Assume particular importância o acoplamento (contacto) térmico entre o sensor e o objecto

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Sônia Bentes Gama
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1 Sensores piezoeléctricos Materiais piezoeléctricos (Titanato de Bário (BaTi), poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) ) geram potencial eléctrico quando sujeitos a vibração ou stress mecânicos (& vice versa) q (= carga) = k f onde k= const. piezoeléctrica (C/N) & f = força Tensão: V = q/c = kf / C Princípio físico: Uma alteração da malha cristalina provoca um rearranjo de carga surgindo uma ddp. Essa tensão pode ser calculada modelando o sensor como um condensador de placas paralelas com uma resistência de fuga de, tipicamente 100 GΩ. Sensores de Temperatura A medição de temperatura requer essencialmente a transferência de uma certa quantidade de energia térmica do objecto para o sensor, que este converte num sinal eléctrico cujas características estão relacionadas com a temperatura do objecto. Assume particular importância o acoplamento (contacto) térmico entre o sensor e o objecto Há vários métodos (e respectiva categoria de sensores). Os principais são:» Métodos Termoeléctricos (Termopar)» Métodos Resistivos (termístor, RTD-Resistive Temperature Detectors)» Métodos de Semicondutor» Métodos Ópticos 1

2 Métodos de Transferência de Calor Condução - Processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso ou entre meios diferentes em contacto físico directo. Convecção Processo de transporte de energia quando há também movimento do meio (líquido ou gasoso). Radiação Processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre eles. Escalas de Temperatura Kelvin T K = T ºC Celsius - ºC Fahrenheit T ºF = T ºC.9/5+32 2

3 Termómetros Líquido Baseados na lei de expansão de volumétrica de um líquido V t =V o.[1+β 1 ( T)+β 2 ( T) 2 +β 3 ( T) 3 ] Líquido Ponto de Solidif. Ponto de Ebulição Faixa de Uso Mercúrio -39 ºC / +350 Álcool Etílico / +70 Tolueno / +100 Termómetros Pressão de Gás Lei dos Gases Perfeitos Observa-se que a variação de pressão é linearmente dependente da temperatura, com volume constante 3

4 (Tensão de Seebeck) Qualquer dos dois efeitos pode dominar dependendo dos metais escolhidos. O que temos, na prática, são tabelas que correspondem a um ajuste polinomial T1 i Metal A T2 Metal B i Tipos de Termopares Termopar Tipo T Cu - Co + Cobre (99%), - Constantan (Cu 58%-Ni42%) Intervalo de temperaturas 200 / 370ºC Aplicações criometria, industria de refrigeração, química, petroquímica 4

5 Termopar Tipo J Fe - Co + Ferro (99,5%) - Constantan (Cu 58%-Ni42%) Intervalo de temperaturas 40 / 760ºC Aplicações Centrais de energia, metalúrgica, química, industria em geral Termopar Tipo E NiCr - Co + Cromio-Niquel (Cr 10%, Ni 90%) - Constantan (Cu 58%-Ni42%) Intervalo de temperaturas 200 / 870ºC Aplicações Química, petroquímica 5

6 Termopar Tipo K NiCr - NiAl + Cromio-Niquel (Cr 10%, Ni 90%) - Alumel (Ni 95,4% - Mn 1,8% - Si 1,6% - Al 1,2%) Intervalo de temperaturas 200 / 1260ºC Aplicações Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento. Termopar Tipo S PtRh 10% - Pt + Platina-Rodio (Pt 90%, Rh 10%) - Platina (Pt 100%) Intervalo de temperaturas 0 / 1600ºC Aplicações Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento. 6

7 Termopar Tipo R PtRh 13%- Pt + Platina-Rodio (Pt 87%, Rh 13%) - Platina (Pt 100%) Intervalo de temperaturas 0 / 1600ºC Aplicações Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento. Termopar Tipo B PtRh 30%- PtRh 6% + Platina-Rodio (Pt 70%, Rh 30%) - Platina-Rodio (Pt 94%, Rh 6%) Intervalo de temperaturas 600 / 1700ºC Aplicações Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento. 7

