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Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Mecatrônica
Transdutores Resistivos - Parte I -
PMR 2727 – Sensores: Tecnologias e Aplicações – Nº USP: Professor Celso Massatoshi Furukawa
1.2. Circuitos de Pontes de Wheatstone A ponte de Wheatstone forneceu um meio básico e preciso de medir resistência. O circuito da ponte não é nada mais que dois divisores de tensão e uma saída de tensão. Quando os dois divisores forem iguais, a tensão de saída será zero. Na maioria dos instrumentos atuais, a ponte não é balanceada. Ao invés disso, todos os resistores, exceto o transdutor, são fixos, e a tensão de saída da ponte varia. Operação desbalanceada introduz quatro considerações de acurácia: a tensão da ponte não é linear com a resistência, a saída depende da tensão de entrada da ponte, a saída é afetada pela impedância do aparelho de leitura e o nível de imprecisão de leitura contribui para erros de medição. Não-linearidade é causada pelo fato de um aumento na resistência do transdutor reduz a corrente que passa através dele. Por isso, a linearidade é melhor se o resistor fixo for muito maior que a resistência do transdutor. Uma ponte é adequada para medições diferenciais, ou seja, para medir as diferenças entre dois transdutores resistivos. 1.2.1. Amplificadores de Ponte O amplificador pode ser um simples aparelho de entrada única. Comumente, no entanto, a ponte e o amplificador compartilham da mesma fonte, ou ao menos usam fontes que compartilham do mesmo circuito e não estão isolados um do outro. Amplificadores diferenciais não são perfeitos. Todos respondem aos sinais comuns de modo, mesmo se os sinais diferenciais de entrada estiverem curto-circuitados. 2.1. Potenciômetros 2.1.1. Conexão de Potenciômetros: Melhores que Reostatos Os maiores responsáveis pela imprecisão de medição incluem a tolerância do elemento resistivo e o coeficiente de temperatura, resistência de contato, linearidade e resolução. Deles, todos menos linearidade e resolução podem ser ignorados ao usar uma conexão propriamente projetada no potenciômetro. Um circuito de potenciômetro aplica uma tensão estável no elemento resistivo. Assim, pode-se ler a tensão de saída. Por outro lado, um circuito de reostato mede a resistência total do elemento. A medição é diretamente afetada pelas mudanças do elemento resistivo e pela resistência de contato. 2.1.2. Potenciômetros Comercialmente Disponíveis Potenciômetros rotacionais estão disponíveis com percursos de um até quarenta voltas. Potenciômetros wirewound oferecem, de longe, os melhores coeficientes de temperatura e estabilidade de resistência, mas são significativamente piores em resolução e em vida rotacional. Potenciômetros Cermet e os potenciômetros de filme plástico fornecem sinais de saída suaves. Os potenciômetros apresentam dissipação de energia bem superior, mas estão disponíveis em apenas em construções de volta única. Os potenciômetros de medição de movimentos linear usam elementos de resistência precisos. Esses dispositivos são normalmente projetados para usos industriais como medições de posição em atuadores de válvulas e, por isso, devem ser robustos. 2.1.3. Potenciômetros Não-Lineares Existem algumas aplicações que requerem que os sinais de saída elétricos sejam funções não-lineares de posição. Potenciômetros não-lineares são raramente catalogados, mas, ao invés disso, são descritos em séries de características de capacidade nos catálogos de fabricantes de potenciômetros de precisão. As necessidades da aplicação devem ser discutidas com os fornecedores para determinar a melhor aproximação para obter o potenciômetro não-linear mais adequado. 2.2. Termômetros Resistivos Um termômetro resistivo, ou RTD, é qualquer dispositivo onde a resistência muda com a temperatura. Um RTD geralmente consiste em um pequeno elemento sensor colocado em um invólucro protetor. 2.2.1. Platina Platina é o melhor e mais comum material para RTDs. Sendo um material de alta temperatura e quimicamente inerte, é estável e preciso em uma faixa grande de valores de temperatura. A platina precisa de uma estrutura de suporte. Como regra, o coeficiente térmico de expansão do suporte não vai combinar com a do arame (platina). Se, durante mudanças de temperatura, o arame (em formato de mola) estiver comprimido ou esticado, dois efeitos irão ocorrer. Primeiro, mudanças no comprimento ou diâmetro do arame vão mudar sua resistência. Segundo, ciclos repetidos podem afetar a resistência do material, também. Erros tão grandes quanto alguns graus são possíveis. Pode-se usar, também, filmes de platina com a vantagem de permitir o alcance de mais altas resistências, fazendo com que haja maior sensibilidade elétrica. 2.2.3. Elementos RTD de Níquel RTDs de níquel são usados na indústria por algum tempo, principalmente pelo seu baixo custo se comparado com a platina. O níquel é mais sensível que a platina mas sua faixa de operação é limitada e sua estabilidade é pior. 2.2.4. Cobre Elementos RTD de cobre não são comuns, no entanto o cobre é muito usado em situações especiais. O cobre é mais linear que a platina e que o níquel, e é mais estável que o níquel. Mas a oxidação pode se tornar um grande problema, principalmente em temperaturas mais altas.
