Sensores de temperatura. Parte Dois Termistores

A primeira parte do artigo falou brevemente sobre história de várias escalas de temperatura e seus inventores Fahrenheit, Reaumur, Celsius e Kelvin. Agora vale a pena conhecer os sensores de temperatura, os princípios de operação e os dispositivos para receber dados desses sensores.

A proporção de medição de temperatura em medições tecnológicas

Na produção industrial moderna, muitas quantidades físicas diferentes são medidas. Destes, a taxa de fluxo de massa e volume é de 15%, o nível de líquidos é de 5%, o tempo não é superior a 4%, a pressão é de cerca de 10% e assim por diante. Mas a medição de temperatura é quase 50% do número total de medições técnicas.

Uma porcentagem tão alta é alcançada pelo número de pontos de medição. Assim, em uma usina nuclear de tamanho médio, a temperatura pode ser medida em cerca de 1.500 pontos, e em uma grande fábrica química esse número chega a vinte ou mais mil.

Essa quantidade indica não apenas uma grande variedade de instrumentos de medição e, como conseqüência, uma infinidade de transdutores primários e sensores de temperatura, mas também demandas constantemente crescentes na precisão, velocidade, imunidade a ruídos e confiabilidade dos instrumentos de medição de temperatura.

Os principais tipos de sensores de temperatura, o princípio de operação

Quase todos os sensores de temperatura usados ​​na produção moderna usam o princípio de converter a temperatura medida em sinais elétricos. Essa conversão é baseada no fato de que é possível transmitir um sinal elétrico em alta velocidade por longas distâncias, enquanto quaisquer quantidades físicas podem ser convertidas em sinais elétricos. Convertidos em código digital, esses sinais podem ser transmitidos com alta precisão e também inseridos para processamento em um computador.

Termopares de resistência

Eles também são chamados termistores. Seu princípio de operação é baseado no fato de que todos os condutores e semicondutores têm Coeficiente de resistência à temperatura abreviado Tks. Isso é aproximadamente o mesmo que o coeficiente de expansão térmica conhecido por todos: quando aquecidos, os corpos se expandem.

Note-se que todos os metais têm um TCS positivo. Em outras palavras, a resistência elétrica do condutor aumenta com o aumento da temperatura. Aqui podemos lembrar o fato de que as lâmpadas incandescentes queimam com mais frequência no momento da ativação, enquanto a bobina está fria e sua resistência é pequena. Daí o aumento da corrente quando ligado. Os semicondutores têm um TCS negativo, com o aumento da temperatura, sua resistência diminui, mas isso será discutido um pouco mais alto.

Termistores de metal

Parece que é possível usar qualquer condutor como material para termistores, no entanto, vários requisitos para termistores dizem que isso não é verdade.

Primeiro de tudo, o material para a fabricação de sensores de temperatura deve ter um TCS suficientemente grande, e a dependência da resistência à temperatura deve ser bastante linear em uma ampla faixa de temperatura. Além disso, o condutor de metal deve ser inerte às influências ambientais e garantir uma boa reprodutibilidade das propriedades, o que permitirá a substituição dos sensores sem recorrer a diversos ajustes finos do dispositivo de medição como um todo.

Por todas essas propriedades, a platina é quase ideal (exceto pelo alto preço), além do cobre. Esses termistores nas descrições são chamados de cobre (TCM-Cu) e platina (TSP-Pt).

Os termistores TSP podem ser usados ​​na faixa de temperatura de -260 a 1100 ° C.Se a temperatura medida estiver na faixa de 0 a 650 ° C, os sensores TSP poderão ser usados ​​como referência e referência, uma vez que a instabilidade da característica de calibração nessa faixa não excede 0,001 ° C. As desvantagens dos termistores TSP são o alto custo e a não linearidade da função de conversão em uma ampla faixa de temperatura. Portanto, a medição precisa da temperatura é possível apenas na faixa indicada nos dados técnicos.

Termistores de cobre mais baratos da marca TSM, cuja dependência da resistência à temperatura é bastante linear, ganharam práticas mais difundidas. Como falta de resistores de cobre, baixa resistividade e resistência insuficiente a altas temperaturas (fácil oxidação) podem ser consideradas. Portanto, os termistores de cobre têm um limite de medição não superior a 180 ° C.

Uma linha de dois fios é usada para conectar sensores como TCM e TSP, se a distância do sensor ao dispositivo não exceder 200m. Se essa distância for maior, é usada uma linha de comunicação de três fios, na qual o terceiro é usado para compensar a resistência dos fios. Esses métodos de conexão são mostrados em detalhes nas descrições técnicas dos dispositivos equipados com sensores TCM ou TSP.

As desvantagens dos sensores considerados são sua baixa velocidade: a inércia térmica (constante de tempo) desses sensores varia de dezenas de segundos a vários minutos. Também são fabricados termistores de baixa inércia, cuja constante de tempo não é superior a décimos de segundo, o que é alcançado devido às suas pequenas dimensões. Esses termistores são feitos de micro-fios moldados em uma concha de vidro. Eles são altamente estáveis, selados e com baixa inércia. Além disso, com pequenas dimensões, eles têm resistência a várias dezenas de quilo-ohms.

Termistores semicondutores

Eles também são freqüentemente chamados termistores. Comparados com cobre e platina, eles têm uma sensibilidade mais alta e TCS negativo. Isso sugere que, com o aumento da temperatura, a resistência diminui. Os termistores TCS são uma ordem de grandeza maior que seus equivalentes de cobre e platina. Em dimensões muito pequenas, a resistência dos termistores pode atingir até 1 MΩ, o que elimina a influência no resultado da medição da resistência dos fios de conexão.

Para medir a temperatura, os mais utilizados são os termistores semicondutores KMT (à base de óxidos de manganês e cobalto), bem como MMT (óxidos de manganês e cobre). A função de conversão dos termistores é bastante linear na faixa de temperatura de -100 - 200 ° C, a confiabilidade dos termistores semicondutores é muito alta, as características são estáveis ​​por um longo tempo.

A única desvantagem é que, na produção em massa, não é possível reproduzir as características necessárias com precisão suficiente. Uma instância é significativamente diferente da outra, da mesma maneira que os transistores: parece ser do mesmo pacote, mas o ganho é diferente para todos, você não encontrará dois iguais. Essa dispersão de parâmetros leva ao fato de que, ao substituir um termistor, é necessário ajustar o equipamento novamente.

Na maioria das vezes, um circuito de ponte é usado para alimentar conversores térmicos de resistência, nos quais a ponte é balanceada usando um potenciômetro. Quando a resistência do termistor muda devido à temperatura, a ponte só pode ser equilibrada girando o potenciômetro.

Um esquema semelhante com ajuste manual é usado como demonstração em laboratórios educacionais. O motor do potenciômetro possui uma escala calibrada diretamente em unidades de temperatura. Em circuitos de medição reais, é claro, tudo é feito automaticamente.

A próxima parte do artigo abordará o uso de termopares e termômetros de expansão mecânica - Sensores de temperatura. Termopares

Boris Aladyshkin, bgv.electricianexp.com

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