UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

SENSORES DE MEDIO DA TEMPERATURATrabalho acadmico com vista disciplina ELE0240 Eletricidade e Instrumentao, apresentado ao Prof. Luiz Carlos Stevanatto, da Graduao de Engenharia Qumica da Universidade de Caxias do Sul.

Helton G. Souza Rafael Gelain Cladio Dam Lucas Antunes Caxias do Sul, 08 de Junho de 2010

RESUMO

No contexto a seguir ser apresentado alguns sensores de medio de temperatura, quanto a sua utilizao, modelos e caractersticas. Os termopares so os sensores de temperatura mais usuais nas aplicaes industriais, seja pela sua robustez, seja pela simplicidade de operao. Entretanto, para que as medies de temperatura com termopar sejam significativas e confiveis, fundamental conhecer no somente os princpios bsicos de operao. Este o enfoque principal do texto a seguir.

Palavra-chaves: medio, temperatura, sensores, termmetro e termopar

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INDICE ANALITICO1.0 Introduo..........................................................................................................................09 2.0 Efeito mecnico.................................................................................................................10 2.1 Termmetros de expanso de lquidos em bulbos de vidro..............................................10 2.2 Termmetros bimetlicos..................................................................................................11 2.3 Termmetros manomtricos.............................................................................................12 3.0 Termmetros de resistncia eltrica.................................................................................13 3.1 Termmetros metlicos RTDs.........................................................................................13 3.1.1 Calibrao de termmetros de resistncias metlicas...................................................17 3.1.2 Montagem com RTDs......................................................................................................17 3.2 Termistores........................................................................................................................19 3.2.1 Coeficiente de Temperatura positivo PTC....................................................................20 3.2.2 Coeficiente de temperatura negativo NTC...................................................................21 3.2.3 Limitaes dos Termistores............................................................................................22 3.2.4 Aplicao de Termistores................................................................................................23 4.0 Termopar...........................................................................................................................24 4.1 Princpios fundamentais.....................................................................................................24 4.2 Os principais Termopares comerciais................................................................................25 4.3 Medio da tenso do termopar.......................................................................................27 4.4 Compensao da junta fria (junta de referncia)..............................................................28 4.5 Alguns exemplos de circuito condicionadores...................................................................30 5.0 Termmetro de Radiao..................................................................................................32 5.1 Radiao trmica...............................................................................................................333

5.2 Corpo negro e emissividade...............................................................................................33 5.3 Termmetro infravermelhos e pirmetros........................................................................38 5.4 Tipos de termmetros de radiao....................................................................................39 5.4.1 Termmetro de radiao de banda larga.......................................................................39 5.4.2 Termmetro de radiao de banda estreita...................................................................39 5.4.3 Termmetro de radiao de duas cores.........................................................................40 5.4.4 Pirmetros pticos.........................................................................................................41 5.5 Detectores ou sensores de radiao trmica.....................................................................43 5.6 Termopares infravermelhos...............................................................................................44 5.7 Campo de viso e razo distncia......................................................................................45 5.8 Medidores de temperatura unidimensional e bidimensional............................................46 5.8.1 Termgrafos de linhas....................................................................................................46 5.8.2 Termgrafos bidimensional............................................................................................47 6.0 Medidores de Temperatura com Fibras pticas................................................................50 6.1 Sistema de Sensoreamento distribudo de temperatura DTS.........................................51 7.0 Sensores Semicondutores para Temperatura....................................................................51 7.1 Caracterstica VxI da juno pn..........................................................................................52 7.2 Sensor do estado slido.....................................................................................................52 8.0 Bibliografia.........................................................................................................................53

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INDICE DE FIGURASFigura 1: Representao do Termoscpio...............................................................................09 Figura 2: Exemplo de Termmetro de bulbo de vidro.............................................................10 Figura 3: Exemplo de geometria espiral e helicoidal. Aplicao em medidor de temperatura.............................................................................................................................11 Figura 4: Termostato implementado com um bimetlico.......................................................12 Figura 5: (a) Sensor de temperatura que utiliza o principio de expanso dos gases (b) Termmetro manomtrico comercial......................................................................................12 Figura 6: Imagem de um RTD do tipo PT100............................................................................13 Figura 7: Smbolo padro para um resistor que apresenta uma dependncia linear com a temperatura; sensor resistivo com trs e com quatro terminais............................................13 Figura 8: Variao da resistncia de metais com a temperatura.............................................15 Figura 9: Fonte de corrente excitando um RTD.......................................................................17 Figura 10: Montagem a dois fios..............................................................................................18 Figura 11: Montagem a trs fios..............................................................................................18 Figura 12: Montagem a quatro fios.........................................................................................18 Figura 13: Smbolos padres dos termistores que apresentam uma dependncia no-linear com temperatura positiva (a) e negativa (b)...........................................................................20 Figura 14: Exemplo de termistores comerciais........................................................................20 Figura 15: mostra uma comparao tpica entre as curvas NTC e PTC de um termistor..............................................................................................................................................22 Figura 16: Aplicao de um termistor em um sistema de aquecimento automotivo..............23 Figura 17: (a) Imagem de um NTC utilizado em fontes chaveadas; (b) imagem de uma fonte chaveada utilizando NTC..........................................................................................................23 Figura 18: Tenso de Seebeck..................................................................................................255

Figura 19: Esquema de um termopar industrial com bainha protetora e estrutura para ligao de cabos de compensao...........................................................................................27 Figura 20: Ponto de medio...................................................................................................28 Figura 21: Uso de um voltmetro para medir a fem de um termopar do tipo T e seu circuito equivalente..............................................................................................................................28 Figura 22: Exemplo anterior com a juno de referncia imersa em banho de gelo..............29 Figura 23: Circuito genrico para compensao da junta de referncia.................................30 Figura 24: Utilizao de um sensor de temperatura (TMP35) para compensao de junta fria............................................................................................................................................31 Figura 25: Comprimentos de ondas eletromagnticas............................................................32 Figura 26: Decomposio de energia radiante em parcelas refletida, transmitida e absorvida..................................................................................................................................33 Figura 27: Resposta de um corpo negro, de um corpo cinza e de um comportamento varivel com o comprimento de onda..................................................................................................35 Figura 28: Potncia emissiva do corpo negro previsto por Planck..........................................36 Figura 29: Influncia da energia emitida, transmitida e refletida na medida de um aparelho sem contato.............................................................................................................................37 Figura 30: Medio de temperatura sem contato...................................................................38 Figura 31: Diagrama de blocos de um termmetro infra red..................................................39 Figura 32: Principio de funcionamento do termmetro de duas cores...................................40 Figura 33: Diagrama de blocos de um termmetro de radiao de duas cores......................41 Figura 34: Divisor de feixes de radiao..................................................................................41 Figura 35: Principio de funcionamento de um termmetro ptico........................................42 Figura 36: Principio de funcionamento de um termmetro ptico automtico.....................42 Figura 37: Detector que utiliza termopilha..............................................................................436

Figura 38: Detector Infrared que utiliza termopilha................................................................43 Figura 39: Diagrama simplificado.............................................................................................44 Figura 40: Campo de viso de um termmetro infrared.........................................................45 Figura 41: Cuidados com o campo de viso.............................................................................45 Figura 42: Varredura de temperatura de uma linha em movimento......................................46 Figura 43: Termgrafo.............................................................................................................47 Figura 44: (a) Sistemas de varredura com um nico sensor (b) com uma linha de sensores (c) com uma matriz de sensores...................................................................................................48 Figura 45: Detector com arranjo de sensores a temperatura controlada...............................49 Figura 46: Imagens de termografias........................................................................................50

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INDICE DE TABELASTabela 1: Especificaes para diferentes RTDs........................................................................14 Tabela 2: Caractersticas gerais dos termistores NTC de uso freqente..................................22 Tabela 3: Alguns termopares comerciais e suas caractersticas bsicas (padro ANSI)........................................................................................................................................27 Tabela 04: Erros de linearizao para os polinmios NIST......................................................31

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1. INTRODUODesde o inicio do sculo XVII, quando Galileu inventou o primeiro termmetro (Termoscpio1), vem sendo desenvolvidos instrumentos para aprimorar a medio de temperatura, seja para aplicaes em laboratrios, seja para aplicaes industriais em linhas de produo.

