Fier - Constantan 0,0 0 70 0 42,283 Cromel - Alumel 0,043-200 20 -,73 0,633 Platină Rhodiu (3%) - Platină 0,03 0 40 0 6,74 Platină Rhodiu (0%) - Platină 0,0 0 40 0 4,73 Cupru - Constantan 0,046-200 30 -,602 7,86 Tensiunea termoelectromotoare funcţie de temperatură pentru termocupluri Cromel-Alumel (E); 2 Fier-Constantan (J); 3 Cupru Constantan (T); 4 Pallaplat; Cromel- Alumel (K); 6 WRe(3%)-WRe(2%); 7 WRe(%)-WRe(26%) (C); 8 PtRh(3%)-Pt (R); PtRh(0%)-Pt (S); 0 PtRh(30%)-PtRh(6%) (B) 2.2. Partea experimentală Lucrarea presupune existenta unui termocuplu cu doua suduri. Sudura reper B va fi introdusă într-un vas cu pereţi dubli ce va conţine apă şi gheaţă. Cealaltă sudură se va cufunda într-un vas (metalic sau de sticlă) care conţine apă, şi care se poate încălzi la o sursă de căldură exterioară. Tot în acest vas va fi montat un termometru cu mercur (T), de precizie ridicată - folosit drept etalon Tensiunea termoelectromotoare va fi citită cu un milivoltmetru (mv). Fig. 2.3. Instalaţia experimentală @207 3/
După ce se va turna apa şi gheaţa în vasul care conţine sudura reper a termocuplului se va omogeniza şi apoi, se agită apa din celălalt vas şi se măsoară temperatura acesteia cu ajutorul termometrului cu mercur. La această temperatură se face prima citire a tensiunii termoelectromotoare. Se vor repeta măsurătorile pentru mai multe temperaturi. Corespunzător fiecărei temperaturi se va nota indicaţia milivoltmetrului. Tabel 2.2. Tensiunea termoelectromotoare a termocuplului Fe - Constantan, pentru temperaturi din 0 C în 0 C când sursa rece este la 0 C Măsurătoare 0 2 3 4 6 7 8 0 T A [ C] - 0 20 30 40 0 60 70 80 0 00 T B [ C] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 E [mv] 0,00 0,2,0,8 2, 2,6 3, 3,73 4,26 4,82,37 k [mv/ C] - Coeficientul de sensibilitate a termocuplului se calculează cu relaţia: Să se reprezinte grafic pe hârtie milimetrică E=f(T A ). E k = T i+ Ai+ E T i Ai Aplicaţii. Două termometre, gradate în scara Celsius, respectiv Fahreinheit sunt introduse alăturat într-un vas cu ulei. Care este indicaţia termometrului gradat în scara Fahrenheit dacă cel gradat în scara Celsius indică temperatura de 62, C. t [ F] = t[ C] + 32 = 62, + 32 = 44, F 2. Să se exprime în scările de temperatură Celsius şi Fahrenheit temperatura punctului de topire al aurului T=337,8 K. t = T 273, = 337,8 273, = 064,43 C t [ F] = t[ C] + 32 = 064,43 + 32 = 47,7 F 3. Să se determine temperatura la care un termometru gradat în scara Celsius indică aceeaşi valoare ca şi termometru gradat în scara Fahreinheit. Punând condiţia ca temperatura celor două termometre să aibă aceeaşi valoare numerică se obţine: t [ C] = t[ F] = t[ C] + 32 t [ ] [ ] [ C] + 32 t C = t C + 32 t C = t C + 60 4 t C = 60 t C = [ ] [ ] [ ] [ ] 40 verificare: t [ F] = t[ C] + 32 = ( 40) + 32 = 40 4. Un termometru de sticlă cu mercur are volumul rezervorului de V=200mm 3, iar diametrul tubului capilar d=0, mm. Să se determine care este creşterea de temperatură, dacă mercurul s-a deplasat de-a lungul tubului capilar cu Δl=40 mm, coeficienţii de dilatare volumică fiind, pentru mercur α Hg =,8 0-4 K -, iar pentru sticla rezervorului α st =0,4 0-4 K -. Variaţia de volum a mercurului în tubul capilar se exprimă: @207 4/
2 2 πd π 0, 3 Δ V = Δl = 40 = 0,34 mm 4 4 Această creştere de volum a mercurului care intră în tubul capilar este egală cu diferenţa dintre creşterea de volum prin dilatare, a mercurului din rezervor şi a rezervorului de sticlă. Rezultă ca urmare: Δ V = V α ΔT V α ΔT = V α α Δ Hg st ( ) T din care se obţine variaţia de temperatură: ΔV 0,34 Δ = = 4 V α α 200,8 0 0,24 0 T 4 Hg st ( ) ( ) Hg st = 0 K. Un termometru cu rezistenţă de platină are la temperatura de 20 C, valoarea rezistenţei electrice R =4, Ω şi coeficientul de creştere a rezistenţei cu temperatura, α R = 4 0-3 grd -. Să se determine fracţiunea de temperatură care poate fi măsurată cu acest termometru dacă precizia puncţii Wheastone, la care el este conectat, este ΔR=0,00 Ω. Δ R = R α R ΔT ΔR 0,00 ΔT = = = 0,06 C 3 R α 4, 4 0 R @207 /