Desenvolvimento de ferramenta de colaboração em massa De apoio ao ensino de instrumentação industrial Capítulo 4 – Sensores de temperatura

Introdução Termometria significa "Medição de Temperatura", é o termo mais abrangente que inclui tanto a pirometria como a criometria que são casos particulares de medição. Pirometria - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. Criometria - Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura.

O que é temperatura? Temperatura é uma propriedade da matéria, relacionada com o movimento de vibração e/ou deslocamento dos átomos de um corpo. Todas as substâncias são constituídas de átomos que por sua vez, se compõe de um núcleo e um envoltório de elétrons. Normalmente estes átomos possuem uma certa energia cinética que se traduz na forma de vibração ou mesmo deslocamento como no caso de líquidos e gases.

Escalas de temperatura No SI – Sistema Internacional a unidade básica de temperatura é o Kelvin, sendo que um Kelvin é 1/273,16 da temperatura da água em seu ponto triplo. A escala normalmente utilizada, no Brasil, é o Celsius, que deu origem à escala Kelvin. Existem também outras escalas de temperatura como o grau Fahrenheit, Rankine, Réaumur, Newton e outras mais.

Medidores de Temperatura Os instrumentos de medida da temperatura podem ser divididos em duas grandes classes: 1ª Classe: compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensível está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. São eles: Termômetros à dilatação de sólido; Termômetros à par termo elétrico; Termômetros à resistência elétrica; Termômetros à dilatação de líquido; Termômetros à dilatação de gás; Termômetros à tensão de vapor saturante; Pirâmides fusíveis e "crayons" coloridos.

Medidores de Temperatura 2ª Classe: compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensível não está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. São eles: Pirômetros à radiação total; Pirômetros à radiação parcial (monocromáticos).

Sensores de temperatura Serão estudados os principais sensores de temperaturas utilizados em industrias, veículos, eletrodomésticos e instalações prediais. São eles: Termistores; Termopares; Termoresistores; Par bimetálico; Sensores eletrônicos .

Termistores Existem dois tipos de termistores, os de coeficiente positivo de temperatura (PTC) e os de coeficiente negativo de temperatura (NTC). Nos PTC’s a resistência aumenta com a temperatura e nos NTC’s ocorre o contrário. A Figura 1 mostra alguns tipos de termistores existentes no mercado. Figura 1 – Dispositivos termistores disponíveis no mercado. (Fonte: http://1531360.blogspot.com.br/)

Termopares Um termopar é um transdutor formado na junção de dois condutores diferentes unidos em uma das extremidades, formando um circuito fechado. O termopar gera uma tensão, em mV, que pode ser medida por algum instrumento. A Figura 2 ilustra o circuito de um termopar, formado por dois condutores diferentes A e B. Figura 2 – Circuito elétrico de um termopar (Fonte: Autor)

Termopares Existem diferentes tipos de termopares, são eles os tipo S, R, B, J, N, T e E. cada um com uma curva de tensão versus temperatura diferente. Por serem simples são transdutores baratos e robustos e muito utilizados nos mais variados processos de medição. A Figura 3 ilustra dois modelos de termopares utilizados na indústria. Figura 3 – Modelos de termopares utilizados na indústria. (Fonte: http://portuguese.electric-valveactuator.com/sale-320137-wzp-320-330-321-330-flanges-fabricated-thermal-resistance-platinum-thermocouples-pt100-r.html)

Termoresistência Termoresistências são sensores muito utilizados na indústria, pois apresentam boa precisão, larga faixa de trabalho e permitem ligações de longa distância. Seu funcionamento consiste num filamento delgado de um metal como níquel ou platina cuja a resistência varia conforme a temperatura. Os metais utilizados com maior frequência na confecção de termo resistência são: platina (Pt); níquel (Ni) e cobre (Cu). A faixa de utilização aproximada dos três metais é mostrada a seguir: PLATINA - faixa - 200 à 600ºC (excepcionalmente 1200ºC) - Ponto de Fusão 1774ºC; NÍQUEL - faixa - 200 à 300ºC - Ponto de Fusão 1455ºC; COBRE - faixa - 200 à 120ºC - Ponto de Fusão 1023ºC.

Termoresistência Os mais utilizados são o Pt-100, Pt-1000, Ni-100 e Ni-1000. Sendo que o mais utilizado é o Pt-100, feito em platina com 100Ω a 0ºC. Sua faixa vai de -200 a 650ºC, mas seu uso foi padronizado pela ITS em 90 até 962ºC aproximadamente. A Figura 4 ilustra uma termoresistência. Figura 4 – Termoresistência de platina. (Fonte: Autor)

Par bimetálico Utilizados nos termostatos. É Constituído de duas chapas metálicas de materiais de diferentes coeficientes de dilatação que são montadas frente a frente. Com o aquecimento uma deformação do conjunto faz com que um contato elétrico seja fechado ou aberto. A Figura 5 ilustra a estrutura interna de um termostato com par bimetálico. Figura 5 – Estrutura interna de um termostato com par bimetálico. (Fonte:] Daniel; ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de. Sensores industriais: fundamentos e aplicações. 8.ed. São Paulo: Érica, 2011)

Sensores eletrônicos Existem diversos sensores térmicos eletrônicos de dimensões reduzidas e projetados especialmente para serem montados em placas de circuito impresso. São eles: diodos, transistores e circuitos integrados. Diodos: diodos comuns quando polarizados com correntes de 1mA, tem queda de tensão de aproximadamente 0,62 V a 25ºC. Essa tensão cai aproximadamente 2mV por ºC. Esse função varia um pouco de diodo para diodo e vale até 125ºC.

Sensores eletrônicos Transistores: como a tensão de saturação se altera com a temperatura, transistores podem ser utilizados como sensor de temperatura. Um dos transistores mais utilizados é o 2N2222 por possuir boas curvas de funcionamento e encapsulamento metálico. Circuitos integrados: possuem mais de uma função, como: filtros, reguladores e proteções. Utilizam as característica de dependência dos parâmetros do silício ou a tecnologia de permelloy sobre um substrato de silício.

Pirômetros A medição de temperatura sem contato é uma medição óptica baseada na propriedade de todos os materiais de emitir radiação eletromagnética (radiação infravermelha). O termômetro infravermelho (pirômetro ou termovisor) utiliza esta radiação para determinar sua temperatura. Atualmente um termômetro infravermelho responde nas faixas próxima, média ou distante do espectro. Para a escolha correta do instrumento de medição em uma aplicação específica, várias propriedades do objeto a ser medido devem ser consideradas, como sua faixa de temperatura, material e tamanho.

Pirômetros Usam a radiação de um corpo para medir a sua temperatura, sem ter contato com o corpo ou meio. Todos os corpos emitem radiação própria e contínua. O aquecimento de um corpo pela condução de calor ou convecção, uma parte desse calor é transformada em radiação. A Figura 6 apresenta a estrutura interna de um pirômetro. Figura 6 – Estrutura interna de um pirômetro. (Fonte:] Daniel; ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de. Sensores industriais: fundamentos e aplicações. 8.ed. São Paulo: Érica, 2011)

Pirômetros A Figura 7 apresenta um termômetro digital infravermelho utilizado na indústria. Figura 7 – Termometro digital industrial .(fonte: http://catalogo.tecnoferramentas.com.br/produtos/incoterm/termometro-infravermelho)

Referêcia Bibliográfica [1] Daniel; ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de. Sensores industriais: fundamentos e aplicações. 8.ed. São Paulo: Érica, 2011