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RTDs
| Topo pág | Fim pág |RTD é abreviação inglesa de Resistance Temperature Detector. A base do funcionamento é o conhecido fenômeno da variação da resistência elétrica dos metais com a temperatura. Os metais mais usados são platina, níquel, cobre, ferro, molibdênio e/ou ligas dos mesmos.
Embora os sensores vistos nos tópicos anteriores usem princípios similares, em geral eles não são classificados como RTDs, uma vez que os elementos resistivos não são metais, mas sim óxidos e semicondutores.
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| Figura 01 |
Em (a), o RTD de fio (o fio metálico é enrolado em forma de espiral dentro de um tubo cerâmico com suportes e outros detalhes não mostrados).
Em (b), o RTD de filme (um filme metálico é depositado sobre uma placa de cerâmica). O RTD de filme é também colocado no interior de um tubo para proteção.
A variação da resistência elétrica com a temperatura de um fio metálico é dada pela relação:
R(t) = R0 (1 + a t + b t2 + c t3) #A.1#. Onde:R0 é a resistência a 0ºC.
Coeficientes a, b e c são características do metal ou liga.
O resultado prático é uma variação bastante pequena de resistência e circuitos adequados devem ser usados. Ver no gráfico da Figura 02 a comparação com um termistor típico.
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| Figura 02 |
α = (R100 − R0) / (100 R0) #B.1#. Unidade 1/ºC.Pequenas proporções de impurezas ou elementos de liga podem afetar consideravelmente o coeficiente de temperatura. Algumas vezes, impurezas são propositalmente adicionadas para contrabalançar o efeito de impurezas existentes de difícil remoção.
Embora, para o caso de RTDs, seja desejável a maior variação possível de resistência com a temperatura, em outros casos deve ser o contrário. Exemplo: uma liga de
84% Cu 12% Mn 4% Ni quase não apresenta variação com a temperatura. É usada para fabricar resistores de precisão.Segue tabela comparativa para alguns metais e ligas mais usados.
| Metal | Faixa ºC | Alfa | Observações | |
| Cobre | Cu | −200/260 | 0,00427 | Baixo custo |
| Molibdênio | Mo | −200/200 | 0,00300 e 0,00385 | Opção de menor custo p/ Pt em faixa limitada |
| Níquel | Ni | −80/260 | 0,00672 | O custo é baixo mas a faixa é limitada |
| Níquel-ferro | Ni-Fe | −200/200 | 0,00518 | Baixo custo |
| Platina | Pt | −240/660 | 0,00385 e 0,00392 | Boa precisão |
RTDs de cobre
Cobre é raramente usado para essa finalidade e parece não haver padrões internacionais. Quando usado, é comum um coeficiente α = 0,00427 1/ºC. Na faixa de temperatura 0 a 200ºC e se não há necessidade de muita precisão, pode ser empregada uma relação simplificada:
R(t) = R0 (1 + 0,00427 t) #C.1#.RTDs de molibdênio
O material cerâmico alumina (óxido de alumínio) tem coeficiente de expansão térmica próximo do molibdênio e, portanto, formam um bom conjunto para o tipo filme metálico. O coeficiente do metal é α = 0,00300 1/ºC. Através de dopagem com outros metais, é também disponível com α = 0,00385 1/ºC, o que dá compatibilidade com a platina para uma faixa mais reduzida de temperaturas.
RTDs de níquel
São usados em aplicações onde o baixo custo é importante. Em relação à platina, o níquel tem menor resistência à corrosão e é menos estável em temperaturas elevadas. Por isso, é geralmente usado para ar sem impurezas.
Alguns fabricantes sugerem uma fórmula modificada:
R(t) = R0 (1 + a t + b t2 + d t4 + f t6 ) #D.1#, onde:a = 5,485 10−3 b = 6,650 10−6 d = 2,805 10−11 f = −2,000 10−17
O coeficiente α é 0,00672 1/ºC. Se não há muita exigência de precisão, pode-se usar:
R(t) = R0 (1 + α t) #D.2#.RTDs de níquel-ferro
Têm custo ainda menor que o de níquel e são usados em aplicações onde são possíveis e esse aspecto (custo) é fundamental. O fator α é 0,00518 1/ºC.
RTDs de platina
Platina é o metal mais usado por sua resistência à corrosão e estabilidade em altas temperaturas. É empregada uma fórmula modificada:
R(t) = R0 [ 1 + a t + b t2 + c (t − 100) t3 ] #E.1#.Existem dois padrões internacionais, que diferem no nível de dopagem e, portanto, nos coeficientes:
1) Padrão Pt100:
α = 0,00385055 1/ºC R0 = 100 ohms a = 3,90830 10−3 b = −5,77500 10−7 c = −4,18301 10−12
Para t entre 0 e 200ºC. Para t entre 0 e 800ºC, os mesmos a e b, mas c = 0. O padrão é usado em muitos países.
2) Padrão USA:
α = 0,0039200 1/ºC R0 = 98,129 ohms a = 3,97869 10−3 b = −5,86863 10−7 c = −4,16696 10−12
Termopares
| Topo pág | Fim pág |Os sensores anteriores operam basicamente pela variação da resistência elétrica com a temperatura. Isso significa que uma corrente elétrica deve ser fornecida ao elemento sensor.
O termopar opera de modo completamente diverso. Ele gera uma tensão elétrica que tem relação com a diferença de temperaturas entre junções de metais diferentes. A Figura 01 dá o esquema básico do funcionamento.
