SENSORES DE TEMPERATURA

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1 UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA TECNOLOGIA EM AUTOMATIZAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA DE INSTRUMENTAÇÃO SENSORES DE TEMPERATURA PROFESSOR: Valner Brusamarello COMPONENTES: Igor Krakheche Maurício Zwirtes Anderson Fistarol Valmor Tibolla CAXIAS DO SUL, 02 de Dezembro de 2003

2 INTRODUÇÃO O controle de temperatura é uma das práticas mais usadas na automação atualmente, pois qualquer material sofre influência das variação da mesma. Podemos citar como exemplo: processos químicos, tratamentos térmicos, caldeiras, etc. Através deste trabalho abordaremos os princípios de 3 sensores de temperatura, relatando as principais semelhanças e diferenças, vantagens e desvantagens de cada um tendo como objetivo definir qual sensor é mais indicado para determinadas situações de controle de temperatura.

3 SENSORES DE TEMPERATURA PT100 O PT-100 é um termômetro de resistência elétrica feito de platina. É chamado de termoresistor, possuindo uma resistência de aproximadamente 100Ω a 0 o C. A norma DIN IEC 751 padronizou a faixa das termoresistências de -200 a 850 C. A platina é um metal especialmente indicado para a construção de sensores de temperatura, pois, pode ser refinada até atingir grande pureza. Deste modo, o valor da resistividade consta em tabelas universais (que não dependem, portanto, do fabricante do sensor). O PT-100 é considerado sensor de alta precisão e ótima repetibilidade de leitura. O princípio físico de funcionamento deste dispositivo é baseado numa relação linear da resistência em função da variação da temperatura, segundo a expressão: Rt = R 0 (1 + a t +b t 2 ) Onde: R é a resistência em função da temperatura R 0 a resistência inicial T é a variação da temperatura a é o coeficiente de temperatura do metal, usaremos o valor indicado pela norma DIN 43760, α=0, b pode ser considerado nulo para a platina, logo a curva resistência versus temperatura é, teoricamente, linear; A figura abaixo mostra essa curva. PT 100 Resistência Ω Temperatura C

4 Desenvolvimento Utilizamos um PT-100 de três fios, com o objetivo de reduzir a influência da resistência do fio na medição. É a opção mais utilizada industrialmente. Com o intuito de analisar os dados eletronicamente, houve a necessidade de utilização de uma Ponte de Wheatstone e de um amplificador operacional. Para a alimentação da Ponte de Wheatstone utilizamos dois reguladores de tensão alimentados por uma fonte de tensão simétrica: LM 317 (para uma tensão positiva) e LM 337 (para uma tensão negativa). A tensão desejada é determinada por duas resistências seguindo a seguinte equação: R2 Vsaída = 1, R1 Escolhemos o valor de 100Ω ±1% para R1 e R2 em ambos reguladores, resultando em tensões de +2,5V e 2,5V. A escolha pela alimentação simétrica justifica-se porque a menor distorção de sinal no amplificador ocorre em valores próximos a 0V. O circuito correspondente é mostrado abaixo.

5 Foram escolhidos também valores de 100Ω ±1% para a Ponte de Wheatstone, conforme mostra o circuito abaixo.

6 Depois de montado o circuito de leitura da temperatura em mv através da Ponte de Wheatstone, calculamos o ganho do amplificador operacional regido pela seguinte equação: R2 Vsaída = ( VA VB) R1 O amplificador possui um resistor variável para ajustar o sinal para 0V quando a temperatura medida é de 0 o C. A figura abaixo ilustra o circuito. A tensão de saída do amplificador foi conectada na entrada analógica do CLP, o qual estava conectado ao computador. Utilizamos um software supervisório para análise dos dados, no qual foi criado um gráfico da temperatura em função do tempo. Montamos um sistema fechado e vedado com uma lâmpada de 220V/60W internamente. Aumentamos a potência da lâmpada gradualmente em função do tempo através do CLP utilizando a técnica PWM. A figura abaixo demonstra o layout.

