Sensores de Temperatura

Sensores de Temperatura 1. Termistores Thermally Sensitive Resistor São semicondutores eletrônicos cuja resistência elétrica varia com a temperatura. São resistores sensíveis à temperatura. Existem dois tipos: - PTC (coef. positivo de temperatura) - NTC (coef. Negativo de temperatura) * Os elementos resistivos são óxidos de metais como manganês, níquel, cobalto, cobre, ferro, titânio. 1

1.1 Relação entre resistência e temperatura: Equação de Steinhart & Hart T = a + b ln 1 R + c ln R 3 Onde, a,b e c: são coef. dependentes do material R: resistência T: temperatura 3

2. PTC ou NTC Existem duas variedades de termistores: PTC ou NTC. 2.1 PTC (Positive Temperature Coefficient) A resistência aumenta com o aumento da temperatura O coeficiente de temperatura é positivo apenas dentro de certa faixa de temperatura. Fora dessa faixa, o coeficiente é negativo ou nulo. O valor absoluto do coeficiente térmico dos PTC s normalmente é bem maior do que o dos NTC s. 4

Exemplo: partida de um motor monofásico (Fig. 7.4) Quando o circuito é energizado o PTC está em seu estado de baixa resistência a corrente flui pela bobina de partida o motor inicia o movimento. Com o início do movimento do motor o PTC aquece além da temperatura de transição passa para seu estado de alta resistência apenas uma corrente residual passa pela bobina de partida. 5

Para ajudar a proteger sua privacidade, o PowerPoint bloqueou o download automático desta imagem. 2.2 NTC (Negative Temperature Coefficient) A resistência decresce com o aumento da temperatura. Assim alguns podem servir de proteção contra sobreaquecimento, limitando a corrente elétrica quando determinada temperatura é ultrapassada. Outra aplicação corrente na indústria, é a medição de temperatura (em motores por exemplo), pois podemos com o termistor, obter uma variação de uma grandeza elétrica em função da temperatura a que este se encontra. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/term%c3%adstor 6

Princípio de funcionamento: Sensor sob baixas temperaturas NTC em seu estado de alta resistência tensão na base muito pequena leva o transistor ao corte. Com o aumento da temperatura o potencial na base sobe proporcionalmente o transistor satura. Com a saturação do transistor o relé é energizado fecham-se os contatos NA e abrem-se os contatos NF Exemplos de aplicação: estufas, proteção contra incêndio, etc. 7

Para ajudar a proteger sua privacidade, o PowerPoint bloqueou o download automático desta imagem. 3. Aplicações de termistores em geral: 8

4. Termopares Seebeck descobriu em 1821 que em um circuito fechado, construído com fios de dois metais heterogêneos, a corrente fluirá se a temperatura de uma junção T 1 estiver acima da temperatura da outra extremidade T 2. Seebeck usou um circuito de termopares composto de antimônio e cobre. * A FEM gerada está relacionada com o campo elétrico formado devido ao aquecimento que é função do gradiente de temperatura. 9

4.1 Funcionamento Um termopar funciona medindo a diferença de potencial causada por fios diferentes. V = ( S S ) ( T T ) B A 2 1 Onde, S A e S B são os coeficientes de Seebeck dos metais envolvidos e T 1 e T 2 as temperaturas das duas junções. Pode ser utilizado para medir diretamente a diferença de temperaturas ou para medir uma temperatura absoluta, colocando uma junção a temperatura conhecida. Os termopares cobrem um faixa de temperatura que vai de -200 a 2300ºC. 10

4.2 Características Existem diferentes tipos de termopar, conforme o termoelemento utilizado: 12

4.3 Termopar com isolação mineral É constituído com de um ou dois pares de fios isolados da bainha metálica por um pó isolante de óxido de magnésio altamente compactado. Os termoelementos ficam isolados do meio, resultando em uma maior Força Eletromotriz (FEM) e maior vida útil. Devido a alta condutividade térmica e pequeno volume do elemento isolante, há uma rápida transferência de calor, superior aos termopares convencionais. 15

