Como Funcionam Os Sensores de Temperatura

Como funcionam os Sensores de temperatura (ART764)

A escolha de um sensor de temperatura para uma aplicao envolve a considerao de diversos fatores, que se mal avaliados podem levar a resultados inesperados e at mesmo desastrosos num

projeto. Que tipo de sensor usar e como comparar as caractersticas dos diversos tipos existentes o que veremos nesse artigo.

A medida de temperatura no to simples como muitos podem pensar a uma primeira vista. O simples fato dessa medida ser constituda por um simples valor analgico (que eventualmente deve

ser convertido para a forma digital), no tira a importncia de diversos fatores que podem afetar sua preciso.

De fato, a taxa de repetio com ela deve ser feita pode ser afetada por fatores como a massa trmica

(inrcia trmica), tempo necessrio medida, rudos, alm do uso correto dos algoritmos que vo ser usados no seu processamento.

Isso significa que o projetista precisa tomar muitos cuidados com a escolha do sensor apropriado, conforme a aplicao. Uma escolha correta lhe garante a medida precisa, na faixa de temperaturas desejada e no ambiente em que o sistema deve operar.

Tipos de Transdutores

Os transdutores convertem uma grandeza em outra, no nosso caso uma temperatura num sinal eltrico

que pode ser uma corrente ou uma tenso. Os transdutores podem ento ser usados como sensores na medio ou controle de temperaturas.

Existem quatro tipos de transdutores principais usados na medida e controle de temperaturas:

* RTDs (resistance temperature detectors)

* Termistores

* CI Sensores

* Pares termoeltricos

Analisemos o funcionamento de cada um deles para que possamos ter uma idia das suas limitaes,

vantagens e principais reas de aplicao.

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19/04/2014http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/6097-art764?tmpl=compone...

a) RTDs

Os RTDs ou Resistance Temperature Detectors so dispositivos que se baseiam na variao da resistividade de um material com a temperatura. Os tipos principais, de maior qualidade, usam a

platina como material sensor, a qual apresenta as medidas mais estveis para temperaturas at uns 500 C.

Tipos mais baratos usando nquel ou ligas de nquel tambm podem ser encontrados no mercado, mas no so to estveis como os tipos de platina.

A principal desvantagem desse tipo de sensor est no fato de que ele funciona com uma corrente de

medida que o atravessa. Essa corrente pode provocar o auto-aquecimento do sensor, dando assim uma falsa indicao da temperatura que deve ser medida.

Uma outra desvantagem est no fato de que o fio sensor, por ser muito curto, apresenta uma resistncia muito baixa, o que dificulta a elaborao dos circuitos que devem medir as variaes da corrente que ocorre. Essa resistncia muito baixa tambm faz com que a prpria resistncia dos cabos

de conexo do sensor passem a apresentar uma certa influncia no circuito de medida.

Conforme mostra a figura 1, por exemplo, se uma interface de dois fios for usado com esse tipo de

sensor, a prpria resistncia dos cabos ser somada do sensor, afetando assim a medida.

Uma maneira de se evitar esse problema consiste em se usar a tcnica de interfaceamento por quatro fios, conforme mostra a figura 2.



Com essa tcnica mede-se efetivamente a resistncia entre os terminais do sensor, a qual no afetada pela resistncia dos fios de conexo.

Na figura 3 temos uma terceira forma de se fazer a conexo desse tipo de sensor usando um cabo de

trs condutores. Nessa conexo tambm evita-se a influncia da resistncia do cabo.

Na foto, RTDs da Honeywell.

b) Termistores

Da mesma forma que os RTDs, os termistores so dispositivos cuja resistncia depende da temperatura. No entanto, eles so fabricados com materiais cermicos semicondutores, o que

significam que apresentam uma resistncia muito mais alta.

Os termistores, alm disso, apresentam um volume muito pequeno, o que significa uma baixa capacidade trmica que se traduz em maior prontido e menor possibilidade de afetar a temperatura

do corpo que est sendo medido.

A desvantagem maior do componente, tambm est nessa baixa massa trmica que faz com que uma

corrente maior de medida afete sua temperatura.



Tambm uma desvantagem a ser considerada sua baixa linearidade que exige dos circuitos o emprego de algoritmos que faam a correo.

c) CIs Sensores

A grande vantagem dos circuitos integrados projetados para operar como sensores de temperatura

que eles j possuem recursos que permitem obter uma resposta linear.

Alm disso, j possuem circuitos de sada capazes de fornecer sinais intensos, com caractersticas que os circuitos usados normalmente podem operar.

No entanto, a maior dificuldade que o nmero de componentes disponveis pequeno, assim como as configuraes e faixas de temperatura. Os sensores, alm disso, precisam de uma fonte de

alimentao externa, o que os torna tambm sensveis ao prprio aquecimento dado pela corrente de operao. Isso faz com que erros sejam introduzidos.

Tambm uma desvantagem a ser considerada o tamanho desses dispositivos o que significa uma

capacidade trmica capaz de limitar a prontido e tambm afetar a temperatura do corpo que est sendo medido.

