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Turma: Eletrônica - 2014.2

Disciplina: Instrumentação

Sensores de Temperatura

Teoria Termoelétrica

O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado formado por dois condutores metálicos e distintos A e B, quando submetidos a um diferencial entre as suas junções, ocorre uma circulação de corrente elétrica ( i ).

A existência de uma força eletromotriz (F.E.M.) EAB no circuito é conhecida como Efeito Seebeck e este se produz pelo fato de que a densidade de elétrons livres num metal difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando este circuito é interrompido, a tensão do circuito aberto (Tensão de Seebeck) torna-se uma função das temperaturas das junções e da composição dos dois metais.

Denominamos a junção na qual está submetida à temperatura a ser medida de Junção de Medição (ou junta quente) e a outra extremidade que vais se ligar no instrumento medidor de junção de referência (ou junta fria). Quando a temperatura da junção de referência (Tr) é mantida constante, verifica-se que a F.E.M. térmica (EAB) é uma função da temperatura da junção de medição (T1). Isto permite utilizar este circuito como um medidor de temperatura, pois se conhecendo a Tr e a F.E.M. gerada, determina-se a T1.

Abaixo, a curva de correlação F.E. M X Temperatura dos Termopares:

Sensores Térmicos

Existem diversos tipos de sensores que podem atuar sobre um circuito em função da variação da temperatura do meio em que se encontram. Temos basicamente os seguintes tipos de sensores térmicos que são usados na maioria das aplicações eletrônicas comuns:

- Bimetais

- NTC e PTC

- Sensor piroelétrico

- Termopar

Bimetais

Esse sensor consiste em duas lâminas feitas de metais que possuem coeficientes de dilatação diferentes. As lâminas são presas juntas de tal modo que, ao se aquecerem, o conjunto verga na direção da lâmina de menor coeficiente.

Basta então dotar essas lâminas de contatos para que, ao haver o aquecimento, o movimento se encarregue de fechar o circuito, ou ainda abrí-lo. Trata-se de uma solução simples, mas pouco precisa para o controle de temperatura (termostatos), sendo empregado em aplicações como controles intermitentes (pisca-piscas), circuitos de proteção contra sobrecorrente, controle de temperatura em estufas, fornos, etc.

NTCs e PTCs

NTC significa Negative Temperatura Coefficient enquanto PTC representa Positive Temperature Coefficient. São resistores cuja resistência diminui (NTC) ou aumenta (PTC) quando a temperatura aumenta. Vemos o aspecto e o símbolo desses dispositivos que podem ser usados como sensores de temperatura, bem como sua curva característica.

Operando numa faixa temperaturas que vai de valores negativos até aproximadamente 125 graus, esses dispositivos são utilizados como sensores em uma grande quantidade de aplicações, dada a facilidade com que podemos trabalhar com eles e inclusive seu baixo custo. Circuitos simples podem ser elaborados com esses dispositivos, uma vez que as variações de resistência obtidas podem ser facilmente usadas para acionar comparadores de tensão. NTCs termométricos, por outro lado, podem ser usados na medida precisa de temperatura, sendo por isso encontrados em termômetros eletrônicos. Sensores Semicondutores Baseados no fato de que um aumento de temperatura libera maior quantidade de portadores de carga numa junção semicondutora, podemos usar qualquer dispositivo dotado de junções como um sensor de temperatura com linearidade relativamente boa numa ampla faixa de temperaturas. Em razão disso, a possibilidade mais comumente adotada é a de se usar um diodo comum polarizado no sentido inverso, veja a figura.

A corrente de fuga do diodo depende da temperatura e isso pode ser usado para acionar os mais diversos tipos de dispositivos em aplicações em que se deseja um controle em função da temperatura. Diodos especiais podem ser otimizados para apresentar uma curva linear dentro de uma faixa de temperaturas na qual ele pode ser usado para a medida dessa grandeza. Uma aplicação importante desse tipo de sensor está na sua integração na própria pastilha dos microprocessadores de modo que eles possam sensoriar a temperatura disparando um circuito de proteção externa, cortando a alimentação ou ainda acelerando uma ventoinha em caso de sobreaquecimento. Outra possibilidade consiste em se integrar esses sensores juntamente com o circuito que processa seus sinais. Integrados de temperatura que fornecem uma saída que é numericamente equivalente a temperaturas em graus Celsius ou Farenheit, facilitando enormemente o interfaceamento com conversores A/D e outros dispositivos de

controle.

