UNIVERSITATEA “ŞTEFAN CEL MARE” SUCEAVA
FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ
SPECIALIZAREA INGINERIE ECONOMICĂ
-Proiect-
Tip senzor:TERMOCUPLU
Student : Giurcă Ionuţ
Îndrumător : Conf. univ. dr. ing. Dan Milici
1
Cuprins:
1. Tema de proiectare pag. 1
2. Generalitati despre termocuplu pag. 4
3. Schema bloc a traductorului pag. 9
4. Proiectarea blocurilor componente pag. 10
4.1 Alegerea senzorului pag. 10
4.2 Proiectarea circuitului amplificator pag. 11
4.3 Proiectarea circuitului afisor pag. 14
4.4 Proiectarea sursei de alimentare pag. 16
5. Instructiuni de montaj si exploaltare pag. 17
6. Schema electrica pag. 18
6. Bibliografie pag. 18
2
1.Tema de proiectare:
Sa se proiecteze un termometru industrial care sa afişeze temperatura digital si sa
genereze un semnal de tip tensiune proporţional cu temperatura măsurata.
Date de proiectare:
traductor de temperatura;
tip senzor: termocuplu;
temperatura maxima [C]: 120;
temperatura minima [C]: 0;
eroarea maxima: 1%
tensiunea de ieşire maxima [V]: 2;
tensiunea de ieşire minima [V]: 1;
mediul de măsura : vas cu apa;
3
2.Generalitati despre termocuplu
Principiul functionare:
Materialele care puse împreună manifestă efect Seebeck formează un termocuplu.
Într-un fir metalic ale cărui capete se află la temperaturi diferite TA>TB apare o diferenţă
de potenţial electric UAB cauzată de faptul că electronii de conducţie din capătul cu
temperatura mai mare au o energie cinetică mai mare şi vor difuza către capătul mai rece.
În acest fel capătul cald se va încărca pozitiv, iar capătul rece al firului se va încărca
negativ. De remercat că în cazul în care purtătorii mobili de sarcină sunt golurile, sarcini
pozitive, atunci capătul cald se încarcă negativ, iar cel rece pozitiv. Din această cauză
efectul termoelectric sau efectul Seebeck este folosit pentru determinarea tipului de
purtători de sarcină liberi dintr-un semiconductor.
Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.) care apare UAB este direct
proporţională cu diferenţa de temperatură dintre capetele firului:
UAB = VA – VB = S·( TA – TB ), unde S este coeficientul Seebeck, o proprietate a
materialului din care este făcut firul.
În aplicaţiile practice este necesară cunoaşterea următoarelor trei legi referitoare la
utilizarea fenomenelor termoelectrice [3] pentru măsurarea temperaturii: legea circuitului
omogen, legea metalelor intermediare, legea temperaturilor succesive.
1. Legea circuitului omogen. Într-un circuit constituit dintr-un singur metal omogen
nu se poate produce un curent electric numai prin crearea unei diferenţe de
temperatură în circuit. Această lege se mai poate formula astfel: suma algebrică a
forţei electromotoare într-un circuit constituit dintr-un singur metal omogen, cu
sau fără variaţii de secţiune şi temperatură, este zero. Rezultă că în cazul unui
circuit compus din două metale diferite omogene, cu punctele de sudură la
4
temperaturile T1 şi T2 ,diferite, tensiunea electromotoare nu depinde de
distribuţia şi gradientul de temperatură în lungul circuitului.
