TEHNICIAN ELECTRONIST - TRADUCTOARE DE TEMPERATURA

 

TRADUCTOARE DE

TEMPERATURA

TEHNICIAN ELECTRONIST

ELECTRONICA SI AUTOMATIZARI

Cap.I 1.1

INTRODUCERE:

Sunt prezentate traductoarele de temperatura si tot odata o ramura exemplificativa a boilerului cu termostat. Acest boiler face cat mai explicita existenta traductoarelor in anumite aparate si echipamente electrice si electronice. Avantajul cel mai important al termostatului atasat boilerului este economisirea energiei electrice in locuintele care nu beneficiaza de apa calda.

Ca definitie generala traductorul este un convertor de energie, transformand un semnal de o anumita natura fizica, in alt semnal de alta natura fizica.

Un bun mod de clasificare, poate fi facut in raport de marimea de natura neelectrica pe cale electrica. In acest caz vom avea:

a.       Traductoare pentru marimi geometrice: rezistive, inductive, capacitive si numerice de deplasare; cu radiatii; de proximitate.

b.      Traductoare pentru marimi cinematice de viteza; de acceleratie; de socuri si vibratii; giroscopice.

c.       Traductoare pentru marimi mecanice elastice (tractiune, compresie, indoire, cuplu); tensometrice rezistive; cu coarda vibranta; magnetostrictive; de forta; de cuplu.

d.      Traductoare pentru marimi tehnologice presiune, debite, nivel, temperatura.

e.       Alte traductoare: integrate, etc.

Proiectul se bazeaza pe traductoarele de temperatura acestea fiind dispozitive care functioneaza fie pe principiul generarii unei tensiuni electromotoare, fie pe principiul convertirii temperaturii intr-o variatie a unui parametru ale circuiteleor electrice. Pe langa acestea traductoarele trebuie sa aibe si alte proprietati, cum sunt: sensibilitate, reproductibilitate, timp de raspuns mic, liniaritate pe un domeniu cat mai mare, montare si interschimbabilitate rapida si usoara. Ele trebuie sa fie protejate impotriva unor eventuale actiuni distructive mecanice sau chimice. Aceste protectii care se adauga in timpul realizarii traductoarelor duc la scaderea performantelor acestora.

O prima clasificare a traductoarelor de temperatura, bazata pe modul in care elementul sensibil preia energia de la mediul a carui temperatura se masoara,permite sa se distinga doua mari categorii:
-> traductoare de temperatura cu contact;
-> traductoare de temperatura fara contact.
In cazul primei categorii elementul sensibil se afla in contact direct cu mediul, preluarea energiei termice efectuandu-se prin conductibilitate sau convectie.Traductoarele de temperatura cu contact reprezinta categoria cea mai frecvent utilizata in domeniul: 200.1600sC.
Problema cea mai importanta ,din punct de vedere al preciziei, este aceea a influentei pe care o exercita introducerea elementului sensibil asupra campului de temperatura existent in mediul de masurat. Transferul de caldura de la mediul de masurat la elementul sensibil necesita un anumit timp, de dorit cat mai redus, pana la atingerea echilibrului termic.Constantele de timp caracteristice acestor traductoare sunt sensibil mai mari decat ale traductoarelor pentru alte marimi si ele reprezinta un indicator de performanta esential in proiectarea sistemelor de reglare.De asemenea trebuie relevata necesitatea unor mijloace de protectie a elementului sensibil la imersia acestuia in medii corozive,metale topite, etc.

Cap.I 1.2

Cap.II 1.1

BOILER CU TERMOSTAT (SCHEMA)

Cap.II 1.2   

BOILER CU TERMOSTAT

Termostatul electronic este conceput in scopul economisirii energiei electrice in locuintele din mediul rural care nu beneficiaza de apa calda.

Termostatul este atasat unui boiler electric care este realizat dintr-un extinctor cu capacitatea de 2-2,5 l, caruia i-am adus unele modificari. Boileru si termostatul le-am conceput pentru prepararea apei calde in locuinta.

Extinctorul a fost golit, curatat si vopsit. In exterior s-au astupat prin sudura toate gaurile. In extinctor se introduce o rezistentza de incalzire in tub metallic (220 V/500 sau 1000 W) Flansa de fixare a rezistentei se sudeaza la gura extinctorului. Montarea rezistentei se realizeaza cu sase suruburi iar etansarea se face cu o garniture adecvata.

Apa rece intra in boiler prin partea de jos , printr-o teava de .Iesirea apei calde se face printr-o gaura data in fundul extinctorului in care este sudata o teava de care se pune in legatura cu robinetul de la chiuveta (se poate folosi o baterie de doua robinete pentru chiuveta) Extinctorul se monteaza in apropierea chiuvetei,intr-un loc ascuns. Intreg rezervorul este invelit cu un start de cca 2 cm grosime din vata mineral si apoi cu o foaie din material plastic.