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| Figura 01 |
Além da tensão provocada pela diferença de temperaturas entre junções, há a parcela gerada pelo gradiente de temperatura ao longo dos fios. Ao contrário da primeira, ela tem uma relação quadrática com a temperatura e é responsável pela relação não linear do dispositivo.
Notar que junções na mesma temperatura não afetam a saída. Assim, elas podem ser soldadas (as junções produzidas pelo metal da solda estão na mesma temperatura).
Vantagens e desvantagens
Termopares geram sua própria tensão, não requerem corrente de excitação (isso significa que não há erros por auto-aquecimento, que podem ocorrer com os anteriores). São simples, robustos, imunes a vibrações, fáceis de construir, operam em ampla faixa de valores. Por essas características, são amplamente usados em equipamentos industriais.
Certamente as principais desvantagens são o baixo nível da saída (valores típicos estão na faixa de 50 mV), a não linearidade e a necessidade de compensação da temperatura da junção de referência. Com níveis tão baixos de tensão, cuidados devem ser tomados para evitar ação de interferências (blindagens, fios trançados, etc).
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| Figura 02 |
Em (a), o elemento é colocado no interior de um tubo (aço inox com peças internas de cerâmica para evitar contato elétrico ou cerâmica para temperaturas mais altas). Essa construção dá alguma proteção contra ação do meio.
Em (b), o elemento é envolvido por uma barra cerâmica, deixando somente a junção exposta. Há menor proteção, mas as respostas às variações são mais rápidas.
A tabela abaixo relaciona alguns tipos de termopares mais usados.
| Tipo | Positivo | Negativo | Precisão | Faixa | Observações |
| B | Pt 30%Rh | Pt 6%Rh | 0,5% >800°C | 50 a 1820 | Para altas temperaturas |
| C | W 5%Re | W 26%Re | 1% >425°C | 0 a 2315 | Para temperaturas muito altas |
| D | W 3%Re | W 25%Re | 1% >425°C | 0 a 2315 | Para temperaturas muito altas |
| E | Ni 10%Cr | Cu 45%Ni | 0,5% ou 1,7°C | −270 a 1000 | Uso geral para temperaturas médias e baixas |
| G | W | W 26%Re | 1% >425°C | 0 a 2315 | Para temperaturas muito altas |
| J | Fe | Cu 45%Ni | 0,75% ou 2,2°C | −210 a 1200 | Alta temperatura em atmosfera redutora |
| K | Ni 10%Cr | Ni 2%Al 2%Mn 1%Si | 0,75% ou 2,2°C | −270 a 1372 | Uso geral, alta temperatura em atmosfera oxidante |
| M | Ni | Ni 18%Mo | 0,75% ou 2,2°C | −50 a 1410 | |
| N | Ni 14%Cr 1,5%Si | Ni 4,5%Si 0,1%Mg | 0,75% ou 2,2°C | −270 a 1300 | Substituto melhor para o tipo K |
| R | Pt 13%Rh | Pt | 0,25% ou 1,5°C | −50 a 1768 | De precisão, para alta temperatura |
| S | Pt 10%Rh | Pt | 0,25% ou 1,5°C | −50 a 1768 | De precisão, para alta temperatura |
| T | Cu | Cu 45%Ni | 0,75% ou 1,0°C | −270 a 400 | Uso geral p/ baixa temperatura, resistente à umidade |
Compensação
Conforme já dito, a tensão do termopar é função da diferença de temperaturas das junções de medição e de referência. Por estar junto do equipamento, a temperatura desta última é normalmente acima da temperatura ambiente. E o que se deseja saber é a temperatura da junção de medição e não essa diferença. Um meio de se evitar isso é o uso de cabos especiais, dos mesmos metais dos elementos do termopar ou ligas com características termoelétricas similares. Assim, eletricamente não há a junção de referência. É como se o termopar se estendesse até o dispositivo de medição.
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| Figura 03 |
As junções de referência devem estar em um bloco de material isolante com alguma condutividade térmica, de forma que um sensor (termistor ou RTD) capta a temperatura real da junção.
Na medição analógica (a), o sinal do sensor de temperatura é amplificado para um nível tal que o somador compensa a tensão gerada pela junção de referência. No arranjo digital (b) o circuito de medição faz o processamento. É uma solução melhor. Em caso de mudança do tipo de termopar, o ajuste pode ser facilmente executado via software.
O circuito de medição também deve compensar a não linearidade da função tensão x temperatura do termopar.
Termopares também podem ser ligados em série, formando uma termopilha. Com isso, a tensão de saída é aumentada, amenizando o problema da baixa tensão individual.
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| Figura 04 |
Termopilhas com dezenas ou centenas de termopares são usadas em instrumentos como medidores de fluxo de calor, radiômetros e outros. Podem ser construídas com fios ou outras técnicas como eletrodeposição.
O efeito termoelétrico também pode ser usado para gerar energia. Geradores termoelétricos foram usados em algumas sondas espaciais. Com termopilhas e ligas especiais para maximizar a corrente. A fonte de calor é um material radioativo como o plutônio e o resfriamento é dado pela dissipação no espaço. Geradores desse tipo podem fornecer dezenas de watts por vários anos. Entretanto, os perigos da radioatividade impedem o emprego em outras áreas.
O termopar pode operar de forma inversa, isto é, se uma corrente é aplicada no mesmo, uma junção aquece e a outra esfria. Isso é chamado efeito Peltier e é usado em pequenos dispositivos de refrigeração.
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