1
Sensores piezoeléctricos• Materiais piezoeléctricos (Titanato de Bário (BaTi),
poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) ) geram potencialeléctrico quando sujeitos a vibração ou stress mecânicos(& vice versa)
q (= carga) = k f onde k= const. piezoeléctrica (C/N) & f = forçaTensão: V = q/C = kf / C
Princípio físico: Uma alteração da malha cristalina provoca um rearranjo de carga surgindo uma ddp. Essa tensão pode ser calculada modelando o sensor como um condensador de placas paralelas com uma resistência de fuga de, tipicamente 100 GΩ.
• Sensores de Temperatura
– A medição de temperatura requer essencialmente a transferência de uma certa quantidade de energia térmica do objecto para o sensor, que este converte num sinal eléctrico cujas características estão relacionadas com a temperatura do objecto.
– Assume particular importância o acoplamento (contacto) térmico entre o sensor e o objecto
– Há vários métodos (e respectiva categoria de sensores). Os principais são:» Métodos Termoeléctricos (Termopar)» Métodos Resistivos(termístor, RTD-Resistive Temperature Detectors)» Métodos de Semicondutor» Métodos Ópticos
2
Condução - Processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais
baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso ou
entre meios diferentes em contacto físico directo.
Convecção – Processo de transporte de energia quandohá também movimento do meio (líquido ou gasoso).
Métodos de Transferência de Calor
Radiação – Processo pelo qual o calor flui de um corpode alta temperatura para um de baixa, quando os mesmos
estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre
eles.
Escalas de Temperatura
Kelvin – TK = TºC + 273.15
Celsius - ºC
Fahrenheit – TºF = TºC.9/5+32
3
TermómetrosLíquido – Baseados na lei de expansão de volumétrica de
um líquido
Vt=Vo.[1+ββββ1(∆∆∆∆T)+ββββ2(∆∆∆∆T)2+ββββ3(∆∆∆∆T)3]
Faixa de Uso
Ponto de Ebulição
Ponto de Solidif.
Líquido
-80 / +100+110-92Tolueno
-100 / +70+78-115Álcool Etílico
-38 / +350+357-39 ºCMercúrio
Termómetros
Pressão de Gás
Lei dos Gases Perfeitos
Observa-se que a variação de pressão é linearmente dependente da temperatura, com volume constante
4
(Tensão de Seebeck)
Qualquer dos dois efeitos pode dominar dependendo dos metais escolhidos. O que temos, na prática, são tabelas que correspondem a um ajuste polinomial
Metal A
Metal B
T1 T2
i
i
Termopar
Tipos de Termopares
Tipo T
Cu - Co+ Cobre (99%), - Constantan (Cu 58%-Ni42%)Intervalo de temperaturas –200 / 370ºC
Aplicações – criometria, industria de refrigeração, química, petroquímica
5
Termopar
Tipo J
Fe - Co+ Ferro (99,5%) - Constantan (Cu 58%-Ni42%)Intervalo de temperaturas –40 / 760ºC
Aplicações – Centrais de energia, metalúrgica, química, industria em geral
Termopar
Tipo E
NiCr - Co+ Cromio-Niquel (Cr 10%, Ni 90%) - Constantan (Cu 58%-Ni42%)Intervalo de temperaturas –200 / 870ºC
Aplicações – Química, petroquímica
6
Termopar
Tipo K
NiCr - NiAl+ Cromio-Niquel (Cr 10%, Ni 90%)- Alumel (Ni 95,4% - Mn 1,8% - Si 1,6% - Al 1,2%)
Intervalo de temperaturas –200 / 1260ºC
Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento ….
Termopar
Tipo S
PtRh 10% - Pt+ Platina-Rodio (Pt 90%, Rh 10%)- Platina (Pt 100%)
Intervalo de temperaturas 0 / 1600ºC
Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento ….
7
Termopar
Tipo R
PtRh 13%- Pt+ Platina-Rodio (Pt 87%, Rh 13%)- Platina (Pt 100%)
Intervalo de temperaturas 0 / 1600ºC
Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento ….
Termopar
Tipo B
PtRh 30%- PtRh 6%+ Platina-Rodio (Pt 70%, Rh 30%)- Platina-Rodio (Pt 94%, Rh 6%)
Intervalo de temperaturas 600 / 1700ºC
Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento ….
