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Sensores de temperatura

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ENGENHARIA ELÉTRICA

Instrumentação Industrial

“O controle manual não permite a eliminação do erro, resultando em uma

amplitude de variação excessiva do valor da variável que se deseja

controlar”.



À medida que os processos controlados se multiplicaram surge a

necessidade da operação à distância e de forma centralizada.



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.



Aspectos de Mercado



DIAGRAMA DE BLOCOS DO INSTRUMENTO



TERMISTOR DO TIPO NTC

• NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo):

é a mudança de resistência percentual negativa porgrau Celsius.



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.



Curvas dos sensores PTC e NTC



Sensores de Temperatura

O NTC é muito mais sensível a variações de temperatura



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.



PROJETO DO TRANSDUTOR

• O transdutor é o próprio termistor



As equações que descrevem o comportamento do NTC

Onde:



Linearização da curva do dispositivo com a utilização de

amplificador operacional



Linearização através do circuito da ponte de Wheatstone



Comportamento linearizado da curva do termistor NTC



PROJETO DO CONFORMADOR DO INSTRUMENTO



DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO INSTRUMENTRO

PROJETADO



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.




THERMOCOUPLE)




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.




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.




THERMOCOUPLE)

V = VA + (VB - VC)

V = - VC + (VA - VF) + VC = (VA - VF)



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.



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.



As junções J3 e J4 se anulam desde que estejam sob a mesma

temperatura.

Neste caso a temperatura lida é: T = k(TJ1 – TJ2)



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.



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.



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.



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.




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.




THERMOCOUPLE)

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.




THERMOCOUPLE)

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.




THERMOCOUPLE)

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.




THERMOCOUPLE)

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




THERMOCOUPLE)

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.




THERMOCOUPLE)

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.



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..



Termopar



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:



Termopar



Condicionamento de sinal para termopares



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:



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.



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]



Pirômetros



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.



Pirômetro Ótico



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