Figura 1: Representao do Termoscpio Atualmente o termmetro de vidro esta disponvel em uma variedade de calibraes, etilos de imerso, verses, comprimentos, escalas, mercrio ou lquidos mais seguros. Sem duvida o termmetro foi uma importante ferramenta nos processos de evoluo da cincia. A medio de temperatura no esta presente apenas nos meios industriais e cientifico, mas nas praas, em que se v a temperatura ambiente mostrada em painis. Esta tambm nos fornos de cozinha, nos refrigeradores e at mesmo o processador do computador em que estas paginas foram primeiramente escritas tem um controle e, em conseqncia, uma tomada de temperatura. Assim como na maioria dos sensores, os avanos tecnolgicos proporcionados pela sofisticao eletrnica possibilitaram o surgimento de uma ampla gama de sensores. A seguir sero abordados alguns mtodos aplicados na mediao da temperatura, apresentando os princpios bsicos dos instrumentos empregados no campo da engenharia.1

Termoscpio: tubo de vidro preenchido por gua e bolhas de vidro com alguma substncia colorida e com densidades diferentes

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2. EFEITOS MECNICOS 2.1 Termmetros de expanso de lquidos em bulbos de vidro Temos como exemplo para esta classificao os termmetros de mercrio e o de lcool. Este ltimo leva vantagem sobre o primeiro, por ter um coeficiente de expanso maior que o mercrio, mas tem um limite de temperatura mais baixo. Por sua vez, o mercrio solidifica abaixo de -37,8C. O mecanismo baseia-se no coeficiente de dilatao trmica. Com o aumento da temperatura, o lquido que esta dentro do bulbo comea a se expandir e obrigado a passar por um capilar no interior de um tubo de vidro graduado. A expanso observada na escala a diferena entre a dilatao do lquido e a dilatao do bulbo de vidro. So construdos de duas maneiras: Termomtros de imerso parcial Termomtros de imerso total A diferena entre esses dois instrumentos que o termmetro de imerso parcial estar sujeito a erros maiores, devido a diferena de temperatura entre uma parte do corpo do instrumento e o ponto de medio. Apesar de esses termmetros aparentemente serem de fcil utilizao, a simplicidade desaparece quando so necessrias precises da ordem de 1C ou mais. Nesses casos, deve aplicar correes segundo NBS-National Bureau os Standards, a utilizao adequada pode alcanar medidas de 0,05C.

Figura 2: Exemplo de Termmetro de bulbo de vidro10

2.2 Termmetros bimetlicos Constituem-se de duas tiras de metal com coeficientes de dilatao trmica diferentes, fortemente fixada. Quando uma temperatura aplicada, as duas tiras de metal comeam a se expandir, uma delas vai se expandir mais que a outra, o que resulta na deformao do conjunto, com a conseqente formao de um raio que geralmente utilizado para chavear um circuito (abrir ou fechar determinada chave ligada a um circuito), mas que pode ser utilizado para indicar uma temperatura sobre uma determinada escala calibrada.

Figura 3: Exemplo de geometria espiral e helicoidal. Aplicao em medidor de temperatura. Esse tipo de sensor utilizado em sistemas de controle ON/OFF. Em termostatos, aplicados em sistemas de segurana. A grande vantagem o baixo custo. A aplicao pratica desses sensores como detectores de temperaturas especificas normalmente em equipamentos ou dispositivos. Por exemplo, um disjuntor uma chave eltrica que possui um sistema de proteo de corrente. O sistema de proteo implementado utilizando um bimetlico. Quando uma corrente mxima fluir por esse bimetlico, o mesmo aumenta sua temperatura e deforma-se a ponto de movimentar uma chave mecnica que desarma a chave eltrica, interrompendo o caminho da corrente.

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Figura 4: Termostato implementado com um bimetlico 2.3 Termmetros manomtricos Utilizam a variao de presso obtida pela expanso de algum gs ou vapor como meio fsico para relacionar com temperatura. No caso, mede-se a variao de presso. A escala de medio pode variar conforme o fluido utilizado: De mercrio cobrem uma faixa de -38 a 590C Com gs cobrem a faixa de -240 a 645C Muitos termostatos so implementados com o principio da expanso de um gs em uma cmara que faz movimentar um dispositivo mecnico para fechar ou abrir uma chave.

(a)

(b)

Figura 5: (a) Sensor de temperatura que utiliza o principio de expanso dos gases (b) Termmetro manomtrico comercial.12

3. TERMMETROS DE RESITNCIA ELTRICA 3.1 Termmetros metlicos RTDs Um tipo de medidor de temperatura bastante conhecido e preciso so os termmetros baseados na variao de resistncia eltrica. So denominados RTDs (Resistance Temperature Detectors). Funcionam com base no fato de que, de modo geral, a resistncia dos metais aumenta com a temperatura. Com esse tipo de sensores: RTDs comuns podem fazer medidas com erros da ordem de 0,1C, enquanto os termmetros de resistncia de platina podem chegar a erros da ordem de 0,0001C.

Figura 6: Imagem de um RTD do tipo PT100 O metal mais comum para esta aplicao a platina, e as vezes denominado PRT (Platinum Resistance Thermometer), cujo smbolo esta apresentado na Figura 7

Figura 7: Smbolo padro para um resistor que apresenta uma dependncia linear com a temperatura; sensor resistivo com trs e com quatro terminais. As principais caractersticas dos RTDs so: Condutor metlico (a platina o metal mais utilizado) So dispositivos praticamente lineares Dependendo do metal so muito estveis Faixa de operao (-200C a +850C) Apresentam baixssima tolerncia de fabricao (0,06% a 0,15%) Os termmetros de resistncias so, portanto, considerados sensores de alta preciso e tima repetibilidade de leitura. So confeccionados com um fio (ou um enrolamento) de13

metal de alto grau de pureza, usualmente cobre, platina ou nquel. Tambm so construdos depositando-se um filme metlico em um substrato cermico. Geralmente a platina a melhor escolha, por ser um metal quimicamente inerte e, assim, conservar suas caractersticas a altas temperaturas (no se deixa contaminar com facilidade), alm de poder trabalhar a altas temperaturas devido ao seu elevado ponto de fuso. A platina tem uma relao resistncia/temperatura estvel sobre a maior faixa de temperatura (184,44 a 648,88C). O cobre tem uma relao bastante linear, porm oxida a temperaturas muito baixas e no pode ser utilizado acima de 150C. A platina o melhor metal para construo de RTD, basicamente por alguns motivos: Dentro de uma faixa resistncia/temperatura bastante linear; Essa faixa muito repetitiva; Sua faixa de linearidade a maior entre os metais. A preciso de um RTD significamente maior que um termopar quanto utilizado dentro da faixa de -184,4 a 648,88C. A faixa de temperatura mais comum de sensores industriais vai de -200 a 500C. Na Tabela 1 podemos observar as especificaes para diferentes materiais que podem constituir um RTD e na Figura 6 mostra a variao de alguns metais com a temperatura. Tabela 1: Especificaes para diferentes RTDs

