Extensómetros

Os extensómetros são os dispositivos mais utilizados para medir forças, ou mais particularmente, deslocamentos/deformações resultantes de forças. O tipo mais comum é o ligado a resistência, que consiste num material resistivo, habitualmente um filme metálico de uns poucos mícrones de espessura, ligado a uma placa traseira de poliéster ou papel.

Extensómetro ligado a resistência típico

O extensómetro funciona baseado no princípio de que quando esticado/deformado, o comprimento, a secção e a resistividade do filme metálico varia, fazendo assim, por consequência, variar também o valor da resistência do condutor. Quando fixado a uma unidade em teste através de um adesivo, ou de outra forma qualquer, o extensómetro sofre o mesmo esticamento/deformação de toda a unidade. A quantidade de esticamento/deformação pode ser medida através da detecção da variação na sua resistência. Sabe-se que variação no comprimento do extensómetro é pequena e que a relação entre resistência e esticamento/deformação é linear.

A relação entre a percentagem de variação na resistência e a percentagem de variação no comprimento, é conhecido como o ‘calibre’ (C) e é uma medida da sensibilidade do extensómetro.

C = (ΔR/R₀)   /   (ΔL / L₀)   =   1 + 2σ + [(Δρ / ρ)  /   (ΔL / L₀)]

Em que:

R₀ – resistência em ohms

ρ – resistividade em ohms por metro

L₀ – comprimento em metros

ΔR/R0 – variação fraccional da resistência

σ – relação de Poisson

ΔL/L₀ – variação fraccional do comprimento

Δρ / ρ– variação fraccional da resistividade

O calibre, fornecido pelos fabricantes para cada modelo de extensómetro, tipicamente encontra-se entre 2 e 4, nos casos dos mais comuns modelos em lâmina metálica, com resistência nominal de 120 ohms, 350 ohms e 1k. Assim, se um extensómetro de 350 ohms com um calibre de 2.0 for esticado em 1%, então a sua resistência variará 2%, ou seja, 0.57 ohms.

Termopares

Um termopar são dois fios de metais diferentes que são electricamente ligados numa extremidade (junção de medição) e termicamente ligados na outra extremidade (junção de referência). Isso é mostrado a seguir:

Medição com Termopar

O seu funcionamento é baseado no princípio de que os gradientes de temperatura nos condutores eléctricos geram tensões na região do gradiente.

Diferentes condutores gerarão diferentes tensões para o mesmo gradiente de temperatura. Assim, uma pequena tensão, igual à diferença entre as tensões geradas pelo gradiente térmico em cada um dos fios (V = VA – VB), podem ser medidas na junção de referência.

De notar que esta tensão é produzida pelo gradiente de temperatura ao longo dos fios e não pela própria junção. Desde que os condutores sejam uniformes ao longo dos seus comprimentos, então a tensão de saída apenas é afectada pela diferença de temperatura entre a junção de medição (quente) e a de referência (fria), e não pela distribuição de temperatura ao longo do condutor entre elas.

Compensação da Junção de Referência

Cálculos para determinar a temperatura correspondente a uma dada tensão medida por um termopar, assumem que essa tensão corresponde ao gradiente de temperatura que é referenciado a 0 ⁰C. Claramente, quando à junção de referência lhe é permitido seguir a temperatura ambiente, esse não é o caso.

Quando as variações da temperatura ambiente da junção de referência causam erros significativos no cálculo da temperatura da tensão de saída do termopar, existem dois métodos de compensação da junção de referência:

– Manter a junção de referência numa temperatura constante e conhecida tal como um banho de gelo (0 ⁰C). É daqui que deriva o nome ‘junção fria’.

– Medir a temperatura da junção de referência e adicionar a tensão da junção de referência. A tensão da junção de referência é igual à tensão que seria produzida pelo mesmo termopar se a sua junção de medição estivesse a uma temperatura ambiente e a sua junção de referência estivesse a 0⁰C.

Obviamente que a segunda opção é mais fácil de implementar e levou ao projecto de muitos circuitos de compensação da junção fria. A tensão de correcção necessária pode ser feita à custa de software, hardware ou uma combinação de ambas.

