SISTEM SENZORIAL PENTRU MĂSURAREA
TEMPERATURII
2.1. Definiţii
Temperatura este o mărime fizică utilizată pentru a caracteriza
starea de încălzire a unui mediu, a unui corp etc. Este una din cele șapte
mărimi fizice fundamentale.
Unitatea de măsură a temperaturii în S.I. este kelvinul (K).
Cele mai uzuale scări de temperatură sunt Celsius (în țările
europene) şi Fahrenheit (în Statele Unite). Acestea se definesc cu ajutorul
scării Kelvin care constituie scara fundamentală a temperaturilor în știință și
tehnică.
273,15 - T(K)=T(°C) (2.1)
459,67 - T(K) 5
9 = T(°F) (2.2)
9
532]- T(°F) [= T(°C) (2.3)
Instrumentul de măsurare a temperaturii se numeşte termometru.
Termometrele sunt dispozitive de măsurare a temperaturii, cu
aplicații în aproape toate domeniile de activitate practică a omului. Sunt
capabile să acopere un domeniu larg de temperatură (între -200 °C și +3000
°C) având construcții și precizii diferite. Corpul termometric conţinut este
caracterizat de o mărime fizică (mărime termometrică) ce variază cu
temperatura după o anumită lege fizică.
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
18
2.2. Clasificarea senzorilor pentru măsurarea temperaturii
Pentru realizarea elementelor sensibile destinate măsurării
temperaturii pe cale electrică pot fi utilizate în principiu dependenţa de
temperatură a mărimilor electrice ca:
- rezistenţa electrică a conductoarelor şi semiconductoarelor,
- tensiunea termoelectromotoare de contact dintre două
conductoare diferite,
- permeabilitatea magnetică a materialelor feromagnetice,
- permitivitatea dielectrică a unor electroizolanţi etc.
Senzorii utilizaţi la măsurarea temperaturii sunt:
- senzori cu termorezistoare;
- senzori cu termocupluri;
- senzori cu termistoare;
- senzori integrati de temperatură;
- senzori de temperatură cu funcţionare în infraroşu;
- pirometre;
- senzori de temperatura cu fibră optică
În formă grafică intervalele de temperatură pentru care se fabrică
temometrele ce funcţionează după diverse principii fizice, sunt reprezentate
în figura 2.1, cuprinzând şi intervalele posibil extinse.
Figura 2.1 Intervale de temperaturi măsurate cu diferite tipuri de termometre
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
19
În practică, alegerea unui anume tip de sensor se face funcţie de
liniaritatea semnalului de ieşire furnizat de element, limitele domeniului de
măsură, sensibilitatea şi precizia măsurării, inerţia termică care determină
viteza de răspuns a elementului.
2.3. Elementele sensibile bazate pe variaţia rezistenţei electrice cu
temperatură
Senzorii rezistivi sunt senzori de tip pasiv (parametrici). Principiul
lor de funcţionare are la bază variaţia rezistenţei electrice a elementului
sensibil sub acţiunea mărimii de măsurat.
S
lR
(2.4)
Conform relaţiei 2.4 rezistenţa este dependentă de rezistivitatea ρ a
materialului. Ca urmare, senzorii rezistivi permit măsurarea temperaturii
care determină modificarea rezistivităţii.
Elementul sensibil îşi modifică rezistenţa electrică funcţie de
temperatură după o lege neliniară. Întrucât coeficientul de variaţie a
rezistivităţii ρ cu temperatura este cu aproximativ două ordine de mărime
superior coeficientului de dilatare (care ar influenţa lungimea l şi secţiunea
S), acest ultim efect fiind neglijabil.
În construcţia acestor elemente sensibile sunt utilizate firele rezistive
metalice (termorezistenţele) sau materiale semiconductoare (cu joncţiune-
termistor sau fără joncţiune-dioda).
2.3.1. Termorezistente metalice
Se realizează uzual din metale pure (Pt, Ni, Cu, W etc.) şi mai rar din
aliaje (Ag-Au); aliajele, deşi au rezistivităţi electrice mai ridicate, au
coeficienţi de variaţie a rezistivităţii cu temperatura de valori mai mici decât
la metale pure.
Metalele de mai sus au un coeficient de temperatură al rezistivitaţii
relativ ridicat, cu valori de (0.35-0.68)%/ºC în intervalul 0º…100ºC, stabil
în gama temperaturilor de lucru şi constant în timp, asigurând astfel
reproductibilitatea valorilor obţinute din măsurare. Se construiesc
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
20
termorezistenţe din metale pure cu valori nominale ale elementului sensibil
la 0ºC (R) de 100 Ω sau 46 Ω pentru Pt, 53 Ω sau 100 Ω pentru Cu şi 100 Ω
pentru Ni. În tabelul 2.1 sunt indicate valorile raportului R100ºC/R0 şi
domeniile temperaturilor măsurabile pentru termorezistenţele metalice
uzuale.
Tabel 2.1 Valorile raportului R100ºC/R0 şi domeniile temperaturilor măsurabile
Relaţia de dependenţă rezistenţă electrică – temperatură R(θ) la
metale poate fi exprimată prin dezvoltarea în serie Taylor în jurul unei
temperaturi de referinţă t0, astfel:
])100(1[ 32
0 ttCtBtARRt (2.5)
unde:
A, B, C – coeficienţi cu valori constante pentru anumite intervale de
temperatură, specifici metalelor utilizate;
Tabel 2.2 Valorile coeficienţilor A, B şi C
Coeficient IPTS-68 ITS-90
A 3,90802E-03 3,90830E-03
B -5,80195E-05 -5,77500E-07
C -4,27350E-12 -4,18300E-12
International Temperature Scale of 1990 (ITS-90)
t –temperatura
R0 – rezistenţa la ºC (ex. 100 Ω pentru Pt100 şi 1000 Ω pentru Pt1000)
În general, la temperaturi pozitive (C=0) se aproximează dezvoltarea
în serie Taylor până la termenii de rang doi, iar când nu se impune o precizie
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
21
de măsurare ridicată se poate aproxima doar cu primul termen, caz în care
caracteristica este liniară.
)1( 2
0 tBtARRt (2.6)
În practică, însă, de obicei corespondenţa rezistenţă electrică –
temperatură se determină pe baza unor tabele de valori standardizate. Pentru
conversia rezistenței electrice la temperatură, ecuația de mai sus poate fi
scrisă astfel:
BR
RRBRARARt
0
00
22
00
2
)(4 (2.7)
Principalele condiţii care se urmăresc la alegerea metalelor pentru
realizarea elementelor sensibile ale termorezistenţelor sunt:
- coeficient de variaţie a rezistivităţii cu temperatura ridicat, pentru a
obţine o sensibilitate bună; se urmăreşte parametrul R100/R0
(raportul dintre rezistenţa senzorului la 100˚C şi rezistenţa la 0˚C);
- liniaritatea caracteristicii de transfer;
- rezistivitate ridicată;
- puritate cât mai bună, pentru reproductibilitate;
- stabilitate termică şi temporală.
