Baixe Instrumentação cap 4 e outras Notas de estudo em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity!
Índice
- 4- SENSORES DE TEMPERATURA ____________________________________
- 4.1 - TERMISTORES (THERMALLY SENSITIVE RESISTOR): ________________
- 4.1.1 - PTC (Positive Temperature Coefficient)________________________________
- 4.1.2 - NTC (Negative Temperature Coefficient)_______________________________
- 4.2 - TERMOPARES _____________________________________________________
- 4.2.1 - Características dos termopares________________________________________
- 4.2.2 - Limites de erros dos termopares _______________________________________
- 4.2.3 - Relação temperatura x bitola do fio ___________________________________
- 4.2.4 - Termopar isolação mineral ___________________________________________
- 4.2.5 - Tipos de Junções ____________________________________________________
- 4.2.6 - Cabos de compensação _______________________________________________
- 4.3 - TERMORESISTÊNCIA _______________________________________________
- 4.3.1 - Termoresistência de Platina (Pt-100) ___________________________________
- 4.3.2 - Tipos de montagens__________________________________________________
- 4.3.3 - Princípio de medição a 2, 3 e 4 fios _____________________________________
- 4.3.4 - Ligação a 2 fios _____________________________________________________
- 4.3.5 - Ligação a 3 Fios ____________________________________________________
- 4.3.6 - Ligação a 4 Fios:____________________________________________________
- 4.4 - TERMORESISTÊNCIA X TERMOPAR: _______________________________
- 4.5 - PAR BIMETÁLICO__________________________________________________
- 4.6 - SENSORES ELETRÔNICOS __________________________________________
- 4.6.1 - Diodos ____________________________________________________________
- 4.6.2 – Transistores: _______________________________________________________
- 4.6.3 - Circuitos integrados:_________________________________________________
- 4.6.4 - Circuitos integrados inteligentes: ______________________________________
- 4.7 - PIRÔMETROS ______________________________________________________
Capítulo 04
4- SENSORES DE TEMPERATURA
4.1 - TERMISTORES (THERMALLY SENSITIVE RESISTOR):
São resistores termicamente sensíveis. São semicondutores eletrônicos
cuja resistência elétrica varia com a temperatura e são úteis industrialmente
para detecção automática, medição e controle de energia física. Os termistores
são extremamente sensíveis a mudanças relativamente pequenas de
temperatura.
Figura 4.1 - Apresentação dos Termistores
4.1.1 - PTC (Positive Temperature Coefficient)
Os PTC’s são resistores que apresentam um coeficiente térmico
positivo, isto é, sua resistência aumenta com a temperatura. Diferem dos NTC’s
em dois aspectos fundamentais: o coeficiente de temperatura de um PTC é
positivo apenas dentro de certa faixa de temperatura - fora dessa limitação, o
coeficiente é negativo ou nulo; o valor absoluto do coeficiente térmico dos
PTCs normalmente é bem maior que o dos NTC’s.
Figura 4.2 - Curva do Termistor PTC Figura 4.3 - Simbologia do Termistor PTC
A gama de utilização dos termistores é vasta, abrangendo desde
aplicações de entretenimento até profissionais, como por exemplo:
Química: Calorimetria, regulação de nível de líqüidos e medição da
condutividade térmica de gases.
Física: Medição de vácuo, medição de vazão de gases e líquidos e
radiometria.
Medicina: Termômetros.
Regulação de temperaturas:
Congeladores, máquina de lavar, fornos
elétricos, sistemas de aquecimento e sistema de ar-condicionado.
Veículos: Medição de temperatura de água e óleo e monitorização de gases
de exaustão.
Projetos elétricos: Operação de atraso em relês, compensação de variação
de temperatura e medição de potência e microondas.
Sistema de detecção e alarmes contra incêndio: Os sensores
termovelocimétricos de alguns detetores de temperatura de sistemas de
alarmes prediais, utilizam os termistores como elemento sensitivo.