Compensação por Hardware

A compensação por hardware requer circuitaria dedicada para produzir a tensão de compensação de acordo com a temperatura ambiente do bloco isotérmico, e adiciona esta tensão à tensão medida na junção de medição. Como a relação Tensão vs. Temperatura varia de termopar para termopar, cada tipo de termopar precisa de um circuito próprio de compensação que opere na gama de temperaturas ambiente necessária. Isto torna a compensação por hardware complexa e cara, e pela sua natureza, propícia a erros inerentes.

Compensação por Software

A compensação por software requer apenas que um sensor adicional de leitura directa de temperatura, tal como um termístor ou um sensor de silicone, seja utilizado para medir a temperatura do bloco isotérmico da junção de referência. Usa-se então software para calcular a tensão equivalente da tensão de referência, ou por utilização de equações polinomiais ou através de tabelas, para o tipo de termopar correspondente. Uma vez calculado, esse valor é adicionado à tensão de saída medida no termopar. A tensão resultante é então novamente reconvertida para uma temperatura que representa a temperatura real do termopar.

Nota: Nem sempre as mudanças na temperatura ambiente conduzem a erros significativos na determinação da temperatura do termopar, como se mostra no exemplo a seguir:

Exemplo:

Considere um termopar do tipo S utilizado para medir temperaturas entre 1500 ⁰C dentro de um forno industrial. A temperatura ambiente da junção de referência é de 25 ⁰C   +/- 15 ⁰C.

Como a sensibilidade do termopar é de 12 μV / ⁰C a 1500 ⁰C e uma alteração de 10 ⁰C para 40 ⁰C na junção de referência produz uma alteração de 180 μV na tensão de saída, a variação equivalente/correspondente na temperatura na junção de medição é de 15 ⁰C.

Isso representa no máximo um erro de 1% dos 1500 ⁰C que é o intervalo de operação da junção de referência. Neste caso, o erro introduzido pelas variações na junção de referência pode ser desprezado.

Blocos Isotérmicos e Cabos de Compensação

Com muita frequência os termopares, especialmente os usados nas aplicações industriais estão a uma distância considerável dos pontos de medição e, deste modo, precisam de fios condutores extensos e conectores. Fios de cobre e conectores convencionais não podem ser utilizados nessas distâncias. Têm então de ser utilizados fios condutores e conectores do mesmo material que forma o termopar. A utilização de fios de ligação e conectores de material similar, embora menos puro, que o termopar é uma forma que se utiliza para estender a distância de utilização de um dado termopar.

Esse fio, apesar de consideravelmente mais barato, possui uma gama de temperaturas suportadas muito mais limitado, tipicamente de 0 ⁰c a 100 ⁰C e não deve ser utilizado onde este intervalo de temperaturas é excedido.

Nos casos em que são usados conectores inline estes também devem ser do mesmo material do termopar. Existem disponíveis conectores polarizados com código de cores (para prevenir ligações trocadas).

As junções de referência são mantidas à mesma temperatura por um ‘bloco isotérmico’, que é um arranjo físico que assegura boa condutividade térmica entre as extremidades do cabo do termopar. É aconselhado proteger o bloco isotérmico de mudanças rápidas de temperatura.

Linearização do Termopar

Além da necessária compensação da junção-fria, os termopares são também altamente não lineares, o que exige a correspondente linearização. Por exemplo, um termopar tipo J tem um coeficiente térmico de 22 μV por ⁰C, a -200 ⁰C, mas de 64μV por ⁰C, a 750 ⁰C.