După natura elementului sensibil, cel mai utilizat tip de senzor
termorezistiv metalici este:
Termorezistenţa din platină (Pt) se realizează cu valori normalizate
ale rezistenţelor Pt100 (100 Ω la 0˚C), Pt46 (46 Ω la 0˚C).
- Parametrul R100/R0=1.391 pentru Pt100, respectiv R100/R0=1.387
pentru Pt46.
- Domeniul temperaturii de lucru: -200˚C ÷ +850˚C, iar pentru regim
de scurtă durată până la 1050˚C (punctul de topire a platinei este ~1780˚C).
- Dependenţa R(θ) este aproximativ liniară.
Observaţii:
- termorezistenţele din Pt sunt cele mai precise;
- platina se comportă în special la temperaturi mari ca un catalizator,
iniţiind şi stimulând procesele de oxidare (arderile suplimentare la
suprafaţa platinei măresc temperatura senzorului).
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
22
2.3.2. Termorezistenţe semiconductoare fără joncţiune
În aplicaţii se folosesc termistoare (rezistenţă semiconductoare fără
joncţiune), diodele semiconductoare, circuite integrate cu ieşire în curent, în
tensiune sau PWM). Datorită dimensiunilor reduse se pot utiliza în aplicaţii
unde sunt necesari timpi de răspuns reduşi şi/sau pentru măsurări
punctiforme. Senzorii de acest tip au caracteristici R(θ) neliniare, domeniile
de temperatură fiind cuprinse în general între -50˚C ÷ +300˚C la
termistoare, respectiv -50˚C ÷ +140˚C la diode şi tranzistoare.
Termistoarele, ca semiconductoare fără joncţiune, au fost utilizate
iniţial în montaje electronice pentru compensări de temperatură, având un
coeficient de variaţie cu temperatura a rezistivităţii negativ
(negatermistoare). Ulterior au apărut şi pozitermistoarele (termistoare cu
coeficient de temperatură pozitiv) şi s-au realizat senzori pentru măsurarea
temperaturii.
Figura 2.2 Caracteristicile rezistenţă-temperatură la termistori
Termistoarele sunt caracterizate de o dependenţă R(T) de formă
exponenţială:
T
B
T eAR (2.8)
unde
A – constantă de material (pentru T= ),
B – constantă energetică,
T este temperatura absolută.
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
23
Caracteristica poate fi liniarizată pe porţiuni, cu scăderea
coeficientului de temperatură, deci a sensibilităţii. În general, la termistoare
coeficientul de temperatură este cu un ordin de mărime superior faţă de cel
de la termorezistenţele metalice.
Rezistenţele nominale ale senzorilor nu corespund standardelor
uzuale, având valori în domeniul 10 ÷ 106
Ω. Datorită valorilor mari ale
rezistenţei electrice, chiar la distanţe mari între punctul de măsurare şi
instrument rezistenţa conductoarelor de legătură devine neglijabilă, ceea ce
înseamnă o simplificare a circuitului de măsurare.
Pentru determinarea caracteristicii termice R(T) se poate folosi
procedeul experimental complet (se măsoară rezistenţa din aproape în
aproape pe tot intervalul de temperatură, după care se aproximează
caracteristica prin relaţia (2.8) sau polinomial. Prin logaritmarea relaţiei de
mai sus se obţine:
T
BRRT 4343.0loglog (2.9)
Considerând două puncte de pe caracteristica termistorului (R1, T1)
şi (R2, T2), rezultă sistemul:
2
2
1
1
4343.0loglog
4343.0loglog
T
BRR
T
BRR
(2.10)
de unde
21
21
11
)log(log303.2
TT
RRB
(2.11)
iar ecuaţia lui R(T) se poate rescrie:
21
11
21
TTB
eRR (2.12)
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
24
2.3.3. Termorezistente semiconductoare cu joncţiune
Senzorii cu semiconductori sunt bazaţi pe sensibilitatea cu
temperatura a dispozitivelor cu siliciu. Ei se bazează pe variaţia tensiunii de
deschidere a unei joncţiuni p-n cu temperatura:
S
D
I
I
q
TKlnVD
(2.13)
unde:
K este constanta lui Boltzman,
q este sarcina electronului,
T temperatura absolută a joncţiunii,
IS curentul de saturaţie iar
ID este curentul direct prin joncţiune.
Deoarece curentul de saturaţie depinde de temperatură relaţia nu
poate fi utilizată în limite largi. Joncţiunile utilizate la măsurarea
temperaturii sunt polarizate cu un curent constant, a.î. acesta să nu
determine încălzirea joncţiunii. Tensiunea de deschidere, conform relaţiei de
mai sus, variază cu circa 2.2 mV/°C, dar diferă de la o joncţiune la alta
datorită dispersiei tehnologice. Figura 2.3 redă caracteristica tensiune-
temperatură a unei joncţiuni, fie ea a unei diode, sau joncţiunea bază-emitor
a unui tranzistor:
Figura 2.3 Caracteristica tensiune-temperatură a unei joncţiuni
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
25
2.3.3.1. AD590
Analog Devices produce un senzor de temperatură integrat (AD590)
care furnizează la ieşire un curent numeric egal (μA) cu temperatura
absolută a capsulei (°K). Circuitul se alimentează cu tensiuni între 4 şi 30 V
şi se poate utiliza la temperaturi între -55°C şi 150°C.
Figura 2.4.a prezintă schema electrică a senzorului. Circuitul conţine
4 tranzistoare (în circuit oglindă), din care Q2 are aria joncţiunii B-E de 8 ori
mai mare decât a lui Q1.
a. b.
Figura 2.4 Circuitul intern şi de măsură
Tensiunea pe rezistenţa R poate fi scrisă:
V][101798lnlnV 6
2
1T TT
q
K
I
I
q
TK
C
C
(2.14)
Se poate observa ca VT este proporţională cu temperatura absolută,
de unde şi curentul IC2 va fi tot proporţional cu T. Datorită faptului că
IT=2·IC2, atunci curentul total va fi proporţional cu T. Alegând rezistenţa
R=358 Ω, atunci se obţine o sensibilitate de 1 μA/K. AD590 nu necesită
punte sau circuit de liniarizare şi lucrează cu tensiuni mici. În plus ieşirea în
curent permite utilizarea de fire lungi fără a introduce erori din cauza
căderilor de tensiune pe fire sau tensiunilor parazite induse în fire. Datorită
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
26
impedanţei mari a sursei de curent, senzorul este insensibil la variaţiile
tensiunii de alimentare.
