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

Transcrição

1 TM362 - Sistemas de Medição 2 Prof. Alessandro Marques

2 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.

3 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.

4 Termômetros metálicos RTDs - Resistance Temperature Detectors Platina : -180 o C 980 o C Com incerteza expandida de 0,1 o C Alta repetibilidade. Linear. Sensor pode ser usado até 1500m para leitura Niquel : -180 o C 260 o C Alta repetibilidade. Não linear. Sensor pode ser usado até 1500m para leitura.

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

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

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

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

9 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.

10 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

11 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.

12 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.

13 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) : R(t) = R 0 (1 + At + Bt 2 ) sendo R(t) a resistência do termômetro de platina a temperatura t; t a temperatura em ⁰C; R 0 a resistência do sensor a 0 ⁰C; A, B, C coeficientes de calibração que depende do material e é determinado usando a resistência para a temperatura de 0 ⁰C e 100 ⁰C

14 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.

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

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

17 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

18 Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone 2

19 Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone

20 Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone

21 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.

22 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.

23 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.

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

25 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 +315 ⁰C.

26 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.

27 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)

28 Termistores NTC - Coeficiente de temperatura negativa

29 Termistores NTC - Coeficiente de temperatura negativa

30 Termistores NTC - Coeficiente de temperatura negativa

31 Termistores NTC - Coeficiente de temperatura negativa

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

33 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.

34 Termistores NTC - Coeficiente de temperatura negativa

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