8
Termopar
Termopares especiais
Tungsténio – RhénioAté 2300 ºC em continuoAté 2750 ºC em curtos períodos
Irídio 40% Rhodio / IrídioAté 2000 ºC em curtos períodos
Pt 40% Rh / Pt 20% RhSubstitutos do Tipo BEm continuo até 1600ºCAté 1800 / 1850 ºC em curtos períodos
Termopar
Termopares especiais
Ouro – Ferro / CromioPara temperaturas criogénicas
Nicrosil / NisilSubstituto do Tipo K – Com f.e.m. menores
Pt 40% Rh / Pt 20% RhSubstitutos do Tipo BEm continuo até 1600ºCAté 1800 / 1850 ºC em curtos períodos
9
Termopar
Termopar
Correlações da f.e.m. em função da temperatura
10
Termopar
• A fem do termopar é uma função das propriedades dos metais e da diferença de temperaturas das junções. Na prática, uma das junções é mantida a uma temperatura constante (ou é feita a compensação através de circuitos auxiliares).
Há três leis empíricas:
1. (circuitos homogéneos) – Num circuito composto apenas por um metal não se pode manter uma corrente apenas por aquecimento. (b) Não é por haver variações de temperatura no metal A que a fem se altera.
2. (metais intermédios) – A fem total num circuito constituído apenas pela interligação de vários metais é nula se estes estiverem todos à mesma temperatura. (c) As junções com o metal C estão à mesma temperatura
3. (temperaturas intermédias) – Se ε1 é a fem medida com junções a temperatura T1 e T2 e se ε2 é a fem medida com junções a temperatura T2 e T3, então, com as junções a T1 e T3 teremos ε1 + ε2.
11
• De outra forma:• Medir fem e detrminar T pelas tabelas,
• medir Tf, e calcular Tq=T+Tf
( )TBART exp=É comum também a expressão (A e B constantes)
12
Figure 2.13 (a) Typical thermistor zero-power resistance ratio-temperature characteristics for various materials.
− 50 0 50 100 150 200
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
Temperature, ° C
Re
sist
anc
e r
atio
, R
/R 25ºC
Termistores
-Resistências sensiveis à temperatura constituidas por materiais semicondutores
-NTC – Negative Temperature Coefficient
-PTC – Positive Temperature Coefficient
Gama de temperaturas: -100 / 300ºC
Extremamente sensíveis
Erros -/+ 0.01ºC
13
RTD resistance is specified at 0 ºC. A typical platinum RTD with 100Ω
resistance at 0ºC would have a resistance of 100.39 Ω at 1ºC and a
resistance of 119.4 Ω at 50ºC. Figure shows a comparison of a typical RTD temperature/resistance curve to that of a thermistor. The tolerance of RTDs is better than thermistors, typically ranging from .01% for platinum to .5% for nickel. Aside from better tolerance and overall lower resistance, the interface to an RTD is similar to that for a thermistor.
Termoresistências
-Têm grande precisão
- Podem ser utilizadas numa grande variedade de ambientes e sem limites de distância
-São mais caras
-Menos resistentes a erros de operação
-Temperatura máxima de 630 ºC
-É necessário que todo o corpo esteja com temperatura uniforme para medir correctamente
-Tempo de resposta longo
14
5
0.001
0.002
0.0030.00312
10
(a)Wavelength, µm
15 20
T = 300 K
λm= 9.66 µm
25
20
40
60
80
100%
% T
otal
pow
er
Spe
ctra
l ra
dien
tem
ittan
ce,
W-c
m-2·m
m-1
15
Termometro de infra-vermelhos
Principio de Funcionamento
Gama de temperaturas: -20 / 1000 ºC
Radiometros ou Pirometros de
Radiação
16
• Junções pn como sensores de temperatura
kT
qV
eII 0=0
lnI
I
q
kTvd =
mVq
kT25= À temperatura ambiente
CmVdT
dvbe /º1.2= Para transístor de silício
transístor
díodo
Termómetros de Semicondutores
-Caracteristicas dos materiais semicondutores são dependentes da temperatura
-Gama de temperaturas: -230 / 150ºC
-Alta sensibilidade
-Boa linearidade
-Grande precisão