Metode de măsurare şi senzori de temperatură

Temperatura este una dintre cele mai des măsurate mărimi fizice. Datorită diversităţii enorme de cerinţe şi aplicaţii legate de măsurarea temperaturii, s-a ajuns la situaţia actuală, în care este disponibil un număr foarte mare de senzori, traductoare şi echipamente de măsură. O dificultate tot mai mare prezintă nu atât măsurarea în sine, cât alegerea corespunzătoare a senzorului (traductorului) şi a echipamentului de măsură.

Senzorul poate fi ales pe baza următoarelor criterii:

• intervalul nominal al temperaturilor de lucru,
• sensibilitatea şi liniaritatea caracteristicii de transfer,
• repetabilitatea parametrilor senzorilor,
• precizia de măsurare,
• proprietăţile dinamice (constanta de timp),
• tipul de ieşire (analogică sau digitală),
• complexitatea circuitelor traductorului şi echipamentului de măsură.

Majoritatea instrumentelor de măsurare a temperaturii existente pot fi clasificate ca: termometre de contact cu dilatare, traductoare electrice şi traductoare optice fără contact. Metodele de contact destinate măsurării necesită schimbul de căldură între obiectul măsurat şi circuitul termometrului, prin urmare sunt metode invazive, spre deosebire de metodele optice.

Termometrele cu dilatare

Termometrele cu dilatare constituie cea mai veche grupă de echipamente de măsurare a temperaturii. În majoritatea instrumentelor, este utilizat fenomenul dilatării termice:

• în termometrele cu capilar este folosit un lichid (mercur, alcool);
• termometrele cu bimetal folosesc compozite metalice cu dilatări extrem de diferite (aliaje fier-nichel, crom-nichel/porţelan, invar);
• termometrele manometrice folosesc modificarea presiunii lichidului, gazului/vaporilor, determinată de dilatarea termică.

Intervalele de măsură ale termometrelor tehnice și de laborator sunt disponibile între -50°C și +200°C, iar rezoluţia de măsurare nu este mai mică de 0,1°C. Instrumentele speciale permit măsurarea între -100°C şi 400°C.

Termometrele de acest tip sunt folosite din ce în ce mai rar, însă sunt caracterizate de o mare stabilitate, nu necesită alimentare electrică şi sunt rezistente la factorii de mediu. În plus, datorită experienţei îndelungate în construirea şi utilizarea acestor termometre, ele sunt considerate în continuare termometre valoroase etalonate, de referinţă şi de laborator.

Termometrele electrice

Cele mai răspândite metode de măsurare a temperaturii sunt metodele electrice bazate pe senzori pentru modificările de:

• rezistenţă,
• mobilitate a purtătorilor de sarcină electrică,
• concentraţie a purtătorilor, determinate de modificările de temperatură.

Senzorii de temperatură amintiţi sunt clasificaţi, în general, ca:

• termoelectrici, denumiţi şi termocupluri (sunt senzori generatori şi nu necesită alimentare),
• rezistivi şi semiconductori (pasivi, iar pentru măsurarea temperaturii prin metode electrice este necesară alimentarea).

Majoritatea termometrelor electrice existente sunt bazate pe senzori rezistivi (în engleză RTD) sau senzori termoelectrici (în engleză TC). Ambele grupe de senzori au fost standardizate conform standardelor europene.

Standardul EN 60584 defineşte caracteristicile şi parametrii metrologici ai senzorilor termoelectrici, iar standardul EN 60751 defineşte proprietăţile fizice, metrologice şi constantele parametrice ale senzorilor rezistivi, cu platină.

Senzorii tip termistor nu sunt descrişi de standarde, însă reprezintă un grup important, datorită preţului redus şi sensibilităţii foarte mari de măsurare a temperaturilor din domeniul comercial.

• Senzorii rezistivi RTD

folosesc modificarea rezistenţei materialului declanşată de schimbările de temperatură. Materialul termorezistiv cel mai des folosit este platina (Pt), însă există termorezistoare fabricate din nichel (Ni) sau cupru (Cu). Senzorii standardizaţi sunt disponibili ca Pt100, Pt500 sau Pt1000, ceea ce înseamnă că rezistenţa lor nominală la temperatura de 0ºC este de 100Ω, 500Ω, respectiv 1000Ω. Având în vedere că senzorii RTD sunt consideraţi cei mai precişi, precizia lor de măsurare este standardizată şi determinată prin clasa A sau B. În practică, se întâlnesc şi alte clase de precizie: AA, C, ⅓B sau 1/10B (Tabelul 1).

