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Aquisição e Tratamento de Dados – Teoria (7): Sensores de Temperatura Resistivos (RTDs)

Detectores de Temperatura Resistivos (RTDs)


1. Características dos RTDs

Os detectores de temperatura resistivos (RTDs) são sensores de temperatura geralmente obtidos a partir de um metal puro (ou ligeiramente dopado) cuja resistência aumenta com o aumento de temperatura (coeficiente de temperatura positivo).

A maioria dos RTDs são de fio enrolado ou filme metálico. Os primeiros são essencialmente um fio, de um determinado comprimento, enrolado num núcleo neutro e encapsulado num invólucro protector. As de filme metálico são dispositivos em que o elemento resistivo metido num substrato cerâmico na forma de pista em ziguezague metálico com alguns mícrones de espessura. Através de laser consegue-se ajustar a largura da pista de forma a controlar de forma precisa o valor da resistência. A grande redução em tamanho com o aumento respectivo da resistência que este método permite, dá uma inércia térmica muito menor, o que resulta numa resposta mais rápida e maior sensibilidade. Estes dispositivos custam geralmente menos que os de fio enrolado.

A RTD mais popular é a de filme de platina PT100 (DIN 43760 Standard), com uma resistência nominal de 100 ohm +/- 0.1 ohm a 0 ⁰C. A platina é habitualmente usada nos RTDs devido à sua estabilidade numa vasta gama de temperaturas (-270 ⁰C a 650 ⁰C) e às suas características lineares. O tungsténio é por vezes usado em aplicações de elevadas temperaturas. As RTDS de níquel estão também disponíveis na forma de elevada resistência (1000 ohm). Se o elemento RTD não for muito (es)forçado mecanicamente (isso também altera a resistência de um condutor), e não estiver contaminada por impurezas, os dispositivos são estáveis ao longo de um grande período, fiáveis e precisos.

2. Linearidade dos RTDs

Em comparação com outros dispositivos de medição de temperaturas, tais como os termopares e os termístores, a variação do valor da resistência com a temperatura é relativamente linear numa vasta gama de temperaturas, exibindo apenas uma ligeira curva nos extremos do intervalo de funcionamento. Embora uma relação mais precisa possa ser calculada usando um método de adaptação à curva – as equações polinomiais Calendar-Van Dusen são muitas vezes usadas – isso não é normalmente necessário. Desde que o erro introduzido pela aproximação linear da relação entre resistência e temperatura não seja significativo, os fabricantes definem normalmente o coeficiente de temperatura de uma RTD, chamada alfa, pela expressão:

Alfa (α) = (R100 –R0 )/ 100 x R0 em ohm/ohm/⁰C

Em que:

R0 = Resistência a 0 ⁰C

R100 = Resistência a 100 ⁰C

Isto representa a variação da resistência do RTD de 0 a 100 ⁰C, dividido pela resistência a 0 ⁰C, dividido por 100 ⁰C.

Da expressão de alfa é facilmente derivável que a resistência RT de uma RTD, à temperatura T pode ser obtida pela expressão:

RT = R0 (1 + α . T)

Por exemplo, uma PT100 (DIN 43760 standard), com resistência nominal de 100 ohm +/- 0.1 ohm a 0 ⁰C tem um alfa de 0.00385 ohm/ohm/⁰C. A sua resistência a 100 ⁰C será então de 138.5 ohm.

3. Medição em Circuitos e Considerações acerca das RTDs

3.1. Medição a Dois-Fios

Como a RTD é um dispositivo resistivo passivo, ela requer uma corrente de alimentação para produzir uma tensão mensurável aos seus terminais. A figura seguinte mostra um RTD a 2-fios alimentado por uma fonte de corrente constante, IEX e ligada a um dispositivo de medição.

RTD com método de medição 2-fios.

(clique na imagem para a ver em tamanho maior)

Qualquer resistência, RL, ligada nos fios que servem de pontas de prova entre o dispositivo de medição e o RTD originará uma queda de tensão nas pontas e prova igual a RL x IEX Volts. A queda de tensão nas pontas de prova somar-se-á à queda de tensão na RTD, e dependendo do valor da resistência do fio de prova comparada com a resistência do RTD, pode originar um erro significativo na temperatura calculada desta forma.

Considere um exemplo em que a resistência de cada fio de prova é de 0.5 ohm. Para uma RTD 100 ω com um α de 0.385 ohm/⁰C, a resistência do fio corresponde a um erro de temperatura de 2.6 ⁰C (1.0 ohm / 0.385 ohm / ⁰C).

Isto diz-nos que se as medições de tensão forem feitas utilizando os mesmos dois fios que transportam a corrente de alimentação, a resistência do RTD deve ser suficientemente elevada, ou os fios de prova suficientemente pequenos para que a queda de tensão devida às resistências dos fios da ponta de prova seja negligenciável. Isso é verdadeiro desde que os fios não sejam mais compridos que uns poucos (<3) metros para uma RTD de 100 Ω.

3.2. Medição com RTD com o método de 4-fios
Um método melhor de alimentação e medição, especialmente quando os comprimentos dos fios da ponta de prova são maiores que alguns metros, é o método de 4-fios, cuja configuração é mostrada a seguir:

Medição com o método de 4-fios usando uma RTD

(clique na imagem para a ver em tamanho maior)

As RTDs são habitualmente encapsuladas com 4 terminais, dois de corrente para serem alimentados, e dois de tensão para se medir a tensão desenvolvida. Esta configuração elimina as quedas de tensão originadas pela corrente de alimentação através dos terminais das resistências (RL1 e RL4). Como apenas uma corrente negligenciável flui nos terminais de tensão das resistências de prova, (RL2 e RL4) apenas a queda de tensão em RT do RTD é medida.

3.3. Método de medição com RTD ligado a 3-fios

Uma redução de custos é possível com a eliminação de um dos fios da ponta de prova. Na configuração de 3-fios mostrada na figura a seguir, apenas uma ponta RL2 adiciona um erro à tensão da RTD medida.

Medição com o método de 3-fios usando uma RTD

(clique na imagem para a ver em tamanho maior)

4. Autoaquecimento

Uma outra consequência da corrente de alimentação do RTD é o possível efeito que o aquecimento interno do dispositivo possa ter na precisão das medidas reais de temperatura. O grau de autoaquecimento depende do meio em que a RTD está a ser utilizada, e é tipicamente especificada como o aumento de temperatura por cada mW de potência dissipada num dado meio (ex: ar parado).

Para um dispositivo RTD PT 100, o coeficiente de autoaquecimento é de 0.2 ⁰C/mW no ar parado, embora isso possa variar dependendo da construção da cápsula do RTD e das suas propriedades térmicas. Com uma corrente de alimentação de 0.75 mA a potência dissipada pelo dispositivo é de 56 μW ((0.75 x 10-3)102 x 100] correspondendo a um aumento de temperatura do dispositivo devido ao autoaquecimento de 0.011 ⁰C (56 μW x 0.2).

Imprecisões na medição da temperatura devido a problemas de auto aquecimento podem ser grandemente reduzidas por:

- Minimizando a corrente de alimentação;

- Alimentando os RTDs apenas quando a medida é tirada;

- Calibrando os erros.

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