LA ASM

UNIVERSITATEA TEHNICA DIN CLUJ-NAPOCA

FACULTATEA DE MECANICA   

SPECIALIZAREA MECANICA FINA

PROIECT LA ASM

MASURAREA TEMPERATURILOR

1.1. Notiuni generale

Temperatura este o marime de stare termica ce caracterizeaza gradul de incalzire al corpurilor .

Pentru masurarea temperaturii se recurge la un corp termometric ale carui proprietati fizice variaza cu temperatura. Indicarea temperaturii se obtine prin stabilirea echilibrului termodinamic intre corpul al carui temperatura se doreste a fi stabilita si corpul termometric, stare in care, transferul de caldura dintre acestea se anuleaza.

Metodele si aparatele folosite pentru masurarea temperaturii se clasifica in functie de proprietatea fizica a corpului termometric utilizata in acest scop. In general, se foloseste variatia urmatoarelor proprietati fizice ale materialelor sau corpurilor termometrice functie de temperatura:

-variatia dimensiunilor liniare ale unor corpuri solide cu temperatura (termometre cu tub si tija, termometre cu lama bimetalica);

-variatia volumului functie de temperatura a unor lichide in tuburi capilare (termometre cu lichid);

-variatia presiunii functie de temperatura a unor vapori, gaze sau lichide aflate intr-un volum inchis (termometre manometrice);

-variatia functie de temperatura a rezistentei electrice a unor conductoare (termorezistente) si semiconductoare (termistoare) (traductoare termorezistive);

-aparitia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.) la capetele libere a doua conductoare diferite, sudate intre ele, cand sudura se afla la temperatura de masurat iar capetele libere la o temperatura cunoscuta si constanta (termocupluri);

-actiunea termica si distributia spectrala a energiei radiate de un corp incalzit (pirometre optice cu radiatie totala, pirometre optice cu benzi de radiatie, pirometre spectrale si pirometre cu dispersie sau de culoare);

-alte metode bazate pe variatia proprietatilor fizice si chimice ale corpurilor.

In general, aparatele care servesc pentru masurarea temperaturilor sub 660^oC - se numesc termometre, iar peste 660^oC,- pirometre. Domeniul de utilizare a principalelor aparate folosite pentru masurarea temperaturii sunt prezentate in tabel.

Domeniile de utilizare ale unor aparate de masurat temperatura

Tabel. Continuare

In sistemul international de unitati de masura, pentru masurarea temperaturii corpurilor, se utilizeaza scara de temperatura termodinamica stabilita pe baza a sase temperaturi fixe reproductibile definite de starile de echilibru ale unor materiale la presiunea normala de 101325 Pa. In cadrul acestei scari, unitatea de temperatura termodinamica este Kelvinul (K) definit ca fractiunea 1/273,16 din temperatura termodinamica a punctului triplu al apei.

In afara de temperatura termodinamica (T), exprimata in Kelvin (K), in sistemul international de unitati de masura se foloseste si temperatura exprimata in scara Celsius (t), (ca unitate de masura tolerata), intre ele existand relatia:

Fig.1.1. Termometre de sticla cu mercur:

a- cu contacte fixe

b- cu contacte mobile.

Cele mai utilizate termometre sunt cele cu mercur (- 38^oC ... 700^oC). Dezavantajul acestora consta in faptul ca au inertie termica mare nefiind adecvate masurarii temperaturii in regim variabil.