2. Legea metalelor intermediare. Suma algebrică a tensiunii termoelectromotoare
într-un circuit compus dintr-un număr oarecare de metale omogene şi diferite este
egală cu zero dacă întreg circuitul se află la aceeaşi temperatură. Rezultă că
tensiunea termoelectromotoare a unui circuit compus dintr-un număr de metale
diferite se obţine din suma algebrică a tensiunilor termoelectromotoare
corespunzătoare fiecărui metal faţă de un metal de referinţă. În consecinţă, când
se constituie un termocuplu sudura se poate realiza fie prin sudare directă, fie prin
lipire cu un metal oarecare, care să nu se topească până la temperatura de
utilizare, deoarece elementele componente ale sudurii se găsesc la aceeaşi
temperatură. Din acelaşi motiv când se măsoară temperatura unei băi de metal
topit, conductoarele metalice constituind sudura caldă a termocuplului pot fi
izolate electric între ele. În momentul măsurării prin imersare, metalul topit din
baie realizează contactul electric jucând rolul de metal de lipire a conductoarelor.
Introducând un al treilea conductor în circuitul unui termocuplu, forţa
termoelectromotoare nu se modifică dacă ambele capete ale celui de-al treilea
conductor se găsesc la aceeaşi temperatură.
3. Legea temperaturilor succesive sau intermediare. Tensiunea termoelectromotoare
produsă de un termocuplu alcătuit din metale omogene cu punctele sale de sudură
la temperaturile T1 şi T3 este egală cu suma tensiunilor termoelectromotoare ale
aceluiaşi termocuplu cu punctele de sudură o dată la temperaturile T1 şi T2 şi o
dată la temperaturile T2 şi T3. Această lege îşi găseşte aplicaţii în utilizarea
practică a termocuplurilor.
Termocuplul se compune din două fire din metale diferite, numite termoelectrozi,
sudate la un capăt 1. Capătul sudat se numeşte sudură caldă, iar celelalte capete 2 şi 3,
numite capete libere ale termocuplului, se leagă prin conductoarele de legătură la aparatul
electric pentru măsurarea forţei termoelectromotoare. Legăturile dintre capetele libere şi
5
conductoarele de legătură constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie
menţinută la o valoare constantă.
Deoarece termoelectrozii au o lungime maximă de 200 cm, din care două treimi intră
în cuptorul în care se măsoară temperatura, sudura rece se va găsi totdeauna în apropierea
cuptorului. Acesta fiind la temperatură ridicată, degajă căldură şi creează în jurul lui o
temperatură mai ridicată decât a camerei şi variabilă în timp. Din acest motiv, cât şi
pentru că este incomod să se realizeze sudura rece în imediata apropiere a cuptorului, s-a
căutat să se deplaseze sudura rece în altă parte, unde se poate menţine o temperatură
constantă.
Rezolvarea problemei a fost prelungirea termoelectrozilor cu alte conductoare de
aceeaşi natură, în general chiar din acelaşi material. În felul acesta la contactul dintre
conductoarele de prelungire şi firele termocuplului nu se formează un termocuplu, deci
nu ia naştere forţa termoelectromotoare. Aceste fire se numesc cabluri de compensare şi
sunt complet separate de termocuplu, legătura executându-se numai la montarea
termocuplului. Cablul de compensare are rolul de a muta sudura rece din apropierea
cuptorului într-un loc cu temperatura constantă. Sudura rece se va forma acum la legătura
dintre cablul de compensare şi cablul de legătură.
Termocuplurile se execută din diferite metale sau aliaje. Valoarea tensiunii
termoelectromotoare a diferitelor termocupluri depinde atât de materialul din care sunt
executaţi termoelectrozii, cât şi de temperatura sudurilor calde şi reci. Relaţia dintre
temperatura şi forţa termoelectromotoare se poate exprima printr-o ecuaţie de gradul al
doilea de forma:
în care E este forţa termoelectromotoare rezultantă, atunci când t este temperatura sudurii
calde, iar temperatura sudurii reci este constantă (în general 0°C); a, b şi c sunt trei
constante ale căror valori se determină prin măsurarea tensiunii termoelectromotoare la
temperaturi fixe cunoscute (temperatura de solidificare a stibiului, a argintului şi a
6
aurului). Valoarea constantelor a, b şi c depinde numai de materialul termoelectrozilor
din care s-a executat termocuplul.
