- Tehnician mecanic pentru intretinere si reparatii - Mijloace pentru masurarea temperaturii

COLEGIUL TEHNIC "LAZAR EDELEANU", PLOIESTI

PROIECT

PENTRU EXAMENUL DE CERTIFICARE A COMPETENTELOR PROFESIONALE- NIVEL 3

Calificare: Tehnician mecanic pentru intretinere si reparatii

TEMA: Mijloace pentru masurarea temperaturii

Cuprins

Justificarea alegerii temei

Capitolul 1  Scari de temperatura

Capitolul 2  Mijloace pentru masurarea temperaturilor

2.1.Clasificarea mojloacelor pentru masurarea temperatur

2.2.Termometru de diltare cu lichid

2.3.Termometre mecanice de dilatare

2.4.Termometre manometrice

2.5.Termometre cu termocupluri

2.6.Termometre cu rezistenta electrica

2.7.Termometre cu radiatii infrarosu

2.8.Termoculori

Capitolul 3 Masurarea energiei termice

Bibliografie

Justificarea alegerii temei

Masurarea temperaturii este importanta, intrucat este unul din parametrii interni termodinamici, care caracterizeaza starea unui fluid.
O serie intreaga de procese tehnologice din industria metalurgica,chimica, constructoare de masini etc. sunt puternic influentate de tempratura, de aceea masurarea cu precizie a acestui parametru are o importanta deosebita.

Lucrarea de fata isi propune evidentierea performantelor diferitelor mijloace de masurare a temperaturii.

Masurarea temperaturii ocupa un loc central in studiul fenomenelor asociate schimbului de caldura.

In primul capitol al aceste lucrari exemplific scarile de masurare a temperaturi numite scari termometrice cum ar fi; scara Celsius, scara Reaumur, scara Fahrenheit si scara Kelvin.

In al doilea capitol sunt prezentate mai multe tipuri de aparate de masurat care au la baza dilatarea volumica, aparitia fortelor termoelectromotoare, variatia rezistentei electrice si variatia intensitatii de radiatie.

Un aparat de masurare a temperaturi este termometru de dilatare cu lichid care poate fi umplut cu mercur, cu alcool sau alta substanta cum ar fi toluene. Termometrele cu mercur sunt folosite pentru masurarea unor temperaturi ridicate in timp ce termometrul cu alcool este folosit pentru masurarea unor temperaturi joase,de obicei fiind folosit in medicina.

Termometrele mecanice de dilatare pot fi cu tija sau bimetalice.Aceste termometre sunt folosite mai putin ca aparate de masurare din cauza preciziei lor scazute, cat mai ales ca element termosensibil pentru compensarea temperaturii asupra indicatiilor altor aparate.

Termometrul manometric functioneaza pe baza variatiei de temperatura a mediului pentru care efectuam ce determina in mod proportional o modificare a presiunii fluidului din interior. Acestea sunt folosite pentru masurarea temperaturii la masini de agregate mobile sau fixe.

Alte aparate pentru masurarea temperaturii sunt termometrele cu termocupluri, termometrele cu rezistenta electrica, termometrele cu radiatii infrarosii si termoculorile.

In capitolul trei am studiat masurarea energiei termice deoarece a fost, este si va fi un necesar al omului de care nu se poate lipsi mai ales pe timpul ierni. Am mentionat componentele unei centrale electrice deoarece aceasta este folosita de catre oameni pentru incalzirea incaperii in care locuiesc si pentru a avea fecvent apa calda.

Capitolul I

Scari de temperatura

Temperatura este marimea fizica fundamentala ce caracterizeaza starea de incalzire a unui corp.

O serie intreaga de procese tehnologice din industria metalurgica, chimica , constructoare de masini etc. sunt puternic influentate de tempratura, de aceea masurarea cu precizie a acestui parametru are o importanta deosebita.

Pentru reperarea temperaturilor era nevoie sa se defineasca doua puncte fixe ca puncte de reper. S-a convenit deci, sa se aleaga doua fenomene simple, usor de reperat si care, in conditii identice, sa se produca intotdeauna la aceleasi valori de temperatura. Fenomenele alese sunt topirea ghetii si fierbera apei, petrecute amandoua a presiunea de 1 atm (760 mm Hg).