Schema instalatiei este clasica. Apa rece intra prin partea de jos a boilerului si determina iesirea apei incalzite spre consumatori. Amestecarea in proportia dorita cu apa rece se face prin deschiderea celui de-al doilea robinet de la baterie.

Boilerul propus cu termostatul respectiv are undele avantaje fata de cel din comert.: poate fi atasat sub nivelul chiuvetei , termostatarea este precisa si se regleaza la temperatura dorita, termoizolarea buna si consum relativ mic de energie electrica, deci nu creeaza suprasolicitari in retea.

Termostatul electronic propus foloseste ca traductor de temperatura un tranzistor cu germaniu. El se monteaz aintr-un radiator (de la AC180 sau similar) si se aseaza in contact termic cu peretele rezervorului. El se poate fixa cu o brida ce este sudata in partea de sus a rezervorului. Izolarea electrica fata de rezervor se face interpunand o foita de mica. Cand temperatura creste, curentul rezidual a lui T1 se mareste si determina bascularea trigerului format din T2 si T3. Ca urmare, T4 intra in conductie, iar T5 se blocheaza. Releul electromagnetic (12 V/70 ohmi) deconecteaza alimantarea rezistentei de incalzire.

Becul (B) se stinge , indicand faptul k s-a atins temperatura dorita (reglata din potentiometrul P). Alimantarea rezistentei de incalzire si a releului se face prin butonul I.

Condensatorul legat in paralel cu T1 suprima componenta alternativa ce se induce in conductoarele lungi. Carcasa rezervorului se leaga obligatoriu la pamant pentru a preveni accidentele. Alimentarea termostatului se face printr-un transformator de sonerie, pe iesirea de 8 V, la care se adauga o punte redresoare si un condensator electrolitic de 1000 micro farazi.

Cap III 1.1

TRADUCTOARE

Traductoarele sunt elemente de masura destinate pentru masurarea marimilor conduse si a unor marimi semnificative pe baza carora se pune in evidenta echilibrul proceselor. Prin intermediul lor vom obtine informatiile necesare conducerii automate a proceselor in circuit inchis fiind montate de regula pe bucla de reactie.

Generalitati, performante, clasificare

Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a masura valorile parametrului reglat si de a converti acest parametru (marime) intr-o marime fizica ce este compatibila cu marimea de intrare in elementul urmator al sistemului. Traductoarele se compun din elementul sensibil si elementul traductor.

Elementul sensibil efectueaza operatia de masurare propriu-zisa, iar elementul traductor asigura transformarea semnalului intr-un alt semnal, in general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce preteaza pentru transmiterea la distanta.

Performantele traductoarelor pot fi apreciate pe baza urmatoarelor caracteristici:

Sensibilitatea - reprezinta limita raportului dintre variatia infinit mica a marimii de iesire si cea de intrare, cand ultima tinde spre zero. Este necesar ca aceastasensibilitate sa fie constanta pe tot domeniul de masura, adica elementul sa fie liniar, in caz contrar sensibilitatea putandu-se defini in jurul oricarui punct de functionare. In mod normal, elementele de masurat prezinta un anumit prag de sensibilitate, adica o valoare limita sub care nu mai apare o marime masurabila la iesire.

Precizia - se defineste ca valoare relativa a erorii exprimata in procente. Elementele de masurat din sistemele automate au clase de precizie de 0,2 -1,5%, fiind necesar sa fie cu cel putin un ordin de marime superiaora preciziei reglajului in ansamblu.

Liniaritatea - se refera la aspectul caracteristicii statice a elementelor si , aceasta caracteristica nu trebuie sa prezinte curburi si histerezis pe tot domeniul de variatie al marimilor de intrare si iesire.

Comportarea dinamica - aceasta caracteristica se refera la capacitatea elementului de a reproduce cat mai exact si fara intarziere variatiilemarimii masurate. Se apreciaza pe baza functiei de transfer a elementului, adica pe baza constantelor de timp ce intervin sau, uneori pe baza benzii de trecere.

Reproductibilitatea - reprezinta proprietatea elementelor de a-si mentine neschimbate caracteristicile statice si dinamice pe o perioada cat mai lunga de timp, in anumite conditii de mediu admisibile.

Timpul de raspuns - reprezinta intervalul de timp in care un semnal aplicat la intrare se va resimti la iesirea elementului. Acest timp poate fi oricat de mic, dar niciodata nul, putand fi asimilat cu inertia.

