'O mundo está ficando mais quente a cada dia.' Esta frase começou a surgir de vez em quando no nosso dia a dia. Mas raramente nos perguntamos o que isso significa. O que é mais quente? Quão quente é quente? É mais quente que quente ou apenas mais quente que frio? Para os nossos sentidos humanos, a temperatura é apenas uma avaliação subjetiva. Para uma medição objetiva e reprodutível, precisamos quantificar os valores de temperatura e, para isso, é necessário um dispositivo de medição adequado. 
Figura 1: Uma imagem representativa de sensores de temperatura
Isto é conseguido através do uso de sensores de temperatura.
Temperatura e sua medição
Simplificando, a temperatura é o grau de calor do corpo, que é uma medida do conteúdo de calor no corpo. O problema de quantificar o conteúdo de calor do corpo em uma escala não surgiu até a invenção da Máquina a Vapor. A curiosidade dos cientistas em compreender o comportamento da água em diferentes níveis de conteúdo térmico deu origem a um estudo formal e mais bem estruturado. Uma das primeiras referências à “temperatura” remonta a 1760, quando Joseph Black declarou que a aplicação do mesmo calor a materiais diferentes resultava em temperaturas diferentes. Anos de rigoroso estudo científico levaram a muitas teorias que vão desde o simples conceito de “calórico”, que tratava o calor como uma substância material que é trocada entre materiais, até a descrição de Carnot do calor como uma forma de energia (que lançou as bases da primeira lei). da termodinâmica). Porém, nenhum deles explicou satisfatoriamente o conceito de temperatura. Foi a teoria de Maxwell que ofereceu um bom raciocínio para isso. Ele definiu a temperatura de um corpo como sendo sua propriedade térmica que fornece informações sobre o conteúdo energético do sistema. É a medida da energia cinética média (energia em virtude do movimento) das moléculas da substância e significa um potencial térmico devido ao qual o calor flui de uma temperatura mais alta para uma temperatura mais baixa.
Diz-se que a própria palavra 'temperatura' deriva da palavra latina 'tempera', que significa 'moderar ou suavizar'. Seguindo a linha de pensamento de Maxwell, a velocidade das moléculas deveria ser a base para a seleção do valor da temperatura, sendo a ausência de calor absoluta um estado em que as moléculas são totalmente estáticas. Porém, esta medição não é possível na prática e, portanto, outras manifestações do efeito do calor são utilizadas para medir a temperatura, por exemplo, a expansão geométrica dos materiais. Um breve histórico dos sensores de temperatura com marcos importantes é mostrado na figura abaixo:
Figura 2: Uma tabela que representa uma breve história dos sensores de temperatura com marcos importantes
Tipos: sensores de temperatura de contato
Tipos de sensores de temperatura:
Existem basicamente duas classes principais de sensores de temperatura com base na distância de detecção:
1. Sensor de temperatura de contato: O sensor é colocado em contato físico com o objeto a ser monitorado. Este método pode ser usado com sólidos, líquidos e gases. Os sensores usados para medição podem variar desde termômetros de bulbo capilar e sensores bimetálicos até sensores que usam sinais de tensão ou valores de resistência variados.
Termômetros de expansão: Esses sensores usam tiras bimetálicas que possuem diferentes taxas de expansão em uma determinada temperatura. Assim, esta diferença de expansão pode ser traduzida em mudança de temperatura através de um ponteiro mecânico. Embora não sejam muito precisos, esses dispositivos oferecem a vantagem de serem portáteis. Aplicações de baixo custo como compensadores de tempo em relógios mecânicos, termostatos onde uma temperatura mais alta pode abrir o contato como no controle de aquecimento ou fechá-lo como em refrigeradores fazem uso de tiras bimetálicas para abrir e fechar interruptores mecânicos que por sua vez controlam interruptores elétricos como disjuntores .
Termômetros de sistema preenchido: Esses dispositivos são preenchidos com algum substituto que se expande ou contrai devido à mudança de temperatura. Eles podem estar cheios de mercúrio. No entanto, como é considerado um perigo ambiental, podem ser utilizados tipos líquidos orgânicos. Eles não requerem energia elétrica para funcionar e são estáveis mesmo após uso repetido. Porém, eles não fornecem nenhum tipo de solução de armazenamento de leitura e também não podem fazer medições pontuais. Eles são usados na indústria médica para medir a temperatura corporal.
