6.senzori de Temperatura

 

2.9. SENZORI DE DE TEMPERATURĂ TEMPERATURĂ Măsurarea Măsurar ea tempera temperatur turii ii constit constituie uie una din dintre tre cel celee mai uzu uzuale ale proc procese ese de măs măsurar urare. e. Probabil, cel mai simplu şi mai des folosit fenomen în măsurarea temperaturii este dilatarea termică. Acesta este principiul ce stă la baza termometrelor din sticlă cu lichid. Pentru a transforma energia termică în semnal electric se folosesc detectori rezistivi, termoelectrici, optici şi piezoelectrici. Când un senzor (sonda) este introdus într-un obiect sau plasat pe suprafaţa obiectului, va exista un transfer de căldură între sondă şi obiect: senzorul se va răci sau se va încălzi. Acelaşi fenomen va apărea şi în cazul transferului de energie termică sub forma de radiaţie energetică în IR, senzorul va absorbi sau emite radiaţie IR în funcţie de temperatura corpului monitorizat. Orice senzor, indiferent de cât de mic este, va perturba rezultatele măsurătorii şi deci este o  problemă majoră în a minimiza erorile introduse de senzor şi în a adopta o metodă optimă de măsurare. Există două metode de procesare a semnalului în măsurătorile de temperatură: metoda echilibrării şi metoda predictivă. În primul caz, temperatura se va măsura doar în momentul în care nu mai există gradient de temperatură între senzor şi obiect (au aceeaşi temperatură), iar în cazul metodei predictive,   punctul de echilibru nu este atins niciodată, ci este determinat din viteza de schimbare a temperaturii senzorului. Folosind metoda echilibrării, timpul necesar atingerii temperaturii de echilibru poate fi de durată foarte mare (mai ales când suprafaţa de contact este uscată). De exemplu dacă pentru a lua cu un termometru medical temperatura apei dintr-un rezervor este nevoie de 10 secunde, pentru a lua temperatura corpului uman este nevoie de 3 – 4 minute. În cazul sesizării prin contact a temperaturii, cantitatea de căldură transferată va fi   proporţ proporţion ională ală cu gra gradie dientu ntull de tem tempera peratur turăă din dintre tre ele elemen mentul tul sen senzit zitiv iv al termom termometr etrulu uluii cu temperatura instantanee T şi obiectul a cărei temperatură este de măsurat T 1:

dQ = aA ( T1 − T ) dt  

ec. 2.9.1

unde a este conductivitatea termică a mediului de transfer de căldură dintre senzor şi obiect, A este aria suprafeţei de emisie a căldurii. Căldură absorbită de senzorul de masă m şi căldura specifică c este: dQ

=

mcdT 

ec. 2.9.2

Introducem constanta de timp termică τ TT   ca: τ  T 

=

mc aA

ec. 2.9.3

ecuaţia diferenţială

55

 

aA ( T

1

−

T) d dtt

=

mcdT  

ec. 2.9.4

− t / τ  T 

ec. 2.9.5

va avea soluţia:

T = T1 − ∆T0e

unde ΔT 0 este o constantă şi reprezintă gradientul iniţial de temperatură. O constantă de timp τ TT   reprezintă timpul necesar ca temperatura T să atingă 63% din valoarea gradientului iniţial ΔT 0. figura 2.53.

