INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS MEDIÇÃO DE TEMPERATURA TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA Introdução O uso de termômetros de resistência esta se difundindo rapidamente devido a sua precisão e simplicidade de operação. Podem eles ser utilizados desde temperaturas próximas do zero absoluto (-27 3 C), até cerca de 850 C. Basicamente, um termômetro de resistência e um instrumento para medição de resistência elétrica, mas calibrado em graus de temperatura, ao invés de ohms. O elemento primário, que converte temperatura em resistência elétrica, pode assumir duas formas: a) O buibo de resistência, em que o elemento sensível e um resistor metálico, cuja resistência elétrica, via de regra, aumenta com a temperatura; b) O termistor, constituído de um material semicondutor, cuja resistência elétrica diminui com o aumento de temperatura. Bulbos de Resistência O metal utilizado num bulbo de resistência deve apresentar as seguintes características: a) Relativamente alto coeficiente de variação da resistividade com a temperatura. Quanto mais alto esse coeficiente, maior será a variação da resistência, e mais fácil se tornara a medição; b) Alta resistividade. Para uma determinada dimensão de um fio, a resistência será maior quanto maior a resistividade; c) Estabilidade. O metal deve manter suas características iniciais por um longo tempo, e mesmo que sujeito a grandes variações de temperatura, d) Linearidade da relação resistência temperatura. Essa relação pode ser aproximada por uma equação do tipo: R é a resistência a temperatura T C R é a resistência a temperatura 0 C A é o coeficiente de variação de resistividade T é a temperatura 1
Na pratica, entretanto, a relação mais precisa é expressa por os termos de 2 grau e maiores contribuem para a não-linearidade. e) Resistência a corrosão. Os metais que melhor atendem as características citadas são platina, níquel e cobre. O bulbo de resistência de platina e o de uso mais difundido hoje em dia. Sua aceitação se deve, principalmente, a estabilidade térmica resistência a corrosão apresentadas pela platina. Constitui ele o instrumento padrão recomendado pela Comissão Internacional de Pesos e Medidas, para a medição de temperaturas entre -259,34 C (Ponto triplo do hidrogênio) e +630,74 C (Ponto de solidificação do antimônio), de acordo com a nova escala internacional pratica de temperatura, adotada em 1968 (ITPS- 68). A construção mais comum é constituída por um fio enrolado sobre um material isolante, e recoberto por outra camada isolante (fig. 1). Esse material é usualmente vidro, cerâmica ou mica. O bulbo é em geral montado dentro de um tubo de proteção, com um cabeçote contendo um bloco de conexão, semelhante ao de termopar (Fig.2). O conjunto pode ainda ser colocado em um poço de proteção. Não existe norma internacional para as características de bulbos de platina. Assim, um instrumento calibrado para utilização com um bulbo de uma procedência poderá necessitar uma recalibração, se for utilizado com um bulbo de outra procedência. A norma alemã DIN 43760, p,ex., de uso corrente no Brasil, estabelece que o bulbo "Pt 100" deve ter uma resistência de 100,00 ohms a 0 C, e de 138,50 ohms a 100 C. Seu coeficiente médio de variação é de 0,00385/ C, entre 0 C e 100 C. Para cada C, portanto, sua resistência aumenta em media 0, 385 ohms. A característica resistência x temperatura é ligeiramente não-linear. Em alguns instrumentos há possibilidade de compensar essa não-linearidade. O bulbo de níquel é também utilizado, embora sua estabilidade e resistência à corrosão sejam inferiores as da platina. Seu custo é mais reduzido. Sua faixa de utilização vai de -150 a +300 C. O bulbo de cobre apresenta uma característica resistência x temperatura praticamente linear. Entretanto, para um bulbo de mesmas dimensões, sua resistência elétrica e menor que a da platina e do níquel, exigindo instrumentos mais sensíveis. As principais vantagens dos bulbos de resistência são: 2
a) Quando comparados com termômetros com enchimento de líquido, gás ou vapor, a facilidade de manuseio e eventual substituição;. b) Quando comparados com termopares, a melhor estabilidade, possibilidade de ligação ao instrumento com fios de cobre, o fato de não necessitarem compensação de junta fria nem de fonte estabilizada (nos circuitos de balanceamento contínuo), e o uso de instrumentos menos sensíveis. Entretanto, a medição e influenciada pela resistência dos fios de ligação, que se soma a do próprio bulbo. Termistores O termistor é um dispositivo constituído por um semicondutor, com um coeficiente de variação de resistividade geralmente negativo, e bastante elevado quando comparado com os metais comuns. A relação entre resistência e temperatura é dada, de forma aproximada, por uma relação do tipo: em que R é a resistência a uma temperatura T, R a resistência a uma temperatura T, e B uma constante. Em alguns casos, a resistência diminui de mais que 5% para cada C de aumento de temperatura. Isso faz com que tenham grande sensibilidade para a medição de temperaturas em faixas de medição estreitas. Podem ser fornecidos em diversos tamanhos e configurações (Fig,3), inclusive miniaturizados, com tempo de resposta extremamente reduzido. Circuitos de Medição A medida de temperatura com um termômetro de resistência reduz-se a uma medida de resistência elétrica. O circuito mais utilizado para esse fim é a ponte de Wheatstone. (Fig. 4). O circuito é constituído, basicamente, de uma bateria com f.e.m. E, um galvanômetro G, cujo ponteiro indica o sentido e o valor da corrente elétrica e 3
