Projeto de termômetro digital usando termistor NTC - DEE

Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Departamento de Engenharia Elétrica
Instrumentação Eletrônica
Projeto de termômetro digital usando termistor NTC 50D-9
Alunos: Leonardo Augusto M. De Oliveira
Thiago Landim dos S. Mendes
Natal, julho 2011
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Engenharia Elétrica
Instrumentação Eletrônica
Projeto de termômetro digital usando termistor NTC 50D-9
Autores: Leonardo Augusto M. de Oliveira
Thiago Landim dos S. Mendes
O presente trabalho trata-se de um projeto com
finalidades acadêmicas de um termômetro digital
utilizando um termistor. O projeto foi implementado
em laboratório em uma protoboard, é válido para a
disciplina de Instrumentação Eletrônica orientada
pelo prof. Luciano Fontes, no semestre de 2011.1.
Natal, julho 2011
RESUMO
Neste trabalho, descrevemos o projeto e funcionamento de um sistema eletrônico
simples de leitura direta de temperatura que utiliza um termistor como elemento sensor. O
sistema é composto de uma fonte de alimentação estabilizada, um circuito série contendo um
resistor e um termistor, e um circuito de condicionamento de sinal contendo circuitos
integrados. O instrumento projetado pode ser operado com uma bateria. O sistema deverá
possuir exatidão da ordem de 0,1º C para a faixa de temperatura de 0º C a 32º C, sendo
indicado para experimentos que envolvem medidas de pequenas variações de temperatura. O
sistema também apresenta algumas características adicionais, como robustez, facilidade de
construção, baixo custo, e resposta rápida a variações de temperatura.
ABSTRACT
In this work, we describe the project and operation of a simple direct reading
temperature electronic system which uses a thermistor as sensing element. The system is
composed of a stabilized power supply, a resistor-thermistor series circuit, and a signal
conditioning circuit based only on one integrated circuit, and it may be operated using a battery.
The system provides accuracy of about 0.1 ºC for a range of temperature varying between 0º C
to 32º C, being indicated for experiments which involve measurements of small temperature
changes. The system also provides some additional features, such as robustness, ease to
building, low cost, and rapid response to temperature changes.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO …................................................................................................ 5
2. PROJETO …........................................................................................................6
2.1 Linearização da resposta do termistor ...................................................6
2. 2 Curva de calibração ...............................................................................8
2.3 Condicionamento de sinal ......................................................................9
2.4 Construção do termômetro ...................................................................11
2.5 O TERMOMETRO .................................................................................13
2.6 CONVERSÃO A/D .................................................................................16
2.7 DECODIFICADOR BCD ........................................................................17
2.8 BCD para 7 segmentos (Interface HM) ..................................................18
7. RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................................................19
8. CONCLUSÃO ......................................................................................................21
9. REFERÊNCIAS ...................................................................................................22
1. INTRODUÇÃO
Medidas de temperatura são fundamentais em pesquisa e desenvolvimento em ciências
e tecnologia, pois grande parte das propriedades físicas e químicas apresentam alguma
dependência com esta grandeza. Também, as medidas de temperatura são fundamentais em
controle de processos em que a esta é uma variável importante. Vários aparatos de medida de
temperatura vem sendo desenvolvidos, utilizando dispositivos sensores elétricos e não
elétricos, em busca de leituras mais exatas para a finalidade a que se destinam. Neste
trabalho, apresentamos o projeto e funcionamento de um termômetro eletrônico de leitura
direta, robusto e de fácil construção, que utiliza um termistor de pequenas dimensões. O
sistema proposto inclui um circuito de condicionamento de sinal com circuito integrado de baixo
custo. O sistema proposto poderá ser utilizado em um grande número de experimentos de
física e físico-química experimental.
2. PROJETO
O projeto foi feito seguindo o diagrama mostrado na Figura 01. A montagem é simples
devido ao projeto ser dividido em blocos. Dessa forma, é montado cada bloco separadamente e
em seguida fazemos apenas as junções, de acordo com as entradas e saídas de cada
componente.
Figura 01 – Diagrama de blocos do projeto
A ideia é realizar montagem do circuito completo em laboratório (protoboard) utilizando
os circuitos integrados que será mostrado logo a seguir.