Figura 2.53 Determinarea constantei de timp τ  Cu cât constanta de timp va avea o valoare mai mică cu atât senzorul va răspunde mai repede la o modificare a temperaturii. Dacă în ec. 2.9.5. t → ∞ , atunci temperatura senzorului T va deveni egală cu temperatura obiectului T1, adică este nevoie de un timp ce tinde la infinit pentru ca cele două temperaturi să devină egale. Dar deoarece nu avem atâta timp la dispoziţie, în practică se va urmări atingerea unui stări de cvasiechilibru , stare ce se poate atinge după 5 până la 10 constante de timp termice. temperatura atura senzorulu senzoruluii va diferi diferi de cea a obiect obiectului ului cu 0,7% din De exemplu la timpul t = 5τ  T  temper valoarea gradientului de temperatură iniţial  ΔT 0, iar pentru t = 10τ  T  diferenţa va fi de doar  0,005%.Un senzor de temperatură de contact tipic va fi format din următoarele părţi componente: 1. Un elem elemen entt senz senzit itiv iv – un ma mate teri rial al ce-ş ce-şii mo modi difi fică că pr propr oprie ietă tăţi ţile le in fu func ncţi ţiee de temperatură. Materialul trebuie să aibă căldură specifică mică, conductivitate termică ridicată, senzitivitate mare la temperatură şi o bună predictibilitate. 2. Co Cont ntac acte tele le sunt sunt fi fire re sau sau plăc plăcii (p (pad ad)) co cond nduc ucti tive ve ce asig asigur uraa inte interf rfaţ aţaa dint dintre re elementul senzitiv şi circuitul electronic exterior. Contactele trebuie să aibă o conductivitate termică şi o rezistenţă electrică cât mai mică. În general se folosesc şi pentru susţinerea senzorului. 3. Un strat pro protecto tectorr ce separă fiz fizic ic eleme elementul ntul senz senzitiv itiv de me mediul diul exte exterior. rior. Mat Material erialul ul  protector trebuie să aibă rezistenţă termică mică, să fie un bun izolator electric şi să fie impermeabil. Un senzor de temperatură de tip noncontact se aseamănă în principiu cu senzorii de tip contact, excepţie făcând modul de transfer a căldurii: la senzorii de tip contact transferul se face 56

 

 prin conducţie termică, în timp ce la cei de tip noncontact transferul se face prin radiaţie termică figura 2.54.

Figura 2.54 Arhitectura unui senzor de temperatură de tip: A contact, B noncontact 2.9. 2.9.1. 1. Senzo Senzori ri term termore orezi zist stiv ivii 2.99.1.1. 2.

Term ermore orezis zistoar oare m meetalice - RTD ( res resistance temperat rature de dettector or))

Dependenţa de temperatură a metalelor şi a aproape a tuturor aliajelor dă oportunitatea folosirii lor ca senzori de temperatură. Rezistenţa electrică apare în primul rând din cauza agitaţiei termice şi ea depinde, pentru o temperatură dată, de natura materialului, prezenţa impurităţilor sau a defectelor din reţeaua cristalină , lungimea şi secţiunea materialului. La modificarea temperaturii are loc atât o modificare a mobilităţii purtătorilor de sarcină, cât şi o modificare a dimensiunilor geometrice. Prin urmare, variaţia rezistenţei electrice se datorează pe de-o parte parte mod modifi ificări căriii rez rezist istivi ivităţ tăţii ii ele electr ctrice ice,, iar pe de altă altă part partee mod modifi ificări căriii dim dimens ensiun iunil ilor  or  (dilatare). Deoarece coeficientul de variaţie al rezistivităţii cu temperatura este la metale cu două ordine de mărime mai mare decât coeficientul de dilatare, ultimul efect este de obicei neglijabil. Criteriile privind alegerea metalelor din care se confecţionează termorezistoarelor sunt: - rezi rezisti stivit vitate ate mare mare pent pentru ru obţ obţine inerea rea unor unor trad traduct uctoare oare de dimen dimensiu siuni ni red reduse use - coefic coeficient ient ddee varia variaţie ţie a rrezist ezistivit ivităţii ăţii cu cu temp temperatur eraturaa ridic ridicat at pent pentru ru a av avea ea o sensibi sensibilita litate te ridicată - asi asigura gurarea rea une uneii puri purităţ tăţii cât mai rridi idicat catee pentr pentruu repro reproduc ductib tibili ilitat tatee - sta stabil bilita itate te îînn ttimp imp la acţ acţiun iunea ea aagenţ genţilo ilorr chimi chimici ci - şi nnuu în în ul ulti timu mull râ rând nd preţ preţ de cos costt câ câtt m mai ai red redus us Din păcate îndeplinirea simultană a tuturor condiţiilor de mai sus nu poate fi realizată. În  prezent ca materiale pentru realizarea termorezistoarelor metalice se folosesc: platina, nichelul, cupru şi wolframul. Dintre Din tre met metale alele le enu enumer merate ate,, pla platin tinaa se apro apropie pie cel mai mul multt de car caract acteris eristic ticile ile unui termorezistor ideal: stabilitate pe termen lung, durabilitate, reproductibilitate în răspuns, poate fi realizat cu puritate mare 99,99 %, inactivă chimic, etc. Constructiv, termorezistoarele trebuie să fie protejate la acţiunea agenţilor exteriori, să  preia temperatura mediului în care sunt introduse, să nu fie influenţate de fenomenele de dilatare, să permită măsurarea atât în curent continuu cât şi în curent alternativ.