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Figura 8: Variao da resistncia de metais com a temperatura Alm da temperatura dos elementos e ainda tenses mecnicas internas influem nas caractersticas resistncia-temperatura dos elementos. So fatores como contaminantes qumicas e ainda tenses mecnica que reduzem a vida til dos RTDs. Como se pode observar na Figura 8 cada metal apresenta uma sensibilidade diferente. O valor dessa sensibilidade esta relacionado com o coeficiente de temperatura da resistncia. Definindo a variao de resistncia do metal em funo da variao de temperatura temos: ?????? = ???????????? ?????? + ?????? ?????? ???????????? Sendo R a resistncia a temperatura T ??????0 a resistncia de referencia a temperatura de referencia ??????0 ?????? o coeficiente de temperatura do material15

?????? portanto, o coeficiente trmico do resistor calculado pela resistncia medida a duas temperaturas de referncia: ?????? = ?????? ???????????? ???????????? ?????? ????????????

Ou, de maneira especifica, entre 0C e 100C: ?????? = ???????????????????????? ???????????? ???????????? ????????????????????????

Esta equao utilizada em faixa de temperaturas pequenas, nas quais pode-se considerar a variao da resistncia em funo da temperatura uma curva linear. A sensibilidade do sensor de temperatura , por definio, a razo da varivel de a sada pela varivel de entrada. ???????????????????????? = ?????? ???????????? ?????? ???????????? ?????? + ?????? ?????? ???????????? = = ?????? ???????????? ???????????? = ??????????????????

Para se utilizar um sensor do tipo RTD necessrio fazer uma corrente eltrica passar pelo mesmo. Essa corrente ser responsvel pela dissipao de potncia por efeito joule. Isto faz com que o sensor indique uma temperatura mais lata que o valor real dessa temperatura. A isso se chama erro de auto-aquecimento. A fim de reduzir esses erros, deve-se: Reduzir a potncia dissipada pelo sensor (geralmente se utiliza uma corrente de 1 mA). Utilizar um sensor com baixa resistncia trmica, o que favorece a dissipao do calor. Uma resistncia trmica baixa esta geralmente ligada ao tamanho desse sensor. Deve-se ainda aumentar ao mximo a rea de contato do sensor. A estabilidade de um sensor RTD depende do seu ambiente de trabalho: Quanto mais altas as temperaturas, maior a rapidez com que ocorrem desvios indesejveis e contaminaes. Abaixo de 400C, os desvios so insignificantes, porm entre 500C e 600C os mesmos tornam-se um problema (erros de alguns graus por ano).16

Choques mecnicos, vibraes e a utilizao inadequada tambm mudam as caractersticas do sensor e podem ter erros instantneos. A umidade pode introduzir erros, uma vez que a gua condutora. 3.1.1 Calibrao de termmetros de resistncias metlicas Existem dois mtodos utilizados para a calibrao dos RTDs: Mtodo do ponto fixo: utilizado para calibraes de alta preciso e consiste na utilizao de temperaturas de fuso ou solidificao de substancias como gua, zinco e argnio para gerar os pontos fixos e repetitivos de temperatura. Esse processo costuma ser lento e caro. Em ambiente industrial utilizado o banho de gelo, pois pode acomodar vrios sensores de uma s vez. Mtodo de comparao: utiliza um banho isotrmico estabilizado e aquecido eletricamente, no qual so colocados os sensores a calibrar e um sensor padro que servir de referncia. 3.1.2 Montagem com RTDs Uma da maneiras mais populares de utilizao de RTDs por meio de uma fonte de corrente para excitar o sensor a tenso sobre o mesmo (Figura 9).

Figura 9: Fonte de corrente excitando um RTD Outra maneira de implementar um termmetro com RTDs utilizar um circuito em ponte de Wheatstone. A Figura 8 tem uma ligao para cada terminal do bulbo, satisfatria em locais em que o comprimento do cabo do sensor ao instrumento no ultrapassa 3 m para bitola de 20 AWG.17

Figura 10: Montagem a dois fios A Figura 11 representa o que usualmente utilizado industrialmente, haver compensao da resistncia eltrica pelo terceiro fio.

Figura 11: Montagem a trs fios

A Figura 12 existem duas ligaes para cada lado da ponte, anulando os efeitos das resistncias dos cabos.

Figura 12: Montagem a quatro fios18

A diferena entre essas montagens que, na ligao a dois fios, haver influencia dos cabos de ligao na tenso de sada. Considerando-se a situao de equilbrio, quando a resistncia do RTD for R, a tenso na ponte ser ?????????????????? = ?????? ???????????????????????? + ?????????????????? ?????? ?????? ?????????????????? = ?????? ?????? + ???????????????????????? + ?????????????????? ?????? ???????????? + ??????????????????

Se os valores das resistncias dos cabos (longos) forem significativos, ser introduzido um erro devido aos mesmos. No caso da montagem a trs fios, pode-se observar a Figura 9, em que a situao ?????????????????? = ?????? + ???????????? ???????????? ???????????????????????? + ???????????? ???????????? No equilbrio ou quando a resistncia do RTD for igual a R, tem-se: ?????????????????? = ?????? Isto acontece porque a ligao do terceiro fio compensou a queda de tenso devido resistncia dos cabos. Na ligao a quatro fios (Figura 10), o raciocnio pode ser o mesmo para se chegar a ?????????????????? = ?????? + ?????????????????? ???????????? ???????????????????????? + ?????????????????? ???????????? e, novamente no equilbrio, ou quando a resistncia do RTD for igual a R, tem-se ?????????????????? = ?????? 3.2 Termistores Os termistores so semicondutores cermicos que tambm tm sua resistncia alterada como efeito direto da temperatura, mas que geralmente possuem um coeficiente de variao maior que os RTDs. Esses dispositivos so formados pela mistura de xidos metlicos prensados e sintetizados em diversas formas. So designados como NTC (negative temperature coeficient) quando apresenta coeficiente de temperatura negativo e PTC (positive temperature coeficient) quando apresenta coeficiente de temperatura positivo.

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(a)

(b)

Figura 13: Smbolos padres dos termistores que apresentam uma dependncia nolinear com temperatura positiva (a) e negativa (b) Esses dispositivos no so lineares e apresentam uma sensibilidade elevada (em geral, 3% a 5% por C) com faixa de operao tpica de -100C a +300C. A sua faixa de tolerncia de fabricao tambm varia (geralmente de 5% a 20%).

