sens temperatura

Universidade de Coimbra
Biosensores e Sinais Biomédicos (2007-2008)
Trabalho Prático N° 1
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE SENSORES DE TEMPERATURA:
TERMOPARES E TERMÍSTORES
Objectivo
Determinação da resposta de um Termopar e de um Termístor em função da
temperatura. Através da realização da experiência descrita, determinar os parâmetros
das curvas de resposta de cada um destes sensores bem como o erro associado.
Discussão dos resultados obtidos.
Material
Material usado para este trabalho:
1 base de aquecimento
1 multímetro para leitura directa da temperatura (usado como termómetro)
1 multímetro para leitura da tensão e resistência eléctricas
1 termopar do tipo K
1 termsístor do tipo NTC
Introdução
1. TERMOPAR
Quando temos dois condutores metálicos A e B (metais puros ou ligas metálicas) em
contacto directo (através de duas junções), formando um circuito fechado tal como é
mostrado na figura, poderá aparecer, dependendo dos materiais em contacto, uma força
electromotriz quando as duas junções se encontrarem a temperaturas diferentes, T1 e T2.
Essa forca electromotriz depende da diferença entre T1 e T2 de acordo com uma função
do tipo:
V = a(T1 − T2 ) + b(T1 − T2 ) 2
Este efeito designa-se por Efeito de SEEBECK, resultado da acção conjunta de dois
efeitos:
Efeito de PELTIER: resulta do contacto entre dois metais diferentes (junção) e é
dependente da temperatura dessa junção.
Efeito de THOMSON: aparecimento de uma diferença de potencial num condutor
dependente da diferença de temperatura nos seus terminais.
O desempenho de um termopar depende da escolha dos materiais em contacto.
Alguns exemplos de termopares mais comuns e suas características genéricas:
Termopares
Cromel/Alumel
NiCr/NiAl
(tipo K)
Temperaturas
(°C)
- 270 a 1372
ε (mV)
Características Genéricas
-6.458 a
54.886
Atmosferas oxidantes e inertes.
Limitações na utilização em
vácuo
ou em atmosferas redutoras. A
sua
sensibilidade é muito
aproximadamente linear
Atmosferas redutoras, inertes e
com
condições de vácuo. Limitações
em
atmosferas oxidantes a elevadas
temperaturas. Não recomendado
para baixas temperaturas.
Ferro/Constantan
Fe/CuNi
(tipo J)
-210 a 1200
-8.095 a
69.553
Cromel/Constantan
NiCr/CuNi
(tipo E)
-270 a 1000
-9.835 a
76.373
Atmosferas oxidantes ou inertes.
Uso limitado em atmosferas
redutoras e em criogenia.
Apresenta, entre todos, a mais
elevada f.e.m.
2. RESISTENCIAS DEPENTES DA TEMPERATURA
RTDs, do inglês Resistence Temperature Detectors, são constituídos por filmes finos
metálicos ou fios enrolados que devido ao efeito de variação positiva da resistência dos
metais com a temperatura podem ser usados como sensores de temperatura. O metal
mais usado em RTDs é a platina, de que é exemplo a resistência Pt100. As vantagens
deste sensor são o facto de ser aproximadamente linear ao longo de uma extensa gama
de temperaturas, ser bastante estável, permitir um tempo de resposta bastante rápido
devido ao tamanho reduzido com que pode ser fabricado. A resistência Pt100 está entre
os sensores de temperatura de maior precisão usados em aplicações comerciais, com
erros de inferiores a 0.1° C.
Termístores, do inglês thermal-resistor, são constituídos por materiais semicondutores e
ligas resistivas os quais podem ter um coeficiente de temperatura negativo, NTCs
(negative temperature coeficient), usados essencialmente como sensores de temperatura,
ou ter um coeficiente de temperatura positivo, PTCs (positive temperature coeficient)
usados essencialmente no controlo de corrente eléctrica.
A dependência da resistência com a temperatura dos termístores pode ser especificada
através do seguinte parâmetro: coeficiente de variação relativa
α 20 =
1 ∆R
R 20 ∆T
expresso em Kelvin-1, onde R20 representa o valor nominal da resistência medido à
temperatura de referência de 20 °C. A resistência a uma determinada temperatura t
(em °C) pode ser expressa da seguinte forma:
R = R20 [1 + α20 (t – 20)]
Na tabela seguinte são dados os coeficientes de temperatura para alguns metais mais
comuns:
Execução Experimental
1. Comece por fixar na extremidade da base de aquecimento o termómetro de referência
(através do qual irá efectuar as medições de temperatura), o termopar e o termístor.
2. Registe o valor inicial de temperatura, bem como os valores de tensão lidos aos
terminais do termopar e o valor de resistência do termístor. Deverá usar um dos
multímetros como termómetro (na escala de temperaturas) e o outro deverá ser usado
como voltímetro e Ohmímetro.
3. Estime o erro nas leituras da temperatura, tensão e resistência.
4. Elabore uma tabela com 3 colunas para registo da temperatura, tensão do termopar e
resistência do termistor.
5. Aqueça a base de aquecimento e registe os valores da resistência desde a temperatura
ambiente até um valor máximo de 90° C em intervalos de 5° C. NOTA: se necessário,
desligar a alimentação da base de alimentação a fim de estabilizar a temperatura nos
valores desejados.
6. Repita as leituras para o arrefecimento até um valor próximo do valor inicial.
Tratamento dos resultados
1. Represente graficamente os valores medidos com o termopar e com o termístor em
função da temperatura, durante o aquecimento e durante o arrefecimento indicando o
erro associado a cada medida através de barras de erro. Que pode concluir?
2. No caso do Termopar calcule a melhor recta que passa pelos pontos medidos através
do método dos mínimos desvios quadrados. Determine o coeficiente a, na expressão da
resposta do termopar indicada em cima, e o erro associado.
3. Faça uma estimativa da não linearidade do termopar nesta gama de temperaturas
determinando um valor aproximado para o coeficiente b na respectiva expressão da
temperatura.
4. No caso do Termístor determine graficamente o valor de α20 na expressão de resposta
indicada acima.
5. A representação mais comum da variação da resistência de um termístor com a
temperatura é: RT = A exp(B T ) , sendo A e B constantes. Verifique que os seus dados
estão de acordo com esta expressão estimando os valores de A e B.