4.2 - TERMOPARES
Os princípios e a teoria associada a efeitos termoeléctricos não foram
estabelecidos por uma só pessoa num momento específico. O descobrimento
do comportamento termoeléctrico de certos materiais é geralmente atribuído a
T.J. Seebeck.
Em 1821, Seebeck descobriu que um circuito fechado feito com fios de
dois metais heterogêneos, uma corrente elétrica fluirá se a temperatura de
uma junção acima da temperatura da outra. A descoberta original de Seebeck
usou um circuito de termopares compostos de antimônio e cobre. A FEM
gerada está relacionada com o campo elétrico formado devido ao aquecimento
que é função do gradiente de temperatura nesse ponto. Existem três efeitos
que explicam a FEM gerada, são eles: Thomson – É o efeito onde há a criação
de campo elétrico devido ao aquecimento de uma barra condutora. Seebeck –
É o fenômeno onde ocorre uma circulação de corrente em um circuito formado
por dois metais de naturezas diferentes, quando há uma diferença de
temperatura entre as duas junções. Peltier – É o efeito onde ocorre a liberação
ou absorção de calor em uma junção termoelétrica. A FEM é determinada pela
expressão abaixo:
Onde: T 1
- T
2
= temperaturas nas extremidades da haste
δ = coeficiente térmico de Thomson – é função do material com o qual é
feita a haste e da faixa de temperatura.
Com base na utilização e conhecimento mais comuns nos dias de hoje,
existem oito tipos de termoelementos: S, R, B, J, K, N, T e E. Nos anos
seguintes após a descoberta do circuito termoeléctrico, muitas combinações
de elementos termoeléctricos foram estudadas. Uma aplicação séria dos
achados foi acelerada pela demanda originada pela Revolução Industrial.
Em 1886, Le Chatelier introduziu um termopar constituído de um fio de
platina e outro de 90% platina - 10% rhódio. Essa combinação, o tipo S, ainda
é usada para fins de calibração e comparação, foi usada para definir a Escala
Internacional Prática de Temperaturas de 1968, do ponto de antimônio ao de
ouro. Esse tipo de termopar foi fabricado e comercializado por W.C.Haraeus,
Gmb. de Hanau/ Alemanha e as vezes é referido como Par Heraeus.
Posteriormente, descobriu-se um termoelemento composto de 87%
platina e 13% rhódio, Tipo R, Apresentava uma saída FEM (força eletromotriz)
um pouco mais alta.
Em 1954, um termopar foi introduzido na Alemanha cuja perna positiva
era uma liga de platina e 30% de rhódio, seu terminal negativo também era
uma liga de platina e 6% rhódio. Essa combinação Tipo B, da maior resistência
física, maior estabilidade, e pode suportar temperaturas mais altas do que os
tipos R e S.
O aspecto econômico dos processos industriais levou a uma procura
por metais menos caros a serem utilizados nos termopares. Ferro e níquel
práticos e baratos. O níquel puro, entretanto, tornava-se muito quebradiço com
a oxidação, e descobriu-se que uma liga de aproximadamente 60% cobre,
40% níquel (constantan) eliminaria esse problema. Essa combinação de ligas,
ferro-constantan, é largamente usada e é chamada de Tipo J. A calibração
atual para o Tipo J foi estabelecida pelo National Bureau os Standards, hoje
conhecido como o National Institute of Standards and Tecnology (N.I.S.T.).
A procura por medições de temperatura mais altas levou ao
desenvolvimento de uma liga 90% níquel- 10% de cromo como o fio positivo, e
uma liga de 95% níquel - 5% alumínio, manganês e silício, para o fio negativo.
Essa combinação inicialmente denominada de Chromel-Alumel, é conhecida
como o Tipo K.
Por outro lado, a necessidade de uma medição de temperaturas abaixo
de zero contribuiu para a seleção de cobre para o fio positivo e constantan
para o negativo no par termoelementos Tipo T.
