Os detectores de temperatura de resistência (RTDs) dependem dos fenômenos previsíveis e repetíveis da resistência elétrica dos metais que mudam com a temperatura.
O coeficiente de temperatura para todos os metais puros é da mesma ordem - 0,003 a 0,007 ohms / ohm / ° C. Os metais mais comuns usados para detecção de temperatura são platina, níquel, cobre e molibdênio. Embora as características de resistência à temperatura de certos materiais semicondutores e cerâmicos sejam usadas para detecção de temperatura, esses sensores geralmente não são classificados como RTDs.
Como são construídos os RTDs?
Os RTDs são fabricados de duas maneiras: usando fio ou filme. Os RTDs de fio são uma bobina esticada de fio fino colocada em um tubo de cerâmica que suporta e protege o fio. O fio pode ser ligado à cerâmica usando um esmalte. Os tipos de fio geralmente são os mais precisos, devido ao controle mais rígido da pureza do metal e menos erros relacionados à tensão. Eles também são mais caros.
Os RTDs de filme consistem em um filme metálico fino, serigrafado ou respingado a vácuo sobre um substrato de cerâmica ou vidro. Um aparador a laser apara o RTD ao seu valor de resistência correto.
Os sensores de filme são menos precisos que os tipos de fios, mas são relativamente baratos, estão disponíveis em tamanhos pequenos e são mais robustos. Os RTDs de filme também podem funcionar como um extensômetro - portanto, não os force! O elemento de alumina deve ser suportado por graxa ou um elastômero leve, mas nunca incorporado em epóxi ou preso mecanicamente entre superfícies duras.
Características dos RTDs
Os RTDs de metal têm uma resposta definida por um polinômio:
R (t) = R0 (1 + a.t + b.t2 + c.t3)
Onde R0 é a resistência a 0° C, “t” na temperatura em graus Celsius e “a”, “b” e “c” são constantes dependentes das características do metal. Na prática, esta equação é um ajuste próximo, mas não perfeito, para a maioria dos RTDs; portanto, pequenas modificações são feitas com frequência.
Geralmente, as características de temperatura de um RTD são especificadas como um número único (o “alfa”), representando o coeficiente de temperatura médio na faixa de temperatura de 0 a 100 ° C, calculado por:
alfa = (R100 - R0) / 100.
R0 em ohms / ohm / ° C
Nota: Os RTDs cobrem uma faixa de temperatura suficiente para que sua resposta precise ser calibrada em termos da mais recente escala de temperatura ITS90. Para obter ajuda com esses cálculos, consulte a calculadora de temperatura RTD.
Também é interessante notar que o coeficiente de temperatura de uma liga é frequentemente muito diferente daquele dos metais constituintes. Pequenos traços de impurezas podem alterar bastante os coeficientes de temperatura. Às vezes, as “impurezas” vestigiais são adicionadas deliberadamente, a fim de inundar os efeitos de impurezas indesejadas que não são econômicas para remover. Outras ligas podem ser adaptadas para determinadas características de temperatura. Por exemplo, uma liga de 84% de cobre, 12% de manganês e 4% de níquel tem a propriedade de ter uma resposta quase zero à temperatura. A liga é usada para a fabricação de resistores de precisão.
Tipos de RTDs
Embora quase todo metal possa ser usado na fabricação de RTD, na prática o número usado é limitado.
RTDs de platina
A platina é de longe o material de RTD mais comum, principalmente devido à sua estabilidade a longo prazo no ar. Existem dois tipos de sensores de platina padrão, cada um com um nível de doping diferente de 'impurezas'. Em grande medida, houve uma convergência nos padrões de IDT de platina, com a maioria dos organismos nacionais de padrões adotando a norma internacional IEC751-1983, com a alteração 1 em 1986 e a alteração 2 em 1995. Os EUA continuam a manter seu próprio padrão.
Todos os padrões de platina usam um polinômio modificado conhecido como equação de Callendar - Van Dusen:
R (t) = R0 (1 + a.t + b.t2 + c. (T - 100). T3)
Os RTDs de platina estão disponíveis com dois coeficientes de temperatura ou alfas - a escolha é amplamente baseada na preferência nacional do seu país, conforme indicado na tabela a seguir:
Tolerância RTD
A norma internacional IEC 751 especifica classes de tolerância, conforme indicado na tabela a seguir. Embora apenas as classes A e B sejam definidas na IEC 751, tornou-se prática comum estender as classes para C e D, que praticamente duplicam a tolerância a erros anterior. As classes de tolerância são frequentemente aplicadas a outros tipos de RTD.
Onde I t I indicou a magnitude da temperatura em graus Celsius (ou seja, sinal caiu). Alguns fabricantes subdividem ainda mais suas classes de tolerância RTD em faixas de tolerância para obter uma maior escolha nas taxas de desempenho de preços.
