Sensores de temperatura de uso industrial - parte 1

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

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 V_AB 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 V_A e V_B de cada parte são equacionadas da seguinte forma:

E

Quando V_AB = V_A - V_B = 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

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

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:

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.

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.