Curbele care reprezintă legătura dintre temperatura şi tensiunea
termoelectromotoare se numesc curbe internaţionale. Fiecare tip de termocuplu are curbă
internaţională proprie. Pentru a uşura utilizarea acestor curbe internaţionale valorile
corespunzătoare sunt tabelate.
Condiţii
Materiale întrebuinţate la construcţia termocuplurilor Ca electrozi se utilizează în
special metale şi aliaje, care în afară de faptul că satisfac unele condiţii impuse acestora
dezvoltă în acelaşi timp tensiuni termoelectromotoare relativ mari. Se pot utiliza metale
sau aliaje care satisfac următoarele condiţii:
să aibă o compoziţie omogenă şi constantă; să dezvolte o tensiune termoelectromotoare
stabilă la temperaturi ridicate; curba tensiunii termoelectromotoare în funcţie de
temperatură să fie cât se poate de liniară; să aibă o bună conductivitate electrică;
proprietăţile electrice ale metalului sau aliajului să nu se modifice în urma oxidării; forţa
electromotoare să fie constantă în timp; să fie posibilă fabricarea unor materiale identice
care să asigure intersanjabilitatea termocuplurilor. Cele mai bune termocupluri se caută
pe cale experimentală. Se studiază proprietăţile electrice ale diferitelor metale sau aliaje şi
se selecţionează acelea care satisfac cel mai mult condiţiile de mai sus. Pentru a găsi
combinaţia cea mai bună din punctul de vedere al tensiunii termoelectromotoare
dezvoltate s-a determinat experimental curba tensiune electromotoare în funcţie de
temperatura pentru o serie de metale şi aliaje care formează termocupluri cu platină. S-a
ales platina ca metal de referinţă deoarece ea se poate obţine în stare foarte pură şi are o
mare stabilitate electrică şi chimică. Cele mai răspândite materiale care se întrebuinţează
la executarea conductoarelor pentru termocupluri sunt prezentate în continuare. Platina.
Datorită calităţilor chimice şi electrice, platina (Pt) împreună cu aliajele de platină cu
rhodiu PtRh (10% Rh) constituie un termocuplu de mare precizie. Platina având o mare
stabilitate chimică şi o temperatură de topire ridicată (1769 oC) se întrebuinţează la
7
măsurarea temperaturilor înalte, devenind chiar un instrument etalon pentru măsurarea
acestor temperaturi. Termocuplul platină-platină rhodiu măsoară temperaturi între 0 şi
1600°C. Se mai obişnuieşte formarea termocuplului platină cu platin-iridiu (10% Ir).
Platina trebuie ferită însă de carbon, hidrogen şi vapori de metale, care au efecte
dăunătoare asupra ei. În mod special trebuie evitată utilizarea platinei în atmosferă
oxidantă sau reducătoare în care se găsesc oxizi metalici.
Avantaje:construcţie simplă şi preţ de cost redus
Dezavantaje:fenomenul de imbatranire a metalelor in cazul utilizării la
temperaturi apropiate de temperatura de topire a electrozilor;imposibilitatea folosirii la
corpurile aflate in miscare;
8
3.Schema bloc a traductorului
Senzorul este elementul sensibil care intra in contact cu mediul de măsura. In
cazul de fata este vorba de un termocuplu care transforma temperatura, o mărime
neelectrica, in tensiune care este o mărime electrica direct măsurabila cu un voltmetru. In
unele variante constructive ale senzorilor este nevoie de circuit adaptor care face legătura
intre senzor si amplificator.
Senzorul Amplificator
Sursa de alimentare
Circuit de afişare
230V~50Hz
Circuit deliniarizare
Circuitul adaptor
UoutU2U1
9
Deoarece semnalul provenit de la senzor este necesara amplificarea semnalului la
o valoare măsurabila de aparatul de măsura.
