Laborator 3 Termocuple Termorezistente [PDF]

Zitiervorschau

LUCRAREA NR. 3

ETALONAREA TERMOCUPLELOR ŞI A TERMOREZISTENŢELOR I

SCOPUL LUCRĂRII A. Descrierea principiilor de funcţionare a termocuplelor, termorezistenţelor şi a pirometrelor de radiaţie, inclusiv prezentarea practică a acestora. B. Efectuarea măsurătorilor de temperatură. C. Etalonarea termocuplelor şi a termorezistenţelor folosind valorile măsurate.

II

ECHIPAMENT NECESAR A. Diverse tipuri de termocuple şi termorezistenţe. B. Termostat umplut cu apă. C. Milivoltmetrul analogic şi multimetrul digital.

III PRINCIPIUL LUCRĂRII Aparate de măsură pe care le vom studia în această lucrare îşi bazează funcţionarea pe variaţia următoarelor proprietăţi fizice ale materialelor sau corpurilor termometrice odată cu modificarea temperaturii: ∑ apariţia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.) la capetele libere a două conductoare diferite, sudate între ele, atunci când sudura se afla la temperatura de măsurat, iar capetele libere - la o temperatură cunoscută şi constantă (termocuple); ∑ variaţia rezistenţei electrice a unor conductoare (termorezistenţe) şi semiconductoare (termistoare - traductoare termorezistive); ∑ acţiunea termică a energiei radiate sub formă de căldură de un corp încălzit (pirometre de radiaţie) Metode bazate pe efectul termoelectric Măsurarea temperaturii cu termocupla se bazează pe efectul termoelectric descoperit de Seebeck în 1821. El a arătat că dacă la capetele unei sârme dintr-un anumit metal sau aliaj se sudează o sârmă dintr-un alt metal sau aliaj și între cele două capete, sudate și libere, se creaază o diferență de temperatură, atunci între capetele libere apare o diferență de potențial electric denumită tensiune termoelectromotoare (t.t.e.m.). Valoarea acestei tensiuni depinde de materialele folosite și de diferența de temperatură dintre capetele sudate (denumite sudura caldă) și capetele libere (denumite sudura rece). Schema de principiu a unei termocuple este prezentată în figura 3.1. E01

1

mV

0∞C temp. de etalonare

E12 = f(t-ta)

2 t

1

ta E02

Fig. 3.1. Schema de principiu a unei termocuple

Conform figurii

E02 = E01 + E12

(3.1)

unde: ∑ E02 = t.t.e.m. dată de termocuplă atunci când sudura caldă 2 (capătul sudat al sârmelor) este la temperatura de măsurat t iar sudura rece 1 (capetele libere € milivoltmetrul) este la temperatura de etalonare de 0∞C ∑ E12 = t.t.e.m. dată de termocuplă atunci când sudura caldă 2 este la temperatura t iar sudura rece 1 (milivoltmetrul) este la temperatura mediului ambiant ta diferită de 0∞C ∑ E01 = t.t.e.m. corespunzătoare diferenței de temperatură între 0∞C și temperatura la care se află milivoltmetrul ta În practică termocuplele sunt construite din două sârme din metale sau aliaje diferite, sudate la unul din capete. Punctul de sudură 2 (sudura caldă) se pune în contact cu sistemul a cărui temperatură se determină iar capetele libere 1 (sudura rece) se leagă la un aparat de măsură a tensiunii electrice (milivoltmetru) gradat direct în grade Celsius. Valorile tensiunilor termoelectromotoare sunt de ordinul mV / 100∞C, în funcție de materialele din care sunt confecționate cele două sârme ale termocuplei. Etalonarea milivoltmetrelor pentru termocuple se face, în general, la temperatura de 0∞C a sudurii reci. Dacă, în condiţiile de măsurare, temperatura sudurii reci (locul unde se află milivoltmetrul) variază în raport cu temperatura de etalonare, se efectuează o corecţie a temperaturii, utilizând relaţia 3.1 (valoarea tensiunii E01 se determină din anexa, Tabelul 3.2). Corecția (compensarea) influenţei variaţiei temperaturii sudurii reci (temperatura la care se află milivoltmetrul în momentul măsuraării) se poate face şi automat, prin folosirea unor dispozitive electrice numite punţi compensatoare Wheatstone sau prin folosirea unui bimetal (dacă etalonarea termocuplei s-a făcut la 0∞C și milivoltmetrul se află la la o altă temperatură ta, bimetalul din interiorul milivoltmetrului acționează acul indicator al milivoltmetrului menținându-l la valoarea temperaturii ta). O termocuplă se compune dintr-un element sensibil 1 (termoelectrod = cele 2 sârme), care este protejat de o teacă metalică 2. La capătul acesteia se găseşte cutia de conexiuni 3 în interiorul căreia se află placa de borne 4, de unde pleacă conductorii de legătură spre aparatul indicator, conform figurii 3.2.