Tabelul 1. Lista claselor de precizie (toleranţelor parametrice) ale senzorilor RTD.

Măsurarea temperaturii cu ajutorul senzorilor RTD are loc într-unul dintre cele 4 circuite de măsurare (Fig. 1). Pentru senzorii din clasa A este recomandat un circuit cu compensare completă sau parţială.

Fig. 1. Circuitele de conexiuni ale senzorilor RTD

Curentul de măsură recomandat care trece prin senzorii RTD nu trebuie să depăşească 1mA, din cauza autoîncălzirii senzorilor. În practică, surse de curent stabile, monolitice cu valori de 100 µA ÷ 400 µA, cu un coeficient de sensibilitate a platinei standardizat αPt=0,00385 Ω/ºC, asigură o cădere de tensiune suficientă pe Pt100 pentru a putea utiliza în sistemul de măsurare traductoare analogic-digitale standard cu rezoluţii între 16 şi 24 biţi.

• Senzorii termistor

sunt o variantă a termorezistoarelor realizate din aliaje metalo-ceramice cu coeficienţi de temperatură ridicaţi. Se diferenţiază senzorii NTC cu coeficient de temperatură negativ, în care creşterea temperaturii determină scăderea rezistenţei senzorului şi termistorii de tip PTC cu coeficient de temperatură pozitiv. Termistorii sunt caracterizaţi de o sensibilitate ridicată, în intervalul 50°C ÷ 125°C. Cu toate acestea, într-un interval extins de temperaturi, au caracteristici de măsurare puternic neliniare, ceea ce face dificilă conversia modificărilor de rezistenţă în temperatură şi scade precizia de măsurare. Circuitele de alimentare şi cele de măsurare sunt identice cu cele ale senzorilor cu platină RTD.

• Senzorii termoelectrici

se bazează pe efectul Seebeck, care constă în apariţia unei forţe termoelectrice într-un circuit electric în care se află două joncţiuni din metale sau aliaje de metal. Valoarea forţei depinde de diferenţa dintre temperaturile joncţiunilor şi de tipul acestora. Sudura caldă este joncţiunea de măsurare, iar capetele libere ale conductoarelor creează punctul de referinţă (Fig. 2).

Fig. 2. Idee de senzor termoelectric

Valoarea forţei termoelectrice depinde de diferenţa dintre temperaturi şi de valoarea coeficienţilor Seebeck ale metalelor care compun joncţiunea de măsurare a termoelementului. Pentru a obţine o măsurare precisă, în practică se realizează compensarea (în engleză CJC) modificărilor de temperatură ale capetelor libere ale termoelementului printr-o măsurare suplimentară a temperaturii T2. Măsurarea este efectuată în locul joncţiunii de referinţă şi pentru aceasta se va folosi un termorezistor, un termistor sau o altă joncţiune de termocuplu.

Alegând în mod corect materialele joncţiunii, se poate obţine o sensibilitate corespunzător de mare, exprimată în mV/°C. În tabelul 2 sunt prezentate cele mai des utilizate configuraţii de metale care alcătuiesc joncţiunile de măsurare ale termocuplurilor şi parametrii electrici ai joncţiunilor unificate în actualul standard EN 60584.

Tabelul 2. Tipurile standard de termoelemente, intervale de măsură, simboluri

Precizia de măsurare a termocuplurilor rezultă din clasa 1 sau 2 şi din intervalul de măsură. În intervalul de bază, precizia senzorilor din clasa 1 este de ±1,5°C. În intervalul de temperaturi între -40°C şi +125°C, termocuplul de tip T (Cu-CuNi) are cea mai mare precizie, de ±0,5°C.

Termometrele optice

Printre senzorii de temperatură se numără şi cei care folosesc fenomenele optice. Cele mai răspândite termometre se bazează pe fibra optică şi pe traductoare pirometrice.

• Termometrele cu fibră optică

cu acţiune indirectă folosesc senzori, montaţi la capătul fibrei optice, semiconductori GaAs, termocromi, fotoluminescenţi şi alţii pentru măsurarea propriu-zisă, iar apoi, prin fibra optică, transmit semnalul de la senzorul de temperatură la traductorul optoelectronic.

În cazul senzorilor cu fibră optică cu acţiune directă, fibra optică are ea însăşi rolul de senzor. Folosind fenomenul de dispersie a luminii, schimbarea indicelui de refracţie sau modificarea cuplajului a două fibre optice, se poate determina temperatura medie a fibrei optice sau chiar distribuţia temperaturii pe o lungime determinată a fibrei optice.

Senzorii cu fibră optică, date fiind proprietăţile specifice, sunt utilizaţi, în principal, ca termometre de înaltă specializare.

