Echipamente pentru masurarea si controlul temperaturii

?.1 Traductoare de temperaturaTemperatura reprezinta un parametru reprezentativ pentru o gama larga de procese

industriale. Aproximativ 16% din totalitatea sistemelor de masura si control, indica, înregistreaza sau controleaza temperatura. Numarul acestor sisteme creste cu cca. 3.6% anual. Datorita numarului mare de aplicatii ale sistemelor de masura si control al temperaturii, cât si datorita particularitatilor proceselor termice (constante de timp mari, comportare diferita la încalzire si racire) acestea sunt tratate într-un mod aparte. Un numar mare de echipamente sunt prevazute, pe lânga intrarile în semnal de tensiune sau curent unificat si cu intrari pentru senzori de temperatura.

Masurarea temperaturii se bazeaza pe o serie de fenomene fizice ale caror caracteristici depind de temperatura: variatia de volum (dilatarea), variatia de presiune si variatia rezistentei electrice, în functie de temperatura; generarea unei tensiuni electromotoare sub influenta temperaturii, radiatia termica a corpurilor la temperaturi înalte etc. Cele mai utilizate mijloace de masurare a temperaturii utilizate în tehnica se pot clasifica în 6 categorii: termocupluri, dispozitive rezistive, dispozitive cu radiatii infrarosii, dispozitive bimetalice, dispozitive cu expansiune de lichid, dispozitive cu schimbare de stare. În alegerea corespunzatoare a unui senzor de temperatura trebuie luati în considerare o serie de factori importanti: domeniul de masurare, precizia masurarii, inertia termica (timpul de raspuns), starea de agregare a corpurilor a caror temperatura se masoara, accesibilitatea punctului de masurare, agresivitatea mediului, asigurarea repetabilitatii si reproductibilitatii masuratorilor, asigurarea interschimbabilitatii. În continuare, pe lânga prezentarea principiilor de functionare si a unor variante constructive, se va insista si asupra consideratiilor practice privind alegerea si amplasarea traductoarelor, circuitelor de conditionare a semnalelor si echipamentelor de instrumentatie.

Instrumentele simple de masurat temperatura, cunoscute de obicei sub denumirea de termometre, sunt mijloace relativ simple de masura, în care traductorul de temperatura si dispozitivul de afisare formeaza o singura unitate constructiva. Ele se bazeaza pe dilatarea termica a lichidelor si solidelor si au, în general, rolul de indicatoare locale de temperatura. Ca traductoare se folosesc dispozitive cu expansiune de lichid si dispozitive bimetalice.

Dispozitivele cu expansiune de lichid pot utiliza mercurul sau alte lichide cu coeficient mare de dilatare. Acest tip de senzori nu necesita surse de curent, nu prezinta pericole de explozie si sunt stabile chiar dupa mai multe cicluri de masura. Pe de alta parte transmisia sau înregistrearea valorilor masurate este foarte dificila.

Diaspozitivele bimetalice se bazeaza pe diferenta de dilatare a doua corpuri solide dintre care cel putin unul este din metal. Cele doua corpuri, cu coeficienti de dilatare mult diferiti sunt dispuse sub forma a doua tije concentrice sau a oua benzi lipite. Când sunt încalzite una se dilata mai mult actionând asupra unui ac indicator fie direct fie prin intermediul unui mecanism simplu cu pârghii pentru amplificarea deplasarii. Aceste dispozitive nu necesita surse de alimentare, dar în mod obisnuit nu sunt la fel de precise ca si termocuplurile sau termorezistentele si nu pot genera la iesire un semnal electric.

O categorie aparte de dispozitive pentru masurarea temperaturii îl constitue elementele cu schimbare de stare, care se constituie din cristale lichide sau alte materiale care isi schimba forma sau culoarea (de regula atunci când este depasita o anumita valoare de temperatura). Pot fi utilizate de exemplu pentru a verifica daca nu s-a depasit o temperatura limita maxima.

Timpul de raspuns al acestor dispozitive este de ordinul minutelor, de aceea ele nu raspund la schimbari rapide de temperatura. Precizia este mai mica decât la alte tipuri de senzori. Mai mult, schimbarea de stare este ireversibila, cu exceptia ecranelor cu cristale lichide. Chiar si

1

asa senzorii cu schimabre de stare sunt utili doar când este nevoie sa se confirme ca temperatura masurata nu a de pasit o anumita valoare.

Aparatele complexe de masurat temperatura se compun dintr-un traductor primar, unul sau mai multe dispozitive intermediare si o linie de transmitere a semnalului, care conduce la un instrument indicator local si/sau la echipamente plasate în panoul de comanda. Ca traductoare primare se folosesc termocupluri, dispozitive rezistive, dispozitive cu radiatii infrarosii, care transforma temperatura într-o marime fizica mai usor de transmis sau de masurat prin metode electrice.

Termocuplurile sunt cele mai utilizate în industrie si constau în esenta din doua fire din metale sau aliaje diferite, sudate la un capat. Modificarea temperaturii în punctul de jonctiune induce o modificare corespunzatoare a tensiunii termoelectromotoare la capetele libere. Cu cât temperatura creste, aceasta marime creste si ea (nu neaparat liniar).

Dispozitivele rezistive se bazeaza pe ideea ca rezistivitatea materialelor se schimba cu temperatura. Exista doua tipuri de astfel de traductoare: termorezistenta si termistorul. Dupa cum indica si numele, termorezistenta se bazeaza pe schimbarea rezistivitatii unui conductor metalic cu temperatura (liniar sau neliniar). Termistoarele se bazeaza pe schimabrea rezistivitatii în semiconductoarele ceramice; rezistenta scade neliniar cu cresterea temperaturii.

Senzorii în infrarosu sunt dispozitive de masurare fara contact direct. Acestea masoara temperatura masurând radiatia termica emisa de material.

În aplicatii industriale, cei mai utilizati senzori de temperatura sunt: termocuplurile, dispozitivele rezistive si dispozitivele cu infrarosu. Deseori nu se cunoaste modul cum lucreaza aceste dispozitive si cum ar trebui folosite.

?.1.1.Termocuplurile Termocuplul este un traductor de temperatura de tip “generator”. Termocuplurile

transforma caldura primita din exterior într-o tensiune electrica denumita tensiune termoelectromotoare (ttem). Aceasta tensiune este rezultatul unei actiuni concomitente a doua efecte si anume efectul Thomson si efectul Seebeck.

Constructia termocuplurilor este foarte simpla: elementul sensibil (fig. ) al termocuplului este format din doua fire din aliaje metalice diferite (A, B), sudate la un capat; elementul sensibil, cu firele izolate, este introdus într-o teaca ceramica sau metalica, iar capetele libere sunt conectate la o placa de borne. Locul de contact (sudura) al celor doua fire, denumite termoelectrozi, formeaza jonctiunea de masurare, iar bornele de legatura cu circuitul exterior formeaza jonctiunea de referinta. Tensiunea termoelectromotoare generata de termocuplu este o functie directa de diferenta dintre temperatura jonctiunii de masurare (T1)si cea a jonctiunii de referinta (T2).