Características dos RTDs de platina
A IEC751 especifica várias outras características - resistência de isolamento, proteção ambiental, efeito termoelétrico máximo, tolerância a vibrações, marcação de chumbo e marcação de sensor. Alguns destes são discutidos abaixo:
Efeito termoelétrico: Um RTD de platina geralmente emprega dois metais - o elemento sensor de platina e os fios de cobre, tornando-o um bom candidato para um termopar. Se um gradiente de temperatura for permitido ao longo do elemento sensor, será gerada uma tensão termoelétrica com uma magnitude de cerca de 7 µV / ° C. É provável que isso seja um problema com medições de alta precisão operando com correntes de baixa excitação.
Configurações de fiação e marcação de derivação:
Existem três configurações de fiação que podem ser usadas para medir a resistência - conexões de 2, 3 e 4 fios.
A IEC 751 exige que os fios conectados à mesma extremidade do resistor sejam da mesma cor - vermelho ou branco, e que os fios em cada extremidade sejam diferentes.
Marcação do sensor:
A IEC 751 estipula que um sensor deve ser marcado com seu valor nominal R0, classe de tolerância, configuração da fiação e faixa de temperatura permitida. Um exemplo de marcação é:
Pt100 / A / 3 / -100 / +200
correspondente a 100 Ohm de platina, classe A, configuração de 3 fios e com faixa de temperatura de -100 ° C a + 200 ° C.
Corrente de medição: As correntes de medição preferidas são especificadas como 1, 2 e 5 mA, embora 5 mA não sejam permitidos com sensores de classe A devido a possíveis erros de auto-aquecimento.
RTDs de níquel
Os sensores de níquel são preferidos em aplicações sensíveis a custos, como ar condicionado e bens de consumo. Como o custo é um problema, eles geralmente são fabricados com valores de resistência mais altos de 1k ou 2k ohms, para que uma conexão simples de dois fios possa ser usada (em vez das conexões de 3 ou 4 fios comuns aos tipos de platina).
Parece não haver um padrão internacional para o RTD de níquel, embora a maioria dos fabricantes pareça seguir a IEC751 (que lida apenas com dispositivos de platina), quando apropriado. Um problema resultante é que parece não haver uma calibração amplamente aceita para o RTD de níquel.
Um fabricante de RTDs de níquel recomenda o seguinte polinômio:
R (t) = R0 (1 + a.t + b.t2 + d.t4 + f.t6)
onde a = 5,485 × 10-3 b = 6,650 × 10-6 d = 2,805 × 10-11 ef = -2,000 × 10-17. O alfa para esta parte é 0,00672 ohms / ohm / ° C
Mais comum para medições de precisão baixa a média, a simplificação da equação é usada com a = alpha:
R (t) = R0 (1 + a.t)
que é facilmente invertido para temperatura:
t = (Rt / R0-1) / a = (Rt / R0-1) / 0,00672
onde "a" é substituído pelo valor alfa.
O níquel é menos quimicamente inerte que a platina e, portanto, é menos estável em temperaturas mais altas. A passivação do vidro pode estender a faixa9 de temperatura útil para 200 ° C, mas o RTD de níquel é normalmente usado para detectar a faixa de temperatura ambiente e o ar limpo.
RTD de níquel - ferro
Com custo mais baixo que o RTD de níquel puro, o RTD de níquel e ferro encontra aplicação em HVAC e em outras aplicações sensíveis a custos. O alfa = 0,00518
RTDs de cobre
O cobre raramente é usado especificamente como elemento sensor, mas é frequentemente empregado quando existe uma bobina de cobre para outros fins. Por exemplo, em um medidor de mancha de fio vibratório, é necessária uma bobina para "puxar" o fio e detectar sua frequência de vibração. A mesma bobina pode ser usada para detectar a temperatura do sensor, de modo que suas leituras possam ser compensadas pelos desvios induzidos pela temperatura. Outra aplicação é na medição da temperatura dos enrolamentos de motores elétricos e transformadores.
Nesses tipos de aplicações, onde o sensor de temperatura é uma função secundária, deve-se tomar cuidado ao enrolar a bobina para que a expansão térmica do sistema não induza efeitos significativos de strain gage no fio de cobre, o que pode aumentar a incerteza da medição.
Parece não haver um padrão internacional para RTDs de cobre, no entanto, um alfa = 0,00427 ohms / ohm / ° C é comumente usado. Quando a faixa de temperatura é pequena (por exemplo, de 0 ° C a 180 ° C) e as necessidades de precisão não são grandes, uma função linear simples pode ser usada:
t = (Rt / R0 - 1) / 0,00427
RTDs de molibdênio
O molibdênio possui um coeficiente de expansão da temperatura que combina quase perfeitamente com o da alumina, tornando-o um material ideal para o tipo de construção do filme. A faixa de temperatura útil é tipicamente de -200 ° C a + 200 ° C e o alfa do material = 0,00300 ohms / ohm / ° C.
Os RTDs de molibdênio também estão disponíveis com um alfa = 0,00385 ohms / ohm / ° C (obtido por dopagem com outros metais), o que o torna compatível com os dispositivos Pt100 padrão em uma faixa de temperatura reduzida e a um custo reduzido.
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