Electromecanic, mecanic utilaje si instalatii industriale - APARATE SI TRADUCTOARE PENTRU MASURAREA TEMPERATURII

CAP.1. MASURAREA TEMPERATURII

GENERALITATI

Temperatura este marimea fizica ce caracterizeaza starea de incalzire a unui corp.

Multe procese tehnologice sunt influentate de temperatura.De aceea masurarea cu precizie a temperaturii in utilajele tehnologice are o importanta deosebita.

Scarile de temperatura: CELSIUS, REAUMUR SI FAHRENHEIT sunt scari conventionale si s-au stabilit prin atribuirea de valori unor stari termice reproductibile(punctele de topire a ghetii si de fierbere a apei).

Intervalul de temperatura s-a impartit in 100, 80 respectiv 180 diviziuni, fiecare diviziune reprezentand un grad pe scara respectiva.

Scara Kelvin este scara termodinamica absoluta, avand ca origine temperatura de OK (zero absolut), iar temperatura de topire a ghetii corespunde la 273 grade C.

Pentru exprimarea temperaturii pe diverse scari, se folosesc relatiile dintre grade si se tine seama de valorile corespunzatoare punctului de topire a ghetii.

Astfel, o temperatura 0 exprimata in grade Celsius se poate trece in grade Kelvin utilizandu-se relatia:

Tt = (273 + 0) K.

CAP.2. APARATE PENTRU MASURAREA TEMPERATURII

Aparatele pentru masurarea temperaturii se bazeaza pe modificarea cu temperatura a unor marimi fizice, si anume:

n      variatia dimensiunilor prin dilatare (termometre bimetalice);

n      variatia volumului prin dilatare (termometre de sticla cu lichid);

n      variatia presiunii lichidelor si gazelor inchise in incinte de volum constant (termometre manometrice);

n      variatia rezistentei electrice (termorezistente);

n      variatia tensiunii generate prin efect termoelectric (termocupluri);

n      variatia intensitatilor radiatiilor corpurilor incalzite (termometre de radiatie.

a.      TERMOMETRE BIMETALICE

La diverse materiale, dilatarea cu temperatura este diferita.Dilatarea liniara cu temperatura este caracteristica prin coeficientul 0 grade C, lungimea lo, atunci la temperatura 0 grade C, lungimea barei va fi:

l = lo α

Coeficientul α se determina masunrandu-se lungimea l , a barei la temperatura 0 si l la temperatura 0 . Se scrie astfel sistemul de ecuatii:

l = lo + lo 0

l = lo + lo 0

In figura 1, a este reprezentat un termometru bimetalic tubular compus din tubul 1, cu coeficient de dilatare α , mult mai mic decat coeficientul de dilatare α al tijei 2.

In figura b este reprezentata o lama bimetalica care este constituita din doua lamele sudate 1 si 2, realizate din metale cu coeficienti de dilatare diferiti α > α

Lama este incastrata la unul din capetele si este orizontala, la o temperatura 0o (pozitia punctata).Daca lama este incalzita la o temperatura 0 > 0o lama se indoaie, deoarece lama 2 se alungeste mai mult decat lama 1. Pe acest principiu se bazeaza termometrul cu lamela bimetalica sub forma de U fig 1, c. Daca termometrul este incalzit, lama va tinde sa se indrepte, capatul liber se va ridica.Deplasarea capatului liber este proportionala cu temperatura.

b.TERMOMETRE DE STICLA CU LICHID

Acest termometru (fig 2), se compune dintr-un tub capilar de sticla 1, care se termina cu un balon 2, umplut cu lichid de lucru 3, care este de obicei mercur.Balonul se introduce in mediul 4, a carei temperatura 0 trebuie masurata.Datorita faptului ca dilatarea lichidului, se poate trasa pe tubul de sticla, o scala 5.

Nivelul lichidului in tub se ,modifica in functie de temperatura.Valoarea temperaturii se poate citi direct pe sticla in dreptul nivelului de lichid din tub.

Termometrele de sticla se folosesc si la masurarea temperaturii in instalatiile industriale, fiind montate pe conducte sau pe utilaje. Pentru proiectia partilor din sticla, acestea sunt introduse in armaturi metalice tubulare, prevazute cu ferestre pentru vizionarea scalei (fig 3).