Pentru ca valoarea tensiunii termoelectromotoare sa depinda numai de temperatura care se masoara , este necesar ca temperatura jonctiunii de referinta sa fie constanta si cunoscuta, în timpul masurarii. Deoarece temperatura bornelor termocuplului nu poate îndeplini aceste conditii, se folosesc asa numitele cabluri de prelungire, construite din aceleasi materiale

ca si termoelectrozii sau din materiale care nu formeaza alte termocupluri cu termoelectrozii, care, practic, muta jonctiunea de referinta într-un loc unde se poate realiza o temperatura constanta si cunoscuta. În practica industriala, jonctiunea de referinta este plasata într-un loc ferit de surse directe de caldura, la temperatura mediului ambiant, iar variatiile de temperatura ale acestuia sunt compensate hard sau soft. Compensarea hard presupune utilizarea unor circuite

2

electronice speciale pentru corectarea influentei temperaturii mediului ambiant. Metoda compensarii soft se bazeaza pe un calcul realizat soft pentru a compensa efectul jonctiunii de referinta. Sensorul de utilizat pentru masurarea jonctiunii de referinta poate fi de orice tip care are caracteristica proportionala cu temperatura absoluta: termorezistenta, termistor, senzor integrat, dioda. Pentru a considera o caracteristica liniara, acesti senzori sunt utilizabili numai pentru un anumit domeniu, relativ restrâns de temperatura.

Schimbarile de temperatura în firele de legatura nu afecteaza valoarea semnalului de tensiune la iesire. De exemplu, daca un termocuplu masoara temperatura intr-un furnal, iar instrumentul pe care se face citirea este la o anumita distanta si firele de legatura între cele doua puncte trec pe langa alt furnal, masuratorile nu vor fi afectate numai daca temperatura provoaca topirea firelor sau daca acestea isi schimba proprietatile electrice.

Materialele din care sunt confectionati termoelectrozii se aleg în functie de intervalul de temperatura, de precizia necesara, de cost, durata de viata etc. Aceste materiale sunt metale pure sau aliaje si dau denumirea termocuplului respectiv: platina rhodiu-platina, nichel crom-nichel, fier-constantan, cupru constantan, cromel-alumel, cromel-copel etc.

Termocuplul Simbol PolaritateaLimita de utilizare (ºC) ttem

maxima(mV)

Minima MaximaConti-nuu

Inter-mitent

Fier-Constantan J Fe(+) Const(-) -200 600 760 42,922Cupru-Constantan T Cu(+) Const(-) -270 400 400 20,869Cromel-Constantan E Cromel(+) Const(-) -270 600 1000 76,358Cromel-Alumel (NiCr-Ni)

K Cromel(+) Alumel(-) -270 1000 1370 54,807

PtRh(10%)- Pt S PtRh(10)(+) Pt(-) 0 1400 1760 18,612PtRh(13%)- Pt R PtRh(13)(+) Pt(-) 0 1400 1760 21,006PtRh(30%)-PtRh(6%) B PtRh(30)(+)PtRh(6)(-) 0 1700 1820 13,814

Pentru aplicatii specifice se poate alege cel mai bun tip de termocuplu pe baza caracteristicilor specifice descrise în cataloagele firmelor producatoare. Termocuplurile din metal nobil de tip B, R, S, din platina sau platina-rhodiu au unele caracteristici apropiate, însa cele mai utilizate tipuri sunt J, K, T si E. Fiecare tip are un domeniu de masura specific, desi temperatura maxima variaza si în functie de diametrul electrozilor utilizati.

Termocuplul de tip B – în caracteristica sa se evidentiaza existenta unei zone cu valori duble (zona de ambiguitate). Datorita acestei zone si unui coeficient Seebeck extrem de mic la temperaturi joase, tipul B nu poate fi utilizat sub 50 °C. Iesirea este aproape zero între 0 °C si 42 °C dar are avantajul ca temperatura jonctiunii de referinta este aproape neglijabila, atâta timp cât este între 0 °C si 42 °C, iar temperatura jonctiunii de masura este suficient de ridicata.

3

Spre deosebire de termocuplele din metal nobil celelalte tipuri nu au specificata compozitia chimica. Orice combinatie a metalelor poate fi utilizata cu rezultate satisfacatoare. Aceasta conduce la unele combinatii neasteptate ale metalelor

Termocuplul de tip E - este recomandat pentru masurarea temperaturilor joase deoarece coeficientul Seebeck este mare (58 µV/°C), conductibilitatea termica mica si rezistenta ridicata la coroziune. Coeficientul Seebeck pentru tipul E este mai mare decât pentru toate celelalte tipuri produse pentru a fi utilizate la temperaturi joase.

Termocuplul de tip J - fierul este utilizat ca element pozitiv si este un metal ieftin utilizat rar în forma pura. Termocuplul J are caracteristici modeste datorita impuritatilor din fier. El este totusi raspândit deoarece are un coeficient Seebeck mare si un pret scazut. Nu trebuie niciodata utilizat peste 760 °C datorita unei transformari magnetice abrupte care poate cauza decalibrarea la revenirea la temperaturi joase.

Termocuplul de tip T - Are un avantaj unic, conductorii sunt de cupru. Acesta poate fi un avantaj în situatiile de monitorizare când se cere diferenta de temperatura. Avantajul rezulta prin utilizarea unor conductori de acelasi tip cu termocuplul, nefiind necesara compensarea.

V=(T1-T2)

Cu

Cu

Temperatura de referinţă

T2

T1

C

Cu

Cu

Termocuplul de tip K & Nicrosil-Nisil - Termocuplul Nicrosil-Nisil (tip N) este asemanator cu tipul K, dar poate fi realizat astfel încât sa reduca instabilitatea termocuplului de tip cromelalumel. Schimbarile în continutul aliajului pot îmbunatatii ordinea/dezordinea transformarilor ce au loc de la 500 °C si continutul ridicat de silicon ce intra în componenta elementului pozitiv, pentru cresterea rezistentei la oxidare la temperaturi ridicate.

Conversia tensiune-temperaturaPrin utilizarea compensarii hard sau soft a temperaturii punctului de referinta si a unui

voltmetru digital pentru citirea tensiunii generate de termocuplu, se poate determina temperatura. Exista dezavantajul caracteristicii tensiune-temperatura neliniare. Tensiunea de iesire în functie de temperatura pentru cele mai raspândite termocuple arata astfel:

J

S

B

K

E

C

60

mV

80

40

20

0 1000 20001500500

Caracteristica tensiune-temperatura

4

Daca se traseaza graficul coeficientului Seebeck în functie de temperatura se poate observa si mai clar caracterul neliniar al termocuplelor.

Coeficientul Seebeck-temperaturaPosibilitati de liniarizare

Panta termocuplului de tip K între 0 °C si 1000 °C poate fi considerata aproape constanta. Acest tip K poate fi utilizat împreuna cu un voltmetru sensibil si o referinta pentru a obtine cu o precizie potrivita direct temperatura afisata cu un anumit factor de scala.