4.4 Tipos de junção 4.4.1 Junção exposta A junção quente fica exposta na ponta do sensor Tempo de resposta extremamente pequeno Grande sensibilidade Pequenas alterações de temperatura Desvantagem: redução da vida útil pois não há proteção para a junção Termopar tipo baioneta 16

4.4.2 Junção aterrada A junção quente é soldada junto com a bainha Tempo de resposta intermediário entre a junção exposta e a isolada Fornece boa proteção para a junção Desvantagem: é mais suscetível a ruídos 4.4.3 Junção isolada A junção é isolada e interna Boa proteção e imunidade a ruídos Desvantagem: aumento no tempo de resposta 17

4.5 Cabos de compensação Em várias aplicações o elemento sensor não se encontra próximo ao elemento receptor. Torna-se então necessário, que o ambos sejam ligados por fios que possuam a de FEM em função da temperatura similar à do termopar -Cabos e fios de extensão: são fabricados com as mesmas ligas dos fios termopares porém possuem um custo menor pois sua composição química não é tão homogênea e, como consequência, possuem maiores limitações de temperatura. -Cabos e fios de compensação: são fabricados com ligas diferentes porém com a mesma curva de FEM em função da temperatura. São usados principalmente em termopares do tipo nobre (a base de platina), S e R. 18

5. Termorresistência Ou termômetro de resistência ou RTD (Resistence Temperature Detector). 19

São constituídos basicamente de uma resistência encapsulada que tem seu valor aumentado com o aumento da temperatura. Resistência: fio de platina (mais usada), níquel e cobre (menos usado). A platina possui resistividade mais alta (escala de temperatura mais ampla), boa linearidade, estabilidade e exatidão. Ex.: Pt-100 : RTD com 100 Ω a 0 C. 20

5.1 Equação para o cálculo da variação de resistência em função da temperatura equação de Callendar-Van Dusen Para a faixa de -200 C a 0 C: Para a faixa de 0 C a 850 C: Onde, -7 21

5.2 Variação da resistência por C Onde, (segundo a DIN-IEC 751/85) 22

TABELA - Resistência Versus Temperatura para Pt-100 23

5.3 Construção O bulbo é composto de um filamento enrolado como bobina. Revestimento: Termorresistências de Ni e Cu: esmalte, seda, algodão ou fibra de vidro. Termorresistências de Pt: vidro ou cerâmica Vidro: funciona como elemento isolante, não permitindo condensação em temperaturas baixas. É utilizado para temperaturas na faixa de - 269,15ºC a 450ºC. Dimensões - O diâmetro varia de 1 mm a 4 mm, e o comprimento, de 10 mm a 40 mm. Cerâmica: A faixa de utilização do elemento isolante tipo cerâmica é de até 800ºC. Dimensões - Diâmetro 1,6 mm a 3 mm, comprimento de 20 mm a 30 mm. 24

5.4 Tipos de montagem -Convencional: - O sensor (bulbo de resistência) é montado em um bulbo 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. - A ligação do bulbo é feita com fios de cobre, prata ou níquel isolados entre si; sendo a extremidade aberta, selada com resina epoxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar. - A termorresistência não apresenta muita resistência mecânica e não dispõe de condições para efetuar curvas, bem como tem limitações relativas ao diâmetro externo e comprimento total. 25

- Termorresistência de isolação mineral: - O bulbo sensor é interligado a um cabo isolação mineral com fios de cobre comuns. - Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro, não limita o comprimento, apresenta rápida velocidade de resposta e da uma maior flexibilidade permitindo dobras e curvas do cabo que antes era impossível, podendo ser utilizada em locais de acesso mais difícil. 26