Circuitul poate fi utilizat cu ieşire în tensiune, caz în care se poate
reduce eroarea prin introducerea unui reglaj analogic.
2.3.3.2. LM35
Este un senzor de temperatură integrat cu ieşire în tensiune, cu
ieşirea proporţională cu temperatura (°C). Fără calibrare asigură o precizie
de 0.25°C şi de 0.75°C pe tot domeniul de temperatură (-55V ÷ 150°C). Ca
şi la AD590, precizia este asigurată prin ajustarea cu laser a rezistenţelor
integrate în circuit. Ieşirea în tensiune (10 mV/°C), cu impedanţă mică de
ieşire şi liniaritatea îl fac deosebit de simplu de utilizat. Poate fi utilizat atât
cu sursă simplă sau dublă.
Figura 2.5 Schema internă a senzorului LM35
Problema circuitului o constituie faptul ca principala legătură
termica cu exteriorul o constituie terminalele sale, ce se vor afla la
temperatura mediului ambiant. Pentru a evita acest neajuns, terminale se
îmbracă într-o cămaşă de răşină epoxidică. Erorile sale sunt mai mici decât
ale circuitului AD590, însă are dezavantajul ieşirii în tensiune.
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
27
2.3.3. Tipuri constructive
Senzorii termorezistivi metalici se realizează prin bobinarea bifilară a
firului conductor (elementul sensibil) pe un suport izolant, ansamblul fiind
introdus într-o carcasă de protecţie. Firul metalic are în general un diametru
cuprins între 0.02 ÷ 0.1 mm. Suportul înfăşurării conductorului rezistiv se
alege în funcţie de domeniul temperaturii măsurabile. La temperaturi de
până la 150˚C se folosesc materiale electroizolante obişnuite (răşini); pentru
temperaturi în domeniul 150˚C ÷ 300˚C se utilizează mica şi stearit; până la
550˚C – sticlă dură; peste 550˚C – materiale ceramice speciale. Carcasa
(tubul) pentru protecţie se alege după mediul în care se efectuează
măsurările, de cele mai multe ori realizându-se din oţel inoxidabil, cu sau
fără cămaşă ceramică.
La proiectare, se are în vedere ca încărcarea electrică să nu
determine o creştere sensibilă a temperaturii senzorului, puterea disipată
fiind limitată la valoarea de 1 mW.
În figura 2.6 sunt prezentate câteva forme constructive ale
termorezistenţelor.
Figura 2.6. Tipuri constructive ale termorezistenţelor metalice
Senzorii termorezistivi semiconductori, constructiv sunt similare cu
cei metalice, însă au o serie de avantaje: sensibilitate superioară, dimensiuni
reduse, inerţie termică scăzută, sunt realizate într-o gamă mare de valori. În
aplicaţii industriale sunt mai puţin răspândite datorită dispersiei
caracteristicilor şi domeniului relativ restrâns de temperatură (100÷400 °C).
Element
sensibil
Izolatori
(mica)
Tub de
protecţie
a.
b.
c.
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
28
La realizarea termistoarelor se utilizează amestecuri de oxizi metalici
(Fe2O3, NiO, Cu2O, Si2O etc.), sulfuri metalice sau metale pure. Senzorii pot
avea dimensiuni foarte mici (de ordinul mm), ceea ce conduce la capacităţi
calorice reduse şi inerţie termică scăzută (timp de răspuns de ordinul msec).
Se pot măsura astfel temperaturi punctuale (de exemplu, în montaje
electronice).
Dezavantajul principal îl constituie însă neliniaritatea pronunţată a
caracteristicii, care necesită blocuri de liniarizare. Aplicaţiile lor sunt legate
de instalaţiile de reglare a temperaturii (încălzire, climatizare).
Termistoarele de mică putere se realizează sub forma unor sfere mici
(cu diametrul mai mic de 1 mm), în care sunt fixate conductoarele de
legătură; termistoarele de putere se realizează sub formă de disc, bară sau
inel. Se întâlnesc însă şi termistoare de formă industrială.
2.1.3.Inerţia termică a termorezistenţelor
Timpul de răspuns (tr) este un parametru important al
termorezistenţelor, în special când se măsoară temperaturi variabile în timp
(de exemplu, în cazul regulatoarelor de temperatură). Constanta de timp (T)
se defineşte ca intervalul de timp în care senzorul ajunge de la temperatura
iniţială θ0 la temperatura θ1, care satisface condiţia:
)(632.0 001 m (2.15)
unde θm este temperatura de măsurat.
Evoluţia în timp a temperaturii senzorului de la θ0 către valoarea de
măsurat θm corespunde unei curbe exponenţiale (figura 2.7). După un timp,
teoretic îndelungat, senzorul va căpăta temperatura θm. Se definesc următorii
parametri:
● timpul de răspuns 5% (τ5%=3T) - intervalul de timp în care
temperatura senzorului devine 95% din diferenţa maximă θm- θ0.
● timpul de răspuns 2% (τ2%=4T) - intervalul de timp în care
temperatura senzorului atinge 98% din diferenţa maximă θm- θ0.
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
29
Figura 2.7 Evoluţia temperaturii la senzori termorezistivi
Termorezistenţele metalice au constante de timp destul de ridicate, în
general între câteva secunde şi câteva minute (de exemplu, la
termorezistenţele de tip industrial Pt100, Ni100, Cu100, T ia valori între 1.5
şi 2 minute. La termistoare constanta de timp este sensibil mai mică decât la
termorezistenţele metalice (de ordinul a 10-2
sec).
2.4. Elemente sensibile bazate pe modificarea tensiunii electromotoare
de contact cu temperatura (termocupluri)
Termocuplurile fac parte din grupa elementelor sensibile la care are
loc o transformare directă de energie, mărimea de măsurat, temperatura,
convertindu-se direct întro mărime electrică activă, şi anume, într-o tensiune
continua.
2.4.1. Principii fizice şi legi care stau la baza generării tensiunii
termoelectromotoare de contact
Măsurarea temperaturii cu ajutorul termocuplurilor este bazată pe
utilizarea legilor fenomenelor termoelectrice, tensiunea termoelectromotoare
de contact fiind rezultatul acţiunii concomitente a două efecte şi anume
efectul Thomson şi efectul Seebeck.
