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Sensores de temperatura
http://sttechboni.weebly.com/
ENGENHARIA ELÉTRICA
Instrumentação Industrial
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“O controle manual não permite a eliminação do erro, resultando em uma
amplitude de variação excessiva do valor da variável que se deseja
controlar”.
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À medida que os processos controlados se multiplicaram surge a
necessidade da operação à distância e de forma centralizada.
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Variável controlada – propriedade que se deseja controlar,corresponde a saída do processo.
Variável manipulada – propriedade que pode ser modificada diretamente pela ação do controlador e cuja variação irá afetar a variável controlada, corresponde a entrada do processo.
Valor desejado (setpoint) – valor de referência para a variável
controlada. Em geral é determinado por um operador baseado nas
necessidades do processo.
Elemento primário (sensor) – dispositivo que utiliza a energia do
processo para proporcionar uma medida da variável controlada.
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Aspectos de Mercado
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DIAGRAMA DE BLOCOS DO INSTRUMENTO
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TERMISTOR DO TIPO NTC
• NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo):
é a mudança de resistência percentual negativa porgrau Celsius.
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ESCOLHA DO SENSOR
O sensor escolhido foi o termistor do tipo NTC (Negative
Temperature Coefficient) de grande importância em vários
ramos de aplicação da instrumentação eletrônica,
principalmente nos sistemas de medições, controle e
compensações de temperaturas nas faixas mais baixas.
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Curvas dos sensores PTC e NTC
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Sensores de Temperatura
O NTC é muito mais sensível a variações de temperatura
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Especificações elétricas do instrumento
• Tolerâncias: ±0.10°C, ±0.20°C, ±0.50°C e ± 1.00° C.
• Constante de dissipação:
2mW/° C em ar
13mW/°C em óleo mexido
• Tempo térmico constante:
0.75 segundos.
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PROJETO DO TRANSDUTOR
• O transdutor é o próprio termistor
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As equações que descrevem o comportamento do NTC
Onde:
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Linearização da curva do dispositivo com a utilização de
amplificador operacional
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Linearização através do circuito da ponte de Wheatstone
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Comportamento linearizado da curva do termistor NTC
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PROJETO DO CONFORMADOR DO INSTRUMENTO
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DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO INSTRUMENTRO
PROJETADO
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MEDIDORES ELÉTRICOS DE TEMPERATURA TERMOPARES (TC -
THERMOCOUPLE)
Efeito de Seebeck: se dois condutores metálicos A e B (metais puros ou
ligas) formam um circuito fechado e portanto duas junções AB, aparecerá
uma força eletromotriz termoelétrica e uma corrente percorrerá o circuito se
cada uma das junções estiver a temperaturas T1 e T2 distintas.
A este conjunto de dois elementos chama-se Termopar.
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THERMOCOUPLE)
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MEDIDORES ELÉTRICOS DE TEMPERATURA TERMOPARES (TC -
THERMOCOUPLE)
A f.e.m. termoelétrica é função do tipo de metais ou ligas metálicas A e B e
das temperaturas T1 e T2
A seleção de metais para os termopares é normalmente feita com base nas
condições de aplicação.
Ligas metálicas relativamente baratas (com base em Fe, Ni, Cr, etc.) podem
ser usadas a temperaturas moderadas (até cerca de 1000°C), mas para
temperaturas muito superiores (1500- 1700°C) são necessários termopares
à base de ligas ricas em platina.
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MEDIDORES ELÉTRICOS DE TEMPERATURA TERMOPARES (TC -
THERMOCOUPLE)
Existem tabelas normalizadas que indicam a tensão produzida por cada tipo
de termopar.
Por exemplo: o termopar tipo K a uma temperatura de 300 °C irá produzir
12,2 [mV].
Não basta ligar um voltímetro ao termopar e registrar o valor da tensão
produzida, uma vez que, ao ligarmos o voltímetro estamos a criar uma
segunda (e indesejada) junção no termopar!
Para se fazerem medições exatas devemos compensar este efeito, o que é
feito recorrendo a uma técnica conhecida por compensação por junção
fria.
