Sensores e Condicionamento de Sinais

CursoIE763

Sensores e condicionamento de Sinais

Departamento de Eletrnica e Microeletrnica - Demic Prof.: Elnatan Chagas Ferreira Fone: 2397500 e-mail: [email protected] Homepage: Http://www.demic.fee.unicamp/~elnatan

Curso IE-763 Sensores e condicionamento de Sinais

Sensores e Condicionamento de Sinais

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ndice

Pag.Prefcio1) Sensores Trmicos 1.1) Introduo........................................................................................... 1.2) Definio de temperatura................................................................... 1.2.1) Energia Trmica...................................................................... 1.2.2) Temperatura........................................................................... 1.3) Sensores Resistivos............................................................................ 1.3.1) Detetores RTD......................................................................... 1.3.2) Termistores.............................................................................. 1.4) Termopares........................................................................................ 1.5) Outros Sensores Trmicos.................................................................. 1.6) Sumrio 1.7) Sites relacionados 2) Sensores Mecnicos 2.1) Introduo.............................................................................................. 2.2) Sensores de deslocamento e de posio.................................................. 2.2.1) Potenciomtrico......................................................................... 2.2.2) Capacitivo................................................................................. 2.2.3) Indutivo..................................................................................... 2.2.4) Relutncia varivel.................................................................... 2.3) Sensor de Nvel...................................................................................... 2.4) Sensores de Tenso................................................................................ * 2.5) Sensores de Movimento......................................................................... * 2.6) Sensores de Presso................................................................................ 2.7) Sites relacionados .................................................................................... 3) Sensores pticos 3.1) Introduo............................................................................................ 3.2) Fundamentos da Radiao.................................................................... 3.2.1) Natureza da Radiao eletromagntica ...................................


3

3.3) Sensores pticos................................................................................... 3.3.1) Caractersticas e Classificao dos Detetores de radiao....... 3.4) Sites relacionados 4) Condicionamento de Sinais Analgicos 4.1) Introduo........................................................................................... 4.2) Princpios de condicionamento de sinais analgicos............................. 4.3) Consideraes sobre amplificadores operacionais - Tecnologias.......... 4.3.1) Tecnologia Bipolar ................................................................ 4.3.2) Tecnologia Bifet ................................................................... 4.3.3) Tecnologia CMOS ................................................................ 4.3.4) Macro modelos de dispositivos e Simulaes ........................ 4.4) Aplicaes DC ................................................................................... 4.4.1) Projeto de preciso DC .......................................................... 4.4.2) Range dinmico e Bits de preciso ..................................... 4.4.3) Alguns exemplos de projeto DC............................................. 4.5) Aplicaes AC ................................................................................... 4.5.1) Projeto de preciso AC ......................................................... 4.5.2) Range dinmico e Bits de preciso ..................................... 4.5.3) Consideraes sobre rudo .................................................... 4.5.4) Alguns exemplos de projeto AC............................................. 5) Converso de dados 5.1) Introduo.......................................................................................... 5.2) Selecionando um AD para o seu sistema.............................................. 5.3) Projetando com converso de dados.................................................... 5.3.1) Funo de transferncia ideal................................................. 5.3.2) Fontes de erros estticos........................................................ 5.3.3) Erro de abertura..................................................................... 5.3.4) Efeitos de quantizao........................................................... 5.3.5) Amostragem ideal.................................................................. 5.3.6) Amostragem real.................................................................... 5.3.7) Efeitos de `aliasing`............................................................... 6) Transmisso de Dados 6.1) Introduo ............................................................................................... 6.2) Interface RS-232....................................................................................... 6.3) Interface RS-485.........................................................................................


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6.4) Interface GPIB............................................................................................

Bibliografia:I. "Instrumentation for Enginnnering Measuments", 2 Edio, Jmaes W. Dallly, William F. Riley e Kenneth G. Mc.Connell, Jonh Wiley & Sons, Inc. New York, 1993; II. "Process Control Instrumentation Technology", 4 Edio, Curtis Jonhson, Prentice Hall Career & Technology, New Jersey, 1993; III. "Tranducers in Measurements and Control", Peter H. Sydenham, (ISA) Instrument Society of America, North Carolina, 1978; IV. "Interface Sensors to IBM PC", Willis, J. tompkins, Jonh G. Webster, Prentice Hall, New Jersey, 1988; V. "Sensors", Vol. 1, Vol. 4 Vol.6 e Vol. 7, Editados por W. Gpel, J. Hesse, J. N. Zemel, VCH; VI. "Tranducers for biomedical Measuments", Cobbold, R. S. C. , Wiley Interscience, 1976. VII. Data sheet de componentes . VIII. Data Book de fabricantes.


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Prefcio


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1) Sensores Trmicos1.1) IntroduoO Controle de Processo o termo utilizado para descrever qualquer condio, natural ou artificial, pelo qual uma quantidade fsica regulada. No existe uma evidencia maior de tais controles de aquela associadas com temperatura e outros fenmenos trmicos. A regulaco ou o controle de temperatura no meio industrial tem sempre sido de fundamental importncia e se tornado ainda mais com o avano da tecnologia disponvel. Nas sees que seguem ns procuramos esclarecer os princpios da energia trmica e temperatura e logo adiante apresentaremos vrios sensores trmicos para medida de temperatura.

