Termometre

Temperatura este o mărime de stare termică ce caracterizează gradul de încălzire al corpurilor. Ea indică viteza atomilor ce alcătuiesc o substanţă care se mişcă, odată cu încălzirea vitezei aceastora, ea creşte. Pentru măsurarea temperaturii se recurge la un corp termometric ale cărui proprietăţi fizice variază cu temperatura. Indicarea temperaturii se obţine prin stabilirea echilibrului termodinamic între corpul al cărui temperatură se doreşte a fi stabilită şi corpul termometric, stare în care, transferul de căldura dintre acestea se anulează.

Termometrele Sunt dispozitive realtiv simple, de construcție și precizie diferite, capabile să acopere un domeniu larg de temperatură (între -200 °C și +3000 °C).Tipul cel mai comun constă într-un rezervor cu lichid şi un tub gradat. Lichidul (de obicei mercur sau alcool) se extinde pe măsură ce temperatura creşte şi urcă în interiorul tubului.Termometrele clinice cu mercur pot fi folosite pentru măsurarea temperaturii corpului uman. Acestea au o piedică (un gât îngust) la baza tubului astfel încât lichidul nu revine în rezervor imediat după efectuarea măsuratorii.

Pentru măsurarea temperaturii se recurge la un corp termometric ale cărui proprietăţi fizice variază cu temperatura. Indicarea temperaturii se obţine prin stabilirea echilibrului termodinamic între corpul al cărui temperatură se doreşte a fi stabilită şi corpul termometric, stare în care, transferul de căldura dintre acestea se anuleaza.

Indicaţiile termometrului: nivelul de mercur, la majoritatea termometrelor, poate fi citit pe o scară. Termometrul electronic dispune de un afisaj digital.Schimbarea în temperaturã provoacã o modificare a proprietãtilor fizice ale unei substante, iar mărimea schimbării este o indicatie a cât de mult s-a modificat temperatura. Acesta este principiul ce stă la baza termometrului.Existã diferite tipuri de termometre ce sunt folosite în diverse situatii (mãsurarea unor temperaturi ridicate, a unor temperaturi joase sau a unor intervale de temperaturã).Acurateţea măsurării : acurateţea masurării unei temperaturi depinde de echilibrul termic dintre termometru şi mediu înconjurator. De exemplu un termometru clinic trebuie ţinut aproximativ 7 minute pentru a se ajunge la un echilibru dintre corp şi termometru.Toate termometrele îşi masoară temperatura sa, de exemplu un termometru care stă la Soare va masura diferit faţă de un termometru care stă la umbra, deşi temperatura aerului este aceeaşi, pentru a preveni acest fapt termometrele trebuiesc ferite de Soare şi de radiaţii.

În funcție de principiul fizic care stă la baza funcționării lor termometrele se clasifică în: Termometre cu variație de volum: termometrele de

sticlă cu lichid, termometrul cu gaz, etc. Termometre cu variație de presiune: termometrele

manometrice. Termometre cu variație a rezistenței electrice:

termometre cu rezistență electrică sau cu termistori. Termometre cu variație a tensiunii electromotoare:

termometrele cu termocuplu. Termometre cu variație a energiei radiante:

pirometre cu radiație.

Un termometru manometric sau termometru cu presiune de vapori este un termometru funcționând pe principiul variației presiunii vaporilor saturați ai unui lichid în functie de temperatură.[1][2] Un termometru manometric este format dintr-un rezervor ermetic introdus într-o teacă de protecție, umplut cu lichid volatil (senzorul), legat printr-un tub capilar de un manometru, de obicei cu tub Bourdon,[2] etalonat direct în grade Celsius.[1] Domeniul de temperaturi pentru termometrele industriale este –40 ... 200 °C. Lichidele folosite în acet caz sunt: propan, freon, clorură de etil, eter etilic, benzen.[1]

Avantajul acestui tip de termometre este că presiunea vaporilor saturați crește cu temperatura conform formulei Clausius-Clapeyron:[2]unde este căldura masică de vaporizare a lichidului, iar și sunt volumele masice ale vaporilor, respectiv lichidului, toate la presiunea . Aceată creștere este mult mai rapidă decât pentru un gaz, conform ecuației de stare a gazului ideal. Alt avantaj este că manometrul poate fi plasat destul de departe, până la zeci de metri de senzor. Dacă este cazul, manometrul poate fi prevăzut cu contacte electrice, instrumentul lucrând ca senzor în automatizări. Semnalul de presiune poate fi folosit la aparate înregistratoare.