In cazul in care eroare rezultata din calculele ulterioare este mai mare, este
necesara folosirea unui circuit de liniarizare care face liniarizarea pe porţiuni in funcţie
de cate abateri maxime exista de la eroarea din datele de proiectare. Componentele
electronice folosite la circuitul de liniarizare sunt diode Zener sau normale, si rezistente
folosite pentru limitarea curentului prin diode. Diodele se deschid, adică permit trecerea
unui curent electric in momentul in care diferenţa de potenţial dintre 2 valori succesive
este mai mare decât valoarea tensiunii de deschidere a tipului de dioda folosita.
Astfel tensiunea liniarizata, cu erori sub limita admisa din datele de proiectare,
este primita de circuitul afişor care permite afişarea in mod digital a tensiunii finale,
liniarizata si corecta in funcţie de valoare măsurata a temperaturii.
Orice bloc component, in afara de senzor, are nevoie de alimentare cu tensiune
continua iar aceasta este realizata cu ajutorul unei surse de alimentare care preia de la
reţea 230V tensiune alternativa si cu ajutorul unui transformator si a unei punţi
redresoare se obţin valori ale tensiunii necesare alimentarii fiecărui bloc in parte.
10
4.Proiectarea blocurilor componente
4.1.Alegerea senzorului
Cod : TTC-01.8.01.3.9.1
Simbolizare:
01- Tipul termocuplului: normal;
8- Materialul termoelectrozilor si numarul termoelementelor: fier-constant, 2;
01-Caracteristicile tubului de protectie: D(mm)-14; L nominala(mm) 250;
3-Materialul tubului de protectie: otel, inox;
2- Domeniul temperaturii de lucru:continuu 0-500; intermitent:0-550;
3- Dispozitiv de fixare: flansa,fixa;
9- Lungime de imersie: 100 mm;
1- Climat : normal-temperat.
11
4.2.Proiectarea circuitului amplificator
Temperatura U1[mV] U2[V] Eroarea[% Ui[V]
12
]
0 -2,65 -0,689 0 -0,689
10 -2,13 -0,5538 0,90495 -0,54883
20 -1,6 -0,416 1,794454 -0,40867
30 -1,07 -0,2782 3,612663 -0,2685
40 -0,54 -0,1404 9,402597 -0,12833
50 0 0 100 0,011833
60 0,54 0,1404 7,631579 0,152
70 1,08 0,2808 3,890473 0,292167
80 1,62 0,4212 2,575173 0,432333
90 2,17 0,5642 1,449782 0,5725
100 2,72 0,7072 0,767072 0,712667
110 3,27 0,8502 0,308775 0,852833
120 3,82 0,9932 0,020141 0,993
Circuitul amplificator permite amplificarea tensiunii la o valoare sesizabila de aparatul de
măsura.
Tensiunea ideala de calculează cu formula dreptei in plan care are următoarea
formula:
, unde x este temperatura T iar y este tensiunea
reala U2 si se ajunge la formula de mai jos:
13
14
4.3 Proiectarea circuitului afişor
Circuitul afişor este de tipul LCD (cristale lichide) care permite afişarea digitala a
semnalului. Circuitul integrat folosit pentru comanda afişorului este de tipul ICL 7106,
circuitul afişor conectându-se la pinii 21 si 25. Alimentarea circuitului integrat se face cu
V- la pinul 26 si V+ la pinul 1.
Funcţionarea ecranelor cu LCD
Cristalele lichide au fost descoperite de Fredreich Rheinizer in 1888. In anii 60 s-a
demonstrat ca stimulate de o diferenţa de potenţial, cristalele lichide pot modifica
proprietăţile luminii care trece prin ele. Ecranele LCD color produse in prezent conţin cristale
lichide (biphenyl) aşezate intre doua staturi de sticla transparenta.
Elementul funcţional al unui ecran LCD este pixel-ul, format dintr-o celula LCD.
