APARATE DE MASURA SI REGLARE A TEMPERATURII

APARATE DE MĂSURĂ sI REGLARE A TEMPERATURII

6.1. Scopul lucrarii

Cunoasterea aparatelor de masuraresi reglare a temperaturii utilizate frecvent la încalzirea materialelor metalice.

6.2. Consideratii teoretice

Reusita unui tratament termic, depinde în primul rând de asigurarea unei temperaturi precise. La alegerea aparatelor de masurat temperaturile trebuie sa se tina seama de :

- valoarea maxima a temperaturii de masurat;

- precizia indicatiei aparatului;

- sensibilitatea aparatului la solicitari mecanice;

- sensibilitatea aparatului la actiunea chimica a mediului în care lucreaza;

- distanta la care se face masurarea;

- daca temperatura trebuie numai citita, înregistrata sau eventual reglata dupa un program, etc

În functie de modul cum sunt construite, adica pe baza dependentei dintre temperatura si proprietatile fizico-chimice ale corpurilor, se cunosc :

- aparate care functioneaza pe baza fenomenului de dilatare a corpurilor cu temperatura [termometre cu lichid ( mercur, alcool, etc.), termometre metalice, termometre bimetalice, etc.];

- aparate care functioneaza pe baza variatiei rezistentei electrice cu temperatura (termometre cu rezistenta electrica, termistoare);

- aparate care functioneaza pe baza efectului termoelectric (termocuple, pirometre termoelectrice);

- aparate care functioneaza pe baza radiatiei corpurilor (pirometre cu radiatii);

- aparate speciale (culori termoscopice, fototermometre, indicatoare piroscopice, indicatoare fuzibile, etc).

În general, orice aparat pentru masurarea temperaturii se compune din doua elemente distincte: traductorul de temperatura si aparatul indicator.

Prin traductor de temperatura se întelege elementul sensibil care transforma variatia de temperatura în variatia unei alte marimi (lungime, presiune, rezistenta electrica, tensiune electrica, etc).

Prin aparat indicator se întelege elementul care poseda o scara gradata si un reper indicator.

În tratamente termice cele mai uzitate aparate pentru masurarea temperaturilor sunt: termometrele metalice, termometrele cu rezistenta electrica, termocuplele si pirometrele.

6.2.1. Termometre metalice

Principiul de functionare al termometrelor metalice se bazeaza pe variatia dimensiunilor liniare ale corpurilor solide în functie de variatia temperaturii lor. Din aceasta cauza ele se mai numesc si termometre metalice cu dilatare.

Termometrele bazate pe dilatarea corpurilor solide sunt folosite relativ rar la masurare.

În fig.6.1 sunt redate schemele de principiu a doua termometre metalice cu tija. Termometr 636y244g ul din fig.6.1.a se compune dintr-un tub metalic (1) închis la partea inferioara si comunicând la capatul opus cu carcasa dispozitivului de închidere. În acest tub se gaseste central o tija metalica mai groasa (2), cu conductivitate termica si coeficient de dilatatie mari. La partea inferioara, tija este prinsa solidar de tub, iar la partea superioara este fixata de un sector dintat.

Întreg tubul, împreuna cu tija se introduc în mediul a carui temperatura se masoara. La aceasta temperatura, tija se dilata si prin sectorul dintat actioneaza asupra acului indicator. Scara termometrului este gradata în grade Celsius. Pentru reglarea temperaturii, termometrul este prevazut cu un reper de fixare a temperaturii dorite si un dispozitiv de decuplare a curentului electric de alimentare a cuptorului, când temperatura scade cu câteva grade. Precizia de masurare si reglare este de 5 °C.

a.  b.

Fig. 6.1. Termometre metalice

În fig.6.1.b este reprezentat schematic un alt tip de termometru metalic cu dilatare. Acesta se compune din tubul (1), confectionat dintr-un metal cu coeficient de dilatare liniara mare. În interiorul acestui tub se afla tija (2), executata dintr-un metal cu coeficient de dilatare liniara mic. Pentru temperaturi mai mari (peste 500 °C) aceasta tija poate fi confectionata dintr-un material ceramic. Capatul superior al tubului este fixat de flansa (3), unde se afla mecanismul de transmitere a miscarii. Tija se reazema cu un capat pe busonul (4), iar celalalt se sprijina pe pârghia (5), care se poate roti în jurul axei (6). Pârghia (5) este apasata pe tija (2) cu ajutorul arcului (7). Prin intermediul pârghiei (8) se pune în miscare acul indicator (9).