La primul femomen se ia in considerare temperatura de echilibru intre ghiata si apa saturate cu aer, rezultata in topire, iar la cel de-al doilea, temperature de echilibru intre apa si vaporii ei, rezultati din fierbere.

Impartindu-se intervalul dintre cele doua puncte fixe de reper intr-un anumit numar de parti egale, se determina o scara de masurare a temperaturii, numita scara termometrica.

Diviziunile unor astfel de scari termometrice si numesc grade si se noteaza cu semnul "s".

1.2.Scara Celsius

Scara international valabila si totodata cea mai raspandita este scara centigrade, adica scara in care punctul de topire a ghetii este notat cu "0", punctul de fierbere a apei este notat cu "100" iar intervalul mentionat este impartit in 100 de parti egale. Aceasta scara este cunoscuta si sub numele de scara Celsius.

1.3.Scara Fahrenheit

Scara Fahrenheit, care, desi incomoda, mai este folosita current in Anglia si SUA, noteaza temperatura la care se topeste gheata cu 32, iar cea la care fierbe apa, cu 212. Intervalul este impartit in 180 de parti egale.

Gradele de temperature sunt denumite dupa numele scarilor. Exista, astfel, grade Celsius(sau grade centigrad), grade Reaumur si grade Fahrenheit. Ele se noteaza :sC, sR, sF .(fig.1)

S-a convenit ca temperaturile aflate sub diviziunea 0 sa fie precedate de semnul "-"(minus), iar cele de deasupra lui 0 cu semnul "+"(plus). Pentru conversiunea intre cele trei scari de temperature se tin seama urmatoarele relatii:

5sC=4sR=9 sF

Raportate la unitate, relatiile de echivalenta au urmatoarea forma"

1sC=0.8sR=1.8sF

1.4.Scara temodinamica absoluta

Scara termodinamica absoluta (scara Kelvin) este tot o scara centigrade, determinate pe baza legilor gazului perfect. Astfel s-a stabilit ca presiunea unui gaz perfect este nula atunci cand temperature la care se afla acel gaz atinge valoarea de

-273.16sC deoarece presiunea nu poate fi mai mica decat 0 (nu exista presiuni negative), se ajunge la concluzia ca -273.16sC este o temperatura limita inferioara, adica o valoare care nu mai poate fi depasita.

Aceasta limita inferioara, sub care temperatura nu mai poate cobari, poarta numele de zero absolute. Sa presupunem ca in loc de 0sC, pe scara centigrade s-ar nota cu 273,16sC temperature la carese topeste gheata. Atunci se schimba scara termometrica, in sensul ca temperaturile, in grade centigrad cresc cu 273.16 si se ajunge la o noua scara, denumita scara Kelvin sau scara termodinamica.

Gradul Kelvin(K) este unitatea fundamentala pentru temperatura in Sistemul international de Unitati de Masura; este unitatea de masura in scara termodinamica in care, pentru punctual triplu al apei, s-a atribuit valoarea numerica exacta de 273.16.

In practica se foloseste gradul Celsius, a carei valoare este egala cu valoarea gradului Kelvin, iar 0 ai scarii Celsius corespunde lui 273,16 a scarii Kelvin. Pentru a se evita confuziile, s-a convienit ca temperaturile sa se noteze cu t in scara centigrade si cu T in scara Kelvin.

Pe baza celor spuse pana acum, se poate vedea ca in cele doua scari-celsius si Kelvin-temperatura de topire a ghetii se noteaza cu 0sC, respectiv cu 273,16k, iar cea de fierbere a apei cu 100sC, respectiv 373,16K.

Legatura intre cele doua temperaturi este data de relatia "T=t+273,16"

O alta scara folosita din ce in ce mai rar, este scara Reaumur, la care temperatura de topire a ghetii este insemnata cu 0, iar cea la care fierbe apa, cu 80. Intervalul este impartit in 80 de parti egale.

Capitolul 2

MIJLOACE PENTRU MASURAREA TEMPERATURILOR

2.1. Clasificarea mijloacelor pentru masurarea temperaturii

Toate proprietatile fizice ale corpurilor depind, intr-o masura mai mica sau mai mare, de tempratura, nu sunt supuse influentei altor factori si se pot masura cu precizie. Proprietatile care corespund acestor conditii sunt: dilatarea volumica(fig.2), aparitia fortelor termoelectromotoare, variatia rezistente electrice si variatia intensitatii de radiatie si ele stau la baza constructiei aparatelor pentru masurarea temperaturilor.