2.1. Linearização da resposta do termistor
Primeiramente, para projetar o funcionamento do termômetro, é necessário tomar
algumas precauções para garantir uma medição fiel. A primeira delas é encontrar uma faixa de
reposta do sensor utilizado que seja linear. Assim, informar a temperatura real ao usuário se
tornará mais fácil.
Dentre os sensores elétricos de temperatura, os termistores do tipo NTC (Negative
Temperature Coeffcient) são dispositivos semicondutores, de baixo custo, que exibem um
coeficiente negativo de resistência elétrica com a temperatura, e são utilizados para medidas
de temperatura entre -50º C e +300º C, bem como para medidas precisas de pequenas
variações de temperatura em experimentos calorimétricos. Os termistores destinados a
medidas de temperatura usualmente possuem pequenas massa e dimensões, facilitando seu
posicionamento no meio em que se deseja efetuar a medida. Essas características físicas,
juntamente com o tipo de resposta a ser correlacionada com a temperatura, que é uma
resposta elétrica, confere ao termistor a dupla vantagem de proporcionar medidas de variações
rápidas de temperatura e minimizar trocas de calor entre o termistor e o corpo que se deseja
medir a temperatura. Os termistores podem possuir encapsulamento em epóxi ou em vidro,
sendo este último mais apropriado para efetuar medidas em líquidos contendo substâncias que
podem danificar o sensor. A Figura 02 mostra o aspecto físico do termistor utilizado (NTC 50D9) como o comportamento da resistência elétrica em função da temperatura para um termistor
NTC típico não é linear, o que exige a aplicação de alguma estratégia de linearização de sua
curva característica, que pode ser descrita aproximadamente como:
R= Aexp 
B
 (I)
T
Em que R é a resistência elétrica do termistor na temperatura absoluta T, e A e B são
constantes características do termistor.
Figura 02 – Dimensões do Termistor
Várias alternativas foram propostas para efetuar a linearização da resposta de um
termistor para faixas definidas de temperaturas utilizando circuitos eletrônicos analógicos
(linearização no domínio analógico). Para a linearização da resposta do termistor, utilizamos
um divisor de tensão que é constituído pelo termistor, um resistor e uma fonte de tensão de
excitação constante, conforme o esquema elétrico indicado na Figura 03. A capacidade de
linearização desse circuito série é igual a de outras topologias, tal como a ponte de Wheatstone
com um termistor e três resistores fixos. A tensão de saída da rede resistiva, Vs, indicada na
figura, apresenta um comportamento sigmoidal. O ponto de indexão da sigmoide ocorre
quando a resistência do termistor é aproximadamente igual na resistência do resistor fixo. No
projeto aqui proposto, foi escolhido um resistor de valor nominal de 50Ω uma vez que foi
considerado de interesse que o ponto de indexão da curva sigmoidal ficasse próximo a 25º ±C,
e a esta temperatura o termistor tem valor nominal de 50Ω. A tensão de saída, Vs, dependeria
inversamente da temperatura de modo aproximadamente linear para uma faixa de temperatura
limitada.
Figura 03 – Linearização do termistor (Temperatura / ºC)
2.2. Curva de calibração
Para determinar a faixa de temperatura em que a resposta do circuito é aceitavelmente
linear, nos baseamos em um artigo publicado pela Revista Brasileira de Ensino de
Física(Guadagnini, P. H. e Barlette, V. E., 2005), cujo trabalho apresentado faz a calibração do
instrumento utilizando um multímetro e um termômetro de líquido em vidro como sendo o
termômetro padrão. O termistor e o termômetro padrão foram mergulhados em um banho de
água em que a temperatura do banho foi variada continuamente entre 0 ºC (mistura de água e
gelo) e 80 ºC, sob agitação suave da água do banho. Foi determinado que o circuito
apresentou uma resposta linear para temperaturas entre 0ºC e 40ºC.
Figura 04 – Linearidade do circuito de calibração
2.3. Condicionamento de sinal
Para o condicionamento de sinal do termômetro de leitura direta que se deseja,
considerou-se o problema básico de obter a tensão de saída após o condicionamento de sinal,
vc, a partir de vs tal que:
Vc=0,01 V ºC−1 t (II)
Um circuito baseado em um amplificador operacional pode ser utilizado para efetuar tal
condicionamento de sinal, de acordo com o esquema apresentado na Figura 04. O circuito em
questão deveria ser projetado para gerar a tensão vc a partir de vs, de modo a satisfazer as
equações.
