DESENVOLVIMENTO DE UM TERMÔMETRO DIGITAL COM O COMPONENTE CERÂMICO ZnFe 2 O 4

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 DESENVOLVIMENTO DE UM TERMÔMETRO DIGITAL COM O COMPONENTE CERÂMICO ZnFe 2 O 4 Waleyd Jamal Sati (1) ; Augusto Celso Antunes (2) ; Nilson Biagini Sabino (3) ; Alfredo José Zara (1) ; Sidnei Antonio Pianaro (1) e Sandra Regina Masetto Antunes (2) Universidade Estadual de Ponta Grossa Centro Interdisciplinar de Pesquisa e Pós Graduação Laboratório Interdisciplinar de Materiais Cerâmicos (LIMAC) Av. Carlos Cavalcanti 4748 Cep: Ponta Grossa PR limac@uepg.br (1) Departamento de Engenharia de Materiais - UEPG. (2) Departamento de Química - UEPG. (3) Pós - Graduando em Ciência e Engenharia de Materiais - UEPG. RESUMO Dentre os materiais cerâmicos empregados para medidas digitalizadas de temperatura, destaca-se o ZnFe 2 O 4. Estas cerâmicas foram obtidas pelo método Pechini, compactados na forma de pastilhas e sinterizadas a 1000 ºC por quatro horas, posteriormente, realizou-se a caracterização elétrica, aplicando-se uma tensão fixa de 5 V e medindo-se a corrente para diferentes temperaturas. Com os resultados de caracterização elétrica, observou-se que o termistor é do tipo NTC, com um α de 0,066 (K -1 ) para 303,15 K e uma energia de ativação de 0,52 ev. Este termistor foi conectado com um resistor de 4,549 KΩ em um circuito eletrônico, atuando como um divisor de tensão. Manteve-se a tensão fixa em 5 V no divisor e variou-se a temperatura sobre o termistor em 1 ºC por minuto. Os resultados obtidos, em conjunto de pares tensão-temperatura, foram agrupados em forma de tabela e inseridos no programa digital do circuito. Palavras-chave: termistor, NTC e Pechini.

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 INTRODUÇÃO Este trabalho tem por finalidade o desenvolvimento de um termômetro digital, para medidas de uma ampla faixa de temperatura, utilizando como sensor termoelétrico o termistor ZnFe 2 O 4. Os valores medidos de temperatura foram ilustrados na tela de um microcomputador. O desenvolvimento de tecnologias para sensores têm sido de fundamental importância para o monitoramento e controle de variáveis, tais como, temperatura e pressão, em diversos equipamentos e processos. Para obter sensores eficientes é necessário utilizar materiais que apresente resposta a estas variáveis e que apresente baixo custo, elevada estabilidade química e mecânica (1). Alguns óxidos cerâmicos possuem sensibilidade a variações de temperatura, podendo ser utilizados como sensores. Estes dispositivos são chamados de termistores (2). Os termistores são uma classe de semicondutores que exibem uma mudança na resistividade elétrica com a variação de temperatura. As aplicações destes semicondutores estão diretamente ligadas a variação bem definida da resistividade elétrica em relação à temperatura. Tal característica os torna, apropriados para a medição e controle de temperatura (2). Eles podem ser classificados como NTC ( coeficiente negativo de temperatura), termistores nos quais a resistividade elétrica diminui com a temperatura; PTC ( coeficiente positivo de temperatura) termistores nos quais a resistividade elétrica aumenta com a temperatura; e CTR ( resistor crítico de temperatura) termistores nos quais exibem uma drástica variação da resistividade elétrica a uma temperatura crítica (2). Os termistores NTC são cerâmicas semicondutoras compostas por óxidos de metais de transição. Dentre estas cerâmicas podemos destacar as ferritas, as quais tem fórmula geral M 1-δ Fe 2-δ O (3) 4. A resistividade e a estabilidade elétrica, destes materiais, depende de alguns fatores, tais como: composição, homogeneidade, a presença de ferro divalentes e fases secundárias (3). A obtenção de espinélios ZnFe 2 O 4 monofásicos a partir dos óxidos de ZnO e Fe 2 O 3 requer elevadas temperaturas de sinterização para que a reação de estado