Aceste termometre utilizate in industrie se numesc termometre tehnice.

c.TERMOMETRE MANOMETRICE

Termometre manometrice se bazeaza pe variatia cu temperatura a presiunii lichidelor si gazelor inchise in incinte de volum constant ; in functie de fluidul de lucru pot fi:

-termometre manometrice lichide;

-termometre magnetice;

Acestea au constructii identice si difera numai fluidul de umplere(gaz sau lichid).

TERMOMETRE MANOMETRICE- FIG 4 este compus dintr-un cartus termic 1 ce reprezinta un balon (de aproximativ 10 - 15 cm) care comunica printr-un tub capilar 2, cu traductorul manometric 3.Traductorul de presiune poate fi un traductor de tub Bourdon sau un traductor cu membrana, ca in figura 2. Cartusul termic, tubular capilar si traductorul sunt umplute cu un fluid sub presiune 4 (gaz sau lichid).

TERMOMETRE MANOMETRICE CU GAZ-este umplut, de obicei cu azot, cu azot sub presiune.Cartusul termic se introduce in mediul a carui temperatura trebuie masurata.Se stie ca in cazul gazelor ideale, daca volumul V al incintei este constant si masa gazului din incinta este M, atunci conform legii gazelor perfecte, presiunea este proportionala cun temperatura T:

PV = RM(273 + 0)

P = RM/V x 273 + RM/V x 0.

TERMOMETRUL MANOMETRIC CU LICHID- este umplut de obicei cu mercur.Fluidul de umplere 4 fiind kichid sub presiune, prin incalzirea cartusului termic la temperatura 0, lichidul se dilata si presiunea fluidului creste.Aceasta crestere a presiunii, care este functie de temperatura, duce la deplasarea acului indicator 7, ca si in cazul termometrelor manometrice cu gaz,Termometrele manomerice cu lichid se utilizeaza pentru masurarea temperaturiilor intre -80 grade C si 300 gradeC, gama de masurare a temperaturii depinzand de lichidul de umplere.

d.TERMOMETRE CU REZISTENTA ( TERMOREZISTENTE)

Functionarea termorezistentelor se bazeaza pe propietatea unor conductoare de a-si modifica rezistivitatea electrica la modificarea temperaturii mediului in care se gasesc.Materialele din care se confectioneaza termorezistentele trebuie sa-si pastreze in timp proprietatile , sa aiba un coeficient de variatie cu temperatura a rezistivitatii electrice cat mai mare, variatia rezistivitatii cu temperatura sa fie cat mai liniara.

Materialele-cele mai uzuale din care se confectioneaza termorezistente sunt : platina, cuprul, nichelul, fierul, cele mai utilizate termorezistente fiind executate din platina sau cupru.

TERMOREZISTENTELE DIN PLATINA- se folossc de obicei pentru masurari de precizie, pe cand, pentru masurarile obisnuite, se folosesc termorezistente din cupru.

Spre exemplu, variatia cu temperatura a rezistentei electrice a cuprului se poate exprima printr-o relatie de forma:

Ro =Ro(1 + α0)

In care : α este coeficientul de variatie cu temperatura a rezistentei electrice;

Ro - rezistenta la temperatura de 0 grade C

Ro - rezistenta la temperatura 0

0 - temperatura mediului

TERMOREZISTENTELE DIN CUPRU-se utilizeaza pentru domenii mici de variatie a temperaturii (-200 grade C si +150 grade C).

Constructiv, termorezistentele sunt alcatuite dintr-o infasurare de fire sau benzi, executate pe un suport izolator din punct de vedere electric (ceramica, mica).Aceasta infasurare se acopera cu un strat izolant si se introduce intr-un tub de protectie, confectionat din cupru sau otel.

In cazul in care termorezistentele sunt destinate masurarii unor temperaturi joase, tubul de protectie este etans si uneori umplut cu gaz sub presiune, bun conductor de temperatura sau cu parafina.

Gazul sau parafina servesc la reducerea inertiei termice care ar exista la transmiterea temperaturii dintre mediu si infasurare.La capetele termorezistentei se sudeaza fire din acelasi material ca si spirele infasurarii , care se aduc la o cutie de borne.