Cristalele care formează celula isi schimba polarizarea sub acţiunea unei diferenţe de
15
potenţial electric si modifica cantitatea de lumina care trece prin celula. Daca se modifica
diferenţa de potenţial se modifica si cantitatea de lumina care trece prin celula. Diferenţa de
potenţial este creata printr-un sistem de electrozi. Lumina este generata de o sursa care se afla
in spatele ecranului.
Exista doua metode de a produce imagini folosind celule LCD: metoda segmentelor si
metoda matricii. Metoda segmentelor afişează caractere folosind electrozi de forme specifice.
Metoda matricii afişează caractere si imagini folosind electrozi in forma de puncte.
Metoda electrozilor
Metoda matricii
Metoda segmentelor este este folosita pentru afişaje simple care trebuie sa afişeze
doar caractere. Metoda matricii este folosita pentru afişaje de rezoluţie mare cum este cazul
monitoarelor sau televizoarelor.
16
4.4 Proiectarea sursei de alimentare
Orice componenta electronica, pentru a functiona are nevoie de electrica iar
acest lucru este realizat de sursa de alimentare. Aceasta preia de la retea o tensiune
alternativa de aproximativ 230V si de frecventa de 50HZ, si cu ajutorul unui
transformator si a puntilor redresoare se obtine o valoare mai mica a tensiunii dar
continua.
Condensatorii C1 si C3 au rolul de a oferii un filtraj cat mai bun al tensiunii
provenite de la puntile redresoare. Stabilizarea tensiunilor de alimentare a
amplificatorului se realizează cu circuite stabilizatoare de tipul CI 7815 si a
condensatorilor C2 si C4, iar pentru alimentarea circuitului afisor cu 9V se foloseste
circuitul stabilizator CI 7809.
Datorita faptului ca tipul de senzor este termocuplu si având erori mai mici
decât cea din datele de proiectare nu este necesara folosirea circuitului adaptor si a
circuitului de liniarizare. Astfel sursa este folosita pentru alimentarea circuitului
amplificator cu tensiunile +15V si -15V, respectiv 9V pentru circuitul afişor.
17
7809
+15V
-15V
+9V
5. Instrucţiuni de montaj si exploatare
Termocuplul este destinat măsurării temperaturii in domeniul 0-500°C regim
continuu si 0-550°C regim intermitent, climat temperat.
Termocuplul se compune din următoarele parţi principale:
- termoelectrozi, sudaţi la unul din capete;
- tuburi sau mărgele izolate;
- teaca de protecţie, metalica sau ceramica;
- cutie de conexiuni cu placa de borne ( fisa de conectare ).
Termoelectrozii, constituiţi din materialele fier-constantan, sudaţi la unul din
capete constituie joncţiunea de măsurare; capetele libere constituie joncţiunea de
referinţa.
Tuburile (mărgelele) sunt confecţionate din material ceramic in care se introduc
termoelectrozii pentru ai izola unul de celalalt.
Teaca de protecţie, metalica sau ceramica, protejează termoelectrozii împotriva
şocurilor mecanice sau termice, a influentelor mediilor agresive si pătrunderii umidităţii.
Asigura un bun contact cu mediul de măsura.
Cutia de conexiuni,fixata la capătul tecii de protecţie, prevăzuta cu o placa de
borne (fisa de conectare) din material izolant termic si electric, cu doua borne din
material inoxidabil prin intermediul cărora se face legătura intre termolectrozi si cablul de
prelungire, care are rolul de a deplasa joncţiunea de referinţa intr-o zona in care
temperatura poate fi menţinuta constanta.
Principiul de funcţionare al termocuplurilor se bazează pe efectul termoelectric
care consta in aceea ca in circuitul a doua conductoare de materiale diferite , ale căror
joncţiuni se găsesc la temperaturi diferite, apare o tensiune electromotoare denumita
tensiune termoelectromotoare (t.t.e.m) care variază cu diferenţa dintre temperaturile
celor doua joncţiuni după o lege cunoscuta .