Na maioria das utilizações genéricas, é utilizada uma forma qualquer de linearização por software. São comuns duas técnicas:

– Tabelas de look-up: com esta técnica, é armazenada uma tabela com temperaturas vs. todas as medições possíveis de tensão, e a temperatura adequada é obtida através de uma operação de indexação. Este método é muito rápido, mas necessita de grande quantidade de memória, para além de ser um método que torna difícil a compensação de junção-fria,

– Compensação polinomial: Com esta técnica são utilizadas aproximações polinomiais para obter a temperatura correspondente à tensão medida. O número de termos polinomiais a usar depende do intervalo de temperaturas a monitorizar e do tipo de termopar. Por exemplo, termopares do tipo J podem ser aproximados a 0.1 ⁰C entre 0 e 760 ⁰C com um polinómio de 5ª ordem, mas um termopar do tipo F precisa de um equação polinomial de nono grau para apenas 0.5 ⁰ de precisão.

Para intervalos de temperaturas maiores, usam-se frequentemente polinómios de ordem baixa sobre gamas de temperaturas mais estreitas. Por exemplo, existem controladores de placas para termopares que utilizam polinómios do terceiro grau para conversões tensão-para-temperatura. O intervalo para cada equação é optimizado para cada tipo de termopar. Adicionalmente, um polinómio de segunda ordem é utilizado para converter a temperatura da junção-fria para para uma tensão de termopar, para compensação.

A utilização de um polinómio do segundo grau é apenas possível porque a temperatura terminal do bloco varia entre 0⁰ a 70 ⁰C.

Tipos e Standards de Termopares

Os standards de termopares especificam as características tensão-temperatura, códigos de cores, limites de erro e a composição de termopares standard. Existem cinco standards de termopares em uso geral, nomeadamente NBS/ANSI (Americana), BS (Britânica), DIN (Alemã), JIS (Japonesa), e NG (Francesa).

E são utilizados na indústria oito tipos principais de termopares: termopares de base metálica (tipos J, K, N, E e T) e termopares de metais nobres (tipos R, S e B). A sua composição e intervalo de temperaturas de operação, de acordo com a norma NBS, mostram-se na tabela seguinte.

Adicionalmente, existem vários termopares baseados em tungsténio, para altas temperaturas (tipos G, C e D), que permitem medições de temperaturas entre 0 ⁰C e 2320 ⁰C. Como estes termopares não respeitam nenhumas normas oficiais, devem ser consultados os catálogos dos fabricantes, de forma a assegurar-se a sua correcta utilização.

Construção dos Termopares

Adicionalmente ao tipo do termopar, a forma é outro factor importante na perfomance. Existem três formatos básicos, como ilustrado na figura seguinte.

Formatos de Termopares

O exposto, ou pérola, tem a sua junção exposta ao ar. Os termopares com as junções expostas ao ar são geralmente usados para medir a temperatura de gases, e têm um tempo de resposta extremamente rápido.

Nos termopares de junção sem-terra (c), uma bainha condutora protege a junção do termopar. A bainha é electricamente isolada do termopar. Esta construção é particularmente útil quando existem níveis elevados de ruído eléctrico . O termopar de junção sem-terra tem a desvantagem de possuir um tempo de resposta lento, tipicamente da ordem dos segundos. Também pode ter problemas a partir das mudanças térmicas, o que origina que a junção fique a uma temperatura diferente da bainha.

Nos termopares de junção aterrada, existe também uma bainha de protecção da junção, e a bainha está electricamente ligada com a junção do termopar. Isso traz a vantagem de tornar o tempo de resposta mais rápido, e minimizar os efeitos das mudanças térmicas, mantendo, além disso, uma boa imunidade ao ruído. A sua desvantagem é a susceptibilidade aos problemas de laço (loop) de terra, que são particularmente difíceis de resolver em termopares, devido às baixas tensão de operação.

Erros de Medição

Quando fazemos medições de temperaturas através de termopares, existem várias fontes de erro possíveis, a acrescentar aos erros que ocorrem devido à imprecisão do equipamento de medida:

– Características isotérmicas da junção de referência e imprecisão do sensor de temperatura da junção de referência – as fontes mais significativas de erro.

Os gradientes de temperatura entre o sensor de temperatura e os terminais aos quais os termopares estão ligados, resultam em erros de magnitude da temperatura medida. Adicionalmente, existe a magnitude de quaisquer imprecisões inerentes ao sensor de temperatura utilizado para medir a temperatura ambiente.