Din punct de vedere constructiv se deosebesc: termometre capsulate, la care tubul capilar si scala gradata sunt introduse impreuna intr-un tub de protectie, precum si termometre tija, a caror scala este gradata direct pe tubul capilar. In afara de acestea exista si alte constructii speciale ca de exemplu: termometre cu contacte fixe, cu contacte mobile etc. Termometrele cu lichid indica corect temperatura numai atunci cand intreaga masa a lichidului termometric se afla la temperatura care trebuie masurata, deci cand elementul sensibil este cufundat in intregime in mediul de masurat. Daca coloana de mercur este incomplet cufundata in mediul de masurat, se efectueaza corectia de temperatura D t cu relatia:

D t n a ( t - t₁ ) ^oC

in care: n este numarul de diviziuni ale portiunii necufundate a coloanei de mercur, exprimat in grade din scala termometrului;

t - temperatura indicata de termometru, in ^oC ;

t₁ - temperatura firului capilar necufundat in mediul de masurat (de obicei egala cu cea a mediului ambiant), in ^oC ;

a - coeficientul de dilatare aparenta a lichidului termometric ( pentru mercur a 0,000166 grd^-1), in grd ^-1.

Corectia de temperatura se adauga temperaturii indicate de termometru.

Termometre electrice cu rezistenta

Functionarea acestor termometre se bazeaza pe variatia rezistentei electrice a metalelor cu temperatura. In figura 1.2 se prezinta variatia rezistentei electrice cu temperatura pentru cateva materiale mai des utilizate.

Aceste termometre se folosesc pe scara larga in industrie avand un domeniu larg de temperaturi, - 120^oC ... 850^oC.

Materialele din care se confectioneaza termorezistentele trebuie sa satisfaca urmatoarele conditii: sa nu-si schimbe proprietatile fizice si chimice, coeficientul de variatie a rezistentei electrice cu temperatura sa fie mare, variatia rezistentei electrice cu temperatura sa fie cat mai liniara iar proprietatile materialului sa poata fi usor reproduse. Materialele care satisfac aceste cerinte sunt platina (- 183^oC ... 700^oC), cuprul, nichelul, fierul

(- 50^oC ... 150^oC) si unele aliaje.

Rezistenta electrica a conductoarelor utilizate variaza cu temperatura dupa relatia:

R_t R_o ( 1 a t b t² c t³

unde:

R_t este rezistenta electrica la temperatura t,

R_o - rezistenta electrica la temperatura de etalonare (in general 0^oC),

a, b, c, ... - constante.

La majoritatea materialelor, pentru masurarea temperaturii se iau in considerare numai primele doua constante din paranteza relatiei precedente.

In practica, relatia de mai sus este utilizata sub forma ecuatiei lui

Callender:

in care: R_o, R₁₀₀, R_t sunt rezistentele electrice ale materialului la 0^oC; 100^oC

si la temperatura t, d - coeficient.

In figura se prezinta schema de infasurare a unui termometru cu rezistenta din platina (a) precum si aspectul exterior al termometrului (b).

Masurarea rezistentei electrice a elementului sensibil al termometrului se poate face cu ajutorul urmatoarelor instrumente electrice:

- punti echilibrate (fig.1.4) in care rezistentele R₁, R₂, R₃ sunt constante, iar la valoarea curentului prin galvanometru I_G=0;

- punti neechilibrate (fig.1.5), la care curentul prin galvanometru

I_G =f (R_t);

-logometre (fig.1.6), la care unghiul de deviere al cadrului mobil

j tj (R_t);

-milivoltmetre digitale (electronice).

Pirometre termoelectrice

Termocuplul reprezinta un mijloc de masurare a temperaturii cu o larga raspandire datorita avantajelor pe care le ofera fata de alte mijloace de masurare a temperaturii si anume: are o constructie simpla, pret de cost redus, interval mare de masura (-200^oC ... 3000^oC), poate fi conectat la diferite indicatoare, inregistratoare, semnalizare si comanda.

Termocuplul impreuna cu aparatul electric de masurat, poarta denumirea de pirometru termoelectric. Masurarea temperaturii cu ajutorul termocuplurilor se bazeaza pe legile fenomenelor termoelectrice. Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.), care apare in circuitul celor doi conductori omogeni care compun termocuplul, este rezultatul actiunii concomitente a efectului Thomson si a efectului Seebeck.

Efectul Thomson reprezinta aparitia unei t.t.e.m. E_a intr-un conductor "a" (fig.1.7) a carui capete se afla la temperaturi diferite:

a este coeficientul Thomson pentru conductorul respectiv.