Dacă extremităţile unui conductor omogen se află la temperaturi
diferite T1 şi T2 (T1<T2) diferitele porţiuni din conductor se vor afla la
temperaturi diferite (T1<T<T2). Cum numărul de electroni liberi pe unitatea
θ [˚C]
t [sec]
θm
θ0
T
3T
4T
0.632(θm- θ0) 0.95(θm- θ0)
0.98(θm- θ0)
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
30
de volum a conductorului creşte cu temperatură, pe măsura creşterii
temperaturii, concentraţia pe unitatea de volum a purtătorilor de sarcină
liberă creşte şi purtătorii se vor mişca din locurile cu concentraţie mai mare
către locurile cu concentraţie mai mică, adică de la capătul cald al
conductorului către cel rece (fig. 2.8.a).
Figura 2.8 Ilustrarea relaţiilor Thomson
Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.) care se dezvoltă la capetele
conductorului omogen depinde de natura conductorului şi de mărimea
diferenţei de temperatură, conform relaţiei (Efectul Thomson):
2
1
T
T
aa dtE (2.16)
unde σa este coeficientul Thomson pentru conductorul a.
Dacă însă circuitul închis este format din doi conductori omogeni de
natură diferită (σa ≠ σb ) t.t.e.m. totală Thomson care apare va fi:
2
1
)(
T
T
baab dtE (2.17)
depinzând deci de valorile coeficienţilor Thomson pentru cele două
conductoare şi de valorile temperaturilor absolute T1 şi T2 de la locurile de
contact ale conductorilor (fig. 2.8.b).
La locurile de contact ai celor doi conductori a şi b, datorită
concentraţiei diferite a purtătorilor de sarcină din cele două conductoare
apar t.t.e.m. de contact suplimentare εab(T1) şi εab (T2) de semne opuse şi
valori absolute diferite (efectul Seebeck). În principiu cele două t.e.m. de
contact depind de valorile temperaturilor punctelor de contact şi a
concentraţiilor de purtători liberi (natura conductoarelor şi gradul lor de
puritate).
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
31
În final, t.t.e.m. totală care apare în circuitul celor două conductoare
omogene se determină cu expresia:
2
1
)()()( 12
T
T
baababab dtTTE (2.18)
Pentru un cuplu dat de conductoare omogene şi în intervale restrânse
de temperatură, se pot considera valorile celor două concentraţii de
purtători, cunoscute şi constante. În aceste condiţii, t.t.e.m. totală depinde
numai de valorile temperaturilor celor două puncte de contact (denumite
joncţiuni sau suduri).
)()(),( 1221 TeTeTTE ababab (2.19)
Dacă temperatura uneia din joncţiuni este cunoscută şi constantă (de
ex. joncţiunea rece), t.t.e.m. rezultantă depinde în acest caz numai de
temperatura sudurii/joncţiunii calde: E=f(T). Astfel măsurarea temperaturii
necunoscute se rezumă la măsurarea t.t.e.m. Instrumentul de măsurare se
conectează în circuit prin întreruperea unui termoelectrod (figura 2.9.a) sau
în locul sudurii reci (figura 2.9.b), varianta a doua fiind mai raţională.
a. b. c.
Figura 2.9 Conectarea instrumentului de măsură
Pentru cazul general de măsurare a temperaturii cu termocupluri,
circuitul termoelectric este alcătuit dintr-un ansamblu de elemente care
elimină toţi factorii care pot influenţa valoarea t.t.e.m (figura 2.9.c):
• termocuplul format din conductoarele omogene A şi B de natură
diferită, cu joncţiunea 1 de măsurare (sudura caldă) şi joncţiunea 2 (sudura
rece) de referinţă;
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
32
• cablurile de prelungire, CP, confecţionate în general din aceleaşi
materiale ca şi termoelectrozii termocuplului, cu rolul de a deplasa
joncţiunea de referinţă din zona 2 cu fluctuaţii mari de temperatură în zona 2
în care temperatura poate fi menţinută constantă;
• instrumentul de măsurare 3 pentru determinarea t.t.e.m.
2.4.2.Constructia termocuplelor
Indiferent de destinaţia acestora, părţile componente ale unui
termocuplu industrial sunt următoarele (figura 2.10):
(1) – termoelectrozii;
(2) – teaca de protecţie;
(3) – cutia de borne;
(4) – flanşa deplasabilă sau piuliţa de stringere cu ajutorul căreia se
realizează fixarea la lungimea dorită în punctul de măsurare a temperaturii.
Termoelectrozii sunt izolaţi cu tuburi sau mărgele din material
ceramic, iar teaca de protecţie mecanică şi anticorozivă se realizează din oţel
refractar sau material ceramic.
Figura 2.10 Structura unui termocuplu
Dimensiunile termocuplului, adică diametrele firelor şi ale joncţiunii
vor fi reduse la minim pentru a asigura rezistenţa mecanică necesarăşi a
reduce inerţia termică a termocuplului şi în acelaşi timp a diminua răcirea
sudurii calde prin conducţia termică a conductoarelor.
În tabelul 2.3 sunt prezentate caracteristicile diverselor tipuri de
termocupluri, mai folosite, precum şi t.t.e.m. a acestora.
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
33
Tabel 2.3 Caracteristicile diverselor tipuri de termocupluri
T.t.e.m. a termocuplurilor, când joncţiunea de referinţă se găşeşte la
temperatura de 0ºC, trebuie să corespundă, în limitele erorilor tolerate,
valorilor tabelate. Când însă joncţiunea de referinţă se găseşte la o
temperatură constantă, dar diferită de 0ºC, valorile t.t.e.m. a termocuplurilor,
corespunzătoare temperaturii de referinţă de 0ºC se determină cu relaţia:
tt kEE 0 (2.20)
în care:
E0 – t.t.e.m. în mV la temperatura 0 ºC a joncţiunii de referinţă;
Et – t.t.e.m. în mV, la temperatura t (valoarea măsurată);
kt – factor constant cu valori cuprinse între 0,006..0,067 în funcţie de
termocuplu şi pentru temperaturi de referinţă cuprinse între 0..50ºC:
Menţinerea sudurii reci la o temperatură constantă se poate realiza
prin mai multe procedee, mai utilizat fiind cel de compensare.
Compensarea automată a variaţiilor temperaturii joncţiunii de
referinţă se poate realiza cu ajutorul unor circuite auxiliare “punţi de
compensare” având cel puţin un element de circuit a cărui rezistenţă este
dependentă de temperatură.