Tubul termometrului se introduce complet în mediul a carui temperatura se masoara. La cresterea temperaturii tubul se dilata, lungindu-se mai mult decât tija, care datorita fortei de apasare a arcului (7) se deplaseaza în jos, imprimând acului indicator o miscare corespunzatoare.

6.2.2. Termometre cu rezistenta electrica

Termometrele cu rezistenta electrica se utilizeaza pe scara larga la masurarea temperaturilor cuprinse între -200 °C si +600 °C. Ele constau în esenta dintr-un rezistor cu variatia rezistentei în functie de temperatura cunoscuta. Asadar, prin masurarea valorii rezistentei se poate afla temperatura sa si deci aceea a mediului în care se afla.

Dependenta dintre temperatura si rezistenta se exprima prin cunoscuta relatie :

(6.1)

Cunoscându-se si , se poate calcula usor valoarea temperaturii, masurând printr-o metoda oarecare rezistenta

Materialele destinate confectionarii rezistoarelor pentru aceste termometre trebuie sa satisfaca urmatoarele conditii :

- coeficientul de temperatura al rezistentei sa aiba o valoare mare ;

- curba de variatie relativa a rezistentei cu temperatuta sa fie uniforma ;

- rezistivitate mare ;

- compozitia chimica si structura metalului sa fie constante, metalul nu trebuie sa se oxideze sau sa reactioneze cu mediul înconjurator.

Metalele care satisfac cel mai bine aceste conditii sunt platina, cuprul, nichelul si fierul.

Termometrul cu rezistenta (fig.6.2) se compune din: rezistorul termometrului (traductorul propriu-zis) (1), conductoarele de legatura (2), sursa electrica (3), aparatul electric de masurat variatia rezistentei (4).

Fig. 6.2. Termometrul cu rezistenta Fig. 6.3. Forme constructive

ale rezistorului

Rezistorul este de fapt o bobina înfasurata pe un schelet oarecare. Materialul scheletului trebuie sa fie un bun izolator electric (mica, cuart, portelan, sticla, mase plastice).

În fig.6.3 se redau câteva forme constructive ale elementului sensibil. Elementul sensibil se introduce într-o manta de protectie, care la rândul ei se afla într-un tub metalic care nu difera de cel pentru termocupluri.

Pentru masurarea variatiei rezistentei trebuie ca elementul sensibil sa fie strabatut de un curnt electric constant. Se întrebuinteaza o sursa de curent continuu cu tensiunea de 4 -12V.

Aparatele electrice de masurat variatia rezistentei trebuie sa fie simple, robuste si sa poata fi gradate direct în grade. Aceste aparate sunt: puntea Wheatstone echilibrata, puntea Wheatstone neechilibrata, logometrul.

Termometre termoelectrice (termocupluri)

Functionarea termocuplurilor se bazeaza pe efectul termoelectric. Acesta consta în aceea ca, într-un circuit închis format din doua conductoare din metale sau aliaje diferite, ia nastere un curent electric, daca cel putin doua puncte de sudura au temperaturi diferite. Punctul de legatura numit sudura calda se amplaseaza în mediul caruia i se masoara temperatura, iar celalalt punct numit sudura rece, este de fapt înlocuit cu aparatul de masura.

Partea sensibila la temperatura a termocuplului, perechea de conductoare, consta din doua fire sau benzi de metale diferite sudate la un capat.

Daca se încalzeste locul de sudura al acestora, la capetele lor libere apare o tensiune continua, a carei valoare depinde de felul metalelor si de diferenta de temperatura dintre punctul de sudura încalzit si capetele reci.

Materialele care servesc la fabricarea termocuplelor trebuie sa satisfaca urmatoarele conditii :

- sa aiba o tensiune termoelectrica cât mai mare ;

- tensiunea termoelectrica sa fie proportionala cu temperatura si invariabila în timp ;

- sa aiba o buna conductibilitate electrica ;

- proprietatile electrice ale materialului sa nu se modifice în urma oxidarii, etc.

În tabelul 6.1 se indica materialele mai des utilizate la confectionarea termocuplurilor.

Tabelul 6.1.

Tabelul 6.1 (continuare)

În fig.6.4 este prezentat ansamblul unui termocuplu. Termoelectrozii (1) montati în vergeaua izolatoare (3) sunt sudati la un capat, formând sudura calda (2).