18
Construcţia instalaţiei in care montează termocuplul trebuie sa asigure spaţiu
necesar pentru montare, accesibilitate la cutia cu borne, pentru asigurarea unor intervenţii
rapide in exploatare in caz de necesitate.
Acest termocuplu este fãra dispozitiv de fixare. Montarea lui se executa astfel
încât imersia termocuplului in mediul de măsura sa fie cat mai mare , transferul termic
putându-se a se efectua in condiţii foarte bune.
Montarea termocuplului se efectuează direct in mediul de măsura sau printr-o
teaca suplimentara de protecţie.
Pregătirea pentru punerea in funcţiune si punerea in funcţiune
1) Se verifica integritatea termocuplului.
2) Se verifica corectitudinea îmbinării dintre termocuplu si zona de măsura, se
iau masuri de etanşare suplimentare daca este cazul.
3) Se efectuează conexiunile intre termocuplu si aparatul secundar (înregistrator
sau indicator).
4) Se verifica corectitudinea conexiunilor intre termocuplu si aparatul
înregistrator.
5) Se verifica corectitudinea si funcţionarea termocuplului după indicaţiile date
de aparatul înregistrator.
Reguli de exploatare
1) Termocuplul este conceput, proiectat si executat sa funcţioneze intr-un regim
static de exploatare (montat intr-un punct fix al instalaţiei) ceea ce face ca
exploatarea lui sa fie destul de facila.
2) In timpul exploatării termocuplul se protejează prin orice mijloace posibile
tehnic de intemperii, praf, radiaţii de tot felul (paravane, umbrele, acoperişuri).
Acolo unde acest lucru nu este posibil trebuie executa o verificare periodica a
locului de montaj si îndepărtarea apei, prafului sau mizeriei din apropierea si
de la locul de montaj al termocuplului.
19
3) Termocuplul trebuie protejat de lovituri mecanice cu tărie ridicata, de vibraţii
necontrolate, de modificări bruşte si repetate ale mediului (temperatura si
umiditate). Pentru îndeplinirea acestei reguli utilizatorul poate lua masurile pe
care le considera necesare (plăcute de avertizare, ecrane protectoare,
climatizarea încăperilor unde se montează termocuplurile.
4) Termocuplurile nu se reglează in exploatare.
Defectări posibile si mod de depanare
1) Termocuplul este întrerupt: se înlocuieşte.
2) Termocuplul furnizează semnal eronat:
- se verifica conexiunile cu atenţie atât la termocuplu cat si la aparatul
secundar , se da o atenţie deosebita verificării polarităţii cablului de
prelungire, in cazul neremedierii defectului produsul se înlocuieşte.
- Se extrage termocuplul din mediul de măsura si se verifica integritatea tecii
de protecţie, daca aceasta nu corespunde produsului se înlocuieşte, daca
teaca este intacta dar defectul persista, se procedează ca la alineatul anterior.
3) Termocuplul este un produs din categoria nereparabile.
Reguli de întreţinere
Întreţinerea in exploatare e termocuplurilor se face in acelaşi timp cu întreţinerea
utilajului (cuptor, conducta, motor) pe care sunt montate acestea. Revizia tehnica la
termocupluri se consta in verificarea conexiunilor si a integrităţii cutiei cu conexiuni si
plăcutei cu borne, ea efectuându-se periodic cel puţin o data la sase luni.
6.1 Schema electrica
20
Bibliografie
Întreprinderea de traductoare si regulatoare directe Paşcani, 1989, Termocupluri;
Ciobăniţa, Vasile, Radiorecepţia – mica enciclopedie pentru tineret, Editura Albatros,
1982;
Milici, Dan, Metode moderne de măsurare a temperaturii in industrie, Editura
Universitatii Suceava,2004;
http://ro.wikipedia.org/wiki/Termocuplu
http://www.ack.ro/produse/_docs/carti/termocup.pdf
21
Top Related