Gradul de finete - se caracterizeaza prin cantitatea de energie absorbita de traductor din mediul de masura, recomandandu-se sa fie cat mai mica pentru a nu influenta desfasurarea procesului. Alegerea traductorului se va face in functie de parametrul reglat, in functie de mediul de masura, in functie de tipul semnalului: continu, electric sau neelectric, discontinuu, s.a.

Privite sub aspectul tipului de semnale, traductoarele pot fi analogice sau pot fi numerice.

Cap.III 1.2   

TRADUCTOARELE DE TEMPERATURA

Traductoarele de temperatura sunt dispozitive care functioneaza fie pe principiul generarii unei tensiuni electromotoare, fie pe principiul convertirii temperaturii intr-o variatie a unui parametru ale circuiteleor electrice ( de obicei rezistenta) sau cele mai simple convertesc temperatura intr-o deplasare sau dilatare (gaz sau metan)

Cele mai simple traductoare de temperatura sunt termometrele cu sau fara contact (reglabil sau nereglabil), ambele tipuri fiind cu mercur, cele cu contact reglabil ( Beckmann) avand posibilitatea de modificare a temperaturii reglate cu o precizie mai mare. Contactul se realizeaza intre coloana de mercur ce se dilata intr-un tub capilar si un electrod prevazut cu un surub de reglare la partea superiaoara. Curentul maxim de circuit nu poate depasi 1 A, pentru curenti mai mari fiind prevazute dispozitive de amplifcare (relee), iar domeniul temperaturii este de 0- 300^oC cu o precizie de +/-2%.

Temperatura - reprezinta una dintre marimile cele mai frecvent masurate in numeroase domenii datorita faptului ca in majoritatea proceselor fizice, chimice, biologice naturae sau artificiale, intervin fenomene de natura termica. Se apreciaza ca in aplicatiile industriale, in medie 50% din totalul punctelor de masurare si peste 20 din cel al buclelor de reglare au ca obiect temperatura sau alte marimi termice.

Supravegherea si/sau reglarea temperaturii pot fi intalnite practic in toate ramurile industriale, principalele scopuri fiind optimizarea fluxurilor termice in procesele tehnologice, intocmirea bilanturilor de energie termica, evaluarea si reducerea pierderilor prin transfer de caldura, asigurarea si mentinerea anumitor conditii climatice in fazele de productie, depozitare sau transport etc.

Valorile temperaturilor care trebuiesc masurate variaza in limite largi de la -200 C pana la 3000 - 3500 C. Totodata este demn de subliniat faptul ca, date fiind implicatiile tehnico-economice deosebite, masurarile trebuiesc efectuate cu precizie ridicata si mijloacele de masurare utilizate sa nu exercite influente nedorite asupra proceselor respective. Mediile ale caror temperaturi se masoara se pot afla in oricare dintre cele trei stari de agregare posibile. Pot astfel sa apara situatii foarte variate, de exemplu masurarea temperaturii unor fluide sau chiar solide in miscare, masurari de temperaturi locale sau pe suprafete mari, in zone si la distante usor accesibile sau dimpotriva.

Masurarea temperaturii se bazeaza pe diferite fenomene si efecte fizice in care modificarea temperaturii determina modificari ale unor proprietati sau caracteristici ale materialelor: variatia dimensiuniler geometrice , variatia rezistentei electrice, aparitia unei tensiuni electromotoare de-a lungul jonctiunii a doua metale, variatia intensitatii radiatei emise, variatia frecventei de rezonanta a unui cristal de cuart etc. Acuratarea procesului de masurare a temperaturii este foarte importanta pentru cele mai multe aplicatii de control a diferitelor procese tehnologice. In tabelul 1 sunt prezentate patru dintre cele mai utilizate tipuri de traductoare de temperatura, impreuna cu cateva caracteristici semnificative ale lor.

Termocuplurile sunt capabile sa masoare temperaturi extreme dar necesita tehnici de realizare a temperaturii de referinta, sunt neliniare si au un nivel mic al semnalului de iesire. Senzorii de temperatura cu semiconductori se preteaza la realizarea lor sub forma integrata, au un nivel mare al semnalului de iesire dar acopera un domeniu relativ restrans de temperaturi. Termometrele cu rezistenta metalica au o acuratete si o liniaritate mai bune, dar necesita o sursa

de energie de excitare si un circuit de masura de tip punte. Termistorii au cea mai mare sensibilitate dar sunt puternic neliniari.

Cap.III 1.3

Traductoarele de temperatura cu termorezistenta isi bazeaza functionarea pe proprietatea metalelor (materiale conductoare) de a produce o sarcina electrica spontana ca rezultat al modificarii bruste a temperaturii (efectul piro-electric). S-au folosit mai ales informatii legate de rezistivitate, inversul conductibilitatii, rezultand dezvoltarea traductoarelor de temperatura cu termorezistenta. Fiecare metal are o rezistivitate specifica ce poate fi determinata experimental. Aceasta rezistenta (R) este direct proportionala cu lungimea firului (l) si invers proportionala cu aria sectiunii transversale (S). In cazul unui conductor omogen formula este:

R= (1)

unde r =constanta de proportionalitate sau rezistivitatea materialului.

