A diferença entre termopar, termistor e RTD

               

O conceito de temperatura

Do ponto de vista físico, o calor é uma medida da energia contida no corpo devido ao movimento irregular de suas moléculas ou átomos. Assim como as bolas de tênis têm mais energia com o aumento da velocidade, a energia interna do corpo ou gás aumenta à medida que a temperatura aumenta. A temperatura é uma variável que, juntamente com outros parâmetros, como massa e calor específico, descreve o conteúdo energético do corpo.

A medida básica de temperatura é o grau Kelvin. A 0 ° K (Elvin), todas as moléculas do corpo estão em repouso e não há mais calor. Portanto, não há possibilidade de temperatura negativa porque não há estado de energia mais baixa.

No uso diário, a prática usual é usar centígrados (anteriormente centígrados). Seu ponto zero está no ponto de congelamento da água, que pode ser facilmente reproduzido na prática. Agora, 0 ° C não é de forma alguma a temperatura mais baixa, porque todo mundo sabe por experiência própria. Ao estender a escala centígrada até a temperatura mais baixa na qual todo o movimento molecular para, alcançamos – 273,15 graus.

O homem tem a capacidade de medir a temperatura através de seus sentidos em uma faixa limitada. No entanto, ele não conseguiu reproduzir com precisão as medições quantitativas. A primeira forma de medição quantitativa de temperatura foi desenvolvida em Florença no início do século 17 e contou com a expansão do álcool. A escala é baseada nas temperaturas mais altas no verão e no inverno. Cem anos depois, o astrônomo sueco Celsius o substituiu pelos pontos de fusão e ebulição da água. Isso dá ao termômetro a oportunidade de aumentar e diminuir o zoom a qualquer momento e reproduzir as leituras posteriormente.

Temperatura de medição elétrica

A medição de temperatura é importante em muitas aplicações, como controle de edifícios, processamento de alimentos e fabricação de produtos siderúrgicos e petroquímicos. Essas aplicações muito diferentes requerem sensores de temperatura com diferentes estruturas físicas e geralmente diferentes tecnologias

Em aplicações industriais e comerciais, os pontos de medição geralmente estão longe dos pontos de indicação ou controle. O processamento adicional de medições geralmente é necessário em controladores, gravadores ou computadores. Essas aplicações não são adequadas para indicação direta de termômetros porque os conhecemos do uso diário, mas precisamos converter a temperatura em outra forma de dispositivo, o sinal elétrico. Para fornecer esse sinal elétrico remoto, geralmente é usado RTD. Termistores e termopares.

A RTD adota a característica da resistência do metal que muda com a temperatura. São sensores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) cuja resistência aumenta com a temperatura. Os principais metais utilizados são platina e níquel. Os sensores mais utilizados são RTDS de 100 ohms ou 1000 ohms ou termômetros de resistência de platina.

O RTD é o sensor mais preciso para aplicações industriais e também oferece a melhor estabilidade a longo prazo. O valor representativo da precisão da resistência da platina é + 0,5% da temperatura medida. Após um ano, pode haver uma mudança de + 0,05 ° C com o envelhecimento. Os termômetros de resistência de platina têm uma faixa de temperatura de – 200 a 800 ° C. 

Mudança de resistência com temperatura

A condutividade de um metal depende da mobilidade dos elétrons condutores. Se uma tensão for aplicada à extremidade do fio, os elétrons se movem para o pólo positivo. Defeitos na rede interferem nesse movimento. Eles incluem átomos de rede externos ou ausentes, átomos em limites de grão e entre posições de rede. Como esses locais de falha são independentes da temperatura, eles produzem uma resistência constante. Com o aumento da temperatura, os átomos na rede metálica exibem oscilações aumentadas perto de suas posições estacionárias, dificultando assim o movimento dos elétrons condutores. Como a oscilação aumenta linearmente com a temperatura, o aumento da resistência causado pela oscilação depende diretamente da temperatura.