Efectul Seebeck consta in aparitia unei t.t.e.m. e _ab T e _ab(T ), la locul de contact al celor doi conductori "a" si "b".

T.t.e.m. totala care este functie numai de valorile temperaturilor T si

T , se poate prezenta prin relatia:

E_ab T₁,T₂) te _ab(T₂) - e _ab(T₁)

unde: e_ab(T₁), e_ab(T₂) sunt t.t.e.m.care apar la cele doua capete ale termocuplului ca rezultat comun al celor doua efecte.

Aplicatiile practice se bazeaza pe trei legi de baza empirice si anume:

- legea metalelor omogene.Intr-un circuit termoelectric format dintr-un singur metal omogen, nu poate aparea un curent termoelectric prin incalzirea acestuia;

- legea metalelor intermediare. Suma algebrica a t.t.e.m. intr-un circuit compus dintr-un numar oarecare de materiale diferite este zero, daca intreg circuitul se afla la aceeasi temperatura;

- legea temperaturilor succesive sau intermediare. Daca doua metale omogene, de natura diferita, produc o t.t.e.m. E , cand jonctiunile sunt la temperaturile T si T si o t.t.e.m. E cand jonctiunile sunt la temperaturile T si T , t.t.e.m. generata cand jonctiunile sunt la temperaturile T si T va fi

E E

Din aceste legi rezulta ca daca intre jonctiunile 1 si 2' (fig.1.8) se introduce un conductor de prelungire, circuitul se comporta ca si cum nici nu ar exista cel de al treilea material.

Fig.. Schema de principiu a unui termocuplu Fig. Circuit termoelectric elementar

Daca una din temperaturi, de exemplu T , se mentine constanta, t.t.e.m.rezultata depinde numai de temperatura T , adica:

E_ab(T , T ) =f (T

Circuitele termoelectrice utilizate pentru masurarea temperaturii (fig.1.8), se compun din termocuplul format din doua materiale de natura diferita a si b sudate la jonctiunea 1 (sudura calda), cablurile de prelungire CP confectionate din acelasi material ca si conductorii termocuplului, care au rolul de a deplasa jonctiunea de referinta 2 (cu fluctuatii mari de temperatura) in zona 2', unde temperatura poate fi mentinuta constanta, si aparatul pentru masurarea t.t.e.m. 3 (care de obicei este un milivoltmetru) conectat la jonctiunea de referinta prin conductori de cupru.

Etalonarea milivoltmetrelor pentru termocupluri se face in general la temperatura de 0^oC sau 20^oC a sudurii reci. Daca, in conditiile de masurare temperatura sudurii reci variaza in raport cu temperatura de etalonare se efectueaza corectia acesteia dupa relatia:

t_real =t_ind k (t - t_o) (^oC) , (1.8)

unde:

t_real este temperatura reala, in ^oC;

t_ind - temperatura indicata de aparat, in ^oC;

t_o - temperatura sudurii reci la etalonare (t_o t=0^oC,in cadrul

lucrarii), in ^oC;

t - temperatura sudurii reci in timpul masurarii, in ^oC;

k - coeficient care depinde de tipul termocuplului si de intervalul

de temperatura.

In tabelul 1.2 se dau valorile coeficientului k pentru cele mai uzuale termocupluri.

Tabelul Valorile coeficientului k

Compensarea influentei variatiei temperaturii sudurii reci se poate face automat prin folosirea unor dispozitive numite punti compensatoare (fig.1.9) alimentate la curent continuu, constant si alcatuite din doua rezistente (R₁, R₂) independente de temperatura (din manganina sau constantan) si doua rezistente (R_t1, R_t2) dependente de temperatura(Cu, Ni). Puntea este alimentata in curent continuu de la sursa S prin rezistenta aditionala R_a necesara reglarii curentului in punte. Cand are loc modificarea temperaturii jonctiunii de referinta fata de temperatura de etalonare, se dezechilibreaza puntea iar diferenta de potential, proportionala cu variatia temperaturii care apare in diagonala CD, compenseaza t.t.e.m. dezvoltata de termocuplu.

