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TM362 - Sistemas de Medição 2

Prof. Alessandro Marques

www.metrologia.ufpr.br

O tipo de metal utilizado na confecção dos sensores de temperatura, deve possuir características apropriadas, como:

Maior coeficiente de variação de resistência com a temperatura (α1, α2, ... αn),

quanto maior o coeficiente, maior será a variação da resistência para uma mesma variação de temperatura,

tornando mais fácil e precisa a sua medição.

Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos – RTDs - Resistance Temperature Detectors

Estabilidade do metal para as variações de temperatura e condições do meio (resistência à corrosão, baixa histerese, etc.).

Linearidade entre a variação de resistência e a temperatura, produzindo escalas de leitura de maior precisão e com maior comodidade de leitura.


Platina :

-180 oC 980 oC

Com incerteza expandida de 0,1 oC

Alta repetibilidade. Linear. Sensor pode ser usado até 1500m para leitura

Niquel :

-180 oC 260 oC

Alta repetibilidade. Não linear. Sensor pode ser usado até 1500m para

leitura.


Termômetros de resistência elétrica

Bobina bifilar metálica enrolada sobre um substrato de cerâmica e encapsulada em cerâmica

Termômetros metálicos - RTDs


Detalhe de um sensor de temperatura de platina depositada sobre substrato cerâmico



Fotografia da parte externa de um sensor de temperatura de platina depositado sobre substrato cerâmico.



Detalhe da construção de um RTD de platina em uma bainha de aço inoxidável.



Calibração de termômetros de resistências metálicas

Existe dois métodos comumente utilizados para calibração dos RTDs:

O método de ponto fixo;

O método de comparação.


Termômetros de resistência elétrica Calibração de termômetros de resistências metálicas

O método de ponto fixo.

É utilizado para calibrações de alta precisão (0,0001 ⁰C)

Consiste na utilização de temperaturas de fusão ou solidificação de substancias como:

água, zinco e argônio

para gerar os pontos fixos e repetitivos de temperatura.

Em geral, é lento e caro !

Método usado em ambiente industrial é o banho de gelo

acomoda vários sensores

precisão de até 0,005 ⁰C


Utiliza um banho isotérmico estabilizado e aquecido eletricamente, onde são colocados os sensores a calibrar e um sensor padrão que servirá de referência.



Qualquer que seja o método de calibração deve-se seguir o rigor das normas.

Para executar uma calibração em condições em que erros muito pequenos são exigidos, justifica-se a escolha de métodos complexos e de equipamentos caros.



Para situações que é suficiente uma incerteza maior ou igual a 0,1 ⁰C, é possível utilizar técnicas mais simples de interpolação !

Para termômetros de resistência de platina é utilizada a Equação

de Callendar-Van Dusen (1925) :

R(t) = R0 (1 + At + Bt2)

sendo

R(t) a resistência do termômetro de platina a temperatura t;

t a temperatura em ⁰C;

R0 a resistência do sensor a 0 ⁰C;

A, B, C coeficientes de calibração que depende do material e é determinado usando a resistência para a temperatura de 0 ⁰C e 100 ⁰C


Montagem com RTDs

Uma das maneiras mais populares de utilização de RTDs é

por meio de fontes de corrente para excitar o sensor e medir a tensão sobre ele.

Outra maneira de implementar um termômetro com RTDs é a utilização de um circuito em ponte de Wheatstone.

Como alternativa, na indústria, pode-se utilizar MMQ, podendo alcançar incertezas de 0,05 ⁰C

Termômetros de resistência elétrica Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone

Montagem a 2 fios

RC – Resistência do cabo


Montagem a 3 fios:

haverá uma compensação da resistência elétrica pelo terceiro fio.

Montagem a 3 fios


Montagem a 4 fios:

existe duas ligações para cada lado da ponte também, anulando o efeito das resistências dos cabos.

Montagem a 4 fios


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Os termistores são

semicondutores cerâmicos

que também tem sua resistência alterada com o efeito da temperatura,

mais geralmente possuem um coeficiente de variação maior que os RTDs.


• Termistores (Resistores termicamente sensíveis)

Os primeiros tipos de sensores de temperatura de resistência de semicondutores foram feitos de

óxido de manganês, níquel e cobalto,

moídos e misturados em proporções apropriadas e prensados numa forma desejada.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores (Resistores termicamente sensíveis)

Comparados com sensores de tipo condutor (que têm coeficiente de temperatura positivo e pequeno), os termistores têm um coeficiente muito grande, podendo ser

negativo (dito NTC, negative temperature coeficient)

ou

positivo (PTC – positive temperature coeficient).

Enquanto alguns condutores (cobre, platina) são bastante lineares, os termistores são altamente não lineares.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores (Resistores termicamente sensíveis)

Termômetros de resistência elétrica • Termistores

Símbolos padrões dos termistores que apresentam uma dependência não linear com a temperatura (a) positiva e (b) negativa.

• IEC – 117-6 (International Electrotechnical Commission)

Termômetros de resistência elétrica • Termistores

Esses dispositivos não são lineares e apresentam uma sensibilidade elevada (em geral, 3% a 5% por ⁰C)

Com faixa de operação típica de -100 ⁰C a +315 ⁰C.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores - PTC

Coeficiente de temperatura positiva

Os PTCs aumentam a sua resistência com o aumento da temperatura

Podem ser construídos de silício, e suas características dependem desse semicondutor dopado (que é a adição de impurezas químicas elementares em elemento químico semicondutor, com a finalidade de dotá-los de propriedades de semicondução controlada específica)

E nesse caso a dependência da resistência em relação a temperatura é quase linear.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores – PTC - Coeficiente de temperatura positiva

Outros são construídos de titanatos de bário, chumbo e estrôncio.

Curva típica R x T de um termistor do tipo chave

Pode-se variar a temperatura na qual ocorre a conversão do coeficiente e depende da composição do termistor (entre 80 ⁰C e 240 ⁰C)

Termômetros de resistência elétrica • Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa


Características gerais dos termistores NTC de uso mais frequente

• Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa


Os termistores são geralmente usados quando é requerida :

alta sensibilidade;

robustez

ou tempo de resposta rápida.

Eles são normalmente encapsulados em vidro, podendo utilizar em ambiente corrosivo e abrasivo.

A alta resistência de um termistor comparada com a de um RTD, elimina os problemas de compensação de resistência da fiação elétrica.

• Termistores

Termômetros de resistência elétrica • Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa

Bibliografia

• BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J.; Instrumentação e fundamentos de medidas, volume 1, 2010.

• FIGLIOLA, R.S.; BEASLEY D.E., Teoria e Projeto para Medições Mecânicas, 4a Edição, LTC, 2007.

• Notas de aula Prof. Hélio Padilha e Prof. Marcos Campos

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