Universidade Federal do Rio Grande do Norte Departamento de Engenharia Elétrica Instrumentação Eletrônica

Projeto de termômetro digital usando termistor NTC 50D-9

Alunos: Leonardo Augusto M. De Oliveira

Thiago Landim dos S. Mendes

Natal, julho 2011

Universidade Federal do Rio Grande do NorteEngenharia ElétricaInstrumentação Eletrônica

Projeto de termômetro digital usando termistor NTC 50D-9

Autores: Leonardo Augusto M. de Oliveira

Thiago Landim dos S. Mendes

O presente trabalho trata-se de um projeto com finalidades acadêmicas de um termômetro digital utilizando um termistor. O projeto foi implementado em laboratório em uma protoboard, é válido para a disciplina de Instrumentação Eletrônica orientada pelo prof. Luciano Fontes, no semestre de 2011.1.

Natal, julho 2011

RESUMO

Neste trabalho, descrevemos o projeto e funcionamento de um sistema eletrônico

simples de leitura direta de temperatura que utiliza um termistor como elemento sensor. O

sistema é composto de uma fonte de alimentação estabilizada, um circuito série contendo um

resistor e um termistor, e um circuito de condicionamento de sinal contendo circuitos

integrados. O instrumento projetado pode ser operado com uma bateria. O sistema deverá

possuir exatidão da ordem de 0,1º C para a faixa de temperatura de 0º C a 32º C, sendo

indicado para experimentos que envolvem medidas de pequenas variações de temperatura. O

sistema também apresenta algumas características adicionais, como robustez, facilidade de

construção, baixo custo, e resposta rápida a variações de temperatura.

ABSTRACT

In this work, we describe the project and operation of a simple direct reading

temperature electronic system which uses a thermistor as sensing element. The system is

composed of a stabilized power supply, a resistor-thermistor series circuit, and a signal

conditioning circuit based only on one integrated circuit, and it may be operated using a battery.

The system provides accuracy of about 0.1 ºC for a range of temperature varying between 0º C

to 32º C, being indicated for experiments which involve measurements of small temperature

changes. The system also provides some additional features, such as robustness, ease to

building, low cost, and rapid response to temperature changes.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO …................................................................................................ 5

2. PROJETO …........................................................................................................6

2.1 Linearização da resposta do termistor ...................................................6

2. 2 Curva de calibração ...............................................................................8

2.3 Condicionamento de sinal ......................................................................9

2.4 Construção do termômetro ...................................................................11

2.5 O TERMOMETRO .................................................................................13

2.6 CONVERSÃO A/D .................................................................................16

2.7 DECODIFICADOR BCD ........................................................................17

2.8 BCD para 7 segmentos (Interface HM) ..................................................18

7. RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................................................19

8. CONCLUSÃO ......................................................................................................21

9. REFERÊNCIAS ...................................................................................................22

1. INTRODUÇÃO

Medidas de temperatura são fundamentais em pesquisa e desenvolvimento em ciências

e tecnologia, pois grande parte das propriedades físicas e químicas apresentam alguma

dependência com esta grandeza. Também, as medidas de temperatura são fundamentais em

controle de processos em que a esta é uma variável importante. Vários aparatos de medida de

temperatura vem sendo desenvolvidos, utilizando dispositivos sensores elétricos e não

elétricos, em busca de leituras mais exatas para a finalidade a que se destinam. Neste

trabalho, apresentamos o projeto e funcionamento de um termômetro eletrônico de leitura

direta, robusto e de fácil construção, que utiliza um termistor de pequenas dimensões. O

sistema proposto inclui um circuito de condicionamento de sinal com circuito integrado de baixo

custo. O sistema proposto poderá ser utilizado em um grande número de experimentos de

física e físico-química experimental.

2. PROJETO

O projeto foi feito seguindo o diagrama mostrado na Figura 01. A montagem é simples

devido ao projeto ser dividido em blocos. Dessa forma, é montado cada bloco separadamente e

em seguida fazemos apenas as junções, de acordo com as entradas e saídas de cada

componente.

Figura 01 – Diagrama de blocos do projeto

A ideia é realizar montagem do circuito completo em laboratório (protoboard) utilizando

os circuitos integrados que será mostrado logo a seguir.