Figura 04 – Circuito para condicionar o sinal
Na análise de circuitos contendo amplificadores operacionais, pode-se utilizar o modelo
do amplificador operacional ideal. Nesse modelo, as impedâncias das entradas inversora(-) e
não-inversora(+) do amplificador operacional são infinitas, implicando em correntes de entrada
nulas. Na prática, esse modelo descreve satisfatoriamente o circuito do projeto proposto no
presente trabalho, que utiliza um amplificador operacional com corrente de entrada da ordem
de 45 nA. Pode-se considerar, inicialmente, uma configuração mais simples do que a mostrada
na figura, em que a entrada não-inversora do amplificador operacional é ligada diretamente no
terminal negativo da fonte de alimentação, implicando, portanto, na eliminação da bateria.
Aplicando o modelo do amplificador operacional ideal para esse caso, em que a tensão de
entrada é aplicada na entrada inversora, a nova tensão de saída, vc1, pode ser expressa por :
Vc1=−
Rf
Vs (III)
Rs
Em que RF e RS são, respectivamente, as resistências dos resistores RF e RS. Nessa
configuração, o amplificador operacional opera como inversor com ganho –RF/RS. Por outro
lado, o modelo do amplificador operacional ideal também pode ser utilizado para expressar a
tensão de saída quando a tensão de entrada é aplicada na entrada não-inversora. Pode-se
considerar uma segunda configuração, mais simples, em que o terminal esquerdo do resistor
RS é ligado no terminal negativo da fonte, e não mais a vs. Nesse caso, a tensão de entrada
torna-se a própria tensão da bateria, vref , e a nova tensão de saída é expressa como :
Vc2=1
Rf
Vref (IV)
Rs
Em que vref é a tensão de referência aplicada na entrada não-inversora do amplificador
operacional. Nessa configuração, o amplificador operacional opera como não inversor com
ganho (1 + RF/RS). Para analisar o circuito de condicionamento de sinal utilizado neste
trabalho, mostrado esquematicamente na Figura 04, pode-se aplicar o princípio da
superposição, válido para circuitos lineares. Segundo esse princípio, a tensão de saída pode
ser expressa como a soma das tensões de saída devido a cada uma das duas configurações
descritas pela equação:
Vc=Vc1Vc2=
−Rf
Rf
Vs1  Vref (V)
Rs
Rs
Substituindo-se a equação (V) em (II), determina-se a razão entre as resistências RF e RS:
Rf 0,01VºC −1 
=
Rs
β
(VI)
e a tensão de referência,
Rf
Rs
Vref =
Rf
1
Rs
(VII)
Fixando RF = 1 MΩ, obtém-se RS = 932 kΩ e vref = 0,349 V.
2.4. Construção do termômetro
Inicialmente temos o regulador de tensão. Esta etapa trás consigo algumas vantagens,
como por exemplo: pode ser implementado com bateria comercial, e também pode-se usar
valores de tensões diferentes a partir da fonte de alimentação.
O circuito procede como mostrado nas figuras 04,05 e 06.
Para a operação do equipamento, um regulador de tensão 7805 (CI) é utilizado para
estabilizar a tensão em 5 V. O regulador de tensão pode ser alimentado com uma bateria de 9
V ou com uma fonte de alimentação regulada para tensão entre 9 V e 12 V.
Figura 05 – Circuito regulador projetado
Figura 06 - Circuito Simulado
Figura 07 - Circuito regulador de tensão montado
2.5. O TERMÔMETRO
A figura 08 mostra o circuito do termômetro. Ele utiliza o circuito integrado de baixo
custo LM358, que possui internamente dois amplificadores operacionais os quais foram
projetados especificamente para operar com fontes de alimentação simples e com baixo
consumo de energia. A escolha desse circuito integrado confere maior simplicidade ao circuito,
pois não há necessidade de se utilizar duas baterias ou um circuito adicional para gerar
tensões positivas e negativas em relação a um ponto comum. O termistor é um sensor que
exige uma corrente de excitação, e portanto gera energia térmica que tende a aumentar a sua
própria temperatura, podendo comprometer a exatidão das medidas. No modo de trabalho
descrito, o termistor deve ser operado em uma condição de dissipação de potência desprezível,
o que implica que o auto-aquecimento do termistor, devido a corrente de excitação seja
desprezível. Na prática, recomenda-se que a corrente de excitação não seja maior que 100 uA
para que variações de temperatura da ordem de 0,1 C possam ser medidas com confiabilidade.