O relacionamento FEM - temperatura para este par (conhecida com a
Tabela Adams) foi elaborado pelo National Bureau of Standards em 1938.
A combinação relativamente recente do termoelemento positivo do par
Tipo K e o termoelemento negativo do par Tipo T é designado como um par
termoelemento Tipo E. Este par é útil quando for necessário uma FEM mais
alta.
Nos últimos vinte anos tem sido feito um esforço considerável para
avançar a tecnologia da medição de temperaturas. Muitos materiais de
termoelementos novos têm sido introduzido para temperaturas mais altas.
Os desenhos da figura acima, mostra um termopar sem proteção
(utilizando somente isoladores de cerâmica) e outro com proteção metálica. O
comprimento “U” depende da aplicação
Figura 4.10 - Termopar com conexão tipo baioneta
4.2.1 - Características dos termopares
Os tópicos abaixo relacionam os tipos de Termopares, a sua
composição, a sua faixa de temperatura de trabalho e suas características de
utilização.
TERMOPARES TIPO T:
Composição: Cobre ( + )
/ Cobre - Níquel ( - )
Faixa de Utilização: -200 a 350° C;
Podem ser usados em atmosferas oxidantes, redutoras, inertes e no
vácuo. Adequados para medições abaixo de zero graus. Apresenta boa
precisão na sua faixa de utilização.
TERMOPARES TIPO J:
Composição: Ferro ( + )
/ Cobre - Níquel ( - )
Faixa de Utilização: -40 a 750° C ;
Podem ser usados em atmosferas oxidantes, redutoras, inertes e no
vácuo. Não deve ser usado em atmosferas sulfurosas e não se recomenda o
uso em temperaturas abaixo de zero graus. Apresenta baixo custo.
TERMOPARES TIPO E:
Composição: Níquel - Cromo
( + )
/ Cobre - Níquel
( - )
Faixa de Utilização: -200 a 900° C ;
Podem ser usados em atmosferas oxidantes e inertes. Em ambientes
redutores ou vácuo perdem suas características Termoelétricas. Adequado
para uso em temperaturas abaixo de zero graus.
TERMOPARES TIPO K:
Composição: Níquel - Cromo ( + )
/ Níquel - Alumínio ( - )
Faixa de Utilização: -200 a 900° C ;
Recomendáveis em atmosferas oxidantes ou inertes. Ocasionalmente
podem ser usados abaixo de zero graus. Não devem ser utilizados em
atmosfera redutoras ou sulfurosas. Seu uso no vácuo é por curto período de
tempo.
TERMOPARES TIPOS S – R :
Composição: S
90% Platina - 10% Ródio
( + )
/ Platina
( - )
R 87% Platina - 13% Ródio ( + )
/ Platina ( - )
Faixa de Utilização: 0 a 1600° C ;
Recomendáveis em atmosferas oxidantes ou inertes. Não devem ser
usados abaixo de zero graus, no vácuo, em atmosferas redutoras ou
atmosferas com vapores metálicos. Apresenta boa precisão em temperaturas
elevadas.
TERMOPARES TIPO B:
Composição:
70% Platina - 30% Ródio
( + )
94% Platina - 06% Ródio
( - )
Faixa de Utilização: 600 a 1700° C ;
Recomendáveis em atmosferas oxidantes ou inertes. Não devem ser
usados abaixo de zero graus, no vácuo, em atmosferas redutoras ou
atmosferas com vapores metálicos. Mais adequado para altas temperaturas
que os tipos S/R.
TERMOPARES TIPO N:
Composição:
Níquel-Cromo-Silício
( + )
/ Níquel-Silício
( - )
Faixa de Utilização: -200 a 1200° C ;
Excelente resistência a oxidação até 1200° C. Curva F.E.M x Temp.
similar ao tipo K, porém possui menor potência termoelétrica. Apresenta maior
estabilidade e menor drift x tempo.
4.2.2 - Limites de erros dos termopares
Entende-se por erro de um Termopar, o máximo desvio que este pode
apresentar em relação a um padrão que é adotado como padrão absoluto.