Punţile de compensare (figura 2.11) se alimentează la o tensiune sau
la curent constant şi conţin rezistenţe din manganin, independente de
temperatură şi rezistenţe metalice sau termistoare cu coeficient de
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
34
temperatură pozitiv sau negativ. Elementele componente ale circuitului de
compensare prezentat sunt următoarele: C- carcasa metalică,T- termocuplu
de măsurare, mV- milivoltmetru indicator etalonat în valori ale temperaturii,
RCu- rezistenţe metalice din conductor de cupru, Rm- rezistenţe din
manganin, Ra - rezistenţa de ajustare, adiţională, R-rezistenta de reglaj.
Figura 2.11 Compensarea cu punţi de compensare
Pentru micşorarea pierderilor de căldură prin teacă şi prin armătura
termocuplurilor, adâncimea de imersie a termocuplurilor minimă care
trebuie respectată, este de cel puţin 10 ori diametrul exterior al tecii.
La măsurarea temperaturii cu termocuplu fiind necesară prelugirea
electrozilor în zona cu temperatură uşor de menţinut constantă, acest lucru
se realizează cu două conductoare care dezvoltă o t.t.e.m. egală cu cea a
termoelectrozilor (din aceleaşi materiale ca şi termoelectrozii). Secţiunile
cablurilor de prelungire trebuie să fie de cel putin 1.5 mm2 pentru ca variaţia
rezistenţei acestora cu temperatura mediului ambiant să fie neglijabilă.
2.4.3. Inerţia termică a termocuplurilor
Ca şi în cazul termorezistenţelor, inerţia termică a termocuplurilor
devine importantă când temperatura de măsurat variază în timp, iar
elementul sensibil este componentul unui regulator de temperatură.
Pentru determinarea constantei de timp T se trasează caracteristica
dinamică t.t.e.m. generată funcţie de timp. Termocuplul aflat la temperatura
t0 a mediului exterior, este introdus brusc în mediul de cercetat cu
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
35
temperatură constantă şi cunoscută tm. Utilizându-se tabelele standardizate
“t.t.e.m.-temperatură” existente în anexă, se obţine dependenţa dinamică
“temperatura indicată – timp” cu ajutorul căreia se determină T şi timpul de
răspuns 2% (τ2%=4T sec), respectiv timpul de răspuns 5% (τ5%=3T sec).
Considerând, ca şi în cazul anterior al termorezistenţelor, dependenţa
dinamică temperatură-timp de formă exponenţială (pentru termocuplul
introdus brusc în mediul de cercetat), constanta de timp a temocuplului de
încercat reprezintă durata de timp după care diferenţa dintre temperatura
iniţială t0 la care s-a aflat termocuplul (temperatura mediului exterior) şi
temperatura t indicată, când termocuplul este introdus în mediul de cercetat,
devine egală cu 0.632(tm-t0) [ºC], unde tm este temperatura constantă a
mediului de cercetat.
Constanta de timp a termocuplurilor în execuţie standard din grupa
Fe-Constantan, Cu-Constantan şi PtRh-Pt este aproximativ 1.5 min în timp
ce pentru termocuplul Cromel-Alumel în funcţie de varianta constructivă
utilizată, constanta de timp ia valori între 1 şi 5min.
2.5. Elemente sensibile bazate pe radiaţia termică a corpurilor.
Pirometrele
Temperatura caracterizează radiaţia termică a unui corp. Legile care
stabilesc legătura dintre energia radiată şi temperatură sunt legile radiaţiei
emise de Stefan-Boltzmann, Plank şi Kirchhoff. Aceste legi arată că un corp
radiază energie termică la orice temperatură şi că o creştere a temperaturii
provoacă o creştere a energiei radiate.
Pirometrele permit măsurarea temperaturii prin intermediul energiei
radiante, fără contact, în concordanţă cu legile radiaţiei termice. Acestea se
etalonează pe baza radiaţiei emisă de corpul negru (corp idealizat).
După principiul de funcționare ele pot fi:
1. Pirometre de radiație care se bazează pe utilizarea radiației
sursei, care depinde de temperatură. Din această categorie fac
parte:
pirometrele de radiație totală, a căror funcționare se bazează
pe legea Stefan-Bolzmann,
pirometrele de radiație parțială,
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
36
pirometrele monocromatice (spectropirometre), a căror
funcționare se bazează pe legea lui Planck.
2. Pirometre cu distribuție spectrală, care se bazează pe variația cu
temperatura a distribuției spectrale relative a sursei. Din această
categorie fac parte:
pirometre optice, care lucrează în domeniul lungimilor de
undă de 0,1– 300 μm,
radiopirometre, care lucrează în domeniul lungimilor de undă
de 5×102 – 1×10
6 μm.
pirometre vizuale, la care detectorul de radiație este ochiul
omenesc:
- pirometre optice cu dispariția filamentului
- pirometre cu pană cenușie,
pirometre obiective, la care detectorul de radiație este o
celulă fotoelectrică sau un senzor termic,
micropirometre, destinate măsurării temperaturilor unor
obiecte mici, sub 0,1 mm,
pirometre staționare, respective pirometre portabile.
Cele mai folosite tipuri sunt pirometrele de radiație totală și
pirometrele optice cu dispariția filamentului.
Un pirometru (figura 2.12) este compus din:
1- corpul a cărui temperatură se măsoară;
2- corpul pirometrului;
3- concentrator optic (lentilă sau oglindă);
4- detector de radiaţie (un corp negru de dimensiuni reduse căruia
i se ataşează un senzor termoelectric 5;
5- microtermocuple.
Figura 2.12 Structura pirometrelor de radiatie
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
37
Măsurarea (figura 2.13) se face prin comparaţie, adică pe imaginea
suprafeţei radiante, ce emite o radiaţie în spectrul vizibil, se suprapune o
lampă etalon.
Tm > Tf Tm = Tf Tm < Tf
Figura 2.13 Imagini specifice procesului măsurării
Reglând curentul de filament se va modifica temperatura acestuia şi
implicit culoarea.
În funcţie de temperatura filamentului Tf, valoarea curentului prin
acesta constituie o măsură a temperaturii urmărite Tm.
Pirometrele obişnuite au domeniile: 700 grade Celsius (filament roşu
închis) şi temperatura maximă a filamentului 1500 grade Celsius, dar pot fi
extinse pâna la 3000 grade Celsius prin utilizarea unor atenuatoare optice.
Pirometrele sunt foarte mult utilizate în siderurgie (metalurgie)
pentru măsurarea temperaturii şarjei în cuptoare, furnale.