1.2) Definio de temperaturaAs materiais presentes na natureza so constitudos de agrupamentos de tomos. Cada um dos 92 elementos naturais da natureza representado por um tipo particular de tomo. Os materiais que nos rodeiam normalmente no so puro, mais sim uma combinao de vrios elementos que forma uma molcula. Assim, por exemplo, o hlio um elemento natural composto de um tipo particular de tomo; a gua, por outro lado, composta de molcula cada molcula consistindo de dois tomos de hidrognio e um de oxignio. Na anlise das interaes destas molcula necessrios olhar sob o ponto de vista do estados da materiais: slido, lquido e gasoso.

1.2.1) Energia Trmica Slido Em qualquer material slido, os tomos ou as molculas esto fortemente ligado uns com os outros, de maneira que estes so incapazes de move-se ou afasta-se de sua posies de equilbrio. Cada tomo, entretanto capaz de vibrar em torno de sua posio particular. O conceito de energia trmica considerado pela vibrao das molculas. Considere um material particular no qual as molculas no apresentam nenhum movimento; isto , as molculas esto em repouso. Tais materiais possuem energia trmica (Wter =0) nula. Se ns adicionarmos energia para este material colocando-o num aquecedor, esta energia faz com que suas molculas comecem a vibrar. Ns dizemos agora que este material tem alguma energia trmica (Wter > 0). Liquido Se mais e mais energia adicionada ao material, as vibraes se tornam, mais e mais violenta quando a energia trmica aumenta. Finalmente, quando uma certa condio alcanada onde as ligaes que mantm as molculas juntas se quebram e esta se movem ao longo do material. Quando isto ocorre, ns dizemos que o material fundiu e tornou-se lquido. Agora, embora as molculas mantm atraes mtuas, a energia trmica suficiente para mover-lhas de


7

formas randnicas ao longo do material, e a velocidade com que se movem a medida da energia trmica. Gs Um posterior aumento na energia trmica do material intensifica a velocidade das molculas at que finalmente estas ganham energia suficiente para conseguir escapar complemente da atrao das outras molculas. Esta condio manifestada pela ebulio do lquido. Quando um material consistido de tais molculas movendo randnicamente atravs de um volume contido, ns chamamos este material de gs. A velocidade mdia das molculas novamente a medida da energia trmica do gs. objetivo dos sensores trmicos esta associado com a medida da energia trmica do material ou de um ambiente contendo diferentes materiais.

1.2.2) TemperaturaA medida da energia trmica mdia por molcula de um material, expressa em joules, poderia ser usada para definir energia trmica; mas isto no tradicionalmente feito. Ao invs disso um conjunto especial de unidade , cujas origem esto contida na histria de medidas de energia trmica, empregado para definir a energia trmica de um material. Ns escolhemos as trs mais comuns unidade. Ao diferentes conjuntos de unidades so chamados de escalas de temperatura. Calibrao Para definir as escalas de temperatura, um conjunto de pontos de calibrao utilizado; para isto, a energia trmica mdia por molcula definida atravs da condio de equilbrio existente entre os estados slido, lquido e gasoso de vrios materiais puros da natureza. Alguns destes pontos de calibrao padro so:

1. 2. 3. 4.

Oxignio: equilbrio lquido/gs gua: equilbrio slido/lquido gua: equilbrio lquido/gs Ouro: equilbrio slido/lquido

Escalas de temperatura absoluta Uma escala de temperatura absoluta aquela que associa um zero a unidade de temperatura para um material que no tenha energia trmica. A escala kelvin em kelvin (K) a mais comumente utilizada (fala-se kelvin e no grau kelvin). A tabela 1.1 mostra os valores de temperatura em kelvin de vrios pontos de calibrao.


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Tabela 1.1 pontos de calibrao de escalas de temperaturas

Pontos de calibrao Energia trmica zero Oxignio: lquido/gs gua: slido/lquido gua: lquido/gs Ouro: slido/lquido K 0 90,18 273,15 373,15 1336,15

Temperatura F -459,6 -297,3 32 212 1945,5 C -273,15 -182,97 0 100 1063

Escala de temperatura relativa As escalas de temperatura relativas diferem da escalas absoluta apenas no deslocamento do zero. Assim quando estas escalas indicam um zero na temperatura, no significa zero na energia trmica do material. Estas duas escalas so Celsius e Fahrenheit com as temperatura indicadas por C e F respectivamente. A tabela 1.1 mostra vrios pontos de calibrao desta escalas. A quantidade de energia representada por 1C a mesma que 1K, apenas com o zero deslocado na escala Celsius, de modo que

T(C) = T(K) - 273,15

(1)

Para transformar Celsius em Fahrenheit, utilizamos a expresso abaixo

T(F) = 9/5 T(C) + 32

(2)


9

1.3) Sensores ResistivosUma dos mtodos principais para medida eltrica de temperatura explora a mudana da resistncia eltrica de certos tipos de materiais. Neste caso, principio da tcnica de medida consiste em colocar o dispositivo sensvel a temperatura em contato com o ambiente no qual se deseja medir a temperatura. Assim, a medida de sua resistncia indica a temperatura do dispositivo e conseqetemente do ambiente. O tempo de resposta neste caso importante porque necessrio que o dispositivo atinja o equilbrio trmico com o ambiente. Dois dispositivos bsicos usados so: 1. Detetor RTD ( do ingls, resistance-temperature detector) 2. Termistores

1.3.1) Detetor RTDOs RTD so simples elementos resistivos formados de materiais como platina, nquel, ou uma liga nquel-cobre. Estes materiais exibem um coeficiente de resistividade positivo e so usados em RTDs porque so estvel e apresentam uma resposta a temperatura reprodutvel por longo tempo. Um RTD tpico exibe uma caracterstica resistncia x temperatura dado pela expresso: R = R0 ( 1 + 1 T + 2 T2 + ... + N TN )