Termomentru manometric

Termorezistențele fac parte din categoria elementelor sensibile parametrice ce necesită energie auxiliară în procesul de măsurare a rezistenței electrice astfel că adaptoarele destinate acestora sunt de tipul convertor rezistență semnal unificat de ieșire. Pentru realizarea adaptoarelor se au în vedere o serie de particularități:- variația redusă a rezistenței termorezistenței în special pe domenii mici ca și necesitățile impuse de precizia de măsurare, implică utilizarea de metode de punte în intrare, alimentate în c.c. și lucrând în regim echilibrat/dezechilibrat;- distanța relativ ridicată între elementul sensibil și adaptor impune controlul riguros al rezistențelor de linie prin utilizarea în intrare după caz a conexiunii elementului sensibil cu 2, 3 sau 4 conductoare;- neliniaritatea caracteristicii statice a elementului sensibil, ca și a punții de măsurare, în cazul punților lucrând în regim dezechilibrat, impune utilizarea de circuite de liniarizare în structura adaptorului;- separarea galvanică a semnalului unificat de ieșire din adaptor în raport cu elementul sensibil și/sau cu sursele de alimentare, impusă de condițiile concrete în care se utilizează traductorul. Punțile de măsurare utilizate la intrarea adaptoarelor sunt de regulă punți Wheastone rezistive alimentate în c.c., unul din brațe constituindu-l elementul sensibil; de asemenea tot în cadrul acestora sunt incluse anumite elemente de reglaj pentru echilibrarea inițială, deplasarea punctului de zero etc. La conexiunea pe două fire pot apărea erori destul de mari. Odată cu creșterea temperaturii, crește și rezistența. Această creștere a rezistenței determină creșterea tensiunii (U=I*R). Rezistența care este cauza creșterii tensiunii este rezistența totală a senzorului plus rezistența introdusă de firele de legătură. Cât timp rezistența firelor rămâne constantă, nu va fi afectată măsurarea temperaturii. Rezistența firelor se modifică odată cu variația temperaturii, totuși așa cum condițiile de mediu se schimbă, așa se modifică și rezistența firelor, apărând erori. Dacă firele sunt foarte lungi, sursa de erori poate fi semnificativă.

Termorezistenta din Platina

Termometre de sticlă cu lichid

Funcționarea lor se bazează pe variația cu temperatura a lungimii unei coloane de lichid închis într-un tub capilar, ca efect al dilatării lichidului.Corpurile termometrice uzuale pentru aceste tipuri de termometre sunt: mercurul, alcoolul etilic, toluenul, pentanul, eterul de petrol, etc. Global, aceste termometre pot măsura temperaturi cuprinse între -190 °C și +700 °C. Intervalul de temperatură pe care îl poate măsura un anumit termometru depinde însă de corpul termometric folosit.

Mercurul este cel răspândit corp termometric folosit la termometrele de sticlă cu lichid. Avantajele mercurului:- este ușor de obținut în formă chimic pură- nu udă sticla- rămâne în stare lichidă într-un interval larg de temperatură (între -38,86 °C și +356,7 °C), la presiune atmosferică normală- are un coeficient de dilatare termică ce variază foarte puțin în funcție de temperatură, scara termometrului rămânând aproape liniară până la +200 °C- are o căldură specifică relativ mică, conferind astfel inerție mică termometrelor cu mercur.Dezavantajele mercurului:- are inerție termică mare, care îl face inadecvat pentru măsurători ale temperaturii în regim variabil;- este toxic și are potențial de contaminare a mediului, în caz de spargere a termometrului. Unele țări din UE au interzis prin lege folosirea termometrelor de sticlă cu mercur pentru uz medical.

Elemente constructive comune

Termometrele cu lichid se folosesc în diverse domenii: în industrie, în laboratoare, în medicină etc. Forma și aspectul lor diferă în funcție de destinația de utilizare, dar toate prezintă anumite elmente constructive comune:Rezervorul cu lichid, de formă cilindrică sau sferică, ce conține lichidul termometric (mercur, toluen, alcool etilic sau alt corp termometric);Tubul capilar, aflat în continuarea rezervorului și confecționat din aceeași sticlă ca și acesta;Scala gradată, confecționată din sticlă mată și fixată în dreptul capilarului;Învelișul de sticlă ce protejează atât capilarul, cât și scala.

