A temperatura é uma das grandezas mais comumente medidas de um dispositivo ou das condições que o rodeiam – e particularmente para componentes eletrônicos. Isso ocorre porque os dispositivos e circuitos eletrônicos geram calor e exigem algum tipo de gerenciamento térmico.
Existem vários tipos de sensores de temperatura que funcionam bem para tais aplicações e que oferecem diferentes recursos ou especificações. Por exemplo, um sensor de temperatura pode oferecer uma saída analógica ou digital.
Neste tutorial, abordaremos alguns dos tipos mais comuns. TEsses sensores podem ser amplamente categorizados como:
1. Sensores de temperatura de contato – esses tipos requerem contato com um objeto para detectar sua temperatura e podem ser usados para medir a temperatura de um sólido, líquido ou gás.
2. Sensores de temperatura sem contato – detectar a temperatura de um objeto ou de seus arredores usando radiação ou convecção. Esses sensores são usados principalmente para medir líquidos ou gases. Porém, os sensores que utilizam radiações infravermelhas também são capazes de detectar a temperatura de objetos sólidos.
Dentro dessas duas classes de sensores de temperatura, existem vários tipos diferentes para você escolher.
Aqui estão alguns…
Termistores
O termo “termistor” é uma abreviatura de “resistor termicamente sensível”. É um tipo especial de resistor com resistência que muda de acordo com a temperatura.
Por exemplo:
- Se a resistência de um termistor aumenta com o aumento da temperatura, ele possui um coeficiente de temperatura positivo e é chamado de termistor PTC.
- Se a resistência de um termistor diminui com o aumento da temperatura, ele possui um coeficiente de temperatura negativo e é chamado de termistor NTC. A maioria dos termistores são NTCs.
Os termistores têm um tempo de resposta bastante baixo a qualquer mudança de temperatura. Eles são dispositivos eletrônicos passivos e não requerem a passagem de corrente através deles para gerar uma saída de tensão. A resistência física de um termistor pode variar de alguns ohms, quilo-ohms ou dezenas de mega-ohms.
Um termistor é um sensor do tipo contato que oferece saída analógica e interface em um circuito usando uma rede divisora de tensão. A rede divisora de potencial também pode ter interface com um amplificador diferencial ou com a entrada analógica de um microcontrolador para leitura de tensão.
Esses tipos de sensores são confiáveis, altamente precisos e duráveis. Os termistores raramente são danificados, a menos que estejam sujeitos a temperaturas extremamente altas além do seu limite máximo. No entanto, eles podem sofrer danos físicos porque são normalmente construídos com materiais semicondutores do tipo cerâmico, como óxidos de níquel, cobalto e/ou manganês. O material semicondutor é prensado em discos ou esferas e hermeticamente selado.
Os recursos mais importantes a serem considerados ao escolher um termistor são:
- Faixa de resistência
- Curva resistência-temperatura
- Constante de tempo (ou seja, quão rápido sua resistência muda com a temperatura)
- Resistência física à temperatura ambiente
- Faixa de temperatura e classificação de potência de acordo com o fluxo de corrente
Os termistores NTC geralmente possuem uma curva resistência-temperatura não linear devido à sua natureza exponencial. Mas isso pode ser nivelado para determinados intervalos. Os termistores padrão têm uma faixa de temperatura típica entre -50˚ a 150˚ C, enquanto os termistores encapsulados em vidro vão até 250˚ C.
A maioria dos termistores pode ser facilmente interligada com Arduino ou outras plataformas de microcontroladores, desde que a placa ou controlador selecionado tenha entrada analógica.
Em um circuito sem microcontrolador, esses sensores podem ser interligados com um amplificador operacional usando uma rede divisora de tensão para obter a conclusão binária para uma aplicação (como se a temperatura fosse inferior ou superior a um determinado limite).
Detectores de temperatura resistivos (RTD)
Os RTDs têm um coeficiente de temperatura positivo e sua resistência aumenta com o aumento da temperatura. Esses tipos de sensores possuem um metal condutor de alta pureza – como cobre, platina ou níquel – que é enrolado em uma bobina ou em um filme fino depositado em um substrato cerâmico.
São sensores de precisão que oferecem uma curva resistência-temperatura extremamente linear e precisa. No entanto, eles têm baixa sensibilidade térmica (normalmente, 1Ω/˚C).
Os RTDs feitos de platina são os mais comumente usados e são chamados de termômetro de resistência à platina ou PTC. Os PTC são caros.
Outra desvantagem dos RTDs e PTCs é que eles se aquecem automaticamente. Isto significa que a sua resistência é afetada pelo calor devido à corrente que flui através deles, o que pode levar a leituras incorretas.
RTDs são sensores do tipo contato que oferecem uma saída analógica. Para compensar sua característica de autoaquecimento, os RTDs normalmente são interligados em um circuito usando uma rede Wheatstone Bridge, que possui uma fonte de corrente constante conectada a ele. Isto serve para compensar quaisquer erros padrão ou fios adicionais (usados para compensação de derivação).
Os RTDs de platina têm uma curva linear de resistência-temperatura que está acima da faixa típica de -200˚ a 600˚ C.
O RTD PTD100 é atualmente o RTD mais popular disponível em pacotes de 2, 3 ou 4 fios. Possui uma resistência de 100Ω a 0˚C, que sobe para 140Ω a 100˚C.
Para medir a temperatura utilizando um RTD, ele deve estar conectado em uma ponte de Wheatstone com uma fonte de corrente constante. A saída de tensão é medida para determinar a resistência. A temperatura pode, então, ser derivada através da relação linear resistência-temperatura para um determinado RTD.