7 Alguns problemas de ordem prática com este tipo de sensor podem ser citados: a) Erros devidos a cabos e conexões; apesar de ser feita a ligação a três fios para o PT-100 objetivando minimizar o efeito da resistência dos cabos, houve uma alteração da resistência final aplicada à Ponte.

8 b) Resposta limitada em função da "inércia térmica" provocada pela massa do invólucro, geralmente de Aço Inox. É preciso aquecer primeiramente o invólucro para depois aquecer o sensor. Em comparação com o Termopar, o PT-100 levou um tempo alto para a estabilização. c) Uma vez que uma corrente deve passar pelo sensor, existe a possibilidade do mesmo aquecer por dissipação de potência. A tensão de queda sobre o PT-100 a 0 o C era de 2,5V; aplicando a equação P=V 2 /R, obtivemos uma potência dissipada de 62,5 mw. NTC Os termistores consistem de materiais semicondutores tratados com óxidos que exibem uma grande redução na resistência em função do aumento da temperatura. Os termistores NTC, como o próprio nome já diz (Coeficiente de Temperatura Negativo) apresentam uma variação negativa de resistência com o aumento da temperatura, ou seja, ele responde com uma diminuição do valor ôhmico à medida que a temperatura se eleva. Enquanto que a variação da resistência do sensor de platina é quase linear, as curvas de variação do NTC com a temperatura são altamente não lineares. Os NTC s apresentam uma série de vantagens para a medição e controle de temperatura. Ele é um sensor com alta sensibilidade podendo medir variações de até centésimo de ºC. Apresenta um baixo custo e tem uma resposta em tempo rápido.

9 O NTC pode ser classificado de uma forma mais precisa como um semicondutor cerâmico. São geralmente utilizados na faixa de temperaturas de - 50 C a 150 C, podendo ir até 300 C no caso de modelos encapsulados em vidro. Os termistores do tipo NTC podem ser classificados sob quatro tipos principais. O primeiro, de pequenas dimensões físicas, servem para operação em baixa potência, usados para controle de circuitos através de algum sistema amplificador de sinal. O segundo, de grandes dimensões físicas, operando em altas potências, controlam diretamente um determinado circuito, sem sistema amplificador. O terceiro tipo são os termistores em bloco, onde as correntes que eles transportam praticamente não afetam os seus valores de resistência elétrica - são usados no braço de uma ponte para proporcionar uma compensação da temperatura ambiente para um outro termistor que está sendo usado para leitura. O último tipo é o termistor aquecido indiretamente, onde o material semicondutor é aquecido por meio de um filamento que tem valor desprezível de coeficiente de resistência à temperatura. Apresenta a desvantagem de não ser linear, o que força a utilização de um sistema para fazer o ajuste de temperatura em função da resposta. E também devido a sua característica de variar negativamente a resistência com o aumento da temperatura pode assumir um caráter destrutivo, pois com a diminuição da resistência vai aumentando a circulação de corrente que por sua vez produz maior aquecimento e assim por diante. Para este problema não ocorrer utilizou-se uma fonte de corrente conforme figura abaixo:

10 APLICAÇÕES Compensação de temperatura para transistores; Compensação de temperatura para yoke de deflexão; (yoke de deflexão é o cabeçote de deflexão = bobinas magnéticas ao redor de um tubo de TV usadas para controlar a posição do feixe de imagem). Medidores de temperatura Sua resistência segue uma variação exponencial negativa conforme fórmula abaixo: R 1 1 β T T = 0 R e 0 Onde: R = resistência medida R0 = resistência a temperatura T0 β = coeficiente da exponencial T = temperatura de medição (Kelvin)

11 T0 = temperatura de referência (Kelvin) A figura abaixo mostra a curva apresentada pelo NTC NTC Resistência KΩ Temperatura C