2.2. Termometre de dilatare cu lichid

Functionarea lor se bazeaza pe variatia cu temperatura a lungimii unei coloane de lichid inchis intr-un tub capilar, ca efect al dilatarii lichidului.

Corpuri termometrice

Corpurile termometrice uzuale pentru aceste tipuri de termometre sunt: mercurul, alcoolul etilic, toluenul, pentanul, eterul de petrol, etc. Global, aceste termometre pot masura temperaturi cuprinse intre -190°C si +700°C. Intervalul de temperatura pe care il poate masura un anumit termometru depinde insa de corpul termometric folosit.

Mercurul este cel raspandit corp termometric folosit la termometrele de sticla cu lichid. Avantajele mercurului:

- este usor de obtinut in forma chimic pura

- nu uda sticla

- ramane in stare lichida intr-un interval larg de temperatura (intre -38,86°C si +356,7°C), la presiune atmosferica normala

- are un coeficient de dilatare termica ce variaza foarte putin in functie de temperatura, scara termometrului ramanand aproape liniara pana la +200°C

- are o caldura specifica relativ mica, conferind astfel inertie mica termometrelor cu mercur.

Dezavantajele mercurului:

- are inertie termica mare, care il face inadecvat pentru masuratori ale temperaturii in regim variabil;

- este toxic si are potential de contaminare a mediului, in caz de spargere a termometrului. Unele tari din UE au interzis prin lege folosirea termometrelor de sticla cu mercur pentru uz medical.

Pe langa corpul termometric continut, tubul capilar al termometrelor cu lichid poate fi vidat sau umplut cu un gaz inert (de ex. azot). La termometrele cu mercur ce masoara temperaturi mai mici de +150°C, tubul capilar este umplut cu un azot la presiune normala. La termometrele cu mercur ce masoara temperaturi peste +150°C, tubul capilar este umplut cu azot sub presiune, valoarea presiunii fiind in functie de temperatura maxima pe care o masoara termometrul (poate depasi 20 atm).

Fig. 2 Termometru din sticla cu mercur

Elemente constructive (fig. 3)

Termometrele cu lichid se folosesc in diverse domenii: in industrie, in laboratoare, in medicina etc. Forma si aspectul lor difera in functie de destinatia de utilizare, dar toate prezinta anumite elmente constructive comune:

• Rezervorul cu lichid, de forma cilindrica sau sferica, ce contine lichidul termometric (mercur, toluen, alcool etilic sau alt corp termometric);
• Tubul capilar, aflat in continuarea rezervorului si confectionat din aceeasi sticla ca si acesta;
• Scala gradata, confectionata din sticla mata si fixata in dreptul capilarului;
• Invelisul de sticla ce protejeaza atat capilarul, cat si scala.

Precizia unui termometru este cea mai mica variatie de temperatura pe care o poate masura termometrul. In cazul termometrelor cu lichid, in functie de constructie, precizia de masurare variaza intre 0,01°C si 1 °C.

2.3.Termometre mecanice de dilatare

a)     Termometrul cu tija (fig4) este compus din tubul 1, cu coeficientul de dilatare α1 si din tija 2, cu coeficientul de dilatare α2, mai mare decat α1. Introducand termometrul in mediul a carui temperatura o masuram, tija se va dilate si va deplasa acul indicator pe scara gradate. Diferenta de dilatare optima depoate obtine daca, de exemplu, tubul este din portelan iar tija din aluminiu.

   

b)   Termometrul bimetalic este alcatuit dintr-o lama bimetalica incastrata la

un capat si libera la celalat. Lama se obtine prin sudarea a doua lamele metalice, 1 si 2, cu coeficienti de dilatare diferiti, α2>α1. Prin incalzire, lama se indoiae deorece lamela 2 se alungeste mai mult decat lamela 1. Pe acest principiu se bazeaza functionarea unui termometru bimetalic (fig.6 si 7). Daca termometrul este incalzit lama va tinde sa se indrepte, capatul liber se va ridica, deplasand acul indicator pe scara gradate.

Functionarea acestor aparate se bazeaza pe alungirea relative, sub influenta temperaturii, a doua corpuri solide care au coeficienti de dilatare termica foarte diferiti.