57

 

2. 2.9. 9.2. 2. Term Termis isto tori riii Termenul de termistor provine de la prescurtarea cuvintelor termic şi rezistor. În general denumeşte un senzor metal – oxid fabricat sub formă de bară, cilindru, filme subţiri sau droplets. Termistorii se împart în două mari grupe NTC (coeficient de temperatură negativ) şi PTC (coeficient de temperatură pozitiv). 2.9.2.1.

Termistori NTC

Un termistor metal – oxid convenţional are coeficientul de temperatură negativ, adică rezistenţa lui va scădea cu creşterea temperaturii. Circuitul echivalent al unui termistor este prezentat în figura 2.55 şi constă dintr-un element rezistiv dependent de temperatură  RT , şi rezistorii constanţi r  s şi 1 / g  p, unde g  p este conductanţa materialului, r  s se numeşte rezistenţa serie şi are o valoare mică şi negativă, R TT00 este valoarea rezistenţei la temperatura de referinţă T 0, iar  β este caracteristica de temperatură a termistorului.

Figura 2.55 Circuitul echivalent al unui termistor  În general termistorii pot fi clasificaţi în funcţie de tehnica de fabricare în trei grupe. A. Ter Termis mistor torii ii în fform ormăă de per perle le Aceştia pot fi neizolaţi sau încapsulaţi în sticlă sau metal. Conductorii metalici sunt dintr-un aliaj de platină sinterizaţi într-un corp ceramic. În timpul fabricării o  porţiune  porţi une din ameste amestecul cul de metal – oxid - liant este este plasat între doi cond conductori uctori   para parale leli li.. Du După pă ce am ames este tecu cull este este uscat uscat se intr introd oduc ucee într într-un -un cu cupt ptor or pe pent ntru ru sinter sin teriza izare. re.între În cei urma urmdoi a sin sinter teriză izării rii se dat datori orită tă proc procesu lui de electrică micşora micşorare reintimă. a met metal al –  oxidului, conductori va realiza oesului legătură După care senzorul este acoperit cu un strat protector, în general sticlă figura 2.56.

Figura 2.56 Termistori în formă de perle 58

 

B. Un alt ti tipp de termis termistor tor sunt ttermis ermistorii torii de tip tip cip. Sunt ssub ub formă de pa panglică nglică iiar  ar  conductorii au o anumită suprafaţă de contact metalizată. Pot fi întâlniţi sub diverse forme. C. Cea de-a trei treiaa grupă este form formată ată din termistor termistorii ii fabric fabricaţi aţi prin depu depunerea nerea unui st strat rat semiconductor pe un substrat de sticlă, alumină, etc. Acest tip de senzori se folosesc în special pentru senzorii integraţi În toate aplicaţiile cu termistori trebuie să se ţină seamă de seama de cel puţin una din următoarele caracteristici de bază. 1. Cara Caracte cteris ristic ticaa rezi reziste stenţă nţă funcţ funcţie ie de tem tempera peratur turăă est estee prez prezent entată ată în fig figura ura 2.57. În toate aplicaţiile bazate pe această caracteristică este necesară eliminarea efectului de auto – încălzire (efectul Joule a curentului ce trece prin conductor). Astfel rezistenţa nominală R T0 T0 a termistorului trebuie să aibă un factor mare de cuplaj cu obiectul de măsurat.

