TM362 - Sistemas de Medição 2 Prof. Alessandro Marques www. metrologia

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1 TM362 - Sistemas de Medição 2 Prof. Alessandro Marques www. metrologia
TM362 - Sistemas de Medição 2 Prof. Alessandro Marques

2 Termômetros de resistência elétrica
 Termômetros metálicos – RTDs - Resistance Temperature Detectors O tipo de metal utilizado na confecção de bulbos sensores de temperatura, deve possui características apropriadas, como: Maior coeficiente de variação de resistência com a temperatura (α1, α2, ... αn), quanto maior o coeficiente, maior será a variação da resistência para uma mesma variação de temperatura, tornando mais fácil e precisa a sua medição.

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 Termômetros metálicos – RTDs - Resistance Temperature Detectors Estabilidade do metal para as variações de temperatura e condições do meio (resistência à corrosão, baixa histerese, etc.). Linearidade entre a variação de resistência e a temperatura, produzindo escalas de leitura de maior precisão e com maior comodidade de leitura.

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 Termômetros metálicos - RTDs Bobina bifilar metálica enrolada sobre um substrato de cerâmica e encapsulada em cerâmica

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 Termômetros metálicos - RTDs Detalhe de um sensor de temperatura de platina depositada sobre substrato cerâmico

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 Termômetros metálicos - RTDs Fotografia da parte externa de um sensor de temperatura de platina depositado sobre substrato cerâmico.

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 Termômetros metálicos - RTDs Detalhe da construção de um RTD de platina em uma bainha de aço inoxidável.

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 Termômetros metálicos - RTDs Calibração de termômetros de resistências metálicas Existe dois métodos comumente utilizados para calibração dos RTDs: O método de ponto fixo; O método de comparação.

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Calibração de termômetros de resistências metálicas  O método de ponto fixo. É utilizado para calibrações de alta precisão (0,0001 ⁰C) Consiste na utilização de temperaturas de fusão ou solidificação de substancias como: água, zinco e argônio para gerar os pontos fixos e repetitivos de temperatura. Em geral, é lento e caro ! Método usado em ambiente industrial é o banho de gelo acomoda vários sensores precisão de até 0,005 ⁰C

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Calibração de termômetros de resistências metálicas  O método de comparação. Utiliza um banho isotérmico estabilizado e aquecido eletricamente, onde são colocados os sensores a calibrar e um sensor padrão que servirá de referência.

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Calibração de termômetros de resistências metálicas  O método de comparação. Qualquer que seja o método de calibração deve-se seguir o rigor das normas. Para executar uma calibração em condições em que erros muito pequenos são exigidos, justifica-se a escolha de métodos complexos e de equipamentos caros.

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Calibração de termômetros de resistências metálicas Para situações que é suficiente uma incerteza maior ou igual a 0,1 ⁰C, é possível utilizar técnicas mais simples de interpolação ! Para termômetros de resistência de platina é utilizada a Equação de Callendar-Van Dusen (1925) : De 0 ⁰C a 850 ⁰C: R(t) = R0 (1 + At + Bt2) De -200 ⁰C a 0 ⁰C: R(t) = R0 (1 + At + Bt2 + C(t - 100) t3) sendo R(t) a resistência do termômetro de platina a temperatura t; t a temperatura em ⁰C; R0 a resistência do sensor a 0 ⁰C; A, B, C coeficientes de calibração que é determinado usando a resistência para a temperatura de 0 ⁰C e 100 ⁰C

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Calibração de termômetros de resistências metálicas

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Como alternativa, na indústria, pode-se utilizar MMQ, podendo alcançar incertezas de 0,05 ⁰C Montagem com RTDs Uma das maneiras mais populares de utilização de RTDs é por meio de fontes de corrente para excitar o sensor e medir a tensão sobre ele. Outra maneira de implementar um termômetro com RTDs é a utilização de um circuito em ponte de Wheatstone.

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Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone RC – Resistência do cabo Montagem a 2 fios

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Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone Montagem a 3 fios: haverá uma compensação da resistência elétrica pelo terceiro fio. Montagem a 3 fios

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Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone Montagem a 4 fios: existe duas ligações para cada lado da ponte também, anulando o efeito das resistências dos cabos. Montagem a 4 fios

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Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone 2

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Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone

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Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone

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Termistores (Resistores termicamente sensíveis) Os termistores são semicondutores cerâmicos que também tem sua resistência alterada com o efeito da temperatura, mais geralmente possuem um coeficiente de variação maior que os RTDs.

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Termistores (Resistores termicamente sensíveis) Os primeiros tipos de sensores de temperatura de resistência de semicondutores foram feitos de óxido de manganês, níquel e cobalto, moídos e misturados em proporções apropriadas e prensados numa forma desejada.

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Termistores (Resistores termicamente sensíveis) Comparados com sensores de tipo condutor (que têm coeficiente de temperatura positivo e pequeno), os termistores têm um coeficiente muito grande, podendo ser negativo (dito NTC, negative temperature coeficient) ou positivo (PTC – positive temperature coeficient). Enquanto alguns condutores (cobre, platina) são bastante lineares, os termistores são altamente não lineares.

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Termistores Símbolos padrões dos termistores que apresentam uma dependência não linear com a temperatura (a) positiva e (b) negativa. IEC – (International Electrotechnical Commission)

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Termistores Esses dispositivos não são lineares e apresentam uma sensibilidade elevada (em geral, 3% a 5% por ⁰C) Com faixa de operação típica de -100 ⁰C a +300 ⁰C.

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Termistores - PTC Coeficiente de temperatura positiva Os PTCs aumentam a sua resistência com o aumento da temperatura Podem ser construídos de silício, e suas características dependem desse semicondutor dopado (que é a adição de impurezas químicas elementares em elemento químico semicondutor, com a finalidade de dotá-los de propriedades de semicondução controlada específica) E nesse caso a dependência da resistência em relação a temperatura é quase linear.

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Termistores – PTC - Coeficiente de temperatura positiva Outros são construídos de titanatos de bário, chumbo e estrôncio. Curva típica R x T de um termistor do tipo chave Pode-se variar a temperatura na qual ocorre a conversão do coeficiente e depende da composição do termistor (entre 80 ⁰C e 240 ⁰C)

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Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa

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Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa

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Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa

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Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa

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Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa Características gerais dos termistores NTC de uso mais frequente

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Termistores Os termistores são geralmente usados quando é requerida : alta sensibilidade; robustez ou tempo de resposta rápida. Eles são normalmente encapsulados em vidro, podendo utilizar em ambiente corrosivo e abrasivo. A alta resistência de um termistor comparada com a de um RTD, elimina os problemas de compensação de resistência da fiação elétrica.

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Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa

35 Bibliografia BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J.; Instrumentação e fundamentos de medidas, volume 1, 2010. FIGLIOLA, R.S.; BEASLEY D.E., Teoria e Projeto para Medições Mecânicas, 4a Edição, LTC, 2007. Notas de aula Prof. Hélio Padilha e Prof. Marcos Campos