12 TERMOPAR Os termopares são elementos sensores de temperatura largamente empregados na indústria, principalmente por oferecerem robustez, baixo custo e operação em uma grande faixa de temperaturas. Estes sensores baseiam-se no efeito termoelétrico, descoberto por Thomas Seebeck em 1821, que é a criação de uma diferença de potencial quando quaisquer dois metais são unidos em um ponto de contato e submetidos a um gradiente de temperatura. Mesmo sendo a tensão gerada uma função extremamente não linear com a temperatura, pode-se linearizar esta variação para pequenas variações de temperatura. O par de condutores de ligas distintas é soldado numa das extremidades, chamada junta quente ou junta de medição, a qual fica colocada no ponto onde desejamos medir ou controlar a temperatura e a outra extremidade, chamada junta fria ou junta de referência, ligada ao instrumento (pirômetro, indicador de temperatura, registrador, etc.). A diferença de temperatura entre estas extremidades gera uma tensão chamada FEM (Força Eletromotriz), a qual existe uma tabela de milivoltagem / graus centígrados para cada tipo de termopar. Embora o efeito termoelétrico apareça quando une-se quaisquer metais diferentes, existem certas combinações de metais e ligas que fornecem resultados mais atrativos, sendo, inclusive, padronizadas em nível internacional. Desenvolvimento

13 Para a leitura de temperatura escolhemos o termopar de tipo K, o qual possui as seguintes características: Termopar tipo K (Cromel - Alumel) Termoelemento positivo (KP): Ni90%Cr10% Termoelemento negativo (KN): Ni95%Mn2%Si1%A12% Faixa de utilização: -270 C a 1200 C f.e.m. produzida: -6,458 mv a 48,838 mv Características: Pode ser utilizado em atmosferas inertes e oxidantes. Pela sua alta resistência à oxidação é utilizado em temperaturas superiores a 600 C, e ocasionalmente em temperaturas abaixo de 0 C. Não deve ser utilizado em atmosferas redutoras e sulfurosas. Em altas temperaturas e em atmosferas pobres de oxigênio ocorre uma difusão do cromo, provocando grandes desvios da curva de resposta do termopar. Este último efeito é chamado "green - root ". No nosso trabalho ligamos o termopar diretamente na entrada analógica do CLP. Este, possui uma configuração interna onde podemos configurar o tipo de termopar utilizado. Dessa forma, podemos obter a temperatura medida ao utilizar o circuito interno da entrada analógica para compensação de temperatura na junta fria feita através de diodos semicondutores. A leitura do CLP apresenta uma resolução de um décimo de ºC. Identificamos que o termopar tem um tempo de resposta baixo, tornando-se dessa forma um pouco instável. A curva apresentada para a faixa de temperatura que fornecemos ao termopar é praticamente linear. A figura abaixo apresenta a curva apresentada pelo TERMOPAR

14 TERMOPAR Tensão mv 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1, Temperatura C CONCLUSÃO O método de leitura de temperatura, a princípio, parece ser um trabalho simples, mas ao fazermos uma abordagem mais detalhada, percebemos que para obter um valor preciso de temperatura, precisamos dominar vários conceitos físicos. Caso contrário, obteremos valores de temperatura imprecisos devido a má configuração do projeto. Ao desenvolvermos nosso projeto verificamos, ao longo de vários testes, a variação do sinal lido quando da mudança de fios e de métodos de ligações. Além disso, fomos obrigados a trocar as resistências na Ponte de Wheatstone para diminuir a dissipação de potência em cima do PT-100. Fato que estava alterando o valor medido. Trabalhando com três sensores de temperatura diferentes podemos identificar as semelhanças e diferenças e vantagens e desvantagens de um em

15 relação ao outro. Foi útil para auxiliar no processo de ensino da instrumentação e deixou-nos claro que quando trabalhamos com variáveis a serem medidas, devemos atuar da forma mais criteriosa e técnica possível para obtermos resultados precisos.

16 BIBLIOGRAFIA M.A.Zaro e I.G.Borchardt, Instrumentação-Guia de Aulas Práticas -Editora da UFRGS, Porto Alegre,