Daca se studiaza variatia coeficientului Seebeck, se poate observa usor ca utilizarea unui coeficient constant duce la limitarea domeniului de temperatura al sistemului si la reducerea preciziei. Cea mai buna precizie de conversie se obtine prin citirea cu un voltmetru si consultarea tabelului pentru termocuple dat de NBS.

Cresterea ordinului duce la îmbunatatirea preciziei utilizarii polinomului. Micsorarea ordinului poate fi facuta prin micsorarea domeniului de temperatura si pentru marirea vitezei sistemului.

T = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + a 3 x 3 + . . . + a n x n, (?.1)unde T = temperatura;

x = tensiunea termocuplului;a = coeficienti polinomiali distincti pentru fiecare termocuplu;n = ordinul maxim al polinomului.Utilizarea unui polinom este o solutie buna pentru a aproximarea calculul exponentialei,

gradul polinomului alegându-se în functie de domeniul de temperatura si precizia impusa conform tabelului 2. Marirea vitezei de calcul poate fi facuta si prin rescrierea polinomului în alta forma, de exemplu în cazul polinomului de ordinul 5 aceasta duce la efectuarea a 5 adunari fata de 5 si la 5 înmultiri fata de 15 câte erau initial:

T = a 0 + x(a 1 + x(a 2 + x(a 3 + x(a 4 + a 5 x)))). (?.2)

Tabelul 2

Tip E Tip J Tip K Tip R Tip S Tip T-1001000 

C0.5 C

n = 9

0760 C0.1 C

n = 5

01370 C0.7 C

n = 8

01000 C0.5 C

n = 8

01750 C1.0 C

n = 9

-160400 C

0.5 Cn = 7

Reducerea timpului de calcul pentru un polinom de grad ridicat se poate face reducerea ordinului polinomului pentru un interval de temperatura mai mic. În cazul unui sistem de

5

achizitii de date, prin soft se poate realiza împartirea curbei caracteristice a terocuplului în 8 intervale egale, fiecare interval fiind aproximat printr-un polinom de gradul trei de forma:

T a = bx + cx 2 + dx 3 (?.3)Toate metodele descrise utilizeaza ca si intrare tensiunea data de termocuplu, aceasta

fiind masurata cu precizie si usor. Tensiunea de iesire a termocuplului este foarte mica ceea ce impune anumite performante sistemului de masura, conform tabelului de mai jos:

Tipul termocuplului

Coeficientul Seebeck

V/C la 20 C

Sensibilitatea sistemului de masura pentru o rezolutie de

0.1 C (V)E 62 6.2J 51 5.1K 40 4.0R 7 0.7S 7 0.7T 40 4.0

Pentru cel mai utilizat termocuplu (tipul K), sistemul de masura trebuie sa aiba o rezolutie de 4 V pentru a detecta o modificare de temperatura de 0.1 C. Aceasta amplitudine a semnalului este supusa zgomotelor care afecteaza sistemul, din aceasta cauza realizarea instrumentului trebuie sa includa posibilitatea rejectiei zgomotelor, multiplexare, filtrare, integrare si ecranare.

Filtrarea analogica - Se poate utiliza un filtru direct pe intrarea voltmetrului pentru reducerea zgomotului. Reducerea accentuata a interferentelor duce la un raspuns mai lent al voltmetrului în pasul de citire.

VOUT

VIN

t

t

Filtrare analogica

Integrarea - este o metoda de conversie analog-numerica (A/D), care în principiu mediaza zgomotul peste linia continua corespunzatoare semnalului, pe întreg ciclul de conversie, eliminând si armonicele. Daca perioada de integrare este aleasa mai mica decât ciclul de conversie rejectarea perturbatiilor nu mai este posibila.

Circuitul termocuplului se poate întinde pe o distanta mare fiind supus zgomotelor generate de liniile electrice de alimentare, pentru care se recomanda conversia analog-digitala utilizând metoda integrarii. Integrarea este în special utilizata în cazul conversiei A/D, rezultând din datele de catalog ca este posibila citirea cu o rata de 48 de esantioane pe secunda cu un ciclu de integrare complet.

Ecranarea - este utilizata pentru a reduce interferentele cu orice surse de zgomot si este utilizata pentru ambii conductori de masura (intrarea pozitiva si negativa), în cazul surselor de zgomot de mod comun.

Putem considera ca firele de la termocuplu sunt întinse ambele pe lânga circuitul de alimentare de 220 V AC. Capacitatea dintre firele de alimentare si firele de la termocuplu va genera un semnal alternativ de amplitudine aproximativ egala pentru ambele fire. Semnalul de

6

mod comun nu pune probleme în cazul unui circuit ideal, dar voltmetrul utilizat nu este unul ideal. El are o anumita capacitate între terminalul negativ si masa (cutie). Fluxul de curent prin aceasta capacitate si prin rezistenta corespunzatoare conductorilor de legatura ai termocuplului creaza o sursa de semnal.

Condensatoaredistribuite

Rezistenţedistribuite

220VAC

Masurare fara ecranare

Ecranarea presupune închiderea în cutie metalica a circuitului de intrare al voltmetrului, acesta fiind conectat la ecranul firelor de legatura al termocuplului si functionând ca un scurtcircuit pentru curentii indusi.

Ecran

220VAC

Ecranul scurcircuiteaza curentii indusi

Fiecare ecran al termocuplelor poate veni în contact direct cu sursa de zgomot fara efecte negative, datorita faptului ca fiecare intrare în multiplexor corespunzatoare unui termocuplu este ecranata separat. Aceasta metoda de conectare a ecranului serveste la eliminarea buclelor de masa adesea create când ecranul este conectat la pamântare.

O posibilitate de reducere a zgomotului datorat inductiei magnetice ese utilizarea conductorilor paraleli rasuciti uniform - twisted pair.

Principii constructiveÎn prezent termocuplurile se produc într-o gama diversificata de forme si dimensiuni

astfel încât sa raspunda cerintelor tuturor utilizatorilor (fig).

Termocuplurile pentru aplicatii industriale de uz general au urmatoarele parti componente: elementul sensibil, teaca de protectie si cutia de conexiuni cu placa de borne (fig).

7

Termoelectrozii, confectionati din materiale specifice tipului de termocuplu, au o conductibilitate termica mare, au un coeficient mic de variatie a rezistentei electrice cu temperatura, sunt usor prelucrabile,sunt rezistente la coroziune si la socuri mecanice si termice, nu-si schimba în timp caracteristicile termoelectrice. Termoelectrozii, în interiorul tecilor se izoleaza din punct de vedere electric, atât între ei cât si fata de teaca, cu ajutorul unor tuburi sau margele ceramice (fig)

Teaca de protectie (fig.) protejeza termoelectrozii de actiunea coroziva a mediului, îi fereste de deteriorari mecanice si permite montarea comoda a termocuplului la locul de masurare. În general, tecile de protectie uzuale sunt confectionate din metal sau materiale ceramice. Sunt disponibile si alte tipuri de invelisuri speciale pentru utilizarea in medii corozive.

Cutia de cnexiuni (fig. ) contine placa de borne (fig. )la care sunt conectate capetele libere ale celor doi electrozi. Bornele sunt marcate cu simbolurile (+) si respectiv (-) sau cu vopsea rosie, respectiv alba.