Bornele montate în izolatorul (4) servesc la montarea în circuitul de masura. Termoelectrozii si izolatorul sunt montati în teaca protectoare (5) confectionata din oteluri refractare sau material ceramic.

Cutia metalica (6) serveste la fixarea tecii si a capetelor libere ale termoelectrozilor. Circuitul mai cuprinde cablurile de compensatie (7), o rezistenta (8), cabluri de legatura (9) si milivoltmetrul (10).

Deoarece termocuplul masoara diferente de temperatura si aparatul trebuie sa indice direct temperatura punctului în care se face masuratoarea, este necesar un punct de comparatie, cu temperatura cât mai constanta. Capul termocuplului nu îndeplineste aceasta conditie, deoarece în majoritatea cazurilor este încalzit de catre obiectul a carui temperatura se masoara. De aceea, capetele libere ale termocuplului se prelungesc cu asa numitele "cabluri de compensatie" pâna la un punct cu temperatura suficient de constanta.

În general cablurile de compensatie se fac din aceleasi materiale ca si termocuplul, cu exceptia termocuplului PtRh-Pt pentru care cablul de compensatie se executa din Cu-CuNi si a termocuplului cromel-alumel cu cablu de compensare din cupru-constantan.

Aparatul de masura al termocuplelor este milivoltmetrul. Cadranul milivoltmetrelor este gradat direct în grade Celsius. Tot pe cadran se indica si sistemul electrozilor pentru termocuplul la care se conecteaza. Milivoltmetrele pot fi indicatoare sau indicatoare si termoregulatoare.

În tabelul 6.2 se indica cele mai utilizate sisteme de termocuple.

Tabelul 6.2

4. Pirometre cu radiatie

Orice corp emite prin radiatie o cantitate de energie calorica, aceasta fiind mai mica sau mai mare, în functie de temperatura corpului. Se cunoaste faptul ca energia calorica se transmite sub forma de radiatii electromagnetice, si ca lungimea de unda a radiatiei caracterizeaza intensitatea energiei radiate. De exemplu, corpurile sub 500°C emit energie calorica sub forma de raze infrarosii invizibile, care au o lungime de unda mare.

Cresterea temperaturii provoaca aparitia unor radiatii calorice vizibile, cu lungimea de unda mai mica, datorita carora corpul devine incandescent. Deci, la temperaturi înalte, gama lungimilor de unda prin care corpul emite energie calorica este foarte întinsa, energia radiata pentru o anumita lungime de unda fiind diferita de energiile radiate pentru celelalte lungimi de unda. Cu alte cuvinte, energia totala radiata de un corp incandescent este compusa dintr-o suma de energie radiate pe diferite lungimi de unda. Asadar, se poate trage concluzia ca energia radiata de un corp poate fi examinata pe doua cai, fie masurând energia radiata pentru toate lungimile de unda, fie masurând numai energia radiata pe o anumita lungime de unda.

Aparatele care servesc la masurarea temperaturilor înalte se bazeaza pe observatiile de mai sus si se numesc pirometre cu radiatie. Dupa principiul lor de functionare ele se împart în :

- pirometre cu radiatie totala ;

- pirometre optice cu disparitia filamentului (cu radiatie partiala ) ;

- pirometre fotoelectrice, etc.

a)     Pirometre cu radiatie totala

Principiul pe care se bazeaza functionarea pirometrelor cu radiatie totala este dezvoltarea unei forte termoelectromotoare datorita energiei radiate.

În fig.6.5 se reprezinta schema unui pirometru cu radiatie totala.

În corpul (1) al pirometrului se deplaseaza tubul obiectiv (2) cu lentila (3) si diafragma (4). Tubul ocular (5) este tot telescopic si este prevazut cu lentila ocular (6). Pentru protejarea ochiului observatorului, aparatul este prevazut cu un filtru (7) care se interpune pe axul optic la masurarea temperaturilor înalte.

La reglarea corecta a sistemului optic, energia radiata de corpul incandescent este concentrata asupra termocuplului (8) aflat pe axul optic. Conductorii de iesire ai termocuplului sunt legati la un milivoltmetru (9) care poate fi indicator, înregistrator sau regulator.

Aceste pirometre se pot construi în mai multe variante : portative, fixe, cu aparatul indicator încorporat sau separat, cu obiectiv sau cu oglinda, etc.