As montagens com termorresistências nas instalações são feitas de maneira similar aos termopares quanto ao emprego de acessórios como cabeçotes, tubos, etc. 27

5.5 Circuito de medição A medição de temperatura utilizando bulbo de resistência é feita medindo-se a variação da resistência elétrica do elemento sensor. A medição da variação da resistência é feita utilizando-se um circuito baseado na Ponte de Wheatstone. 28

O circuito em Ponte de Weatstone é inicialmente colocado em equilíbrio, isto é, não circula corrente corrente entre os pontos A e B. Quando ocorre variação de temperatura a resistência do sensor varia, desequilibrando o circuito de forma proporcional a temperatura. R1, R2 = resistência fixa R3 = resistência variável R4 = resistência de medição Rg = resistência interna do galvanômetro ig = corrente que flui no galvanômetro E = fonte de alimentação 29

5.5.1 Possibilidades de ligações Variações da utilização do circuito em Ponte de Weatstone. - Ligação a 2 fios R4 é a termorresistência e R3 é a resistência variável para balanceamento do circuito. As resistências indicadas como RL1 e RL2 são resistências de fiação e ambas estão em série com R4. Esta resistência de fiação tende a aumentar quanto maior for a distância entre o sensor e o medidor, quanto menor a bitola do fio ou maior a temperatura ambiente. A exatidão depende distância do sensor ao aparelho (comprimento dos fios), diâmetro e material do fio de ligação. 30

- Ligação a 3 fios *É o método mais utilizado para as termorresistências na indústria. *Na ligação a 2 fios as resistências de linha estavam em série com o sensor, agora na ligação a 3 fios elas estão separadas. *Nesta ligação, a fonte é aproximada do sensor, permitindo um melhor balanceamento do circuito *O terceiro fio (RL 3 ) atua somente como condutor de compensação, não influenciando nos cálculos de medição da resistência. 31

- Ligação a 4 fios A fonte de corrente S, fornece uma corrente estabilizada e conhecida através da termorresistência R e a tensão gerada é medida com um voltímetro (a resistência dos condutores exerce um efeito desprezível sobre a medição). Este tipo de medição a 4 fios é pouco usada em indústria, tendo sua maior aplicação em laboratórios e sendo usado em sensores padrões. 32

5.6 Recomendações na Instalação de Bulbos de Resistência -Deve-se especificar materiais da proteção e ligações capazes de operar na temperatura de operação requerida. -O sensor deve ser imerso completamente no processo, para se evitar a perda de calor por condução pelos fios e bainha. Para tal, um comprimento mínimo de imersão e o uso de materiais de proteção com boa condutibilidade térmica também são recomendados. -Deve-se evitar choques mecânicos nas peças, pois estes podem danificar o sensor. -Deve-se utilizar fios de cobre de mesmo comprimento e diâmetro para a interligação da termorresistência. -Zonas de estagnação ou com baixas velocidades do fluido em contato com o sensor, não devem ser utilizadas devido ao retardo e os erros causados à medição. 33

-Na ligação a 3 fios, se for necessário a troca de um dos fios de interligação; recomenda-se trocar os 3 fios para que se tenha igualdade em seus valores ôhmicos. -Em locais sujeitos a ruídos internos, recomenda-se o uso dos cabos blindados e torcidos. - Em locais sujeitos a vibração, deve-se utilizar sensor com isolação mineral. 34

5.7 Vantagens e Desvantagens na Escolha do Bulbo de Resistência (em relação ao termopar) A Vantagens a) Possuem melhor classe de exatidão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores. b) Tem boas características de estabilidade e repetitividade. c) Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação. d) Dispensa o uso de fios e cabos especiais, sendo necessário somente fios de cobre comuns. e) Se adequadamente protegido (poços e tubos de proteção), permite a utilização em qualquer ambiente. f) Curva de Resistência x Temperatura mais linear. g) Menos influência por ruídos elétricos. 35