Dfccc Fig. 3.2 - Elementele componente ale unei termocuple Termocuplele prezintă o serie de avantaje: au o construcţie simplă (fig. 3.2) şi un preţ redus, asigură măsurarea temperaturii în domenii largi, pot fi utilizate la măsurarea temperaturii oricărui mediu (fluid, solid), se pot face măsurători punctuale, permit transmiterea indicaţiilor la distanţă şi conectarea mai multor elemente sensibile, printr-un comutator, la un singur aparat indicator. Totuşi, au şi unele dezavantaje: îmbătrânirea termocuplelor, necesitatea compensării temperaturii cu echipamente auxiliare etc. Metode rezistive Au la bază proprietatea materialelor conductoare de a-şi modifica rezistenţa electrică odată cu variaţia temperaturii. Majoritatea metalelor îşi măresc rezistenţa electrică cu aproximativ 40 % pentru o variaţie de temperatură cuprinsă între 0∞C şi 100∞C. Aceste termometre, denumite termorezistențe, au un domeniu relativ mare de temperaturi (-120∞C ∏ +850∞C), folosindu-se pe scară largă în industrie.

Materialele din care se confecţionează termorezistenţele trebuie să satisfacă următoarele condiţii: să nu-şi schimbe proprietăţile fizice şi chimice, coeficientul de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura să fie mare, variaţia rezistenţei electrice cu temperatura să fie cât mai liniară, iar proprietăţile materialului să poată fi uşor reproduse. Materialele care satisfac aceste cerinţe sunt platina (-183∞C ∏ +700∞C), cuprul, nichelul, fierul (-50∞C ∏ +150∞C), precum şi unele aliaje. Pentru realizarea unor măsurători mai precise, rezistenţele se confecţionează din termistor. Acesta este un material semiconductor realizat din amestecuri foarte precis dozate de oxizi metalici sinterizaţi într-un regim termic riguros controlat şi în atmosferă controlată. Termistorii au coeficientul de variaţie a rezistivităţii cu temperatura de 10 ori mai mare decât platina, precizia măsurătorilor fiind deci foarte mare. Rezistenţa electrică a conductoarelor utilizate variază cu temperatura, după relaţia: (3.2) R t = R 0 ◊ 1 + a ◊ t + b ◊ t 2 + c ◊ t 3 + ..... unde: Rt [W] - rezistenţa electrică la temperatura t; Ro [W] - rezistenţa electrică la temperatura de etalonare (în general 0 ∞C); a, b, c, ... - constante. În figura 3.3 se prezintă schema de înfăşurare a elementului sensibil al unui termometru cu rezistenţă din platină (a), precum şi aspectul exterior al termorezistenţei (b).

(

)

a).

b).