Pe lânga termocuplurile de uz general, se produc si o serie de variante pentru aplicatii speciale. Acestea difera între ele prin forma, dimensiuni si mod de fixare. În figura sunt prezentate schematic câteva variante de termocupluri de dimensiuni reduse, utilizate in industria materialelor plastice iar în figura termocupluri pentru masurarea temperaturii suprafetelor, cu fixare prin surub sau banda adeziva.

Timpul de raspunsTimpul de raspuns al tercuplurilor caracterizeaza inertia termica a acestora si reprezinta

timpul dupa care diferenta dintre temperatura indicata si temperatura initiala este egala cu 0.63 din saltul de temperatura aplicat instantaneu asupra termocuplului. Valoarea timpului de raspuns este functie de mediul în care se masoara temperatura si valoarea temperaturii masurate, diametrul si tipul aliajului firelor elementului sensibil, tipul si dimensiunile tecii de protectie. În tabelul ? sunt prezentate valorile timpului de raspuns pentru un termocuplu de tip J pentru masurarea temperaturii în diferite medii: aer nemiscat , curent de aer si apa. Cresterea dimensiunilor termocuplului si utilizarea tecilor de protectie poate duce la cresterea timpului de raspuns la valori de ordinul minutelor.

Diametrul firelor[mm]

Aer stationarde la 20ºC la 400ºC

Curent de aer 20m/sde la 20ºC la 400ºC

Apa linistitade la 20ºC la 100ºC

8

[sec] [sec] [sec]0.0254 0.05 0.004 0.0020.1270 1 0.08 0.040.3810 10 0.8 0.40.8128 40 3.2 1.6

!! se completeaza de la Temperature handbook pag Z-43Trebuie adaugat ca în cazul masurarii temperaturii prin imersie, adâncimea de imersie

minima care trebuie respectata este de cel putin 10 ori diametrul exterior al tecii.?.1.2. Termorezistenta

Initial termorezistenta era constituita dintr-un fir de platina, fir înfasurat în jurul unei baghete si invelit cu sticla sau ceramica. Platina poate rezista la temperaturi ridicate pastrându-si stabilitatea si este special folosita în acest scop. Este un metal nobil si are o limita redusa de impurificare. O alta structura era cea de tip colivie, elementul de platina nu avea suport întaritor, care sa permita fixarea sau contactul cu elementul a carui temperatura se masura. Modificarea rezistentei cu tensiunea indusa în timp si cu temperatura sunt reduse.

În prezent exista realizate mai multe tipuri de termorezistente. Firele de platina sunt rasucite împreuna si introduse într-un tub de sticla sau ceramica. Rasucirea firelor duce la micsorarea spatiului ocupat de spirala si a influentelor magnetice în ce priveste zgomotele. Odata firele introduse în tub, ansamblul este etansat cu un strat de sticla topita. Procesul de etansare asigura mentinerea integritatii termorezistentei la vibratii si la expunerea la temperaturi ridicate.

Exista versiuni de termorezistente care ofera un compromis între tipul colivie si spirala închisa în tub. O alta posibilitate de utilizare a spiralelor din fire de platina este în cilindru ceramic fixate cu sticla sfarmata. Acest tip pastreaza o buna stabilitate în cazul aplicarii unor vibratii accidentale de amplitudine moderata.

Termorezistente din film metalicEste o tehnologie noua, platina sau sau combinatia metal-sticla este depusa pe un mic

plan (substrat) ceramic, gravat cu un sistem laser controlat si etans.Termorezistentele din film metalic ofera o reducere semnificativa a timpului de

asamblare si în plus avantajul cresterii rezistentei pentru o dimensiune data. Datorita tehnologiei de fabricatie, dimensiunea ei este mica, si poate raspunde rapid la schimbarile de temperatura. Prezinta o stabilitate mai mica fata de cele fabricate manual, dar sunt mult mai raspândite deoarece avantajul lor este dimensiunea si costul de productie. Acest avantaj trebuie sa furnizeze impulsul pentru cercetari viitoare de îmbunatatire a stabilitatii.

Toate metalele sufera o crestere a rezistentei pentru o crestere a temperaturii. Acesta este principiul de functionare al termorezistentei. Se observa usor ca eroarea sistemului se reduce când valoarea nominala a termorezistentei este mare. Aceasta implica fire metalice cu rezistivitate mare. Datorita rezistivitatii mici a metalelor este necesara utilizarea unei cantitati mai mari de metal.

Metal Rezistivitatea [ / cmf]Aur Au 13.00Argint Ag 8.8Cupru Cu 9.26Platina Pt 59.00Tungsten W 30.00Nichel Ni 36.00

Datorita rezistivitatii scazute, aurul si argintul sunt mai rar utilizate în termorezistente. Tungstenul are o rezistivitate relativ mare, dar este utilizat în aplicatii cu temperaturi foarte mari fiind extrem de fragil si dificil de utilizat.

Cuprul este utilizat doar ocazional. Are o rezistivitate mult mai scazuta decât platina, dar are caracteristica liniara si este foarte ieftin, fiind o alternativa economica. Limita superioara de temperatura este de numai 120 C.

9

Cele mai utilizate termorezistente sunt facute din platina, nichel, sau aliaj de nichel. Din punct de vedere economic firele de nichel sunt utilizate peste limita domeniului de temperatura. Este foarte neliniar si are deriva în timp. Pentru o masurare corecta platina este alegerea cea mai potrivita.Masurarea rezistentei - Valoarea obisnuita a rezistentelor de platina este de 10  pentru modelul tip colivie, pâna la sute de ohmi pentru modelul pe film metalic. Valoarea cea mai utilizata este de 100  la 0 C. Coeficientul de temperatura standard pentru fire de platina este  = 0.00385 //C conform standardului european si respectiv  = 0.00392 //C conform standardului american. Pentru fire de 100  aceasta corespunde la +0.385 /C la 0 C, respectiv +0.392 /C. Aceasta este o valoare medie pe intervelul de la 0 C la 100 C.

Atât valoarea reala a termorezistentei, cât si valoarea coeficientului de temperatura sunt mici, mai ales când se raporteaza la rezistenta firelor de legatura care poate fi de la câtiva ohmi pâna la 10 . Impedanta firelor poate contribui în mod semnificativ la eroarea de masurare a temperaturii.

Efectul conductorilor de legatura

O impedanta a firelor de legatura de 10  conduce la o eroare de masura de 10 / 0.385  26 C. Influenta coeficientului de temperatura al firelor de legatura poate conduce de asemenea la o masurare eronata. O metoda clasica de evitare a acestei probleme este utilizarea unei punti de masura.

Puntea Wheatstone

Tensiunea de iesire a puntii este indirect o masura a rezistentei. Puntea necesita fire de legatura, o sursa externa si 3 rezistente cu un coeficient de tempetatura nul.

