1.MASURAREA TEMPERATURILOR1.1. Notiuni generale Temperatura este o marime de stare termica ce caracterizeaza gradul de incalzire al corpurilor . Pentru masurarea temperaturii se recurge la un corp termometric ale carui proprietati fizice variaza cu temperatura. Indicarea temperaturii se obtine prin stabilirea echilibrului termodinamic intre corpul al carui temperatura se d oreste a fi stabilita si corpul termometric, stare in care, transferul de caldura dintre acestea se anuleaza. Metodele si aparatele folosite pentru masurarea temperaturii se clasifica in functie de proprietatea fizica a corpului termometric utilizata in acest scop. In general, se foloseste variatia urmatoarelor proprietati fizice ale materialelor sau corpurilor termometrice functie de temperatura: -variatia dimensiunilor liniare ale unor corpuri solide cu temperatura (termometre cu tub si tija, termometre cu lama bimetalica); -variatia volumului functie de temperatura a unor lichide in tuburi capilare (termometre cu lichid); -variatia presiunii functie de temperatura a unor vapori, gaze sau lichide aflate intr-un volum inchis (termometre manometrice); -variatia functie de temperatura a rezistentei electrice a unor conductoare (termorezistente) si semiconductoare (termistoare) (traductoare termorezistive); -aparitia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.) la capetele libere a doua conductoare diferite, sudate intre ele, cand sudura se afla la temperatura de masurat iarcapetele libere la o temperatura c unoscuta si constanta (termocupluri); -actiunea termica si distributia spectrala a energiei radiate de un corp incalzit (pirometre optice cu radiatie totala, pirometre optice cu benzi de radiatie, pirometre spectrale si pirometre cu dispersie sau de culoare); -alte metode bazate pe variatia proprietatilor fizice si chimice ale corpurilor. In general, aparatele care servesc pentru masurarea temperaturilor sub 660 o C - se numesc termometre, iar peste 660 o C,- pirometre. Domeniul de utilizare a principalelor aparate folosite pentru masurarea temperaturii sunt prezentate in tabelul 1.1. 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Temperatura este o marime de stare termica ce caracterizeaza gradul de incalzire alcorpurilor .
Pentru masurarea temperaturii se recurge la un corp termometric ale carui proprietati
fizice variaza cu temperatura. Indicarea temperaturii se obtine prin stabilirea echilibrului
termodinamic intre corpul al carui temperatura se doreste a fi stabilita si corpultermometric, stare in care, transferul de caldura dintre acestea se anuleaza.
Metodele si aparatele folosite pentru masurarea temperaturii se clasifica in functie de proprietatea fizica a corpului termometric utilizata in acest scop. In general, se foloseste
variatia urmatoarelor proprietati fizice ale materialelor sau corpurilor termometricefunctie de temperatura:
-variatia dimensiunilor liniare ale unor corpuri solide cu temperatura (termometre cu tub
si tija, termometre cu lama bimetalica);
-variatia volumului functie de temperatura a unor lichide in tuburi capilare (termometrecu lichid);
-variatia presiunii functie de temperatura a unor vapori, gaze sau lichide aflate intr-unvolum inchis (termometre manometrice);
-variatia functie de temperatura a rezistentei electrice a unor conductoare
(termorezistente) si semiconductoare (termistoare) (traductoare termorezistive);
-aparitia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.) la capetele libere a doua
conductoare diferite, sudate intre ele, cand sudura se afla la temperatura de masurat iar
capetele libere la o temperatura cunoscuta si constanta (termocupluri);
-actiunea termica si distributia spectrala a energiei radiate de un corp incalzit (pirometre
optice cu radiatie totala, pirometre optice cu benzi de radiatie, pirometre spectrale si pirometre cu dispersie sau de culoare);
-alte metode bazate pe variatia proprietatilor fizice si chimice ale corpurilor.
In general, aparatele care servesc pentru masurarea temperaturilor sub 660oC - se numesctermometre, iar peste 660oC,- pirometre. Domeniul de utilizare a principalelor aparate
folosite pentru masurarea temperaturii sunt prezentate in tabelul 1.1.