Figura 14: Exemplo de termistores comerciais Conforme Michael Faraday, em 1833, os termistores so dispositivos baseados na dependncia da temperatura de uma resistncia semicondutora, que varia o numero de cargas portadoras disponveis e sua mobilidade. Quando a temperatura aumenta, o numero de cargas portadoras tambm aumenta e a resistncia diminui. Para o coeficiente de temperatura negativa, essa dependncia varia com as impurezas, e quanto a dopagem considervel, o semicondutor apresenta propriedades metlicas e um coeficiente de temperatura positiva em uma determinada faixa de temperatura. 3.2.1 Coeficiente de temperatura positivo PTC Os PTCs aumentam a sua resistncia com o aumento da temperatura. A aplicao mais comum desse tipo de componente a compensao de semicondutores e circuitos. Dependendo da sua composio e do seu nvel de dopagem, alguns termistores PTC20

baseados na dopagem por silcio mostram um declive baixo com a temperatura, e so chamados de tempsistores ou silistores, e, na faixa de temperatura de -60C a +150C, podem ser descritos por ??????????????????, ?????????????????? + ?????? ???????????? = ?????????????????? . ??????????????????, ????????????????????????,??????

Apesar de existirem muitas aplicaes com PTCs, os termistores com coeficiente negativo de temperatura (NTCs) so mais populares. 3.2.2 Coeficiente de temperatura negativo NTC Consistem em xidos metlicos. Estes componentes diminuem a sua resistncia eltrica com o aumento da temperatura. A dependncia da resistncia em relao temperatura do termistor tipo NTC aproximadamente igual a caracterstica apresentada por semicondutores intrnsecos, para os quais a variao na resistncia eltrica devida a excitao de portadores no gap de energia. Nesses componentes, o logaritmo da resistncia tem uma variao aproximadamente linear com o inverso da temperatura absoluta. Para faixas de temperatura e ainda desconsiderando-se efeitos com o autoaquecimento, pode escrever a seguinte relao ???????????? ???????????? ?????? + Sendo a constante do termistor dependente do material T a temperatura absoluta em K A um constante Considerando ??????0 de referencia (em K) tem-se uma resistncia conhecida ??????0 pode-se fazer: ???????????? ???????????? . ????????????. ?????? ?????? ?????? ????????????

?????? ??????

A constante pode ser calculada pela resistncia do termistor NTC a duas temperaturas de referncia ??????1 e ??????2 . Se as resistncias medidas so ??????1 e ??????2 , temos:

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?????? =

?????? ???????????? ???????????? ?????? ?????? ???????????? ??????????????????

Figura 15: mostra uma comparao tpica entre as curvas NTC e PTC de um termistor 3.2.3 Limitaes dos termistores As limitaes dos termistores para a medio de temperatura e de outras quantidades fsicas so similares as dos RTDs, mas os termistores so menos estveis que os RTDs. Os temistores so amplamente utilizados e apresentam alta sensibilidade e alta resoluo para a medio de temperatura. Sua alta resistividade permite massa pequena com rpida resposta e cabos de conexo longos. Tabela 2: Caractersticas gerais dos termistores NTC de uso freqente.

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3.2.4 Aplicao de termistores Um sistema de aquecimento de veculo formado por uma bateria, um resistor varivel em srie, um termistor e um microampermetro. A corrente no circuito um funo nolinear da temperatura em funo do termistor, mas a escala do microampermetro poder estar calibrada.

Figura 16: Aplicao de um termistor em um sistema de aquecimento automotivo. Outra aplicao do tipo NTC no exatamente como sensores. Fontes chaveadas so conversores estticos CC-CC que utilizam capacitores em cm valores relativos altos. No momento que so ligados, esses capacitores so carregados por um pico de corrente que pode inutiliz-los. comum utilizar NTC na entrada desses componentes, pois de inicio o NTC esta a temperatura ambiente e sua resistncia esta relativamente alta, limitando, a corrente de carga inicial dos capacitores. Como as correntes de trabalho tambm podem ser altas, o NTC esquenta e baixa sua resistncia e, em conseqncia, a queda de tenso.

(a)

(b) imagem de uma fonte chaveada utilizando NTC.23

Figura 17: (a) Imagem de um NTC utilizado em fontes chaveadas; (b)

4.0 Termopar Os sensores termopares so exemplos de sensores self-generting , ou sensores ativos, os quais geram um sinal eltrico a partir de um mensurando sem necessitar de alimentao. Estes sensores so muitas vezes denominados transdutores eltricos, pois fornecem tenso ou corrente eltrica em respostas ao estmulo. Entre 1821 e 1822, Thomas J.Seebeck observou a existncia dos circuitos termeltricos quando estudava o efeito eletromagntico em metais. Observou que um circuito fechado, formado por dois metais diferentes, percorrido por uma corrente eltrica quando as junes esto expostas a uma diferena de temperatura (efeito de Seebeck). Em 1834,Jean C. A. Peltier descobriu que quando existe um fluxo de corrente na juno de dois metais diferentes, h liberao ou adsoro de calor. Esse efeito conhecido como fenmeno de Peltier, e pode ser definido como a mudana do contedo de calor quando uma quantidade de carga atravessa a juno. Em 1851, Lord Kelvin verificou que um gradiente de temperatura em um condutor metlico acompanhada de um pequeno gradiente de tenso cujas magnitudes e direo dependem do tipo de metal. 4.1 Princpios fundamentais O circuito de Seebeck, denominado termopar uma fonte de fora eletromotriz (tenso eltrica). Portanto, o termopar pode ser utilizado como um sensor de temperatura ou como fonte de energia eltrica, porm, na maioria das aplicaes, utilizado somente como sensores de temperatura, pois os termopares metlicos apresentam baixssimo rendimento. A polaridade e a magnitude da tenso (tenso de Seebeck) Vs, depende da temperatura das junes e do tipo de material que constitui o elemento termopar.

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Figura 18: Tenso de Seebeck A principal aplicao relacionada tenso de Seebeck e sua dependncia que, se a juno q, por exemplo, mantida a uma temperatura fixa (em geral denominada temperatura de referencia), T2 a tenso de Seebeck unicamente funo da T1 da outra juno (na Figura 18 denominada juno p). Portanto, medindo-se a tenso de Seebeck pode-se determinar a temperatura T1, desde que se tenha levantado experimentalmente a funo Vs(T1) relativa temperatura de referencia T2. A tenso no afetada pelas temperaturas intermediarias T3 e T4. Outra lei essencial para a correta utilizao dos termopares a chamada lei das temperaturas sucessivas, que descreve a relao entre a fem obtida para diferentes temperaturas de referncia ou de juno fria. Esta lei permite compensar ou prever dispositivos que compensem mudanas de temperatura da junta fria. 4.2 Os principais termopares comerciais Os principais requisitos gerais e simultneos desejados na escolha dos metais para formao de um par termeltrico so descritos abaixo: Resistncia oxidao e a corroso conseqentes do meio e das altas temperaturas. Linearidade dentro do possvel Ponto de fuso maior que a maior temperatura qual o termopar usado Sua fem deve ser suficiente para ser medida com preciso razovel25

Sua fem deve aumentar continuamente com o aumento da temperatura Os metais devem ser homogneos Suas resistncias eltricas no devem apresentar valores que limitem seu uso Sua fem deve ser estvel durante a calibrao e o uso dentro de limites aceitveis Sua fem no deve ser alterada consideravelmente por mudanas qumicas, fsicas ou pela contaminao do ambiente

Deve ser facilmente soldado pelo usurio

Abaixo so descritos os principais tipos de termopares: Os termopares do tipo J (ferro-constant) so versteis, de baixo custo e indicado

para atmosferas inertes ou redutoras (at 760C). No so indicados para ambientes oxidantes. Os termopares do tipo K (cromel-alumel) tm uma faixa de medio melhor do

que a dos tipos E, J e T em ambientes oxidantes. No so indicados para atmosferas redutoras. Os termopares do tipo T (cobre-constant) so resistentes a corroso e teis em

ambientes excessivamente midos. Resistem em atmosferas redutoras e oxidantes e so muito utilizados a temperaturas negativas. O termopar do tipo E (cromel-constant) apresenta alta sensibilidade e resiste a

processos corrosivos inferiores a 0 C e a ambientes oxidantes. Os termopares baseados em metais nobres (B (Pt (6 %)-rdio-Pt(30 %)-rdio), R

(Pt(13 %)-rdio-Pt) e S (Pt (10 %)-rdio-Pt)) so altamente resistente oxidao e corroso. Os termopares dos tipos C e N no so padres ANSI; so filmes finos para

medio de temperatura superficial. A Tabela 03 apresenta alguns termopares comerciais e suas caractersticas bsicas.