Sensores Piroelétricos

Esses sensores podem ser encontrados em alarmes de incêndio e de presença, como os que abrem automaticamente as portas de shoppings na presença de pessoas. Mostraremos um exemplo de sensor desse tipo que apresenta variações usadas em aplicações de todos os tipos.

Nesse sensor existe uma substância que se polariza na presença de radiação infravermelha, gerando assim uma tensão que pode ser amplificada e empregada para efeitos de controle. Desse modo, o calor do corpo de uma pessoa é suficiente para produzir uma emissão infravermelha detectável por esse tipo de sensor. Para aumentar sua sensibilidade e dirigir as ondas de infravermelho diretamente para o sensor, são usadas lentes especiais denominadas Lentes de Fresnel.

Termopares

Pela sua capacidade de operar com temperaturas muito altas, linearidade e precisão são os sensores mais utilizados no sensoriamento de temperaturas muito altas, que podem chegar a centenas de graus, como em fornos, por exemplo. O princípio de funcionamento desse tipo de sensor.

Quando dois metais formam uma junção e um deles está numa temperatura diferente do outro, aparece entre eles uma tensão proporcional à diferença de temperatura. Dessa forma, pode-se usar essa tensão para sensoriar a temperatura de um local, tanto atuando sobre um circuito de controle quanto sobre um circuito de medida. Os pares termoelétricos são utilizados nos casos em que se deseja monitorar temperaturas muito altas. Eles cobrem uma faixa bastante extensa de temperatura que vai de -200 a 2300ºC aproximadamente, com uma boa precisão e receptibilidade aceitável, tudo isto a um custo que se comparado com outros tipos de sensores de temperatura são mais econômicos. O aquecimento de dois metais diferentes com temperaturas diferentes em suas extremidades gera o aparecimento de uma F.E.M. (da ordem de mV). Este princípio conhecido, com efeito, Seebeck propiciou a utilização de termopares para medição de temperatura.

Um termopar ou par termométrico consiste de dois condutores metálicos de natureza distinta, na forma de metais puros ou ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junção de medição; a outra extremidade, junção de referência é levada ao instrumento medidor por onde flui a corrente gerada.

Leis do Circuito Termoelétrico

a) Lei do Circuito Homogêneo

A F.E.M. gerada por um termopar depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas entre as duas junções; ou seja, a tensão gerada independe do gradiente de temperatura ao longo dos fios.

Uma aplicação desta lei é que podemos medir temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as suas junções.

b) Lei dos Metais Intermediários

A F.E.M. gerada por um par termoelétrico não será alterada se inserirmos em qualquer ponto do circuito, um metal genérico diferente dos que compõem o sensor, desde que as novas junções formadas sejam mantidas na mesma temperatura.

Uma aplicação prática desta lei é o uso dos contatos de latão ou cobre no bloco de ligação, para a interligação do termopar ao seu cabo.

c) Lei das Temperaturas Intermediárias

A F.E.M. gerada em um circuito termoelétrico com suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica de F.E.M. gerada com as junções às temperaturas T1 e T2 e a F.E.M. do mesmo circuito com as junções às temperaturas de T2 e T3.

Uma conseqüência desta lei é o uso dos cabos compensados, que tendo as mesmas características termoelétricas do termopar, podem ser introduzidos no circuito sem causar erros no sinal gerado.

Compensação da Temperatura Ambiente (Tr)

Como dito anteriormente, para se usar o termopar como medidor de temperatura, é necessário conhecer a F.E.M. gerada e a temperatura da junção de referência Tr, para sabermos a temperatura da junção de medição T1.

E = ET1 - ETr

Portanto não podemos encontrar a temperatura T1 a não ser que saibamos quanto é a temperatura Tr. Uma maneira de se determinar a temperatura Tr (ponto de conexão do termopar e o instrumento de medida) é forçá-la para um valor conhecido, como por exemplo ºC.