2.1. Linearização da resposta do termistor

Primeiramente, para projetar o funcionamento do termômetro, é necessário tomar

algumas precauções para garantir uma medição fiel. A primeira delas é encontrar uma faixa de

reposta do sensor utilizado que seja linear. Assim, informar a temperatura real ao usuário se

tornará mais fácil.

Dentre os sensores elétricos de temperatura, os termistores do tipo NTC (Negative

Temperature Coeffcient) são dispositivos semicondutores, de baixo custo, que exibem um

coeficiente negativo de resistência elétrica com a temperatura, e são utilizados para medidas

de temperatura entre -50º C e +300º C, bem como para medidas precisas de pequenas

variações de temperatura em experimentos calorimétricos. Os termistores destinados a

medidas de temperatura usualmente possuem pequenas massa e dimensões, facilitando seu

posicionamento no meio em que se deseja efetuar a medida. Essas características físicas,

juntamente com o tipo de resposta a ser correlacionada com a temperatura, que é uma

resposta elétrica, confere ao termistor a dupla vantagem de proporcionar medidas de variações

rápidas de temperatura e minimizar trocas de calor entre o termistor e o corpo que se deseja

medir a temperatura. Os termistores podem possuir encapsulamento em epóxi ou em vidro,

sendo este último mais apropriado para efetuar medidas em líquidos contendo substâncias que

podem danificar o sensor. A Figura 02 mostra o aspecto físico do termistor utilizado (NTC 50D-

9) como o comportamento da resistência elétrica em função da temperatura para um termistor

NTC típico não é linear, o que exige a aplicação de alguma estratégia de linearização de sua

curva característica, que pode ser descrita aproximadamente como:

R=Aexp BT (I)

Em que R é a resistência elétrica do termistor na temperatura absoluta T, e A e B são

constantes características do termistor.

Figura 02 – Dimensões do Termistor

Várias alternativas foram propostas para efetuar a linearização da resposta de um

termistor para faixas definidas de temperaturas utilizando circuitos eletrônicos analógicos

(linearização no domínio analógico). Para a linearização da resposta do termistor, utilizamos

um divisor de tensão que é constituído pelo termistor, um resistor e uma fonte de tensão de

excitação constante, conforme o esquema elétrico indicado na Figura 03. A capacidade de

linearização desse circuito série é igual a de outras topologias, tal como a ponte de Wheatstone

com um termistor e três resistores fixos. A tensão de saída da rede resistiva, Vs, indicada na

figura, apresenta um comportamento sigmoidal. O ponto de indexão da sigmoide ocorre

quando a resistência do termistor é aproximadamente igual na resistência do resistor fixo. No

projeto aqui proposto, foi escolhido um resistor de valor nominal de 50Ω uma vez que foi

considerado de interesse que o ponto de indexão da curva sigmoidal ficasse próximo a 25º ±C,

e a esta temperatura o termistor tem valor nominal de 50Ω. A tensão de saída, Vs, dependeria

inversamente da temperatura de modo aproximadamente linear para uma faixa de temperatura

limitada.

Figura 03 – Linearização do termistor (Temperatura / ºC)

2.2. Curva de calibração

Para determinar a faixa de temperatura em que a resposta do circuito é aceitavelmente

linear, nos baseamos em um artigo publicado pela Revista Brasileira de Ensino de

Física(Guadagnini, P. H. e Barlette, V. E., 2005), cujo trabalho apresentado faz a calibração do

instrumento utilizando um multímetro e um termômetro de líquido em vidro como sendo o

termômetro padrão. O termistor e o termômetro padrão foram mergulhados em um banho de

água em que a temperatura do banho foi variada continuamente entre 0 ºC (mistura de água e

gelo) e 80 ºC, sob agitação suave da água do banho. Foi determinado que o circuito

apresentou uma resposta linear para temperaturas entre 0ºC e 40ºC.