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Tabela 03: Alguns termopares comerciais e suas caractersticas bsicas (padro ANSI)

A Figura 19 traz um esboo de um termopar industrial com bainha.

Figura 19: Esquema de um termopar industrial com bainha protetora e estrutura para ligao de cabos de compensao. 4.3 Medio da tenso do termopar Pode-se observar experimentalmente que a diferena de potencial que surge nos terminais de um termopar no depende do ponto escolhido para se abrir o circuito. Porm, normalmente o ponto de medio corresponde a uma juno que recebem os nomes mostrados na Figura 20.

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Figura 20: Ponto de medio. Pode-se medir a tenso de Seebeck (Vs) diretamente conectando-se um voltmetro ao termopar, como, por exemplo, ao medir a fem de um termopar do tipo T pelo uso de um voltmetro adequado, conforme o esboo da Figura 21.

Figura 21: Uso de um voltmetro para medir a fem de um termopar do tipo T e seu circuito equivalente. 4.4 Compensao da junta fria (junta de referncia) Na maioria das aplicaes, o instrumento de medida e o termopar esto afastados. Sendo assim os terminais do termopar podero ser conectadas a uma espcie de cabeote so adaptados fios de compensao at o instrumento. Para reduzir o efeito

da juno J2, preciso que uma juno permanea a uma temperatura fixa (temperatura de referncia) para se poder aplicar corretamente o efeito de Seebeck na medio de temperatura. A seguir sero apresentados alguns mtodos para compensao da junta.28

Banho de gelo: uma das solues a colocao da juno de referncia em um banho de gelo. Facilmente se obtm uma boa preciso, mas necessria manuteno freqente do banho. Esse modelo de banho demonstrado na Figura 22.

Figura 22: Exemplo anterior com a juno de referncia imersa em banho de gelo. A temperatura na junta de referncia zero e no a tenso a tenso de sada dessa juno (que funo da temperatura absoluta). Adicionando a tenso da juno de referncia, obtemos V referenciado a 0 C. Este mtodo utilizado pelo NIST como ponto de referncia para suas tabelas padres dos termopares. Pode-se utilizar outro mtodo usando apenas fios de cobre, mas a necessidade de temperatura de referncia permanece. Quando a faixa de interesse pequena com relao temperatura ambiente, posemos deixar a juno de referncia exposta ao ambiente. Um mtodo amplamente empregado a utilizao do bloco isotrmico em vez da banho de gelo. Porm, necessrio medir a temperatura do bloco isotrmico (como juno de referncia) e utilizar essa medida para determinar a temperatura desconhecida (da juno de medida). Pode-se utilizar um termistor para medir a temperatura da juno de referncia e com um multmetro adequado. Outra possibilidade deixar a juno de referncia temperatura ambiente (sujeita,evidentemente, a flutuao), mas ao mesmo tempo medir com outro sensor de temperatura posicionado prximo juno de resistncia. Depois,uma tenso igual a gerada na juno fria somada a uma tenso produzida pelo circuito fazendo a compensao.29

4.5 Alguns exemplos de circuito condicionadores Podem-se resumir os conceitos anteriormente apresentados pelo circuito genrico da Figura 23 que representa a necessidade de compensar a junta fria de referncia. O bloco isotrmico deve manter as junes Metal A-Cobre e Metal B-Cobre mesma temperatura, e a tenso desse bloco isotrmico que substitui o banho de gelo deve ser descontada da tenso da junta de medida ou junta quente (neste exemplo V1).

Figura 23: Circuito genrico para compensao da junta de referncia. O circuito da Figura 23 condiciona a sada de um termopar do tipo K compensando a junta fria para temperaturas entre 0 C e 250 C. O circuito alimentao por uma tenso de +3,3 V a +12V e foi desenvolvido para apresentar uma sada de 10 mV/C.

30

Figura 24: Utilizao de um sensor de temperatura (TMP35) para compensao de junta fria. Na utilizao de termopares deve-se observar as principais fontes de erros: compensao, linearizao, medio, fios do termopar e erros experimentais. O erro de compensao da juno fria devido principalmente baixa preciso do sensor de temperatura e s

diferenas de temperatura entre o sensor e seus terminais. Uma soluo utilizar um bloco isotrmico para limitar os gradientes de temperatura e termistores de alta preciso. A Tabela 04 erros de linearizao para os polinmios NIST. Tabela 04: Erros de linearizao para os polinmios NIST.

5.0 Termmetro de Radiao Todos os corpos so formados por tomos e molculas, e quando ocorre uma agitao desses tomos e molculas, ocorre variao na temperatura absoluta do corpo, com isso, quanto a temperatura de um corpo aumenta, as molculas esto em grau de agitao maior que em seu estado de equilbrio. Como ocorre essa movimentao dos tomos, e os tomos apresentam cargas positivas e negativas, ocorre uma gerao de um campo eletromagntico, denominado radiao trmica. Essa radiao pode ser refletida, filtrada e determinar a temperatura de qualquer objeto. Essa radiao pode ser determinada pelo seu comprimento de onda e intensidade. Objetos muito quentes irradiam energia eletromagntica na regio visvel do espectro de31

0,4m e 0,7m, um exemplo bem comum so as lmpadas incandescentes, quando ela esta muito quente a sua intensidade de cor e brilho bem alta, conforme vai esfriando a sua colorao torna-se amarelada, at perder totalmente a cor visvel pelo olho humano, porm a lmpada continua irradiando na faixa do infra-red. A figura 25, demonstra a faixa do comprimento de onda.

Figura 25: Comprimentos de ondas eletromagnticas Com isso, pode-se concluir que possvel medir a temperatura de um objeto medindo apenas a radiao trmica que ele emite. Essa medida pode ser realizada atravs da intensidade da radiao ou analisando a caracterstica do comprimento de onda. 5.1 Radiao trmica O olho humano utiliza apenas uma pequena frao da luz emitida pelo sol, dentro desta faixa visvel, com isso tornou-se necessrio algum artifcio matemtico para quantificar a energia de radiao trmica. Para isso utiliza-se a Lei de Planck . Aonde Planck sups que a radiao trmica era formada por pacotes de energia denominada ftons e a sua magnitude era dependente do comprimento de onda dessa radiao. Para calcular a energia total multiplica-se a constante de Planck h = 6,6256x10 -34 e a freqncia de radiao (v), em 1905 Einstein postulou que o fton formado por partculas que se movimentam velocidade da luz, com isso chegou-se a equao:32

?????? = ???????????? =

???????????? ??????