Termometrele mecanice de dilatare sunt folosite mai putin ca aparate de masurare, din cauza preciziei lor scazute, cat mai ales ca elemente termosensibile pentru compensarea temperaturii asupra indicatiilor altor aparate.

   

2.4.Termometre manometrice

Aceste aparate sunt alcatuite din trei parti (fig 8) si anume:

-un tub metallic 1, care se va aseza in mediul a carei temperaturi se masoara;

-un tub capilar flexibil 2, a carei lungime poate atinge pana la 25.30m;

-un aparat cu cadranconstruit pe principiul manometrului cu element elastic

-elementul elastic 3, prin intermediul parghiei 5, actioneaza acul 4 care se deplaseaza pe o scara gradate.

Tubul metallic 1, tubul capilar 2 si elemental elastic 3 sunt umplute cu un fluid (lichid sau gaz).

Functionarea termometrului manometric se bazeaza pe faptul ca, variatia de temperatura a mediului pentru care efectuam  masurarea determina, in mod proportional, o modificare a presiunii fluidului din interior. Variatia de presiune produce deformarea elementului elastic, deformare care este amplificata si transmisa la acul indicator.

Termometrele manometrice sunt folosite pentru masurarea temperaturii la masini si agregate mobile sau fixe.

De asemenea, ele servesc la indicarea temperaturii in cazul cand aceasta marime nu indeplineste un rol principal in functionarea masinii, ci este numai un indicator al bunei functionare.

2.5.Termometre cu termocupluri

Acest tip de termometru functioneaza ca un traductor care transforma variatia temperaturii in variatia unei marimi electrice ce poate fi masurata.

Termocuplurile se folosesc in industrie si in laborator servind la masurarea temperaturii intre -100sC si 1400sC. In cazuri speciale se poate ajunge pana la -200sC si +2000sC. Termoelementele reprezinta senzorii electrici a caror functionare se bazeaza pe fenomenul termoelectric. Daca se realizeaza un circuit (fig.11) din doua conductoare a, b si pentru intervale restranse de temperatura este proportionala cu diferenta de temperatura. In figura 11 este prezentata schema de masurare a temperaturii cu termocuplul.

Fig.11.Schema de masurare cu termocuplu

Senzorul termoelectric trebuie sa aiba o sensibilitate cat mai mare care sa fie constanta pe un interval de temperatura cat mai mare.

Materialele utilizate pentru confectionarea termocuplurilor sunt : aliajul cromel car contine : 90%Ni, 10% Cr,aliajul alumel care contine: 14%Si, 2% Al,0,17% Fe,2% Mn, restul Ni.

In practica insa, corespondenta tensiune termoelectrica-temperatura nu se stabileste prin relatia matematica, ci pe baza tabelelor standardizate care indica aceasta corespondenta din zece in zece grade.

2.6.Termometre cu rezistenta electrica (termorezistente)

Functionarea acestui termometru se bazeaza pe proprietatea unor conductoare electrice de a-si modifica rezistenta electrica odata cu modificarea temperaturii mediului in care se gasesc.

Masurarea temperaturi cu aceste termometre se bazeaza pa convertirea variatiei temperaturii in variatia de rezistenta electrica. Pentru aceasta se folosesc senzori termorezistivi care se bazeaza pe proprietatile conductoarelor si semiconductoarelor de a-si modifica rezistivitatea electrica la variatia temperaturii. In general, rezistivitatea materialelor creste cu cresterea temperaturii, adica prezinta un coeficient de temperatura pozitiv iar rezistivitatea electrolitilor, semiconductoarelor si materialelor izolante scade cu crestera temperaturii.

Senzorii termorezistivi sunt de 2 tipuri: termorezistente si termistoare.

Termorezistentele (fig.13) sunt rezistente realizate din metale pure care prezinta mari variatii ale rezistivitatii cu temperatura.

Fig.13.Termoreistenta

Cele mai folosite metale utilizate pentru realizarea termorezistentelor sunt platina, cuprul si nichelul.

2.7.Termometre cu radiatii infrarosii

Acestea sunt aparate moderne, cu precizii ridicate, concepute sa masoare temperatura la suprafata diferitelor materiale cum ar fi: asfaltul, materiale ceramice, suprafete vopsite, suprafete metallic oxidate, materiale de constructii etc.