Precizia unui termometru este cea mai mică variație de temperatură pe care o poate măsura termometrul. În cazul termometrelor cu lichid, în funcție de construcție, precizia de măsurare variază între 0,01 °C și 1 °C.

Termistorii Termenul de termistor provine de la prescurtarea cuvintelor termic şi rezistor. În general denumeşte un senzor metal – oxid fabricat sub formă de bară, cilindru, filme subţiri sau droplets. Termistorii se împart în două mari grupe NTC (coeficient de temperatură negativ) şi PTC (coeficient de temperatură pozitiv).

Termistorii în formă de perleAceştia pot fi neizolaţi sau încapsulaţi în sticlă sau metal. Conductorii metalici sunt dintr-un aliaj de platină sinterizaţi într-un corp ceramic. În timpul fabricării o porţiune din amestecul de metal – oxid - liant este plasat între doi conductori paraleli. După ce amestecul este uscat se introduce într-un cuptor pentru sinterizare. În urma sinterizării datorită procesului de micşorare a metal – oxidului, între cei doi conductori se va realiza o legătură electrică intimă. După care senzorul este acoperit cu un strat protector, în general sticlă figura.

Un alt tip de termistor sunt termistorii de tip cip. Sunt sub formă de

panglică iar conductorii au o anumită suprafaţă de

contact metalizată. Pot fi întâlniţi sub diverse forme.

 

Cea de-a treia grupă este formată din termistorii fabricaţi prin depunerea unui strat semiconductor pe un substrat de sticlă, alumină, etc. Acest tip de senzori se folosesc în special pentru senzorii integraţi

Senzori termoelectrici de contact (termocuplul). Senzori termoelectrici de contact sunt denumiţi termocuple deoarece pentru a face un senzor este nevoie de cel puţin doi conductori de natură diferită.Principiul de funcţionare a senzorilor termoelectrici generatori (termocupluri) are la bază efectul termoelectric direct (efect Seebeck), care constă în apariţia unei tensiuni termoelectromotoare într-un circuit format din două conductoare de natură diferită, atunci când cele două joncţiuni se află la temperatură diferită.

Bolometrul este un instrument sensibil folosit pentru a masura diferente mici de temperatura.Functioneaza prin inregistrarea schimbarilor in rezistenta electrica a unui fir expus la caldura sau lumina. Se pot folosi pentru a masura energia termica la distanta, de exemplu in sistemele de cercetare si ghidare in infrarosu sau in astronomie pentru masurarea temperaturii stelelor. Functionarea este asigurata de o punte Wheatstone alcatuita din doua lamele subtiri de platina. Una dintre ele este innegrita si expusa razelor de caldura. Cea mai mica crestere a temperaturii mareste rezistenta electrica a lamelei. Diferenta rezistentelor celor doua strica echilibrul puntii, aceasta putand fi masurata cu un aparat de masura electronic si folosita pentru calculul temperaturii.A fost inventat in 1880 de fizicianul american Samuel P. Langley, care a incercat realizarea unui instrument mai eficient decat termopila (un grup de termocuple folosit pentru masurarea radiatiei caldurii).

Senzori de temperaturaUn senzor de temperatură de contact tipic va fi format din următoarele părţi componente:1. Un element senzitiv – un material ce-şi modifică proprietăţile in funcţie de temperatură. Materialul trebuie să aibă căldură specifică mică, conductivitate termică ridicată, senzitivitate mare la temperatură şi o bună predictibilitate.2. Contactele sunt fire sau plăci (pad) conductive ce asigura interfaţa dintre elementul senzitiv şi circuitul electronic exterior. Contactele trebuie să aibă o conductivitate termică şi o rezistenţă electrică cât mai mică. În general se folosesc şi pentru susţinerea senzorului.3. Un strat protector ce separă fizic elementul senzitiv de mediul exterior. Materialul protector trebuie să aibă rezistenţă termică mică, să fie un bun izolator electric şi să fie impermeabil.Un senzor de temperatură de tip noncontact se aseamănă în principiu cu senzorii de tip contact, excepţie făcând modul de transfer a căldurii: la senzorii de tip contact transferul se face prin conducţie termică, în timp ce la cei de tip noncontact transferul se face prin radiaţie termică figura 2.54.