Figura 2.57 Caracteristica rezistenţă funcţie de temperatură

59

 

2. Caract Caracteristi eristica ca rezist rezistenţă enţă fun funcţie cţie de ti timp mp sau curen curentt elect electric ric funcţ funcţie ie de tim timpp figura 2.58

Figura 2.58 Caracteristica rezistenţă funcţie de timp 3. Cara Caracte cteris ristic ticaa ten tensiu siune ne funcţ funcţie ie de curent – aplic aplicabi abilă lă în cazu cazull efect efectulu uluii de aut autoo –  încălzire figura 2.59.

Figura 2.59 Caracteristica tensiune funcţie de curent

60

 

2.9.2.2.

Termistorii PTC.

În pr prin inci cipi piuu ori orice ce meta metall poat poatee fi folo folosi sitt ca ma mate teri rial al PT PTC, C, dar co coef efic icie ient ntul ul lor lor de tempera tem peratur turăă est estee des destul tul de mic mic.. Spre Spre deo deoseb sebire ire de met metale ale,, coe coefic ficien ientul tul de tem tempera peratur turăă al materialelor ceramice este relativ mare şi pe un domeniu larg de temperatură. Materialele ceramice se obţine în urma sinterizării unei substanţe ceramice policristaline, de obicei titanat de  bariu sau o soluţie solidă de titanat de bariu şi stronţiu, materiale ce devin semiconductoare la dopare. În figura 2.60 este prezentată funcţia de transfer a unui PTC în comparaţie cu funcţiile de transfer a unui NTC şi RTD.

Figura 2.60. Funcţia de transfer a unui PTC Deoarece forma curbei funcţiei de transfer implică o aproximare matematică destul de avansată, fabricanţii de PTC specifică de obicei termistorii prin următorul set de valori: 25 la temperatura de referinţă de 25 ºC 1. Re Rezi zist sten enţa ţa m mat ater eria ialu lulu luii R 25 2. Re Rezi zist sten enţa ţa m min inim imăă R m – valoarea rezistenţei la temperatura la care coeficientul de temperatură a termistorului îşi schimba semnul, trece de la o valoare pozitivă la una negativă 3. Temp Temper erat atura ura ddee tr tran anzi ziţi ţiee Tτ – temperatura la care rezistenţa începe să se modifice în mod rapid. Temperatura tipică de tranziţie este în domeniul -30 ÷ 160 ºC 4. Defin Definiţia iţia st standard andard a coeficie coeficientului ntului ddee tempe temperatură ratură rezi rezistiv stiv es este te dată de ec ecuaţia: uaţia: α 

=

1 ∆ R  R ∆T 

Deoarece RTC are o creştere considerabilă la creşterea temperaturii pentru un anumit domeniu temperatură , valoarea RTC se specifi specifică că pentru un anumit punct, x.

61

 

4. Tens Tensiu iune neaa m max axim imăă Emax – tensiunea maximă la care termistorul işi mai păstrează  proprietăţile la orice temperatură Este important de subliniat faptul că există doi factori cheie ce influenţează funcţionarea unui termistor PTC: temperatura mediului înconjurător şi efectul de autoîncălzire. Sensibilitatea termistorului faţă de temperatură este reflectată în caracteristica intensitatea curentului – tensiune, figura 2.61.