Elementele sensibile rezistive isi bazeaza functionarea pe proprietatea unor materiale (metale, aliaje, oxizi metalici) de a-si modifica rezistenta electrica in functie de temperatura mediului de lucru in care sunt introduse. Variatiile de rezistenta electrica sunt preluate de catre un adaptor, care le converteste in semnal electric de iesire.

Traductoarele de temperatura cu termorezistenta sunt realizate din metale a caror rezistenta creste cu temperatura. Pentru o variatie mica de temperatura rezistivitatea creste liniar cu temperatura:

r_t r a(t-t₀)]    (2)

unde r_t = rezistivitatea la temperatura t;

r = rezistivitatea la temperatura t₀;

a=coeficient de temperatura al termorezistentei ( C^-1).

Masurarea temperaturii este esentiala in industrie. Aceasta sarcina revine traductoarelor de temperatura cu termorezistente care sunt disponibile in configuratii variate, atat in medii normale (de laborator), cat si in medii cu pericol ridicat de explozie. Combinand ecuatiile (1) si (2), in conditiile in care t₀ este temperatura la 0 C si punand rezultatul sub forma y=mx+b, rezulta clar ca rezistenta variaza liniar cu temperatura:

at     (3)

Cele mai raspandite termorezistente in aplicatiile industriale se obtin prin bobinarea antiinductiva, pe un suport izolant, rezistent la temperatura; elementul sensibil astfel obtinut se introduce in teci de protectie, prevazute cu dispozitive de prindere si cutii de borne. Pentru fabricarea termorezistentelor se foloseste ca suport izolant textolitul, mica sau ceramica. Pe suportul respectiv se bobineaza neinductiv un fir metalic. Metalele utilizate permit prelucrarea la un diametru foarte mic si o buna stabilitate in timp sub influenta temperaturii ridicate si agentilor chimici. Teaca de protectie este destinata pentru a proteja elementul sensibil si firele conductoare de legatura de actiunea daunatoare a mediului. Se poate executa din diferite materiale. Materialul tecilor de protectie este conditionat pe langa domeniul de temperatura si natura fluidului a carui temperatura o masoara. Comportarea in timp a tecilor de protectie este influentata puternic de factorii locali activi.

Termocuplu este cel mai raspandit traductor pentru masurarea temperaturii. Acesta este un element sensibil de tip generator. Principiul de functionare al termocuplului se bazeaza pe efectul termoelectric (Seebeck) si anume aparitia unei tensiuni electromotoare intr-un circuit format din doua metale diferite cu jonctiunile situate la temperaturi diferite.

Tensiunea termoelectromotoare generata de termocuplu este direct proportionala cu diferenta intre temperatura q a jonctiunii de masura si temperatura q a jonctiunii de referinta:

(1) unde K_TC este constanta termocuplului care depinde de natura celor doi termoelectrozi.

Termocuplul functioneaza pe principiul ca jonctiunea a doua metale diferite genereaza o tensiune care variaza cu temperatura. Totusi, masurarea acestei tensiuni este dificila datorita faptului ca firele de conexiune intre termocuplu si modulul DAQ de masurare genereaza asa numita jonctiune de referinta (reference junction) sau jonctiune rece (cold junction). Aceste jonctiuni suplimentare actioneaza ele insele ca termocupluri si genereaza la randul lor tensiuni.

Termocuplurile se utilizeaza in general la masurarea temperaturii gazelor si lichidelor, in buclele de automatizare, din cadrul proceselor tehnologice. Cele care folosesc metale nobile (platina) sunt utilizate la temperaturi de peste 1100^oC si la masurari de precizie in laboratoare.

Datorita faptului ca este ieftin, robust si poate opera intr-un domeniu larg de temperaturi, termocuplul este un traductor foarte usor de folosit. Cu toate acestea, termocuplul are unele cerinte speciale in ceea ce priveste conditionarea semnalului.

Termometrele - cele mai simple mijloace de masurare a temperaturii sunt aparatele grupului mecanic, care se bazeaza pe principiul de dilatare termica a fluidelor. In termometrul cu gaze se masoara presiune, creata de cantitatea determinata de gaz la volum constant. In termometrele cu lichid si cu sticla se foloseste mercur sau alte substante. Limitele de utilizare a acestor termometre sunt aduse in tab. 3.1.

Limitele de utilizare termometrele cu lichid si cu sticla

BIBLIOGRAFIE