+ 600 ... + 3000 ( Cu filtru fumuriu) tie monocromatica
+ 600 ... + 2000 Con Seger
In sistemul international de unitati de masura, pentru masurarea temperaturii corpurilor,
se utilizeaza scara de temperatura termodinamica stabilita pe baza a sase temperaturi fixe
reproductibile definite de starile de echilibru ale unor materiale la presiunea normala de101325 Pa. In cadrul acestei scari, unitatea de temperatura termodinamica este Kelvinul
(K) definit ca fractiunea 1/273,16 din temperatura termodinamica a punctului triplu al
In afara de temperatura termodinamica (T), exprimata in Kelvin (K), in sistemul
international de unitati de masura se foloseste si temperatura exprimata in scara Celsius
(t), (ca unitate de masura tolerata), intre ele existand relatia:
t = T - 273,15 [ oC] . (1.1)
1.2. Descrierea aparatelor
Din multitudinea de aparate si metode folosite pentru masurarea temperaturii, in lucrare
se utilizeaza: termometrele de sticla cu lichid, termometrele electrice cu rezistenta, pirometrele termoelectrice (termocupluri) si pirometrul cu radiatie cu disparitia partiala a
filamentului.
Termometre de sticla cu lichid (figura 1.1.)
Masurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor de sticla cu lichid se bazeaza pe
variatia volumului unui lichid (mercur, toluen, alcool etilic, eter de petrol, pentan) inchisintr-un tub capilar de sticla.
Fig.1.1. Termometre de sticla cu mercur:
a- cu contacte fixe
b- cu contacte mobile.
Cele mai utilizate termometre sunt cele cu mercur (- 38oC ... + 700oC). Dezavantajul
acestora consta in faptul ca au inertie termica mare nefiind adecvate masurariitemperaturii in regim variabil.
Din punct de vedere constructiv se deosebesc: termometre capsulate, la care tubul capilar si scala gradata sunt introduse impreuna intr-un tub de protectie, precum si termometre
tija, a caror scala este gradata direct pe tubul capilar. In afara de acestea exista si alteconstructii speciale ca de exemplu: termometre cu contacte fixe, cu contacte mobile etc.
Termometrele cu lichid indica corect temperatura numai atunci cand intreaga masa a
lichidului termometric se afla la temperatura care trebuie masurata, deci cand elementulsensibil este cufundat in intregime in mediul de masurat. Daca coloana de mercur este
incomplet cufundata in mediul de masurat, se efectueaza corectia de temperatura ∆ t cu
relatia:
∆ t = n⋅ α ⋅ ( t - t1 ) [ oC] , (1.2)
in care: n este numarul de diviziuni ale portiunii necufundate a coloanei de mercur,exprimat in grade din scala termometrului;
t - temperatura indicata de termometru, in oC ;
t1 - temperatura firului capilar necufundat in mediul de masurat (de obicei egala cu cea a
mediului ambiant), in oC ;
α - coeficientul de dilatare aparenta a lichidului termometric ( pentru mercur α =0,000166 grd-1), in grd -1.
Corectia de temperatura se adauga temperaturii indicate de termometru.
Termometre electrice cu rezistenta
Functionarea acestor termometre se bazeaza pe variatia rezistentei electrice a metalelor cu temperatura. In figura 1.2 se prezinta variatia rezistentei electrice cu temperatura
pentru cateva materiale mai des utilizate.
Fig.1.2. Variatia rezistentei
electrice a metalelor in
functie de temperatura.
Aceste termometre se folosesc pe scara larga in industrie avand un domeniu larg de
temperaturi, - 120oC ...+ 850oC.
Materialele din care se confectioneaza termorezistentele trebuie sa satisfaca urmatoarele
conditii: sa nu-si schimbe proprietatile fizice si chimice, coeficientul de variatie arezistentei electrice cu temperatura sa fie mare, variatia rezistentei electrice cu
temperatura sa fie cat mai liniara iar proprietatile materialului sa poata fi usor reproduse.
Termocuplul reprezinta un mijloc de masurare a temperaturii cu o larga raspandire
datorita avantajelor pe care le ofera fata de alte mijloace de masurare a temperaturii si
anume: are o constructie simpla, pret de cost redus, interval mare de masura (-200oC ... +
3000
o
C), poate fi conectat la diferite indicatoare, inregistratoare, semnalizare si comanda.
Termocuplul impreuna cu aparatul electric de masurat, poarta denumirea de pirometru
termoelectric. Masurarea temperaturii cu ajutorul termocuplurilor se bazeaza pe legile
fenomenelor termoelectrice. Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.), care apare incircuitul celor doi conductori omogeni care compun termocuplul, este rezultatul actiunii
concomitente a efectului Thomson si a efectului Seebeck.