Figura 2.61. Caracteristica intensitatea curentului – tensiune Conform legii lui Ohm un rezistor cu un TCR apropiat de zero, va avea o caracteristică liniară. Pantă funcţiei I = f (U) a unui termistor NTC este una pozitivă. O implicaţie a negativităţii RTC este aceea că un termistor conectat la o sursă de tensiune ideală (tensiune constantă indiferent de curentul consumat) autoîncălzirea determină reducerea rezistenţei, ce va determina la rândul ei o creştere a curentului concretizata în creşterea temperaturii termistorului datorată efectului de autoincălzire şi aşa mai departe. Dacă disiparea căldurii din termistor este limitată, autoîncălzirea poate genera o supraîncălzire ducând la distrugerea dispozitivului. Deoa De oarec recee me meta talel lelee au un TC TCR R pozi poziti tiv, v, RT RTD-u D-uri rile le nu se vor supr supraî aînc ncăl ălzi zi dat datori orită tă fenomenului de autolimitare. De exemplu un filament dintr-o lampă cu incandescenţă conectat la o sursă de tensiune ideală nu se va arde deoarece creşterea temperaturii determină o creştere a rezistenţei ce generează la rândul ei o scădere a curentului prin filament . Acest efect de autolimitare apare în mod pregnant la PTC-uri. Forma funcţiei I = f (U) indică faptul că pe un domeniu de temperatură relativ îngust, termistorul PTC va prezenta o rezistenţă negativă:

 R x = −

V  x i 62

 

Aceasta generează o reacţie de feedback negativ ce face din termistorul PTC să funcţioneze ca un termostat cu autoreglaj la temperatura de echilibru T 0, figura 2.61 Eficienţa termistorilor PTC este cu atât mai mare cu cât T0 are valori mai mari (peste 100 ºC) şi scade semnificativ pentru valori scăzute ale temperaturii T0. Prin natura lor termistorii PTC se folosesc la temperaturi semnificativ mai mari decât temperatura mediului înconjurător. 2.9.3. Senzori termo termoelectr electrici ici de contact contact ((termoc termocuplul uplul). ). Senzori termoelectrici de contact sunt denumiţi termocuple deoarece pentru a face un senzor este nevoie de cel puţin doi conductori de natură diferită. Principiul de funcţionare a senzorilor termoelectrici generatori (termocupluri) are la bază efec efectu tull term termoe oele lect ctri ricc dire direct ct (efe (efect ct Se Seeb ebec eck) k),, care care co cons nstă tă în ap apar ariţ iţia ia un unei ei tens tensiu iuni ni termoelectromotoare într-un circuit format din două conductoare de natură diferită, atunci când cele două joncţiuni se află la temperatură diferită. În apl aplica icaţii ţiile le pra practi ctice ce este este necesar necesarăă cuno cunoaşt aşterea erea urmă următoa toarel relor or trei trei leg legii ref referi eritoa toare re la utilizarea fenomenelor termoelectrice pentru măsurarea temperaturii: 1. legea legea circu circuit itulu uluii om omog ogen en 2. leg legea ea met metale alelor lor interm intermedi ediare are 3. leg legea ea tem temper peratur aturilo ilorr ssucc uccesi esive ve Legea nr. 1  Într-un circuit construit dintr-un metal omogen nu se poate produce un curent electric numai prin crearea unei diferenţe de temperatură în circuit. Rezultă că în cazul unui circuit compus din două metale diferite omogene, cu punctele de sudură la tempe temperaturil raturilee T1 şi T2, diferite, diferite, tensi tensiunea unea electromot electromotoare oare nu depinde de distribuţ distribuţia ia şi gradientul de temperatură în lungul circuitului.

Legea nr. 2 Suma algebrică a tensiunii termoelectromotoare într-un circuit compus număr  oarecare de metale omogene şi diferite este egală zero dacă întreg circuitul se dintr-un află la aceeaşi temperatură. Rezultă că tensiunea termoelectromotoare a unui circuit compus dintr-un număr de metale diferite diferite se obţine obţine din suma algebrică a tensiunilor tensiunilor termoelect termoelectromotoa romotoare re corespu corespunzătoa nzătoare re fiecărui metal faţă de un metal de referinţă. În consecinţă, când se constituie un termocuplu sudura se poate realiza fie prin sudare directă fi prin lipire cu un metal oarecare, deoarece elementele componente sudurii se găsesc la aceeaşi temperatură.