TERMNISTOARE - sunt termorezistente care folosesc materiale semiconductoare in locul spirelor din cupru sau platina, ce constituiau infasurarea termosesnsibila a termorezistentelor.Spre deosebire de termorezistente, termistoarele sun rezistente cu coeficienti negativi de variatie a rezistivitatii cu temperatura.Rezistenta termistorului scade cu cresterea temperaturii si se exprima cu ajutorul relatiei:

Ro = Ro - K/T, in care T este temperatura absoluta exprimata in Kelvin, iar K este o constanta care depinde de materialul semiconductor.

CAP.3.REGLAREA AUTOMATA

a.ELEMENTE COMPONENTE ALE SISTEMULUI DE

REGLARE AUTOMATA(SRA)

In cazul reglarii automate este eliminate interventia operatorului (omului) in procesul de reglare a unui parametru tehnologic.In acest scop sunt utilizate dispozitivele tehnice, numite elemente de automatizare. Acestea realizeaza operatiile pe care le efectua operatorul la reglarea manuala, si anume:

-compararea marimii reglate cu marimea de referinta, efectuata de comparator;

-amplificarea semnalului de abatere obtinuta de la comparator intr-un amplificator, care impreuna cu comparatorul formeaza regulatorul automat;

-conversia semnalului electric obtinut de la regulator intr-un semnal pneumatic realizat de convertor.

Adaugandu-se la aceste elemente si cele analizate anterior, ca traductorul marimii reglate, elementul de executie si instalatia tehnologica, se obtin toate elementele unui sistem de reglare automata.

Pentru a se ilustra rolul elementelor in cadrul sistemului, se considera exemplul anterior de reglare automata a temperaturii unui produs petrolier incalzit in cuptorul alimentat cu gaz metan(figura 95).

Traductorul este un termocuplu Fe-Constantan care dezvolta intre electrozi la temperatura 0 = 150 grade C, o tensiune E = 750 V. La acest termocuplu, dependenta dintre E si 0 este liniara:

E = 500 [V].

Dispozitivul de prescriere apartine regulatorului si prin intermediul acestuia se fixeaza marimea de referinta, adica valoarea la care trebuie mentinuta constanta marimea reglata.

Comparatorul face diferenta intre marimea rezultata din dispozitivul de prescriere si cea rezultata de la traductor rezultand semnalul abatere ε.

Amplificatorul destinat intrarii semnalului ε si transformarii lui intr-un semnal capabil sa comnade elementul de executie formeaza, impreuna cu comparatorul, disppozitivul numit in practica regulator automat.

b.CARACTERISTICILE SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATA

Caracteristica statica a elementelor SRA.

Un element al sistemului este descrisprin relatia de interdependenta dintre marimea de iesire si marimea de intrare a acestuia.Daca aceasta relatie se refera la un regim de echilibru static, cand marimile de intrare si iesire sunt consumate in timp, ele se pot deduce din ecuatii de material, de energie sau alte ecuatii de echlibru (cum ar fi de exemplu ecuatia de conservare a impulsului).Un asemenea regim se numeste regim static.Reprezentarea grafica a dependentei dintre marimea de iesire xί a elementului, in regim static, se numeste caracteristica statica a elemntului.

Caracteristicile statice pot fi liniare sau neliniare.De obicei, elementele SRA au caracteristici statice liniare sau liniarizabile pe zona de functionare a elementului.

Caracteristica dinamica a elementelor SRA.

Elementele SRA sunt descrise in regim dinamic de ecuatii care exprima dependenta dintre marimea de iesire variabila in timp xe (t) si marimea de intrare variabila in timp xi (t).Asemenea relatii se pot determina numai din ecuatiile de bilant de material sau energie scrise pentru regimul dinamic.

Practic s-a convenit sa se caracterizeze elementele, din punct de vedere dinamic, prin modul de variatie in timp a marimii de iesire xe (t), atunci cand marimea de intrare se modifica sub forma de treapta. O asemenea caracteristica se numeste respunsul elementului la semnal treapta sau raspunsul indicial.

