Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura44
4- SENSORES DE TEMPERATURA 45
4.1 - TERMISTORES (THERMALLY SENSITIVE RESISTOR): 45
4.1.1 - PTC (Positive Temperature Coefficient) 45
4.1.2 - NTC (Negative Temperature Coefficient) 46
4.2.1 - Características dos termopares 50
4.2.2 - Limites de erros dos termopares 51
4.2.3 - Relação temperatura x bitola do fio 52
4.2.4 - Termopar isolação mineral 52
4.2.5 - Tipos de Junções 53
4.2.6 - Cabos de compensação 54
4.3.1 - Termoresistência de Platina (Pt-100) 54
4.3.2 - Tipos de montagens 55
4.3.3 - Princípio de medição a 2, 3 e 4 fios 56
4.3.4 - Ligação a 2 fios 56
4.3.5 - Ligação a 3 Fios 57
4.3.6 - Ligação a 4 Fios: 58
4.4 - TERMORESISTÊNCIA X TERMOPAR: 58
4.5 - PAR BIMETÁLICO 59
Índice 4.2 - TERMOPARES _ 47 4.3 - TERMORESISTÊNCIA _ 54 4.6 - SENSORES ELETRÔNICOS _ 59 4.6.1 - Diodos _ 59 4.6.2 – Transistores: _ 60 4.6.3 - Circuitos integrados:_ 60 4.6.4 - Circuitos integrados inteligentes: _ 61 4.7 - PIRÔMETROS _ 63
Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura45 Capítulo 04
4- SENSORES DE TEMPERATURA
4.1 - TERMISTORES (THERMALLY SENSITIVE RESISTOR):
São resistores termicamente sensíveis. São semicondutores eletrônicos cuja resistência elétrica varia com a temperatura e são úteis industrialmente para detecção automática, medição e controle de energia física. Os termistores são extremamente sensíveis a mudanças relativamente pequenas de temperatura.
Figura 4.1 - Apresentação dos Termistores
4.1.1 - PTC (Positive Temperature Coefficient)
Os PTC's são resistores que apresentam um coeficiente térmico positivo, isto é, sua resistência aumenta com a temperatura. Diferem dos NTC's em dois aspectos fundamentais: o coeficiente de temperatura de um PTC é positivo apenas dentro de certa faixa de temperatura - fora dessa limitação, o coeficiente é negativo ou nulo; o valor absoluto do coeficiente térmico dos PTCs normalmente é bem maior que o dos NTC's.
Figura 4.2 - Curva do Termistor PTC Figura 4.3 - Simbologia do Termistor PTC
Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura46
O desenho abaixo, mostra um circuito em que o PTC é utilizado na partida de motores monofásicos. Quando o circuito é energizado o PTC está no seu estado de baixa resistência elétrica permitindo que a corrente flua normalmente através da bobina de partida. Assim que o motor entra em movimento, o PTC aquece acima da sua temperatura de transição, passando para o seu estado de alta resistência elétrica permitindo que apenas uma corrente residual
passe pela bobina de partida. Figura 4.4 - Exemplo de Aplicação
4.1.2 - NTC (Negative Temperature Coefficient)
Os NTC's são elementos cuja resistência decresce com o aumento da temperatura, logo, possui o coeficiente de temperatura negativa. Alterações na temperatura do corpúsculo podem ser obtidas; externamente pela variação da temperatura em sua proximidades; internamente pelo calor resultante da wattagem, desenvolvida pela passagem de corrente através do corpúsculo, ou por uma combinação dessas duas.
Figura 4.5 - Curva do Termistor NTC Figura 4.6 - Simbologia do Termistor NTC
Neste circuito a polarização da base está calculada para que o transistor esteja em corte em baixas temperaturas e em saturação em altas temperaturas. Explicação - Quando temos temperaturas baixas, a resistência do NTC estará alta, com isso, a tensão na base Vb ficará muito pequena levando o transistor para o corte, quando a temperatura começa a subir, o potencial na base sobe proporcionalmente até que o resistor sature. Quando o transistor saturar, o relê é completamente energizado fechando seus contatos NA e abrindo os contatos NF. Este circuito poderá ser utilizado para acionar qualquer dispositivo que necessite de um controle de temperatura, como por exemplo: estufas, proteção contra incêndio, etc. Figura 4.7- Exemplo de Aplicação do NTC.
Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura47
A gama de utilização dos termistores é vasta, abrangendo desde aplicações de entretenimento até profissionais, como por exemplo:
Química: Calorimetria, regulação de nível de líqüidos e medição da condutividade térmica de gases.
Física: Medição de vácuo, medição de vazão de gases e líquidos e radiometria.
Medicina: Termômetros.
Regulação de temperaturas: Congeladores, máquina de lavar, fornos elétricos, sistemas de aquecimento e sistema de ar-condicionado.
Veículos: Medição de temperatura de água e óleo e monitorização de gases de exaustão.
Projetos elétricos: Operação de atraso em relês, compensação de variação de temperatura e medição de potência e microondas.
Sistema de detecção e alarmes contra incêndio: Os sensores termovelocimétricos de alguns detetores de temperatura de sistemas de alarmes prediais, utilizam os termistores como elemento sensitivo.
4.2 - TERMOPARES
Os princípios e a teoria associada a efeitos termoeléctricos não foram estabelecidos por uma só pessoa num momento específico. O descobrimento do comportamento termoeléctrico de certos materiais é geralmente atribuído a T.J. Seebeck.
