Princípio de Funcionamento

O princípio de medição de temperatura utilizando termômetros de resistência se baseia na variação do valor da resistência elétrica de um condutor metálico em função da temperatura. De uma forma aproximada, mas nem por isso muito longe do real, a variação da resistência elétrica de um metal em função da temperatura pode ser representada pela expressão:

R(t) = R0 (1 + at)

onde:

R(t): Resistência elétrica à temperatura "t";

R0: Resistência elétrica à temperatura de 0°C;

a: Coeficiente de variação da resistência elétrica em função da temperatura, medido em °C;

t: Temperatura, medida em °C;

Um estudo mais detalhado mostra que o coeficiente "a" varia em função da temperatura, e esse fato deve ser considerado nos termômetros de resistência, principalmente quando os mesmos são utilizados para medição em um intervalo de temperatura acima de 100°C. Dentre os metais, aqueles que se mostraram mais adequados para a utilização na termometria de resistência são:

1 - Liga de Rh99,5% x Fe0,5%:

Utilizado para medição de temperatura na faixa de 0,5K a 25K (-272,65°C a -248,15°C);

2 - Cobre:

Utilizado para medição de temperatura na faixa de 193,15K a 533,15K (-80°C a 260°C). Possui uma linearidade de 0,1°C em um intervalo de temperatura de 200°C. Entretanto, sua baixa resistência à oxidação limita a sua faixa de temperatura de utilização.

3 - Níquel:

Utilizado para medição de temperatura na faixa de 213,15K a 453,15K (-60°C a 180°C). Os principais atrativos na sua utilização são seu baixo custo e alta sensibilidade. Sua principal desvantagem é a baixa linearidade.

4 - Platina:

Utilizado para medição de temperatura na faixa de 25K a 1235K (-248°C a 962°C). É o metal mais utilizado na construção de termômetros de resistência, pela sua ampla faixa de utilização, boa linearidade e melhor resistência à oxidação. Suas características serão apresentadas com mais detalhes a seguir.

Termômetro de Resistência de Platina

Além das características mencionadas acima sobre a platina, ela atende também a dois aspectos muito importantes: possui uma grande inércia química e é relativamente fácil de se obter na forma pura.Os termômetros de resistência de platina apresentam duas configurações básicas, a saber: Termômetro de Resistência de Platina Padrão e Termômetro de Resistência de Platina Industrial.

Termômetro de Resistência de Platina Padrão (TRPP)

Esta configuração é utilizada nos termômetros que são utilizados como padrão de interpolação na Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) na faixa de temperatura de -248°C a 962°C. O comportamento da variação da resistência em função da temperatura é dado pela expressão:

R(t) = R0 (1 + At + Bt2 + C(t - 100)t3)

Os valores típicos das constantes do termômetro de platina padrão são:R0: 25,5 Ohms;

A: 3,985 x 10-3 °C-1;

B: -5,85 x 10-7 °C-2;

C: 4,27 x 10-12 °C-4 para t < 0°C e zero para t > 0°C;

Suas principais características construtivas são:

a) O elemento sensor é feito com platina com pureza melhor que 99,999%;

b) Sua montagem é feita de modo que a platina não fique submetida a tensões;

c) São utilizados materiais de alta pureza e inércia química, tais como quartzo na fabricação do tubo e mica na confecção do suporte do sensor de platina.

A justificativa para sua utilização como padrão de interpolação da ITS-90 é a grande estabilidade do termômetro e a precisão das medições, com valores de ±0,0006°C a 0,01°C e ±0,002°C a 420°C.

Termômetro de Resistência de Platina Industrial (TRPI)

As diversas configurações de montagem dos TRPI's visam adequá-los às condições de utilização em uma planta industrial, na qual inevitavelmente estarão submetidos a condições mais agressivas. Analogamente ao TRPP, o comportamento da variação da resistência em função da temperatura é dado por:

R(t) = R0 (1 + At + Bt2 + C(t - 100)t3)

Os valores típicos das constantes do termômetro de resistência de platina industrial são:

R0: 100 Ohms;

A: 3,908 x 10-3 °C-1;

B: -5,80 x 10-7 °C-2;

C: 4,27 x 10-12 °C-4 para t < 0°C e zero para t > 0°C;

A diferença entre os valores das constantes do TRPI em relação às do TRPP é causada por o TRPI utilizar platina com teor de pureza menor, da ordem de 99,99%, devido à contaminação prévia feita com o objetivo de reduzir contaminações posteriores durante sua utilização. Entretanto, sua faixa de utilização é menor que a do TRPP, tendo como limite superior de utilização 850°C, devido à forte contaminação que ele passa a sofrer.

A principal qualidade do TRPI é sua excelente precisão, sendo disponíveis modelos com precisão de 0,1% a 0,5% na sua faixa de utilização. É possível chegar a ± 0,015°C, quando o mesmo é calibrado e utilizado com instrumentos e meios termostáticos adequados, o que lhe confere o "status" de padrão secundário de temperatura.

Tolerância em Termômetros de
Resistência de Platina Industrial


A tolerância de um TRPI é o desvio máximo permitido expresso em graus Celsius a partir da relação de temperatura e resistência nominal.

Classe de Tolerância
Tolerância (°C)
A
(0,15 + 0,002) . [T]
B
(0,3 + 0,005) . [T]
1/5''
{(0,3 + 0,005) . [T]} / 5
1/10''
{(0,3 + 0,005) . [T]} / 10

[T] Módulo de temperatura em °C (sem sinal). * Não normalizados.