In tabelul 1.3 sunt prezentate termocuplurile cele mai uzuale si caracteristicile lor, iar in fig.1.10, ansamblul unui termocuplu pentru masurarea temperaturii in spatii inchise.

Tabelul    Termocupluri si caracteristicile lor

Tabel Continuare

Termometru Digital

Tensiunea termoelectromotare care apare in circuit poate fi masurata si cu un termometru digital. Senzorul de temperatura este un termocuplu.

Acest aparat permite citirea temperaturii direct ⁰C, ⁰F sau K.

Domeniul de masurare pentru termocuplul digital este 200-1800⁰C (depinde de tipul termocuplului) iar domeniul de tensiuni de la -10-75 mV.

 

 

Pirometre cu radiatie

Legile care stabilesc legatura dintre energia radiata si temperatura sunt legile radiatiei emise de Stefan-Boltzmann si Plank. Aceste legi arata ca un corp radiaza energie termica la orice temperatura si ca o crestere a temperaturii provoaca o crestere a energiei radiate.

Dupa principiul lor de functionare pirometrele cu radiatie se impart in : pirometre cu radiatie totala avand la baza legea Stefan-Boltzmann, pirometre optice cu disparitia filamentului (cu radiatie partiala) bazate pe legea lui Plank si pirometre fotoelectrice.

Pirometrele optice monocromatice cu disparitia filamentului sunt larg raspandite in practica industriala deoarece sunt simple, suficient de robuste si usor de manevrat. Schema de principiu a unui pirometru optic cu disparitia filamentului este prezentata in figura 1.12. El se compune dintr-o parte optica si una electrica. Partea optica se compune din: obiectivul 1, ocularul 2, filtrul 3, sticla absorbanta 4 si diafragma 5. Partea electrica este formata din lampa pirometrica 6, reostatul 7, aparatul de masura 8, becul 9 pentru iluminarea scalei aparatului de masura, scala 10, releul 11, bateriile uscate (de 1,5V) 12, butonul 13 pentru inchiderea circuitului electric al aparatului de masura si butonul 14 pentru alimentarea becului. Masurarea temperaturii se face prin compararea intensitatii radiatiei emise de corpul cercetat cu intensitatea radiatiei filamentului lampii pirometrice a carei incandescenta se regleaza cu ajutorul reostatului. Citirea temperaturii se efectueaza pe scala superioara a aparatului pana la temperatura de 1400^oC. Peste aceasta valoare este necesar a se introduce intre obiectiv si lampa pirometrica sticla absorbanta 4 pentru evitarea volatilizarii filamentului. In felul acesta se pot masura temperaturi pana la 2000^oC. Temperatura unui corp care nu este negru, masurata cu pirometrul optic monocromatic, este totdeauna mai mica decat temperatura reala a corpului. Corectiile de temperatura ce se impun in asemenea cazuri se efectueaza cu relatia:

real =t_ind D t ^oC

unde: D t este corectia de temperatura determinata din nomograma din figura 1.13, in care e reprezinta coeficientul de absorbtie al corpului a carui temperatura se masoara si care se obtine din tabelul 1.4.

1.3. Mersul lucrarii

Masurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor de sticla cu lichid se efectueaza asupra mediului ambiant. Pentru masurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor cu rezistenta, a pirometrelor termoelectrice si a pirometrelor cu radiatie cu disparitia partiala a filamentului, se foloseste instalatia din figura 1.14, a carei schema electrica este prezentata in figura 11.2. (Lucrarea 11). Dupa cuplarea instalatiei la reteaua de energie electrica cu ajutorul intrerupatoarelor 15 si 7, se efectueaza masurarea temperaturii cu ajutorul termorezistentelor din Pt si Cu, pirometrului termoelectric din Pt-RhPt si a pirometrului cu radiatie partiala.