A platina tem sido amplamente aceita na medição industrial. Suas vantagens incluem estabilidade química, fabricação relativamente fácil (especialmente para fabricação de fios), possibilidade de obtê-lo em forma de alta pureza e propriedades elétricas reprodutíveis. Essas características tornam o sensor de resistência de platina o sensor de temperatura mais amplamente intercambiável.

Os termistores são feitos de alguns óxidos metálicos e sua resistência diminui com o aumento da temperatura. Como a característica de resistência diminui com o aumento da temperatura, ela é chamada de sensor de coeficiente de temperatura negativo (NTC).

Devido à natureza do processo básico, o número de elétrons condutores aumenta exponencialmente com a temperatura; portanto, a característica mostra um forte aumento. Essa não linearidade óbvia é uma desvantagem dos resistores NTC e limita sua faixa de temperatura efetiva a cerca de 100 ° C. Eles podem, é claro, ser linearizados por computadores automatizados. No entanto, a precisão e a linearidade não podem atender aos requisitos de grande extensão de medição. Sua deriva em temperaturas alternadas também é maior do que a do RTD. Seu uso é limitado a aplicações de monitoramento e indicação onde a temperatura não excede 200 ° C. Nesta aplicação simples, eles são realmente superiores aos termopares e RTDs mais caros, considerando seu baixo custo e os circuitos eletrônicos relativamente simples necessários.

A base do termopar é a conexão entre dois metais diferentes, o termistor. A tensão gerada pelo termopar e RTD aumenta com a temperatura. Em comparação com os termômetros de resistência, eles têm um limite superior de temperatura mais alto, com uma vantagem significativa de vários milhares de graus Celsius. Sua estabilidade a longo prazo é ligeiramente ruim (vários graus após um ano) e a precisão da medição é um pouco ruim (média + 0,75% da faixa de medição). Eles são frequentemente usados em fornos, fornos, medição de gases de combustão e outras áreas onde as temperaturas são superiores a 250 ° C.

Efeito termoelétrico

Quando dois metais são conectados juntos, a tensão termoelétrica é produzida devido à diferente energia de ligação de elétrons e íons metálicos. A tensão depende do próprio metal e da temperatura. Para que essa tensão térmica gere corrente, os dois metais devem, é claro, ser conectados na outra extremidade para formar um circuito fechado. Desta forma, uma tensão térmica é gerada na segunda junção. O efeito termoelétrico foi descoberto por Seebeck em 1822. Já em 1828, Becquerel sugeriu o uso de termopar de paládio de platina para medição de temperatura.

Se houver a mesma temperatura em ambas as junções, não há fluxo de corrente porque as pressões parciais geradas nos dois pontos se cancelam. Quando a temperatura na junção é diferente, a tensão gerada é diferente e a corrente flui. Portanto, o termopar só pode medir a diferença de temperatura.

O ponto de medição é uma junção exposta à temperatura medida. A junção de referência é uma junção a uma temperatura conhecida. Como a temperatura conhecida é geralmente menor que a temperatura medida, a junção de referência é geralmente chamada de junção fria. Para calcular a temperatura real do ponto de medição, a temperatura final fria deve ser conhecida.

Instrumentos mais antigos usam caixas de junção de controle termostático para controlar a temperatura da junção fria em valores conhecidos, como 50c. Os instrumentos modernos usam RTD de filme fino na extremidade fria para determinar sua temperatura e calcular a temperatura do ponto de medição.

A tensão produzida pelo efeito termoelétrico é muito pequena e é de apenas alguns microvolts por grau centígrado. Portanto, os termopares normalmente não são usados na faixa de – 30 a + 50 ° C, porque a diferença entre a temperatura da junção de referência e a temperatura da junção de referência é muito pequena para produzir um sinal de não interferência.

Fiação RTD

Em um termômetro de resistência, a resistência varia com a temperatura. Para avaliar o sinal de saída, uma corrente constante passa por ele e a queda de tensão é medida. Para essa queda de tensão, a lei de Ohm é obedecida, v = IR.

