Os sensores de temperatura mais comuns utilizados nas
indústrias são os pares termoelétricos e os RTD’s
(Resistance Temperature Detector).
Desses citados acimas os mais comuns são termopares e o
PT100, por sinal, sabe qual a diferença entre um termopar e um PT100? Qual dos
dois é melhor? Quando utilizar cada um?
Falarei um pouco sobre esses dois tipos de sensores de
temperatura mais usuais nas indústrias.
Os sensores de temperatura são os elementos primários
utilizados para saber qual a temperatura de determinado processo, normalmente
são associados a transmissores ou conversores para leitura e controle de
temperatura de maneira remota (à distância).
Sensores de temperatura por variação de resistência
Os sensores de temperatura por variação de resistências (RTD – Resistance Temperature Detector) é
constituído por um grupo de metais que varia sua resistência ôhmica em função
da temperatura de forma estável, com alta repetibilidade (capacidade de
instrumento de apresentar leituras próximas em repetidas aplicação nas mesmas
condições), baixa contaminação, menor influência de ruídos e alta precisão, seu
aumento a resistência com o aumento da temperatura de maneira praticamente
linear.
O PT100 faz parte desse grupo, sua denominação prove de:
- PT – Platina, material utilizado para fabricação do sensor;
- 100 – cem ohms é a resistência desse sensor a zero grau Celsius.
Existem vários tipos de RTD
como Cu10, Ni150, PT1000 entre outros, sendo as letras referentes ao material
do sensor e as numerações são referentes ao valor da resistência ôhmica do
sensor a zero grau Celsius.
Os sensores RTD consistem em uma resistência em forma de fio
de alta pureza, no caso do PT100 é a platina, encapsulado em um bulbo de
cerâmica ou vidro (elemento isolante) com diâmetros que variam de 1 a 4 mm e
comprimentos que variam de 10 a 40 mm, os fios são enrolados com distâncias
paralelas evitando assim que entrem em curo-circuito quando submetidos a
temperaturas elevadas.
A equação matemática que rege a variação de resistência em
função da temperatura é chamada de equação Callendar-Van Dusen:
Para o range de -200 a 0°C
Para o range de 0 a 850°C
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 x 10-3 (°C-1)
B = -5,802 x 10-1 (°C-1)
C = -4,2750 x 10-12 (°C-1)
A variação de resistência em função da
temperatura é chamado de alfa (α):
Onde:
R100 = resistência a 100°C
R0 = resistência a 0°C
Segundo a IEC 60751/08 (Industrial platinum resistance thermometers
and platinum temperature sensors) um valor típico de alpha para R100
= 138,50 Ω é de 3,859 x 10-3 Ω.Ω-1.°C-1 isso
para PT100 na faixa de -260 a 850°C.
Pode perceber a quase linearidade do sensor que para
diagnósticos rápidos é ótimo, podemos utilizar um multímetro na escala de
medição de resistência, porém o sensor deve estar desconectado do transmissor
ou conversor (deve ser medido sem tensão a qual esses instrumentos fornecem).
A utilização da isolação mineral no sensor traz mais
robustez e confiabilidade nas medições, nesse caso o elemento isolante e o
condutor interno são colocados dentre de um tubo fino (por processo de
trefilação) normalmente de inox com pó de óxido de magnésio, cuja função é
manter a estabilidade térmica, eliminando todo ar de dentro do tubo, melhorando
o tempo de resposta. Isso também traz flexibilidade no manuseio do sensor que
pode ser dobrável, instalados em locais de difícil acesso, facilitando também a
instalação.
De acordo com os resultados da fabricação são definidas duas
classes principais de limites de erros (existem outras para padrões de
laboratório e com menos precisão), sendo:
Classe B: ±0,30 + (0,005.t) °C
Classe A: ±0,15 + (0,002.t) °C
Exemplo:
Qual o limite de erro de um PT100 na temperatura de 180°C para as
duas classes A e B?
Para classe A teremos:
Para classe B teremos:
Esses seriam os limites de erros para as duas classes a
temperatura de 180°C.
Ponte de Wheatstone
A ponte de Wheatstone é um circuito utilizado para medição
de resistência elétrica através do balanceamento das resistências do circuito
montadas conforme figura abaixo
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| Ponte de Wheatstone |
Como o PT100 é um elemento termorresistivo, o mesmo pode ser
mensurado através desse circuito.