Compreendendo essa formula, conclumos que a quantidade de energia depende do comprimento de onda ou da freqncia da radiao. 5.2 Corpo negro e emissividade A energia que incide em um corpo, pode ser refletida, absorvida ou transmitida. Se esse corpo possui temperatura constante, ento a taxa de energia absorvida igual a taxa de energia emitida, caso contrario a temperatura do corpo iria variar. A figura 26 demonstra esse fenmeno

Figura 26: Decomposio de energia radiante em parcelas refletida, transmitida e absorvida Em 1860, Kirfchhoff definiu corpo negro como uma superfcie que no reflete e nem transmite, mas apenas absorve energia. Se a frao absorvida por um corpo real denominada , para o corpo negro ?????? = ?????????????????? = 1. Para corpos que no se comportam como corpo negro ideal 0 < 1. O calor de radiao transmitido pode ser escrito como: ???????????????????????????????????????????????????????????? = ??????. ???????????????????????????????????????????????????????????? Alm de absorver toda a radiao incidente, o corpo negro tambm um perfeito emissor, para avaliar a capacidade de emisso, Kirfchhoff definiu a emissividade como: = ???????????????????????????????????????????????? ???????????????????????? ?????????????????????????????? ???????????????????????????????????? ??????????????????????????????

A emissividade depende da temperatura e da superfcie do corpo, esses parmetros constituem um importante fator na medio de temperatura sem contato. No final do33

sculo XIX Stefan e Boltzmann desenvolveram experimentos que levaram a concluso de que a radiao emitida da superfcie do corpo proporcional a quarta potncia da temperatura absoluta, ou seja, q = Ts4, onde = 5,67 x 10 -8 W/m2. A taxa de transferncia de calor por radiao para um corpo que no tem comportamento de corpo negro por unidade de rea definido como: ?????? = ??????. ??????(???????????? ???????????? ) ?????? ?????????????????? Algum objetos podem apresentar caractersticas similares a de um corpo negro, porem apresentam menor que a unidade, da esses objetos podem ser classificados como: Corpo Cinza Quando a emissividade no varia com o comprimento de onda; Corpo No Cinza - Quando a emissividade varia com o comprimento de onda.

A maioria dos objetos orgnicos so corpos cinza com emissividade entre 0,9 e 0,95. A figura 27 demonstra a resposta de um corpo negro, de um corpo cinza e de um comportamento varivel com o comprimento de onda.

Figura 27: Resposta de um corpo negro, de um corpo cinza e de um comportamento varivel com o comprimento de onda O conceito de corpo negro importante porque mostra que a potncia radiante depende da temperatura, ao utilizarmos medidores de temperatura sem contato para medir a emissividade de um corpo, dependendo da natureza da superfcie, devemos levar em conta

34

e corrigir a emissividade. As caractersticas espectrais de um corpo negro foram determinadsa por Wihelm Wien em 1896: ????????????,???????????? ??????, ?????? = ?????????????????? ???????????? ??????????????????????????????????????????

Sendo que E,cn representa a intensidade de radiao emitida por um corpo negro a temperatura T, para um comprimento de onda por unidade de comprimento de onda, por unidade de tempo, por unidade de ngulo slido de rea h = 6,626 x 10-24

J.s e

K = 1,3807 x 10-23 J/K, so constantes universais de Planck e Boltzmann, respectivamente. Co = 2,9979 x 108 m/s que a velocidade da luz no vcuo e T a temperatura absoluta do corpo negro em Kelvin. Devido a discrepncia de resultados mais tarde foi postulado novamente a equao para: ????????????,???????????? ??????, ?????? = ???????????????????????????????????? ???????????? ????????????????????????

= ??????

???????????? ???????????? ?????????????????? ??????????????????

Onde: C1 = 2C02 = 3,742 x 108 W.m4/m2 e C2 =hCo/K = 1,439 x104 m.K Conforme a figura 28, que a distribuio de Planck, podemos observar que a radiao emitida varia continuamente com a variao do comprimento de onda, pode-se observar que a temperatura muito elevado a energia emitida fica dentro do espectro visvel.

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Figura 28: Potncia emissiva do corpo negro previsto por Planck Na distribuio espectral podemos verificar que existe um comprimento de onda no qual a energia irradiada mxima, com isso determina-se que max . T = 2897,7 m.K, esse resultado conhecido como lei de deslocamento de Wien, e indica a maior radiao emitida para cada temperatura em um comprimento de onda especfico. Com isso, conforme a faixa de temperatura do corpo a faixa de comprimento de onda varia, ou seja com o decrscimo de temperatura o termmetro infravermelho se desloca para o comprimento de onda maior. Existem tambm outras variveis que influenciam no resultado, como por exemplo que dependendo do material do corpo, a emisso so ser to eficiente como a do corpo negro, mudanas na emissividade do material, radiao de outras fontes e perdas da radiao devida a fumaas, poeira ou absoro atmosfrica podem induzir a erros. A emissividade composta por 3 importantes parmetros: A capacidade de absoro de um material significa a frao de radiao absorvida pela superfcie do material, com isso defini-se como a capacidade de absoro hemisfrica total, representando a mdia direcional e o comprimento de onda, definida como: ?????? ???????????????????????? ????????????????????????????????????????????????????????????36

capacidade de reflexo de uma superfcie define a frao de radiao que incide sobre uma superfcie que refletida, podendo se definir a capacidade de reflexo global como: ?????? ???????????????????????? ????????????????????????????????????????????????????????????

Transmissividade ou a capacidade de transmisso a propriedade de transmitir uma quantidade de radiao por meio de um material, podendo ser definida como a transmissividade hemisfrica total como: ???????????????????????????????????? ????????????????????????????????????????????????????????????

A figura 29 nos mostra um esquema de uma medio sem contato de um corpo sob a influncia dos trs parmetros acima.

Figura 29: Influncia da energia emitida, transmitida e refletida na medida de um aparelho sem contato Considerando o comportamento mdio sobre o espao total teremos a seguinte equao: ?????? + ?????? + = 1, para um corpo opaco podemos desconsiderar o valor de transmisso e ?????? + ?????? = 1. Para corpo negro a emissividade do corpo 1.

5.3 Termmetro infravermelhos e pirmetros O termo pirmetro foi originalmente empregado para denominar instrumentos utilizados para medir temperatura de corpos em alta incandescncia. Os pirmetros originais eram37

instrumentos pticos que mediam temperatura sem contato atravs da avaliao da radiao visvel emitida por objetos quentes ou brilhantes. Um conceito mais moderno que o pirmetro um instrumento para a medio de temperatura sem contato que intercepta e avalia a radiao emitida por determinada superfcie. A figura 30 mostra um equipamento

Figura 30: Medio de temperatura sem contato Basicamente esse equipamento constitudo por um sistema ptico e um detector. O sistema ptico foca a energia emitida por um objeto sobre o detector. A sada do detector proporcional a energia irradiada pelo objeto menos a energia absorvida e a resposta desse detector a um comprimento de onda especfico. A figura 31 demonstra um diagrama de blocos de um termmetro infra red, esses equipamentos so utilizados para realizar medies de corpos em movimento ou em locais de difcil acesso, o que no tem como utilizar outro equipamento.

