Sensores de temperatura

3.Conceitos básicos4.Termistores (Thermally Sensitive Resistor)

* PTC (Positive Temperature Coeficient)* NTC (Negative Temperature coeficient)

5.Termoresistência * Termoresistência de platina* Tipos de montagem

6.Pirômetros

INSTRUMANTAÇÃO

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Grandeza física relacionada com o grau de vibração dos átomos e/ou moléculas que constituem o corpo.

CONCEITOS BÁSICOS

Temperatura

Energia térmica em trânsito de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura. Calor

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Sensores térmicos

termoresistênciasmetálicas

semicondutoras

interruptores térmicos

termodíodos

termotransístores

termopares

de ruído

activos

passivos

sensores de contacto:condução

Tipos de sensores térmicos

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TERMISTORES

Os termistores são semicondutores cerâmicos que também tem sua resistência alterada como efeito direto da temperatura, mas que geralmente possui um coeficiente de variação maior que os RTDs (Resistance Temperature Detector – Resistência Detector de temperatura).

A palavra termistor vem de thermally sensitive resistor.Estes dispositivos são formados pela mistura de óxidos metálicos prensados e

sinterizados em diversas formas ou em filmes finos, podendo ser encapsulados em vidro (hermético para maior estabilidade) ou epoxi.

São designados como NTC (negative temperature coeficient) quando apresentam um coeficiente de temperatura negativo e como PTC (positive temperature coeficient) quando apresentam um coeficiente de temperatura positivo.

Estes dispositivos não são lineares e apresentam uma sensibilidade elevada (típica 3% a 5% por °C) com faixa de operação típica de -100°C a +300°C. (danos ao dispositivo por sobre/subtemperatura).

Os termistores são disponibilizados em tamanhos e formas variadas. A sua faixa de tolerância de fabricação também varia (tipicamente de 5 a 20%).

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Tamanhos e formas bastante variados (0,005” a 0,05” de diâmetro)

PTC – Resistência aumenta com a temperatura

NTC – Resistência decresci com aumento da temperatura

VidroGota (bead) Epoxi Montagem de superfície

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Ponteira em Aço Inox Ponteira em Aço Inox com Flange

Alumínio

Superfície Micro Ponteira

TO-5

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PTCs – Coeficiente de temperatura positivo

Os PTCs aumentam a sua resistência com o aumento da temperatura. Podem ser construídos de silício, e conseqüentemente suas características dependem deste semicondutor dopado. Durante muito tempo o olho foi utilizado como “sensor de temperatura”.

Outros termistores com coeficiente positivo são construídos com Titanatos de Bário, Chumbo e Estrôncio. Em temperaturas muito baixas (abaixo de 0°C) o valor de resistência é baixo e a curva da resistência x temperatura exibe uma pequena faixa de coeficiente negativo de temperatura. Com o aumento da temperatura este coeficiente torna-se positivo e a resistência começa a aumentar e só pára de aumentar quando chega em seu limite, onde novamente ocorre uma inversão do coeficiente de temperatura, tornando-se negativo.

Alguns termistores PTC baseados na dopagem por silício mostram um declive baixo com a temperatura e são chamados de Tempsistores ou Silistores e na faixa de temperatura de -60°C a +150°C.

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NTCs – Coeficiente de temperatura negativoOs termistores do tipo NTC consistem de óxidos metálicos tais como Cromo,

Níquel, Cobre, Ferro, Manganês e Titânio. Estes componentes diminuem a sua resistência elétrica com o aumento da temperatura.

As limitações dos termistores para a medição da temperatura e outras quantidades físicas são similares aos RTDs. Porém, os termistores são menos estáveis do que os RTDs. Os termistores são amplamente utilizados, apresentando alta sensibilidade e

alta resolução para medição de temperatura. Sua alta resistividade permite massa pequena com rápida resposta e cabos de conexão longos.

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Transdutores Termoresistivos

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Características principaisCondutor metálico, sendo a platina o material mais utilizado.

Praticamente lineares com Sensibilidade Baixa e Positiva.

Dependendo do metal são muito estáveis.

Faixa de Operação (-200 a +850 °C).Baixíssima tolerância de fabricação (0,06% a 0,15%).

Considerados sensores de alta precisão e ótima repetitividade de leitura.Bobina bifilar metálica (em geral platina) enrolada sobre um substrato (cerâmica) e encapsulado (cerâmica, polímero ou vidro)

Ni

W

Cu

Pt

0

100

200

300

400

500

600

-100 100 300 500 700

R (Ω)

T (ºC)

Ω= 100º0 CR

semicondutora

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Filme Metálico depositado sobre substrato cerâmico encapsulado (polímero ou vidro)

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TERMORESISTÊNCIAAs termoresistências de Platina mais usuais são: PT-25,5Ω, PT-100Ω, PT-120Ω,

PT-130Ω, PT-500Ω, sendo que o mais conhecido e usado industrialmente é o PT-100 Ω. Estas siglas significam o metal (PT – Platina) e a resistência a temperatura de 0°C.