(1.3)

onde

1 , 2 , ... N = so os coeficientes de resistividade de temperatura R0 = a resistncia do sensor na temperatura T0. (normalmente T0 = 0C)

o nmero de termos relacionado na equao 1.3) para qualquer aplicao depende do material usado no sensor, do intervalo de temperatura, e da preciso desejada na medida. As caracterstica de dependncia resistncia x temperatura para platina, nquel e cobre mostrada na figura 1.1. Para um intervalo pequeno de temperatura, a equao 1.3) adquire uma forma linear expressa por

R/R0 = 1 (T - T0)

(1.4)

Sensores e Condicionamento de Sinais 10

8

R e s 6 i s t 4 n c i a 2 R/R00 -200 0

Nquel

Cobre

Platina

200

400

600

800

1000

Temperatura (C)

Figura 1.1 Caractersticas resistncia x temperatura para nquel, cobre e platina

Se uma preciso maior exigida uma aproximao de segunda ordem necessria, de maneira que a equao 1.3 torna-se R = R0 ( 1 + 1 T + 2 T2)

(1.5)

A equao acima mais complicada de trabalhar, mas fornece uma maior preciso para maiores intervalos de temperaturas . Os elementos sensvel disponveis so muitos variados. Um dos sensores bastante utilizado consiste de fio de platina com pureza 4 noves (99,99) envolto sob um invlucro de cermica e hermeticamente selado em uma capsula de cermica. O sensor de platina utilizado pela sua preciso. Ele resiste a corroso e contaminao, e sua propriedades mecnicas e eltricas so estvel por um longo perodo. O drift normalmente menor 0.1C quando so utilizados no seu limite superior de temperatura. Os RDT de platina so construdos com tecnologia de filmes espessos ou filmes finos . Este filmes so depositados em um substrato fino e plano de cermica e encapsulados com vidro ou cermica. Ambos estes mtodos de fabricao de filmes finos permite que a resistncia (tpica 100 Ohms) do sensor com uma pequena massa e volume. Como resultado, o tempo de resposta de um RDT de filme seja reduzida de forma aprecivel, como mostra a figura 1.2).


100

75

Filme fino

50

Fio

25

0 0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2

Tempo de Resposta (s)

Figura 1.2 Tempo de resposta para RDTs de fio e de filme fino.

Fontes de errosOs erros comumentes encontrados quando os RTD so utilizados para medida de temperatura so: 1) 2) 3) 4) Efeitos dos fios de ligao; Estabilidade; Auto aquecimento e, Sensibilidade a presso.

1) Efeitos dos fios podem ser minimizados fazendo os fios de ligao to curtos quanto possveis. Uma regra prtica usar uma fio de ligao que apresente uma resistncia menor do 1 por cento da resistncia do sensor. O efeito da resistncia dos fios de ligao aparecia como um offset e uma reduo na sensibilidade. Os erros causados pela variao das resistncia dos fios de ligao por temperatura devem e podem ser eliminados por arranjo adequado do circuito condicionador.

Exerccio:

Sensores e Condicionamento de Sinais 12 1) Afim de eliminar erros causados pelo fio de ligao de um sensor RTD, sugira um ou mais arranjos na forma de ponte de Wheatstone de forma a minimizar estes erros. 2) A estabilidade do sensor pode se tornar uma fonte de erro quando o limite superior de temperatura suportado pelo o sensor excedida ou por acidente ou por erro de projeto. Sempre que o limite superior de temperatura for excedido , nova medidas de temperatura devem ser repetidas at que uma leitura repetitvel for obtida. 3) Erro devido ao auto aquecimento so produzido quando a voltagem ou a corrente de excitao so usada no condicionamento do sinal. Normalmente no existe razo para excitao com altos valores, desde que um RTD produz uma alto sada (um valor tpico cerca de 1mV/(V.C) para um RDT de platina). O auto aquecimento ocorre por causa da potncia dissipada no sensor. Esta potncia PT e dada pela expresso PT = i2 RT

(1.6)

Por exemplo, a potncia dissipada por um RDT em uma ponte de Wheatstone com resistncia iguais a RT, excitada com uma voltagem VS PT = V2S /4RT

(1.7)

aumento da temperatura

TS necessrio para dissipar PT

TS = FS PT

(1.8)

onde FS o fator de auto aquecimento (C/mW).

Exerccio: O fabricante de um sensor RTD de fio de platina fornece no data sheet um fator de auto aquecimento igual a 0.5 C/mW no ar. Se este sensor (RT = 100Ohms) for utilizado em uma ponte de quatro braos iguais com uma fonte de alimentao de 1V, qual o erro na medida da temperatura causada pelo o auto aquecimento.

Estes erros pode ser minimizados limitando-se a dissipao de potncia no sensor para menos de 2mW. 4) Os sensores RDT so sensvel s presses aplicada sobre os mesmos. Felizmente, a sensibilidade a tenses pequena quando comparada com a sensibilidade temperatura. A menos que os sensores sejam submetido a forte presses, esta fonte de erro pode ser ignorada.