Termorezistenta este separata de punte prin fire de legatura. Aceasta conduce la problema initiala: impedanta firelor de legatura afecteaza citirea temperaturii. Efectul poate fi redus prin utilizarea a trei fire de legatura având urmatoarea configuratie:

Punte de masura cu trei fire

10

Daca firele A si B au aceeasi lungime atunci efectul impedantei lor poate fi anulat daca fiecare este inclus într-un brat opus al puntii. Al treilea fir C, este utilizat pentru masurare si nu este strabatut de curent. O punte de acest tip creaza o dependenta neliniara între modificarea rezistentei si modificarea tensiunii de iesire. Aceasta neliniaritate se suprapune peste neliniaritatea caracteristicii rezistenta-temperatura a termorezistentelor si necesita o ecuatie suplimentara pentru conversia tensiunii de iesire a puntii în rezistenta echivalenta a termorezistentei.

Masurarea cu 4 fire - este o tehnica ce utilizeaza o sursa de curent si un circuit separat de masura pentru a evita cele mai multe dintre problemele asociate puntii de masurare.

i=0

i=0

i VoltmetruRTD100

Masurarea cu 4 fire

Tensiunea de iesire citita de voltmetru este direct proportionala cu rezistenta fiind necesara o singura ecuatie de conversie. Voltmetrul masoara numai caderea de tensiune si este insensibil la lungimea conductorilor de legatura.

Exista dezavantajul utilizarii a 4 fire, fiind necesar un fir în plus fata de puntea cu 3 fire. Aceasta presupune cresterea preciziei de masura a temperaturii cu o ridicare nesemnificativa a pretului.

Conectarea termorezistentelor se face pe 2, 3, sau patru fire. Avantajul utilizarii conexiunii pe trei fire fata de cea pe doua fire, consta în posibilitatea efectuarii unei masuratori mai precise, prin diminuarea influentei variatiei cu temperatura a rezistentei firelor de conexiune. Se utilizeaza de preferinta pentru masurarea precisa a temperaturilor pe domenii restrânse (< 40 C). Pentru masurari de temperatura deosebit de precise, cu eliminarea variatiei cu temperatura a firelor de conexiune, se utilizeaza termorezistente cu iesire pe 4 fire.

Conversia rezistenta-temperatura - Termorezistenta este un traductor mult mai liniar decât termocuplul, fiind totusi necesara ajustarea caracteristicii. Ecuatia Callendar-Van Dusen poate fi utilizata pentru aproximarea caracteristicii termorezistentei:

, (?.4)

unde:R T = rezistenta la temperatura T;R 0 = rezistenta la temperatura T = 0 C; = coeficientul de temperatura la T = 0 C, cu valoare tipica de 0.00392 //C; = 1.49 (valoare tipica pentru platina pura); = 0 (T>0) sau 0.11 (T<0).Valoarea exacta a coeficientilor , si se determina prin testarea termorezistentei la

patru temperaturi si rezolvarea sistemului de ecuatii. Ecuatia a fost înlocuita din anul 1968 cu un polinom de ordinul 20 care asigura o precizie mult mai buna.

11

Principii constructiveTermorezistentele pot avea forme si dimensiuni diferite (fig. ). Cele de tip industrial se

compun dintr-un element sensibil, introdus într-o teaca de protectie (de obicei metalica) terminata, ca si în cazul termocuplurilor, cu o cutie de borne, pentru cuplarea la linia de legatura. Teaca de protectie (fig. ) este prevazuta cu un sistem mecanic de prindere si etansare.

Pentru aplicatii speciale, elementul sensibil poate avea diferite forme sau dimensiuni în functie de tipul masuratorii: temperatura unei suprafete, temperatura unui fluid, temperatura unor corpuri de dimensiuni reduse, temperatura medie etc (fig. ).

Timpul de raspuns

?.1.3. Termistorul În timp ce termocuplul este un traductor de temperatura robust, mult utilizat si

termorezistenta de platina este foarte stabila, cel mai important atu al termistorului este sensibilitatea. Din cele trei categorii de traductoare, termistorul are cea mai mare modificare a parametrilor cu temperatura.

Termistorul este realizat dintr-un material semiconductor. Cu toate ca exista si termistoare cu coeficient de temperatura pozitiv, cele mai multe au coeficientul de temperatura negativ; aceasta înseamna ca rezistenta scade cu cresterea temperaturii. Coeficientul de temperatura negativ poate avea câteva procente pe grad Celsius, circuitele cu termistori putând detecta modificari ale temperaturii care nu pot fi observate cu circuite cu termocuple sau termorezistente.

Pretul platit pentru aceasta crestere a sensibilitatii este accentuarea neliniaritatii. Termistorul este un dispozitiv puternic neliniar, cu parametri dependenti de procesul de fabricatie. În consecinta, fabricarea termistoarelor nu duce la obtinerea unei curbe standard cum este în cazul termocuplurilor sau termorezistentelor.

TTermocuplu

Termorezistenţă

TermistorV, R

Dependenta cu temperatura

Caracteristica unui termocuplu poate fi foarte aproximata prin utilizarea ecuatiei lui Steinhart-Hart:

1

T= A + B ln R + C (ln R)3

unde: T = temperatura în grade Kelvin;R = rezistenta termistorului;

12

A, B, C = coeficientii curbei. pot fi determinati prin alegerea a trei puncte de pe curba standard si rezolvarea unui sistem de trei ecuatii. Când punctele sunt alese într-un interval de cel mult 100 C incluzând punctul central al domeniului de temperatura al termistorului, aceasta ecuatie aproximeaza domeniul cu o precizie de 0.02 C pe curba.

Reducerea timpului de calcul poate fi facuta prin utilizarea ecuatiei:

T =B

ln R - AC

unde: A, B, C sunt coeficientii determinati anterior. Aceasta ecuatie trebuie aplicata pentru un domeniu îngust de temperatura pentru a avea precizia obtinuta prin ecuatia Steinhart-Hart.

Rezistivitatea mare a termistoarelor este un avantaj al utilizarii lor. Masurarea rezistentei cu patru fire nu este necesara ca si în cazul termorezistentelor. Spre exemplu valoarea tipica a unui termistor la 25 C este de 5000 . Cu un coeficien termic tipic de 4 %/ C, o rezistenta a firelor de masura de 10  produce o eroare de numai 0.05 C. Aceasta eroare este de 500 de ori mai mica decât în cazul unei termorezistente echivalente.

Dezavantaje - Deoarece termistorul este un semiconductor, este mai susceptibil la decalibrari permanente prin folosirea la temperaturi ridicate, în comparatie cu termorezistentele si termocuplele. Utilizarea termistoarelor este limitata la câteva sute de grade Celsius iar expunerea lor peste domeniul maxim permis din fabricatie poate determina o deriva a rezistentei masurate în afara tolerantei specificate.

Termistoarele pot fi realizate foarte mici si prin aceasta timpul de raspuns este redus, însa un termistor cu o masa foarte mica poate duce la cresterea erorilor de masura prin propria încalzire.

Sunt mai fragile decât termocuplele si termorezistentele si de aceea o montare neglijenta poate duce la spargerea sau ruperea legaturilor.

