Principio de Funcionamento do Pt100
O princípio de medição de temperatura utilizando termômetros de resistência se baseia na variação do valor da resistência elétrica de um condutor metálico em função da temperatura. De uma forma aproximada, mas nem por isso muito longe do real, a variação da resistência elétrica de um metal em função da temperatura pode ser representada pela expressão:
R(t) = R0 (1 + at)
onde:
R(t): Resistência elétrica à temperatura “t”;
R0: Resistência elétrica à temperatura de 0ºC;
a: Coeficiente de variação da resistência elétrica em função da temperatura, medido em ºC;
t: Temperatura, medida em ºC;
Um estudo mais detalhado mostra que o coeficiente “a” varia em função da temperatura, e esse fato deve ser considerado nos termômetros de resistência, principalmente quando os mesmos são utilizados para medição em um intervalo de temperatura acima de 100ºC.
Tipos de materiais utilizados nos sensores de resistência
Dentre os metais, aqueles que se mostraram mais adequados para a utilização na termometria de resistência são:
1 – Liga de Rh99,5% x Fe0,5%:
Utilizado para medição de temperatura na faixa de 0,5K a 25K (-272,65ºC a -248,15ºC);
2 – Cobre:
Utilizado para medição de temperatura na faixa de 193,15K a 533,15K 9 (-80ºC a 260ºC). Possui uma linearidade de 0,1ºC em um intervalo de temperatura de 200ºC. Entretanto, sua baixa resistência à oxidação limita a sua faixa de temperatura de utilização.
3 – Níquel:
Utilizado para medição de temperatura na faixa de 213,15K a 453,15K (-60ºC a 180ºC). Os principais atrativos na sua utilização são seu baixo custo e alta sensibilidade. Sua principal desvantagem é a baixa linearidade.
4 – Platina:
Utilizado para medição de temperatura na faixa de 25K a 1235K (-248ºC a 962ºC). É o metal mais utilizado na construção de termômetros de resistência, pela sua ampla faixa de utilização, boa linearidade e melhor resistência à oxidação. Suas características serão apresentadas com mais detalhes a seguir.
Entre estes materiais, o mais utilizado é a platina, pois apresenta uma ampla escala de temperatura, uma alta resistividade permitindo assim uma maior sensibilidade, um alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura, uma boa linearidade resistência x temperatura e também ter rigidez e ductilidade para ser transformada em fios finos, além de ser obtida em forma puríssima.
Padronizou-se então a termoresistência de platina.
A equação matemática
A equação matemática que rege a variação de resistência em função da temperatura chama-se de equação Callendar-Van Dusen e que está mostrada abaixo:
Para o range de -200 a 0°C:
Rt = RO.[1 + At + Bt2 + Ct3.(t-100)]
Para o range de 0 a 850°C:
Rt = R0.[1 + At + Bt2]
onde:
Rt = resistência na temperatura t
R0 = resistência a 0°C
t = temperatura °C
A, B e C = coeficientes determinados pela calibração:A = 3.90802.10 exp-3 (°C exp-1)
B = -5,802. 10 exp-7 (°C exp-2)
C = -4,27350. 10 exp-12 (°C exp-4)
SENSORES DE TEMPERATURA DO TIPO BULBO DE RESISTÊNCIA
Os métodos de utilização de resistências iniciaram‑se ao redor de 1835, com Faraday, porém só houve condições de se elaborar as mesmas para utilização em processos industriais a partir de 1925.
Acima de tudo sendo a melhor opção esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas condições de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso.
As termoresistências são sensores muito usados nos processos industriais e em laboratórios, por suas condições de alta estabilidade, repetibilidade, resistência à contaminação, pequeno drift em relação ao tempo, menor influência de ruídos e altíssima precisão de leitura. Como exemplo, temos: Industrias alimentícias, químicas, cervejarias, laboratórios, etc.
Por estas características, este sensor é o mais importante no contexto padrão internacional para a medição na faixa de ‑259,3467°C a 961,78°C, segundo a ITS‑90.
Princípio de Funcionamento da Termoresistência de Platina
As termoresistências ou bulbos de resistência ou termómetros de resistência ou RTD são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência ôhmica em função da temperatura. Elas aumentam a resistência com o aumento da temperatura.
Seu elemento sensor consiste de uma resistência em forma de fio de platina de alta pureza, de níquel ou de cobre (menos usado) encapsulado num bulbo de cerâmica ou vidro.
Entre estes materiais, o mais utilizado é a platina, pois apresenta uma ampla escala de temperatura, uma alta resistividade permitindo assim uma maior sensibilidade, um alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura, uma boa linearidade resistência x temperatura e também ter rigidez e dutibilidade para ser transformada em fios finos, além de ser obtida em forma puríssima. Padronizou‑se então a termoresistência de platina.