In fig.14 este prezentat un termometru cu radiatii. Acesta are afisare digitala a rezultatelor si sistem de vizare foarte precis.

2.8. Termoculori

Pentru masurarea temperaturii pieselor in miscare (biele,manivele) sau a pieselor supuse frecarii (frane,ambreiaje,lagare), precum si a distribuirii temperaturii pe suparefetele intinse ale conductoarelor sau ale carcaselor de motoare, turbine, compresoare etc. se folosesc creioane si vopsele indicatoare de temperatura fig.15.

Substantele indicatoare de temperatura sunt pigmenti care isi schimba culoarea la anumite temperaturi.

Exista substante indicatoare reversibile care isi modifica culoarea la incalzire, dar la racire revin la culoarea initiala si substante ireversibile care, la racire, nu revin la culoarea initiala, ele aratand deci temperatura maxima atinsa de piesa in timpul procesului de incalzire.

Cu ajutorul termoculorilor se mai pot controla operatiile de prelucrare la cald, se poate urmarii temperatura sculelor utilizate la prelucrari mecanice, se controleaza pierderile de caldura prin radiatie la utilaje etc.

Capitolul 3

Masurarea energiei termice

3.1.Masurarea energiei termice

In sistemul international de unitati, energia termica sau cantitatea de caldura este o marime fizica derivata. Potrivit principiului conservariii energiei, enuntat in mecanica, a unui sistem izolat se conserva in decursul timpului,daca frecarile si fenomenele disipative sunt neglijate. Efectuand un bilant energetic in cazul unui sistem ce evolueaza, se observa faptul ca o parte din energia mecanica se transforma in caldura (acelasi lucru se intampla in electricitate cand un resistor primeste energie electrica). Caldura care se manifesta prin modificarea mediului exterior, permite ca energia termica sa fie masurata cu aceeasi unitate de masura ca si energia si lucru mechanic: joule(J).

Initial, ca unitate de masura pentru cantitatea de caldura, s-a utilizat caloria (cal); in present folosirea acestei unitati nu mai are decat justificare traditionala.

3.2.Caloria

Caloria reprezinta cantitatea de caldura necesara pentru a ridica temperatura unei mase de 1 g de apa cu 1sC de la 14,5sC la 15,5sC.

Caloria se poate defini in raport cu unitatea astfel:

1cal=4,184J

Fluidul purtator de energie termica (lichid sau gaz) este denumit in mod usual agent termic.

Apa calda si fierbinte se caracterizeaza prin temperaturi superioare valori de 30sC, fiind utilizata pentru uzul casnic si industrial. Sistemele de distributie centralizata asigura transpotul de la sursa (centrale termo-electrice)la beneficiari.

3.3.Centrala termo-electrica

Centrala termoelectrica este formata din:

-vas de expansiune

-elemente de incalzire electrica

-schimbator de caldura

--supata de siguranta

-bloc hidraulic

-aerisitor automat

-pompa de circulatie

-senzor de presiune.

Mijloacele de masurare a energiei termice se numesc generic contoare de enrgie termica.

3.4.Contorul

Contorul de energie termica este este constituit dintr-un contor care masoara debitul de agent termic, din doua traductoare de temperature si un bloc electric de calcul al energiei termice. Contorul de debit si cele doua traductoare de temperaturi transmit blocului de calcul semnale electrice de iesire.

Contoarele de energie termica se pot realize in trei variante constructive:

-contoare complete care nu contin sumansambluri separabile

-contoare combinate, care contin subansambluri separabile

-contoare hibride sunt cele care la verificarile metrologice initiale sunt considerate drept contoare combinate, complete, in mod frecvent, aceste contoare sunt denumite conatoare compacte.

Bibliografie

1. C. Leonte, I. Ionescu si altii - Masurari tehnice, manual pentru clasa a X-a filiera tehnologica, profil tehnic, Ed. LVS Crepuscul Ploiesti 2005;

2. A. Ciocarlea Vasilescu si colectivul - Tehnici de masurare in domeniu, manual pentru clasa a XI-a ruta directa si pentru calasa aXII-a ruta progresiva, Ed. CD Press Bucuresti 2007;

3. P. Dodoc - Metrologie generala, EDP Bucuresti 1979

4. Surse web - Wikipedia