?.1.4. Senzori de temperatura în infrarosuSenzorii în infrarosu pentru masurarea temperaturii fara contact sunt senzori cu largi

aplicatii în procesele industriale si în cercetare. Un senzor în infrarosu masoara temperatura prin detectarea energiei infrarosii emise de catre toate materialele care au temperaturi peste cea de zero absolut (0 Kelvin). Elementele de baza din care este alcatuit sunt: un sistem de lentile de focalizare a energiei infrarosii si un detector care converteste energia în semnal electric ce poate fi afisat în unitati de temperatura, dupa ce în prealabil sa facut compensarea variatiilor temperaturii mediului. Aceasta configuratie permite masurarea temperaturii de la distanta fara contact cu obiectul a carui temperatura trebuie masurata. Masurarea temperaturii în infrarosu se utilizeaza acolo unde utilizarea altor senzori nu este posibila datorita faptului ca sursa este mobila, se afla într-un câmp electromagnetic indus, este în vid sau atmosfera oxidanta, în aplicatii cu timp de raspuns redus.

Lungimea de unda a spectrului infrarosu este cuprinsa între 1030.7 . 106 m, adica între spectrul undelor radio si spectrul luminii vizibile. Detectoarele de infrarosu disponibile în mod curent pentru industrie au ca si domeniu, lungimi de unda cuprinse între 0.720 m si nu sunt suficient de sensibile pentru a detecta cantitati foarte mici de energie corespunzatoare lungimilor de unda peste 20 m.

Radiatia infrarosie nu este vizibila pentru ochii omului, dar este de ajutor sa ne imaginam pentru început ca este vizibila când avem de-a face cu principiile masurarii si aplicatiile considerate, deoarece în multe privinte are un comportament asemanator cu al luminii vizibile. Radiatia infrarosie calatoreste în linie dreapta de la sursa si poate fi reflectata sau absorbita de suprafata materialelor întâlnite în cale. Daca obiectul este solid si opac, atunci o parte din energia infrarosie ce întâlneste obiectul este absorbita si cealalta parte este reflectata. Din energia absorbita de catre obiect o parte este apoi transmisa spre exterior si cealalta parte spre interior. Aceasta este valabil si pentru materiale transparente cum ar fi sticla, gazele, masele plastice transparente, dar în plus o parte din energia infrarosie trece prin obiect.

13

Diferite materiale radiaza la diferite nivele de eficienta. Aceasta eficienta este cuantificata ca emisivitate, exprimata ca un numar zecimal intre 0 si 1 sau în procente intre 0% si 100%. Cele mai multe materiale organice, incluzând pielea sunt foarte eficiente, emisivitatea având valori de 0.95. În schimb cele mai multe metale tind sa fie mai putin eficiente din acest punct de vedere la temperatura camerei, cu valoarea emisivitatii de 20% sau mai putin.

Diferentele de emisie dintre materiale apar ca diferente de intensitate pentru aceeasi temperatura. Emisia este în functie de structura moleculara si de caracteristicile suprafetei. Nu depinde în general de culoare, cu exceptia surselor colorate, ci în principal de constructia materialului. Un exemplu practic este vopseaua metalizata care include o cantitate semnificativa de aluminiu. Cele mai multe vopsele au aceeasi emisie indiferent de culoare, dar aluminiul are o emisie foarte diferita si poate din acest motiv sa modifice emisia vopselelor metalizate.

Ca si în cazul undelor luminoase, o suprafata bine slefuita reflecta energia infrarosie. Caracteristicile suprafetei materialului pot sa influenteze emisia. Masurarea temperaturii materialelor opace este mult diferita atunci când ele au o emisie scazuta. O piesa din otel inoxidabil bine finisata are o emisie mult mai scazuta decât aceeasi piesa ruginita si cu o suprafata rugoasa. Fata de structura moleculara si starea suprafetei, al treilea factor ce afecteaza masuratorile este lungimea de unda la care este sensibil senzorul, stiind ca senzorii au un anumit raspuns spectral. Din aceasta cauza numai lungimile de unda cuprinse între 0.720 m sunt utilizate în practica pentru masurarea temperaturii. În cadrul acestei benzi senzorii opereaza pe un domeniu mai îngust, de exemplu 0.781.06 m sau 4.85.2 m.

Constructia termometrului cu infrarosiiSchema de baza a termometrului cu infrarosii cuprinde: sistemul de lentile de focalizare a

energiei infrarosii emise de catre obiect; un detector care converteste energia în semnal electric; ajustarea emisiei citite în functie de calibrarea termometrului si caracteristicile obiectului. Un circuit pentru compensarea variatiilor de temperatura ale mediului ne garanteaza ca variatiile temperaturii termometrului cu infrarosii datorate modificarilor temperaturii mediului nu apar în marimea finala masurata.

Termometrele cu infrarosii se realizeaza în multe variante constructive incluzând o larga varietate de detectori, filtrarea semnalului de infrarosii, liniarizarea si amplificarea semnalului de iesire de la detector, conversia semnalului în semnal unificat de curent sau de tensiune.

sistem opticcu LED-uri

semnal

temperatură

masăcontrolmotor

termistor

chopper

filtrulentilă

Schema bloc a termometrului cu infrarosii

Un factor foarte important pentru precizia masurarii temperaturii în infrarosu este cunoasterea si includerea în sistemul de masurare a unor date initiale. Aceste date pot fi obtinute în doua moduri:a) prin utilizarea unui tabel de referinta;b) prin compararea masuratorilor prin utilizarea în paralel a unui termocuplu sau termorezistente si ajustarea emisiei citite pâna când cele doua valori se suprapun.

Pentru a functiona corect, un dispozitiv de masura în infrarosu trebuie sa tina cont de emisivitatea corpului a carui temperatura va fi masurarta. Aceasta poate fi adesea gasita într-un tabel dar în aceste tabele nu se gasesc situatii particulare cum ar fi oxidari sau suprafete ruginite.

14

Un dispozitiv cu infrarosu este ca o camera de luat vederi, acoperind un anumit câmp vizul. Când masuram temperatura unei suprafete trebuie sa ne asiguram ca aceasta acopera complet câmpul vizual.

?.1.5. Ghid de selectie

Dupa prezentarea unor informatii amanuntite despre cum sunt construite si utilizate traductoarele de temperatura, este normal sa apara întrebari de genul: “O.K., si atunci cum sa-mi dau seama ce traductor sa folosesc în aplicatia mea?”. Prin cele prezentate în continuare se încearca sa se raspunda la aceasta întrebare.

Termorezistentele sunt mult mai stabile decât termocuplurile. Pe de alta parte, desi în cazuri speciale pot rezista la temperaturi pe domenii mult mai extinse, în general sunt utilizate pentru masurarea temperaturilor între –250 si 850ºC, pe când termocuplurile pot masura între –270 si 2300ºC. Termistorii au un domeniu si mai restrictiv, fiind utilizati între –40 si 150ºC, dar oferind un grad ridicat de precizie.

Termistorii si termorezistentele ridica însa o problema aparte. Bazându–se pe variatia rezistentei cu temperatura, masurarea rezistentei necesita trecerea unui curent prin senzor. Chiar si atunci când este vorba de o valoare mica a curentului, acesta creaza o anumita cantuitate de caldura determinând autoîncalzirea senzorului ceea ce poate produce eroare la citirea temperaturii reale. Aceasta problema nu apare la termocupluri.