Este erro pode ser expresso em graus Celsius ou em porcentagem da
temperatura medida, adotar sempre o maior.
O pequeno volume e alta condutividade térmica do óxido de magnésio
promovem uma rápida transferência de calor, superior aos Termopares com
montagem convencional.
Os Termopares isolação mineral são disponíveis com diversos tipos de
capas metálicas , para garantir sua integridade em qualquer tipo de ambiente
corrosivo, qualquer que seja o Termopar.
A resistência de isolação entre condutores e bainha é sempre superior a
100M
( a 20° C ) qualquer que seja o diâmetro, em qualquer condição de
umidade.
A bainha metálica devidamente aterrada, oferece excelente blindagem
contra interferência eletrostáticas ( ruídos ).
4.2.5 - Tipos de Junções
Termopar com junção exposta: Nesse caso a junção quente fica exposta
na ponta do sensor, o que proporciona um tempo de resposta extremamente
pequeno e uma grande sensibilidade a pequenas alterações de temperatura.
Tem como desvantagem uma drástica redução da vida útil, especialmente em
ambientes agressivos pois não há nenhuma proteção para a junção.
Termopar com junção aterrada: Neste caso a junção é soldada junto
com a bainha, o que proporciona um tempo de resposta intermediário entre a
junção exposta e a isolada e fornece uma boa proteção para a junção. Como
desvantagem, este tipo é mais suscetível a ruídos.
Termopar com junção isolada: Neste caso a junção é isolada e interna o
que proporciona uma boa proteção e imunidade a ruídos, porém há um
aumento no tempo de resposta.
Figura 4.12 - Montagem típica
4.2.6 - Cabos de compensação
Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura,
através de termopares o elemento sensor não se encontra junto ao instrumento
receptor. Nestas condições torna-se necessário que o instrumento seja ligado
ao termopar através de fios que possuam uma curva de força eletromotriz em
função da temperatura similar aquela do termopar, a fim de que o instrumento
possa ter efetuada a correção da junta de referência.
Cabos e fios de extensão: - São condutores fabricados com as mesmas
ligas de fios termopares, portanto apresentam a mesma curva de F.E.M. x
Temperatura. Os fios e cabos de extensão apesar de possuírem a mesma liga
dos termopares apresentam um custo menor devido a limitações de
temperatura que podem ser submetidos, pois sua composição química não é
tão homogênea quanto a dos termopares.
Cabos e fios de compensação: - São condutores fabricados com ligas
diferentes dos termopares a que se destinam, mas também apresentam
mesma curva de F.E.M .x Temperatura dos termopares. Os fios e cabos de
compensação são usados principalmente com termopares do tipo nobre (a
base de platina), S e R, mas podem também ser utilizados no termopar básico
Tipo K.
Os fios e cabos de extensão e de temperatura são recomendados na
maioria dos casos para utilização desde a temperatura ambiente até o limite de
200ºC.
4.3 - TERMORESISTÊNCIA
As termoresistências são sensores de temperatura muito utilizados na
indústria pois possuem além de ótima precisão uma larga faixa de trabalho e
ainda permite ligações a longa distância. O princípio é um filamento bastante
delgado de um metal como platina ou níquel cuja resistência varia com a
temperatura. As termoresistências mais utilizadas são Pt 100, Pt-1000, Ni-
e Ni-1000. Desta a que melhor representa a grande maioria das aplicações na
industria é sem dúvida a de Platina (Pt-100).
4.3.1 - Termoresistência de Platina (Pt-100)
A termoresistência de platina é a mais usada industrialmente devido a
sua grande estabilidade e precisão. Esta termoresistência tem sua curva
padronizada conforme norma DIN - IEC 751 - 1985 e tem como características
uma resistência de 100 Ω a 0° C.
Convencionou-se chamá-la de Pt - 100, fios de platina com 100 Ω a 0° C.
