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Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura 44 Índice 4- SENSORES DE TEMPERATURA ____________________________________ 45 4.1 - TERMISTORES (THERMALLY SENSITIVE RESISTOR): ________________ 45 4.1.1 - PTC (Positive Temperature Coefficient)________________________________ 45 4.1.2 - NTC (Negative Temperature Coefficient)_______________________________ 46 4.2 - TERMOPARES _____________________________________________________ 47 4.2.1 - Características dos termopares________________________________________ 50 4.2.2 - Limites de erros dos termopares _______________________________________ 51 4.2.3 - Relação temperatura x bitola do fio ___________________________________ 52 4.2.4 - Termopar isolação mineral ___________________________________________ 52 4.2.5 - Tipos de Junções ____________________________________________________ 53 4.2.6 - Cabos de compensação _______________________________________________ 54 4.3 - TERMORESISTÊNCIA _______________________________________________ 54 4.3.1 - Termoresistência de Platina (Pt-100) ___________________________________ 54 4.3.2 - Tipos de montagens__________________________________________________ 55 4.3.3 - Princípio de medição a 2, 3 e 4 fios _____________________________________ 56 4.3.4 - Ligação a 2 fios _____________________________________________________ 56 4.3.5 - Ligação a 3 Fios ____________________________________________________ 57 4.3.6 - Ligação a 4 Fios:____________________________________________________ 58 4.4 - TERMORESISTÊNCIA X TERMOPAR:_______________________________ 58 4.5 - PAR BIMETÁLICO__________________________________________________ 59 4.6 - SENSORES ELETRÔNICOS __________________________________________ 59 4.6.1 - Diodos ____________________________________________________________ 59 4.6.2 – Transistores: _______________________________________________________ 60 4.6.3 - Circuitos integrados:_________________________________________________ 60 4.6.4 - Circuitos integrados inteligentes: ______________________________________ 61 4.7 - PIRÔMETROS ______________________________________________________ 63 Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura 45 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 Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura 48 Onde: T1 - T2 = 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. Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura 49 Combinações de tungstênio, rênio e suas binárias são largamente usadas em temperaturas mais altas para atmosferas redutoras e inertes ou vácuo. Ainda não foram atribuídas nomenclaturas de letras para essas combinações: O avanço mais significativo recentemente na medição de temperatura foi a adoção da Escala Internacional de Temperaturas de 1990 (ITS-90). O trabalho de representantes internacionais foi adotado pela Internacional Committee of Eights and Measures em sua reunião de setembro de 1989, e é descrita na "The International Temperature Scale of 1990", Metrologia 27, N.º 1,3-10 (1990); Metrologia 27, 107 (1990). Resumindo o termopar consiste em um par de condutores metálicos diferentes e puros (ou com ligas homogênea), unidos em uma extremidade, que, quando submetido a um diferencial de temperatura entre as suas junções, gera uma tensão da ordem de milivolts em suas extremidades. Essa tensão é proporcional a diferença de temperatura. E se deve ao efeito Seebeck. Os Termopares são os sensores de maior uso industrial para a medição de temperatura. Eles cobrem uma faixa bastante extensa de temperatura que vai de -200 a 2300°C aproximadamente, com uma boa precisão e repetibilidade aceitável, tudo isto a um custo menor que o de outros tipos de sensores de temperatura . Figura 4.8 - Representação do Termopar Figura 4.9 - Detalhe de Termopares Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura 50 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. Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura 53 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 100MΩ ( 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 Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura 54 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-100 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 MΩ O auto-aquecimento é causado pela corrente que passa pela resistência, oriunda do instrumento de leitura e pode levar a erros que Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura 55 comprometam a medição. Para isto deve-se limitar a corrente de excitação do sensor a valores da ordem de 1 a 2 mA. A elevação da temperatura equivalente ao aumento da dissipação de calor na termoresistência não deve exceder a 0,3 ºC . 4.3.2 - Tipos de montagens Na montagem convencional com bainha preenchida, tem-se o sensor montado em um tubo 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. Ainda assim neste tipo de montagem, a termoresistência não apresenta muita resistência mecânica e não dispõe de condições para efetuar curvas, bem como tem limitações relativas ao diâmetro externo e comprimento total. Figura 4.13 - Termoresistência Convencional com Bainha Preenchida Para suprir este problema dimensional, foi desenvolvida a termoresistência Isolação Mineral, na qual 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 dá uma maior flexibilidade permitindo dobras e curvas do cabo que antes era impossível, podendo ser utilizada em locais de difícil acesso. Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura 58 Notas: • O terceiro fio atua somente como condutor de compensação, não influenciando nos cálculos de medição de resistência. • A integridade de medição de uma ligação a 3 fios pode ser mantida somente se a ponte for balanceada. Portanto, uma técnica mais precisa para medição de temperatura com termoresistência é a ligação a 4 fios. 4.3.6 - Ligação a 4 Fios: A fonte de corrente S alimenta a termoresistência, onde temos uma tensão, media por um voltímetro cuja impedância alta não interfere de forma significativa no comportamento circuito. O fato de utilizar uma fonte de corrente minimiza o erro provocado pela resistência da fiação, pois a mesma tentará manter a corrente constante independente da variação do circuito. Este tipo de medição a 4 fios é pouco usada na indústria, tendo sua maior aplicação em laboratórios e sendo usado em sensores padrões. Figura 4.17 - Circuito de Ligação a 4 Fios 4.4 - TERMORESISTÊNCIA X TERMOPAR: Vantagens dos Pt-100: • Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores; • Tem características de estabilidade e repetibilidade melhores do que os termopares; • Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação; • Dispensa o uso de fios e cabos de extensão e compensação para ligação, sendo necessário somente fios de cobre comuns; • Se adequadamente protegido, permite a utilização em qualquer ambiente; • Curva de Resistência x Temperatura mais linear; • Menos influenciada por ruídos elétricos. Desvantagens do Pt-100: • São mais caras do que os sensores utilizados nesta mesma faixa; • Range de temperatura menor do que os termopares; • Deterioram-se com mais facilidade, caso se ultrapasse a temperatura máxima de utilização; Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura 59 • 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. Instrumentação e Controle Capitulo 04 Sensor de Temperatura 60 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.