O que é um Detector de Temperatura por Resistência?
O que é um Detector de Temperatura por Resistência?
Definição de Detector de Temperatura por Resistência
Um Detector de Temperatura por Resistência (também conhecido como Termômetro de Resistência ou RTD) é um dispositivo eletrônico usado para determinar a temperatura medindo a resistência de um fio elétrico. Este fio é referido como sensor de temperatura. Se quisermos medir a temperatura com alta precisão, um RTD é a solução ideal, pois possui boas características lineares em uma ampla faixa de temperaturas. Outros dispositivos eletrônicos comuns usados para medir a temperatura incluem o termopar ou o termistor.
A variação da resistência do metal com a variação da temperatura é dada por,
Onde, Rt e R0 são os valores de resistência em toC e t0oC, respectivamente. α e β são constantes que dependem dos metais. Esta expressão é para uma ampla faixa de temperatura. Para uma faixa de temperatura pequena, a expressão pode ser,
Os dispositivos RTD comumente usam metais como Cobre, Níquel e Platina. Cada metal tem mudanças únicas de resistência que correspondem às variações de temperatura, conhecidas como características resistência-temperatura.
A platina tem uma faixa de temperatura de 650oC, enquanto o cobre e o níquel têm 120oC e 300oC, respectivamente. A figura 1 mostra a curva de características resistência-temperatura dos três metais diferentes. Para a platina, sua resistência muda aproximadamente 0,4 ohms por grau Celsius de temperatura.
A pureza da platina nos RTDs é verificada pela razão R100 / R0. Impurezas no material causam desvios do gráfico de resistência-temperatura esperado, afetando os valores α e β específicos do metal.
Construção do Detector de Temperatura por Resistência ou RTD
A construção é tipicamente tal que o fio é enrolado em uma forma (em uma bobina) em uma estrutura cruzada de micartilhas entalhadas para obter um tamanho pequeno, melhorando a condutividade térmica para diminuir o tempo de resposta e obter uma taxa de transferência de calor elevada. Nos RTDs industriais, a bobina é protegida por uma bainha de aço inoxidável ou um tubo protetor.
Assim, a tensão física é negligenciável, pois o fio se expande e aumenta o comprimento do fio com a mudança de temperatura. Se a tensão no fio está aumentando, então a tensão aumenta. Devido a isso, a resistência do fio mudará, o que é indesejável. Portanto, não queremos mudar a resistência do fio por quaisquer outras mudanças indesejáveis, exceto as mudanças de temperatura.
Isso também é útil para a manutenção do RTD enquanto a planta está em operação. O mica é colocado entre a bainha de aço e o fio de resistência para melhor isolamento elétrico. Devido à menor tensão no fio de resistência, deve ser cuidadosamente enrolado sobre a folha de mica. A fig. 2 mostra a visão estrutural de um Detector de Temperatura por Resistência Industrial.
Condicionamento de Sinal do RTD
Podemos encontrar este RTD no mercado. Mas devemos saber o procedimento de como usá-lo e como fazer a circuitaria de condicionamento de sinal. Assim, os erros de fios de ligação e outros erros de calibração podem ser minimizados. Neste RTD, a mudança no valor de resistência é muito pequena em relação à temperatura.
A resistência de um RTD é determinada usando um circuito de ponte, onde uma corrente elétrica constante é fornecida e a queda de tensão em um resistor é medida para calcular a temperatura. Esta temperatura é determinada convertendo o valor de resistência do RTD usando uma expressão de calibração. Os diferentes módulos do RTD são mostrados nas figuras abaixo.
Na ponte RTD de dois fios, o fio fictício está ausente. A saída é tomada dos dois extremos restantes, conforme mostrado na fig. 3. Mas as resistências dos fios de extensão são muito importantes a serem consideradas, porque a impedância dos fios de extensão pode afetar a leitura de temperatura. Este efeito é minimizado no circuito de ponte RTD de três fios conectando um fio fictício C.
Em um RTD de três fios, se os fios A e B forem idênticos em comprimento e área de seção transversal, seus efeitos de impedância se neutralizam. O fio fictício C, então, serve como um fio de senso para medir a queda de tensão sem carregar corrente. Nesses circuitos, a tensão de saída é diretamente proporcional à temperatura. Portanto, precisamos de uma equação de calibração para encontrar a temperatura.
Expressões para um Circuito RTD de Três Fios
Se conhecemos os valores de VS e VO, podemos encontrar Rg e, em seguida, podemos encontrar o valor de temperatura usando a equação de calibração. Agora, assuma R1 = R2:
Se R3 = Rg; então VO = 0 e a ponte está balanceada. Isso pode ser feito manualmente, mas se não quisermos fazer um cálculo manual, podemos simplesmente resolver a equação 3 para obter a expressão para Rg.
Esta expressão assume que, quando a resistência de ligação RL = 0. Suponha que RL esteja presente em uma situação, então a expressão de Rg torna-se,
Portanto, há um erro no valor de resistência do RTD devido à resistência RL. É por isso que precisamos compensar a resistência RL como discutimos anteriormente, conectando uma linha fictícia 'C', conforme mostrado na fig. 4.
Limitações do RTD
Na resistência do RTD, haverá uma dissipação de potência I2R pelo próprio dispositivo, que causa um leve efeito de aquecimento. Isso é chamado de autoaquecimento no RTD. Isso também pode causar uma leitura errônea. Portanto, a corrente elétrica através da resistência do RTD deve ser mantida suficientemente baixa e constante para evitar o autoaquecimento.