quatro resistores R, R, R e R. Suponhamos inicialmente que o galvanômetro G esta desligado. Pelo ramo superior, constituído por R1 e R, passa uma corrente i, enquanto pelo ramo inferior (R e R ) passa uma corrente i. Vamos supor que i. R = i. R, ou seja, que a tensão entre A e D é igual a tensão entre B e D. Não haverá, nessas condições, nenhuma tensão entre A e B, e se ligarmos o galvanômetro não passará corrente por ele. A tensão entre C e A será igual a tensão entre C e B, e portanto i. R = i. R, Combinando as duas equações, vem: R. R = R. R. A condição para que não passe corrente pelo galvanômetro é que o produto das resistências opostas R e R seja igual ao produto das resistências opostas R e R. Se uma das resistências, por exemplo R, for desconhecida poderemos ajustar uma das outras três, ate que o galvanômetro indique zero. Se R, R e R forem conhecidas o valor R pode ser obtido facilmente pelo cálculo. Note-se que: A. A bateria não necessita ter uma f.e.m. constante ou regulada; B. O galvanômetro não necessita ser de precisão. Basta que ele indique "Zero" corretamente quando não passa corrente. O circuito da fig. 5 mostra uma forma um pouco mais elaborada da ponte de Wheatstone, O ajuste, feito através do cursor R faz variar ao mesmo tempo a resistência do ramo direito superior e do ramo direito inferior da ponte. Passemos agora para o circuito da fig. 6, usado nos instrumentos Honeywell "Servotronik" e "ServoMne", onde juntamos mais alguns detalhes. Foi colocado o potenciômetro R, em serie com R, e o resistor R em paralelo com a combinação de ambos. R serve para ajuste do "span" (faixa de medição), compensando variações de 4
resistência entre um "slidewire" R e outro. R é calculado para que a combinação R, R e R tenha a mesma resistência que anteriormente tinha R sozinho. Dessa maneira R pode ser um potenciômetro de fio siidewire", fabricado em serie e com a mesma resistência, qualquer que seja a faixa de medição do aparelho. R é colocado em serie com a bateria E, e tem a finalidade de manter mais constante a sua corrente. Essa ultima é obtida na pratica por um retificador apropriado, que não p precisa ser estabilizado. A modificação mais importante, entretanto, é a substituição do galvanômetro G por um amplificador eletrônico, A. Esse amplificador é iniciado por um conversor C.C - C.A. O sinal de C.A. resultante, que tem amplitude proporcional ao sinal de C.C. de entrada, e que está em fase com a rede ou defasado de 180 conforme a polaridade do sinal de C.C.,é amplificado diversas vezes e vai alimentar um motor de C.C. Esse motor gira num sentido ou no outro, conforme a polaridade do sinal do C.C. de entrada. No eixo do motor esta ligado, de um lado, o cursor de R, e de outro, o ponteiro indicador do instrumento (no caso do Servotronik) ou a pena de registro (no caso do Servoline). R, resistor desconhecido, é o bulbo de resistência sensível a temperatura. Em resumo, sempre que a ponte estiver desequilibrada, passara corrente pelo amplificador. A corrente é amplificada e faz andar o motor. O motor move o cursor do "slidewire" R, até restabelecer o equilíbrio. O circuito é "auto equilibrado". Como vimos no parágrafo anterior R é a resistência do bulbo que mede a temperatura. Se os fios que ligam o bulbo ao aparelho forem longos, a resistência dos mesmos fará aumentar sensivelmente a resistência daquele ramo da ponte. Resulta que a temperatura indicada pelo aparelho será maior que a verdadeira. Usando-se o bulbo Pt 100, para cada 0,385 ohms de resistência dos fios, ou seja, 0,192 ohms de resistência de cada fio, a indicação será 1 C maior que a verdadeira. Esse efeito e obtido com 5,7 metros de fio de cobre 20 B.S., ou 9 rnetros de fio 18 B.S., 14 metros de fio 16 B.S., 23 metros de fio 14 B.S., ou 36 metros de fio 12 B.S., ou 58 metros de fio 10 B.S. A bitoia do fio a ser utilizado devera portanto ser escolhida de acordo com a distancia e o máximo erro admissível. Para distancias grandes recomenda-se usar o sistema de três fios. Os terminais do instrumento para ligação do bulbo de resistência são três, e designa dos pelas letras A, B e C. O buibo por sua vez tem somente 2 terminais. Deve-se ligar um fio entre o terminal A e um dos terminais do bulbo, e 2 fios aos seus terminais B e C de um lado, e juntos ao outro terminal do bulbo, do outro lado (F i g. 7). A primeira vista pode parecer um absurdo ligar-se dois fios onde um único seria suficiente. Analisemos entretanto o circuito da fig.8, que o mesmo da fig. 6, tendo sido aí adicionados os três fios do bulbo. 5
r designa a resistência de cada fio. Note-se que tanto o ramo de R, como o de R x ficaram aumentados de um valor igual a r. Nos aparelhos "Servotronik" e "Servoline", R é igual à média entre R min. e R máx., que correspondem, respectivamente as temperaturas mínima e máxima da faixa de medição do aparelho. Sendo aproximadamente igual a R, a influencia dos fios de ligação é muito menor que no caso anterior. Para que o erro de indicação do instrumento não ultrapasse 0,4%, recomenda-se que a resistência de cada fio seja no máximo: r = 0,004 (R min + R ) + 0,23 ohms, em que R min. = valor de R que corresponde à temperatura mínima R máx. = idem, máxima Exemplo: Um aparelho "Servoline" com escala de 0 C a 100 C deve trabalhar com um bulbo Pt 100 R min. = 100,00 ohms R máx.= 138,50 ohms r = 0,004 (100 + 119,25) + 0,23 = 0,877 + 0,23 = 1,107 ohms. Usando o fio n 18 B.S., por exemplo (21,36 ohms/km), o comprimento Maximo será de Circuitos de instrumentos de outros fabricantes baseiam-se, em geral, também no circuito básico da ponte de Wheatstone. 6