1.3.2) TermistoresOs termistores so resistores sensvel a temperatura fabricados de material semicondutor, tais como xido de nquel, cobalto, ou magnsio e sulfeto de ferro, alumnio ou cobre. xido semicondutores, diferente dos metais, pode exibe uma resistncia que decresce com a temperatura, so os chamados NTC (do ingls, negative temperature coeficiente). A relao para um termistor deste disso pode ser expressa por ln (R/R0) = (1/T- 1/T0) ou

(1.9)

R = R0exp[(1/T- 1/T0)]

(1.10)

onde R a resistncia do termistor na temperatura T R0 a resistncia do termistor na temperatura T0 a constante do material (3000 - 5000 K)

A sensibilidade S do termistor obtida da equao (1.10) como S = R/(R.T) = -/T2

(1.11)

Para = 4000 K e T = 298 K, a sensibilidade igual a -0.045/K, que cerca de uma ordem de grandeza maior do que a sensibilidade de um sensor RDT de platina (S=0.0035/K). A equao (1.10) indica que a resistncia R de um termistor decresce exponencialmente com a temperatura. Uma curva de resposta tpica de um termistor mostrada na figura (1.3). Desde que a sada do termistor no linear, uma medida precisa de temperatura deve ser feita usando uma tabela de calibrao. Esta linearidade pode ser melhorada pelo uso de circuito linearizadores com, por exemplo um resistor em srie no caso de um termistor PTC, ou em paralelo para o NTC. O intervalo de medida de temperatura com termistores na prtica esta limitado a 100C, devido a estabilidade pobre do sensor quando submetido a altas temperaturas. A preciso na medida depende da tcnica empregada para medida de R/R e a calibrao do sensor. Com o uso de uma tcnica apropriada, temperaturas de 125C pode ser medida com uma preciso de 0,01C, e o drift de longo termo melhor do que 0,003C/ano.

Sensores e Condicionamento de Sinais 14 Se o sinal de temperatura lido atravs de um sistema de aquisio de dados, mais adequada realizar a linearizao da medida aps a converso analgica-digital no microprocessador. Para isto pode se utilizar a relao de Steinhart-Hart que aproxima precisamente a equao (1.9), e dada por:

1 = A + B ln R + C (ln R)3 T

(1.12)

onde A, B, e C so constantes determinadas da curva de calibrao do termistor.

Exerccio:1.3) Mostre que possvel linearizar em primeira ordem uma curva de um termistor NTC, num certo intervalo, simplesmente colocando-se um resistor de valor apropriado e encontre este valor .

R a z o d e

102

101

R = R0exp[(1/T- 1/T0)]1

R e 10 -1 s i s 10-2 t n c 10-3 i a R/R0 -410 -50 0 100 150 200 250 300

350

Temperatura C Figura 1.3) Resistncia como funo da temperatura para termistor tipo NTC


Vrios tipos de termistores com vrios tipos de formatos esto disponveis comercialmente que varia de algumas dezenas de Ohms a vrios megaOhms. Com o avano acelerado da tecnologia de materiais necessrio uma constante atualizao, e agora, com a revoluo da Internet, isto tornou-se menos desgastante , desde que voc se pluge. Atravs da rede mundial de informao praticamente toda informao necessria para especificao do seu sensor est prontamente disponvel.

1.4) TermoparesUm termopar um simples sensor de temperatura que consiste de dois materiais diferentes em contato trmico. O contato trmico, chamado de juno pode ser feito por feito pela fuso ou solda de dois materiais diferente. A figura 1.4a) mostra um termopar de uma simples juno. A operao de um termopar baseado na combinao de efeitos termoeltrico que produz uma voltagem de circuito aberto quando duas junes so mantidas em temperaturas diferente. O diagrama clssico de um circuito de um termopar de duas junes mostrado na figura 1.4b), onde as junes J1 e J2 so mantidas nas temperatura T1 e T2 respectivamente. A voltagem termoeltrica

Sensores e Condicionamento de Sinais 16 uma funo no linear com a temperatura que pode ser representada por uma equao emprica na forma V0 = C1 (T1 - T2) + C2 (T21- T22)

(1.13)

onde C1 e C2 so constante dieltricas que depende do material. T1 e T2 so as temperaturas das junes

Material A

T

Material B

Figura 1.4 a) Termopar de uma simples juno

Material A

T1V0

T2

Material B

Material B

Figura 1.4 b) Circuito de termopar para medida da diferena de temperatura T1-T2..

A gerao da voltagem V0 devido ao efeito Seebeck, que produzido pela difuso de eltrons atravs da interface entre os dois materiais. O potencial do material aceitador de eltrons torna-se negativo na regio de interface e o material doador torna-se positivo. Assim um campo eltrico formado pelo fluxo de eltrons na interface. A difuso continua at uma condio de equilbrio seja alcanada pela ao do campo eltrico sobre os eltrico (mecanismo semelhante a

Sensores e Condicionamento de Sinais 17 formao do potencial de barreira na juno PN). Desde que as foras de difuso so dependente da temperatura, o potencial eltrico desenvolvido na juno fornece uma medida desta temperatura. Alm do efeito Seebeck, dois outros efeito termoeltricos bsicos ocorrem no circuito do termopar. Estes so: 1) Efeito Peltier 2) Efeito Thompson

O efeito Peltier ocorre quando passa um fluxo de corrente no circuito de termopar. Este efeito consiste na transferna de calor na presena da corrente i .Esta quantidade de calor, em watts dada por

qP = AB .i

(1.14)

onde qP a quantidade de calor transferida em watts AB o coeficiente de Peltier de A para B da juno AB deve-se notar que a equao (1.14) vetorial, isto , o coeficiente de Peltier muda de sinal com o sentido da corrente. (AB = -BA). A figura 1.5) ilustra este efeito e seu comportamento dual.

qT

Material Ai

T2 J2 qP Material B

J1 qP T1 vs

Material B

Figura 1.5) Transferncia de calor devida ao efeito Peltier, qp e ao efeito Thompson, qT