Sua faixa de trabalho vai de -200 a 650° C, porém a ITS - 90 padronizou seu
uso até 962° C aproximadamente.
Resistência de Isolação a temperatura Ambiente entre cada terminal e a
bainha deve ser de pelo menos 100 M Ω
O auto-aquecimento é causado pela corrente que passa pela
resistência, oriunda do instrumento de leitura e pode levar a erros que
Figura 4.14 - Termoresistência Isolação Mineral
4.3.3 - Princípio de medição a 2, 3 e 4 fios
Existem normalmente dois instrumentos principais para determinar a
resistência ôhmica das termoresistências, que são pontes de medição ( Ponte
de Wheatstone ) e os eletrônicos.
O circuito em ponte é bastante utilizado em laboratórios, devido a sua
alta precisão e em alguns sistemas industriais.
A ponte de Wheatstone, quando apresenta uma relação de resistência
R
1
.R
3
=R
2
.R
4
, esta se encontra balanceada ou em equilíbrio e desta forma não
circula corrente pelo galvanômetro pois os potenciais nos pontos A e B são
idênticos.
Portanto conhecendo-se os valores de R
1
e R
2
, e ajustando a resistência
R
3
até que a ponte fique em equilíbrio, tem-se através de R
3
o valor de R
4
e
portanto o valor ôhmico da termoresistência.
R
1
.R
3
= R
2
.R
4
se R
1
= R
2
............................. R
3
= R
4
4.3.4 - Ligação a 2 fios
R
4
é a termoresistência, R 3
é uma resistência variável para aferição do
circuito. A resistência da fiação, representada na figura por RL1 e RL2, tende a
aumentar com a distância entre o sensor e o instrumento, a bitola dos fios e a
temperatura.
Quando a ponte estiver balanceada (quando não circular corrente pelo
galvanômetro) temos:
R
1
.R
3
= R
2
.( RL
1
+ RL
2
+ R
4
se R 1
= R
2
, tem-se: R
3
= RL
1
+ RL
2
+ R
4
Mesmo com a ponte balanceada, o valor da resistência R 3
é igual à R 4
mais as resistências de fiação RL 1
e RL 2
que, dependendo de seus valores,
podem induzir erros graves na medição de temperatura com termoresistência.
Figura 4.15 - Circuito de Ligação a 2 Fios
4.3.5 - Ligação a 3 Fios
Este é o método mais utilizado para as termoresistências na indústria.
Nesse circuito, a configuração elétrica é um pouco diferente, aproximando a
alimentação do sensor e permitindo que RL 1
passe para o outro braço da
ponte, balanceando o circuito. Na ligação a 2 fios as resistências de linha
estavam em série com o sensor, agora na ligação a 3 fios estão separadas,
contribuindo para o equilíbrio do circuito.
R
1
.( R
3
+ RL
1
) = R
2
.( R
4
+ RL
2
como R 1
= R
2
.................... R
3
+ RL
1
= R
4
+ RL
2
Se os fios de ligação forem do mesmo tipo, tiverem o mesmo
comprimento, a mesma bitola e estiverem com mesma temperatura, pode-se
considerar (RL 1
= RL
2
Se, RL 1
= RL
2
............................. R
3
= R
4
Figura 4.16 Circuito de Ligação a 3 Fios
É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura
estabilizada para a correta indicação;
- Possui um tempo de resposta mais alta que os termopares;
- mais frágil mecanicamente;
- auto-aquecimento, exigindo instrumentação sofisticada.
4.5 - PAR BIMETÁLICO
Ë utilizado nos conhecidos termostatos. Trata-se de duas chapas
metálicas de materiais com diferentes índices de dilatação que são montadas
face a face. Com o aquecimento há uma deformação do conjunto das chapas
havendo a abertura ou fechamento de um contato.
