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Medidas de Temperatura 1-I

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Tópicos: Introdução | Termistores | Sensores de Semicondutor |


1) Introdução

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Primeiras medições de temperatura: realizadas, de forma pouco precisa, pela comparação com determinados fenômenos físicos. Para metais aquecidos, a cor dava alguma indicação. Para temperatura menores, a fusão de substâncias como chumbo, enxofre, cera, a ebulição da água, etc.

Primeiro termômetro documentado: 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.

Daniel Gabriel Fahrenheit: físico alemão que, em 1709, inventou o termômetro de álcool. 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.

Anders Celsius: astrônomo sueco que, em 1742, inventou a escala de centígrados (0 para fusão da água e 100 para ebulição). O nome Celsius para a escala foi oficializado em 1948 por uma conferência internacional de pesos e medidas.

Termômetros comuns (sem sensores elétricos): expansão de fluido como mercúrio e álcool. Os do tipo bimetálico usam lâminas de dois metais de diferentes coeficientes de expansão térmica e unidas entre si. A variação de temperatura aciona um mecanismo de indicação (ponteiro). Os do tipo de mudança de estado são um indicadores com fitas de materiais que mudam de aspecto sob determinadas temperaturas (em geral, a indicação é irreversível). Servem para informar se um produto estocado não excedeu uma temperatura máxima admissível.


2) Termistores

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São resistores sensíveis à temperatura. Elementos resistivos são óxidos de metais como manganês, níquel, cobalto, cobre, ferro, titânio. Na Figura 1-I a ilustração de um tipo comum. Há duas variedades básicas:

a) De coeficiente positivo de temperatura (PTC): resistência aumenta com a temperatura.

b) De coeficiente negativo de temperatura (NTC): resistência diminui com a temperatura. É o mais usual na medição e controle de temperatura. Pouco usado em processos industriais, provavelmente pela falta de padronização entre fabricantes. É um dos sensores que dão a maior variação da saída por variação de temperatura, mas a relação não é linear.

Termistor
Fig 1-I

A relação entre resistência e temperatura é dada pela equação de Steinhart & Hart:

$$T = \frac{1}{a + b \ln R + c \ln R^3} \tag{2A}$$
Onde os coeficientes a, b e c são característicos de cada modelo e informados pelos fabricantes. A tabela 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

A temperatura máxima é outro fator que limita o uso industrial. Uma aplicação típica de termistores é a proteção de circuitos de potência.


3) Sensores de Semicondutor

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Parâmetros elétricos dos semicondutores variam com a temperatura. Um diodo de silício diretamente polarizado conforme Figura 3-I (a) é um sensor simples de temperatura. A tensão lida no voltímetro varia com a temperatura na razão aproximada de 2,3 mV/ºC. A corrente de polarização deve ser mantida invariável com uso de uma fonte de corrente constante.

Sensor de temperatura com diodo
Fig 3-I

Na prática, o diodo funciona como um resistor cuja resistência varia com a temperatura. 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.
Referências
Pesquisa na Internet em 07/2008. Fontes não anotadas.

Topo | Rev: Mar/2018 (retoques de textos e imagens. Conteúdo básico não alterado)