Sensores e Condicionamento de Sinais 18 O efeito Thompson o efeito termoeltrico que afeta o circuito do termopar. Novamente este efeito involve a gerao ou absoro de calor qT sempre que existe um gradiente de temperatura e h corrente num material. A figura 1.5) ilustra este efeito. A quantidade de calor transferida dada pela equao qT = i(T1 - T2) onde o coeficiente de Thompson que depende do material condutor. Ambos estes efeito produzem (erros) voltagem equivalente que na sada do circuito do termopar e afetam a preciso da medida de temperatura, e portanto devem ser minimizados, limitamdo-se a corrente que flui atravs da juno durante a medida de v0. O circuito de termopar da figura 1.4 b) usado para medir uma temperatura desconhecida T1, enquanto a juno J2 mantida em uma temperatura referncia conhecida, T2. Desta forma possvel determinar a temperatura T1 pela medida da voltagem v0. A experincia mostra que a equao 1.13) no suficiente para representar com preciso a curva caracterstica voltagemXtemperatura de um termopar. Na prtica utilizar-se tabelas (lookup tables) ou um polinmio de alta ordem na forma T1 - T2 = a0 +a1 .v0 + a2 .v02 + ...+an . v0n

(1.15)

(1.16)

Princpios de operao do termoparO uso prtico de termopares baseado nos seis princpios de operao do termopar, ilustrados nas figuras 1.5 a) - 1.5 e).

1) Um circuito de termopar deve conter no mnimo dois materiais diferentes e no mnimo duas junes (fig. 1.5 a) ). 2) A voltagem de sada de um circuito de termopar depende somente da diferena entre as temperaturas de juno (T1 - T2) e independente da temperatura ao longo do material, desde que no flua nenhuma corrente pelo circuito (fig. 1.5 b) ). 3) Se um terceiro material C inserido ao longo do material A ou B, a voltagem de sada v0 no afetada, desde que a temperatura nas duas novas junes sejam as mesma (fig. 1.5 c) ).

4) A insero de um material C na juno J1 ou J2 , na afeta a voltagem de sada v0, desde que as duas novas junes AC ou CB sejam mantidas na mesma temperatura (fig. 1.5 d) ). 5) Um circuito de termopar com temperatura T1 e T2 produz na voltagem (v0)1-2 = f(T1- T2), e se exposta numa temperatura T2 e T3 produz uma voltagem de de sada sada

Sensores e Condicionamento de Sinais 19 (v0)2-3 = f(T2- T3). Se o mesmo circuito exposto a temperatura T1 e T3, a voltagem de sada ser (v0)1-3 = (v0)1-2 + (v0)2-3 (fig. 1.5 e) ). 6) Se um circuito de termopar fabricado com materiais A e C gera uma sada (v0)AC quando exposto a temperatura T1 e T2, e um circuito similar fabricado com materiais C e B gera uma sada (v0)CB, ento se um termopar fabricado com materiais A e B gerar uma sada (v0)AB = (v0)AC + (v0)CB )fig. 1.5 f) ).

Material A i T1

Material A

T3

i T5 V0 b)

T4

J1V0 a)

J2

T2

T1

J1T6

J2

T2

Material B

Material B

Material B

Material B

Material C Material A T1 Ti i Tj T2

Material A T1 Material C T1 T3 i

J2V0 d)

T2

J1V0 c)

J2

Material B

Material B

Material B

Material B

M aterial A i T1

M aterial A i T1

Material A i

J1(V0)1-3

J2

T3

=

J1(V0)1-2 e)

J2

T2

+

T2

J1(V0)2-3

J2

T3

M aterial B

M aterial B

M aterial B

M aterial B

Material B

Material B

M aterial A i T1 T3

Material A i T3 T1

M aterial C i T3

J1(V0)AB

J2

=

T1

J1(V0)AC f)

J2

+

J1(V0)CB

J2

M aterial B

M aterial B

Material C

Material C

M aterial B

M aterial B

Figura 1.5) Situaes tpicas encontrada no uso de termopares. a) Circuito de termopar bsico. b) Dependncia de v0 somente de (T1 - T2). c) Metal intermedirio no circuito. d) Metal intermedirio na juno. e) Adio da voltagem de sada para diferentes temperatura. f) Adio da voltagem de sada para diferentes termopares para temperaturas idnticas.

Sensores e Condicionamento de Sinais 20 Estes seis princpios so importantes porque fornece a base para o projeto de circuito de medida de temperatura. O primeiro princpio formaliza a observao experimental que um circuito de termopar deve ser fabricado com dois material diferente de modo que duas junes so formadas. A voltagem de sada v0 tem sido observada se uma funo no linear da diferena de temperatura (T1 - T2) nessa duas junes. Para um fluxo de corrente num sentido mostrado na figura 1.5 a), esta voltagem pode ser expressa por

v0 = eBA . T1 + eAB . T2

(1.17)

onde eBA eAB o potencial da juno por unidade de temperatura na juno quando uma pequena corrente flue do material B para o material A. o potencial da juno por unidade de temperatura na juno quando uma pequena corrente flue do material A para o material B.

Desde que eBA = - eAB a equao (1.14) pode ser escrita na forma j vista

v0 = eBA . (T1 - T2)

(1.18)

O segundo princpio indica que a voltagem de sada v0 do circuito de termopar no influenciada pela a distribuio de temperatura ao longo do material exceto nos pontos onde as coneces so feitas para formar as junes. Este principio garante na prtica que v0 independente dos comprimentos dos fios de ligao.

Exerccio:Faa uso do primeiro e segundo princpio de operao do termopar e prove os quatro princpios restantes.

