Termotehnică

1. Generalităţi

Termocuplul reprezintă un mijloc de măsurare a temperaturii, cu o răspândire largă în industrie şi cercetarea ştiinţifică, acolo unde temperatura constituie cauza şi efectul diferitelor procese. Larga răspândire a acestui mijloc de măsurare a temperaturii este condiţionată de avantajele pe care le oferă în comparaţie cu alte mijloace de măsurare a temperaturii, şi anume:

- are o construcţie relativ simplă şi un preţ scăzut;

- asigură măsurarea temperaturii într-un interval foarte mare (-200…3000oC);

- poate fi conectat la diferite dispozitive indicatoare, înregistratoare, semnalizatoare sau de comandă;

- poate fi folosit şi la măsurarea temperaturii aerului sau a gazelor, sau a oricărui alt mediu care nu radiază o cantitate suficientă de energie ca să poată fi măsurată prin metodele pirometriei optice;

- permite măsurarea temperaturii la distanţă.

Dintre dezavantaje se pot menţiona:

- îmbătrânirea termocuplului datorită folosirii lui la măsurarea unor temperaturi foarte apropiate de temperaturile punctelor de topire ale materialelor din care sunt confecţionaţi termoelectrozii;

- variaţia temperaturii joncţiunii de măsurare faţă de temperatura de măsurat, în special la măsurarea temperaturilor de suprafaţă sau în cazul când conducţia termică de la joncţiunea de măsurare, prin termoelectrozi, este apreciabilă;

- imposibilitatea folosirii termocuplului la măsurarea temperaturii corpurilor în mişcare (numai în cazul folosirii unor dispozitive speciale);

- necesitatea existenţei unui echipament auxiliar pentru măsurarea tensiunii termoelectomotoare (t.t.e.m.).

2. Principii şi legi care stau la baza funcţionării termocuplurilor

Măsurarea temperaturii cu ajutorul termocuplurilor este bazată pe utilizarea fenome¬ne¬lor termoelectrice. Considerentele teoretice cu privire la circuitele termoelectrice se bazează pe legi fenomenologice, care explică mai mult partea calitativă decât cea cantitativă a fenomenului.

Tensiunea termoelectromotoare care apare în circuitul unui termocuplu format din doi conductori omogeni, de natură diferită, este rezultatul unei acţiuni concomitente a două efecte. Acestea sunt efectul Thomson şi efectul Seebeck.

2.1 Efectul Thomson

Dacă extremităţile unui conductor omogen a sau b (figura 1) se află la temperaturi diferite T1 şi T2, (T1 > T2), diferite porţiuni din conductori se află la diverse temperaturi T, (T1< T< T2). Odată cu creşterea temperaturii conductorului, concentraţia pe unitatea de volum a purtătorilor de sarcină liberă (în metale, electronii liberi) creşte. Purtătorii de sarcină se mişcă din locurile cu concentraţie mai mare către locurile cu concentraţie mai mică, adică de la capătul cald al conductorului către cel rece. Capătul rece se încarcă negativ, iar cel cald pozitiv.

Tensiunea termoelectromotoare care se dezvoltă la capetele conductorului omogen, se numeşte tensiunea termo¬electromotoare Thomson. Aceasta depinde de natura conductorului şi de mărimea diferenţei de temperatură. Valoarea acestei tensiuni, pentru un conductor dat a, se determină cu relaţia:

unde este coeficientul Thomson pentru conductorul a. În cazul circuitului închis, format din doi conductori omogeni de natură diferită a şi b, tensiunea termoelectromotoare totală Thomson, care apare în acest circuit, va fi egală cu diferenţa dintre cele două tensiuni care apar în fiecare ramură:

2.2 Efectul Seebeck

Acest efect constă în faptul că la locul de contact al celor doi conductori a şi b apare o tensiune termoelectromotoare. Cauza apariţiei acestei tensiuni se datorează concentraţiei diferite a purtătorilor de sarcină din cei doi conductori şi diferenţei de potenţial care apare ca urmare a contactului dintre aceştia (efectul Volta). Într-un circuit cum este cel din figura 1, tensiunea termoelectromotoare Eab(T1), care apare la joncţiunea cu temperatura T1, va avea semnul opus tensiunii termoelectromotoare Eab(T2), care apare la joncţiunea cu temperatura T2 şi va diferi ca mărime.

Tensiunea termoelectromotoare care apare în circuit se determină cu expresia:

Tensiunea termoelectromotoare totală (t.t.e.m.), pentru un cuplu dat, depinde numai de valorile temperaturilor absolute T1 şi T2 şi se poate exprima prin relaţia:

Dacă una din temperaturi, T1 spre exemplu, este constantă (T1 = T0), joncţiunea corespunzătoare se numeşte „de referinţă” (denumită şi sudură rece), cealaltă devenind joncţiune de măsurare (denumită şi sudură caldă). În aceste condiţii, tensiunea termoelectromotoare totală (E) va fi o funcţie numai de temperatura joncţiunii de măsurare, T2= T:

relaţie care stă la baza măsurării temperaturii cu ajutorul termocuplurilor. Cunoscând f(T), sub forma unei curbe sau a unui tabel, măsurarea temperaturii T se reduce la măsurarea tensiunii termoelectromotoare E.

Folosirea termocuplurilor la măsurarea temperaturii necesită existenţa unor mijloace de măsurare a t.t.e.m. corespunzătoare preciziei impuse de procesul de măsurare. Există două tipuri de mijloace de măsurare a t.t.e.m. şi anume: milivoltmetrele şi potenţiometrele. Prima categorie se foloseşte pentru măsurări industriale care nu necesită precizii mai bune de 1,5…2,5%. A doua categorie se foloseşte atât în măsurări industriale, cât şi în laboratoare unde sunt necesare precizii până la 0,001%.

Milivoltmetrele pot avea scala exprimată în oC pentru fiecare tip de termocuplu. Ele pot fi indicatoare, regulatoare sau înregistratoare de temperatură. Circuitul unui ansamblu termocuplu – milivoltmetru are rezistenţă proprie, care trebuie menţinută cât mai constantă. Numai în aceste condiţii, conform legii lui Ohm, curentul va fi proporţional cu t.t.e.m. generată de termocuplu. Acest ansamblu de măsurare mai cuprinde: cablu de prelungire, cutie termostată sau montaj de compensare a influenţei variaţiei temperaturii joncţiunii de referinţă, conductoare de prelungire etc.