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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

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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

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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

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(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

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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

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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 ….

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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

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Termopar

Termopar

Correlações da f.e.m. em função da temperatura

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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.

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• 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)

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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

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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

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• 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