Figura 04 – Linearidade do circuito de calibração

2.3. Condicionamento de sinal

Para o condicionamento de sinal do termômetro de leitura direta que se deseja,

considerou-se o problema básico de obter a tensão de saída após o condicionamento de sinal,

vc, a partir de vs tal que:

Vc=0,01V ºC−1 t (II)

Um circuito baseado em um amplificador operacional pode ser utilizado para efetuar tal

condicionamento de sinal, de acordo com o esquema apresentado na Figura 04. O circuito em

questão deveria ser projetado para gerar a tensão vc a partir de vs, de modo a satisfazer as

equações.

Figura 04 – Circuito para condicionar o sinal

Na análise de circuitos contendo amplificadores operacionais, pode-se utilizar o modelo

do amplificador operacional ideal. Nesse modelo, as impedâncias das entradas inversora(-) e

não-inversora(+) do amplificador operacional são infinitas, implicando em correntes de entrada

nulas. Na prática, esse modelo descreve satisfatoriamente o circuito do projeto proposto no

presente trabalho, que utiliza um amplificador operacional com corrente de entrada da ordem

de 45 nA. Pode-se considerar, inicialmente, uma configuração mais simples do que a mostrada

na figura, em que a entrada não-inversora do amplificador operacional é ligada diretamente no

terminal negativo da fonte de alimentação, implicando, portanto, na eliminação da bateria.

Aplicando o modelo do amplificador operacional ideal para esse caso, em que a tensão de

entrada é aplicada na entrada inversora, a nova tensão de saída, vc1, pode ser expressa por :

Vc1=− RfRs

Vs (III)

Em que RF e RS são, respectivamente, as resistências dos resistores RF e RS. Nessa

configuração, o amplificador operacional opera como inversor com ganho –RF/RS. Por outro

lado, o modelo do amplificador operacional ideal também pode ser utilizado para expressar a

tensão de saída quando a tensão de entrada é aplicada na entrada não-inversora. Pode-se

considerar uma segunda configuração, mais simples, em que o terminal esquerdo do resistor

RS é ligado no terminal negativo da fonte, e não mais a vs. Nesse caso, a tensão de entrada

torna-se a própria tensão da bateria, vref , e a nova tensão de saída é expressa como :

Vc2=1 RfRs

Vref (IV)

Em que vref é a tensão de referência aplicada na entrada não-inversora do amplificador

operacional. Nessa configuração, o amplificador operacional opera como não inversor com

ganho (1 + RF/RS). Para analisar o circuito de condicionamento de sinal utilizado neste

trabalho, mostrado esquematicamente na Figura 04, pode-se aplicar o princípio da

superposição, válido para circuitos lineares. Segundo esse princípio, a tensão de saída pode

ser expressa como a soma das tensões de saída devido a cada uma das duas configurações

descritas pela equação:

Vc=Vc1Vc2=−RfRs

Vs1 RfRs

Vref (V)

Substituindo-se a equação (V) em (II), determina-se a razão entre as resistências RF e RS:

RfRs

=0,01VºC−1

β (VI)

e a tensão de referência,

Vref=

RfRs

1 RfRs

(VII)

Fixando RF = 1 MΩ, obtém-se RS = 932 kΩ e vref = 0,349 V.

2.4. Construção do termômetro

Inicialmente temos o regulador de tensão. Esta etapa trás consigo algumas vantagens,

como por exemplo: pode ser implementado com bateria comercial, e também pode-se usar

valores de tensões diferentes a partir da fonte de alimentação.

O circuito procede como mostrado nas figuras 04,05 e 06.

Para a operação do equipamento, um regulador de tensão 7805 (CI) é utilizado para

estabilizar a tensão em 5 V. O regulador de tensão pode ser alimentado com uma bateria de 9

V ou com uma fonte de alimentação regulada para tensão entre 9 V e 12 V.

Figura 05 – Circuito regulador projetado

Figura 06 - Circuito Simulado

Figura 07 - Circuito regulador de tensão montado

2.5. O TERMÔMETRO

A figura 08 mostra o circuito do termômetro. Ele utiliza o circuito integrado de baixo

custo LM358, que possui internamente dois amplificadores operacionais os quais foram

projetados especificamente para operar com fontes de alimentação simples e com baixo

consumo de energia. A escolha desse circuito integrado confere maior simplicidade ao circuito,

pois não há necessidade de se utilizar duas baterias ou um circuito adicional para gerar

tensões positivas e negativas em relação a um ponto comum. O termistor é um sensor que

exige uma corrente de excitação, e portanto gera energia térmica que tende a aumentar a sua

própria temperatura, podendo comprometer a exatidão das medidas. No modo de trabalho

descrito, o termistor deve ser operado em uma condição de dissipação de potência desprezível,

o que implica que o auto-aquecimento do termistor, devido a corrente de excitação seja

desprezível. Na prática, recomenda-se que a corrente de excitação não seja maior que 100 uA

para que variações de temperatura da ordem de 0,1 C possam ser medidas com confiabilidade.