Fig. 3.3 - Schema de înfăşurare şi aspectul exterior al unei termorezistenţe Atât termocuplele, cât şi termorezistenţele sunt realizate în practică, de firme specializate. Elementul sensibil este protejat cu izolatori ceramici şi introdus într-o teacă metalică, care îl protejează la solicitări mecanice. Mai sunt prevăzute cu un dispozitiv de fixare şi o cutie cu conexiuni electrice. În cadrul lucrării de laborator, măsurarea rezistenţei electrice a elementului sensibil al termorezistenţei se va face cu un ohmetru. Metode optice Faţă de termometrele de contact descrise anterior, pirometrele de radiaţie prezintă avantajul că nu vin în contact direct cu corpul a cărei temperatură o măsoară şi deci nu deformează câmpul termic al acestuia. Un alt avantaj al acestor aparate este inerţia lor termică foarte mică. Ele sunt însă relativ scumpe, necesită un operator experimentat pentru a efectua măsurători corecte şi cu ele nu se poate măsura temperatura din interiorul corpurilor, ci doar de la suprafaţa acestora. Cu pirometrele de radiaţie se poate măsura temperatura suprafeţei unui corp prin măsurarea energiei sub formă de căldură emise prin radiaţie termică de acesta în mediul înconjurător. Legile transmiterii căldurii prin radiație termică sunt cele de la electromagnetism și au fost deduse de Stefan-Boltzmann şi Plank (capitolul Transmiterea căldurii din curs). Aceste legi arată că un corp radiază energie termică la orice temperatură şi că o creştere a temperaturii provoacă o creştere a energiei radiate. Aceasta poate fi examinată pe două căi, fie măsurând energia radiată pentru toate lungimile de undă, fie măsurând numai energia radiată pe o anumită lungime de undă. În funcţie de principiul de funcţionare se deosebesc două tipuri de pirometre: pirometre de radiaţie totală şi pirometre de radiaţie monocromatică.

La pirometrele de radiaţie totală energia emisă de suprafaţa corpului este focalizată de un dispozitiv optic pe un receptor de energie de radiaţie. Acesta este de obicei o foiţă de platină înnegrită. Temperatura receptorului se măsoară cu o termocuplă şi este o măsură a temperaturii suprafeţei corpului. La unele pirometre receptorul de energie este o celulă fotoelectrică, iar curentul fotoelectric produs de aceasta este proporţional cu fluxul de energie emis de suprafaţa corpului, fiind deci o măsură a temperaturii suprafeţei acestuia. La pirometrele de radiaţie monocromatică (fig. 3.4), denumite și pirometre optice vizuale sau cu dispariţia filamentului, se compară luminozitatea şi culoarea unei suprafeţe incandescente cu cea a unui radiator etalon. Acesta este de obicei un fir metalic (filament) alimentat cu un curent electric. Imaginea lui se poate suprapune, cu ajutorul unui dispozitiv optic, peste imaginea suprafeţei a cărei temperatură trebuie măsurată şi se variază intensitatea curentului electric până când firul nu mai este vizibil, având aceeaşi culoare cu suprafaţa corpului. Se observă, deci, că pirometrul optic cu dispariţia filamentului se compune dintr-o parte optică şi una electrică. Partea optică cuprinde: un obiectiv O1, un ocular O2, un filtru de culoare F (de obicei, roşu), o sticlă absorbantă S şi o diafragmă D. Partea electrică este formată din: lampa pirometrică L, al cărei filament se găseşte pe axa optică, o rezistenţă variabilă R, un miliampermetru mA şi o sursă de tensiune E. Intensitatea curentului cu care este alimentat filamentul este o măsură a temperaturii suprafeţei vizate. Aceste aparate se numesc pirometre optice vizuale şi nu pot fi folosite decât pentru temperaturi mai mari decât 700°C. Ele sunt larg răspândite în practica industrială fiind simple, suficient de robuste şi uşor de manevrat. S O1

L

D

O2

F

D

Rh

mA

E

Fig. 3.4 - Schema de principiu a unui pirometru cu radiaţie monocromatică IV 1. 2. 3. 4. 5.

MERSUL LUCRĂRII Se foloseşte acelaşi stand de laborator pentru etalonarea termocuplelor şi a termorezistenţelor ca cel utilizat la Lucrarea 2. Se aleg termocuplele şi termorezistenţele care vor fi etalonate şi se realizează montajul termometrelor pe aparatul verificator. Se măsoară temperatura aerului ambiant, care reprezintă de fapt, temperatura sudurii reci ta care se notează în Foaia de calcule. Se determină constanta milivoltmetrului, notându-se, de asemenea, în Foaia de calcule. Etalonarea unui termocuplu constă în stabilirea corespondenţei între valorile tensiunii termoelectromotoare citite la milivoltmetru şi temperaturile sudurii calde la momentele respective, măsurate cu un termometru etalon (de obicei un termometru cu coloană de mercur). Pentru aceasta, ∑ se setează termometrul cu contact la temperatura de 30 ∞C şi se porneşte instalaţia de laborator (termostatul). ∑ o dată ajunsă apa la temperatura prestabilită, se citesc, simultan, indicaţiile date de milivoltmetru şi de ohmmetru. Astfel, se notează în tabelul 3.1 numărul de diviziuni la care a ajuns acul indicator al milivoltmetrului, precum şi valoarea rezistenței electrice a termorezistenței citită cu ohmetrul. ∑ se repetă aceeaşi procedură pentru următoarele paliere de temperatură, atunci

