BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho

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1 Definição: Termoresistores (RTD) São metais condutores que variam sua resistência ôhmica com a temperatura (dado que sua geometria é bem definida e conhecida). Equação: R T R n a T a T 2 a T n Onde: - R 0 é a resistência à potência zero medida à temperatura T 0 ; - a 1, a 2 e a n são coeficientes de temperatura, podendo ser PTC ou NTC. 2

2 Resistores comerciais: tabela Termoresistores (RTD) Apresentam-se de três formas distintas: fio enrolado, filme e vidro endurecido. Os materiais mais usados para RTDs são a Platina e o Níquel.

3 Resistores comerciais: proteção BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Devido à fragilidade mecânica dos termoresistores há necessidade de protegê-los com os chamados tubos de proteção. Termoresistores (RTD)

4 Construção física Termoresistores (RTD) O bulbo de resistência se compõe de um filamento, ou resistência de Pt, Cu ou Ni, com diversos revestimentos, de acordo com cada tipo e utilização. Os sensores de platina, devido a suas características, permitem um funcionamento até temperaturas mais elevadas, têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro. Para utilização como termômetro padrão, os sensores de platina são completamente desapoiados do corpo de proteção. A separação é feita por isoladores, espaçadores de mica,

5 Termoresistores (RTD) Características da termoristência de Platina As termoresistências Pt são as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade, larga faixa de utilização ( -270 C a 660 C), alta precisão, boa repetibilidade e alto tempo de resposta (tempo necessário para o sensor reagir a uma mudança de temperatura e atingir 63,2 % da variação da temperatura).

6 Princípio de medição: Termoresistores (RTD) As termoresistências são normalmente ligadas a um circuito de medição tipo Ponte de Wheatstone, sendo que o circuito encontra-se balanceado quando é respeitada a relação R4.R2 = R3.R1 e desta forma não circula corrente pelo detector de nulo, pois se esta relação é verdadeira, os potenciais nos pontos A e B são idênticos.

7 Princípio de medição: ligação à 2 fios BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Termoresistores (RTD) Dois condutores de resistência relativamente baixa RL1 e RL2 são usados para ligar o sensor Pt-100 (R4) à ponte do instrumento de medição. Nesta disposição, a resistência R4 compreende a resistência da Pt- 100 mais a resistência dos condutores RL1 e RL2. Isto significa que os fios RL1 e RL2 a menos que sejam de muito baixa resistência, podem aumentar apreciavelmente a resistência do sensor.

8 Princípio de medição: ligação à 3 fios BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Termoresistores (RTD) Este é o método mais utilizado para termo-resistências na indústria. Neste circuito a configuração elétrica é um pouco diferente, fazendo com que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor, permitindo que a RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceando o circuito. Na ligação a 2 fios, as resistências de linha estavam em série com o sensor, agora na ligação a 3 fios elas estão separadas.

9 Princípio de medição: ligação à 4 fios BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Termoresistores (RTD) 4

10 Definição: Termistores Dispositivo cuja resistência varia com a temperatura de seu material, seja externa (uma elevação de temperatura ambiente) ou interna (dissipação térmica por efeito Joule). Ao contrário dos RTDs, os termistores são em sua grande maioria do tipo NTC e possuem respostas não-lineares para as variações de temperatura. Equação: R T 1 1 T T 0 R e onde é uma constante que depende do material e do método de fabricação do termistor e R 0 é a resistência na temperatura T 0 (ambiente). 0 TC 1 R T TC 2 T dr dt

11 Curvas características: Os números em cada curva referem-se ao valor de sua resistência em Ohms à 25 o C. Termistores x x x x

12 Linearização: Termistores A temperatura de referência T 0 é geralmente tomada como 298 K (25 o C) e a constante = - 4,0 para um NTC. Isso implica num coeficiente de temperatura de -0,0450 comparado com + 0,0038 para a platina. Uma técnica para reduzir a não linearidade de um termistor consiste em derivá-lo com um resistor comum. termistor termistor com resistência em paralelo resistor fixo somente termistor

13 Termistores Métodos de medição: fonte de corrente (2 fios) V medido 2R fio R sensor i V medido Rsensor 2 i R fio

14 Termistores Métodos de medição: fonte de corrente (4 fios) R sensor V medido i

15 Termistores Métodos de medição: fonte de corrente (4 fios) I + V medido _ BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Z in i I I4R fio Zin i2r fio Zin 0 2R Z i2r R Z 0 fio in 4R i 2 R V sensor fio fio fio Z Z R in in sensor I sensor i in R sensor V sensor i 1 4R 2R fio fio Z in

16 Termistores Métodos de medição: ponte de Wheatstone a 2 fios Essa configuração apresenta uma não linearidade do sinal de saída (V) em função de R sensor. Uma das formas de minimizar esse efeito consiste em utilizar valores elevados da relação R sensor /R 3 e R 2 /R 1 além de operar com a ponte próxima da condição balanceada. O valor do resistor R3 deve ser ajustado de forma que o sinal de saída (V) seja sempre nulo.

