Termoresistores (RTD)
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BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termoresistores (RTD) ►Definição: São metais condutores que variam sua resistência ôhmica com a temperatura (dado que sua geometria é bem definida e conhecida). ►Equação: RT R0 1 a1T a2T 2 anT n Onde: - R0 é a resistência à potência zero medida à temperatura T0; - a1, a2 e an são coeficientes de temperatura, podendo ser PTC ou NTC. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termoresistores (RTD) ►Resistores comerciais: tabela Apresentam-se de três formas distintas: fio enrolado, filme e vidro endurecido. Os materiais mais usados para RTDs são a Platina e o Níquel. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termoresistores (RTD) ►Resistores comerciais: proteção Devido à fragilidade mecânica dos termoresistores há necessidade de protegê-los com os chamados tubos de proteção. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termoresistores (RTD) ►Construção física O bulbo de resistência se compõe de um filamento, ou resistência de Pt, Cu ou Ni, com diversos revestimentos, de acordo com cada tipo e utilização. Os sensores de platina, devido a suas características, permitem um funcionamento até temperaturas mais elevadas, têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro. Para utilização como termômetro padrão, os sensores de platina são completamente desapoiados do corpo de proteção. A separação é feita por isoladores, espaçadores de mica, BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termoresistores (RTD) ►Características da termoristência de Platina As termoresistências Pt - 100 são as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade, larga faixa de utilização ( -270°C a 660°C), alta precisão, boa repetibilidade e alto tempo de resposta (tempo necessário para o sensor reagir a uma mudança de temperatura e atingir 63,2 % da variação da temperatura). BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termoresistores (RTD) ►Princípio de medição: As termoresistências são normalmente ligadas a um circuito de medição tipo Ponte de Wheatstone, sendo que o circuito encontra-se balanceado quando é respeitada a relação R4.R2 = R3.R1 e desta forma não circula corrente pelo detector de nulo, pois se esta relação é verdadeira, os potenciais nos pontos A e B são idênticos. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termoresistores (RTD) ►Princípio de medição: ligação à 2 fios Dois condutores de resistência relativamente baixa RL1 e RL2 são usados para ligar o sensor Pt-100 (R4) à ponte do instrumento de medição. Nesta disposição, a resistência R4 compreende a resistência da Pt100 mais a resistência dos condutores RL1 e RL2. Isto significa que os fios RL1 e RL2 a menos que sejam de muito baixa resistência, podem aumentar apreciavelmente a resistência do sensor. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termoresistores (RTD) ►Princípio de medição: ligação à 3 fios Este é o método mais utilizado para termo-resistências na indústria. Neste circuito a configuração elétrica é um pouco diferente, fazendo com que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor, permitindo que a RL1 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 elas estão separadas. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termoresistores (RTD) ►Princípio de medição: ligação à 4 fios 4 BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Definição: Dispositivo cuja resistência varia com a temperatura de seu material, seja externa (uma elevação de temperatura ambiente) ou interna (dissipação térmica por efeito Joule). Ao contrário dos RTDs, os termistores são em sua grande maioria do tipo NTC e possuem respostas não-lineares para as variações de temperatura. ►Equação: RT R0e 1 1 T T 0 onde é uma constante que depende do material e do método de fabricação do termistor e R0 é a resistência na temperatura T0 (ambiente). 1 dR TC RT dT TC T2 BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Curvas características: Os números em cada curva referem-se ao valor de sua resistência em Ohms à 25oC. x x x x BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Linearização: A temperatura de referência T0 é geralmente tomada como 298 K (25oC) e a constante = - 4,0 para um NTC. Isso implica num coeficiente de temperatura de -0,0450 comparado com + 0,0038 para a platina. Uma técnica para reduzir a não linearidade de um termistor consiste em derivá-lo com um resistor comum. termistor termistor com resistência em paralelo resistor fixo somente termistor BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Métodos de medição: fonte de corrente (2 fios) Vmedido 2R fio Rsensor i Rsensor Vmedido 2 R fio i BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Métodos de medição: fonte de corrente (4 fios) Rsensor Vmedido i BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Métodos de medição: fonte de corrente (4 fios) I 4R fio Zin i2R fio Zin 0 I 2R fio Zin i2R fio Rsensor Zin 0 I + Vmedido _ Zin i i 4 R fio Z in 2 R fio Z in I Vsensor Rsensor i 2 R fio Vsensor Rsensor 1 4R Z i fio in BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Métodos de medição: ponte de Wheatstone a 2 fios Essa configuração apresenta uma não linearidade do sinal de saída (V) em função de Rsensor. Uma das formas de minimizar esse efeito consiste em utilizar valores elevados da relação Rsensor /R3 e R2/R1 além de operar com a ponte próxima da condição balanceada. O valor do resistor R3 deve ser ajustado de forma que o sinal de saída (V) seja sempre nulo. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Aplicações: medida de temperatura Maior sensibilidade BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Aplicações: compensação de variação de temperatura Microamperímetro de precisão BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Aplicações: indicador de nível de líquido resistência T2 Como a água tem uma constante de propagação térmica maior do que o ar, um termistor estará mais frio do que o outro. T1 > T2 resistência T1 BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Aplicações: medidor de velocidade de líquidos • T1 e T2 estão numa ponte de Wheatstone equilibrada; • T1 está em contato com o fluido em movimento; • T2 está em contato com o fluido sem movimento; • A temperatura em T1 será menor que em T2; • velocidade do fluido. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Aplicações: medidor de altitude BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: resistivos Termistores ►Aplicações: medidor de altitude • R1 mantém o líquido em ebulição; • O termistor T mede a temperatura do líquido; • Quando o conjunto for levado para uma altitude maior, o líquido ferverá numa temperatura menor; • Haverá um acréscimo na resistência do termistor que pode ser detectado por um miliamperímetro. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: junção semicondutora ►Definição: dispositivos de junções PN/NP utilizados na região ativa, onde a tensão base-emissor controla a corrente de coletor, representada pela equação de Ebers-Mol: I C I S eVbe /VT 1 onde: VT=kT/q k=1,38 x 10-23 J/K (constante de Boltzman) q=1,67 x 10-19 Coulombs (carga do elétron) T= (273,16+oC) K IS=1,87 x 10-14 A (corrente reversa de saturação do diodo) BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: junção semicondutora ►Curvas características: 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 Corrente coletor [mA] Reescrevendo a equação anterior, temos que: 1,0E+03 1,0E+02 kT I C Vbe ln q IS 1,0E+01 para IC/IS >>1 Na verdade IS também varia com a temperatura. Para junções de silício IS dobra a cada 6oC e a cada 10oC para junções de germânio. 1,0E+00 1,0E-01 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05 1,0E-06 T= 26oC T= 0oC T= 50oC T= 100oC 1,0E-07 1,0E-08 1,0E-09 Tensão Vbe [V] BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: junção semicondutora ►Coeficiente de temperatura: transistor 2N2222 dVbe dT BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: junção semicondutora ►Aplicações: termômetro simples • a corrente de operação do sensor é fixada pelo diodo Zener através de R2; • o resistor R4 polariza o amplificador para que V0 seja zero em T=0oC; • o resistor R5 é ajustado para que o coeficiente de temperatura do sistema seja de 100 mV/oC. ΔT(resistor, diodo, ampop) ΔT(sensor) BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: junção semicondutora ►Aplicações: termômetro diferencial I C 2 kT I C1 ln Vbe ln q I S1 I S 2 fazendo IS1=IS2 (transistores iguais à mesma temperatura) Vbe kT I C1 ln q IC 2 e fazendo IC1=2IC2 Vbe 57,3V / K BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: integrados ►MTS 102, 103 e 105 da Motorola São transistores comuns, integrados em uma pastilha de silício, mas com uma tensão baseemissor otimizada para variar linearmente com a temperatura. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: integrados ►MTS 102, 103 e 105 da Motorola: aplicação prática BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: integrados ►MTS 102, 103 e 105 da Motorola: aplicação prática Vo= ? BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: integrados ►LM335 da National • Sensor de temperatura semelhante a um Zener e cuja tensão Zener é proporcional à temperatura ambiente em Kelvin. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: integrados ►LM335 da National: aplicação Compensação de junta fria em termopares Transdutor de temperatura diferencial BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: integrados ►AD590 da Analog Devices Uma fonte de corrente controlada pela temperatura, com sensibilidade de 1 A/K. BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura: integrados ►AD590 da Analog Devices: compensação de junta fria para o termopar do tipo J BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Disciplina: Instrumentação Eletrônica Prof.: Dr. Pedro Bertemes Filho Transdutores de temperatura RESUMO:
