Este documento discute conceitos básicos de sensores de temperatura, incluindo termistores, termoresistências e pirômetros. Termistores podem ser do tipo PTC, com resistência aumentando com temperatura, ou NTC, com resistência diminuindo. Termoresistências de platina como PT-100 são sensores precisos e estáveis. Pirômetros medem temperatura sem contato usando detecção de radiação infravermelha.

1. Sensores de temperatura Conceitos básicos Termistores (Thermally Sensitive Resistor) PTC (Positive Temperature Coeficient) NTC (Negative Temperature coeficient) Termoresistência Termoresistência de platina Tipos de montagem Pirômetros INSTRUMANTAÇÃO 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

2. Grandeza física relacionada com o grau de vibração dos átomos e/ou moléculas que constituem o corpo. CONCEITOS BÁSICOS Temperatura Energia térmica em trânsito de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura. Calor 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

3. Sensores térmicos sensores de contacto: condução Tipos de sensores térmicos 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA termoresistências metálicas semicondutoras interruptores térmicos termodíodos termotransístores termopares de ruído activos passivos

4. TERMISTORES Os termistores são semicondutores cerâmicos que também tem sua resistência alterada como efeito direto da temperatura, mas que geralmente possui um coeficiente de variação maior que os RTDs ( Resistance Temperature Detector – Resistência Detector de temperatura). A palavra termistor vem de thermally sensitive resistor. Estes dispositivos são formados pela mistura de óxidos metálicos prensados e sinterizados em diversas formas ou em filmes finos, podendo ser encapsulados em vidro (hermético para maior estabilidade) ou epoxi. São designados como NTC ( negative temperature coeficient) quando apresentam um coeficiente de temperatura negativo e como PTC ( positive temperature coeficient) quando apresentam um coeficiente de temperatura positivo. Estes dispositivos não são lineares e apresentam uma sensibilidade elevada (típica 3% a 5% por °C) com faixa de operação típica de -100°C a +300°C. (danos ao dispositivo por sobre/subtemperatura). Os termistores são disponibilizados em tamanhos e formas variadas. A sua faixa de tolerância de fabricação também varia (tipicamente de 5 a 20%). 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

5. Tamanhos e formas bastante variados (0,005” a 0,05” de diâmetro) PTC – Resistência aumenta com a temperatura NTC – Resistência decresci com aumento da temperatura Vidro Gota ( bead) Epoxi Montagem de superfície 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

6. Ponteira em Aço Inox Ponteira em Aço Inox com Flange Alumínio Superfície Micro Ponteira TO-5 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

7. PTCs – Coeficiente de temperatura positivo Os PTCs aumentam a sua resistência com o aumento da temperatura. Podem ser construídos de silício, e conseqüentemente suas características dependem deste semicondutor dopado. Durante muito tempo o olho foi utilizado como “sensor de temperatura”. Outros termistores com coeficiente positivo são construídos com Titanatos de Bário, Chumbo e Estrôncio. Em temperaturas muito baixas (abaixo de 0°C) o valor de resistência é baixo e a curva da resistência x temperatura exibe uma pequena faixa de coeficiente negativo de temperatura. Com o aumento da temperatura este coeficiente torna-se positivo e a resistência começa a aumentar e só pára de aumentar quando chega em seu limite, onde novamente ocorre uma inversão do coeficiente de temperatura, tornando-se negativo. Alguns termistores PTC baseados na dopagem por silício mostram um declive baixo com a temperatura e são chamados de Tempsistores ou Silistores e na faixa de temperatura de -60°C a +150°C. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

8. NTCs – Coeficiente de temperatura negativo Os termistores do tipo NTC consistem de óxidos metálicos tais como Cromo, Níquel, Cobre, Ferro, Manganês e Titânio. Estes componentes diminuem a sua resistência elétrica com o aumento da temperatura. As limitações dos termistores para a medição da temperatura e outras quantidades físicas são similares aos RTDs. Porém, os termistores são menos estáveis do que os RTDs. Os termistores são amplamente utilizados, apresentando alta sensibilidade e alta resolução para medição de temperatura. Sua alta resistividade permite massa pequena com rápida resposta e cabos de conexão longos. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

9. Transdutores Termoresistivos 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

10. Características principais Condutor metálico, sendo a platina o material mais utilizado. Praticamente lineares com Sensibilidade Baixa e Positiva. Dependendo do metal são muito estáveis. Faixa de Operação (-200 a +850 °C). Baixíssima tolerância de fabricação (0,06% a 0,15%). Considerados sensores de alta precisão e ótima repetitividade de leitura. Bobina bifilar metálica (em geral platina) enrolada sobre um substrato (cerâmica) e encapsulado (cerâmica, polímero ou vidro) 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA Ni W Cu Pt 0 100 200 300 400 500 600 -100 100 300 500 700 R (  ) T (ºC) semicondutora

11. Filme Metálico depositado sobre substrato cerâmico encapsulado (polímero ou vidro) 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

12. TERMORESISTÊNCIA As termoresistências de Platina mais usuais são: PT-25,5Ω, PT-100Ω, PT-120Ω, PT-130Ω, PT-500Ω, sendo que o mais conhecido e usado industrialmente é o PT-100 Ω. Estas siglas significam o metal (PT – Platina) e a resistência a temperatura de 0°C. Um sensor de filme de platina para aplicação industrial pode atuar na faixa de –50 a 260 °C. Sensores de enrolamentos de fio de platina atuam entre –200 e 648 °C Os sensores de platina também são bastante conhecidos por serem estáveis e manter suas características por um longo período de tempo. Apesar de não ser o sensor mais sensível, esta é a razão pela qual a platina é mais utilizada que o níquel. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

13. Tipos de Montagens Na montagem convencional com bainha preenchida, tem-se o sensor montado em um bulbo metálico com uma extremidade fechada e preenchido todos os espaços com óxido de magnésio, permitindo uma boa troca térmica e protegendo o sensor de choques mecânicos. A ligação do bulbo é feita com fios de cobre, prata ou níquel isolados entre si; sendo a extremidade aberta, selada com resina epoxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

14. Montagens Circuitos em ponte: 2 fios, 3 fios, 4 fios. Ligação a dois fios 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

15. Fabricantes especificam de R com tabelas KTY81-1 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA R (k  ) KTY81-2 KTY83-1 KTY84-1 KTY81-1 T (ºC)

16. Vantagens e Desvantagens na Escolha do Bulbo de Resistência Vantagens a) Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores. b) Tem boas características de estabilidade e repetibilidade. c) Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação. d) Dispensa o uso de fios e cabos especiais, sendo necessário somente fios de cobre comuns. e) Se adequadamente protegido (poços e tubos de proteção), permite a utilização em qualquer ambiente. f) Curva de Resistência x Temperatura mais linear. g) Menos influência por ruídos elétricos. Desvantagens a) São mais caros do que os outros sensores utilizados nesta mesma faixa. b) Baixo alcance de medição (máx. 630ºC). c) Deterioram-se com mais facilidade, caso ultrapasse a temperatura máxima de utilização. d) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação. e) Possui um tempo de resposta elevado. f) Mais frágil mecanicamente. g) Autoaquecimento, exigindo instrumentação sofisticada. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

17. PIRÔMETROS Empregando os princípios da radiação, métodos foram desenvolvidos para medir a temperatura de superfícies sem que haja contato do sensor com a superfície. Esses métodos eliminaram os problemas de estabilidade e isolamento inerentes às medições, por contato, de altas temperaturas. A região do infravermelho é utilizada dentro do espectro eletromagnético para caracterizar temperatura, medindo sua radiação térmica. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

18. Princípios de Radiação As ondas eletromagnéticas e partículas emitidas da superfície de um corpo são denominadas radiação. A radiação emitida de uma superfície aquecida tem muitos comprimentos de onda diferentes. O espectro eletromagnético cobre uma grande faixa de comprimentos de onda, porém a radiação térmica relaciona-se apenas com o espectro da luz. Pode-se obter o valor da energia de radiação de um comprimento de onda através da temperatura absoluta. A energia total emitida por uma superfície é dada, portanto, pela soma das energias de radiação de cada comprimento de onda. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

19. O Pirômetro Óptico O pirômetro óptico é usado para medir temperaturas em uma faixa de 700°C até 4000°C. A energia de radiação emitida pelo corpo é coletada e focada por uma lente objetiva na lâmpada do pirômetro. A energia radiante é, então, passada por um filtro e transmitida a uma outra lente objetiva e então a uma lente ocular. A imagem vista pelo pirômetro é o do filamento da lâmpada em um fundo de intensidade devida ao corpo observado. Deve-se ajustar a corrente para fazer com que o brilho da lâmpada seja equiparado ao do fundo de modo que os dois se confundam, fazendo o filamento sumir. Através da medição da corrente necessária para fazer o filamento desaparecer, obtém-se a temperatura do corpo. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

20. Pirômetros Infravermelhos Em baixas temperaturas, as emissões de radiação se concentram nas regiões infravermelhas do espectro. Os pirômetros infravermelhos coletam a radiação infravermelha da região de uma superfície através de uma lente. A radiação é, então, refletida e focada em um sensor de temperatura (um termopar, por exemplo) por um espelho côncavo. A partir da magnitude de radiação absorvida pelo sensor, pode-se ter o valor da temperatura da superfície emissora. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

21. Aplicações -Termocâmeras 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

22. Termógrafo Podem ser unidimensionais: termógrafos de linha. Nesse caso é feito uma varredura em uma linha, levantado o perfil de temperatura da mesma. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

23. Imagem térmica de um corpo e Termógrafo 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

24. Pirômetros de radiação implementados com sensores óticos 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

25. Podem ser bidimensionais, levantando o perfil de uma superfície. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA

26. Referências Bibliográficas SENAI. ES. Instrumentação - Instrumentação Básica I - Pressão e Nível. 1999 SENAI. ES. Instrumentação - Instrumentação Básica II - Vazão, Temperatura e Analítica. 1999. 24/02/10 JOÃO NOGUEIRA www.help-temperatura.com.br • www.arquimedes.net • www.controles.com • www.fisicarecreativa.com www.arquimedes.tv/sens/sensor_Pt100.htm www.magnetosgerais.com.br/index2.htm