Fig Nomograma pentru corectia temperaturii la pirometrul cu radiatie partiala.

1.4. Prelucrarea si interpretarea rezultatelor

Valorile citite se vor trece in tabelul 1.5, dupa ce in prealabil s-au indicat caracteristicile si clasa de precizie a aparatelor. Se va efectua de asemenea corectarea temperaturilor cu ajutorul relatiilor (1.8) si (1.9).

Tabelul Coeficientii de absorbtie e ai unor materiale la diferite

temperaturi pentru l m

 

Valorile citite se vor trece in tabelul 1.5, dupa ce in prealabil s-au indicat caracteristicile si clasa de precizie a aparatelor. Se va efectua de asemenea corectarea temperaturilor cu ajutorul relatiilor (1.8) si (1.9).

Fig.1. Instalatia utilizata pentru masurarea temperaturii: 1- cuptor electric; 2- bare de silita; 3- termorezistente din Pt; 4- termocuplu Pt-RhPt; 5- termorezistenta din Cu; 6- logometru; 7- intrerupator alimentare curent continuu; 8- panou; 9- tablou de comanda; 10- reostat; 11- intrerupator alimentare retea; 12- logometru; 13- voltmetru; 14- milivoltmetru; 15- intrerupator alimentare bare de silita; 16- ampermetru.

Tabelul Rezultatele masuratorilor

Monitorizare Mediu

DM-303C - Termohigrometru cu masurare temp. exterioara - Norad Termohigrometru digital pentru masurarea temperaturi si umiditatii. Masoara temperatura interior si exterior cu ajutorul a 3 cabluri cu senzori. Dotat cu indicator comfort psihologic(raport temperatura / umiditate). Caracteristici: - domeniu masurare temperatura interior -10°C la +50°C - domeniu masurare temperatura exterior -50°C la +70°C - rezolutie 0,1°C - domeniu masurare umiditate interior 20% la 99% RH Producator: Norad DM-9207A Termometru -50C la 150C cap mobil - Norad Termometru digital pentru masurarea temperaturi, rezistent la apa. Dotat cu cu cap mobil care permite citirea din orice unghi. Caracteristici: - domeniu masurare temperatura -50°C la +150°C Producator: Norad DM-302 - Termohigrometru cu ceas si alarma - Norad Termohigrometru digital pentru masurarea umiditatii in interior si exterior, cu ceas cu alarma si calendar. Dotat cu indicator comfort psihologic (raport temperatura / umiditate). Caracteristici: - ceas 12 / 24 cu alarma - domeniu masurare temperatura -10°C la +50°C: - masurare in Celsius sau Fahrenheit: - domeniu masurare umiditate 10% la 99% RH: - memorare MIN si MAX pentru temperatura si umiditate - indicator trei nivele ale comfortulu psihologic: UMED, COMFORT, USCAT Producator: Norad LM631 - Luxometru - Meterman Luxmetru mic, portabil. Carcasa si butoane cu functii, ergonomice permit operarea cu o singura mana. Sonda lumina conectata la fire bobina faciliteaza masurarile in locuri greu accesibile. Caracteristici: - Afisaj mare, cu lumina fundal LCD - domeniu masurare pana la 20 000 lux - precizie mare si rezolutie 0,01 lux - rata prelevare 2,5 x/s - sonda lumina cu fir 1,1 m Producator: Meterman FLK-65-EUR1 - Pirometru,dispozitiv de punctare cu laser -40/+500grC - Fluke Determina temperature a suprafetei masurate cu ajutorul energie radiante infrarosii. Poate fi utilizat pentru masurarea temperaturii obiectelor mobile, partilor sub tensiune si aparatelor electrice sau obiectelor greu accesibile.Ochitor laser precis puncteaza suprafata supusa masurarii.Afisajul mare, dublu permite citirea masuratorilor chiar si in locurile intunecate. Timpul necesar efectuarii masurarii este de mai putin de 1 secunda. Domeniu masurare: : -40°C la +500°C Producator: Fluke FLK-62 - Pirometru -30grC / 500grC 10:1 - Fluke Pirometre noi, usor de utilizat destinate masurarii rapide si sigure a temperaturii. Tinta lazer si maner ergonomic pistol asigura operarea usoara si comfortabila. Afisajul mare, dublu prezinta simultan temperatura actuala si cea maxima. Caracteristici: - maner pistol - Afisaj LCD mare, dublu - domeniu masurare mare pana la 500°C - rezolutie optica 10:1 - tinta lazer - selectie intre °C si °F Producator: Fluke

