Medição de temperatura - Laboratório de Metrologia

TM362 - Sistemas de Medição 2
Prof. Alessandro Marques
www.metrologia.ufpr.br
Termômetros de resistência elétrica
 Termômetros metálicos – RTDs - Resistance Temperature Detectors
 O tipo de metal utilizado na confecção de bulbos
sensores de temperatura, deve possui 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.
Termômetros de resistência elétrica
 Termômetros metálicos – RTDs - Resistance Temperature Detectors
 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
 Termômetros metálicos - RTDs
Bobina bifilar metálica enrolada sobre um substrato
de cerâmica e encapsulada em cerâmica
Termômetros de resistência elétrica
 Termômetros metálicos - RTDs
Detalhe de um sensor de temperatura de platina
depositada sobre substrato cerâmico
Termômetros de resistência elétrica
 Termômetros metálicos - RTDs
Fotografia da parte externa de um sensor de temperatura de
platina depositado sobre substrato cerâmico.
Termômetros de resistência elétrica
 Termômetros metálicos - RTDs
Detalhe da construção de um RTD de platina em uma
bainha de aço inoxidável.
Termômetros de resistência elétrica
 Termômetros metálicos - RTDs
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
Termômetros de resistência elétrica
Calibração de termômetros de resistências metálicas
 O método de comparação.
Utiliza um banho isotérmico
estabilizado e aquecido
eletricamente, onde são
colocados os sensores a
calibrar e um sensor padrão
que servirá de referência.
Termômetros de resistência elétrica
Calibração de termômetros de resistências metálicas
 O método de comparação.
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.
Termômetros de resistência elétrica
Calibração de termômetros de resistências metálicas
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
Termômetros de resistência elétrica
Como alternativa, na indústria, pode-se utilizar MMQ,
podendo alcançar incertezas de 0,05 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.
Termômetros de resistência elétrica
Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone
RC – Resistência do cabo
Montagem a 2 fios
Termômetros de resistência elétrica
Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone
Montagem a 3 fios:
haverá uma compensação da resistência elétrica pelo
terceiro fio.
Montagem a 3 fios
Termômetros de resistência elétrica
Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone
Montagem a 4 fios:
existe duas ligações para cada lado da ponte também,
anulando o efeito das resistências dos cabos.
Montagem a 4 fios
Termômetros de resistência elétrica
Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone
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Termômetros de resistência elétrica
Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone
Termômetros de resistência elétrica
Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone
Termômetros de resistência elétrica
• Termistores (Resistores termicamente sensíveis)
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.
Termômetros de resistência elétrica
• 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
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
Termômetros de resistência elétrica
• Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa
Termômetros de resistência elétrica
• Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa
Termômetros de resistência elétrica
• Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa
Termômetros de resistência elétrica
• Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa
Características gerais dos termistores NTC de uso mais frequente
Termômetros de resistência elétrica
• Termistores
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.
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