Temperatura exprimă starea unui sistem mecanic în termeni de dilatare sau contracție a solidelor, lichidelor sau gazelor, variația rezistenței electrice a conductoarelor, semiconductorilor și a emf termoelectrice. Senzorii de temperatură, cum ar fi benzi  bimetalice, termocuple, termistoare sunt larg utilizați în monitorizarea proceselor de fabricație cum ar fi turnarea, modelarea, așchierea metalului etc. Detaliile constructive și principiul de lucru al unora dintre senzorii de temperatură sunt discutate în următoarele  secțiuni.

 1. Benzi bimetalice 

Figura 2.5.1 Construcția și funcționarea benzii bimetalice 

Benzile bimetalice sunt utilizate ca întrerupător termic pentru controlul temperaturii sau căldurii într-un proces sau sistem de fabricație. Conține două benzi metalice diferite lipite între ele. Metalele au coeficienți de expansiune diferiți. La încălzire, benzile  se îndoaie în benzi curbate, cu metalul ce are un coeficient mai mare de dilatare pe exteriorul curbei. Fig. 2.5.1 prezintă un aranjament tipic de bandă bimetalică utilizată cu un magnet de reglare. Pe măsură ce benzile se îndoaie, fierul moale vine în proximitatea micului magnet și ulterior îl atinge. Atunci, circuitul electric se completează și generează o alarmă. În acest fel, benzile bimetalice ajută la protejarea aplicației dorite de încălzire peste valoarea predefinită a temperaturii. 

2. Detectoare de temperatură cu rezistență (RTD) 

RTD-urile funcționează pe principiul că rezistența electrică a unui metal se modifică datorită schimbării temperaturii sale. La încălzirea metalelor, rezistența lor crește și urmează o relație liniară, așa cum se arată în figura 2.5.2. Corelația este

                                                                                             Rt = R0 (1+ αT)                                                                                                                 (2.5.1)

unde Rt este rezistența la temperatura T (⁰C) și Ro este rezistența la temperatura de 0⁰C, iar α este constanta pentru metal, denumit coeficient de de temperatură al rezistenței. Senzorul se face, de obicei, să aibă o rezistență de 100 Ω la 0°C. 

 Figura 2.5.2 Comportamentul materialelor RTD [1] 

 Figura 2.5.3 Construcția unui detector de temperatură cu rezistență (RTD)  

Figura 2.5.3 prezintă construcția unui RTD. Are un element rezistor bobinat, conectat la o punte Wheatstone. Elementul și cablurile de conectare sunt izolate și protejate de o teacă. O cantitate mică de curent trece continuu prin bobină. Pe măsură ce temperatura variază, rezistența bobinei se schimbă, care este detectată la puntea Wheatstone.

RTD-urile sunt utilizate sub formă de pelicule subțiri, înfășurare de sârmă sau bobină. În general sunt fabricate din metale precum aliaje de platină, nichel sau nichel-cupru. Sârma de platină reținută de un adeziv din sticlă la temperatură înaltă într-un tub ceramic este utilizată pentru a măsura temperatura într-un cuptor metalic. Alte aplicații sunt: 

• Servicii de aer condiționat și refrigerare 

• Prelucrare alimentară 

• Sobe și grătare 

• Producția textilă 

• Prelucrarea materialelor plastice 

• Prelucrare petrochimică 

• Microelectronică 

• Măsurarea temperaturii aerului, gazului și lichidului în conducte și rezervoare

• Măsurarea temperaturii gazelor de eșapament  

3. Termistoare 

Termistorul are ca principiu scăderea rezistenței odată cu creșterea temperaturii. Materialul utilizat în termistor este, în general, un material semiconductor, cum ar fi un oxid de metal sinterizat (amestecuri de oxizi metalici, crom, cobalt, fier, mangan și nichel) sau ceramică policristalină dopată care conține titanat de bariu (BaTiO3) și alți compuși. Pe măsură ce temperatura materialului semiconductor crește, numărul de electroni capabili să se miște crește, ceea ce duce la mai mult curent în material și rezistență redusă. Termistoarele sunt robuste și au dimensiuni reduse. Acestea prezintă caracteristici de răspuns neliniar.  