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 sólido seja eficiente (4-5). Nesse processo é necessário uma mistura homogênea dos óxidos e um controle preciso da granulometria dos pós de partida, caso contrário, a formação de fases secundárias, ocasionadas por uma reação incompleta dos óxidos, é praticamente inevitável. Dentre os possíveis métodos alternativos de preparação do pó, o método gel, conhecido como Pechini (5), pode ser aplicado com sucesso, pois ocorre a formação somente do espinélio de zinco e ferro. Neste trabalho avaliou-se as propriedades elétricas do sistema ZnFe 2 O 4 para sua utilização como sensor termoelétrico, no desenvolvimento de um termômetro digital. O sensoriamento básico deste termômetro, ou seja, a conversão inicial temperatura tensão, é realizada a partir do termistor ZnFe 2 O 4. Na parte digital do circuito está envolvido o emprego de um conversor analógico-digital (ADC 0804), que exercerá a função da conversão dos dados analógicos provindos do monitoramento pelo termistor, em dados digitais para serem inseridos na porta de comunicação de um microcomputador, o qual ilustrará os valores de temperatura sobre o qual, o termistor está submetido. MATERIAIS E MÉTODOS Para a obtenção do termistor ZnFe 2 O 4, inicialmente foi misturado ácido cítrico em etilenoglicol, mediante agitação magnética e aquecimento; adicionando-se em seguida nitrato de zinco hexahidratado, lentamente, até sua dissolução total. Em seguida, a temperatura foi elevada a C para a policondensação, com liberação de H 2 O e óxidos de nitrogênio. A esta resina foi acrescentado nitrato de ferro (III), de forma a obter a estequiometria desejada ( AB 2 O 4 ), sob agitação e aquecimento. A resina obtida foi aquecida a C por trinta minutos e depois a C por duas horas, para eliminação de matéria orgânica. O material foi moído por dezoito horas, via álcool isopropílico, e seco em estufa. A amostra calcinada a C foi prensada uniaxialmente em forma de pastilhas. Após a compactação as pastilhas foram sinterizadas a C por quatro horas.

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 Para a caracterização elétrica as amostras foram submetidas a uma tensão de 5 volts e variou a temperatura de + 27,0 ºC a ºC com uma variação de 5 ºC por minuto. Após a caracterização do termistor, montou-se o divisor de tensão com o termistor e um resistor ôhmico de valor teórico de 4,700 KΩ a tensão no divisor foi de 5 volts, e variou-se a temperatura de 27ºC a +100ºC variando em 1 ºC por minuto e, mediu-se a tensão e a corrente elétrica que o termistor apresentava para a correspondente temperatura a qual estava submetido. A tensão sobre o termistor foi inserido na entrada do conversor analógico digital ADC 0804, para que estes dados analógicos se transformem em dados digitais para serem inseridos na entrada paralela de um microcomputador. Os dados digitalizados são processados pelo microcomputador de acordo com os valores correspondentes temperatura tensão sobre o termistor, valores estes que foram anteriormente realizados experimentalmente e inseridos num software específico, sendo processado por um computador. A temperatura a qual o termistor está submetido é controlada na tela do computador.

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO As amostras obtidas após calcinação a 500 ºC e sinterização a 1000 ºC, por quatro horas, foram caracterizadas por difratometria de raios X (figura 1) Intensidade Relativa (Cps) (a) (b) θ Figura 1 Difratograma de raios X da amostra ZnFe 2 O 4, (a) calcinada a 500 ºC por quatro horas e (b) sinterizada a 1000 ºC por quatro horas. Pela análise dos difratogramas de raios X observa-se somente o padrão de difração de uma estrutura cúbica do tipo espinélio, ZnFe 2 O 4, tanto nas amostras somente calcinadas, como nas sinterizadas. Este resultado mostra a eficiência do método utilizado para a obtenção do espinélio, ZnFe 2 O 4 monofásico. Na figura 2 estão apresentados os resultados da variação da resistividade elétrica com a temperatura, no intervalo de 300,15 K a 398,15 K, para o sistema ZnFe 2 O 4.

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 Figura 2 Gráfico da variação da resistividade elétrica com a temperatura para o sistema ZnFe 2 O 4, sinterizado a 1000 ºC, com a tensão fixa em 5 V. Para determinar a variação da resistividade elétrica com a temperatura e a constante do material utilizou-se a equação abaixo: R = R o 1 1 exp β (A) T To sendo que R e R o são resistências elétricas a temperaturas T e T o, respectivamente, e β é a constante do termistor ( K 1 ). O coeficiente de variação da resistividade com a temperatura (α) foi calculado pela expressão (6) : α β 2 T = (B) Este sistema apresenta uma variação negativa da resistividade com a temperatura, característica dos termistores NTC. O coeficiente α (coeficiente negativo de temperatura) foi determinado como sendo de -0,066 para 30 0 C, o que significa uma variação negativa de 6,6% na resistividade por Kelvin. A energia de ativação para a condução elétrica foi obtida