Um sensor de filme de platina para aplicação industrial pode atuar na faixa de –50 a 260 °C.

Sensores de enrolamentos de fio de platina atuam entre –200 e 648 °C

Os sensores de platina também são bastante conhecidos por serem estáveis e manter suas características por um longo período de tempo. Apesar de não ser o sensor mais

sensível, esta é a razão pela qual a platina é mais utilizada que o níquel.

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Tipos de Montagens

Na montagem convencional com bainha preenchida, tem-se o sensor 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.

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MontagensCircuitos em ponte: 2 fios, 3 fios, 4 fios.

Ligação a dois fios

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R (k

Ω)

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350

KTY81-2

KTY83-1

KTY84-1

KTY81-1

T (ºC)

Fabricantes especificam de R com tabelas KTY81-1

Sensor Valor nominal (Ω) Gama de temperaturas (ºC) α (Ω/Ω/ºC) β (Ω/Ω/ºC2)KTY81-1 990-1050 - 55 a 150 7,87E-03 1,87E-05KTY81-2 1980-2100 - 55 a 150 7,87E-03 1,87E-05KTY83-1 990-1050 - 55 a 150 7,64E-03 1,73E-05KTY84-1 970-1050 0 a 300 6,12E-03 1,03E-05

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350

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Vantagens e Desvantagens na Escolha do Bulbo de Resistência

Vantagensa) Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores.b) Tem boas características de estabilidade e repetibilidade.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.

Desvantagensa) 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) Autoaquecimento, exigindo instrumentação sofisticada.24/02/10 16JOÃO NOGUEIRA

PIRÔMETROSEmpregando os princípios da radiação, métodos foram desenvolvidos para medir a

temperatura de superfícies sem que haja contato do sensor com a superfície. Esses métodos eliminaram os problemas de estabilidade e isolamento inerentes às medições, por contato, de altas temperaturas.

A região do infravermelho é utilizada dentro do espectro eletromagnético para caracterizar temperatura, medindo sua radiação térmica.

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Princípios de Radiação As ondas eletromagnéticas e partículas emitidas da superfície de um corpo são denominadas radiação. A radiação emitida de uma superfície aquecida tem muitos comprimentos de onda diferentes. O espectro eletromagnético cobre uma grande faixa de comprimentos de onda, porém a radiação térmica relaciona-se apenas com o espectro da luz. Pode-se obter o valor da energia de radiação de um comprimento de onda através da temperatura absoluta. A energia total emitida por uma superfície é dada, portanto, pela soma das energias de radiação de cada comprimento de onda.

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O Pirômetro Óptico O pirômetro óptico é usado para medir temperaturas em uma faixa de 700°C até 4000°C. A energia de radiação emitida pelo corpo é coletada e focada por uma lente objetiva na lâmpada do pirômetro. A energia radiante é, então, passada por um filtro e transmitida a uma outra lente objetiva e então a uma lente ocular. A imagem vista pelo pirômetro é o do filamento da lâmpada em um fundo de intensidade devida ao corpo observado. Deve-se ajustar a corrente para fazer com que o brilho da lâmpada seja equiparado ao do fundo de modo que os dois se confundam, fazendo o filamento sumir. Através da medição da corrente necessária para fazer o filamento desaparecer, obtém-se a temperatura do corpo.

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Pirômetros Infravermelhos Em baixas temperaturas, as emissões de radiação se concentram nas regiões infravermelhas do espectro. Os pirômetros infravermelhos coletam a radiação infravermelha da região de uma superfície através de uma lente. A radiação é, então, refletida e focada em um sensor de temperatura (um termopar, por exemplo) por um espelho côncavo. A partir da magnitude de radiação absorvida pelo sensor, pode-se ter o valor da temperatura da superfície emissora.

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Aplicações -Termocâmeras

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TermógrafoPodem ser unidimensionais: termógrafos de linha. Nesse caso é feito uma varredura em uma linha, levantado o perfil de temperatura da mesma.

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Imagem térmica de um corpo e Termógrafo

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Pirômetros de radiação implementados com sensores óticos

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Podem ser bidimensionais, levantando o perfil de uma superfície.

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Referências BibliográficasSENAI. ES. Instrumentação - Instrumentação Básica I - Pressão e Nível. 1999SENAI. ES. Instrumentação - Instrumentação Básica II - Vazão, Temperatura e Analítica.1999.

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•www.help-temperatura.com.br• www.arquimedes.net• www.controles.com• www.fisicarecreativa.com•www.arquimedes.tv/sens/sensor_Pt100.htm•www.magnetosgerais.com.br/index2.htm