Sensores baseados em sinais de tensão: Os termopares são os principais sensores desta categoria. O princípio subjacente é o efeito Seebeck. Quando dois metais ou ligas diferentes são colocados juntos de modo a formar duas junções, uma voltagem é induzida através das junções quando há uma diferença de temperaturas entre as junções. Esses sensores são capazes de detectar temperaturas muito altas (até 1700ó), têm um design muito simplista que os torna bastante robustos a choques e vibrações e podem ter resposta quase imediata a mudanças de temperatura. No entanto, eles fornecem leituras de temperatura localizadas e precisam de uma compensação de junção fria para manter o gradiente de temperatura. Além disso, eles são dispositivos altamente não lineares quando comparados a outros sensores e requerem algoritmos extremamente bons por parte da eletrônica de condicionamento e dos processadores para compensar a não linearidade. Os termopares encontram aplicação em aplicações de detecção de temperatura extremamente alta, monitoramento de reações químicas, corte de metal, cromatografia gasosa, detecção de temperaturas dentro de motores de combustão interna, etc., devido à sua ampla faixa de temperatura e robustez; entretanto, se forem desejadas alta precisão e linearidade, outros sensores de temperatura deverão ser usados. Ideias simples de implementação podem ser como as seguintes:
Figura 3: Uma figura ilustrando a arquitetura de sensores baseados em sinais de tensão
Sensores baseados em valores de resistência: A resistência dos metais e semicondutores oferecida ao fluxo de corrente através deles muda com a temperatura. Esta mudança pode ser monitorada e mapeada para vários valores de temperatura em uma escala. Além disso, ao aumentar a temperatura, o valor da resistência pode aumentar ou diminuir. Substâncias com coeficiente de temperatura positivo, como a maioria dos metais, sofrem uma mudança positiva de resistência com o aumento da temperatura, enquanto a resistência da maioria dos semicondutores diminui com o aumento da temperatura devido aos seus coeficientes de temperatura negativos. Com base nos coeficientes de temperatura, os Detectores de Temperatura de Resistência (RTD) podem ser divididos em dois tipos:
· Fio de resistência RTD: Construídos principalmente com materiais com coeficiente de resistência positivo, como platina, os RTDs são elementos resistivos que exibem mudanças previsíveis na resistência com a temperatura. A mudança da Resistência com a temperatura é dada pela relação:
Figura 4: Uma equação que representa a mudança de resistência com a temperatura
Aqui, R.t e Ró são as resistências do material nas temperaturas t e tó óC e ? é o coeficiente de temperatura média.
Esses dispositivos podem estar na forma de resistores de filme fino ou resistores de fio enrolado. Eles oferecem uma faixa linear muito ampla de medição de temperatura (-200 a 650óC) e são muito estáveis com desvio mínimo mesmo com operação repetida ano após ano. Um RTD de resistência à platina tem servido como o principal instrumento de interpolação do National Bureau of Standards. A saída do sinal é bastante grande em comparação com termopares e pode usar fios de cobre comuns para extensão. Além disso, eles podem ser espalhados por uma grande área. Tais sensores podem ser montados em um braço de um circuito balanceado de ponte de pedra de trigo conforme mostrado na figura abaixo e todo o circuito pode ser usado para calcular e também controlar atuadores para manutenção de temperatura usando feedback. Eles fornecem a faixa linear desejada de operação onde os termopares ficam aquém. Os RTDs são usados em aplicações como compensação de junção fria, fins de calibração, circuito de ponte de pedra de trigo e controle de processo. A linearidade simplifica a implementação de circuitos de condicionamento de sinal e torna os RTDs adequados para aplicações de alta precisão. Os RTDs medem a temperatura absoluta em contraste com os termopares e, portanto, podem não ser adequados para manter a temperatura uniforme em toda a superfície, como os termopares são usados.
Fig. 5: Uma figura representando a arquitetura do RTD
·Termistores: Os semicondutores oferecem uma variedade de fenômenos e constituem a base da eletrônica. Ambos os semicondutores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) e negativo (NTC) estão presentes e os sensores baseados neles são diferenciados como termistores PTC de fio frio e termistores NTC de fio quente. Para Termistores PTC, a Ferroeletricidade é o fenômeno predominante causando o coeficiente positivo em uma curta faixa de temperatura. A curta faixa de temperatura de operação desses materiais os torna adequados para uso como chaves limitadoras de temperatura. Eles têm sido usados com sucesso em monitores CRT como temporizadores em bobinas de desmagnetização. Eles podem ser usados como substitutos de fusíveis na forma de dispositivos limitadores de corrente. Se a corrente aumentar, é gerado mais calor que aquece os termistores. Isto aumenta a resistência que reduz a corrente e a tensão disponíveis para o dispositivo, protegendo-o assim de correntes aumentadas. Para termistores NTC, a relação entre resistência e temperatura é negativa e exponencial, o que é muito repetível. Na faixa de utilização, esta curva exponencial pode ser vista como um gráfico bastante linear e pode até fornecer mais sensibilidade do que os RTDs, o que os torna mais atrativos em termos de precisão nas medições.