Legea nr. 3 Tensiunea termoelectromotoare produsă de un termocuplu alcătuit din metale omogene cu punc puncte tele le sale sale de sudu sudură ră la temp temper erat atur uril ilee T1 şi T3 este este eg egal alăă cu su suma ma tens tensiu iuni nilo lor  r 

63

 

termoelectromotoare a aceluiaşi termocuplu cu punctele de sudură o dată la temperaturile T1 şi T2 şi o dată la temperaturile T2 şi T3.

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 c la aparatul electric pentru măsurarea tensiunii termoelectromotoare. Legăturile dintre capetele libere şi conductoarele de legătură constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie la o valoare constantă. Firele folosite pentru prelungirea termocuplului se numesc fire de compensare, şi au rolul de a muta sudura rece din apropierea cuptorului într-un loc cu temperatură constantă figura 2.62.

Figura 2.62. Arhitectura unui termocuplu Te Term rmoc ocup uplu luri rile le se exec execut utăă din din dife diferi rite te me meta tale le sau sau alia aliaje je.. Va Valo loar area ea tens tensiu iuni niii termoelectromotoare depinde atât de materialul din care sunt confecţionaţi termoelectrozii cât şi de temperatura sudurilor calde şi reci. Materi Mat eriale alele le fol folosi osite te la con constr strucţ ucţia ia termoc termocupl upluril urilor or trebui trebuiee să sat satisf isfacă acă urm următo ătoarel arelee condiţii: a. să ai aibă bă o co compo mpoziţ ziţie ie om omogen ogenăă şi ccons onstan tantă; tă;  b. să dezvol dezvolte te o tensi tensiune une term termoelect oelectromoto romotoare are stabi stabilă lă la temp temperatur eraturii ridicat ridicate; e; c. curb curbaa tensi tensiuni uniii termo termoele electr ctromot omotoare oare în funcţ funcţie ie de temper temperatu atură ră să fie căt se poate de liniară; d. ai aibă băetăţ oăţil bu bună conduc nducti vitate eelec lectri trică e. să pro propri priet ileenăelec elco ectr tric iceetivit ale aleateme meta talu lulu luică i sau sau alia aliaju julu luii să nu se modifi modifice ce în urm urmaa oxidării; f. for forţa ţa el elect ectrom romotoa otoare re să ffie ie const constant antăă în ttimp imp;; Cele mai răspândite materiale sunt: platina, constantanul, cromelul, nichelul, alumel, etc.

64

 

Curbele obţinute cu sudura la 0 ºC sunt prezentate în figura 2.63.

Figura 2.63 Tensiunea termoelectromotoare funcţie de temperatură Realizarea joncţiunii se face prin răsucire, sudură sau lipire, eventual se poate folosi cel de-al treilea material. Având o dimensiune redusă ele pot măsura temperaturi punctiforme, au viteză mare de răspuns. 2.9.4. 2.9 .4. Senz Senzori ori opt optici ici de tempera temperatur turăă Există cazuri de condiţii extreme (câmpuri electromagnetice, electrice sau magnetice foarte puternice, tensiuni mari)metodelor în care trebuie făcute noncontact: măsurători de precizie ale temperaturii, cazuri în careelectrice se impunfoarte folosirea de măsurare metode optice de măsură. 2.9.4.1.

Senzori fluoroptici

Acest tip de senzor se bazează pe proprietăţile speciale ale compuşilor pe bază de fosfor  de a emite o radiaţie fluorescentă ca răspuns la o excitaţie luminoasă. Forma pulsului de răspuns este funcţie de temperatură. Cel mai uzual material este fosforul sinterizat la 1200 ºC. Pentru a minimiza efectele de interferenţă ce pot apărea între radiaţia de excitaţie (UV sau lumină albastră) şi cea emisă (lumină roşie, IR apropiat) se folosesc filtre trece bandă de separare a celor  două spectre de radiaţie folosite. Ca sursa de radiaţie este folosită o lampă de xenon. Măsurarea temperaturii se face prin determinarea vitezei de scădere a intensităţii radiaţiei fluorescente, 65