Efectul Thomson reprezinta aparitia unei t.t.e.m. Ea intr-un conductor "a" (fig.1.7) a carui
capete se afla la temperaturi diferite:
, (1.5)
unde: σ a este coeficientul Thomson pentru conductorul respectiv.
Efectul Seebeck consta in aparitia unei t.t.e.m. ε ab(T1), ε ab(T2), la locul de contact al
celor doi conductori "a" si "b".
T.t.e.m. totala care este functie numai de valorile temperaturilor T1 si
T2, se poate prezenta prin relatia:
Eab(T1,T2) tε ab(T2) - ε ab(T1) + (1.6)
unde: eab(T1), eab(T2) sunt t.t.e.m.care apar la cele doua capete ale termocuplului ca
Aplicatiile practice se bazeaza pe trei legi de baza empirice si anume:
- legea metalelor omogene.Intr-un circuit termoelectric format dintr-un singur metal
omogen, nu poate aparea un curent termoelectric prin incalzirea acestuia;
- legea metalelor intermediare. Suma algebrica a t.t.e.m. intr-un circuit compus dintr-unnumar oarecare de materiale diferite este zero, daca intreg circuitul se afla la aceeasi
temperatura;
- legea temperaturilor succesive sau intermediare. Daca doua metale omogene, de natura
diferita, produc o t.t.e.m. E1, cand jonctiunile sunt la temperaturile T1 si T2 si o t.t.e.m. E2
cand jonctiunile sunt la temperaturile T2 si T3, t.t.e.m. generata cand jonctiunile sunt la
temperaturile T1 si T3 va fi
E1 + E2.
Din aceste legi rezulta ca daca intre jonctiunile 1 si 2’ (fig.1.8) se introduce un conductor de prelungire, circuitul se comporta ca si cum nici nu ar exista cel de al treilea material.
Fig.1.7. Schema de principiu a unui termocuplu Fig.1.8. Circuit termoelectric elementar
. .
Daca una din temperaturi, de exemplu T2, se mentine constanta, t.t.e.m.rezultata depinde
numai de temperatura T1, adica:
Eab(T1, T2) =f (T1) . (1.7)
Circuitele termoelectrice utilizate pentru masurarea temperaturii (fig.1.8), se compun din
termocuplul format din doua materiale de natura diferita a si b sudate la jonctiunea 1(sudura calda), cablurile de prelungire CP confectionate din acelasi material ca si
conductorii termocuplului, care au rolul de a deplasa jonctiunea de referinta 2 (cu
fluctuatii mari de temperatura) in zona 2’, unde temperatura poate fi mentinuta constanta,si aparatul pentru masurarea t.t.e.m. 3 (care de obicei este un milivoltmetru) conectat la
Etalonarea milivoltmetrelor pentru termocupluri se face in general la temperatura de 0oC
sau 20oC a sudurii reci. Daca, in conditiile de masurare temperatura sudurii reci variaza in
raport cu temperatura de etalonare se efectueaza corectia acesteia dupa relatia:
treal =tind + k ⋅ (t1 - to) (oC) , (1.8)
unde:
treal este temperatura reala, in oC;
tind - temperatura indicata de aparat, in oC;
to - temperatura sudurii reci la etalonare (to t=0oC,in cadrul
lucrarii), in oC;
t1 - temperatura sudurii reci in timpul masurarii, in oC;
k - coeficient care depinde de tipul termocuplului si de intervalul
de temperatura.
In tabelul 1.2 se dau valorile coeficientului k pentru cele mai uzuale termocupluri.
Tabelul 1.2. Valorile coeficientului k
T E R M O C U P L U L
Cromel-
copel
Fier-
copel
Fier-
Constan-
tan
Cupru-
Copel
Cupru-
Constan-
tan
Cromel-
Alumel
Nichel-
Crom-
nichel
Platina
Rodiu-
platina
0,067 0,056 0,053 0,046 0,040 0,040 0,040 0,006
Compensarea influentei variatiei temperaturii sudurii reci se poate face automat prin
folosirea unor dispozitive numite punti compensatoare (fig.1.9) alimentate la curentcontinuu, constant si alcatuite din doua rezistente (R 1, R 2) independente de temperatura
(din manganina sau constantan) si doua rezistente (R t1, R t2) dependente de
temperatura(Cu, Ni). Puntea este alimentata in curent continuu de la sursa S prin
rezistenta aditionala R a necesara reglarii curentului in punte. Cand are loc modificarea
temperaturii jonctiunii de referinta fata de temperatura de etalonare, se dezechilibreaza
puntea iar diferenta de potential, proportionala cu variatia temperaturii care apare in
diagonala CD, compenseaza t.t.e.m. dezvoltata de termocuplu.