2.2.5. Compensação da Resistência A sensibilidade e resistência de um RTD são baixas o suficiente para que as resistências do cabo e do arame possam introduzir erros de medição apreciáveis. Para evitá-los, é comum o uso de circuitos que compensam a existência do erro. 2.3. Termistores Um termistor é um dispositivo cuja resistência muda com a temperatura. Termistores de coeficientes negativos de temperatura (NTC) são muito diferentes dos RTDs. Eles são dispositivos não-lineares de faixas estreitas de operação e muito sensíveis, cujas resistências diminuem com o aumento de temperatura. 2.3.1. Equações de Termistores Não existem equações exatas para termistores, pois eles são dispositivos medidos empiricamente. No entanto, muitas equações foram desenvolvidas para se aproximar do comportamento desses dispositivos. A resistência de um termistor NTC decresce aproximadamente como uma exponencial com o crescimento da temperatura. Equações exponenciais de vários termos descrevem mais precisamente o comportamento de um termistor, com sua acurácia crescendo à medida que forem adicionados mais termos. 2.3.2. Especificações Típicas de Termistores NTC Termistores de precisão podem oferecer tolerâncias de 0,1°C ou melhores. A maioria dos termistores opera de –80°C até +150°C, e há os especificados para 400°C ou mais. Uma especificação importante acerca desses termistores é a constante de dissipação de energia. Os níveis de energia devem ser limitados a 100µW ou menos para medições precisas. Termistores grandes têm constantes de dissipação em ar de 20 ou 30mW/°C. 2.3.3. Relação entre Corrente e Tensão Quando energia é aplicada a um termistor, o calor gerado diminui sua resistência. Se a corrente de um termistor for diminuída lentamente, sua tensão irá aumentar mais e mais lentamente até que se atinja um ponto onde o crescimento cessa. Qualquer acréscimo na corrente vai resultar em uma redução da tensão. Se, ao invés de uma corrente controlada, uma tensão controlada for aumentada lentamente, a corrente e a temperatura vão crescer mais e mais rapidamente. Dessa forma, o termistor entraria em um modo de “resistência negativa”, pois o aumento de temperatura vai diminuir a resistência e aumentar a corrente, levando a um runaway térmico. A não ser que haja limite de corrente, o termistor pode se auto-destruir. 2.3.4. Termistores de Precisão Termistores de disco comuns possuem uma tolerância de apenas ±10% (±2,5°C), com piores precisões em outras temperaturas. No entanto, através de fabricação adequada, precisões de ±0,2 até ±0,05°C são possíveis. 2.3.5. Termistores de Coeficientes Positivos de Temperatura (PTC) É possível criar dispositivos que tenham coeficientes de temperatura positivos. Em particular, titanato de bário irá, quando dopado com materiais apropriados, aumentar sua resistência com a temperatura. As curvas são altamente não-lineares e, mais importante, performam um crescimento rápido de resistência em uma faixa estreita de temperaturas. Essa característica os faz serem úteis como limitadores ou interruptores térmicos. Um uso interessante de termistores PTC maiores é como um aquecedor auto-regulável. Quando energia é aplicada, o termistor irá se auto-aquecer até que alcance uma porção íngreme de sua curva, onde a corrente irá cair rapidamente. 2.3.7. Redes Lineares com Múltiplos Termistores A faixa linear pode ser esticada consideravelmente usando dois ou mais termistores. 2.3.8. Aplicações Térmicas Qualquer termistor pode medir temperatura, apesar de discos de precisão e redes de múltiplos termistores serem mais usados. Termistores de pouca precisão são mais baratos e podem ser calibrados individualmente no circuito. Compensação linear de temperatura pode ser fornecida usando-se redes com termistores-resistores. Um termistor mais um ou dois resistores, usados em um circuito apropriado, podem freqüentemente oferecer compensação próxima da ideal. Quando a curva de compensação não pode ser relacionada de forma próxima com ou quando a sensibilidade requerida é maior que os 4%/°C do termistor, um circuito com dois termistores irá funcionar, muitas vezes. 2.3.9. Operação Auto-Aquecida Quando corrente suficiente for aplicada em um termistor para elevar sua temperatura significantemente, sua temperatura, e dessa forma sua resistência, será facilmente afetada por qualquer coisa que altere sua razão de resfriamento. Fluxo de ar (ou gás), pressão ou mudanças na composição do gás estão entre esses fatores. Em circuitos apropriados, se for provida energia suficiente para aquecer os termistores, esse circuito pode ser usado para medir qualquer coisa que cause uma diferença na taxa de resfriamento desses termistores. Um fluxo de ar, por exemplo, pode ser medido expondo-se um termistor diretamente ao fluxo enquanto se protege o outro.