A corrente de medição deve ser a menor possível para evitar o aquecimento do sensor. Pode-se considerar que a corrente de medição de 1mA não introduzirá nenhum erro óbvio. A corrente produz uma queda de tensão de 0,1 V em PT 100 a 0 °C. Esta tensão de sinal deve agora ser transmitida através do cabo de conexão para o ponto de indicação ou ponto de avaliação com modificações mínimas. Existem quatro tipos diferentes de circuitos de conexão:

Circuito de 2 fios

Um cabo de 2 núcleos é usado para a conexão entre o termômetro e a eletrônica de avaliação. Como qualquer outro condutor elétrico, o cabo possui uma resistência em série com um termômetro de resistência. Como resultado, os dois resistores são somados e os componentes eletrônicos interpretam isso como um aumento de temperatura. Para distâncias maiores, a resistência da linha pode atingir vários ohms e produzir um deslocamento significativo no valor medido. 

circuito de 3 fios

Para minimizar a influência da resistência da linha e sua flutuação com a temperatura, geralmente é usado um circuito de três fios. Inclui a execução de fios adicionais em um dos contatos do RTD. Isso resulta em dois circuitos de medição, um dos quais é usado como referência. O circuito de 3 fios pode compensar a resistência da linha em termos de número e variação de temperatura. No entanto, todos os três condutores devem ter as mesmas características e ser expostos à mesma temperatura. Isso geralmente é aplicado em uma extensão suficiente para tornar os circuitos de 3 fios o método mais usado atualmente. Nenhum balanceamento de linha é necessário. 

Circuito de 4 fios

A melhor forma de conexão do termômetro de resistência é o circuito de 4 fios. A medição não depende da resistência da linha nem das mudanças induzidas pela temperatura. Nenhum balanceamento de linha é necessário. O termômetro fornece corrente de medição por meio de uma conexão de energia. A queda de tensão na linha de medição é captada pela linha de medição. Se a resistência de entrada de um dispositivo eletrônico for muitas vezes maior que a resistência da linha, esta última pode ser ignorada. A queda de tensão determinada desta forma é independente das características do fio de conexão. Essa técnica geralmente é usada apenas para instrumentos científicos que exigem uma precisão de medição de um centésimo.

transmissor de 2 fios

Ao usar um transmissor de 2 fios em vez de um cabo multifio, o problema de um circuito de 2 fios, conforme descrito acima, pode ser evitado. O transmissor converte o sinal do sensor em um sinal de corrente normalizado de 4-20mA, que é proporcional à temperatura. A fonte de alimentação do transmissor também opera através das mesmas duas conexões, usando uma corrente básica de 4 mA. O transmissor de 2 fios oferece uma vantagem adicional, ou seja, a amplificação do sinal reduz muito o impacto da interferência externa. Existem dois arranjos para posicionar o transmissor. Como a distância entre os sinais não amplificados deve ser a mais curta possível, o amplificador pode ser instalado diretamente no termômetro em seu cabeçote terminal. Esta melhor solução às vezes não é possível devido a razões estruturais ou considerações de que o transmissor pode ser difícil de alcançar em caso de falha. Neste caso, o transmissor montado em trilho é instalado no gabinete de controle. A vantagem do acesso aprimorado é que ele é adquirido ao custo de uma distância maior que o sinal não amplificado deve percorrer.

Fiação do termistor

A resistência de um termistor é geralmente várias ordens de magnitude maior do que a de qualquer fio condutor. Portanto, o efeito da resistência do chumbo nas leituras de temperatura é insignificante, enquanto os termistores são quase sempre conectados em uma configuração de 2 fios.

Fiação do termopar

Ao contrário dos RTDS e termistores, os termopares têm pernas positivas e negativas, portanto, a polaridade deve ser observada. Eles podem ser conectados diretamente ao transmissor local de 2 fios e o fio de cobre pode ser devolvido ao instrumento receptor. Se o instrumento receptor puder aceitar a entrada do termopar diretamente, o mesmo fio do termopar ou fio de extensão do termopar deve ser usado até o instrumento receptor.