B Desvantagens a) São mais caros do que os outros sensores utilizados nesta mesma faixa. b) Baixo alcance de medição (máx. 630ºC). c) Deterioram-se com mais facilidade, caso ultrapasse a temperatura máxima de utilização. d) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação. e) Possui um tempo de resposta elevado. f) Mais frágil mecanicamente. g) Auto-aquecimento, exigindo instrumentação sofisticada. (O auto-aquecimento é causado pela corrente que passa pela resistência, oriundo do instrumento de leitura. Por efeito Joule, há a geração de calor, quando uma corrente elétrica atravessa uma resistência.) 36

6. Par bimetálico É utilizado nos termostatos. É constituído de duas chapas metálicas de materiais com diferentes coeficientes de dilatação. Com o aquecimento, há a deformação das chapas, provocando a abertura ou fechamento de um contato. 37

7. Pirômetros MEDIÇÃO DE TEMPERATURA POR INFRAVERMELHO 38

7.1 Vantagens e limitações da medição de temperatura sem contato por infravermelho -Vantagens: É rápida (na faixa de ms), permitindo mais medições e acumulação de dados Medições podem ser feitas em objetos perigosos ou fisicamente inacessíveis (partes com alta-voltagem, medições a grande distância) Facilidade de medição quando o alvo está em movimento Medições de altas temperaturas(maiores que 1300 C) não apresentam problemas. Podem ser medidas temperaturas até 3000 C. Em casos similares, termômetros comuns não podem ser utilizados ou tem a sua vida útil reduzida 39

Em casos de maus condutores de calor como plástico e madeira, medições são extremamente precisas sem distorções dos valores, se comparado com medições com termômetros de contato Não há risco de contaminação e efeito mecânico na superfície dos objetos. 40

- Cuidados/limitações: O alvo deve ser opticamente ( infravermelho) visível ao termômetro infravermelho. Alto nível de sujeira ou fumaça fazem a medição perder precisão. Obstáculos como um tanque metálico fechado, só é possível a medição na superfície do mesmo, não podendo ser medido a temperatura do produto no interior do tanque. A parte ótica do sensor deve ser protegida de sujeira e líquidos condensados. Normalmente, somente a temperatura de superfície pode ser medida 41

7.2 Medição por infravermelho Toda matéria com temperatura (T) acima do zero absoluto emite radiação infravermelha proporcional a temperatura (radiação característica), causada pelo o movimento interno das moléculas. A intensidade deste movimento depende da temperatura do objeto. Como o movimento das moléculas representa deslocamento de cargas, radiação eletromagnética (fótons) é emitida. Estes fótons movem-se com a velocidade da luz e comportam-se de acordo com os princípios óticos. Eles podem ser defletidos, focados por lentes, ou refletidos por superfícies reflexivas. 42

O espectro desta radiação tem faixa de 0,7 a 1000 µm de comprimento de onda. Por esta razão, grande parte da radiação não pode ser normalmente vista a olho nu. Esta área encontra-se na área de luz vermelha da luz visível e desta forma tem sido chamada de infravermelha. 43

- Radiação de corpos em diferentes temperaturas Quanto mais alta a temperatura, menor o comprimento de onda. Objetos com temperaturas superiores a 600 C, emite radiação infravermelha visível ao olho humano. 44

7.2.1 Medição da radiação A radiação captada pelo sensor é resultado de diferentes tipos de radiação 45

A absorção, emissão e reflexão são tratadas por valores de coeficientes e sua soma é 1. É utilizado como referência a emissão de radiação do corpo negro. O corpo negro possui coeficiente de absorção igual a 1 (coeficiente de radiação = 0), o que significa que seus coeficientes de transmissão e absorção são iguais a zero. Corpos com emissividade menor que 1 são chamados de corpos cinza. Corpos onde a emissividade é também dependente da temperatura (varia com a temperatura) e comprimento de onda são chamados de corpos não-cinza. 46