Sunt rezistenţi din punct de vedere chimic şi mecanic, nu sunt sensibili la câmpul electric, magnetic, nici la perturbaţiile electromagnetice. Au un interval de măsură potenţial de la -200°C şi chiar până la 2000°C, bune caracteristici dinamice şi posibilitatea de transmisie a semnalului pe distanţe mari.

• Senzorii pirometrici (pirometre)

fac parte din grupa de senzori de temperatură fără contact. Caracteristica importantă a acestora constă în caracterul neinvaziv al măsurării, iar senzorul pirometric nu trebuie să schimbe căldură cu obiectul măsurat pentru a efectua măsurătoarea.

Astfel, nu perturbă câmpul de temperatură în timpul măsurării, iar caracteristicile sale dinamice sunt incomparabil mai bune. Senzorii pirometrici convertesc radiaţia termică (de temperatură), care este emisă de toate corpurile. Intensitatea radiaţiei termice depinde în mod strict de temperatură şi se află, în principal, în domeniul spectral al radiaţiilor infraroşie şi vizibilă.

Senzorii pirometrici se bazează pe circuite optice realizate din lentile, fibră optică şi oglinzi, care pregătesc semnalul optic direcţionat spre detectorii termici sau fotodetectori. Radiaţia termică (lumina infraroşie, vizibilă) poate fi măsurată la o anumită distanţă de obiectul măsurat, pentru că nu este puternic perturbată. De aceea, pirometrele efectuează o măsurătoare a temperaturii la distanţă, în mod punctual. Din păcate, intensitatea radiaţiei termice nu depinde numai şi exclusiv de temperatură. Tipul de material şi proprietăţile fizice ale suprafeţei (netezimea, rugozitatea, oxidarea, coeficientul de reflexie a luminii şi altele) influenţează emisivitatea radiaţiei termice. Capacitatea de radiere termică este determinată de coeficientul de emisivitate. Acest parametru a fost descris pe larg în articolul: Coeficientul de emisivitate – efectul asupra preciziei de măsurare a temperaturii.

Termometrele pirometrice pot efectua măsurări într-un interval de temperaturi cuprins între 50°C şi chiar până la 3000°C. Cea mai mare precizie, la nivelul de 0,5%, este atinsă de pirometrele fotoelectrice şi cu două benzi. Totodată, timpul de măsurare, care le determină caracteristicile dinamice, nu depăşeşte 1 secundă, iar în cazul pirometrelor fotoelectrice se situează între 5 şi 100 milisecunde.

Neajunsul majorităţii termometrelor pirometrice simple, manuale, constă în necesitatea setării emisivităţii în timpul măsurării şi în direcţionarea precisă, perpendiculară a pirometrului pe suprafaţa de măsurat.

Dezvoltarea conceptului de senzori optici fără contact o reprezintă camerele de termoviziune, al căror principiu de funcţionare este acelaşi ca în cazul senzorilor pirometrici punctuali, cu deosebirea că măsoară cu o rezoluţie corespunzătoare distribuţia temperaturii pe suprafaţă.

Compararea caracteristicilor

Dat fiind numărul mare de senzori şi traductoare de temperatură disponibile, alegerea soluţiei potrivite constituie adesea problema fundamentală. Mai jos găsiţi o comparare tabelară a tehnicilor de bază, cele mai frecvente, de funcţionare a senzorilor.

Tabelul 3. Compararea caracteristicilor senzorilor şi traductoarelor de temperatură de bază.

Simboluri pentru importanţa parametrului:

*** mare

** medie

* mică

Rezumat

Printre senzorii de temperatură, în intervalul de temperaturi industrial, de -25°C ÷ 125°C, se remarcă tot mai clar tendinţa actuală de nivelare a preţului atât pentru senzorii, traductoarele de măsurare în sine, cât şi pentru sistemele finite de măsurare şi înregistrare a temperaturii. Termometrele electronice din clasa medie şi înregistratoarele care folosesc termocupluri şi termorezistoare RTD sunt comparabile ca preţ. În acelaşi interval de preţ sunt oferite şi termometrele pirometrice şi camerele de termoviziune simple. Toate tipurile de instrumente de măsură amintite sunt disponibile în oferta AXIOMET.

În cazul în care cresc cu mult precizia de măsurare, dinamica, intervalul de măsură sau rezoluţia de măsurare, are loc şi o creştere bruscă a preţului termometrului. În acest caz, cunoştinţele fundamentale prezentate şi datele referitoare la măsurarea temperaturii sunt necesare pentru a alege în mod corespunzător senzorul.