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Medidas de temperatura I-10Índice do grupo | Página anterior | Próxima página | Termômetros comuns | Termistores | Semicondutor | |
Temperatura é uma das grandezas físicas mais medidas, seja no dia-a-dia das pessoas, seja em processos industriais. Nesta séria de páginas, algumas informações sobre os meios de medição mais usados, em especial os que permitem controle de processos, isto é, sensores que produzem sinais elétricos que têm relações com temperaturas.
Um pouco de história:
As primeiras medições de temperatura eram feitas, de forma imprecisa, pela comparação com certos fenômenos físicos. Para metais aquecidos, a cor dava alguma idéia. Para temperatura menores, a fusão de substâncias como chumbo, enxofre, cera, a ebulição da água, etc.
O primeiro termômetro documentado de que se tem notícia foi inventado por Galileu por volta de 1592. Era um bulbo de vidro acoplado a um tubo também de vidro com a extremidade aberta. O tubo era mergulhado em água. O aquecimento do bulbo expande o ar no interior e uma parte escapa pela extremidade do tubo. Removido o aquecimento, o ar volta à temperatura anterior, mas em menor quantidade e alguma água sobe no tubo, indicando que houve uma mudança de temperatura do bulbo.
O termômetro de álcool foi inventado pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit em 1709. Em 1714 ele inventou o termômetro de mercúrio e, em 1724, introduziu a escala de temperatura que leva o seu nome. Inicialmente ele imaginou usar 0 para a temperatura mais baixa no inverno da região onde vivia e 100 para a mais alta no verão. De forma definitiva, ajustou 32 para o ponto de fusão da água e 212 para o ponto de ebulição.
A escala de centígrados (0 para fusão da água e 100 para ebulição) foi inventada por Anders Celsius, astrônomo sueco, em 1742. O nome Celsius para e escala foi oficializado em 1948 por uma conferência internacional para pesos e medidas.
Nas primeiras décadas do século 19 houve bastante evolução nos conceitos de temperatura. Lord Kelvin postulou a existência do zero absoluto. Sir William Hershel descobriu que a temperatura das cores do espectro solar projetado por um prisma variava, com aumento na direção do vermelho e na região que hoje conhecemos como infravermelho.
Em 1821, duas descobertas marcaram o início dos sensores elétricos de temperatura: T J Seebeck verificou que uma tensão era produzida por duas junções de metais diferentes em diferentes temperaturas, ou seja, o termopar. Sir Humphrey Davy verificou que metais tinham coeficiente positivo de temperatura e podiam ser usados para medição.
Termômetros comuns
| Topo pág | Fim pág |São bastante conhecidos e, por isso, não são dadas maiores informações nesta página. Existem basicamente dois tipos:
Expansão de fluido: são os conhecidos termômetros de mercúrio ou outros líquidos como álcool.
Bimetálicos: bastante encontrados em indústrias, usam lâminas bimetálicas (dois metais de coeficientes de expansão térmica diferentes, unidos entre si), que se deformam pela ação do calor e acionam mecanismos com ponteiros para indicação do valor. A precisão não é das melhores.
Há também o indicador do tipo mudança de estado: na realidade são pequenas fitas com materiais que mudam de aspecto sob determinadas temperaturas. Em geral a indicação é irreversível. Servem para informar se um equipamento ou produto não excedeu uma determinada temperatura no período em que ficou instalado.
É óbvio que os termômetros só servem para indicação de temperatura. Embora seja possível imaginar algum meio, na prática não é viável a transformação da indicação em sinal elétrico para controle de processo. A geração de sinais elétricos em função da temperatura é feita por sensores térmicos. Nos tópicos seguintes, princípios e outros dados de alguns tipos.
Termistores
| Topo pág | Fim pág |Termistores são resistores sensíveis à temperatura. Os elementos resistivos são óxidos de metais como manganês, níquel, cobalto, cobre, ferro, titânio. A figura abaixo dá a ilustração de um tipo comum.
Existem duas variedades básicas de termistores: os de coeficiente positivo de temperatura (PTC) e os de coeficiente negativo de temperatura (NTC). Nos primeiros a resistência aumenta com a temperatura e o contrário nos segundos.
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| Figura 01 |
O termistor NTC é um dos sensores de temperatura que dão a maior variação da saída por variação de temperatura, mas a relação não é linear.
A relação entre resistência e temperatura é dada pela equação de Steinhart & Hart:
T = 1 / (a + b ln R + c ln R3) #A.1#Onde os coeficientes a, b e c são característicos de cada modelo e informados pelos fabricantes. A Tabela 01 dá as principais características de um tipo comum, 44004, fabricado pela YSI.
| Resistência a 25°C | 2252 ohms |
| Faixa de medição | −80 a +120°C típico (250°C max) |
| Tolerância | ±0,1 ou ±0,2°C |
| Estabilidade em 12 meses | < 0,02°C a 25°C e < 0,25°C a 100°C |
| Constante de tempo | < 1,0 s em óleo e < 60 no ar calmo |
| Auto-aquecimento | 0,13 °C/mW em óleo e 1,0 °C/mW no ar |
| Coeficientes | a = 1,4733 10−3 b = 2,372 10−3 c = 1,074 10−7 |
| Dimensões | 2,5 x 4 mm |
Pode-se notar que a temperatura máxima não é das mais elevadas, outro fator que limita o uso industrial. Uma aplicação típica de termistores é na proteção de circuitos de potência.
Sensores de semicondutor
| Topo pág | Fim pág |Parâmetros elétricos dos semicondutores variam com a temperatura. E, por isso, eles podem ser usados como sensores térmicos.
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| Figura 01 |
A tensão lida no voltímetro varia com a temperatura na razão aproximada de 2,3 mV/ºC. A corrente de polarização deve ser mantida constante com uso de uma fonte de corrente constante.
Na prática, o diodo funciona como um resistor cuja resistência varia com a temperatura.
Diversos fabricantes desenvolveram diodos específicos para a função. A curva em (b) da mesma figura é característica do tipo KTY81 da Philips. Alguns fabricantes também desenvolveram transistores para a mesma função.
Entretanto, sempre há necessidade de circuitos auxiliares para compensar falta de linearidade e para levar o sinal a níveis de operação do circuito de controle. Para isso, vários fabricantes produzem o conjunto sensor / circuitos auxiliares em forma de circuito integrado. Existem tipos analógicos com saída de tensão ou saída de corrente e os de saída digital para uso com microcontroladores.
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