Sensores de Temperatura

Nas aplicações mecatrônicas, uma das grandezas que é mais comum de ser medida é a temperatura. Para esta finalidade, o projetista de equipamentos mecatrônicos pode contar com uma grande variedade de tecnologias de sensores. Essa variedade oferece muitas possibilidades de projeto, no entanto traz uma dificuldade adicional: como escolher o sensor mais apropriado para uma determinada aplicação? Veremos a seguir uma prévia sobre estes sensores e suas características.

Na escolha de um sensor de temperatura para uma aplicação, existem diversos fatores que devem ser levados em conta. Normalmente, estes sensores operam em conjunto com outros, como os de pressão, vazão, entre outros, o que significa que pode-se considerar até que há uma interatividade entre eles. Como os outros sensores têm suas características de precisão dependentes da temperatura, uma imprecisão de um afeta o outro.

Para as diversas aplicações possíveis, o projetista pode contar com diversas tecnologias. As mais comuns são denominadas RTD ou Resistive Temperature Device, o par termoelétrico ou termopar, o termistor e também o sensor de silício integrado. Existem outras tecnologias como a dos pirômetros infravermelhos e as pilhas termoelétricas, mas elas não são tão usadas em aplicações comuns.

Para escolher a melhor tecnologia para uma aplicação será interessante fazermos uma comparação entre as características dos sensores que são mais importantes. Elas são dadas a seguir.

Par Termoelétrico ou Termopar
Faixa típica de temperatura: -270º C a 1800º C
Sensibilidade: faixa dos microvolts por oC
Precisão típica: +/- 0,5%
Linearidade: precisa de uma correção polinomial ou equivalente de 4ª ordem.
Robustês: para a conexão deste tipo de sensor normalmente são usados fios grossos, o que os torna bastante robustos. Contribui para esta robustês os materiais isolantes que são usados.
Tempo de resposta: curto, da ordem de menos de 1 segundo
Excitação externa: não necessita de um circuito de excitação externa
Sinal de saída: tensão
Preço: médio

Sensor de temperatura com par termoelétrico.

RTD
Faixa de temperatura: -250º C a 900º C
Sensibilidade: 0,00385 ohms/ohms/oC para os tipos de platina
Precisão: +/- 0,01º C
Linearidade: necessita de um circuito corretor polinomial de segunda ordem ou uma tabela para esta finalidade.
Robustês: estes sensores são sensíveis à vibrações, podendo sofrer danos.
Tempo de resposta: este tempo depende da capacidade térmica do componente e está tipicamente na faixa de 1 a 10 segundos
Excitação: precisam de uma fonte externa de corrente
Sinal de saída: consiste numa resistência
Custo: elevado, dependendo da aplicação

Sensor de temperatura RTD.

Termistor
Faixa de temperatura: -100 a +450º C
Sensibilidade: vários ohms/ohms/oC
Precisão: +/- 0,1º C
Linearidade: também precisam de uma correção polinomial de 3ª ordem de uma tabela de correção
Robustês: existem vários tipos de invólucros para os termistores, os quais influem muito na sua resistência a choques, vibrações e outros elementos. Por exemplo, os tipos com invólucros de vidro são os mais robustos apesar da maior dificuldade no manuseio.
Tempo de resposta: médio, dependendo da capacidade térmica. Na faixa de 1 a 5 segundos geralmente
Excitação: precisam de uma fonte externa de tensão
Sinal de saída: consiste numa resistência
Custo: baixo



Aspecto físico de sensores de temperatura tipo termistores





Termistor tipo NTC


Silício IntegradoFaixa de temperatura: -55 a +150ºC
Sensibilidade: depende da tecnologia. Valor típico de 2 mV/oC
Precisão: +/- 1º C
Linearidade: em muitos casos não é preciso correção, sendo a variação típica de +/-1oC em toda faixa de temperaturas de operação.
Robustês: a mesma dos circuitos integrados comuns, já que normalmente estes componentes utilizam os mesmos invólucros. O mais comum é o DIL (Dual in Line)
Tempo de resposta: lento, da ordem de 4 a 60 segundos, pois depende da capacidade térmica do dispositivo
Excitação: precisam ser alimentados por um circuito externo, pois normalmente incluem o circuito amplificador ou processador.
Forma de sinal de saída: tensão, corrente ou sinais processados para a forma digital
Custo: baixo

Na figura a seguir temos a comparação entre a linearidade de um sensor deste tipo com um termistor.

Tendo em vista estas características podemos indicar os sensores para aplicações específicas da seguinte forma:

Pares termoelétricos: são usados no sensoriamento de temperaturas muito altas, pois são os que podem suportar os valores mais altos de todos os tipos analisados. Isso inclui o controle de temperatura de fornos, motores de combustão, etc.

RTD: São usados na compensação de junções frias, na medida de temperatura em pontes e processos de calibração e controle.

Termistor: usados na compensação de junções frias, pontes de medida, calibração de pirômetros, anemômetros, medidores de fluidos, medidores de nível de líquidos, condutividade térmica, etc.

Tipos de silício: compensação de junções frias, controle de temperatura de computadores e outros equipamentos eletrônicos como celulares, recarga de baterias, etc.

Mais sobre o Par Termoelétrico
Apesar da baixa sensibilidade, que exige circuitos amplificadores e também a necessidade de se fazer uma compensação da junção fria, o termoelétrico consiste numa boa solução para a medida de temperaturas. Será interessante fazermos uma breve revisão de seu principio de funcionamento.

Conforme podemos ver na figura abaixo, se tivermos uma junção entre dois metais diferentes, e uma das junção se mantiver fria, o aquecimento do ponto de junção faz com que apareça uma tensão elétrica entre as extremidades do sensor.

Na tabela dada a seguir temos os diversos tipos de termopares de acordo com os materiais usados. As diferenças de características obtidas para os diversos tipos vão determinar sua gama de aplicações.

O gráfico dado na figura seguinte, mostra as diferentes características destes termopares.

Pelas suas características os pares termoelétricos podem ser usados numa grande variedade de aplicações, apenas exigindo a compensação da junção fria, pois a tensão de saída é em função da diferença de temperaturas entre seus elementos. No entanto, isso pode ser feito facilmente com a ajuda de outros sensores, como os RTDs. A escolha dos tipos e das configurações dependerá da aplicação.