Termistoarele sunt disponibile sub formă de mărgea (disc presat), sondă sau cip. Figura 2.5.4 prezintă construcția unui termistor de tip perlă. Are o mărgea mică de dimensiuni de la 0,5 mm la 5 mm acoperită cu material ceramic sau din sticlă. Perla este  conectată la un circuit electric prin două conductoare. Pentru a le proteja de mediu, cablurile sunt conținute într-un tub de oțel inoxidabil. 

 Figura 2.5.4 Schema unui termistor 

Aplicații ale termistoarelor 

• Pentru a monitoriza temperatura lichidului de răcire și/sau temperatura uleiului din interiorul motorului 

• Pentru a monitoriza temperatura unui incubator

• Termostatele sunt utilizate în termostate digitale moderne 

• Pentru a monitoriza temperatura bateriilor în timpul încărcării

• Pentru a monitoriza temperatura capetelor fierbinți ale imprimantelor 3D

• Pentru a menține temperatura corectă în manipularea alimentelor și echipamentelor din industria prelucrătoare   

• Pentru a controla operațiunile aparatelor de larg consum: prăjitoare de pâine, expresoare, frigidere, congelatoare, uscătoare de păr etc. 

4. Termocuplu 

Termocuplul funcționează pe faptului că atunci când se încălzește o joncțiune de metale diferite, produce un potențial electric legat de temperatură. Conform lui Thomas Seebeck (1821), când două fire compuse din metale diferite sunt unite la ambele capete și unul dintre capete este încălzit, atunci există un curent continuu care curge în circuitul termoelectric. În figura 2.5.5 este prezentată schema unui circuit de termocuplu. Tensiunea netă a circuitului deschis (tensiunea Seebeck) este funcție de temperatura joncțiunii și compoziția celor două metale. Este dată de,

                                                                            ∆VAB = α∆T                                                                            (2.5.2) 

unde α, coeficientul Seebeck, este constanta de proporționalitate. 

Figura 2.5.5 Schema circuitului cu termocuplu 

În general, Chromel (90% nichel și 10% crom) - Alumel (95% nichel, 2% mangan, 2% aluminiu și 1% siliciu) sunt utilizate la fabricarea unui termocuplu. Tabelul 2.5.1 prezintă diferite alte materiale, combinațiile lor și intervalele de temperatură de aplicare.

Tabelul 2.5.1 Materiale de termocuplu și gamele de temperatură [1]

Aplicații termocuple 

• Pentru a monitoriza temperaturile și chimia pe parcursul procesului de fabricare a oțelului 

• Testarea temperaturilor asociate cu fabricile de proces, de exemplu, producția de produse chimice și rafinăriile de petrol 

• Testarea siguranței aparaturii de încălzire 

• Profilarea temperaturii în cuptoare, cuptoare și cuptoare 

• Măsurarea temperaturii turbinei de gaze și a evacuărilor motorului 

• Monitorizarea temperaturilor pe parcursul procesului de producție și topire în industria oțelului, fierului și aluminiului 

Senzori de lumină

Un senzor de lumină este un dispozitiv care este utilizat pentru detectarea luminii. Există diferite tipuri de senzori de lumină, cum ar fi fotocelulă/fotorezistor și fotodiode utilizate în fabricare și alte aplicații industriale.  

Fotorezistorul se mai numește și rezistor dependent de lumină (LDR). El are un rezistor a cărui rezistență scade odată cu creșterea intensității luminii incidente. Este confecționat dintr-un material semiconductor de înaltă rezistență, sulfura de cadmiu (CdS).  Rezistența unui fotorezistor CdS variază invers cu cantitatea de lumină incidentă asupra lui. Fotorezistorul respectă principiul fotoconductivității care rezultă din generarea de purtători mobili atunci când fotonii sunt absorbiți de materialul semiconductor.

Figura 2.5.6 prezintă construcția unui fotorezistor. Bobina rezistor CdS este montată pe un substrat ceramic. Acest ansamblu este încapsulat de un material de rășină. Electrozii sensibili ai bobinei sunt conectați la sistemul de control prin fire de sârmă. La incidența luminii de intensitate ridicată pe electrozi, rezistența bobinei rezistor scade, care va fi utilizată în continuare pentru a genera semnal adecvat la microprocesor prin intermediul firelor de sârmă. 