Materiais TermoeltricosO efeito termoeltrico ocorre sempre se um circuito de termopar fabricado com dois metais diferentes; portanto uma grande quantidade de materiais so adequado para uso em termopares. Entretanto, estes materiais so selecionados tendo em vista algumas propriedade desejveis listadas abaixo: 1) Estabilidade de longo tempo (long-term stability) em temperaturas elevadas. 2) Compatibilidade com a instrumentao disponvel. 3) Custo reduzido. 4) Mxima sensibilidade sobre todo o intervalo de operao

Sensores e Condicionamento de Sinais 21 As sensibilidades de vrios materiais em combinao com a platina so apresentada na tabela 1.1). Os valores desta tabela permite que a sensibilidade S 0C de um termopar fabricado com qualquer material listado na tabela possa ser determinado, como feito no exerccio abaixo.

Exerccio:Determinar a sensibilidade 0C de um termopar de Cromel-Alumel a partir dos valores listados na tabela 1.1).

Tabela 1.1) Sensibilidade S de Alguns materiais combinados com platina 0C. Sensibilidade S Material Bismuto Constantan? Nquel Alumel? Nisil? Platina Mercrio Carbono Alumnio Chumbo Prata Cobre Ouro Tungstnio Nicrosil? Ferro Cromel? Germnio Silcio Telrio Selnio V/C -72 -35 -15 -13,6 -10,7 0 0,6 3,0 3,5 4,0 6,5 6,5 6,5 7,5 15,4 18,5 25,8 300 440 500 900 V/F -40 -19,4 -8,3 -7,6 -5,9 0 0,3 1,7 1,9 2,2 3,6 3,6 3,6 4,2 8,6 10,3 14,3 167 244 278 500

Vale lembrar que a sensibilidade S uma funo no linear da temperatura; de maneira que para todo o intervalo de temperatura de operao do termopar os valores de setes materiais mais usados so mostrado na tabela 1.2).

Sensores e Condicionamento de Sinais 22 Tabela 1.2) Sensibilidade S em funo da temperatura para os sete tipos de termopar. Temperatura (C) -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 E 25,1 45,2 58,7 65,7 74,0 77,9 80,0 80,9 80,7 79,9 78,4 76,7 74,9 J 21,9 41,1 50,4 54,3 55,5 55,4 55,1 56,0 58,5 62,2 K 15,3 30,5 39,5 41,4 40,0 41,4 42,2 42,6 42,5 41,9 41,0 40,0 39,8 N 9,9 20,9 26,1 29,7 33,0 35,4 37,0 R 5,3 7,5 8,8 9,7 10,4 10,9 11,3 11,8 12,3 12,8 13,2 S 5,4 7,3 8,5 9,1 9,6 9,9 10,2 10,5 10,9 11,2 11,5 T 15,7 28,4 38,7 46,8 53,1 58,1 61,8 -

As letras E, J, K, N, R, S, e T so projetadas pelo padro ANSI (America National Society Instrument - PADRO MC 96.1-1975) e os pares de materiais usados nestes termopares so definidos na tabela 1.3).

Tabela 1.3) Materiais empregados nos termopares padro. Tipo E J K N R S T Material positivo Cromel Ferro Cromel Nicrosil Platina 13% Rdio Platina 10% Rdio Cobre Material negativo Constantan Constantan Alumel Nisil Platina Platina Constantan

A voltagem de sada v0 em funo da temperatura para vrios tipos de mais comuns de termopar mostrado na figura 1.6) . Como podemos observar na figura, o termopar tipo E (Cromel-constantan) gera uma maior sada para uma dada temperatura; mais infelizmente, a sua maior temperatura de operao de 1000 C. O intervalo de temperatura e as sadas de voltagem , para os tipos mais comuns de termopar mostrado na tabela 1.4)

Sensores e Condicionamento de Sinais 23V o l t a g e m d e s a d a 80Tipo E Cromel-constantan Tipo K Cromel-alumel

60

40

Tipo N Nicrosil-nisil

20

Tipo G Tunsgtnio-tunsgtnio 26% rnio

v0 (mV) 0 0 500 1000 1500

Tipo S Platina-platina 10% rdio

2000

2500

3000

Temperatura (C)

Figura 1.6) Voltagem de sada v0 versus temperatura T Tabela 1.3) Intervalo de temperatura e voltagem de sada para vrios termopares. Intervalo de temperatura Tipos Cobre-constantan Ferro-constantan Cromel-Alumel Cromel-constantan Nicrosil-Nisil Platina -10% Platina/rdio Platina -13% Platina/rdio Platina -30% Platina/rdio Platinel 1813 - Platinel 1503 Irdio- 60% rdio- 40% irdio Tungstnio 3% rniotungstnio 25% rnio Tungstnio-tungstnio 25% rnio Tungstnio 5% rniotungstnio 26% rnio C -185 400 -185 870 -185 1260 0 980 -270 1300 0 1535 0 1590 38 1800 0 1300 1400 1830 10 2200 16 2800 0 2760 F -300 750 -300 1600 -300 2300 -32 1800 -450 2372 32 2800 32 2900 100 3270 32 2372 2552 3326 50 4000 60 5072 32 5000 Voltagem de sada (mV) -5,284 20,805 -7,52 50,05 -5,51 51,05 0 75,12 -4,345 47,502 0 15,979 0 18,636 0,007 13,499 0 51,1 7,30 9,55 0,064 29,47 0,042 43,25 0 38,45