A tabela a seguir apresenta valores, retirados das referências de fabricantes, onde é possível fazer uma comparação entre as tolerâncias das diferentes classes de precisão dos bulbos:

Temperatura
(°C)
Classe
Banda
A (°C)
B (°C)
1/5 (°C)
1/10 (°C)
1 (°C)
2 (°C)
3 (°C)
4 (°C)
5 (°C)
0
0,15
0,30
0,06
0,03
0,26
0,13
0,13
0,05
0,03
50
0,25
0,55
0,11
0,06
0,35
0,19
0,18
0,10
0,07
100
0,35
0,80
0,16
0,08
0,45
0,26
0,24
0,15
0,12
150
0,45
1,05
0,21
0,11
0,55
0,33
0,29
0,20
0,16
200
0,55
1,30
0,26
0,13
0,65
0,40
0,35
0,25
0,21
250
0,65
1,55
0,31
0,16
0,76
0,47
0,42
0,31
0,27
300
0,75
1,80
0,36
0,18
0,87
0,55
0,48
0,37
0,32
350
0,85
2,05
0,41
0,21
0,99
0,64
0,55
0,44
0,38
400
0,95
2,30
0,46
0,23
1,11
0,72
0,63
0,51
0,45
450
1,05
2,55
0,51
0,26
1,23
0,81
0,70
0,58
0,51
500
1,15
2,80
0,56
0,28
1,36
0,91
0,78
0,65
0,58
550
1,25
3,05
0,61
0,31
1,49
1,00
0,86
0,73
0,65
600
1,35
3,30
0,66
0,33
1,63
1,10
0,95
0,81
0,73
650
1,45
3,55
0,71
0,36
1,77
1,21
1,03
0,89
0,80
700
1,55
3,80
0,76
0,38
1,91
1,31
1,12
0,97
0,88
750
1,65
4,05
0,81
0,41
2,06
1,42
1,22
1,06
0,97
800
1,75
4,30
0,86
0,43
2,21
1,54
1,31
1,15
1,05
850
1,85
4,55
0,91
0,46
2,37
1,66
1,41
1,25
1,14

Tipos de Bulbos

Bulbos Cerâmicos

O fio é embobinado na forma helicoidal e encapsulado em invólucro cerâmico. Entre todos os tipos de bulbos é o que permite a utilização em toda faixa de temperatura, proporciona maior estabilidade, e tem versões para utilização com aplicações sujeitas a choque mecânico e vibração.

Bulbos de Vidro

O fio é embobinado na forma bifilar diretamente sobre uma base de vidro,posteriormente revestido também com vidro. Esta montagem permite a utilização em condições severas de choque mecânico e vibração, e o encapsulamento de vidro permite a utilização direta em soluções ácidas, alcalinas e líquidos orgânicos.

Bulbos de Filme Fino

Neste tipo de bulbo a platina é depositada em um substrato cerâmico proporcionando a fabricação de bulbos com dimensões reduzidas tanto na versão plana como na cilíndrica. 

Histerése

Em função das diferentes características construtivas dos bulbos cerâmico, vidro e filme fino, este efeito apresenta-se conforme a tabela abaixo:

Bulbo
Histerése Típica (% do SPAN)
Cerâmico
0,004
Filme Fino
0,04
Vidro
0,08

Esta característica também deve ser levada em consideração quando da especificação do sensor em aplicações onde o componente repetibilidade é uma variável que tem peso expressivo na incerteza total de medição.

Profundidade de Imersão

Este fator é tão importante quanto a classe de precisão e o tipo de bulbo, para se usufruir todos os benefícios da utilização de termoresistências em medições de temperatura onde necessitamos precisão e repetibilidade em valores que o sistema de medição utilizando, termopares + cabo de extensão + compensação de junta fria, não consegue atender aos requisitos necessários.
Como a termoresistência mede a TEMPERATURA ABSOLUTA em função do meio onde a mesma está instalada, a prufundidade de imersão afeta diretamente o resultado da medição.
Requisitos utilizados nos ensaios das TRPI, servem como orientação para a correta especificação dos mesmos.
Para aplicação em meios térmicos com fluídos como ar e gases, a profundidade mínima recomendada é de 15 vezes o diâmetro da bainha de proteção + o comprimento do bulbo e seu distanciamento até a ponta da bainha.
Para aplicação em meios líquidos a recomendação é de 5 vezes o diâmetro da bainha de proteção + o comprimento do bulbo e seu distanciamento até a ponta da bainha.

Temperatura de Trabalho / Vibração

Outro requisito essencial para se usufruir de todos os benefícios relativos à precisão e repetibilidade proporcionados na medição de temperatura utilizando termoresistências, é a especificação da temperatura de trabalho e as condições da aplicação e exigências do processo. Ex.: nível de vibração, choque mecânico, ensaio de tensão aplicada, umidade, condensação, flexibilidade do cabo, grau de proteção do conector ou cabeçote, medição de temperatura superficial, profundidade de imersão crítica, rápida velocidade de resposta, garantia da classe de precisão em toda a faixa de utilização, troca rápida sem interrupção do processo, aplicação sanitária / em oxigênio / em ambientes corrosivos, etc.
Normalmente são utilizados 3 tipos de montagens que se adequam aos requisitos acima, porém estes são os dados básicos que devem ser informados quando da especificação do sensor, e quanto maior fôr o detalhamento sobre a aplicação melhor será a relação custo benefício.

Tipos de Montagem

1 - Aplicação de -50 a 200 ºC
2 - Aplicação de -50 a 400 ºC
3 - Aplicação de -50 a 600 ºC

Obs.: Aplicações nas faixas de -200 a 200 ºC e 0 a 850 ºC são possíveis porém devem ser exaustivamente detalhadas e analizadas quanto aos benefícios e cuidados da instalação e manutenção.

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