TDE 2 Sensores Eletroeletrônica

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ 
Escola Politécnica 
Curso de Engenharia Mecânica 
Prof.: Marno – Disciplina: Eletroeletrônica 
Aluno: Luca Watanabe Reolon 
 
Atividade Avaliativa – Sensores de Temperatura 
 
Realizar uma pesquisa sobre os seguintes itens: 
a) Sensor temperatura tipo J; 
b) Sensor temperatura tipo K; 
c) Sensor temperatura tipo T; 
d) Sensor temperatura tipo termoresistência PT100; 
Objetivos: 
Informar os materiais de que são feitos; 
Qual a propriedade física que define cada um; 
Qual a faixa de temperatura aplicável para cada tipo; 
Sugere-se que o trabalho deva ter entre 4 e 8 páginas impressas. 
 
 
Sensores de Temperatura 
 
 Os sensores de temperatura, também chamados de termopares funcionam a partir da junção de dois 
diferentes materiais que geram tensão elétrica (força eletromotriz) em função da temperatura, conhecido como Efeito 
Seebeck. Suas extremidades são fechadas e formam um 
circuito fechado. Eles podem ser classificados pelo tipo 
de calibração, visto que tendo diferentes materiais a 
força eletromotriz em função da temperatura é diferente 
para cada um. Alguns sensores podem apresentar baixas 
tensões com baixas temperaturas, enquanto alguns 
podem não apresentar altas tensões em altas 
temperaturas. Dependendo do ambiente, as altas 
temperaturas presentes podem ocasionar degradação 
do material, como por exemplo uma liga de Ferro na qual 
está presente Oxigênio, podendo causar a formação de 
óxidos ferrosos e consequente degradação do sensor. 
Portanto a calibração e escolha correta torna-se 
necessária para garantir que o sensor trabalhe às 
condições adequadas. 
 No gráfico a direita podemos observar o 
comportamento dos diferentes tipos de sensores em 
função da temperatura (°F) e a força eletromotriz 
(milliVolts). 
 
Sensor do Tipo J 
 
 O Sensor do Tipo J é o segundo tipo de calibração mais utilizado e é uma boa escolha onde não há umidade 
presente. É constituído por dois polos, um positivo composto por Iron (Ferro) e o negativo composto por Constantan 
(é uma liga metálica utilizada na produção de fios para a fabricação de resistores elétricos composta majoritariamente 
por Cobre e 45%Níquel). Sua faixa de medição é de 0 a 750°C. Este sensor deve ser utilizado onde há uma deficiência 
da presença de oxigênio, visto que a reação corrosiva do Oxigênio no Ferro pode ocorrer em temperaturas como 
540°C. 
 
 
Figura 1 - Curvas de temperatura para diferentes tipos de sensores. 
Sensor do Tipo K 
 
 O Sensor do Tipo K é utilizado na maioria das aplicações industriais por serem constituídos por Níquel e 
apresentarem boa resistência à corrosão. Devido à sua confiabilidade e precisão é utilizado até temperaturas de 
1250ºC. Este tipo de termopar deve ser protegido com um tudo de cerâmica ou de um metal adequado, especialmente 
em atmosferas reduzidas. Em atmosferas oxidantes, como um forno elétrico, a presença de um tubo protetor não é 
sempre necessária. Porém a presença do tubo aumenta a vida útil do sensor por promover uma proteção física. Seu 
polo positivo é constituído por Níquel e 10%Cromo, e seu polo negativo é constituído por Níquel e 2%Alumínio, 
2%Manganês e 1%Silício. Sua faixa de medição é de 0 a 1300ºC. 
 
Sensor do Tipo T 
 
 O Sensor do Tipo T pode ser utilizado em qualquer atmosfera oxidante ou atmosfera reduzida, e para uma 
vida útil maior, recomenda-se o uso do tubo protetor. Devido à sua estabilidade em temperaturas mais baixas, é um 
sensor adequado às mais várias aplicações no campo das baixas temperaturas e da criogenia. Seu polo positivo é 
constituído por Cobre, e seu polo negativo é constituído por Cobre e 45%Níquel. Sua faixa operacional recomendada 
é de -200 ° a 350 ° C, mas ele pode ser usado até -269 ° C, que é o ponto de ebulição do Hélio. Por ser constituído 
majoritariamente por ligas de Cu, este sensor permite o contato com a umidade. 
 
Configurações 
 
 Usualmente, a ligação aterrada (grounded junction) oferece melhor performance comparado com o não-
aterrado (ungrounded junction). Porém em processos em que é necessário ligar o sensor na estrutura na qual será 
usada, a configuração não-aterrada é utilizada, e sua utilização evita loops entre o sensor e a fonte de alimentação. 
 A Junção Exposta (Exposed Junction) apresenta uma solda na base, para vedação contra a penetração de líquido 
e gás. Esta configuração proporciona a medição mais rápida possível, porém deixa os fios do termopar desprotegidos 
contra corrosão e danos mecânicos. A Junção Aterrada (Grounded Junction) apresenta uma solda entre os condutores 
e o revestimento formando uma estrutura totalmente selada. Sua utilização é recomendável na presença de líquidos, 
humidade, gás ou alta pressão. Os fios estão protegidos contra corrosão ou danos mecânicos e seu tempo de resposta 
se aproxima da Junção Exposta. A Junção Não-Aterrada (Ungrounded Junction) é totalmente isolada do revestimento 
do fim. Sua utilização é muito favorável onde há presença de campos eletromagnéticos onde podem interferir na 
medição. Seu tempo de resposta é maior do que comparado com a Junção Aterrada. A Junção Não-Aterrada 
Duplamente Isolada (Ungrounded Dual Isolated Junction) é formada por dois termopares são encapsulados em um 
único revestimento. O isolamento previne loops se o sensor é ligado a dois instrumentos separados. É apenas 
disponível em junções aterradas. 
 