A tendncia atual da indstria cada vez mais fornecer sensores "espertos" (smart) com eletrnica embutida de tal forma a dotar o dispositivo de inteligncia. Com isso esses dispositivos teriam maior facilidade em fornecer a informao correta para a computao e tambm da forma mais apropriada

aos meios de transmisso usados.

Em suma, os sensores desse tipo vo incluir todo o sistema de aquisio de dados, eventualmente com recursos para multiplexao ou operao conjunta com diversos sensores do mesmo tipo, de maneira

sincronizada.

LM35 - Um CI sensor de temperatura bastante popular da National Semiconductor.



Sensor de Temperatura da Texas Instruments com interfaceamento direto com CPU

d) Pares termoeltricos

Os pares termoeltricos consistem em uma famlia especial de sensores de temperatura que, por suas caractersticas podem ser considerados como pertencente a um ramo separado da categoria.

De fato, alm de sua robustez, eles so indicados para a medida de temperaturas muito mais altas do que as que podem ser alcanadas com todos os outros sensores que vimos at agora.

O princpio de funcionamento j bem conhecido dos leitores: dois metais diferentes que formam

uma juno e que estejam submetidos temperaturas diferentes, geram uma tenso proporcional essa diferena de temperatura, conforme mostra a figura 4.



Como eles geram tenso a partir da temperatura medida, eles no precisam de fonte de alimentao e

alm disso, sua tecnologia simples permite sua fabricao a um custo bastante acessvel.

Para que possamos entender suas limitaes e vantagens, devemos partir do fato de que eles operam pela teoria dos gradientes, conforme mostra a figura 5.

Se um fio for aquecido, a tenso que aparece em suas extremidades funo do gradiente de temperatura de um extremo a outro. Da mesma forma, se dois fios de metais diferentes formarem uma juno, conforme mostra a figura 6 a tenso gerada depende da temperatura, a qual proporcional ao

coeficiente de Seebeck.

Nesse ponto j nos deparamos com uma diferena importante de comportamento para esse tipo de

sensor. Diferente dos demais que medem temperaturas absolutas, o termopar ou par termoeltrico mede diferenas de temperatura. Alm disso, temos a prpria influncia dos circuitos em que eles so ligados.

Tomemos como exemplo um par do tipo J, formado por ferro e constatam, conforme mostra a figura 6.



Na condio ideal a tenso gerada depende da temperatura, mas no momento em que ligamos esse

sensor a um circuito formado por fios de cobre, conforme mostra a figura 7, criamos outros pares termoeltricos virtuais que geram novas tenses.

Isso significa que esse circuito, na realidade, est medindo trs temperaturas desconhecidas.

Uma forma de se contornar esse problema mostrada na figura 8, onde ligamos um segundo par termoeltrico em oposio e que esteja numa temperatura conhecida.

Dessa forma, mantendo o par de referncia numa temperatura conhecida, podemos cancelar os efeitos

das junes cobre/ferro nos pontos de conexo aos circuitos externos. Na prtica, as temperaturas de referncia mais usadas podem ser o ponto de fuso do gelo ou ebulio da gua, que podem ser obtidas com facilidade. No entanto, no se trata de uma soluo muito prtica.

Para se evitar a necessidade dessa referncia externa, uma forma simples de se ter boa preciso no uso de termopares consiste em se adicionar um sensor de temperatura absoluta como um RTD e usar seu sinal para compensar o sinal de forma matemtica.

Pares termoeltricos da Omron



Aspectos Finais

Qualquer que sejam os sensores usados numa aplicao existem entretanto, fatores comuns que

devem ser levados em conta para se obter uma medida precisa da temperatura. Os rudos, por exemplo, so especialmente importantes quando se usam os pares termoeltricos.

Vejamos quais so os principais rudos que afetam as medidas de temperatura e como eles ocorrem;

a) Rudo em modo comum

Esse tipo de rudo normalmente ocorre devido a realimentao pela linha de terra em pares termoeltricos, j que na maioria das aplicaes, o terminal de terra do sensor sua prpria carcaa

que ligada ao corpo da mquina ou equipamento em que ele funciona.

Como a corrente flui tanto pelo terminal aterrado como pelo terminal vivo, os efeitos que ela causa podem se somar no circuito processador causando grandes erros.

Para evitar esse tipo de problema o sistema de aquisio de dados preferivelmente deve ser de alta impedncia em relao a terra, devendo ter uma boa especificao de rejeio em modo comum. O isolamento do sensor em relao terra tambm pode ajudar a eliminar esse problema.

b) Rudo no modo normal

Uma das possveis fontes para esse rudo a induo de correntes nos cabos do sensor devido a campos magnticos existentes no seu percurso. Isso ocorre quando o cabo do sensor tem grandes extenses prximas de cabos de altas intensidades de corrente.

O rudo em modo normal pode ser reduzido ou eliminado encurtando-se os cabos do sensor ou usando cabos tranados. Tambm devemos afastar os cabos dos sensores de cabos de altas correntes.

c) Rudo eletrosttico

Esse tipo de rudo pode ser causado por partes mveis de uma mquina que geram cargas estticas

intensas. Essas cargas podem provocar descargas nos dispositivos sensores com a produo de pulsos de transientes. Esse tipo de rudo pode ser eliminado como uso de cabos blindados.



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