Em 1821, Seebeck descobriu que um circuito fechado feito com fios de dois metais heterogêneos, uma corrente elétrica fluirá se a temperatura de uma junção acima da temperatura da outra. A descoberta original de Seebeck usou um circuito de termopares compostos de antimônio e cobre. A FEM gerada está relacionada com o campo elétrico formado devido ao aquecimento que é função do gradiente de temperatura nesse ponto. Existem três efeitos que explicam a FEM gerada, são eles: Thomson – É o efeito onde há a criação de campo elétrico devido ao aquecimento de uma barra condutora. Seebeck – É o fenômeno onde ocorre uma circulação de corrente em um circuito formado por dois metais de naturezas diferentes, quando há uma diferença de temperatura entre as duas junções. Peltier – É o efeito onde ocorre a liberação ou absorção de calor em uma junção termoelétrica. A FEM é determinada pela expressão abaixo:
Onde: T1
Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura48 - T2 = temperaturas nas extremidades da haste δ = coeficiente térmico de Thomson – é função do material com o qual é feita a haste e da faixa de temperatura.
Com base na utilização e conhecimento mais comuns nos dias de hoje, existem oito tipos de termoelementos: S, R, B, J, K, N, T e E. Nos anos seguintes após a descoberta do circuito termoeléctrico, muitas combinações de elementos termoeléctricos foram estudadas. Uma aplicação séria dos achados foi acelerada pela demanda originada pela Revolução Industrial.
Em 1886, Le Chatelier introduziu um termopar constituído de um fio de platina e outro de 90% platina - 10% rhódio. Essa combinação, o tipo S, ainda é usada para fins de calibração e comparação, foi usada para definir a Escala Internacional Prática de Temperaturas de 1968, do ponto de antimônio ao de ouro. Esse tipo de termopar foi fabricado e comercializado por W.C.Haraeus, Gmb. de Hanau/ Alemanha e as vezes é referido como Par Heraeus.
Posteriormente, descobriu-se um termoelemento composto de 87% platina e 13% rhódio, Tipo R, Apresentava uma saída FEM (força eletromotriz) um pouco mais alta.
Em 1954, um termopar foi introduzido na Alemanha cuja perna positiva era uma liga de platina e 30% de rhódio, seu terminal negativo também era uma liga de platina e 6% rhódio. Essa combinação Tipo B, da maior resistência física, maior estabilidade, e pode suportar temperaturas mais altas do que os tipos R e S.
O aspecto econômico dos processos industriais levou a uma procura por metais menos caros a serem utilizados nos termopares. Ferro e níquel práticos e baratos. O níquel puro, entretanto, tornava-se muito quebradiço com a oxidação, e descobriu-se que uma liga de aproximadamente 60% cobre, 40% níquel (constantan) eliminaria esse problema. Essa combinação de ligas, ferro-constantan, é largamente usada e é chamada de Tipo J. A calibração atual para o Tipo J foi estabelecida pelo National Bureau os Standards, hoje conhecido como o National Institute of Standards and Tecnology (N.I.S.T.).
A procura por medições de temperatura mais altas levou ao desenvolvimento de uma liga 90% níquel- 10% de cromo como o fio positivo, e uma liga de 95% níquel - 5% alumínio, manganês e silício, para o fio negativo. Essa combinação inicialmente denominada de Chromel-Alumel, é conhecida como o Tipo K.
Por outro lado, a necessidade de uma medição de temperaturas abaixo de zero contribuiu para a seleção de cobre para o fio positivo e constantan para o negativo no par termoelementos Tipo T.
O relacionamento FEM - temperatura para este par (conhecida com a
Tabela Adams) foi elaborado pelo National Bureau of Standards em 1938.
A combinação relativamente recente do termoelemento positivo do par
Tipo K e o termoelemento negativo do par Tipo T é designado como um par termoelemento Tipo E. Este par é útil quando for necessário uma FEM mais alta.
Nos últimos vinte anos tem sido feito um esforço considerável para avançar a tecnologia da medição de temperaturas. Muitos materiais de termoelementos novos têm sido introduzido para temperaturas mais altas.
Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura49
vácuo Ainda não foram atribuídas nomenclaturas de letras para essas
Combinações de tungstênio, rênio e suas binárias são largamente usadas em temperaturas mais altas para atmosferas redutoras e inertes ou combinações:
O avanço mais significativo recentemente na medição de temperatura foi a adoção da Escala Internacional de Temperaturas de 1990 (ITS-90). O
trabalho de representantes internacionais foi adotado pela Internacional Committee of Eights and Measures em sua reunião de setembro de 1989, e é descrita na "The International Temperature Scale of 1990", Metrologia 27, N.º 1,3-10 (1990); Metrologia 27, 107 (1990).
Resumindo o termopar consiste em um par de condutores metálicos diferentes e puros (ou com ligas homogênea), unidos em uma extremidade, que, quando submetido a um diferencial de temperatura entre as suas junções, gera uma tensão da ordem de milivolts em suas extremidades. Essa tensão é proporcional a diferença de temperatura. E se deve ao efeito Seebeck. Os Termopares são os sensores de maior uso industrial para a medição de temperatura. Eles cobrem uma faixa bastante extensa de temperatura que vai de -200 a 2300°C aproximadamente, com uma boa precisão e repetibilidade aceitável, tudo isto a um custo menor que o de outros tipos de sensores de temperatura .
Figura 4.8 - Representação do Termopar
Figura 4.9 - Detalhe de Termopares
Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura50
Os desenhos da figura acima, mostra um termopar sem proteção (utilizando somente isoladores de cerâmica) e outro com proteção metálica. O comprimento "U" depende da aplicação