INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO SUL CAMPUS RIO GRANDE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

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1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO SUL CAMPUS RIO GRANDE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

2 Aula 21 2

3 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA COM TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA 3

4 As termoresistências (ou bulbos de resistência ou termômetro de resistência ou RTD), são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência ôhmica em função da temperatura. Elas aumentam a resistência com o aumento da temperatura. Por suas condições de alta estabilidade e repetitividade, baixa contaminação, menor influência a ruídos e boa classe de exatidão, eles são muito usados nos processos industriais. 4

5 São chamados de termômetros de resistência aqueles em que os sensores de temperatura são resistências elétricas. Estas resistências elétricas variam com a temperatura do meio onde estão inseridas, e um circuito elétrico (eletrônico) registra esta variação. Seu elemento sensor consiste de uma resistência de fio de platina (Pt) de alta pureza, de níquel ou de cobre (menos usado) encapsulado num bulbo de cerâmica ou de vidro. 5

6 Entre estes materiais, o mais utilizado é a platina, pois apresenta uma ampla escala de temperatura e uma alta resistividade, permitindo assim uma maior sensibilidade, um alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura, uma boa linearidade resistência x temperatura. Também por ter rigidez e ductilidade (grau de deformação que um material suporta até o momento de sua fratura) pode ser transformada em fios finos, além de ser obtida em forma puríssima. 6

7 O bulbo de resistência é composto por um filamento (ou resistência de Pt, Cu ou Ni), com diversos revestimentos de acordo com cada tipo e utilização. 7

8 Como já vimos, os metais utilizados com maior frequência na confecção de termoresistência são: PLATINA Faixa à 600ºC (excepcionalmente 1200ºC) Ponto de Fusão 1774ºC. NÍQUEL Faixa à 300ºC Ponto de Fusão 1455ºC. COBRE Faixa à 120ºC Ponto de Fusão 1023ºC. 8

9 As termoresistências de Ni e Cu têm sua isolação normalmente em esmalte, seda, algodão ou fibra de vidro. Não existe necessidade de proteções mais resistentes à temperatura, pois acima de 300ºC o níquel perde suas características de funcionamento como termoresistência, e o cobre sofre problemas de oxidação em temperaturas acima de 310ºC. Os sensores de platina, devido a suas características, permitem um funcionamento até temperaturas bem mais elevadas, têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro. Apesar da Pt não restringir o limite de temperatura de utilização, quando a mesma é utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminação dos fios. 9

10 A termoresistência de platina tem sua curva padronizada conforme norma DIN-IEC Tem como características uma resistência de 100 Ω a 0 C. Convencionou-se chamá-la de Pt-100, (fios de platina com 100 Ω a 0 C). 10

11 Outro fator importante em um sensor Pt 100 é a repetitividade, que é a característica de confiabilidade da termoresistência. Repetitividade deve ser medida com leitura de temperaturas consecutivas, verificando-se a variação encontrada em medições à mesma temperatura. O tempo de resposta é importante em aplicações onde a temperatura do meio em que se realiza a medição está sujeito a mudanças bruscas. 11

12 TABELA - Resistência versus Temperatura para Pt

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15 Circuito de medição de temperatura com bulbo de resistência tipo Pt-100. A medição de temperatura utilizando bulbo de resistência é feita medindo-se a variação da resistência elétrica do elemento sensor através de técnicas avançadas que garantem alta exatidão nos valores obtidos. Dentre essas técnicas a mais utilizada é a Ponte de Wheatstone. 15

16 O circuito em Ponte de Wheatstone inicialmente é posta em equilíbrio (V=0). Quando ocorre variação de temperatura a resistência do sensor varia, desequilibrando o circuito de forma proporcional a temperatura, surgindo assim uma tensão no circuito. É fácil perceber, deste modo, que podemos efetuar a medição da temperatura através da variação de uma resistência da ponte. 16

17 Princípio de medição de termorresistências Ponte de Wheatstone montagem a dois fios É satisfatória em locais onde o comprimento do sensor ao instrumento indicador não ultrapasse 3,0 m para fios de bitola 20 AWG. Se o comprimento for maior que o recomendado, haverá um erro de leitura ocasionado pela soma da resistência gerada pelos cabos de interligação. 17

18 Princípio de medição de termorresistências Ponte de Wheatstone montagem a dois fios R4 = termorrsistência RL = resistência da fiação Esta resistência de fiação tende a aumentar quanto maior for a distância entre o sensor e o instrumento, menor for a bitola dos fios ou maior a temperatura ambiente. 18

19 Quando a ponte estiver balanceada: Sendo R1=R2, para uma ponte balanceada o valor da resistência R3 tem que ser igual a R4 mais as resistências de fiação RL1 e RL2; que dependendo de seus valores podem induzir erros graves na medição de temperatura com termorresistência.