17 Aplicações: medida de temperatura BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Termistores Maior sensibilidade

18 Termistores Aplicações: compensação de variação de temperatura Microamperímetro de precisão

19 Aplicações: indicador de nível de líquido BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Termistores Como a água tem uma constante de propagação térmica maior do que o ar, um termistor estará mais frio do que o outro. resistência T 2 T 1 > T 2 resistência T 1

20 Termistores Aplicações: medidor de velocidade de líquidos T1 e T2 estão numa ponte de Wheatstone equilibrada; T1 está em contato com o fluido em movimento; T2 está em contato com o fluido sem movimento; A temperatura em T1 será menor que em T2; velocidade do fluido.

21 Aplicações: medidor de altitude Termistores

22 Aplicações: medidor de altitude Termistores R 1 mantém o líquido em ebulição; O termistor T mede a temperatura do líquido; Quando o conjunto for levado para uma altitude maior, o líquido ferverá numa temperatura menor; Haverá um acréscimo na resistência do termistor que pode ser detectado por um miliamperímetro.

23 Transdutores de temperatura: junção semicondutora Definição: dispositivos de junções PN/NP utilizados na região ativa, onde a tensão base-emissor controla a corrente de coletor, representada pela equação de Ebers-Mol: I C I S e V be/ V T 1 onde: V T =kt/q k=1,38 x J/K (constante de Boltzman) q=1,67 x Coulombs (carga do elétron) T= (273,16+ o C) K I S =1,87 x A (corrente reversa de saturação do diodo)

24 Corrente coletor [ma] BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Transdutores de temperatura: junção semicondutora Curvas características: Reescrevendo a equação anterior, temos que: kt I C V be ln para I C /I S >>1 q I S Na verdade I S também varia com a temperatura. Para junções de silício I S dobra a cada 6 o C e a cada 10 o C para junções de germânio. 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 1,0E+00 1,0E-01 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05 1,0E-06 1,0E-07 1,0E-08 1,0E-09 T= 26 o C T= 0 o C T= 50 o C T= 100 o C Tensão Vbe [V]

25 Transdutores de temperatura: junção semicondutora Coeficiente de temperatura: transistor 2N2222 dv be dt

26 Transdutores de temperatura: junção semicondutora Aplicações: termômetro simples a corrente de operação do sensor é fixada pelo diodo Zener através de R 2 ; o resistor R4 polariza o amplificador para que V 0 seja zero em T=0 o C; o resistor R 5 é ajustado para que o coeficiente de temperatura do sistema seja de 100 mv/ o C. ΔT(resistor,diodo, ampop) ΔT(sensor)

27 Transdutores de temperatura: junção semicondutora Aplicações: termômetro diferencial V be kt q I ln I C S 1 I ln 1 I C 2 S 2 fazendo I S1 =I S2 (transistores iguais à mesma temperatura) V be kt q ln I I C1 C2 e fazendo I C1 =2I C2 V be 57,3V / K

28 Transdutores de temperatura: integrados MTS 102, 103 e 105 da Motorola São transistores comuns, integrados em uma pastilha de silício, mas com uma tensão baseemissor otimizada para variar linearmente com a temperatura.

29 Transdutores de temperatura: integrados MTS 102, 103 e 105 da Motorola: aplicação prática

30 Transdutores de temperatura: integrados MTS 102, 103 e 105 da Motorola: aplicação prática V o =?

31 Transdutores de temperatura: integrados LM335 da National Sensor de temperatura semelhante a um Zener e cuja tensão Zener é proporcional à temperatura ambiente em Kelvin.

32 Transdutores de temperatura: integrados LM335 da National: aplicação Compensação de junta fria em termopares Transdutor de temperatura diferencial

33 Transdutores de temperatura: integrados AD590 da Analog Devices Uma fonte de corrente controlada pela temperatura, com sensibilidade de 1 A/K.

34 Transdutores de temperatura: integrados AD590 da Analog Devices: compensação de junta fria para o termopar do tipo J

35 Transdutores de temperatura BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA RESUMO:

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