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 à medida que a velocidade aumenta, 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 de energia do corpo.

A medida básica de temperatura é o grau Kelvin. A 0 ° K (Kelvin), todas as moléculas no corpo estão em repouso e não há mais calor. Portanto, não há possibilidade de temperatura negativa porque não existe um estado de energia menor.

No uso diário, a prática comum é usar centígrados (anteriormente chamado de centígrado). Seu ponto zero está no ponto de congelamento da água, que pode ser facilmente reproduzido na prática. Agora, 0 °C de forma alguma é a temperatura mais baixa, pois todos sabem por experiência. Ao estender a escala centígrada até a temperatura mais baixa, na qual todo o movimento molecular para, chegamos a –273,15 graus.

O ser humano tem a capacidade de medir temperatura através dos sentidos em uma faixa limitada. No entanto, ele não conseguia reproduzir medições quantitativas com precisão. A primeira forma de medição quantitativa de temperatura foi desenvolvida em Florença no início do século 17 e baseava-se na expansão do álcool. A escala era baseada nas temperaturas máximas do verão e do inverno. Cem anos depois, o astrônomo sueco Celsius a substituiu pelos pontos de fusão e ebulição da água. Isso dá ao termômetro a oportunidade de ampliar ou reduzir a qualquer momento e reproduzir as leituras posteriormente.

Medida de temperatura elétrica

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

Em aplicações industriais e comerciais, os pontos de medição geralmente estão longe dos pontos de indicação ou controle. Um processamento adicional das medições geralmente é necessário em controladores, gravadores ou computadores. Essas aplicações não são adequadas para a indicação direta de termômetros como os conhecemos no uso cotidiano, mas é necessário converter a temperatura em outra forma de dispositivo, o sinal elétrico. Para fornecer esse sinal elétrico à distância, normalmente é usado RTD. Termistores e termopares também são utilizados.

Os RTD adotam a característica da resistência metálica que muda com a temperatura. Eles são sensores de coeficiente de temperatura positivo (PTC), cuja resistência aumenta com a temperatura. Os principais metais utilizados são o platina e o níquel. Os sensores mais amplamente utilizados são os 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 de longo prazo. O valor representativo de precisão da resistência de platina é + 0,5% da temperatura medida. Após um ano, pode haver uma alteração de + 0,05 °C devido ao envelhecimento. Os termômetros de resistência de platina têm uma faixa de temperatura de – 200 a 800 °C.

Mudança de resistência com a temperatura

A condutividade de um metal depende da mobilidade dos elétrons condutores. Se uma voltagem for aplicada à extremidade do fio, os elétrons se movem em direção ao polo positivo. Defeitos na rede cristalina interferem nesse movimento. Eles incluem átomos externos ou ausentes na rede, átomos nas bordas de grão e entre posições da rede. Como esses locais de defeito são independentes da temperatura, eles produzem uma resistência constante. Com o aumento da temperatura, os átomos na rede metálica exibem oscilações aumentadas próximas às suas posições estacionárias, assim dificultando o movimento dos elétrons condutores. Como a oscilação aumenta linearmente com a temperatura, o aumento de resistência causado pelas oscilações depende diretamente da temperatura.

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

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, ele é chamado 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 aumento acentuado. Essa evidente não-linearidade é uma desvantagem dos resistores NTC e limita sua faixa de temperatura eficaz a aproximadamente 100 °C. Eles podem, é claro, ser linearizados por computadores automatizados. No entanto, a precisão e a linearidade não conseguem atender aos requisitos de grande extensão de medição. Sua deriva em temperaturas alternadas também é maior do que a dos RTDs. Seu uso é limitado a aplicações de monitoramento e indicação onde a temperatura não excede 200 °C. Nesta aplicação simples, eles são na verdade superiores aos mais caros termopares e RTDs, considerando seu baixo custo e os circuitos eletrônicos relativamente simples necessários.

A base do termopar é a conexão entre dois metais diferentes, termistor. A tensão gerada pelo termopar e pelo 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 de longo prazo é ligeiramente inferior (alguns graus após um ano), e a precisão de medição é ligeiramente inferior (em média + 0,75% do intervalo de medição). Eles são frequentemente usados em fornos, fornalhas, medição de gases de exaustão e outras áreas onde as temperaturas são superiores a 250 °C.