Figura 6: Um gráfico de curva exponencial que oferece mais sensibilidade do que RTDs
Devido aos seus baixos custos, eles encontram ampla utilização nas indústrias automotiva e de produtos de consumo, como monitores de temperatura de refrigerante e óleo, manutenção de temperatura de incubadoras, termômetros de baixa temperatura, termostatos digitais modernos, monitores de temperatura de baterias, etc. usada é a impressão 3D, onde termistores são usados para manter uma temperatura constante na extremidade quente das impressoras 3D para o derretimento adequado dos filamentos de plástico.
Sensores de temperatura de silício integrados: Além de todas essas classificações, os circuitos integrados foram projetados para proporcionar facilidade de uso na medição de temperaturas na escala desejada. Por exemplo, o IC LM35 da Texas Instruments é um IC de sensor de temperatura de precisão que oferece leitura diretamente na escala Celsius e o LM34 é outro que oferece leituras na escala Fahrenheit. Esses ICs fornecem leituras de tensão que são diretamente proporcionais a um determinado multiplicador de temperatura e, portanto, podem ser lidas diretamente em um multímetro ou alimentadas diretamente em um ADC para processamento posterior. Eles fornecem fácil integração e interface com outros elementos do circuito. Muitas empresas de semicondutores como Analog Devices, Microchip, Smartek, ZMD e STMicroelectronics estão envolvidas no design de sensores de temperatura e até fornecem circuitos de processamento de sinal e interfaces de E/S digitais para microcontroladores. Esses sensores de temperatura são amplamente utilizados em produtos de consumo, como computadores pessoais, equipamentos eletrônicos de escritório, telefones celulares, HVACs e soluções de gerenciamento de bateria.
Além desses princípios importantes de medição de temperatura, outros métodos também foram desenvolvidos. Alguns deles são sensores oscilantes de temperatura de quartzo, termômetros de ruído térmico, termômetros de fibra óptica e sistemas de medição de temperatura.
Fig. 7: Uma figura representando sensores de temperatura de silício integrados
Sensores de temperatura sem contato
2. Medição de temperatura sem contato: Esses sensores fazem medições de temperatura sem entrar em contato físico com o objeto a ser monitorado. O método mais predominante nesta classe de sensores de medição é a Pirometria, que é uma tecnologia de medição infravermelha.
Figura 8: Uma figura ilustrando sensores de temperatura sem contato
Pirometria: É o processo de interceptação e medição da radiação térmica com um dispositivo sem contato. As radiações que emanam do corpo são focadas em um receptor de radiação usando uma lente conforme mostrado na figura acima. O receptor pode ser qualquer dispositivo sensível como termopar, fotorresistor, fotodiodo etc. A ação do transdutor gera um sinal elétrico proporcional à quantidade de radiação que pode ser usada para medir a temperatura. Diferentes tipos de pirômetros são usados, alguns deles sendo pirômetro de radiação total, pirômetro de distribuição, pirômetro espectral, pirômetro de filamento desaparecido, etc. Esses dispositivos raramente substituem os sensores de contato, pois fornecem apenas os valores das temperaturas da superfície.
Câmeras de imagem térmica: Embora semelhantes em princípio aos pirômetros, esses dispositivos produzem uma imagem térmica do objeto. Estes são usados principalmente no monitoramento e controle de máquinas onde o aquecimento localizado pode dificultar a operação normal.
Medições acústicas: Tais dispositivos são baseados no princípio da variação da velocidade de dispersão do som em diversos materiais com a temperatura.
Temperatura absoluta = K v2
Aqui v é a velocidade do som. Além disso, as medições acústicas podem empregar ressonadores de quartzo ou métodos não ressonantes, como o princípio Pulse-Echo de variação de distância. Eles são usados dentro de fornos como incineradores.
