Termometru folosind ca Senzor un Termocuplu

Capitolul 1

Introducere

Temperatura reprezintă una dintre marimile cele mai frecvent măsurate în numeroase domenii datorită faptului că în majoritatea proceselor fizice, chimice, biologice naturale sau artificiale, intervin fenomene de natură termică. Se apreciază că în aplicaţiile industriale, în medie 50% din totalul punctelor de măsurare şi peste 20 din cel al buclelor de reglare au ca obiect temperatura sau alte mărimi termice.

Supravegherea şi/sau reglarea temperaturii pot fi întâlnite practic în toate ramurile industriale, principalele scopuri fiind optimizarea fluxurilor termice în procesele tehnologice, întocmirea bilanţurilor de energie termică, evaluarea şi reducerea pierderilor prin transfer de căldură, asigurarea şi menţinerea anumitor condiţii climatice în fazele de producţie, depozitare sau transport etc.

Valorile temperaturilor care trebuiesc măsurate variază în limite largi de la –200C până la 3000C ÷ 3500C. Date fiind implicaţiile tehnico-economice deosebite, măsurările trebuie efectuate cu precizie ridicată şi mijloacele de măsurare utilizate să nu exercite influenţe nedorite asupra proceselor respective.

Mediile ale căror temperaturi se măsoară se pot afla în oricare dintre cele trei stări de agregare posibile. Pot astfel să apară situaţii foarte variate, de exemplu măsurarea temperaturii unor fluide sau chiar solide în mişcare, măsurări de temperaturi locale sau pe suprafete mari, în zone şi la distanţe uşor accesibile sau dimpotrivă.

În acest context şi ţinând seama că practica măsurării şi reglării temperaturii are o istorie îndelungată (cu mult înainte de definirea ştiinţifică a noţiunilor de temperatură şi caldură), au fost dezvoltate numeroase tipuri de aparate de măsurat şi de traductoare de temperatură. Principiile care stau la baza funcţionării acestora derivă, în esenţă, din dependenţa de temperatură a anumitor proprietăţi fizice şi chimice ale corpurilor în stare solidă, lichidă sau gazoasă.

Dezvoltările ştiiinţifice şi tehnologice din ultimul sfert de secol au lărgit considerabil gama fenomenelor susceptibile de a furniza semnale reprezentând valorile temperaturii, cu precizie ridicată şi în condiţii tehnico-economice adecvate aplicaţiilor industriale.

Perfecţionarea dispozitivelor electronice, introducerea accelerată a mijloacelor de calcul în toate domeniile, determină tendinţa înlocuirii termometrelor indicatoare cu traductoare de temperatură care ofera posibilităţi multiple de transmisie şi stocare a informaţiei.

Pentru măsurarea temperaturii se recurge la un corp termometric ale cărui proprietăţi fizice variază cu temperatură. Indicarea temperaturii se obţine prin stabilirea echilibrului termodinamic între corpul al cărui temperatura se dorelte a fi stabilită şi corpul termometric, stare în care, transferul de căldura dintre acestea se anulează.

Metodele şi aparatele folosite pentru măsurarea temperaturii se clasifica în funcţie de proprietatea fizică a corpului termometric utilizată în acest scop. În general, se foloseşte variaţia următoarelor proprietăţi fizice ale materialelor sau corpurilor termometrice funcţie de temperatură:

-variaţia dimensiunilor liniare ale unor corpuri solide cu temperatura (termometre cu tub şi tijă, termometre cu lamă bimetalică);

-variaţia volumului funcţie de temperatură a unor lichide în tuburi capilare (termometre cu lichid);

-variaţia presiunii funcţie de temperatură a unor vapori, gaze sau lichide aflate într-un volum închis (termometre manometrice);

-variaţia funcţie de temperatură a rezistenţei electrice a unor conductoare

(termorezistente) şi semiconductoare (termistoare, traductoare termorezistive);

-apariţia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.) la capetele libere a două conductoare diferite, sudate între ele, când sudura se află la temperatura de măsurat iar capetele libere la o temperatura cunoscută şi constanta (termocupluri);

-acţiunea termică şi distribuţia spectrală a energiei radiate de un corp încălzit (pirometre optice cu radiaţie totală, pirometre optice cu benzi de radiaţie, pirometre spectrale şi pirometre cu dispersie sau de culoare);

-alte metode bazate pe variaţia proprietăţilor fizice şi chimice ale corpurilor.

Capitolul 2

Posiblităţi de măsurare a temperaturii cu termocuplu

Termoelectricitatea reprezintă relaţia dintre temperatura unei substanţe şi energia electrică. Termoelectricitatea studiază curenţii şi tensiunile de origine termică, în acest domeniul fiind prezente efectul Seebeck, efectul Thomson, şi efectul Peltier. În cadrul acestei lucrări se va face referire doar la efectul Seebeck – fenomen ce stă la baza funcţionării termocuplului.

Efectul Seebeck constă în apariţia unei tensiuni electromotoare nete într-un circuit cu două joncţiuni între metale diferite, aflate la temperaturi diferite.

Fie circuitul din fig. 1:

Fig. 2 Explicarea efectului Seebeck

în care sunt puse în contact (sudate) o pereche de două materiale formând o buclă închisă.

De menţionat este faptul că cele două joncţiuni (Joncţiunea 1, respectiv Joncţiunea 2) se află la temperaturi diferite. Astfel bucla va fi parcursă de un curent electric a cărui intensitate depinde de diferenţa dintre temperaturile celor două joncţiuni.

Pentru aceleaşi două materiale diferite şi o aceeaşi diferenţă de temperatură dintre joncţiuni, tensiunea electromotoare netă (suma algebrică a celor două t.e.m.) este aceeaşi. Ea poate fi măsurată şi calibrată în unităţi de masură a temperaturii. Dacă cele două joncţiuni se află la aceeaşi temperatură, tensiunea electromotoare netă este nulă.

În momentul în care temperatura uneia dintre cele două joncţiuni începe să se schimbe, apare o t.em. netă, care este cu atât mai mare cu cât diferenţa dintre temperaturi este mai mare. Acesta este principiul pe care se bazează funcţionarea termocuplului.