Efeito termelétrico

Quando dois metais são conectados, uma tensão termoelétrica é produzida devido à diferença na energia de ligação dos elétrons e íons metálicos. A tensão depende do metal em si e da temperatura. Para que essa tensão térmica gere corrente, os dois metais devem, é claro, estar conectados na outra extremidade para formar um circuito fechado. Dessa 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 termopares de platina e paládio para medição de temperatura.

Se a temperatura nas duas junções for a mesma, não haverá fluxo de corrente porque as pressões parciais geradas nos dois pontos se anulam mutuamente. Quando a temperatura na junção é diferente, a tensão gerada também é diferente e a corrente flui. Portanto, o termopar só pode medir a diferença de temperatura.

O ponto de medição é uma junta exposta à temperatura medida. A junta de referência é uma junta em uma temperatura conhecida. Como a temperatura conhecida geralmente é mais baixa do que a temperatura medida, a junta de referência geralmente é chamada de junta fria. Para calcular a temperatura real do ponto de medição, a temperatura da extremidade fria deve ser conhecida.

Instrumentos antigos usam caixas de controle termostático de junta para controlar a temperatura da junta fria em valores conhecidos, como 50°C. Instrumentos modernos utilizam 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 Celsius. Portanto, termopares normalmente não são usados no intervalo de –30 a +50 °C, pois a diferença entre a temperatura da junta de referência e a temperatura da junta fria é muito pequena para produzir um sinal não interferente.

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 tão pequena quanto 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 0,1V no PT 100 a 0 ℃. Este sinal de tensão deve agora ser transmitido pelo cabo de conexão até o ponto de indicação ou avaliação com modificação mínima. Existem quatro tipos diferentes de circuitos de conexão:

circuito de 2 fios

Um cabo de 2 condutores é usado para a conexão entre o termômetro e a eletrônica de avaliação. Assim como qualquer outro condutor elétrico, o cabo possui uma resistência em série com o termômetro de resistência. Como resultado, as duas resistências são somadas e a eletrônica interpreta isso como um aumento de temperatura. Para distâncias maiores, a resistência do cabo 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 variação com a temperatura, geralmente é usado um circuito de três fios. Ele inclui a instalação 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 sua magnitude e variação de temperatura. No entanto, todos os três condutores devem ter as mesmas características e estar expostos à mesma temperatura. Isso é normalmente aplicado de forma suficiente para tornar os circuitos de 3 fios o método mais amplamente utilizado hoje. Não é necessário balanceamento de linha.

circuito de 4 fios

A melhor forma de conexão de um termômetro de resistência é o circuito de 4 fios. A medição não depende nem da resistência da linha nem das mudanças induzidas pela temperatura. Não é necessário balanceamento de linha. O termômetro fornece corrente de medição por meio de uma conexão de alimentação. 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, a última pode ser ignorada. A queda de tensão determinada dessa maneira é independente das características do fio de conexão. Essa técnica geralmente é usada apenas para instrumentos científicos que exigem uma precisão de medida de centésimos.

transmissor de 2 fios

Ao usar um transmissor de 2 fios em vez de um cabo com múltiplos fios, o problema de um circuito de 2 fios, como 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 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: a amplificação do sinal reduz consideravelmente o impacto de interferências externas. Existem duas configurações para posicionar o transmissor. Como a distância entre sinais não amplificados deve ser tão curta quanto possível, o amplificador pode ser instalado diretamente no termômetro, em sua cabeça terminal. Essa melhor solução nem sempre é possível devido a razões estruturais ou considerações de que o transmissor pode ser difícil de acessar em caso de falha. Nesse caso, o transmissor montado em trilho é instalado no painel de controle. A vantagem de um acesso melhorado é comprada 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 de ligação. Portanto, o efeito da resistência do fio na leitura de temperatura é negligenciável, enquanto os termistores são quase sempre conectados em uma configuração de 2 fios.

Fiação do termopar

Ao contrário de RTDs e termistores, os termopares possuem pernas positivas e negativas, então a polaridade deve ser observada. Eles podem ser conectados diretamente ao transmissor local de 2 fios e o fio de cobre pode ser levado de volta ao instrumento receptor. Se o instrumento receptor puder aceitar entrada direta de termopar, o mesmo fio de termopar ou fio de extensão de termopar deve ser usado até o instrumento receptor.