Em condições usuais de medição, em que os corpos são não negros, parte da radiação incidente no corpo não é absorvida e portanto, é refletida na forma de energia radiante. A relação entre a real energia emitida e a energia emitida pelo corpo negro é conhecida como emissividade e pode ser no máximo 1 (o que corresponde ao corpo negro ideal) e o mínimo igual a 0.. 47

7.2.2 Esquema de um pirômetro Filtros ópticos: são necessários para, por exemplo, filtrar a radiação solar, por exemplo, em medições ao ar livre. Os filtros, porém, reduzem a intensidade captada em determinados comprimentos de onda. Na utilização de pirômetros, deve-se guardar uma distância mínima para eliminar a influência de uma radiação perturbadora.. 49

7.3 Sensores dos pirômetros 7.3.1 Térmicos 7.3.1.1 Termopilhas São formadas por vários termopares em série. A junção fria é mantida a temperatura ambiente e a junção quente é exposta a radiação incidente.. 50

7.3.1.2 Piroelétricos O fenômeno da piroeletricidade (formação de potencial elétrico devido ao aquecimento) está presente em alguns minerais como quartzo e turmalina. Os materiais piroelétricos também são piezelétricos, os dois fenômenos estão relacionados. Alguns materiais piroelétricos artificiais são nitrato de césio (CsNO 3 ), nitreto de gálio (GaN), polifluoreto de vinila e alguns outros compostos orgânicos. O efeito piroelétrico é conhecido desde o século 19. Foi assim batizado pelo cientista escocês Sir David Brewster em 1824. 7.3.1.3 De resistência Podem ser filmes metálicos ou mesmo fios, que operam de forma similar a termistores e outros já vistos na página anterior. 51

7.3.2 Quânticos Os fótons da radiação incidente causam mudanças nas propriedades elétricas ou geram potencial. 7.3.2.1 Fotocondutivos No sulfeto de chumbo (PbS) e no seleneto de chumbo (PbSe) a radiação é medida pela variação da resistência. 7.3.2.2 Fotovoltaicos Em materiais como silício, germânio, antimoneto de índio, a radiação é medida pela tensão gerada. A sensibilidade e a velocidade de resposta dos sensores quânticos é superior à dos térmicos, mas alguns precisam de resfriamento e o custo é maior. 52

Características Pirômetro ótico Lutron TM-949 Tipo de Visor Cristal líquido dígitos de 15mm Princípio de funcionamento Termopilha Construção Caixa plástica ABS Escala pirômetro ótico -20...650 ºC Resolução pirômetro ótico 1 ºC Precisão <= 400 ºC ±3% ou ± 3 ºC (O maior) Precisão > 400 ºC ±3% Ajuste de emissividade 0.20...1.00 Faixa espectral I.V. 6...12 µm Distância / Tamanho objeto 7:1 Tipo de laser Vermelho < 1mW Tempo de amostragem 1 s Indicação de sobrecarga Sim Memória Máximo, Mínimo e última leitura Medida relativa (Delta T) Sim Interface RS-232 Sim 9600 bps Auto desligamento Sim (Pode ser desativado) Alimentação Bateria 9V Consumo de corrente 11 ma (16 ma com laser) Temperatura ambiente 0... +50 ºC Umidade ambiente < 80% UR Dimensões 220 x 68 x 30 mm Peso 220 g Opção de certificado de calibração Sim Procedência Taiwan * Características sujeitas a alteração sem prévio aviso 54

Material extraído de: THOMAZINI, DANIEL; ALBUQUERQUE, PEDRO U.B.; Sensores Industriais ; 4a. ed., São Paulo: Ed. Editora Érica, 2007. http://www.mspc.eng.br/fldetc/temperat_130.shtml http://www.automacaoindustrial.com/instrumentacao http://www.impac.com.br/pirometro_otico_lutron_tm949.php 55