Detector de Temperatura por Resistência ou RTD | Construção e Princípio de Funcionamento
O que é um RTD (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 um termopar ou um 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. 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,
Nos dispositivos RTD; o Cobre, Níquel e Platina são os metais mais utilizados. Esses três metais têm diferentes variações de resistência em relação às variações de temperatura. Isso é chamado de características de 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 de 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 é verificada medindo R100 / R0. Porque, independentemente do material que estamos usando para fabricar o RTD, deve ser puro. Se não for puro, irá se desviar do gráfico convencional de resistência-temperatura. Portanto, os valores de α e β mudarão dependendo dos metais.
Construção de um Detector de Temperatura por Resistência ou RTD
A construção é tipicamente feita de modo que o fio seja enrolado em uma forma (em uma bobina) em uma estrutura de mica entalhada para obter um tamanho pequeno, melhorando a condutividade térmica para diminuir o tempo de resposta e obter uma taxa elevada de transferência de calor. Nos RTD industriais, a bobina é protegida por uma capa 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 aumentar, então a tensão aumentará. Devido a isso, a resistência do fio mudará, o que é indesejável. Portanto, não queremos que a resistência do fio mude por quaisquer outras alterações indesejadas, exceto as mudanças de temperatura. Isso também é útil para a manutenção do RTD enquanto a planta está em operação. A mica é colocada entre a capa de aço inoxidável e o fio de resistência para melhor isolamento elétrico. Devido à menor tensão no fio de resistência, ele deve ser enrolado cuidadosamente 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 o circuito 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.
Portanto, o valor do RTD é medido usando um circuito de ponte. Ao fornecer uma corrente elétrica constante ao circuito de ponte e medindo a queda de tensão resultante através do resistor, a resistência do RTD pode ser calculada. Assim, a temperatura também pode ser determinada. 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 para 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.
Se os fios A e B estiverem adequadamente combinados em termos de comprimento e área de seção transversal, seus efeitos de impedância se cancelarão, pois cada fio está em posição oposta. Assim, o fio fictício C atua como um fio de detecção para medir a queda de tensão através da resistência do RTD e não carrega 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, suponhamos R1 = R2:
Se R3 = Rg; então VO = 0 e a ponte está equilibrada. Isso pode ser feito manualmente, mas se não quisermos fazer o cálculo manual, podemos apenas resolver a equação 3 para obter a expressão para Rg.
Esta expressão assume que, quando a resistência do fio de ligação RL = 0. Suponha que, se RL estiver presente em uma situação, então a expressão de Rg se torna,
Portanto, há um erro no valor de resistência do RTD devido à resistência RL. É por isso que precisamos compensar a resistência RL como já discutimos, conectando uma linha fictícia 'C' conforme mostrado na fig.4.
Apresentação em Vídeo sobre o Detector de Temperatura por Resistência ou RTD