– Ruído eléctrico induzido. Devido aos níveis baixos do sinal de tensão produzido pelos termopares, tipicamente da ordem dos μV/ ⁰C, as medições de temperatura com base em termopares são sensíveis aos efeitos do ruído. Isto é especialmente verdadeiro quando são utilizados cabos longos. Os efeitos do ruído podem ser reduzidos amplificando o sinal proveniente do termopar, o mais perto da fonte possível, e, quando não for possível, usando cabos de par trançado e blindado.

– Qualidade dos fios do termopar. Quando existem não homogeneidades no processo de fabrico do termopar, a qualidade do seu fio e as características standard de tensão-temperatura podem variar.

– Erros de linearização acontecem porque as equações polinomiais são apenas aproximações do valor real da tensão de saída do termopar.

Configurações da Ligação

Como os níveis de tensão dos termopares são muito baixos, tipicamente da ordem dos μV/⁰C, as medições de temperatura baseadas em termopares são susceptíveis aos efeitos do ruído. Mostramos a seguir três configurações possíveis para as ligações:

Termopar sem blindagem

Termopar com bainha e junção não aterrada

Termopar com bainha e junção aterrada

Adicionalmente às sugestões de ligação feitas anteriormente, é importante considerar também o isolamento e a protecção contra sobretensões no circuito de medição, especialmente como salvaguarda contra acumulações de cargas e outras sobretensões transitórias em cabos longos.

Termístores

Um forma barata de sensorear a temperatura é utilizar termístores. Um termístor é uma resistência semicondutora termicamente sensível , formada por óxidos de vários metais. O tipo e a composição dos óxidos semicondutores utilizados (manganésio, níquel, cobalto, etc.) depende do valor da resistência e coeficiente de temperatura requeridos.
Os termístores mais utilizados têm um coeficiente de temperatura negativo e têm uma elevada sensibilidade a pequenas mudanças de temperatura, tipicamente 4% / ⁰C.
A sua precisão é cerca de dez vezes maior do que os termopares mas não são tão precisos como os RTDs. Os termístores não são dispositivos lineares e são utilizáveis em gamas de temperaturas de -80 ⁰C a 250 ⁰C. Tendo isso em atenção, os modernos sistemas baseados em microprocessadores (quer PCs quer registadores independentes) podem ser utilizados para aliviar algumas das limitações causadas pela não linearidade, modelando-as com equações quadráticas.
Os termístores apresentam uma elevada resistência, tipicamente 3k, 5k, 6k e 10k a 25 ⁰C, embora valores de cerca de 100 ohm estejam disponíveis. Elevada resistência significa que as resistências dos fios das pontas de prova / sonda, usados para alimentar os termístores, sejam habitualmente negligenciáveis, necessitando-se pois apenas de esquemas de medição a dois fios.
Um dos atractivos dos termístrores é a variada gama de formatos existentes, esferas, discos, varetas, e sondas que podem ser facilmente fabricadas. O seu pequeno tamanho significa que têm uma rápida resposta térmica, mas podem demasiado frágeis quando comparados com os RTDs, que são mais robustos.
Tal como as correntes de alimentação para os RTDs podem causar problemas de autoaquecimento, esse é ainda mais o caso com os termístores devido aos elevados valores das suas resistências.
Os problemas de autoaquecimento podem ser grandemente atenuados com estas medidas:
– Minimização da corrente de alimentção;
– Alimentá-los apenas quando a medida é efectuada;
– Calibração dos erros de estado estacionário. Alguns especialistas dizem que o crescimento da temperatura, em ⁰C, devido ao autoaquecimento pode ser calculado dividindo a potência de dissipação interna proposta por 8 mW.

Exemplo:

Quando o termístor é aquecido pelo aquecedor, a sua resistência baixa, ao fim de poucos segundos. À medida que isso acontece, a corrente começa a fluir do positivo da fonte (9 V) para o negativo. A corrente flui na base do transístor, permitindo que o LED acenda.

A resistência de controlo pode ser subida ou baixada, o que torna o circuito mais ou menos sensível.