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 por meio do coeficiente angular da curva log ρ x 1/T (6), apresentada na figura 2. O valor obtido foi de 0,52 ev e está de acordo com os dados da literatura (4,5,6,7). Na figura 3 estão apresentados os resultados da variação da resistência elétrica com a temperatura, no termistor ZnFe 2 O 4 quando estava fazendo parte do divisor de tensão com um resistor ôhmico de 4,549 KΩ. Resistência (ohm) Tem peratura (Kelvin) Figura 3 Variação da resistência elétrica com a temperatura do termistor ZnFe 2 O 4 no divisor de tensão com um resistor ôhmico, alimentado com 5 V. Os resultados da figura 3 apresentam uma grande variação que ocorre na resistência elétrica do termistor, no divisor de tensão, para a faixa de temperatura de 300 K a 370 K, mostrando que o termistor ZnFe 2 O 4 é um sensor termoelétrico eficiente nesta faixa de temperatura, para o termômetro digital.

8 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 CONCLUSÕES O método Pechini utilizado na preparação de óxidos mistos de Fe 3+ e Zn 2+ mostrou-se eficiente na obtenção de espinélio de ZnFe 2 O 4 monofásico, para temperaturas de sinterização relativamente baixas, quando comparadas pelo método tradicional de mistura de óxidos. Este sistema apresenta uma variação negativa na resistividade elétrica em função da temperatura (comportamento NTC) de 6,6 % por grau Kelvin e uma energia de ativação de 0,52 ev. Obteve-se desta forma, composição cerâmica termistoras. O termistor no divisor de tensão com o resistor ôhmico no qual fazem a parte analógica do circuito do termômetro digital, apresentou uma ampla variação da resistividade em função da temperatura, para faixa de 300K a 380K, mostrando-se um sensor termoelétrico eficiente para o desenvolvimento do protótipo do termômetro digital, para esta faixa de temperatura. REFERÊNCIAS 1. Fagan, J.G.; Amarakoon, V.R.W. Realiability and Reproducibility of Ceramic Sensors: part I, NTC thermistors. American Ceramic Society Bulletin, v.72, nº 72, p.70-79, Kreton, L.., Ceramic sensors, Ceramic Bulletin, v.68, nº 4, p WEST, A.R., Solid State Chemistry and its Applications. John Wiley and Sons, 84, p.330, BUCHANAN, R. C. Ceramic Materials for Eletronics, Marcel Dekker, 227 (1986). 5. PECHINI, M US PAT. Nº (1967). 6. Hill, D.C.; Tuller, H.L., Ceramic Sensors teory and practise. In: Buchanan, Relva, C., Ceramic materials for Electronics, New Yoek: Marcel Dekker, p ,1996.

9 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 7. ICHINOSE, N.; KOMEYA, K.; OGINO, N.; TSUGE, A. e YOKOMIZO, Y. Ceramics, JOHN WILEY & SONS, 90 (1987). 8. GILLOT, B.; BENLOUCIF, R.M. e ROUSSET, A. Phys. Stat. Sol. (a), 65, 205, (1981). Agradecimentos: Fundação Araucária, CNPq/PIBIC e Paraná Tecnologia. DEVELOPMENT OF DIGITAL THERMOMETER UTILIZING THE ZnFe 2 O 4 CERAMIC AS THERMOELECTRIC SENSOR ABSTRACT In a digital thermometer, frequently, is constitute thermoelectric sensor, one of the materials that can be use are ZnFe 2 O 4 ceramics. This spinels of ZnFe 2 O 4 were obtained for the polimeric precursory method, known as Pechini. Density in pastille form and burnt 1000 ºC for four hours. After realized the electrics characterization, the tension in function of electric current. Observed for the results of the electric characterization, that the material is a thermistor NTC (negative temperature coefficient) with a α of the 0,066 (K -1 ) to 303,15 K and 0,52 ev activation energy. The thermistor was kept in a circuit divisor tension with a ohmic resistor, fixed 5 V electric tension in the divisor and varied the temperature on the thermistor ZnFe 2 O 4 in 1 ºC for minute. The electric resistence results in function of temperature were grouped in the table form, subsequently were insert in digital stage of the circuit. Key words; thermistor, Pechini and NTC.

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