 

  practi practicc se va măs măsura ura tim timpul pul τ în care intens intensita itatea tea radia radiaţie ţieii fluore fluoresce scente nte scade de e (baza logaritmului natural) ori, figura 2.64.  p

    %       ă    s    a    o    n     i    m    u     l    e     t    a     t     i    s    n    e     t    n     I

s p e cd t e r u s p e c d t e r u t r a n s m i es im e i s i e 1

0 0

6 4

0 0

2

0 0

A

    ă    s    a    o    n     i

0

8

   m    u     l    e     t    a     t     i    s    n    e     t    n     I

. 30

. 4 0 l u n

. 5 0 . 6 0 . 70 g d i ume n e d(µ m ă )

u dl ls e u m i n ă d e x c i t a ţ i e

S

1

s e

S 1

m f ln u a ş o l c r e e n T1

e

T2 > T t1

. 8 B

t i m

t

1

p

t1+

τ

Figura 2.64 Măsurarea temperaturii cu metoda fluoroptică Compusul pe bază de fosfor se poate aplica direct pe obiectul monitorizat, măsurători fără contact fizic , sau depus pe vârful unei sonde ce va fi adusă ulterior în contact cu obiectul, figura 2.65. s t r f a l tu ş o c r e e f o a s r u t eb ţ f l su tş o r c ar e et n t

f i b o r pă t i c

ă o

B b i e

A

c

t C

Figura 2.65 Plasarea compusului fluoroptic: A: pe suprafaţa obiectului; B şi C pe sondă 2.9. 2.9.5. 5. Senzo Senzori ri acus acusti tici ci Un alt caz de condiţie extremă în care nu se pot folosi metodele de măsurare care necesită contact fizic între senzor şi obiect este măsurarea temperaturii unor medii ermetic închise, sau în condiţii cu nivele de intensitate ale radiaţiei foarte mari (reactoare nucleare), medii opace pentru radiaţii din IR, etc. În aceste condiţii se pot folosii senzorii acustici. Principiul de funcţionare al unui astfel de senzor se bazează pe dependenţa dintre temperatura unui mediu şi viteza sunetului din acel mediu. În cazul în care mediul de propagare este aerul uscat viteza sunetului funcţie de timp se poate scrie: c

=

331 .5

T 

273 .15

m/s,

unde c este viteza sunetului şi T temperatura mediului Un senzor acustic de temperatură (figura 2.66) este compus din trei componente: un emiţător ultrasonic, un receptor ultrasonic şi un tub umplut cu gaz închis ermetic.

66

 

c

o

n

t r o

l l e

 p

i e

z o

e

m

i t o

rc l o r e

c

 p

i e

c e

e

l e

c

r

t r i c a eu rs c

a t

k p t o

z o

e

r l e

c

t r i c

Figura 2.66. Termometru acustic Emiţătorul şi recepto Emiţătorul receptorul rul sunt nişte plăci piez piezoelect oelectrice rice ce emit şi recepţio recepţionează nează unde acustice prin tubul în care se găseşte, ca mediu de propagare a sunetului, aer uscat. Clock-ul este de frecvenţă joasă (100 kHz) şi prin intermediul controlorului de proces va activa emiţătorul în timp ce receptorul este dezactivat, cristalul piezoelectric va emite o undă acustică ce se va  propaga în interiorul tubului şi va reactiva receptorul înainte ca unda acustică să ajungă pe suprafaţa cristalului receptor. Cristalul receptor va transforma energia undei acustice într-un semnal electric ce va fi amplificat şi transferat la intrarea unui sistem de control. Sistemul de control (controlorul) va calcula viteza sunetului prin determinarea timpului de propagare a sunetului prin tub (practic se urmăreşte timpul dintre activarea emiţătorului şi momentul în care receptorul generează semnal electric). Alte sisteme folosesc un singur cristal piezoelectric atât ca emiţător cât şi ca receptor.

67