Figura 4.18 - Exemplos Par
Bimetálicos
4.6 - SENSORES ELETRÔNICOS
Já existem diversos sensores térmicos eletrônicos de pequenas
dimensões e várias funções projetados especialmente para montagem em
placas de circuito impresso. Podemos dividi-los nos seguintes tipos:
4.6.1 - Diodos
O diodo comum de silício, polarizado diretamente com corrente de 1mA,
tem queda de tensão próxima de 0.62V, a 25ºC. Esta tensão cai
aproximadamente 2mV para cada ºC de aumento na temperatura, e pode ser
estimada pela equação:
Vd = A - BT
A e B variam um pouco conforme o diodo. Esta equação é de uma reta,
e vale até uns 125 ºC, limite para o silício. Os diodos de Germânio possuem
variações ainda maiores em função da temperatura.
O diodo é encontrado em controles e termômetros de baixo custo e
razoável precisão, até uns 100 ºC.
4.6.2 – Transistores:
Podemos utilizar o princípio de que os parâmetros dos transistores
variam com a temperatura, para usá-los como sensores. Um dos transistores
de silício mais utilizado para este propósito é o 2N2222, pois suas curvas de
funcionamento aliadas ao seus encapsulamento metálico facilitam o seu uso.
Se o coletor e base de um transistor é colocado no mesmo potencial,
então a relação entre a tensão base-emissor(Ube) e a corrente de coletor é
dada por :
Ube = (kT/e) ln (Ic/Is)
Neste caso a corrente de saturação (Is) depende da temperatura, se a
corrente de coletor for mantida constante e os componentes for
cuidadosamente selecionados, é possível obter uma relação linear para
temperaturas entre –50ºC a 150ºC. O coeficiente de temperatura para
transistores bipolares é 2mV/K.
Figura 4.19 - Um transistor npn ligado como diodo.
4.6.3 - Circuitos integrados:
Geralmente possuem algumas funções a mais, como: filtros,
reguladores e proteções. Há circuitos integrados sensores de temperatura
utilizando as características da dependência dos parâmetros do silício com a
temperatura e outros que utilizam a tecnologia de permalloy sobre um
substrato de silício, são os
chamados RTD (Resistence
Temperature Detector). A Micro
Switch
e a Honeywel, laçaram
a série TD com vários tipos de
encapsulamento.
Figura 4.20 - Termosensores integrados em vários encapsulamento.
4.7 - PIRÔMETROS
Os pirômetros de radiação usam a radiação de um corpo para a medida
da temperatura sem haver o contato entre o sensor e o corpo. Todos os corpos
possuem radiações próprias, contínuas. Pelo aquecimento de um corpo através
da condução de calor ou convecção, uma parte desse calor é transformado em
radiação. Uma radiação incidente externa é em parte absorvida, refletida e
transmitida pelo corpo. A soma dos coeficientes de absorção, reflexão e
transmissão é igual a 1.
Um corpo com coeficiente de absorção igual a 1 é denominado corpo
negro. Ele sempre libera a maior radiação possível, a qualquer temperatura.
Para o corpo negro, a energia total liberada é proporcional a Quarta potência
da temperatura absoluta(Lei de Stefan-Boltzman).
Um corpo negro pode ser obtido quando um corpo oco, com paredes a
prova de radiações e uma pequena abertura, é aquecido uniformemente. A
radiação que escapa pela abertura é negra.
Pela lei de Kirchhoff, a relação entre a emissão de um corpo não negro e
a emissão de um corpo negro é a mesma que a dos coeficientes de absorção
dos mesmos.
Essa relação é denominada coeficiente de emissão, ou emissividade ε.
A emissividade depende do comprimento de onda λ, da temperatura absoluta,
do sentido da radiação e do tipo de superfície do radiador. Ela pode ser
determinada empiricamente e já existe em forma de tabelas para vários
materiais.
Para o corpo negro, ε = 1; para todos os outros corpos ε < 1. Dá-se o
nome de radiador cinzento a radiadores de temperatura, cuja emissividade
espectral para o meio ambiente é independente de λ, na faixa espectral
obesrvada.
Figura 4.22 – Exemplo de um pirômetro(ardometer)