Figura 08 – Circuito teórico que faz a medição da temperatura e transforma em sinal elétrico
O divisor de tensão formado pelo termistor RT e pelo resistor R3 é alimentado pela
tensão de excitação obtida do amplificador operacional, que é utilizado como buffer (ganho
unitário). O valor da tensão de excitação é definido pelo divisor de tensão formado pelos
resistores R1 e R2, sendo aproximadamente 0,90 V. Esse valor de tensão de excitação resulta
em correntes de excitação do termistor de 22 µA, para a temperatura de 0º C, de 45µA, para a
temperatura de 25º C, e de 58 µA, para a temperatura de 40º C, segundo medidas
experimentais efetuadas. A constante de dissipação típica, no ar, para termistores de
dimensões daquelas mostradas nas figuras anteriores, é cerca de 1 mW 0C-1. Pode-se
estimar, com base nesse valor, a variação de temperatura no termistor devido a corrente de
excitação. Considerando que a resistência do termistor, a 25 ºC, é de 50Ω, a potência
dissipada é de 20 µW, resultando em uma variação de temperatura no termistor de 0,02 ºC
devido ao auto-aquecimento, o que é consideravelmente inferior na resolução que se pretende
que o termômetro tenha, que é de 0,1 ºC. Como ocorre um máximo para a potência dissipada
no termistor no ponto de inflexão da curva representada na Figura, para qualquer outra
temperatura diferente de 25 C, a potência dissipada no termistor será inferior a 20 µW. Para
outros meios, como por exemplo o óleo ou água sob agitação, a constante de dissipação do
termistor pode tornar-se até dez vezes maior, reduzindo a influência da corrente de excitação
na medida de temperatura. A queda de tensâo entre os terminais do termistor é introduzida na
entrada inversora do amplificador operacional, que é utilizado para o condicionamento de sinal
conforme a equação foi mostrada. Os resistores R4 e R5 em série, equivalem ao resistor RS.
Foram utilizados os valores comerciais para resistências de R4 e R5 que resultam no valor
aproximado de RS calculado anteriormente.
O resistor de realimentação R6, equivale ao
resistor RF. O divisor de tensão constituído pelo potenciômetro R7 define a tensão de
referência, vref , que pode ser ajustada para efetuar a calibração do termômetro. Esse
potenciômetro deve ser, preferencialmente, do tipo multivoltas. O resistor R8 proporciona uma
corrente de saída mínima do amplificador operacional, o que permite que a tensão na saída do
amp. op. que abaixo de 1 mV quando a temperatura do termistor é de 0 C. A tensão de saída
de, em volts, multiplicada por 100, representa o valor numérico da temperatura em graus
Celsius. Por exemplo, para a tensão de saída de 0,255 V, a temperatura será de 25,5 C. Alguns
pontos devem ser salientados, com respeito a construção do termômetro:
1. Resistores de carbono podem ser usados na construção do termômetro. Entretanto, deve-se
optar preferencialmente por resistores de filme metálico (especialmente no caso de R3), pois
estes possuem menor coeficiente de variação de resistência com a temperatura;
2. O circuito proposto não será danificado caso haja curto circuito entre a saída de CI2b e o
ponto comum. Entretanto, isso deve ser evitado, pois o tempo de vida da bateria pode ser
reduzido;
Até agora o circuito implementado em laboratório está como segue abaixo:
Figura 09 – Montagem do circuito transdutor de temperatura.