Figura 08 – Circuito teórico que faz a medição da temperatura e transforma em sinal elétrico

O divisor de tensão formado pelo termistor RT e pelo resistor R3 é alimentado pela

tensão de excitação obtida do amplificador operacional, que é utilizado como buffer (ganho

unitário). O valor da tensão de excitação é definido pelo divisor de tensão formado pelos

resistores R1 e R2, sendo aproximadamente 0,90 V. Esse valor de tensão de excitação resulta

em correntes de excitação do termistor de 22 µA, para a temperatura de 0º C, de 45µA, para a

temperatura de 25º C, e de 58 µA, para a temperatura de 40º C, segundo medidas

experimentais efetuadas. A constante de dissipação típica, no ar, para termistores de

dimensões daquelas mostradas nas figuras anteriores, é cerca de 1 mW 0C-1. Pode-se

estimar, com base nesse valor, a variação de temperatura no termistor devido a corrente de

excitação. Considerando que a resistência do termistor, a 25 ºC, é de 50Ω, a potência

dissipada é de 20 µW, resultando em uma variação de temperatura no termistor de 0,02 ºC

devido ao auto-aquecimento, o que é consideravelmente inferior na resolução que se pretende

que o termômetro tenha, que é de 0,1 ºC. Como ocorre um máximo para a potência dissipada

no termistor no ponto de inflexão da curva representada na Figura, para qualquer outra

temperatura diferente de 25 C, a potência dissipada no termistor será inferior a 20 µW. Para

outros meios, como por exemplo o óleo ou água sob agitação, a constante de dissipação do

termistor pode tornar-se até dez vezes maior, reduzindo a influência da corrente de excitação

na medida de temperatura. A queda de tensâo entre os terminais do termistor é introduzida na

entrada inversora do amplificador operacional, que é utilizado para o condicionamento de sinal

conforme a equação foi mostrada. Os resistores R4 e R5 em série, equivalem ao resistor RS.

Foram utilizados os valores comerciais para resistências de R4 e R5 que resultam no valor

aproximado de RS calculado anteriormente. O resistor de realimentação R6, equivale ao

resistor RF. O divisor de tensão constituído pelo potenciômetro R7 define a tensão de

referência, vref , que pode ser ajustada para efetuar a calibração do termômetro. Esse

potenciômetro deve ser, preferencialmente, do tipo multivoltas. O resistor R8 proporciona uma

corrente de saída mínima do amplificador operacional, o que permite que a tensão na saída do

amp. op. que abaixo de 1 mV quando a temperatura do termistor é de 0 C. A tensão de saída

de, em volts, multiplicada por 100, representa o valor numérico da temperatura em graus

Celsius. Por exemplo, para a tensão de saída de 0,255 V, a temperatura será de 25,5 C. Alguns

pontos devem ser salientados, com respeito a construção do termômetro:

1. Resistores de carbono podem ser usados na construção do termômetro. Entretanto, deve-se

optar preferencialmente por resistores de filme metálico (especialmente no caso de R3), pois

estes possuem menor coeficiente de variação de resistência com a temperatura;

2. O circuito proposto não será danificado caso haja curto circuito entre a saída de CI2b e o

ponto comum. Entretanto, isso deve ser evitado, pois o tempo de vida da bateria pode ser

reduzido;

Até agora o circuito implementado em laboratório está como segue abaixo:

Figura 09 – Montagem do circuito transdutor de temperatura.