6. 7. 8. 9.

când se crește temperatura cu 10∞C, faţă de temperatura setată iniţial (30∞C). Toate rezultatele se înscriu în tabelul 3.1. Se calculează valoarea efectivă a t.t.e.m. E12 citită cu milivoltmetrul. Se citeşte din tabelul 3.2 (anexă) valoarea E01 corespunzătoare diferenței de temperatură de la 0∞C la ta. Se corectează valoarea t.t.e.m. E12 obţinându-se t.t.e.m. E02. Se trasează curba de variaţie a t.t.e.m. în funcţie de temperatură E02 = f(t) numită curbă de etalonare, precum şi variaţia rezistenţei electrice în funcţie de temperatură. Pe diagramă trebuie notată temperatura la care s-a făcut etalonarea (tetalonare = 0∞C). Dacă în timpul utilizării ulterioare a termocuplei, milivoltmetrul se va afla la o temperatură diferită de cea la care s-a făcut etalonarea, valorile măsurate vor fi corectate în mod corespunzător.

V

REZULTATE EXPERIMENTALE Se determină constanta milivoltmetrului folosind următoarea relaţie: E È mV ˘ k = max Í n max Î div ˙˚ unde E max - tensiunea maximă ce se poate măsura cu milivoltmetrul, corespunzătoare bornelor la care se leagă termocupla; n max - numărul maxim de diviziuni înscrise pe scala aparatului. 2. Se calculează t.t.e.m. E12 prin înmulţirea numărului de diviziuni indicate de acul indicator al milivoltmetrului cu tensiunea corespunzătoare unei diviziuni (k), completându-se apoi coloana corespunzătoare din tabelul 3.1. 3. Se calculează t.t.e.m. E02 cu ajutorul formulei (3.1) şi se înscrie în tabelul 3.1. 1.

FOAIE DE CALCULE Nume şi prenume:

Data:

Temperatura sudurii reci la etalonare: 0∞C Temperatura sudurii reci (a mediului ambiant): ta = ________________ Constanta milivoltmetrului: k = _________________ Tensiunea termoelectromotoare (din anexă) corespunzătoare diferenței de temp. de la 0∞C la ta E01 = ______________ Tabel 3.1 - Corespondenţa între valorile temperaturii sudurii calde şi valorile t.t.e.m. şi ale rezistenţei electrice Temperatura Nr. Tensiunea termoelec- Tensiunea termoelec- Rezistenţa termometrul Număr de diviziuni crt. tromotoare necorectată tromotoare corectată electrică ui etalon E02 = E01 + E12 [mV] n [div] E12 = n*k [mV] t1 [∞C] R [W] Fe-Co Cr-Alumel Fe-Co Cr-Alumel Fe-Co Cr-Alumel 1. 30 2. 40 3. 50 4. 60 5. 70 6. 80 7. 90 8. 100

Anexa Tabel 3.2. Tensiunile termoelectromotoare [mV] corespunzătoare unor diverse temperaturi [∞C], pentru tipurile cele mai uzuale de termocuple, cu sudura rece la 0∞C Temperatura [∞C] -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 1.100 1.200 1.300 1.400 1.500 1.600

Cu-Co

Fe-Co

-5,7 -3,4 0 4,25 9,20 14,89 20,99 27,40 34,30 -

-8,15 -4,60 0 5,37 10,95 16,55 12,15 27,84 33,66 39,79 46,23 52,15

CopelCromel

CromelAlumel

CrNi-Ni

0 6,95 14,66 22,91 31,49 40,16 49,02 57,77 66,42 74,90

0 4,10 8,13 12,21 16,40 20,65 24,91 29,15 33,32 37,37 41,32 45,16 48,85

0 4,04 8,14 12,24 16,38 20,64 24,94 29,15 33,27 37,32 41,32 45,22 49,02

PtRh-Pt 10 % Rh

0 0,64 1,44 2,32 3,26 4,22 5,23 6,27 7,34 8,45 9,60 10,77 11,97 13,17 14,38 15,58 16,76