8 Termopar Termopares especiais Tungsténio Rhénio Até 2300 ºC em continuo Até 2750 ºC em curtos períodos Irídio 40% Rhodio / Irídio Até 2000 ºC em curtos períodos Pt 40% Rh / Pt 20% Rh Substitutos do Tipo B Em continuo até 1600ºC Até 1800 / 1850 ºC em curtos períodos Termopar Termopares especiais Ouro Ferro / Cromio Para temperaturas criogénicas Nicrosil / Nisil Substituto do Tipo K Com f.e.m. menores Pt 40% Rh / Pt 20% Rh Substitutos do Tipo B Em continuo até 1600ºC Até 1800 / 1850 ºC em curtos períodos 8

9 Termopar Termopar Correlações da f.e.m. em função da temperatura 9

10 Termopar A fem do termopar é uma função das propriedades dos metais e da diferença de temperaturas das junções. Na prática, uma das junções é mantida a uma temperatura constante (ou é feita a compensação através de circuitos auxiliares). Há três leis empíricas: 1. (circuitos homogéneos) Num circuito composto apenas por um metal não se pode manter uma corrente apenas por aquecimento. (b) Não é por haver variações de temperatura no metal A que a fem se altera. 2. (metais intermédios) A fem total num circuito constituído apenas pela interligação de vários metais é nula se estes estiverem todos à mesma temperatura. (c) As junções com o metal C estão à mesma temperatura 3. (temperaturas intermédias) Se ε1 é a fem medida com junções a temperatura T1 e T2 e se ε2 é a fem medida com junções a temperatura T2 e T3, então, com as junções a T1 e T3 teremos ε1 + ε2. 10

11 De outra forma: Medir fem e detrminar T pelas tabelas, medir Tf, e calcular Tq=T+Tf É comum também a expressão (A e B constantes) = Aexp R T ( B T ) 11

1000 100 Resistance ratio, R/R 25º C 10 1 0.1 0.01 0.

Termistores -Resistências sensiveis à temperatura constituidas por

12 Resistance ratio, R/R 25º C Temperature, C Figure 2.13 (a) Typical thermistor zero-power resistance ratio-temperature characteristics for various materials. Termistores -Resistências sensiveis à temperatura constituidas por materiais semicondutores -NTC Negative Temperature Coefficient -PTC Positive Temperature Coefficient Gama de temperaturas: -100 / 300ºC Extremamente sensíveis Erros -/+ 0.01ºC 12

RTD resistance is specified at 0 ºC. A typical platinum RTD with 100Ω resistance at 0ºC would have a resistance of 100.39 Ω at 1ºC and a resistance of 119.4 Ω at 50ºC.

13 RTD resistance is specified at 0 ºC. A typical platinum RTD with 100Ω resistance at 0ºC would have a resistance of Ω at 1ºC and a resistance of Ω at 50ºC. Figure shows a comparison of a typical RTD temperature/resistance curve to that of a thermistor. The tolerance of RTDs is better than thermistors, typically ranging from.01% for platinum to.5% for nickel. Aside from better tolerance and overall lower resistance, the interface to an RTD is similar to that for a thermistor. Termoresistências -Têm grande precisão - Podem ser utilizadas numa grande variedade de ambientes e sem limites de distância -São mais caras -Menos resistentes a erros de operação -Temperatura máxima de 630 ºC -É necessário que todo o corpo esteja com temperatura uniforme para medir correctamente -Tempo de resposta longo 13

14 -2 mm -1 Spectral radient emittance, W-cm (a) λ m = 9.66 µm T = 300 K Wavelength, µm 100% % Total power 14

15 Termometro de infra-vermelhos Principio de Funcionamento Gama de temperaturas: -20 / 1000 ºC Radiometros ou Pirometros de Radiação 15

16 Junções pn como sensores de temperatura kt q transístor díodo I = I0e dv be 2.1 mv /º C dt qv kt v d = = 25mV À temperatura ambiente = Para transístor de silício kt q ln I I 0 Termómetros de Semicondutores -Caracteristicas dos materiais semicondutores são dependentes da temperatura -Gama de temperaturas: -230 / 150ºC -Alta sensibilidade -Boa linearidade -Grande precisão 16

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