Sensores e Condicionamento de Sinais 24 A estabilidade de longo tempo (long-termo stability) uma propriedade importante do termopar se a temperatura deve ser monitorada por um longo tempo. Um relativamente novo tipo de termopar foi recentemente desenvolvido, tipo N (nicrosil-nisil) que apresenta uma estabilidade termoeltrica muito elevada. Instabilidade trmica de vrios termopares padro ocorre a partir de 100 1000 h de exposio a temperatura. O erro mais importante introduzido pelos efeitos da instabilidade trmica o gradual e acumulativo drift na voltagem de sada durante a longa exposio do termopar temperaturas elevadas. Este efeito devido a mudana na composio na juno causada pela oxidao interna e externa. O termopar tipo N foi desenvolvido para eliminar as oxidaes internas e minimizar as oxidaes externas. O drift de longo tempo na sada de termopares tipos N, E, J, e K mostrado na figura 1.7) como funo do tempo de exposio a uma temperatura constante de 777 C. como podemos observar o drift do termopar tipo J fabricado com fio AWG N.14 excessivo aps um somente 100 a 200 h . Aumentando o fio para AWG N.8 melhora-se a estabilidade mais ainda inadequado para aplicaes de longo tempo. Somente os termopares tipo K e N exibem uma estabilidade necessria para medida de temperatura de at 777 C e no mnimo 1500 h.

D r i f t e m v0(V)

250 0 #14 N #14 E -500 #14 K #8 E

-1000

#8 J

#14 J -1500 0 0 300 600 900 1200 1500 1800

Tempo de exposio em horas 777 C Figura 1.7) Drift da sada v0 para diferentes tipo de termopar em funo do tempo de exposio a uma temperatura constante de 777 C.


Temperatura de referncia da Juno FriaComo vimos anteriormente, o termopar fornece uma sada v0 proporcional a diferena (T1- T2), assim imprescindvel que a temperatura na juno J2 (T2) (chamada de juno fria) seja mantida constante ou precisamente controlada. 05 mtodos mais comum so usados para realizar esta funo: 1) 2) 3) 4) 5) Inserir J2 na mistura gua/gelo em equilibrio (T= 0.1C). Efeito de refrigerao de Peltier Mtodo de ponte eltrica Manter a temperatura na juno fria ,T2 maior que a temperatura ambiente Mtodo double-oven (duplo aquecedor)

No primeiro mtodo insere-se a juno fria numa garrafa trmica com a mistura gua/gelo, tampada para evitar perdas e gradientes de temperatura. A gua deve ser removida periodicamente e o gelo deve ser adicionado para manter a temperatura constante. Esta mistura mantm a temperatura da juno 0.1C. O segundo mtodo faz uso do refrigerador de Peltier. O termopar acondicionado num reservatrio contendo gua deionizada e destilada mantida 0C. As paredes externas do reservatrio so resfriadas pelos elementos de refrigerao termoeltrica at que a gua comece a congelar. O aumento do volume da gua quando ela comea a congelar sobre as paredes do reservatrio que expande um fole, que contm uma microchave desativa os elementos de refrigerao. O ciclo de congelamento e descongelamento do gelo nas paredes do reservatrio mantm a temperatura da gua precisamente 0C. O terceiro mtodo consiste em monitorar a temperatura do ambiente atravs de um RDT gerar uma voltagem de sada que igual e oposta a voltagem do circuito do termopar devido a mudana em T2. A figura 1.8) ilustra este mtodo.

Vref Circuito de Ponte

Cobre Material A T1 RDT Material B Cobre Bloco de referencia na temperatura ambiente+

T2

v0

Figura 1.8) Mtodo de ponte eltrica para compensao de juno fria.

Sensores e Condicionamento de Sinais 26 O quarto mtodo simplesmente baseia-se no fato que mais fcil o aquecimento ao resfriamento para trabalhar numa temperatura controlada de juno fria mais elevada e que a temperatura ambiente. A tabela voltagem-temperatura do termopar deve ser deslocada em tenso para corregir a temperatura de juno fria diferente de 0C. Finalmente, o quinto mtodo que elimina a necessidade de correo da temperatura de juno, emprega dois aquecedores em diferentes temperaturas para emular uma temperatura de referencia de 0C (figura 1.9) . Na figura 1.9) cada uma das duas junes (Cromel-Alumel) no primeiro aquecedor produz uma voltagem de 2.66mV na temperatura do aquecedor de 65.5 C. Esta voltagem total de 2x2.66 = 5.32mV cancelada pela dupla juno de Alumel-cobre e cobreAlumel no segundo aquecedor que esta a 130 C. O efeito lquido das quatro junes nos dois aquecedores produzir uma equivalente termoeltrico com uma simples juno fria 0C.

Alumel Cromel T1

Cobre

Condic. 65.5C Alumel Cromel Cobre 130 C

Primeiro aquecedor de referencia na temperatura de 65.5 C

Segundo aquecedor de referencia na temperatura de 130C

Figura 1.9) Mtodo double-oven (duplo aquecedor)

Fios de ligaoO material usado para fornecer isolao para os fios de ligao determinado pela mxima temperatura que o termopar estar sujeito. Os tipos de isolao e seus limites de temperatura esto mostrado na tabela 1.4) Em aplicaes de alta temperatura, os fios de ligao so disponvel com uma isolao de cermica tendo de uma blindagem metlica. Em alguma aplicaes faz-se necessrio separar a medida e a juno fria por uma distancia aprecivel. Nestas circunstncias, fios especiais, conhecidos como fios de extenso, so inseridos entre a juno quente e a juno fria. Os fios de extenso so feitos do mesmo material da juno do termopar e portanto exibe aproximadamente as mesma propriedades termoeltricas. A principal

Sensores e Condicionamento de Sinais 27 vantagem do fio de extenso a melhora nas propriedades do fio. Por exemplo cachos de fios de menor dimetro com isolao de PVC de fcil instalao podem ser usados em sistemas de baixo custo.