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Figura 31: Diagrama de blocos de um termmetro infra red Apesar de ser fcil manuseio, ele apresenta algumas desvantagens, tais como o custo elevado, quando comparado com outro equipamento de medio de temperatura e para realizar a calibrao deste equipamento ainda no foi definido uma procedimento padro. A emissividade um fator entre outros utilizado para se determinar a emitncia, pois a emitncia depende da temperatura e do comprimento de onda no qual a medio executada, se a superfcie por polida ou estiver oxidada tambm ira influenciar na emitncia. 5.4 Tipos de termmetros de radiao 5.4.1 Termmetro de radiao de banda larga So os mais comuns, e custo mais baixo, trabalham na faixa de 0,3 a 20m. Para realizar a mediao no pode haver obstruo entre o corpo a ser medido e o aparelho, a faixa de trabalho varia de 0 a 1000C, com uma preciso de 0,5 a 1%. 5.4.2 Termmetro de radiao de banda estreita Tambm conhecido como termmetros de cor nica, a evoluo deste equipamento foi a incluso de um filtro para regular para a aplicao especifica desejada, com isso aumentado a preciso. As faixas de trabalham variam de fabricante, mas podem ser medidas temperaturas entre 0 a 2000C, e com uma preciso de 0,25 a 2%.

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5.4.3 Termmetro de radiao de duas cores Tambm conhecido como termmetros de razo de radiao, os mesmos captam a radiao emitida pelo objeto em 2 comprimentos de onda diferentes, com isso a medio consiste na razo das 2 medies de comprimento de onda, com isso a medio se torna mais precisa, pois interferncia como oxidao ,acabamento ou vapores de gua superficial so descartas. A figura 32 demonstra um exemplo da utilizao de 2 comprimentos de onda, j a figura 33 demonstra o esquema de funcionamento do aparelho, como podemos ver 2 filtros, um para cada comprimento de onda. Tambm podemos verificar um sensor para detectar a posio do disco. A implantao de um termmetro de duas cores pode ser feita dividindo o feixe atravs de um sistema ptico, conforme a figura 32 nos demonstra.

Figura 32: Principio de funcionamento do termmetro de duas cores

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Figura 33: Diagrama de blocos de um termmetro de radiao de duas cores

Figura 34: Divisor de feixes de radiao As faixas de trabalham variam de fabricante, mas podem ser medidas temperaturas entre 50 a 3700C, e com uma preciso de 0,5 a 2%. 5.4.4 Pirmetros pticos Esses aparelhos medem a radiao do objeto em uma pequena banda de comprimento de onda do espectro trmico, os equipamentos antigo utilizavam o brilho avermelhado em aproximadamente 0,65 m, os equipamentos atuais j podem realizar medies na faixa do infravermelho. A figura 35, demonstra o funcionamento de um equipamento.

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Figura 35: Principio de funcionamento de um termmetro ptico Esses aparelhos realizam medies por comparaes, aonde ele seleciona uma faixa especfica de radiao no visvel e compara com a radiao de uma fonte calibrada. Atualmente existe equipamento automtico, aonde o olho humano substitudo por um detector de radiao eletrnico. A figura 36 demonstra o funcionamento de um aparelho automtico.

Figura 36: Principio de funcionamento de um termmetro ptico automtico A preciso de um equipamento destes de 1 a 2%.

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5.5 Detectores ou sensores de radiao trmica Existem dois tipos de detectores, os detectores quntico que os que atuam na faixa prxima a regio de infravermelho e os detectores trmicos, que atuam na regio afastada do infravermelho. Alm destes dois existem outros, que so as termopilhas, que tambm podem ser definidas como termopares ligados em srie. Juntas so fixadas no substrato e um compensador e colocado em contato com o ambiente que servir como referencia a figura 37 representa uma termopilha.

Figura 37: Detector que utiliza termopilha O desempenho dessas termopilhas caracteriza-se pela alta sensibilidade e baixo rudo. A figura 38 mostra um termmetro infravermelho implementado com uma termopilha.

Figura 38: Detector Infra red que utiliza termopilha Outro exemplo que temos de detectores, so os detectores piroeltricos, tambm definidos como sensores infravermelho passivos, esses sensores mudam a carga superficial em43

resposta a radiao recebida. Tambm existem os Bolmetros que so sensores em miniatura de termistores, aonde o principio de funcionamento baseado na relao fundamental de energia absorvida e de um sinal eletromagntico e a potencia dissipada. Geralmente so utilizados quando no se precisa de respostas rpidas. Sensores ativos de radiao infravermelha esse como diferencial dos anteriores, tem um sensor de medida de temperatura na superfcie. Para controlar a temperatura da superfcie do detector necessrio uma potencia eltrica P e para poder comparar a Ts o circuito mede este ponto e compara com uma referncia interna. A figura 39, mostra um diagrama simplificado deste tipo de sensor.

Figura 39: Diagrama simplificado Outro exemplo que temos de detectores, so os detectores piroeltricos, tambm definidos como sensores infravermelho passivos, esses sensores mudam a carga superficial em 5.6 Termopares infravermelhos Os termopares infravermelhos tm na sua sada a variao de uma tenso (mV) em funo da variao de temperatura. Esses equipamentos tm um sofisticado sistema ptico eletrnico embutido em um invlucro de forma tubular e aparentemente simples. Atualmente encontra-se no mercado uma gama muito grande destes medidores, aonde as faixas de trabalho variam de -45 a 2760Cmedi e com preciso de at 0,01C. Esses equipamentos devem ser calibrados conforme as propriedades do material a ser medido, para isso a medio realizada com um outro equipamento confivel.

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5.7 Campo de viso e razo distncia Para que a medio feita com um termmetro de radiao seja precisa, necessrio que o corpo alvo esteja dentro do campo de viso do aparelho, algum equipamento apresentam um feixe de laser para apontar a regio de medio. A figura 40 mostra o campo de viso de um termmetro infrared.

Figura 40: Campo de viso de um termmetro infrared Quando o termmetro calibrado, deve-se garantir que todo o campo de viso foi preenchido, caso contrrio a temperatura lida ser menor que a temperatura real. A figura 41 mostra a medio correta e incorreta.

Figura 41: Cuidados com o campo de viso

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5.8 Medidores de temperatura unidimensional e bidimensional Tambm conhecidos como scanners de linha ou termografia de linha, geralmente aplicado na indstria de vidro, fibras e papel. J os termgrafos so aplicados nas reas de manuteno, engenharia, biomedicina entre outras. 5.8.1 Termgrafos de linhas Esses dispositivo utiliza um detector nico que limitado a medir a temperatura de apenas um ponto. Entretanto, um conjunto de peas mveis e um espelho fazem com que o ponto de medio esteja em constante movimento. Assim, o detector faz a medio da imagem de um ponto sobre uma linha conforme o movimento do sistema ptico. Esse termgrafo utilizado para medir linhas mveis, a figura 42 demonstra um sistema de termografia unidimensional.

Figura 42: Varredura de temperatura de uma linha em movimento A resoluo deste equipamento funo da velocidade do corpo medido, do numero de medidas por varredura e do numero de linhas varridas. A medida tambm depende da limpeza do caminho ptico, dependendo do sistema pode ser necessrio um sistema de refrigerao para o sensor. Uma aplicao bem comum desta termografia na industria de fabricao de vidro.

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5.8.2 Termgrafos bidimensional consiste na adio de mais uma dimenso geomtrica no dispositivo citado anteriormente,leva a anlise termogrfica bidimensional, a figura 43 demonstra.