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V = VA + (VB - VC)
V = - VC + (VA - VF) + VC = (VA - VF)
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Termopares: junções intermediárias
Lei dos metais intermédios: ao inserirmos um terceiro metal entre os dois
metais de uma junção de um termopar, basta que as duas novas junções
criadas com a inserção do terceiro metal estejam à mesma temperatura para
que não se manifeste qualquer modificação na saída do termopar.
Esta lei é também importante na própria construção das junções do
termopar, uma vez que assim se garante que ao soldar os dois metais a
solda não irá afetar a medição.
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Termopares: compensação da junção fria
Todas as tabelas normalizadas dão os valores da tensão de saída do
termopar considerando que a segunda junção do termopar (a junção fria) é
mantida a exatamente zero graus Celsius.
Antigamente a junção fria era mantida em contato com água com gelo (daqui
o termo compensação por junção fria).
A manutenção do gelo nas condições necessárias não é simples e muito
menos prática.
Logo optou-se por medir a temperatura da junção fria e compensar a
diferença.
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As junções J3 e J4 se anulam desde que estejam sob a mesma
temperatura.
Neste caso a temperatura lida é: T = k(TJ1 – TJ2)
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Junção fria e bloco isotérmico
Da forma ao lado a junção que era feita nos terminais do voltímetro (sem
garantia de qualidade ou isotermia) é transferida para um bloco isotérmico.
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Compensação da junção fria
Agora simplificadamente é possível concluir que na montagem a seguir,
basta medirmos a temperatura no bloco isotérmico para compensar a
medida do termopar.
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Algoritmo da compensação
(1) Medir a temperatura TREF na junção isotérmica.
(2) Converter TREF para seu equivalente VREF.
(3) Medir a tensão V1 e somar VREF a ela.
(4) Converter V em T.
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Termopares: escolha do tipo
Quando se procede à escolha de um termopar deve-se analisar qual o mais
se analisar qual o mais adequado para a aplicação desejada, segundo as
características de cada tipo de termopar, tais como:
- Faixa de temperaturas suportada.
- Exatidão e a confiabilidade das leituras na faixa em questão.
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MEDIDORES ELÉTRICOS DE TEMPERATURA TERMOPARES (TC -
THERMOCOUPLE)
Características individuais para os termopares industriais:
1- Termopar tipo T – cobre (+) x constantan ( - )
Estes termopares são resistentes à corrosão em atmosferas úmidas e
indicados em também para medição de temperaturas a baixo de zero.
Seu limite superior é 370 °C, pode ser utilizado em atmosfera oxidantes
redutoras ou inertes.
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2 - Termopar tipo J – ferro (+) x contantan (-)
São apropriados para medição em vácuo e atmosfera, oxidantes, redutores
e inertes em temperaturas que chegam até 160 °C.
A sua gama limitada ( de - 40 à 750 °C) é a responsável pela sua menor
popularidade em relação ao tipo K.
Não é recomendado o uso deste termopar com elementos NÚS em
atmosferas acima de 540°C.
Em algumas ocasiões este termopar é utilizado para medir temperaturas
abaixo de zero, porém a possibilidade do aparecimento de oxidação de
ferro, faz com que seja menos indicado do que o tipo T.
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3- Termopar tipo K – cromel (+) x Alumel (-)
De uso genérico para uso contínuo em atmosferas inertes ou oxidantes, em
temperaturas de -200 à 1300 °C.
Sensibilidade de 41 µV / °C.
Não podem ser utilizados no vácuo, exceto por curtos períodos pois ocorre
variação do cromo, alterando a calibração do termopar.
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4 - Termopar tipo E - Cromel (+) x (-) Constantan
São recomendados para faixa de -200 °C à 1000 °C, em atmosfera inertes
ou oxidantes.
Este termopar tem uma elevada sensibilidade (68 µV/°C) que o torna
adequado para baixas temperaturas.