Un termometru în infrarosu este un termometru care calculează
temperatura dintr-o porțiune a radiației termice denumită uneori radiația
corpului negru emisă de obiectul măsurat. Este uneori numit şi termometru
laser, deoarece un laser este utilizat pentru a ajuta la direcționarea
termometrului fără contact sau a pistoalelor de temperatură pentru a măsura
de la distanță şi fără contact. Cunoscând cantitatea de energie infraroșie
emisă de obiect și emisivitatea sa, temperatura obiectului poate fi deseori
determinată într-un anumit interval de temperatură reală.
Termometrele în infrarosu sunt un subset de dispozitive cunoscute
sub denumirea de "termometre de radiație termică".
Uneori, în special în apropierea temperaturilor ambientale, citirile
pot fi supuse erorilor datorate reflexiei radiației dintr-un corp mai fierbinte -
chiar și de la cel care măsoară ce poate radia mai puternic decât obiectul
măsurat, introducând valori eronate.
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
38
2.6. Sistemul senzorial pentru măsurarea temperaturii
Figura 2.14 Stand experimental cu sistemul senzorial pentru măsurarea temperaturii
Figura 2.15 Schema bloc a sistemului senzorial pentru măsurarea temperaturii
Modbus/TCP/IP
Incinta termică - Eldon EHG 100
HMI -VT250
Automat programabil
Modicon M221
Senzor infraroşu
M18TIP8
Termorezistenţa Pt100
TS-516-LI2UPN8X-
H1141-L016
Termocuplu
HMI
Termistor
Modul analogic
TMC2TI2 14biti
AD590 LM35
PWM
Intrări analogice 12biţi
Multimetru
Termocuplu Pt100
Microvoltmetru Multimetru Multimetru Multimetru
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
39
Lucrarea de laborator se desfăşoară la un stand organizat în jurul
unui automat programabil M221 model TM221CE16T cu 16 terminale I/O
tip tranzistor PNP produs de firma Schneider-Electric.
Automatul programabil (AP) este conectat la interfaţa om-maşină
(HMI-human machine interface) prin protocolul de comunicare Modbus
over TCP/IP. De asemenea, are conectate două module de intrari analogice:
unul cu rezoluţia de 12 biti şi celălalt cu rezoluţia de 14 biţi. Modulul de 14
biţi este utilizat la măsurarea tensiunilor mici generate de termocuplul notat
TC-HMI. În urma conversiei tensiune-temperatură, pe ecranul HMI este
afişată temperatura corespunzătoare. Ieşirea PWM a AP, prin intermediul
unui regulator PID programabil intern, este utilizată pentru comanda incintei
termice.
Studentul, prin intermediul HMI are acces la:
1. controlere: un buton de START/STOP, un controler numeric SP
pentru modificarea temperaturii din incintă,
2. indicatoare numerice care permit monitorizarea temperaturii
măsurate cu ajutorul senzorilor: Pt1000 (TS-516-LI2UPN8X-
H1141-L016), infraroşu (M18TIP8), termocuplu HMI
Ceilalţi senzori (AD590, LM35, termistor, Pt100) sunt conectaţi la
multimetre pentru măsurarea tensiunii sau rezistenţei iar termocuplul Fe-Ct
este legat la un microvoltmetru.
Elementele componente standului sunt descrise în continuare.
2.6.1. Automatul programabil Modicon M221 TM221CE16T
Automatul programabil Modicon M221 este destinat pentru controlul
maşinilor compacte simple, dimensiunile deosebit de mici ale acestora sunt
ideale pentru optimizarea dimensiunilor dulapurilor şi cutiilor de
automatizare oferind bune performanţe. M221 este cel mai complet automat
din gama Modicon necesitând instalare minimă - virtual plug&play - şi este
ideal pentru aplicatii independente.
Este conceput în structură modulară, această topologie permiţând
operatorului să beneficieze de diversele posibilităţi de interconectare oferite.
Modulele adiţionale automatului Modicon M221 sunt:
- modul de siguranţă;
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
40
- Tesys SoLink motor starter;
- modul de extindere a liniilor digitale şi analogice;
- Lexium servo drives.
Automatul programabil Modicon M221 (figura 2.16) beneficiaza de:
- slot pentru card SD;
- port USB;
- 2 intrari analogice;
- buton RUN/STOP:
- conectori RJ 45 pentru Ethernet şi conexiune serială;
- software pentru programare: SoMachineBasic.
Figura 2.16 Automatul programabil Modicon M221 TM221CE16T
Poate fi integrat cu uşurinţă în arhitecturile sistemului de control
pentru comandă de la distanţă şi întreţinerea maşinilor prin intermediul
aplicaţiilor pentru telefon, tableta şi PC.
Caracteristici hardware şi caracteristici speciale:
• Automatele programabile modulare M221 sunt disponibile cu 16 sau 32
I/O şi vin într-un singur format
• Intrarile şi ieşirile incorporate în automatele cu 16 canale sunt conectate la
blocuri de borne cu şurub sau arc, furnizate cu automatele.
• Sunt disponibile 2 intrari analogice la fiecare controler modular, conectate
la un conector dedicat.
• La fiecare automat M221 este disponibil un comutator de pornire/oprire,
un slot pentru card de memorie SD (card digital securizat) şi un cod QR
pentru acces direct la documentaţia sa tehnică.
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
41
• 3 tipuri de porturi de comunicaţie integrate: Ethernet, legatură serială RS
232/RS 485 şi port de programare USB.
• Funcţii integrate foarte importante: control PID, 4 intrari de contoare de
mare viteza (HSC), frecventa 100 kHz, ieşire PWM, generator de
impulsuri (PLS), 2 ieşiri în tren de impulsuri P/D (PTO)
• Putere de procesare: viteza de execuţie (0.2 μs/instrucţiune boolean),
program (10.000 instrucţiuni Boolean), numar de cuvinte(8000), număr de
biţi interni: 512
Programarea intuitivă a maşinii cu software-ul SoMachine Basic nu
necesită instruire deosebită şi este disponibil pentru descărcare gratuită(ex.
proiect programare AP: Anexă). Asigură toată programarea permiţând
navigarea simplă şi un proces tehnologic mai eficient. Punerea în funcţiune
este realizată cu un singur instrument.
Automatul programabil M221 are conectate şi module ce permit
extinderea numarului de I/O analogice:
1. Modulul TMC2TI2 este creat special pentru PLC Modicon M221,
fiind una dintre cele trei variante disponibile. Un mare avantaj al
acestor module este că nu măresc cotele de gabarit ale
automatului programabil şi permit rezoluţia de 14 biţi la intrarile
analogice.
a. b. c.
Figura 2.17 Module: a.TMC2TI2; b.TM3AI4G; c.schema electrică pentru TM3AI4G
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
42
2. Modulul TM3 AI4G permite ataşarea a patru intrări
analogice cu rezoluţia de 10 biţi
În figura 2.18 este o imagine a automatului programabil Modicon
M221 având ataşate modulele prezentate anterior şi prezente pe stand.
Figura 2.18 Controlerul Modicon M221şi modulele analogice ataşate
2.6.2. Interfaţa om-maşină (HMI) VT250
Interfaţa om-maşină (HMI - figura 2.19) dispune de un ecran tactil
cu diagonala de 5.7" de tip TFT (Resistive Touch) cu rezoluţie QVGA într-o
carcasă compactă de plastic. Dimensiunile semi-standardizate de asamblare
(212mm × 156mm × 50mm).
Operatorul interacţionează cu standul prin intermediul interfeţei
VT250-57C-L7-COM
Figura 2.19 Interfaţa om-maşină (HMI) VT250
TMC2TI2 I/O TM3 AI4G
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
43
VT250 permite accesul la cardul de memorie SD şi la bateria de
rezervă din afara carcasei. Memoria de program şi date este de 4MB.
Conectorul tip sub-d cu 9 pini pentru portul de fieldbus permite poziţionarea
cablului în aceeaşi direcţie ca toate celelalte cabluri, fiind bine protejat,
suportă DeviceNet, CANopen şi Profibus.. HMI-ul prezintă în partea de jos
conectorul pentru alimentarea cu 24Vdc, portul de comunicaţie ce suportă
RS232 şi RS485 şi un port USB. De asemenea are şi două porturi Ethernet
de timp real. Poate fi configurat ca master sau ca sclav. Procesorul RISC pe
32 de biţi cu frecvenţa de 200MHz oferă, pe lângă puterea de calcul
necesară comunicaţiei, şi resurse suficiente pentru software-ul de vizualizare
şi control QVIS care permite utilizatorului să creeze şi să proiecteze
interfeţe grafice utilizator, furnizând toate funcţiile unui sistem modern de
vizualizare, cum ar fi gestionarea alarmelor, gestionarea elementelor
componente, protecţia cu parolă, istorie, grafice şi simulări.
Software HMI: QVis este personalizat pentru aplicaţie dar poate fi
programat şi cu CoDeSys V3 conform IEC 61131-3
2.6.3. Sursa de energie
Alimentarea standului se face cu o tensiune de 230 V c.a. prin
intermediul unui intrerupător automat miniatural de 6A, tensiunea aplicată
unei surse în comutatie 230 Vc.a./24c.c.,1A. În acest mod se obţine
tensiunea de lucru a standului, de 24 Vc.c. În imaginea din figura se observă
blocul de alimentare, şiruri de cleme speciale pentru conectarea senzorilor.
Figura 2.20 Blocul de alimentare cu energie
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
44
2.6.4. Incinta termică Eldon EHG 100
Elementul de încălzire este un rezistor PTC cu autoreglare și limitare
a temperaturii. Este realizat din material plastic și profil aluminiu anodizat.
Temperatura de funcționare: -40 ° C până la + 70 °C. Capacitatea de
încălzire este pentru temperatura ambiantă de 20 °C.
Încălzitoarele cu coeficient de temperatură pozitivă (PTC) (rezistoare
specializate la care variază rezistența în funcție de temperatura lor) pot crea
rapid transferuri de căldură enorme în spații mici. Un material PTC poate fi
proiectat pentru a atinge o temperatură maximă pentru o anumită tensiune
de intrare, deoarece la un moment dat orice creștere suplimentară a
temperaturii ar fi îndeplinită cu o rezistență electrică mai mare. Spre
deosebire de încălzirea liniară de rezistență sau de materialele NTC,
materialele PTC sunt în mod inerent auto-limitative. Unele materiale au
chiar un coeficient de temperatură în creștere exponențială. Exemplu de
astfel de material este cauciucul PTC.
De fapt, aceste încălzitoare pot produce un flux instantaneu de
căldură care este cu 50% mai fierbinte decât fluxul creat de mai multe
încălzitoare convenționale cu ulei sau ceramică. Mai precis incinta termică
este, de fapt, un încălzitor împotriva condensării.
Figura 2.21 Incinta termica Eldon EHG 100 (100 W)
2.6.5. Termorezistenţa Pt100 -TS-516-LI2UPN8X-H1141-L016
Senzorul Pt100 are o rezistenţă de 100 ohmi la 0 °C şi coeficientul
de variaţie este de 0,00385 ohmi pe fiecare grad °C.
Seria TS cuprinde dispozitive compacte de prelucrare cu afişare
locală pe 4-cifre cu 7-segmente. Sunt disponibile versiuni cu corp fix
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
45
(TS400) sau cu posibilitate de rotire (TS500) şi cu diverse tipuri de ieşiri: în
curent şi ieşire digitală pe tranzistor PNP/NPN sau reprogramabilă ca ieşire
digitală (IO-Link). Dispozitivul de măsură (figura 2.22) are carcasă care
poate fi rotită după conectarea la proces. Citirea valorilor programate se
poate face fară accesorii adiţionale. Valorile programate sunt protejate prin
intermediul funcţiei de blocare şi a anui buton cu montare retrasă. Poate
afişa permanent unitatea de măsură a temperaturii (°C, °F, K, Ohm) şi are
memorie pentru reţinerea valorii de vârf a temperaturii. Domeniu de
măsurare a temperaturii este -50..500 °C. Senzorul Pt100 se conectează la
dispozitiv prin 4 fire. Este utilizat un sistem de patru fire pentru a compensa
eroarea care rezultă din rezistenţa cablurilor de conectare combinată cu
rezistenţă senzorului. Acest lucru asigură o precizie mai bună a măsurării.
a. diagrama de conexiuni b. imagine senzor Pt1000
Figura 2.22 Termorezistenţa Pt1000 şi semnalele de conexiune
Tehnologia, ce satisface cerinţele de măsurare precisă, se bazează pe
straturi subţiri de platină depuse pe un substrat ceramic (rezistoare cu
peliculă subţire).
2.6.6. Senzor infraroşu M18TIP8. Termometrul EXTECH 42510
Toata materia cu o temperatura peste 0 grade Kelvin emite radiaţii
infraroşii. Acestea sunt radiaţii electromagnetice într-o anumită lungimea de
Dispozitivul de
măsură
Teromorezistenţa
Pt100
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
46
undă pe care ochii umani nu le pot vedea. Sunt practic radiaţii termice ale
moleculelor încărcate electronic.
Senzorul în infraroşu măsoară cantitatea de radiaţii emise de o
anumită porţiune dintr-o suprafaţă. Dimensiunea porţiunii a carei
temperatură urmează să fie măsurată este importantă pentru acurateţea
măsurării. Din acest motiv, la sistemele portabile de măsurare a temperaturii
există indicatorul distanţă/suprafaţă măsurată (Distance-to-spot ratio). Cu
cât acesta este mai mare, cu atât înseamnă că termometrul este mai eficient
la o distanţă mai mare de obiectul căruia îi măsurăm temperatura.
Configuraţia optimă se obţine atunci când acest câmp este complet acoperit
de suprafaţa obiectului a cărui temperatură trebuie monitorizată. Anumite
termometre folosesc o rază laser sau diodă de lumină pentru a ghida vizual
măsuratoarea.
Designul constă, în esență, dintr-o lentilă pentru a focaliza radiația
termică infraroșie asupra unui detector, care convertește puterea radiantă
într-un semnal electric care poate fi afișat în unități de temperatură după ce
este compensată pentru temperatura ambientală. Acest lucru permite
măsurarea temperaturii la o distanță fără contact cu obiectul care trebuie
măsurat. Un termometru cu infrarosu fără contact este util pentru măsurarea
temperaturii în condițiile în care termocuplurile sau alți senzori de tip sonde
nu pot fi utilizați sau nu pot produce date exacte din mai multe motive.
În cadrul lucrării de laborator s-au utilizat :
1. Termometrul în infraroşu EXTECH 42510 (figura 2.23) având
caracteristicile:
Figura 2.23 Termometrul în infraroşu EXTECH 42510
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
47
- afisaj LCD iluminat, interval de masurare a temperaturii: -
50....+650°C, rezolutia optica: 12:1, acurateţea măsurării:
1%+1°C, rezolutie: 0.1C
2. Senzorul de temperatură în infrarosu M18TIP8 (figura 2.24).
având caracteristicile: raport D:S = 6:1, domeniu de măsură
ajustabil prin programare, ieşire analogică 4..20 mA, ieşiri PNP
de alarmă la 20 mA, domeniu de temperatură 0..+300°C
Figura 2.24 Senzorul de temperatură în infraroşu M18TIP8
Senzorul de temperatură în infrarosu M18TIP8 functionează numai
ca receptor. Radiaţia termică cu lungimi de undă de 8…14 μm a unui obiect
este transformată în semnal electric cu ajutorul unui element fotovoltaic şi
apoi convertită în semnal de ieşire.
Raportul D:S Diagramă de conexiuni
Figura 2.25 Caracteristici ale senzorului M18TIP8.
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
48
2.7. Lucrări de efectuat în laborator
a) Se vor studia o termorezistenţă Pt100 şi un termocuplu, pentru care
se vor trasa caracteristicile în domeniul 40÷70÷40°C (încălzire şi răcire) cu
o rezoluţie de 2°C folosind un ohmetru şi un voltmetru. După atingerea
temperaturii de 65°C se opreşte alimentarea cuptorului sau se înscrie la HMI
temperatura de start: 40°C. Datele obţinute se utilizează şi la interpretarea
erorilor de histerezis.
b) Pentru termorezistenţă se vor determina coeficienţii R0, α şi β prin
constrângerea funcţiei să treacă prin 3 dintre punctele de pe caracteristica
experimentală.
c) Se scot cele două traductoare din cuptor şi se lasă să se răcească.
După ce s-au răcit se vor nota indicaţiile acestora şi se introduc pe rând în
cuptor. Se vor determina constantele de timp ca durata în care traductoarele
ajung la 0,632·(tm-t0).
d) Se vor trasa de asemenea caracteristicile de temperatură pentru un
termistor (TM) şi semiconductori cu joncţiune (AD590 şi LM35), între 40°C
şi 70°C, utilizând cuptorul din laborator. Cele 3 dispozitive se introduc
simultan în cuptor. Termisitorului i se măsoară rezistenţa, circuitul AD590
se polarizează de la o sursă de 5V şi se măsoară curentul pe o rezistenţă de
10 ohmi înseriată cu acesta, iar LM35 se polarizează şi el de la aceeaşi sursă
printr-o rezistenţă de 2K, şi se măsoară tensiunea pe acesta. Se vor
determina pentru termistor coeficienţii R∞ şi B, sensibilitatea medie pe
intervalul considerat, iar pentru cele 2 circuite integrate se vor determina
sensibilităţile şi erorile de neliniaritate.
e) Pe baza rezultatelor experimentale şi a prelucrării datelor se vor
face aprecieri asupra sensibilităţii şi liniarităţii termocuplului,
termorezistenţei, termistorului şi semiconductorilor cu joncţiune.
f) pentru senzorul infraroşu se măsoară simultan cu termometrul
infraroşu, urmând să fie calculate erorile absolute şi relative
g) se realizează în excel tabelarea datelor, trasarea caracteristicilor şi
calculul erorilor pentru a fi predate împreună cu referatul de laborator.
Sisteme senzoriale. Aplicaţii
49
2.7.1. Datele experimentale
Datele experimentale vor fi scrise în tabelul 2.4:
Tabel 2.4 Prezentare date experimentale
Nr.c
rt.
TRADUCTOARE DE TEMPERATURA
METALICI SEMICONDUCTORI NONCONTACT TC
HMI Pt100 TC
(Fe-Ct) TM cu jonctiune
IR
HMI
IR
mobil
Ω ºC μV Ω mV mV ºC ºC ºC
1
40
2
42
3
44
4
46
5
48
6
50
7
52
8
54
9
56
10
58
11
60
12
62
13
64
14
66
15
68
16
70
17
68
18
66
19
64
20
62
21
60
22
58
23
56
24
54
25
52
26
50
27
48
28
46
29
44
30
42
31
40
Sistem senzorial pentru măsurarea temperaturii
50
Graficele realizate vor avea pe axa OX temperatura măsurată cu
ajutorul termocuplului TC stand, citită de la HMI. Aceasta este temperatura
faţă de care se face reglarea incintei termice. Pe axa OY se regăsesc
mărimile măsurate: rezistenţa, tensiune, curent. Un exemplu de grafic se
regăseşte în figura 2.26.
Figura 2.26 Exemplu grafic: dependenţa rezistenţă termistor de temperatura stabilită
Interpretarea datelor obţinute se face pe baza caracteristicilor
obţinute şi în urma calculului erorilor de măsură prezentate în tabelul 2.5
Tabel 2.5 Prezentare erori de măsură
εabs εrelativa[%] Sensibilitatea εneliniaritate [%]
Δx = xm – x0 100
0
x
x
n
x
yS
100
minmax
max
yy
yn
vezi şi anexa A.2. Analiza
datelor experimentale