Instalatia de masurare si reglaj automat a temperaturii.

Realizarea regimului de temperatura impus de procesul tehnologic al incalzirii este posibila prin utilizarea instalatiei de masurare si reglaj automat a temperaturii. Aceasta instalatie se compune dintr-un element sensibil la temperatura-traductorul, si dispozitivul de masurare si reglare.

Traductoarele care se pun in contact cu incarcatura a carei temperatura urmeaza a fi determinata se numesc termometre (de contact) si se impart in doua categorii:

-neelectrice,bazate pe dilatarea solidelor (metale), lichidelor (Hg,etc) sau a gazelor (manometrice)

-electrice, cu rezistoare, cu termistoare si cu termocupluri.

Pentru aprecierea temperaturii se mai intrebuinteaza si conuri Seger, culori termoscopice, corpuri fuzibile si cristale lichide.

Alegerea tipului termometrului sau pirometrului, (când temperatura este extrem de ridicata se utilizeaza aceste pirometre bazate pe masurarea radiatiilor termice), in conformitate cu procesul tehnologic dat, depinzând de:

-factori metrologici, adica domeniul de masurare, inertia termica a traductorului.

-factori de tehnica a masurarii, adica distributia masuratorilor in timp (permanente, unice), agresivitatea mediului.

-factori derivati din modul de utilizare al rezultatului masuratorii.

In afara de valoarea temperaturii masurate trebuie sa se cunoasca si eroarea de masurare. Gradul de precizie al masurarii este reprezentat prin eroarea tolerata pe care instalatia de masurare nu trebuie sa o depaseasca.

Datorita inertiei termice, indicatia traductorului de temperatura creste exponential in timp, constanta de timp a acestuia depinzând de tipul traductorului, rezistenta termica dintre traductor si incarcatura, precum si de starea de agregare si de agitatie a mediului si de locul de montare al traductorului.

Dispozitivul de masurare a temperaturii este un aparat indicator sau inregistrator magnetoelectric(milivoltmetru sau miliampermetru) sau electronic.

Termometre cu termistoare

Temistoarele refractare sunt rezistoare variabile cu temperatura, avand un coeficient de temperatura negative.

B 1/T - 1/To

R = R * e

T To

In care: R este rezistenta la temperatur masurata, T(K)

T

R este rezistenta la temperatura de referinta To

To

B =constanta de material

R are valori de 1.sute de KΩ iar B cuprinsa in-

To

tre 2500-500 pentru temperaturile ce nu depasesc 300șC si 6000-13000șC.

Avantajele termistoarelor fata de termorezistente sunt urmatoarele:

-au dimensiuni reduse, realizate sub forma de perla, disc sau bagheta.

-permit masurari precise la distante mari intre termometru si aparatul indicator.

-au domenii mici de masura.

-pot fi utilizate la masurarea diferentelor mici de temperatura.

Ca dispozitiv de masurare a rezistentei termistorului, se utilizeaza puntea Wheatstone neechilibrata.

Puntea Wheatstone se utilizeaza in doua variante:

-puntea neechilibrata, se mareste cu milivoltmetru magnetoelectric cu amplificatori de masura.

-puntea echilibrata, cu compensator automat cu semnal de intrare a variatiei de tensiune.