4- CONVERSÃO A/D

Temos um valor analógico de tensão proporcional ao valor da resistência. Faz-se

necessário a conversão do sinal analógico em um sinal digital. Para isso, será utilizado um

conversor analógico/digital (A/D), optamos por utilizar um conversor fácil de se encontrar e de

baixo custo,o ADC0804. Este conversor é de 8 bits. Para um sinal de 0V em sua entrada,

apresenta todas as oito saídas desativadas. Já para um valor de 5V, todas suas saídas estão

ativadas. Porém, seu nível ativo é o 0 e o desativado é o 1, sem esta informação não se

consegue projetar o decodificador.

Figura 10 – Datasheet do conversor A/D (8 bits)

5 - DECODIFICADOR BCD

Neste ponto têm-se um valor em binário, porém não associa-se o mesmo a uma

temperatura de forma eficaz, sendo necessário então que se faça um tratamento do sinal para

iniciar esse processo, será usado o CI 74185, responsável por decodificar os dados binários

em BCD. De acordo com o datasheet desse CI, para a decodificação de um número de 8 bits,

faz-se necessário a combinação de 3 deles. Portanto, para finalizar o processo de tratamento

do sinal para ser mostrado nos displays, deverá ser decodificado de BCD para 7 segmentos.

Figura 11 – Datasheet do decodificador BCD

6. BCD para 7 segmentos (Interface HM)

Para mostrar o resultado da medição feita pelo termistor para o usuário em displays de

7 segmentos, foi usado um decodificador BCD para 7 segmentos. Como nosso display é do

tipo catodo comum, foi necessário utilizar o CI 7448. Nele, as entradas em BCD são

decodificadas para o display. Como utilizamos 2 displays (dezena e unidade), usamos dois CI's

7448.

Figura 12 – Datasheet do decodificador para BCD

7. RESULTADOS

Após a montagem do circuito, checamos as pinagens dos respectivos CI's e

alimentamos o circuito com 9V. Inicialmente o display nos mostrou o resultado “6” e logo em

seguida fechou em “8”, conforme Figura 13. O display com os valores da dezena não acendeu.

Figura 13 – Circuito alimentado

Posteriormente, cortamos a alimentação e religamos. O resultado agora foi apenas “7”,

mostrado na Figura 14.

Com isso, podemos confirmar que existe algum problema que não conseguimos

detectar na montagem do circuito na protoboard. Temos algumas possíveis causas do

problema. A primeira delas e o circuito regulador de tensão não ter sido totalmente adaptado ao

nosso circuito, visto que foi feita uma aproximação encontrada no artigo em questão. A

segunda provável causa do não funcionamento adequado seria a utilização de apenas dois bits

do conversor A/D para cada CI 74185. O correto deveria ter sido usado 3 bits para cada um

deles, para que possa ser feito a atribuição de todos os possíveis valores.

Figura 14 – Circuito remontado

8. CONCLUSÃO

Após a montagem do circuito e análises dos resultados, entendemos que realizar o

condicionamento do sinal é muito complicado quando se deseja trabalhar com componentes

analógicos. Tentamos fugir do uso tradicional de um PIC para controlar o nível de tensão

atribuído à 0 ºC, e tivemos um resultado negativo. Percebemos também que a montagem e

componentes são extremamente fáceis e baratos. O que dificultou a execução do projeto foi

realmente a etapa do tratamento do sinal gerado pelo termistor.

Outro ponto importante a se destacar é que o termistor tem uma resposta linear muito

limitada e difícil de se obter, tende que incluir alguns componentes e montar uma espécie de

circuito para se obtê-la. Além disso, a faixa é muito restrita.

A facilidade em utilizar CI's pré-projetados nos chamou bastante atenção,

principalmente no caso do conversor A/D, que até então havíamos sempre montado esse tipo

de técnica através da rede R-2R visto em sala. Constatamos que a velocidade de conversão é

extremamente rápida, e o custo-benefício do CI é bastante alto. Neste caso chegamos a

conclusão que “o barato sai caro”.

9. REFERÊNCIAS

Paulo H. Guadagnini, Um termômetro eletrônico de leitura direta com termistor

Revista Brasileira de Ensino de FÍsica, v. 27, n. 3, p. 369 - 375, (2005)

ALLDATASHEET – WWW.ALLTADASHEET.COM

NOTAS DE AULA, INSTRUMENÇÃO ELEÔNICA, UFRN 2011.1