Frecvent, în locul termocuplului (8) se monteaza o termobaterie formata din mai multe termocupluri (de la 4 la 50), de obicei cromnichel-constantan, legate în serie. Termobateria este introdusa într-un balon de sticla în care s-a facut vid sau a fost umplut cu un gaz inert.

Sudurile calde ale termocuplurilor sunt fixate pe o placa subtire de platina, care este înnegrita cu negru de fum spre sursa de radiatie, pentru o mai completa absorbtie a radiatiilor incidente. Sudurile reci se afla în soclul balonului si sunt protejate de actiunea radiatiilor. Balonul de sticla este protejat de un învelis metalic, care are doua orificii pentru vizare, situate în peretii laterali, de-a lungul axei optice.

La masurare se vizeaza chiar suprafata piesei, fie o piesa de tip pahar din carborund, montata în peretele cuptorului. Aceste pirometre se utilizeaza si la masurarea temperaturii bailor de saruri sau metale topite, vizându-se suprafata libera a acestora.

b)     Pirometre optice cu disparitia filamentului

În fig.6.6 este prezentata schema unui pirometru optic cu disparitia filamentului (cu radiatie partiala ).

El se compune dintr-o parte optica si o parte electrica. Partea optica cuprinde obiectivul (1), ocularul (2), filtrul rosu (3), filtrul cenusiu (4). Partea electrica este formata din lampa pirometrica (5) al carei filament se gaseste pe axa optica, o rezistenta variabila (6), un miliampermetru (7) si o sursa de tensiune (8).

Fig. 6.6. Pirometru cu disparitia filamentului  Fig.6.7. Stralucirea filamentului

Razele incidente sunt focalizate de catre obiectiv pe filamentul lampii si apoi dirijate prin filtre, catre obiectiv si ochiul observatorului. Filtrul cenusiu serveste la extinderea domeniului de masurare si se introduce numai la nevoie. Cu ajutorul rezistentei variabile se regleaza intensitatea curentului din circuitul lampii si deci incandescenta, respectiv stralucirea filamentului.

Masurarea temperaturii se face în felul urmator: se închide circuitul electric al lampii si se vizeaza suprafata incandescenta a corpului a carui temperatura se masoara. Prin modificarea curentului de încalzire se regleaza stralucirea filamentului pâna când acesta dispare pe fondul corpului incandescent (fig.6.7). În momentul când filamentul se pierde pe fondul câmpului vizual, temperatura se citeste pe aparatul indicator. În acest caz, daca coeficientul de absorbtie al filamentului este egal cu cel al corpului, temperaturile lor sunt egale, iar temperatura filamentului se poate calcula. Astfel, aparatul electric poate fi gradat direct în grade Celsius.

Însa lampa de temperatura are puterea de emisie si coeficientul de absorbtie mari (asemanatoare corpului negru), iar diferitele corpuri ale caror temperaturi se masoara, au diferiti coeficienti de absorbtie. Aceasta înseamna ca masurarea temperaturii la aceste corpuri va fi întotdeauna afectata de erori, a caror valoare va fi functie de coeficientul de absorbtie. Pentru a elimina aceste erori se face, dupa citirea temperaturii, pentru fiecare corp o corectie de temperatura care depinde de coeficientul de absorbtie al corpului (

În tabelul 6.3 sunt dati coeficientii de absorbtie ai unor materiale pentru lungimea de unda a culorii rosu.

Tabelul 6.3.

Domeniul de utilizare al pirometrelor optice este de la 700 °C la 3000 °C. La masurarea temperaturilor peste 800 °C, vizarea se face totdeauna prin filtrul rosu, pentru temperaturi mai joase el poate fi scos din câmpul vizual.

Pentru ca un pirometrul sa poata fi utilizat în diferite domenii de temperatura, cadranul aparatului are doua sau trei scari suprapuse. Citirile se fac pe scara corespunzatoare, la vizarea cu filtre sau respectiv în lipsa acestora.

6.3. Utilaje si materiale folosite

Se vor utiliza aparatele de masurare a temperaturii existente în dotarea laboratorului de tratamente termice.

6.4. Modul de lucru

Studentii vor studia aparatele de masura si reglare a temperaturii descrise în prezenta lucrare si existente în laboratorul de tratamente termice. Se vor identifica partile componente, rolul lor, modul de functionare si modul de utilizare.

6.5. Prelucrarea si interpretarea rezultatelor. Concluzii

Se vor masura temperaturile unor piese si cuptoare încalzite la diferite temperaturi si se vor compara rezultatele obtinute cu diferite aparate.