20 Temos abaixo uma tabela que mostra a relação bitola dos condutores x distância máxima entre termorresistência a dois fios e instrumento receptor.

21 Princípio de medição de termorresistências Ponte de Wheatstone montagem a três fios Este tipo de montagem é a mais utilizada industrialmente, pois se o sensor estiver conectado a um instrumento adequado para receber ligação a três fios, haverá uma compensação da resistência pelo terceiro fio que resultará em uma leitura íntegra. Lembramos que a leitura do sensor a três fios se dará integralmente se a ponte estiver balanceada e o instrumento indicador for o correto. 21

22 Princípio de medição de termoresistências Ponte de Wheatstone montagem a três fios 22

23 Se os fios de ligação forem do mesmo tipo, tiverem o mesmo comprimento e diâmetro e estiverem na mesma temperatura, eles terão o mesmo valor de resistência (RL1 = RL2).

24 Princípio de medição de termorresistências Ponte de Wheatstone montagem a três fios 24

25 Princípio de medição de termorresistências Ponte de Wheatstone montagem a quatro fios Esta montagem é a mais precisa que existe para termorresistências. Com duas ligações em cada terminal do bulbo há um balanceamento total das resistências dos fios, e, quando interligadas adequadamente ao instrumento indicador elas se tornam praticamente desprezíveis. Porém esta montagem não é muito utilizada industrialmente, somente nos casos onde se requer uma precisão de leitura. Seu uso mais constante se dá nos padrões exigidos em laboratórios de calibrações. 25

26 Princípio de medição de termoresistências Ponte de Wheatstone montagem a quatro fios 26

27 Estrutura de montagem: O fio de platina é enrolado na forma helicoidal e encapsulada em um bulbo com cerâmica ou vidro. Os bulbos de vidro geralmente são usados em laboratórios, onde se deseja um tempo de resposta baixo, já os bulbos cerâmicos são mais recomendados para aplicações industriais, pois resistem a temperaturas mais altas e tem uma maior resistência mecânica. 27

28 Estrutura de montagem: Estes sensores são colocados em poços ou tubos de proteção para uma maior resistência e interligados por fios de cobre, níquel ou prata até o cabeçote.

29 Estrutura de montagem: Assim como nos termopares, nos termômetros de resistência também se utiliza a isolação mineral. Na montagem convencional de um termômetro com isolação mineral, tem-se o sensor montado em uma bainha metálico com uma extremidade fechada e preenchido todos os espaços com óxido de magnésio, permitindo uma boa troca térmica e protegendo o sensor de choques mecânicos. 29

30 Estrutura de montagem: A ligação do bulbo é feita com fios de cobre, prata ou níquel isolados entre si (condutores); sendo a extremidade aberta, selada com resina epoxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar. 30

31 Poço de proteção para bulbo de resistência Poço de proteção ou tubo protetor é uma peça cilíndrica, oca, fechada em uma extremidade e rosqueada ou soldada na outra extremidade na estrutura de medição (tanque, vaso, ect.), cujo objetivo é a de garantir proteção mecânica e química do bulbo de resistência, permitindo assim, o aumento de sua vida útil. O poço protetor é normalmente fabricado em material metálico, cuja constituição química é escolhida em função de sua compatibilidade com as condições do processo, podendo ser feito a partir de tarugo ou tubo de aço inox 304, 316, 410, monel, tântalo ou outro metal conforme requerido. Para caso em que a temperatura do processo seja muito elevada, o poço deve ser construído com cerâmica. 31

32 O princípio físico de funcionamento deste termômetro é baseado numa relação linear da resistência em função da variação da temperatura. 32

33 Vantagens Alta velocidade de resposta Larga gama de medição de temperaturas Alta precisão e excelente repetitividade de leitura. 33

34 Desvantagens: Auto-aquecimento O auto-aquecimento é causado pela corrente que passa pela resistência, oriunda do instrumento de leitura. Por efeito Joule, há a geração de calor, quando uma corrente elétrica atravessa uma resistência. Para uma medição de temperatura com termorresistência, este aquecimento pode levar a erros que comprometem esta medição; então este aquecimento tem que ser limitado a pequenos valores para que possa ser desprezado. Para isso deve-se limitar a corrente de excitação do sensor. Nos casos em que existe a necessitada de proteção mecânica e química, as bainhas metálicas podem sofrer ataques de produtos químicos corrosivos. 34