Termocoupor favor
Um termopar é o sensor de temperatura do tipo contato mais comumente usado. Eles são compactos, baratos, simples de usar e fornecem um tempo de resposta rápido às mudanças de temperatura. Esses sensores oferecem a mais ampla faixa de temperatura, que está entre -200˚ e 2.000˚ C. Um termopar é feito de dois fios de metais diferentes, eletricamente ligados por duas junções. Os metais, por exemplo, podem ser cobre e Constantan.
Uma junção é mantida a uma temperatura constante para referência e é chamada de junção fria. A outra é usada para medir a temperatura e é chamada de junção quente. Como as temperaturas em ambas as junções são normalmente diferentes, é usado como potencial entre elas para medir a temperatura real.
A junção entre os dois metais cria um efeito termoelétrico, onde se forma um potencial constante de alguns mili-volts. Essa diferença de tensão entre as junções é chamada de “efeito seeback”. Essencialmente, é como um gradiente de tensão entre os dois.
Quando ambas as junções têm a mesma temperatura, elas têm diferença de tensão zero. Quando ambas as junções estão em temperaturas diferentes, é gerada uma tensão proporcional à diferença de temperatura. A diferença de tensão aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as duas junções aumenta – e até que uma diferença de tensão de pico seja gerada. Este pico de tensão é determinado pelas características de cada metal.
A medição da saída de tensão de um termopar requer um amplificador. Normalmente há apenas alguns milivolts de diferença conforme um aumento de 10˚ C na temperatura. Amplificadores chopper e de instrumentação são comumente usados porque oferecem estabilidade de deriva superior com ganhos muito altos.
A saída de tensão medida de um termopar pode ser aplicada à entrada analógica de um microcontrolador ou a um circuito amplificador regular para uma conclusão lógica.
Os termopares são feitos de uma variedade de metais e possuem diferentes faixas de temperatura dependendo da combinação de metais usada em sua construção. Como resultado, esses sensores são listados e disponíveis com base em códigos padrão e cores de chumbo.
Os termopares são escolhidos para uma aplicação com base na sua faixa de temperatura. Os tipos R, J e T são comumente usados. Embora os termopares sejam baratos, eles têm baixa precisão (tolerância de 0,5˚ a 5˚C) e uma curva de temperatura não linear. Os engenheiros normalmente precisam combinar o sensor usado com uma tabela de consulta para determinar a conversão, controle e compensação de temperatura.
Termostatos
Um termostato é um sensor de temperatura eletromecânico construído pela ligação de dois metais diferentes para formar uma tira bimetálica. Quando esta tira é exposta ao calor, ela se curva devido às diferentes expansões lineares dos dois metais. Os metais podem ser níquel, alumínio, tungstênio ou cobre.
Os termostatos são frequentemente usados como interruptores elétricos ou para controlar um interruptor elétrico em controles termostáticos. Os interruptores termostáticos são controlados por movimento e podem ser:
1. Um tipo de ação instantânea – que oferece uma operação ON/OFF instantânea que é amplamente utilizada em fornos, tanques de água quente, ferros elétricos e outros aparelhos de aquecimento doméstico.
2. Um ctipo de ação reep – usado como mostradores ou medidores e fornece mudanças graduais de temperatura. Esses tipos são montados como bobinas ou espirais bimetálicas e são mais sensíveis às mudanças de temperatura.
Os termostatos estão disponíveis para uma ampla faixa de temperaturas, porém apresentam baixa confiabilidade devido à grande histerese. Normalmente, esses sensores são usados apenas em aplicações de controle, onde um ponto de ajuste de temperatura preciso é usado para operar como uma chave.
Sensores baseados em semicondutores
Sensores de temperatura baseados em semicondutores são circuitos integrados duplos. Dois diodos idênticos com características de tensão-corrente sensíveis à temperatura são integrados para detectar mudanças de temperatura.
No geral, esses sensores oferecem baixa precisão (tolerância entre 1˚ a 5˚ C), capacidade de resposta lenta (entre 5 e 60 segundos) e uma faixa estreita de temperatura (entre -70˚ a 150˚ C).
Muitos sensores de temperatura baseados em semicondutores agora vêm com amplificadores internos, gerando uma saída de cerca de 10mV/˚C. Esses sensores têm melhor precisão e alta linearidade. Os tipos de semicondutores são geralmente usados com termopares para compensação de temperatura de junção fria.
Sensores de temperatura infravermelhos
Os sensores infravermelhos são um tipo de sensor de temperatura sem contato. Eles são dispositivos fotossensíveis que detectam radiações infravermelhas (IR) da área circundante ou de um objeto para medir o calor.
Termopilhas
As termopilhas são um dos tipos mais populares de sensores de temperatura sem contato. Eles são usados para medir calor, bem como concentrações de gases.
As termopilhas são frequentemente usadas no controle de processos industriais, leitores de temperatura médica, alarmes de calor, fornos de micro-ondas, detecção de gelo em estradas e automóveis.
Conclusão
Os termopares são os sensores de temperatura do tipo contato mais comuns porque são baratos, oferecem a mais ampla faixa de temperatura e possuem características aceitáveis para a maioria das aplicações.
Para melhor exatidão, precisão e resposta, entretanto, RTDs e termistores são preferidos. As considerações mais importantes ao escolher um sensor de temperatura do tipo contato são tamanho, custo, faixa de temperatura e precisão. Esses fatores também dependem da aplicação.
Sensores de temperatura sem contato são normalmente baseados na detecção de radiações infravermelhas. Os fatores mais importantes a serem considerados ao escolher sensores de temperatura sem contato são custo, confiabilidade, precisão e aplicação de uso. Algumas aplicações populares que usam sensores de temperatura sem contato são imagens térmicas, termômetros infravermelhos e varredura infravermelha.