Senzorii în infrarosu, desi scumpi, sunt indicati atunci când se masoara temperaturi extrem de ridicate. Ei pot fi utilizati la temperaturi mai mari de 3000ºC, unde alte dispozitive nu fac fata.

Senzorii în infrarosu sunt utile si atunci când nu se doreste, sau nu este posibil contactul direct cu suprafata masurata. Acestea ar fi suprafetele fragile, ude (vopsea), inaccesibile, obiecte în miscare. De asemenea, temperatura poate fi masurata cu senzori în infrarosu în cazul unor substantele chimice reactive sau care bruiaza dispozitivele electrice. Dispozitivele cu infrarosu pot fi utilizate si când se doreste masurarea unor suprafete întinse care ar necesita un numar mare de termocuple sau termorezistente.

Senzorii utilizati numai pentru afisarea sau înregistrarea temperaturii se monteaza cât mai aproape de de obiectele ce se încalzesc. Daca se are în vedere controlul temperaturii senzorii trebuie montati cât mai aproape de sursele de încalzire pentru a determina variatiile de temperatura cu întârziere minima si pentru a evita supraîncalzirea obiectelor. În cazul masurarii

15

temperaturilor lichidelor în conducte, tecile de protectie ale senzorilor si flansele de etansare vor fi realizate din acelasi material cu conductele.

?.2. Adaptoare pentru termocupluri si termorezistente (cu transmitere pe doua fire)În multe aplicatiile industriale de masura si control este necesara deseori monitorizarea

de la distanta a temperaturii unui proces. În situatia în care termocuplurile si termorezistentele, cele mai utilizate tipuri de traductoare de temperatura, genereaza la iesire semnale de valori foarte scazute, este necesara utilizarea unor elemente care amplifica si prelucreaza aceste semnale permitând transmisia lor la distanta. În sistemele unificate acestea sunt denumite adaptoare de masura. Odata amplificat si liniarizat, acest semnal, la un nivel utilizabil, va fi transmis prin conductoare obisnuite de cupru si folosit pentru comanda altor echipamente (indicatoare, inregistratoare, regulatoare, sisteme numerice complexe de masura si control).

Adaptoarele pentru termocupluri si termorezistente utilizate în sistemele numerice de masura si control sunt denumite si transmitatoare de semnal sau elemente pentru conditionare de semnal. Acestea sunt realizate în diferite variante constructive, cu conectare pe doua sau patru fire.

În cazul adaptoarelor conectate pe patru fire, alimentarea aparatului se face pe doua fire separate de calea de semnal. Valoarea tensiunii de alimentare este precizata de fiecare producator. Pe langa cele doua fire necesare pentru a conecta iesirea transmitatorului în serie cu intrarea echipamentului comandat se utilizeaza înca doua fire pentru conectarea alimentarii aparatului.

Adaptoarele cu conectare pe doua fire, referite în literatura si sub denumirea de transmitatoare pe doua fire, reprezinta o solutie ideala pentru multe aplicatii de masurare a temperaturii. Transmitatoarele au avantaje clare fata de dispozitivele conventionale de masura, dar trebuie conectate cu atentie pentru a evita probleme de tipul buclelor de masa.

Un transmitator pe doua fire controleaza, proportional cu intrarea senzorului, curentul de la o sursa de alimentare în curent continuu situata la distanta. Semnalul de iesire este de obicei un semnal unificat de curent continuu, în diferite game, cea mai des folosita fiind gama 4-20 mA c.c. Un adaptor de termocuplu va transmite 4 mA când masoara cea mai joasa temperatura din domeniul de masura specific termocuplului. Apoi, cu cât temperatura creste, transmitatorul va transmite proportional mai mult curent pana când va ajunge la 20 mA. Semnalul de 20 mA corespunde temperaturii maxime sesizate de termocuplu.

Fizic sunt necesare numai doua fire pentru a conecta iesirea transmitatorului în serie cu sursa de alimentare si echipamentul comandat. Acest lucru este posibil deoarece alimentarea se face pe aceleasi fire pe care se transmite si semnalul de iesire.

AvantajeUn transmitator pe doua fire ofera numeroase avantaje fata de modurile traditionale de masurare a temperaturii.1. Sursa de putere în curent alternativ nu mai este necesara pentru alimentarea

transmitatoarelor. Transmitatoarele pe doua fire sunt alimentate de la o sursa de curent de 4-20mA, nefiind nevoie de o sursa suplimentara pentru a alimenta locatiile indepartate. Valoarea uzuala a tensiunii de alimentare folosita în instalatiile tehnice este de 24V.

2. Perturbatiile electrice si degradarea semnalului nu reprezinta o problema pentru transmitatoarele pe doua fire. Semnalul de iesire al transmitatorului prezinta o inalta imunitate la zgomotele electrice. Orice zgomot care apare este în mod normal eliminat de dispozitivul de receptie. Pe langa aceasta, semnalul de iesire nu se schimba cu distanta pe care se transmite, nefiind influentat de rezistenta firelor de legatura, cum se intampla la semnalul în tensiune.

3. Costurile scad semnificativ când se utilizeaza transmitatoare pe doua fire. Semnalul de nivel mic generat de termocupluri necesita de regula utilizarea unor cabluri cu protectii speciale cand este transmis la distante mari. Astfel de cabluri sunt foarte scumpe si sunt necesare cantitati mari. Influenta zgomotelor din mediu: de la motoare, linii de alimentare, poate

16

creste foarte mult daca semnalul este transmis prin cabluri neprotejate. Pot fi utilizate cablurile obisnuite de cupru pentru a conecta toate partile componente ale sistemului cu transmitatoare pe doua fire. Semnalul de iesire de 4-20mA este realtiv imun la zgomotele electrice din mediu si nu se degradeaza la transmiterea pe distante lungi, chiar daca firele au diametru mic. Adaugând un transmitator pe doua fire la un sistem se elimina problemele leagate de costul firelor cu ecranare.

Problemele de tipul buclelor de masaDaca se masoara potentialele a doua împamântari situate în puncte diferite, va fi detectata

o diferenta de potential între cele doua puncte. Aceasta diferenta exista practic între oricare doua puncte de pe suprafata pamantului. Când încercam sa masuram marimi dintr-un proces care se afla la distanta îndepartata de camera de comanda, aceasta diferenta de potential va induce o eroare cunoscuta sub denumirea de semnal de bucla de masa. Pentru a preveni astfel de erori este necesar a se utiliza un transmitator pe doua fire cu izolare. Acest tip de transmitatoare izoleaza optoelectric intrarea de la senzorul de masura fata de iesire. Aceasta permite utilizatorului de a conecta la împamântare atât senzorul cât si un capat al buclei de curent.