Caracteristica statica a unui sistem de reglare automata.

Caracteristica statica a acestui sistem reprezinta dependenta dintre marimea de iesire si cea de intrare in regim stationar.

Daca toate elementele sistemului sunt liniare, caracteristica statica a sistemului este liniara si sistemul este descris de ecuatia:

X = K Xi

in care K este factorul de amplificare global al sistemului.

Caracteristica dinamica a sistemului de reglare automata.

Comportarea dinamica a sistemului se apreciaza in practica tot pe baza raspunsului indicial, adica dupa modul in care variaza in timp marimea reglata xe(t), atunci cand marimea de referinta a sistemului este modificat brusc sub forma de treapta.

Comportarea dinamica a sistemului depinde de comportarea dinamica a elementelor sistemului.Modificarea in timp a marimii de iesire a sistemului de reglare automata analizat la variatia treapta a marimii de referinta reprezinta raspunsul indicial al sistemului de reglare considerat.

CAP.4.TRADUCTOARE

Traductoarele se utilizeaza atat in cadrul sistemelor de masurare si control, cat si in cadrul sistemelor de reglare automata.

Traductoarele se compun dintr-un element sensibil si un adaptor.Elementul sensibil, numit si detector, este specific fiecarui parametru masurat. Marimea de iesire a traductoarelor din sistemul electronic unificat este curentul electric ; pentru sistemul electronic unificat E, acesta este de 2.10 mA.

Traductoarele din sistemul unificat pneumatic folosesc ca semnal unificat presiunea de 0,2.1 daN/cm patrat.

Traductoarele folosite in sistemele automate din industrie sunt traductoare de marimi neelectrice destinate masurarii parametrilor specifici industriei, si anume : temperatura, presiune, debit, nivel.

a.TRADUCTOARE DE TEMPERATURA

Elemente sensibile - cel mai des utilizate in cadrul masurarii temperaturii din instalatiile tehnologice intalnite in industria chimica sunt termorezistentele si termocuplurile.

Termorezistentele - transforma variatia de temperatura a mediului in care sunt introduse intr-o variatie de rezistenta electrica.Aceasta variatie este liniara in functie de temperatura, pentru un anumit domeniu.Astfel, pentru masurarea temperaturilor in domeniul -50 grade C+180 grade C se utilizeaza termorezistentele confectionate din sarma de cupru.Pentru game mai largi de temperatura si pentru precizie mai buna se utilizeaza termorezistentele din sarma de platina, domeniul de temperatura pentru ecestea fiind cuprinse intre -200 grade C si +500 grade C.

In tara noastra se produc termorezistente din cupru si platina care se utilizeaza fie impreuna cu adaptoare de tip ELT 162, ca in figura 128,constituind traductorul de temperatura cu termorezistenta, fie cu alte aparate, cum ar fi indicatoarele, inregistratoarele sau chiar regulatoare de temperatura.

Termocuplurile - sunt traductoare generatoare a caror functionare se bazeaza pe tensiunea termoelectromotoare, care apare in punctul de sudare a 2 materiale diferite A si B, supuse incalzirii.

Punerea in evidenta a acestei tensiuni se poate face folosindu-se un milivoltmetru.

Aceasta tensiune termoelectromotoare este de obicei cuprinsa intre 5 si 50 mV.

Metalele folosite pentru confectioarea termocuplurilor sunt:

fierul, cuprul, constantul, pentru temperaturi pana la 1100 grade C.

Wolframul, molibdenul pentru temperaturi care depasesc 1600 grade C.

Pentru obtinerea semnalului unificat, termocuplurile se conecteaza cu adaptoare de tip ELT 162.

In tara noastra, se fabrica o mare varietate de termocupluri, cele mai utilizate fiind cele de fier-constant, cromel-alumel, platina-rhodiu.

Grupul Scolar Dr.C.Angelescu

Gaesti

PROIECT

Pentru certificarea competentelor profesionale pentru obtinerea certificatului de calificare Niveleul III.

Profil :Electromecanic

Specializarea :Electromecanic, mecanic utilaje si instalatii industriale.

Tema :APARATE SI TRADUCTOARE PENTRU MASURAREA TEMPERATURII