Critérios de Seleção de Sensores
Critérios de seleção de sensores de temperatura
Nenhum dos dispositivos sensores de temperatura é versátil o suficiente para ser usado em qualquer lugar. Se os termopares são conhecidos por sua ampla faixa de temperatura de operação, os RTDs são incomparáveis na faixa de linearidade e os termistores são muito precisos, enquanto os sensores de silício são fáceis de integrar em circuitos. O uso de um sensor de temperatura específico em algumas aplicações é regido por uma série de parâmetros, sendo o mais importante a própria temperatura. A faixa de temperatura para a aplicação, a taxa na qual a temperatura pode mudar, etc. ajudam a decidir o tipo de projeto. Por exemplo, para sensores com altas temperaturas de operação, seriam necessários cabos de conexão especiais, enquanto para sensores que precisam lidar com choques de temperatura, o tipo de construção com fio enrolado é preferido.
A estabilidade e precisão do sensor nas condições operacionais prescritas é outro fator importante a ser considerado na escolha do projeto. A sensibilidade do dispositivo para medir pequenas mudanças e quão propenso ele é ao autoaquecimento determina a confiabilidade do dispositivo e seu desempenho. O tempo de resposta do sensor geralmente é determinado pelo tamanho do sensor. Por exemplo, as pequenas dimensões de um sensor baseado em resistor do tipo filme resultam em uma capacidade térmica mínima associada e, portanto, em tempos de resposta curtos (0,1 s na água e 3 a 6 s no ar). Na mesma área de aplicação, o resistor do tipo fio responderia de 0,2 a 0,5s na água e de 4 a 25s no ar. Para ajudá-lo a escolher o sensor de temperatura certo para sua aplicação, uma tabela de comparação dos 4 sensores populares é desenhada abaixo para fácil referência.
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Par termoelétrico
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IDT
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Termistor
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Silício Integrado
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Faixa de temperatura
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-270 – 1800ºC
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-250 – 900ºC
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-100 – 450ºC
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-55 – 150ºC
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Precisão
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±0,5°C
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±0,01°C
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±0,1°C
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±1°C
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Linearidade (ordem mínima do polinômio, quanto menor melhor)
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4º polinômio de ordem
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2e polinômio de ordem
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3terceiro polinômio de ordem
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Linearização não é necessária. Dentro de ±1°C
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Sensibilidade
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? 10μV/°C
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0,00385 ?/?/°C (Pt)
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Diversos ?/ ?/°C
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-2mV/°C
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Robustez
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Quanto maior a bitola do fio, maior é a robustez
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Bastante suscetível a quebra devido à vibração
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Termistores herméticos alojados em vidro, não afetados por choques ou vibrações
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Tão robusto quanto um IC em embalagem plástica como um DIP.
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Capacidade de resposta (condições de teste)
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Tresolução<1s
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1s
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1s
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4s
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Excitação externa necessária
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Nenhum
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Fonte atual
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Fonte de voltagem
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Tensão de alimentação
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Saída
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Tensão
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Resistência
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Resistência
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Digital/Corrente/Tensão
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Custo
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$ 1 a $ 50
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$ 25 a $ 1000
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$ 2 a $ 10
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$ 1 a $ 10
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Além dessas considerações, a escolha de sensores com ou sem contato está sujeita a várias outras condições ambientais. Embora os sensores de contato possam fornecer medições econômicas e serem bastante precisos, eles precisam de contato físico, o que pode levar à contaminação, desgaste e dissipação de calor, o que altera a temperatura a ser medida. Por outro lado, a detecção sem contacto oferece resposta e monitorização mais rápidas a partir de um local remoto, mas não pode medir temperaturas de gases e tem restrições de temperatura ambiente que podem afectar as leituras.
Quase tudo neste mundo e universo permanece em equilíbrio delicado. A vida na Terra foi fundada porque a temperatura era ideal. A temperatura do nosso corpo precisa ser regulada, caso contrário as enzimas podem funcionar mal. Se a temperatura dos oceanos aumentasse um pouco, o Dióxido de Carbono neles dissolvido voltaria para a atmosfera, causando mais aquecimento. O ar condicionado funciona porque podemos realmente medir a temperatura e tomar medidas corretivas. Os circuitos eletrônicos funcionam perfeitamente em uma faixa específica de temperatura. Embora os sensores de temperatura possam não ser capazes de garantir o sabor, eles podem definitivamente garantir que sua refeição esteja bem cozida e que o vinho tenha um sabor simplesmente delicioso. Não admira que a temperatura seja tão importante que tenha sido definida como uma das quantidades físicas fundamentais da ciência. Portanto, a importância dos sensores de temperatura não pode ser prejudicada.