4- CONVERSÃO A/D
Temos um valor analógico de tensão proporcional ao valor da resistência. Faz-se
necessário a conversão do sinal analógico em um sinal digital. Para isso, será utilizado um
conversor analógico/digital (A/D), optamos por utilizar um conversor fácil de se encontrar e de
baixo custo,o ADC0804. Este conversor é de 8 bits. Para um sinal de 0V em sua entrada,
apresenta todas as oito saídas desativadas. Já para um valor de 5V, todas suas saídas estão
ativadas. Porém, seu nível ativo é o 0 e o desativado é o 1, sem esta informação não se
consegue projetar o decodificador.
Figura 10 – Datasheet do conversor A/D (8 bits)
5 - DECODIFICADOR BCD
Neste ponto têm-se um valor em binário, porém não associa-se o mesmo a uma
temperatura de forma eficaz, sendo necessário então que se faça um tratamento do sinal para
iniciar esse processo, será usado o CI 74185, responsável por decodificar os dados binários
em BCD. De acordo com o datasheet desse CI, para a decodificação de um número de 8 bits,
faz-se necessário a combinação de 3 deles. Portanto, para finalizar o processo de tratamento
do sinal para ser mostrado nos displays, deverá ser decodificado de BCD para 7 segmentos.
Figura 11 – Datasheet do decodificador BCD
6. BCD para 7 segmentos (Interface HM)
Para mostrar o resultado da medição feita pelo termistor para o usuário em displays de
7 segmentos, foi usado um decodificador BCD para 7 segmentos. Como nosso display é do
tipo catodo comum, foi necessário utilizar o CI 7448. Nele, as entradas em BCD são
decodificadas para o display. Como utilizamos 2 displays (dezena e unidade), usamos dois CI's
7448.
Figura 12 – Datasheet do decodificador para BCD
7. RESULTADOS
Após a montagem do circuito, checamos as pinagens dos respectivos CI's e
alimentamos o circuito com 9V. Inicialmente o display nos mostrou o resultado “6” e logo em
seguida fechou em “8”, conforme Figura 13. O display com os valores da dezena não acendeu.
Figura 13 – Circuito alimentado
Posteriormente, cortamos a alimentação e religamos. O resultado agora foi apenas “7”,
mostrado na Figura 14.
Com isso, podemos confirmar que existe algum problema que não conseguimos
detectar na montagem do circuito na protoboard. Temos algumas possíveis causas do
problema. A primeira delas e o circuito regulador de tensão não ter sido totalmente adaptado ao
nosso circuito, visto que foi feita uma aproximação encontrada no artigo em questão. A
segunda provável causa do não funcionamento adequado seria a utilização de apenas dois bits
do conversor A/D para cada CI 74185. O correto deveria ter sido usado 3 bits para cada um
deles, para que possa ser feito a atribuição de todos os possíveis valores.
Figura 14 – Circuito remontado
8. CONCLUSÃO
Após a montagem do circuito e análises dos resultados, entendemos que realizar o
condicionamento do sinal é muito complicado quando se deseja trabalhar com componentes
analógicos. Tentamos fugir do uso tradicional de um PIC para controlar o nível de tensão
atribuído à 0 ºC, e tivemos um resultado negativo. Percebemos também que a montagem e
componentes são extremamente fáceis e baratos. O que dificultou a execução do projeto foi
realmente a etapa do tratamento do sinal gerado pelo termistor.
Outro ponto importante a se destacar é que o termistor tem uma resposta linear muito
limitada e difícil de se obter, tende que incluir alguns componentes e montar uma espécie de
circuito para se obtê-la. Além disso, a faixa é muito restrita.
A facilidade
em
utilizar
CI's
pré-projetados
nos
chamou
bastante
atenção,
principalmente no caso do conversor A/D, que até então havíamos sempre montado esse tipo
de técnica através da rede R-2R visto em sala. Constatamos que a velocidade de conversão é
extremamente rápida, e o custo-benefício do CI é bastante alto. Neste caso chegamos a
conclusão que “o barato sai caro”.
9. REFERÊNCIAS
Paulo H. Guadagnini, Um termômetro eletrônico de leitura direta com termistor
Revista Brasileira de Ensino de FÍsica, v. 27, n. 3, p. 369 - 375, (2005)
ALLDATASHEET – WWW.ALLTADASHEET.COM
NOTAS DE AULA, INSTRUMENÇÃO ELEÔNICA, UFRN 2011.1