Equações da Termoresistência de Platina
A equação matemática que rege a variação de resistência em função da temperatura chama‑se de equação Callendar‑Van Dusen e que está mostrada abaixo:
Para o range de ‑200 a 0°C:
Rt = RO.[1 + At + Bt2 + Ct3.(t‑100)]
Para o range de 0 a 850°C:
Rt = R0.[1 + At + Bt2]
onde:
Rt = resistência na temperatura t
R0 = resistência a 0°C
t = temperatura °C
A, B e C = coeficientes determinados pela calibração:
A = 3.90802.10-3 (°C-1)
B = ‑5,802. 10-7 (°C-2)
C = ‑4,27350. 10-12 (°C-4)
O número que expressa a variação da resistência em função da temperatura é chamado de alfa (α) e se relaciona da seguinte forma:
R100 – R0
Existem normalmente dois instrumentos principais para determinar a resistência ôhmica das termoresistências, que são pontes de medição (Ponte de Wheatstone) e os eletrônicos.
Nota: A norma DIN‑IEC 751/85 é a unificação da DIN‑43760/80 com a IEC‑751/83, atendendo também a BS‑1904/84.
α = ————— (Ω.Ω-1.°C-1)
100 – R0
Onde:
R100 = resistência a 100°C
R0 = resistência a 0°C
Um valor típico de alfa para R100 = 138,50 Ω é de 3,850.10-3 Ω.Ω-1.°C-1, segundo a DIN‑IEC 751/85.
Observação: Existe um valor de alfa diferente do anterior que ainda hoje é usado nos USA e Japão, é conhecida como “Curva Americana” ou a antiga JIS 1604‑1981.
Nesta, o valor de R100 é 139,16Ω e portanto o alfa é 3,916. 10-3 Ω.Ω-1.°C-1.
Características Gerais da Termoresistência de Platina
A termoresistência de platina é a mais usada industrialmente devido a sua grande estabilidade e precisão. Esta termoresistência tem sua curva padronizada conforme norma DIN‑IEC 751‑1985 e tem como características uma resistência de 100Ω a 0°C.
Convencionou‑se chamá‑la de Pt‑100, (fios de platina com 100Ω a 0°C).
Sua faixa de trabalho vai de ‑200 a 650°C, porém a ITS‑90 padronizou seu uso até 962°C aproximadamente.
Os limites de erros e outras características das termoresistências são referentes às normas DIN‑IEC 751 /1985.
Limites de Temperatura da Termoresistência de Platina
| Montagem 1: -200°C a 0°C Montagem 2: 0°C a +200°C Montagem 3: 0°C a +300°C Montagem 4: 0°C a +420°C |
a) Bulbo Pt-100 Cerâmico
Faixa de Temperatura: -200 °C a +600 °C
Faixa de Temperatura: 0 °C a +850 °C
b) Bulbo Pt-100 Filme (Platinum thin-film technology)
Faixa de Temperatura: -70 °C a +500 °C
Tipos de Montagens da Termoresistência de Platina
Na montagem convencional com bainha preenchida, tem‑se o sensor montado em um tubo metálico com uma extremidade fechada e preenchido todo os espaços internos 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 isolado entre si; sendo a extremidade aberta, selada com resina epóxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar.
Ainda assim neste tipo de montagem, a termoresistência não apresenta muita resistência mecânica e não dispõe de condições para efetuar curvas, bem como tem limitações relativas ao diâmetro externo e comprimento total.
Para suprir esse problema dimensional, foi desenvolvida a termoresistência isolação mineral, na qual o bulbo sensor é interligado a um cabo isolação mineral com fios de cobre comuns. Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro, não limita o comprimento, apresenta rápida velocidade de resposta e dá uma maior flexibilidade permitindo dobras e curvas do cabo que antes era impossível, podendo ser utilizada onde o acesso não era possível.
Obs.: As montagens com termoresistências são feitas de maneira similar aos termopares quanto ao emprego de acessórios como cabeçotes, tubos e poços, bucins, niples, entre outros.
Definição de Temperatura
A definição de qualquer grandeza deve começar pela definição de grandezas iguais. Após as noções que acabamos de dar é desejável, em primeiro lugar, precisar as condições em que dois corpos terão a mesma temperatura, ou ainda, estarão em equilíbrio térmico.
A observação corrente mostra que, estando um corpo “Quente” e um “Frio” em presença um do outro (em íntimo contato), o primeiro se resfria e o segundo se aquece, ou ainda, que a diferença de temperatura entre os dois corpos diminui com o tempo, como se houvesse tendência para a equalização das temperaturas.
Podemos afirmar que a “temperatura de um sistema é o ponto onde se determina se um sistema está ou não em equilíbrio térmico com outros sistemas”.
Assim, a temperatura de todos os sistemas em equilíbrio térmico pode ser representada por um número estabelecido em uma escala empírica de temperatura.
Baseados neste princípio são construídos os sensores, os quais, em equilíbrio térmico com o meio ou com o corpo que se quer medir, fornecem a indicação da temperatura.
A importância da teoria e dos conceitos
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Termopares são fios metálicos de materiais diferentes que quando soldados e aquecidos neste ponto, observa-se uma carga em milivolts que se apresenta de modo proporcional a temperatura, e assim são elementos que se assemelham a termo pilhas.
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