 
 
Figura 2 – Desenhos esquemáticos representando as configurações que os sensores de temperatura podem apresentar. Da esquerda para direita e de 
cima para baixo temos: Junção Exposta (Exposed Junction), Junção Aterrada (Grounded Junction), Junção Não-Aterrada (Ungrounded Junction) e Junção 
Não-Aterrada Duplamente Isolada (Ungrounded Dual Isolated Junction), respectivamente. 
 
 
Sensor do Tipo PT-100 
 
 O Sensor do Tipo PT-100, também conhecido como termoresistência (resistance temperature detectors RTDs) 
funcionam a partir da interação entre o metal que o constitui e a variação da temperatura. O aumento da temperatura 
ocasiona um aumento linear da resistividade do material, tornando possível medir a sua variação. Uma corrente 
elétrica é aplicada, e com o auxílio de um voltímetro, podemos fazer a leitura da temperatura através da utilização da 
equação de calibração. Em específico, o sensor do tipo PT-100 é uma termoresistência de Platina na qual é 
industrialmente usada por apresentar grande precisão e estabilidade. Ela apresenta uma resistência ôhmica de 100Ω 
a 0ºC, e sua faixa de trabalho é de -259,3467°C a 961,78°C, segundo a ITS-90. Sua resistência aumenta em 0,4 ohms 
por graus Celsius, aproximadamente. Adicionalmente, sua reprodutibilidade é muito boa pelo fato da Platina 
apresentar uma estrutura química estável e não-reativa, permitindo a confecção de fios finos. 
 
Configurações 
 
 A primeira configuração, do fio em espira (wire-wound), 
é uma estrutura que apresenta um pequeno diâmetro, 
formado pelo fio de platina em espira revestido por um 
material não-condutivo. O fio de detecção é normalmente 
soldado por spotwelding e o revestimento é de cerâmica ou 
vidro. 
Na imagem da direita temos o sensor de película fina (thin 
film), no qual é feita a deposição da platina sobre um 
substrato de cerâmica, seguido por um processo de 
recozimento e de estabilização. A deposição ocorre de 
acordo com um padrão para que as resistências fiquem 
corretas. A vantagem dessa configuração é a possibilidade 
de criar um elemento de detecção com altas resistências e 
um tamanho reduzido. Como por exemplo, é possível criar um filme fino com uma resistência de 1000Ω com um 
tamanho de 1,6 milímetros de largura x 2,6 mm de comprimento. A figura de baixo da esquerda representa a estrutura 
enrolada (coiled element), que tem um objtetivo principal de obter um elemento livre de tensões. A liberdade presente 
minimiza a influênciados coeficientes de expansão térmica 
dos materiais. Estes elementos são construídos, iniciando 
com uma bobina helicoidal de fio de platina de detecção que 
se assemelha a um filamento de lâmpada. O fio é inserido nos 
orifícios internos de um mandril isolante. O pó é embalado em 
torno da bobina para evitar que curto-circuito e para 
proporcionar resistência à vibração durante o serviço. Em 
outras versões deste elemento, os pontos tangentes na bobina 
são cimentadas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 – Configuração Fio em Espira (Wire-Wound) 
Figura 4 – Configuração Película Fina (Thin Film) 
Figura 5 - Configuração Estrutura Enrolada (Coiled Element) 
A última configuração é o sensor anulo oco (hollow annulus), e usa um mandril de metal enrolamento aberto 
que aumenta o contato fluido e reduz a massa térmica para proporcionar um tempo de resposta mais rápido. Pela 
figura podemos observar o enrolamento metálico presente utilizado para eliminar a massa interna. Há um 
revestimento com material isolante. Este sensor tem uma bainha externa metálica fina soldada sobre a área de 
enrolamento quando é utilizado sem caixa adicional. Este elemento tem as vantagens de ser completamente selado e 
que tem um tempo de resposta extremamente rápida, mas é o mais caro dos quatro tipos. O diâmetro de enrolamento 
grande permite que sensores de alta resistência para executar otimamente em aplicações de fluido criogénico. 
 
 
Figura 6 - Configuração Anulo Oco (Hollow Annulus) 
 
 
 
 
 
Referências Bibliográficas 
 
 
Thermocouple Color Code. Disponível em <http://www.thermometricscorp.com/thercolcod.html>. Acesso em 14 
de out de 2015. 
 
CAPGO Thermocouple Theory. Disponível em <http://www.capgo.com/Resources/Temperature/Thermocou 
ple/Thermocouple.html>. Acesso em 14 de out de 2015. 
 
WATLOW Sensor Catalog. Disponível em <https://www.watlow.com/downloads/en/catalogs/sensor-controller-
catalog.pdf>. Acesso em 14 de out de 2015. 
 
Eletronics Tutorials – Temperature Sensors Types for Temperature Measurement. Disponível em 
<http://www.electronics-tutorials.ws/io/io_3.html>. Acesso em 14 de out de 2015. 
 
NPL - What is a platinum resistance thermometer?. Disponível em <http://www.npl.co.uk/reference/faqs/what-
is-a-platinum-resistance-thermometer-(faq-thermal) >. Acesso em 15 de out de 2015. 
 
IOPE – Característica da Termoresistência. Disponível em < http://www.iope.com.br/p_temp_termor_b.htm>. 
Acesso em 15 de ou de 2015. 
 
Platinum Probe Construction. Disponível em <http://www.rdfcorp.com/anotes/pa-r/pa-r_01.shtml>. Acesso em 
15 de out de 2015.