Ele é um circuito divisor de corrente que em cada ramo forma
um divisor de tensão
A tensão VAB
entre as extremidades que não estão ligadas a fonte de alimentação que nos interessa.
A equação da ponte de Wheatstone é desmembrada em duas
partes, formando um divisor de tensão:
As tensões VA
e VB de cada parte são
equacionadas da seguinte forma:
E
Quando VAB
= VA - VB = 0, nessa condição a
ponte está em equilibro.
Dessa igualdade teremos:
Sendo assim
Aplicando a propriedade distributiva
Finalizando a equação
A condição de equilíbrio é dada pela
igualdade entre os produtos das resistências opostas.
Utilizando valores próximos a resistência
desejada utiliza-se o sensor em um dos pontos da ponte e uma resistência
variável confiável em outra conforme figura abaixo
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| Ponte de Wheatstone |
Quando a fonte de tensão indicar 0V
significa que atingiu a ponte atingiu seu equilíbrio e o valor indicado da
resistência ficaria da seguinte forma
Atualmente são utilizadas pontes eletrônicas mais
sofisticadas, porém o princípio básico parte dessa configuração apresentada.
Ligação do PT100
Existem três variações de ligação do PT100
- Ligação a dois fios
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| Ligação a dois fios |
Nessa ligação R4 é a termoresistência e R3 é a resistência variável para equilíbrio
da ponte. As resistências RL1 e RL2 são as resistências dos cabos de ligação em
série com a termoresistência R4, como na segunda Lei de Ohm a resistência tende
a aumentar com a distância do cabo para a mesma secção transversal, assim como
um aumento da secção transversal diminui a resistência para o mesmo
comprimento.
Onde:
R = Resistência (Ω)
Ρ = resistividade ( Ω.m) ou (Ω.mm²/m)
L = comprimento (m)
S = secção transversal (mm²)
Esse tipo de ligação pode ser utilizado com uma boa precisão
até certa distância, que depende do comprimento, secção transversal, material
do cabo de ligação.
- Ligação a três fios
É a ligação mais comum utilizada nas indústrias. Nesse
circuito a intensão e aproximar a fonte de alimentação do sensor, ficando com a
seguinte configuração:
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| Ligação a três fios |
Assim a interferência das resistências dos cabos diminui,
possibilitando alcançar maiores distâncias na instalação, a ligação a dois fios
a resistência de linha estava em série com o sensor, agora a três fios estão
separadas.
- Ligação a quatro fios
Essa ligação é menos utilizada nas indústrias, porém o nível
de precisão e maior e o efeito da resistência dos cabos são praticamente desprezíveis.
Esse tipo de ligação é utilizado em PT100 padrão para calibração ou
laboratórios.
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| Ligação a quatro fios |
Vantagens do PT100
- Possui maior precisão que outros sensores
- Estável e boa repetibilidade
- Com a ligação adequada não existe limite de distância (porém o comum é instalar um transmissor próximo do sensor, além de economizar em quantidade de cabos, as entradas analógicas de corrente são mais baratos que os de sensores de temperatura)
- Menor influência a ruídos elétricos
- Curva de resistência por temperatura quase linear
Desvantagens
- São mais caros que os outros sensores
- Em processo tem baixo alcance de medição em relação aos termopares, os condutores internos mais comuns são de cobre que acima de 350°C degrada rapidamente e fica mais frágil a impactoso
- Necessário que o bulbo esteja instalado em local com temperatura estabilizada (sem influencia do ar por exemplo)
- Tempo de resposta á mais lento
- Por se tratar por resistência possui auto aquecimento necessitando de instrumentação adequada
Verificação de funcionamento
Em campo é mais comum encontrar PT100 com ligação a três fios,
portanto teremos três terminais para testar o sensor (também existe sensores
duplos com 6 terminais), com o sensor desligado utiliza-se o multímetro na
escala de resistência (Ω).
Medindo dois a dois dos cabos teremos as seguintes informações:
Resistência em valores baixos da ordem de 2Ω entre os cabos,
significa que esses dois são comuns (cabos na cor vermelha).
Resistência entre 107Ω e 111 Ω (próximo da ambiente) entre os
cabos significa que esses dois pontos são os extremos do sensor que vai
realizar a medição (vermelho e branco (na figura é preto)).
Isso deve ser feito entre todos os terminais e todos devem
dar valores, se não acontecer pode ter algum cabo interno no sensor está
rompido ou sensor rompido. Caso ache valores muito divergentes desses
provavelmente o sensor está com problemas também.