Principalele caracteristiciTransmitatoarele pe doua fire utilizeaza aceleasi fire pentru alimentare si pentru semnalul

de iesire. Rezistenta de sarcina este conectata în serie cu sursa de alimentare în curent continuu si curentul furnizat de sursa este în gama 4-20 mA (gama semnalului de iesire). Transmitatoarele pe doua fire se pot monta în apropierea senzorului pentru a minimiza efectele zgomotelor si degradarea semnalului la care senzorii low-level sunt susceptibili. În acest sens sunt prevazute cu o carcasa de protectie inchisa ce prezinta doi conectori pentru intare si iesire (fig.). Unele

variante de transmitatoare au astfel de dimensiuni încât pot fi montate în cutia de borne a termocuplului sau a termorezistentei. (fig.)

Iesirea celor mai multe transmitatoare este liniarizata fata de semnalul în tensiune produs de termocupluri sau termorezistente (acestea din urma fiind montate frecvent întro punte de masura), dar exista de asemena si modele noi liniarizate cu temperatura masurata conform relatiilor (?.1)-(?.4).

Transmitatoarele convertesc semnalul dat de termorezistente sau termocupluri într-un semnal 4-20 mA la iesire. Unele modele furnizeaza la iesire si informatii pe o interfata seriala de tipul RS-232. Transmitatoarele care pot fi conectate la mai multe tipuri de traductoare sunt prevazute cu comutatoare de configurare pentru selectarea tipului senzorului.

17

Transmitatoarele sunt disponibile atât în varianta cu izolare galvanica, cât si în varianta fara izolare. Alimentarea buclei de curent se poate realiza într-un domeniu larg de tensiuni, de regula 6-40 V c.c.

Unele variante de transmitatoare sunt prevazute cu posibilitati de afisare a temperaturii masurate, utilizând afisaje digitale sau bargrafuri.

Pot functiona într-o gama extinsa de temperaturi (-40 80 ºC), carcasele utilizate asigurând diferite grade de protectie.

Produsele din ultima generatie sunt adaptoare inteligente programabile si reprezinta o noua conceptie în domeniul adaptoarelor de semnal de larga utilizare. Dependenta temperatura - semnal de iesire 4-20 mA este liniara pentru toate tipurile de semnal de intrare. Pentru compensarea neliniaritatii traductoarelor se poate utiliza o serie Taylor polinomiala de ordin n, suficient de mare pentru a realiza o liniarizare a caracteristicii statice a oricarui traductor. Memorarea în tabele, cu precizia dorita, a valorilor temperaturii si utilizarea unor tehnici de cautare, reprezinta o alta alternativa pentru compensarea neliniaritatilor. O alta metoda, usor de abordat si în varianta analogica consta în implementarea unor tehnici de aproximare liniara prin divizarea domeniului de masura în mai multe sectiuni si aproximarea prin segmente de dreapta.

Configurarea se realizeaza utilizând un soft dedicat personalului ce nu este obisnuit cu programe de complexitate ridicata si care si-ar dori adaptoare universale, usor de configurat. Pentru a raspunde acestor asteptari, multi producatori ofera un software usor de utilizat, cu un singur meniu de configurare.

În vederea configurarii transmitatorul se alimenteaza direct din calculator fara a fi necesara alimentarea buclei de curent pentru aceasta operatie.

Fiind realizate în varianta numerica, pe baza unor structuri hard cu microcontrollere specializate, sunt prevazute cu posibilitati de filtrare numerica, posibilitati de urmarire a starii senzorului de temperatura si autotestare.

Conectare

18

Descriere

Transmitatorul se foloseste pentru a masura temperaturi si alte variabile de proces. El converteste variabila de intrare într-un curent continuu de 4…20 mA, neinfluentat de sarcina.Semnalele de intrare sunt aplicate prin circuitul de protectie a intrarii la multiplexorul de selectie a punctului de masura. Printr-o retea de filtre, variabilele standard de intrare (mV, ) sunt aduse în domeniul tensiunii de intrare a amplificatorului. Amplificatorul va adapta domeniul redus al tensiunii de intrare la domeniul de operare al convertorului A/N. Un generator de impulsuri modulate în durata (PWM) converteste tensiunea data de amplificator într-o succesiune de

19

impulsuri cu factor de umplere proportional cu amplitudinea acesteia. Din masuratorile de test (zero si referinta), se determina si se retin valori de corectie pentru zero si panta. Monitorul de întrerupere a senzorului cauta o valoare de vârf a impedantei senzorului. Semnalul de intrare se aplica prin separare galvanica la o intrare digitala a procesorului.Procesorul (CPU) detine controlul transmitatorului si îndeplineste mai multe sarcini. În acest scop sunt apelate consecutiv o serie de rutine de:

- monitorizare (dead-man, watchdog),- conversie A/N (citire, verificarea erorilor logice,…),- comunicatie (citire, scriere),- procesarea a valorii masurate (liniarizare, atenuare,…),- auto-test

ROM-ul contine programul de baza al transmitatorului. EEPROM-ul contine date ce sunt caracteristice transmitatorului în conditiile de operare. Datele de acest gen sunt toate date-parametri specifice utilizatorului (de ex., domeniu de masura, liniarizare, numarul punctului de masura etc.) De asemenea, EEPROM-ul contine date explicit despre transmitator, de ex. deviatii ale referintei sau numarul de serie (S.No.)Pentru comunicarea cu PC, exista doua posibilitati:

- Interfata de comunicatie locala (LKS) pentru setarea parametrilor în laborator (interfata LCI -Local communication interface, CMOS pe 3 V)

- Interfata FSK (Frequency Shift Keying) - modulare cu deplasarea frecventei pentru setarea de la distanta a parametrilor si operare pe magistrala.

Iesirea analogica în curent 4-20 mA este utilizata pentru transmiterea la distanta a unui semnal proportional cu marimea masurata.Unele transmitatoare pot fi echipate cu afisaj local pentru vizualizarea marimii masurate.

Module functionale

În functie de modul de utilizare al transmitatorului, modulele functionale prezentate se seteaza cu ajutorul programului PC de configurare. În submeniul de diagnoza se prezinta „variabilele disponibile pentru citit” („readable variables”).

Prelucrarea valorii masurateSetarea domeniului de masura (selectia circuitului de masura si a senzorului); monitorizarea senzorului (întrerupere si scurt-circuit); masurarea jonctiunii de referinta pentru compensarea temperaturii jonctiunii de referinta la termocupluri.Ponderarea valorilor de intrareDeterminarea valorii medii când mai multi senzori sunt interconectati la o intrare. Simularea caracteristicilor senzorilor cu date de baza identice (de ex. Pt 1000 din caracteristica Pt 100 – 10 x Pt 100).

20

Jonctiunea de referintaCompensarea valorii masurate cu valoarea jonctiunii de referinta interna sau externa în masuratori cu termocupluri.Liniarizare/Valoare medie/DiferentaConform caracteristicilor standardizate sau specifice utilizatorului (liniarizare prin puncte sau utilizarea unei functii); valoarea medie si determinarea diferentei intrarii si a intrarii auxiliare.AtenuareFiltru cu element de întârziere de ordinul întâi.ScalareÎnceputul domeniului de masura si sfârsitul lui.Iesire analogicaSetari pentru semnalul de iesire în curent, subdepasire/supradepasire, raspuns în caz de eroare senzor/instrument.

21