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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.
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