Figura 2.5.6 Construcția unui fotorezistor  

Fotorezistorul este folosit în știință și în aproape orice ramură a industriei pentru control, siguranță, distracție, reproducere de sunet, inspecție și măsurare. 

Aplicații ale fotorezistorului  

• Calculatoarele, telefoanele fără fir și televizoarele utilizează senzori de lumină ambientali pentru a controla automat strălucirea unui ecran. 

• Scanerele de coduri de bare utilizate în locațiile de vânzare cu amănuntul funcționează folosind tehnologia senzorului de lumină 

• În spațiu și robotică: pentru mișcări controlate și ghidate ale vehiculelor și roboților. Senzorul de lumină permite unui robot să detecteze lumina. Roboții pot fi programați pentru a avea o reacție specifică dacă este detectată o anumită cantitate de lumină. 

• Auto Flash pentru aparate foto

• Controlul proceselor industriale 

Fotodioda 

Fotodioda este un dispozitiv solid-state care transformă lumina incidentă într-un curent electric. Este fabricată din siliciu. Constă dintr-o joncțiune p-n difuzată superficială. Când fotoni de energie mai mare de 1,1 eV (banda de separare a siliciului) cad pe dispozitiv, ei sunt absorbiți și se creează perechi electron-gol. Adâncimea la care sunt absorbiți fotonii depinde de energia lor.  Cu cât energia fotonilor este mai mică, cu atât este mai profundă. Apoi, perechile de electron-gol deviază separat. Când purtătorii minoritari ajung la joncțiune, aceștia sunt trecuți peste, de câmpul electric, și se stabilește un curent electric.  

Fotodioda este unul dintre tipurile de fotodetector, care transformă lumina în curent sau tensiune. Acestea sunt diode normale semiconductoare, cu excepția faptului că pot fi expuse la detectarea razelor ultraviolete UV sau X sau ambalate cu o deschidere sau conexiune cu fibră optică pentru a permite luminii să ajungă la partea sensibilă a dispozitivului.  

Figura 2.5.7 Construcția detectorului fotodiodă  

Figura 2.5.7 prezintă construcția detectorului fotodiodă. Este construit din substrat de siliciu cu un singur cristal. Este un dispozitiv cu joncțiune p-n. Stratul superior este p. Este foarte subțire și este format prin difuzie termică sau prin implantarea ionică a unui material dopant ca borul. Regiunea de epuizare este îngustă și este sandwich între stratul p și stratul de siliciu  bulk tip n. Lumina iradiază la suprafața frontală, anod, în timp ce suprafața din spate este catod. Incidența luminii pe anod generează un flux de electroni peste joncțiune p-n care este măsura intensității luminii. 

Aplicații ale fotodiodei  

Aparat foto: Contoare de lumină, Control automat de obturator, Focalizare automată, Control Flash-ului fotografic  

Medical: scanere CAT - Detectare cu raze X, pulsometre, analizoare de particule de sânge 

Industrie

• Scanere de coduri bară

• Stilouri de lumină

• Controale de luminozitate

• Codificatoare

• Senzori de poziție

• Instrumente de supraveghere

• Copiator - Densitatea tonerului 

Echipament de siguranță

• Detectoare de fum 

• Monitoare de flacără 

• Echipament de inspecție de securitate - radiografie aeroport

• Alertă intrus - Sistem de securitate

Automobile

• Dimmer far

• Detectoare amurg

• Controlul climei - Detector de lumină solară

Comunicații

• Legături cu fibră optică

• Comunicații optice

• Telecomandă optică

Chestionar:

1. „În senzorii termistor, rezistența scade într-un mod foarte neliniar odată cu creșterea temperaturii.” Afirmați adevărat sau fals și justificați.

2. Enumerați diverșii senzori de temperatură folosiți de noi în/în jurul casei/biroului/universității noastre.

3. Dezvoltați un model conceptual al unui sistem de control, bazat pe senzori de lumină, pentru numărarea unui număr de pachete de lapte care sunt ambalate pentru evacuare. Presupuneți date adecvate, dacă este necesar. 

Referințe 

1. Boltan, W., Mechatronics: electronic control systems in mechanical and electrical engineering, Longman, Singapore, 2015.