Tabela 1.4) Caractersticas de isolao de fios de ligao de termopar Temperatura (0C) Max. Min. 105 75 150 200 260 200 1204 482 871 316 -40 -75 -55 -200 -267 -75 -17 -75 -75 -267

Material

Poliestireno Nylon Teflon-FEP Teflon-PFA Silicone Fibra de vidro

Resistncia de abraso Boa Boa Excelente Excelente Excelente Regular Regular Ruim Ruim Excelente

Flexibilidade Excelente Excelente Boa Boa Boa Excelente Boa Boa Boa Boa

Extenso XA

Cobre

Material A T1

Juno Fria Condic.

Material B Extenso XB Cobre

Conector isotrmico

Figura 1.10) Uso do fio de extenso no circuito do termopar


Fontes de errosVrios tipos de erros podem ser introduzido durante a medida de temperatura com o uso de termopares. Erros devidos a carregamento do circuito do termopar (j descrito) , preciso na leitura, rudo e resposta dinmica devem ser minimizados afim de alcanar preciso desejada. Existe ainda outro tipo de erro inerente a sensores de temperatura, o chamado erro de insero. O erro de insero o resultado do aquecimento ou resfriamento da juno que muda a temperatura da juno T do meio na temperatura Tm . Este erro classificado em trs tipos:

1) Erro de conduo 2) Erro de recuperao 3) Erro de radiao O primeiro erro devido a transferncia ou absoro de calor por conduo para o ambiente atravs do contato do termopar com o corpo a ser monitorado. Este erro mais significante quando a massa trmica do termopar comparvel com a do sistema. O segundo erro acontece sempre que um termopar inserido no meio de um gs movimentando-se alta velocidade, resultando na estagnao do gs prximo ao probe de medida. Finalmente, o terceiro erro devido a perdas por radiao de calor. Este erro mais significante em altas temperaturas.

1.5) Outros sensores trmicos Outros tipos de sensores trmico so disponveis no mercado. Dentre estes podemos citar o sensor de temperatura semicondutor na forma de circuito integrado, que fornece normalmente uma sada em corrente proporcional a temperatura absoluta, quando uma voltagem entre 4 e 30 V aplicado nos seus terminais. Este tipo de sensor de temperatura um regulador de corrente constante sobre uma temperatura de -55 a 150 C. O sensor apresenta uma sensibilidade de corrente nominal Si de 1 A/K. As caractersticas corrente de sada versus voltagem de entrada para vrias temperaturas so mostradas na figura 1.11).O sensor de temperatura integrado ideal para aplicaes remota desde que ele age como fonte de corrente constante e como resultado, a resistncia dos fios de ligao no afeta a medida. Vrios problemas encontrado nos sensores RTD, termistores e termopares no esto presente neste sensor. A voltagem de sada v0 do circuito do sensor de temperatura controlado por uma resistncia colocada em srie, como mostrado na figura 1.12). Desde que o sensor serve como fonte de corrente, a voltagem de sada pode ser expressa por

v0 = i . Rs = Sin. T . Rs = ST . T

(1.19)

Sensores e Condicionamento de Sinais 29C o r r e n t e s a d a 500 Temperatura = 423 K 400 Temperatura = 300 K 300 200 Temperatura = 218 K

100 0

(A) 0

2

4

6

8

10

30

Voltagem de entrada (V)

Figura 1.11) Caractersticas de um sensor integrado de dois terminais onde Si a sensibilidade do sensor em corrente Rs a resistncia srie na qual a voltagem de sada medida T a temperatura absoluta i a corrente de sada na temperatura T ST a sensibilidade do sensor em volts

RL vs RS RL Senso r

V0

Figura 1.12) Circuito para medida de temperatura com sensor integrado

1.6) SumrioOs diferentes tipos de sensores disponveis para medidas de temperatura, incluem principalmente RTD (resistance-temperature-detectors), termistores, termopares e Sensores integrados. Cada um destes apresenta suas vantagens e desvantagens; a escolha do sensor apropriado para uma aplicao particular normalmente baseada nas seguintes consideraes:

1) Intervalo de temperatura 2) Preciso 3) Ambiente 4) Resposta dinmica 5) Instrumentao disponvel

Sensores e Condicionamento de Sinais 30 As vantagens e desvantagens dos quarto mais populares sensores para medidas de temperatura so mostradas na figura?. importante notar que com o rpido avano em tecnologia de novos material pode modificar as vantagens e desvantagens destes sensores, de maneira que uma constante atualizao faz-se necessrio.

Termopares

RTD

Termistores

Sensores integrados

V o l t a g e m

V

R e s i s t e n c i a

R

Temperatura

T

Temperatura

T

R e s i s t e n c i a

R

V o l t. o u c o r r e.

V ou i

Temperatura

T

Temperatura

T

V a n t a g e n s D e s v a n t a g e n s

Auto excitado Mais estvel Simples Mais preciso Robusto Mais linear termopar Baixo custo Grande variedade Grande intervalo de operao No linear Baixa sensibilidade Voltagem de referncia necessria Menos estvel Baixa voltagem

Alta Mais linear sensibilidade Maior sada que Rpido Baixo custo Medida com dois fios

Caro Fonte de corrente necessria Pequeno DR Baixa resistncia Auto aquecimento

No linear Pequeno intervalo de temperatura Frgil Fonte de corrente necessria Auto aquecimento

Temperatura

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