Sensores de temperatura

Sensores de temperatura

Introdução

Os sensores de temperatura são transdutores que convertem a grandeza física temperatura em um sinal elétrico. Eles podem ser classificados em três tipos principais:

Sensores resistivos

Sensores termoelétricos

Sensores de infravermelho

Os sensores resistivos são resistências dependentes da temperatura, os sensores termoelétricos, mais conhecidos como termopares, são os sensores que produzem um sinal de força eletromotriz (fem) devido ao efeito termoelétrico e os sensores de infravermelho são baseados em sensores que captam radiação eletromagnética no comprimento de onda do infravermelho, sendo esta faixa de frequência característica de emissão de calor.

Sensores Resistivos

Os sensores baseados em resistências dependentes da temperatura são disponíveis em dois tipos, de acordo com o comportamento elétrico do material em:

_ Termorresistências

_ Termistores

De modo geral, as termorresistências são fabricadas com metais, enquanto que os termistores utiliza-se de compostos semicondutores.

Termorresistências (RTD)

As termorresistências também conhecidas pela abreviação inglesa RTD (Resistive Temperature Detectors) são sensores de temperaturas constituídas por metais de resistência elétrica com elevado coeficiente de temperatura a:

α=1dR/RdT

Resistência de metais

A resistência elétrica dos metais varia de uma maneira quase linear. A Fig. 1 apresenta a resistência elétrica normalizada R/R0, na qual R0 é a resistência elétrica a 0oC, em função da temperatura para metais comumente usados na fabricação de termorresistências. A unidade do coeficiente de temperatura a é expresso em W/W/oC. Quanto maior coeficiente a, maior a variação da resistência para uma dada variação de temperatura. Dos metais usados na fabricação de termorresistências, o níquel possui o maior coeficiente a = 6,72.10-3 W/W/oC e o cobre de 4,27.10-3 W/W/oC.

Temperatura

A platina é o metal mais utilizado e recomendado na fabricação de sensores resistivos de temperatura por três motivos: 1. relação linear entre resistência e temperatura; 2. repetitibilidade e 3. ampla faixa de temperatura de trabalho.

A expressão matemática que relaciona a resistência elétrica com a temperatura pode ser descrita a partir de uma equação linear na forma:

R(T)=R_0.(1+αT)

Se considerarmos que a resistência varia não linearmente com a temperatura numa faixa de temperatura mais ampla, utiliza-se uma equação matemática polinomial denominada equação Callendar-Van Dusen e que está mostrada a seguir:

Para a faixa de temperatura -200 ºC a 0 ºC:

R(T)=R_0.1+αT+bT^2+cT^2.(T-100)

Para a faixa de temperatura 0 ºC a 850 ºC:

R(T)=R_0.(1+αT+bT^2)

Termorresistência de platina (PT-100)

As termorresistências de platina, designadas como PT-100, são disponíveis em duas

especificações, de acordo com o coeficiente de temperatura:

(a) a = 3,850. 〖10〗^(-3) Ώ/Ώ.ºC (Norma DIN-IEC 751/85 padrão europeu)

(b) a = 3,916. 〖10〗^(-3) Ώ/Ώ.ºC (Norma americana)

O coeficiente a é calculado através da equação:

α=(R_100-R_0)/(R_0.100)

Na qual R_0 é a resistência a 0 ºC e R_100 a resistência a 100 ºC. O valor de resistência nominal a 0 ºC é 100 Ώ, como ilustrado na Fig. 2.

Fig. 2. Curvas esquemáticas de resistência versus temperatura mostrando as diferenças entre o padrão americano e o europeu para o coeficiente de temperatura da resistência do sensor de platina.

Elementos do sensor de platina

O elemento sensor do termômetro de platina pode ser fabricado em duas formas: fio enrolado e filme fino.

Fio

Termoelemento padrão, fabricado com fio de platina com 99,99% de pureza, enrolado não indutivamente sobre um cilindro de cerâmica ou vidro e selado hermeticamente dentro de uma cápsula cerâmica ou de vidro, conforme mostra a figura 3.

Fig. 3. Termorresistência de fio de Pt enrolada não indutivamente sobre cilindro de cerâmica.

Filme fino

Termoelemento fabricado com uma fina camada de platina depositada por “sputtering” sobre um substrato de cerâmica (Fig. 4). O desenho é feito de acordo a obter a resistência desejada. Uma camada de vidro é depositada sobre o filme metálico com a finalidade de proteção. Este método permite a confecção de sensores minúsculos, de resposta rápida