Ao colocarmos as extremidades do termopar a zero grau (banho de gelo), o sinal gerado pelo sensor só dependerá da temperatura T1 do meio a ser medido, pois a tensão gerada a 0º é zero em mV. Então a F.E.M. lida no instrumento será diretamente proporcional à temperatura T1 (junção de medição).

O banho de gelo ainda é muito usado em laboratórios e indústrias, pois consiste num método relativamente simples e de grande precisão. Hoje dispositivos alternativos foram desenvolvidos para simular automaticamente uma temperatura de 0ºC, chamada de compensação automática da junção de referência ou da temperatura ambiente. Nestes instrumentos encontra-se um sensor de temperatura que pode ser um resistor, uma termoresistência, termistor, diodo, transistor ou mesmo um circuito integrado que mede continuamente a temperatura ambiente e suas variações, adicionando o sinal que chega do termosensor uma mV correspondente à diferença da temperatura ambiente para a temperatura de 0ºC.

Exemplo:

Termopar Tipo K sujeito a 100ºC na junção de medição e 25 ºC na borneira do instrumento (função de referência).

Se não existisse a compensação, o sinal de 3,095V seria transformado em indicação de temperatura pelo instrumento e corresponderia a aproximadamente 76ºC; bem diferente dos 100ºC ao qual o termopar está submetido (erro de -24ºC). Como o instrumento medidor, está incorporado um sistema de compensação da temperatura ambiente, este gera um sinal como se fosse um outro termopar que chamamos de E1;

O sinal total que será convertido em temperatura pelo instrumento será a somatória do sinal do termopar e da compensação, resultando na indicação correta da temperatura na qual o termopar está submetido (independendo da variação da temperatura ambiente).

A indicação no instrumento será de 100ºC, que é a temperatura do processo (junção de medição do termopar).

Tipos e Características dos Termopares

Foram desenvolvidas diversas combinações de pares de ligas metálicas com o intuito de se obter uma alta potência termoelétrica (mVºC) para que seja detectável pelos instrumentos de medição, aliando-se ainda às características de homogeneidade dos fios, resistência à corrosão, relação razoavelmente linear entre temperatura e tensão entre outros, para que se tenha uma maior vida útil do mesmo. Podemos dividir os termopares em três grupos:

-Termopares de Base Metálica ou Básicos -Termopares Nobres ou a Base de Platina -Termopares Novos

Os termopares de base metálica ou básicos são os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior. As nomenclaturas adotadas estão de acordo com as normas IEC 584-2 de julho de 1982.

Tipo T

- Composição: Cobre (+) / Cobre - Níquel (-). O fio negativo cobre - níquel é conhecido comercialmente como Constantan.

- Faixa de Utilização: -200 a 350ºC

Tipo J

- Composição: Ferro (+) / Cobre - Níquel (-) O fio negativo cobre - níquel é conhecido comercialmente como constantan.

- Faixa de utilização: -40 a 750ºC

Tipo E

- Composição: Níquel - Cromo (+) / Cobre - Níquel (-)

O fio positivo níquel - cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo cobre - níquel é conhecido como Constantan.

- Faixa de utilização: -200 a 900ºC

Tipo K

- Composição: Níquel - Cromo (+) / Níquel - Alumínio (-) O fio positivo níquel - cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo níquel - alumínio é conhecido como Alumel. O alumel é uma liga de níquel, alumínio, manganês e silício.

- Faixa de utilização: -200 a 1200ºC

Tipo S

- Composição: Platina 90%- Ródio 10% (+) / Platina (-)

Tipo R

- Composição: Platina 87% - Ródio 13% (+) / Platina (-).

- Faixa de Utilização: 0 a 1600ºC.

Tipo B

-Composição: Platina 70% - Ródio 30% (+) / Platina 94% - Ródio 6% (-) - Faixa de utilização: 600 a 1700ºC

Referências Biográficas

Instrumentação, Marco Antônio Ribeiro, 9° edição Marco Antônio Ribeiro

Salvador, verão 1999.

https://www.google.com.br/search?q=sensores+bimetais&biw=1366&bih=667&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=1itNVOWvBoTJggShnYCwCw&ved=0CAYQ_AUoAQ#tbm=isch&q=Sensores+Piroel%C3%A9tricos&imgdii=_

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