In tabelul 1.3 sunt prezentate termocuplurile cele mai uzuale si caracteristicile lor, iar infig.1.10, ansamblul unui termocuplu pentru masurarea temperaturii in spatii inchise.
Legile care stabilesc legatura dintre energia radiata si temperatura sunt legile radiatiei
emise de Stefan-Boltzmann si Plank. Aceste legi arata ca un corp radiaza energie termicala orice temperatura si ca o crestere a temperaturii provoaca o crestere a energiei radiate.
Dupa principiul lor de functionare pirometrele cu radiatie se impart in : pirometre cu
radiatie totala avand la baza legea Stefan-Boltzmann, pirometre optice cu disparitia
filamentului (cu radiatie partiala) bazate pe legea lui Plank si pirometre fotoelectrice.
Pirometrele optice monocromatice cu disparitia filamentului sunt larg raspandite in
practica industriala deoarece sunt simple, suficient de robuste si usor de manevrat.
Schema de principiu a unui pirometru optic cu disparitia filamentului este prezentata in
figura 1.12. El se compune dintr-o parte optica si una electrica. Partea optica se compune
din: obiectivul 1, ocularul 2, filtrul 3, sticla absorbanta 4 si diafragma 5. Partea electricaeste formata din lampa pirometrica 6, reostatul 7, aparatul de masura 8, becul 9 pentru
iluminarea scalei aparatului de masura, scala 10, releul 11, bateriile uscate (de 1,5V) 12, butonul 13 pentru inchiderea circuitului electric al aparatului de masura si butonul 14
pentru alimentarea becului. Masurarea temperaturii se face prin compararea intensitatii
radiatiei emise de corpul cercetat cu intensitatea radiatiei filamentului lampii pirometricea carei incandescenta se regleaza cu ajutorul reostatului. Citirea temperaturii se
efectueaza pe scala superioara a aparatului pana la temperatura de 1400oC. Peste aceasta
valoare este necesar a se introduce intre obiectiv si lampa pirometrica sticla absorbanta 4
pentru evitarea volatilizarii filamentului. In felul acesta se pot masura temperaturi pana la2000oC. Temperatura unui corp care nu este negru, masurata cu pirometrul optic
monocromatic, este totdeauna mai mica decat temperatura reala a corpului. Corectiile detemperatura ce se impun in asemenea cazuri se efectueaza cu relatia:
treal =tind + ∆ t [ oC] , (1.9)
unde: ∆ t este corectia de temperatura determinata din nomograma din figura 1.13, in
care ε reprezinta coeficientul de absorbtie al corpului a carui temperatura se masoara si
Masurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor de sticla cu lichid se efectueaza asupra
mediului ambiant. Pentru masurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor cu rezistenta,a pirometrelor termoelectrice si a pirometrelor cu radiatie cu disparitia partiala a
filamentului, se foloseste instalatia din figura 1.14, a carei schema electrica este
prezentata in figura 11.2. (Lucrarea 11). Dupa cuplarea instalatiei la reteaua de energieelectrica cu ajutorul intrerupatoarelor 15 si 7, se efectueaza masurarea temperaturii cu
ajutorul termorezistentelor din Pt si Cu, pirometrului termoelectric din Pt-RhPt si a
pirometrului cu radiatie partiala.
Fig.1.13. Nomograma pentru corectia temperaturii la pirometrul cu radiatie partiala.
1.4. Prelucrarea si interpretarea rezultatelor
Valorile citite se vor trece in tabelul 1.5, dupa ce in prealabil s-au indicat caracteristicile
si clasa de precizie a aparatelor. Se va efectua de asemenea corectarea temperaturilor cuajutorul relatiilor (1.8) si (1.9).
Tabelul 1.4. Coeficientii de absorbtie ε ai unor materiale la diferite