Universidade de Coimbra Biosensores e Sinais Biomédicos (2007-2008) Trabalho Prático N 1 ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE SENSORES DE TEMPERATURA: Objectivo TERMOPARES E TERMÍSTORES Determinação da resposta de um Termopar e de um Termístor em função da temperatura. Através da realização da experiência descrita, determinar os parâmetros das curvas de resposta de cada um destes sensores bem como o erro associado. Discussão dos resultados obtidos. Material Material usado para este trabalho: 1 base de aquecimento 1 multímetro para leitura directa da temperatura (usado como termómetro) 1 multímetro para leitura da tensão e resistência eléctricas 1 termopar do tipo K 1 termsístor do tipo NTC Introdução 1. TERMOPAR Quando temos dois condutores metálicos A e B (metais puros ou ligas metálicas) em contacto directo (através de duas junções), formando um circuito fechado tal como é mostrado na figura, poderá aparecer, dependendo dos materiais em contacto, uma força electromotriz quando as duas junções se encontrarem a temperaturas diferentes, T 1 e T 2. Essa forca electromotriz depende da diferença entre T1 e T2 de acordo com uma função do tipo: 2 V = a(t T ) + b(t T ) 1 2 1 2 Este efeito designa-se por Efeito de SEEBECK, resultado da acção conjunta de dois efeitos:
Efeito de PELTIER: resulta do contacto entre dois metais diferentes (junção) e é dependente da temperatura dessa junção. Efeito de THOMSON: aparecimento de uma diferença de potencial num condutor dependente da diferença de temperatura nos seus terminais. O desempenho de um termopar depende da escolha dos materiais em contacto. Alguns exemplos de termopares mais comuns e suas características genéricas: Termopares Cromel/Alumel NiCr/NiAl (tipo K) Ferro/Constantan Fe/CuNi (tipo J) Cromel/Constantan NiCr/CuNi (tipo E) Temperaturas ε (mv) ( C) - 270 a 1372-6.458 a 54.886-210 a 1200-8.095 a 69.553-270 a 1000-9.835 a 76.373 Características Genéricas Atmosferas oxidantes e inertes. Limitações na utilização em vácuo ou em atmosferas redutoras. A sua sensibilidade é muito aproximadamente linear Atmosferas redutoras, inertes e com condições de vácuo. Limitações em atmosferas oxidantes a elevadas temperaturas. Não recomendado para baixas temperaturas. Atmosferas oxidantes ou inertes. Uso limitado em atmosferas redutoras e em criogenia. Apresenta, entre todos, a mais elevada f.e.m. 2. RESISTENCIAS DEPENTES DA TEMPERATURA RTDs, do inglês Resistence Temperature Detectors, são constituídos por filmes finos metálicos ou fios enrolados que devido ao efeito de variação positiva da resistência dos metais com a temperatura podem ser usados como sensores de temperatura. O metal mais usado em RTDs é a platina, de que é exemplo a resistência Pt100. As vantagens deste sensor são o facto de ser aproximadamente linear ao longo de uma extensa gama de temperaturas, ser bastante estável, permitir um tempo de resposta bastante rápido devido ao tamanho reduzido com que pode ser fabricado. A resistência Pt100 está entre os sensores de temperatura de maior precisão usados em aplicações comerciais, com erros de inferiores a 0.1 C. Termístores, do inglês thermal-resistor, são constituídos por materiais semicondutores e ligas resistivas os quais podem ter um coeficiente de temperatura negativo, NTCs (negative temperature coeficient), usados essencialmente como sensores de temperatura,
ou ter um coeficiente de temperatura positivo, PTCs (positive temperature coeficient) usados essencialmente no controlo de corrente eléctrica. A dependência da resistência com a temperatura dos termístores pode ser especificada através do seguinte parâmetro: coeficiente de variação relativa 1 R α 20 = R T 20 expresso em Kelvin -1, onde R 20 representa o valor nominal da resistência medido à temperatura de referência de 20 C. A resistência a uma determinada temperatura t (em C) pode ser expressa da seguinte forma: R = R 20 [1 + α 20 (t 20)] Na tabela seguinte são dados os coeficientes de temperatura para alguns metais mais comuns: Execução Experimental 1. Comece por fixar na extremidade da base de aquecimento o termómetro de referência (através do qual irá efectuar as medições de temperatura), o termopar e o termístor. 2. Registe o valor inicial de temperatura, bem como os valores de tensão lidos aos terminais do termopar e o valor de resistência do termístor. Deverá usar um dos multímetros como termómetro (na escala de temperaturas) e o outro deverá ser usado como voltímetro e Ohmímetro.
3. Estime o erro nas leituras da temperatura, tensão e resistência. 4. Elabore uma tabela com 3 colunas para registo da temperatura, tensão do termopar e resistência do termistor. 5. Aqueça a base de aquecimento e registe os valores da resistência desde a temperatura ambiente até um valor máximo de 90 C em intervalos de 5 C. NOTA: se necessário, desligar a alimentação da base de alimentação a fim de estabilizar a temperatura nos valores desejados. 6. Repita as leituras para o arrefecimento até um valor próximo do valor inicial. Tratamento dos resultados 1. Represente graficamente os valores medidos com o termopar e com o termístor em função da temperatura, durante o aquecimento e durante o arrefecimento indicando o erro associado a cada medida através de barras de erro. Que pode concluir? 2. No caso do Termopar calcule a melhor recta que passa pelos pontos medidos através do método dos mínimos desvios quadrados. Determine o coeficiente a, na expressão da resposta do termopar indicada em cima, e o erro associado. 3. Faça uma estimativa da não linearidade do termopar nesta gama de temperaturas determinando um valor aproximado para o coeficiente b na respectiva expressão da temperatura. 4. No caso do Termístor determine graficamente o valor de α 20 na expressão de resposta indicada acima. 5. A representação mais comum da variação da resistência de um termístor com a temperatura é: R T = Aexp( B T ), sendo A e B constantes. Verifique que os seus dados estão de acordo com esta expressão estimando os valores de A e B.