Figura 43: Termgrafo

Esse equipamento mostra o objeto com tonalidades diferentes de cor que variam conforme a temperatura. O termgrafo responde a radiao infravermelha emitida pelo objeto. Assim como outros equipamentos deve-se ter cuidado com a emissividade e com o caminho de viso do aparelho. Os detectores do equipamento so arranjados de maneira que possam ser varridos sucessiva e rapidamente. A figura 44 mostra 3 esquemas diferentes.

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(a)

(b)

(c) Figura 44: (a) Sistemas de varredura com um nico sensor (b) com uma linha de sensroes (c) com uma matriz de sensores48

Os detectores deste equipamento necessitam trabalhar a temperaturas relativamente baixas, pois a temperatura do detector pode influenciar na temperatura medida, por isso o detector colocado em um sistema de resfriamento conforme descrito na figura 45. Os detectores trmicos tm a desvantagem de serem mais lentos, porem no tem a necessidade de resfriamento. A radiao incidente absorvida por um eletrodo escurecido, e o calor gerado transferida a camada piroeltrica, ligado a um dieltrico polarizado. As cargas geradas pelo sensor piroeltrico mudam a polarizao do dieltrico, a qual adquirida e associada a temperatura.

Figura 45: Detector com arranjo de sensores a temperatura controlada A resoluo de um termgrafo est relacionada a duas variveis: Temperatura e espao. A temperatura funo do tipo e das caractersticas do elemento detector e o espao funo do nmero de elementos detectores. Apesar de simples, deve-se ter muito cuidado ao manusear esses equipamentos, pois qualquer desvio do aparelho poder alterar o valor da medio. A figura 46 mostra imagens de termografia reais.

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Figura 46: Imagens de termografias

6.0 Medidores de Temperatura com Fibras pticas O desenvolvimento da fibra ptica foi impulsionado por interesses militares aps a Segunda Guerra Mundial. Inicialmente, os principais interesses estavam voltados para telecomunicaes e giroscpios a laser para navegao de naves e msseis. Mais tarde, o desenvolvimento de sensores robustos, tambm para aplicaes militares, foi includo no programa de pesquisa. Independente da aplicao, a fibra ptica tem algumas vantagens: Insensibilidade a interferncias eletromagnticas, incluindo radiofreqncia; No conduz corrente eltrica ( ideal para ambientes explosivos ); Pode ser posicionada a uma certa distncia do ponto a ser medido; Os cabos de fibra ptica podem ser condicionados em dutos comuns; Alguns cabos de fibra ptica podem suportar temperaturas de at 300C;

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Capacidade para medidas distribudas intrnsecas; Passividade qumica e imune a corroso; Rigidez e flexibilidades mecnicas.

Qualquer sensoreamento via fibra ptica requer que a varivel cause, de alguma maneira, uma modulao no sinal ptico. Basicamente, essa modulao deve causar uma diferena de intensidade na radiao, na fase, no comprimento de onda ou na polarizao. Para a medida de temperatura, a variao da intensidade o efeito que prevalece. 6.1 Sistema de Sensoreamento distribudo de temperatura DTS Com o DTS possvel medir temperatura ao longo de grandes distncias, utilizando-se como sensor apenas um cabo de fibra ptica. Esses sistemas so autocalibrados e podem ser configurados para detectar um rompimento no sensor e a posio desse rompimento. Tais sistemas tambm possibilitam configurar um valor de temperaturaalarme, acima da qual um sinal gerado. O sensor de fibra ptica distribudo de temperatura baseado na refletometria no domnio do tempo ( ODTR ) conhecido como backscatter. A tcnica ODTR bem estabelecida e muito utilizada na indstria de telecomunicaes para a qualificao de um link de fibra ptica ou para a deteco de um problema na fibra ptica. 7.0 Sensores Semicondutores para Temperatura As principais vantagens na utilizao desse dispositivos so a linearidade, os circuitos simples e a boa sensibilidade. A principal desvantagem a limitao da faixa de temperatura, aproximadamente 200C, pois acima dessa temperatura esses dispositivos podem ser danificados. Um semiconduor puro um isolante a baixa temperatura, e sua condutividade aumenta com o aumento da temperatura. A condutividade de um semicondutor puro est diretamente relacionada com o nmero de eltrons da banda de conduo e de lacunas na banda de valncia.

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7.1 Caracterstica VxI da juno pn A caracterstica VxI no linear, porm, se plotarmos na escala logartmica, torna-se uma reta quando uma tenso positiva aplicada no lado p da juno. 7.2 Sensor do estado slido Para medidas mais precisas interessante utilizar a dependncia com relao temperatura da tenso base-emissor de um transistor alimentado com uma corrente constante no coletor.

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BIBLIOGRAFIA

Balbinot, Alexandre e Brusamarello, Valner Joo INSTRUMENTAO E FUNDAMENTOS DE MEDIDAS Volume 1. Editora LTC. 2006.Figura13 http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.ifent.org/lecciones/PTC/PTC01.jpg&imgrefurl =http://www.ifent.org/lecciones/PTC/ptc.asp&usg=__s0IESuZkFzNGB6KmkdeaYYZEqVU=&h=302&w =422&sz=8&hl=pt&start=9&itbs=1&tbnid=jt86MK1BqsayaM:&tbnh=90&tbnw=126&prev=/images%3 Fq%3Dtermistores%2Bptc%26hl%3Dpt%26gl%3Dbr%26tbs%3Disch:1 Figura 15 http://img118.imageshack.us/i/primariowu0.jpg/ http://images.google.com/imgres?imgurl=http://img.alibaba.com/photo/219527814/Resistor_NTC_ Thermistors_MF11_MF12_Compensation_NTC_Thermistors.jpg&imgrefurl=http://portuguese.alibab a.com/product-gs/resistor-ntc-thermistors-mf11-mf12-compensation-ntc-thermistors219527814.html&usg=__QRn_wVrm1rxanjtU4LP9itnXg4o=&h=360&w=360&sz=56&hl=pt&start=3&i tbs=1&tbnid=tGzCUapTOCnlRM:&tbnh=121&tbnw=121&prev=/images%3Fq%3Dtermistores%2Bntc %26hl%3Dpt%26gl%3Dbr%26tbs%3Disch:1 Slides Balbinot, Alexandre e Brusamarello, Valner Joo INSTRUMENTAO E FUNDAMENTOS DE MEDIDAS Volume 1. Editora LTC. 2006. http://www.esac.pt/noronha/jfg/IEI0910/IEI0910_Aula02_print.pdf http://www.dvtecnologia.com.br/produtos.asp?sck=1 http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/Gustavo&Ishizaki.pdf - Gustavo Rodrigues de Souza, 9915214 - Engenharia Eltrica UFPR Gustavo X, 00000 - Engenharia Eltrica UFPR

Aplicao do Termistor http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/image12/12_ 03_05.gif&imgrefurl=http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_T03.asp&usg=__7ihBIBkykQ8jp3 gZzAMIp6Ez860=&h=355&w=297&sz=5&hl=pt-BR&start=2&um=1&itbs=1&tbnid=NL3xKuTHnkaFM:&tbnh=121&tbnw=101&prev=/images%3Fq%3DTERMISTORES%26um%3D1%26hl%3DptBR%26sa%3DX%26rlz%3D1R2SKPB_pt-BRBR327%26tbs%3Disch:1 53