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4 - Termopar tipo N - Nicrosil (+) x (-) Nisil
A sua elevada estabilidade e resistência à oxidação a altas temperaturas
tornam o tipo N adequado para medições a temperaturas elevadas, sem
recorrer aos termopares que incorporam platina na sua constituição (tipos B,
R e S).
Foi desenhado para ser uma “evolução” do tipo K
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Os termopares tipo B, R e S apresentam características semelhantes.
Tipo S: platina-rhodium 10% (+) x platina (-)
Reduzida sensibilidade (10 µV/°C), elevada estabilidade e custo elevado.
Tipo R: platina-rhodium 13% (+) x platina (-)
São recomendados para uso contínuo em atmosferas oxidantes ou inertes, a
temperaturas que chegam até 1400 °C, altas causa um excessivo desgaste
que pode romper o termopar.
Reduzida sensibilidade (10 µV/°C) e custo elevado.
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Tipo B: platina-rhodium 30% (+) platina-rhodium 6% (-)
São utilizados em atmosferas inertes ou oxidantes à temperatura limite de
1704 °C, são recomendados para trabalhar no vácuo até a temperatura
limite.
Tipo T: (Cobre/ Constantan)
É dos termopares mais indicados para medições na gama dos - 270 °C a
400 C a 400 °C.
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Termopares: tipos C e M
Tipo C (Tungstênio 5% Rênio/ Tungstênio 26% Rênio)
Adequado para medidas na faixa de 0 a 2320 °C.
Sua utilização é recomendada em fornos a vácuo em temperaturas
extremamente elevadas.
NUNCA deve ser utilizado na presença de oxigênio em temperaturas acima
de 260 ºC.
Type M (Liga Niquel 19% / Liga de Niquel- Molibidênio 20%)
Adequado para mesma aplicação do Tipo C, mas para temperaturas de até
temperaturas de até ~1400°C..
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Termopar
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Comparação entre os Tipos: faixa e função-resposta resposta
Saída em mV para alguns tipos de termopares até o fim de sua faixa de
operação:
Comparação entre os Tipos:
TC de cada tipo em toda sua faixa de operação:
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Termopar
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Condicionamento de sinal para termopares
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CI’s dedicados: AD594/595
Características:
Disponível para os tipos J (AD594) ou
Type K (AD595)
Pode ser utilizado também com Tipo T
Saída de tensão de baixa impedância: 10
mV/°C
Compensação do 0 ºC embutido no
próprio CI.
Vasta faixa de alimentação: +5 V a ±15 V
Baixo consumo:
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Medidor elétrico de temperatura por variação de resistência
(condutores)
•Termômetros RTD (Resistance Temperature Detectors)
Descobriu-se que a resistividade dos metais, apresenta uma dependência
física para com a temperatura ( a variação do movimento aleatório dos
elétrons livres nos metais, varia a resistividade dos mesmo).
A platina começou a ser usado como sensor nos termômetros de
resistência.
RTD de platina mede com alta precisão entre -259,35 °C e 961,78 °C
Platina é excelente para este propósito, dado que ela pode resistir altas
temperaturas mantendo a sua estabilidade.
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Termorresistência (RTD) - Resistance Temperature Detector
A termoresistência de platina é a mais usada industrialmente devido a sua
grande estabilidade e precisão.
As RTD mais comuns são: Pt50, Pt100, Pt1000.
Por que Pt100 ?
É o termo resistência que a zero graus Celsius possui uma resistência
elétrica de 100 [Ω]
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Pirômetros
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Pirômetros
Vantagens:
• Resposta rápida (na faixa de ms)
• Uso em objetos perigosos ou fisicamente inacessíveis
• Facilidade de medição do alvo em movimento
• Medições de altas temperaturas
• Não há risco de contaminação e efeito mecânico na superfície dos objetos.
Aplicações:
• Verificações de conexões elétricas, motores, disjuntores, fusíveis,
transformadores, etc.
• Verificação de rolamentos, detectando falta de lubrificação
• Uso em ambientes perigosos como: Refinarias, Exploração de petróleo,
siderúrgicas, etc.
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Pirômetro Ótico
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