Os termómetros de resistência Pt100 são sensores de temperatura precisos que são amplamente utilizados numa vasta gama de aplicações industriais e científicas. O seu princípio baseia-se na variação da resistência elétrica de um fio de platina em função da temperatura. O “Pt” em Pt100 significa platina, o material de que o fio é feito, e o “100” indica que a resistência a 0°C é exatamente de 100 ohms.
Os RTDs Pt100 oferecem uma ampla faixa de temperatura, variando de -200°C a +850°C, e são caracterizados por sua alta precisão. A sua curva resistência-temperatura é quase linear, o que torna mais fácil calibrar e interpretar os valores medidos.
Estes sensores alteram a sua resistência elétrica proporcionalmente à mudança de temperatura. O coeficiente de temperatura é de cerca de 0,385 ohms/°C a 0°C. Os sensores Pt100 normalmente têm duas, três ou quatro portas. Assim, eles podem ser usados em várias configurações de circuito, incluindo circuitos de 2 fios, 3 e 4 fios.
Para garantir medições precisas, os RTDs Pt100 devem ser protegidos de influências externas, como umidade e estresse mecânico. Isto é frequentemente feito através do uso de tubos de proteção. Além disso, devem ser calibrados regularmente, seja em laboratórios especializados ou com a ajuda de termômetros de referência.
Os sensores Pt100 são utilizados numa vasta gama de aplicações, incluindo a indústria alimentar, laboratórios, ar condicionado, engenharia automóvel e química.
Conteúdo
Como funcionam os termómetros de resistência?
Os RTDs são frequentemente usados para medições precisas de temperatura. A faixa de temperatura habitual é entre cerca de -50 °C e 600 °C, embora existam aplicações especiais em que os termômetros de resistência são usados de -200 °C a mais de 1000 °C. O termômetro de resistência Pt100 retratado vem do laboratório de calibração da empresa Klasmeier.
O princípio de medição destes termómetros baseia-se na medição da resistência elétrica dos resistores de medição, para os quais a lei de Ohm é fundamental:
U = R ⋅ I = constante
pelo que:
U = tensão,
R = resistência,
I = Eletricidade
Nas aulas escolares, a lei de Ohm é frequentemente apresentada como um triângulo que ilustra a relação entre corrente, tensão e resistência.
Se duas destas grandezas forem conhecidas, a terceira pode ser calculada. No esquema, a lei de Ohm é mostrada como mostrado no gráfico a seguir.
As relações entre a medição de resistência e, portanto, os termômetros de resistência também podem ser representados graficamente em um diagrama.
Aqui, o “homem VOLT” (U – tensão) é empurrado através de um tubo pelo “homem AMP” (I – corrente), enquanto o “homem OHM” (R – resistência) tenta evitar isso estreitando o tubo. O sucesso do “macho OHM” depende da temperatura: quanto mais quente for, mais difícil é para o “macho VOLT” mover o “macho AMP”. Uma vez que este efeito dependente da temperatura é reprodutível, o princípio da medição da resistência elétrica pode ser usado para medir a temperatura. Uma resistência medida R em ohms é convertida numa temperatura T em °C ou K através de uma relação conhecida.
Em princípio, qualquer condutor elétrico ao qual a lei de Ohm se aplica pode ser usado como termômetro. A resistividade é a constante física que descreve esta propriedade. Uma visão geral mostra as diferentes resistências específicas dos materiais a 20 °C.
Embora todos os materiais mencionados possam ser usados basicamente para medição de temperatura, existem certos critérios de seleção para a seleção de materiais de termômetros. O material deve ter uma alta resistividade e ser adequado em princípio. Por exemplo, o sangue humano tem uma excelente resistividade de 1,6×106 Ω⋅mm2/m, mas não é adequado para a produção industrial de termómetros. Os metais são mais adequados para este fim.
Além da resistividade, o coeficiente linear resistência-temperatura também é importante. Isto descreve a mudança na resistência de um material por grau Celsius e é dado em 1/K. Também pode ser referida como sensibilidade. A fim de minimizar as exigências da tecnologia de medição, este coeficiente deve ser o mais elevado possível. Portanto, é importante encontrar o melhor compromisso entre custo, adequação básica do material, resistividade e coeficiente resistência-temperatura.
O níquel e a platina revelaram-se materiais adequados. Inicialmente, os resistores de medição de níquel, como o Ni100, eram considerados favoritos porque tinham uma sensibilidade maior do que os resistores de medição de platina. No entanto, apresentaram desvios limite mais elevados e uma amplitude térmica limitada. O padrão para termômetros de níquel, DIN 43760, foi retirado na década de 1990. Desde então, resistores de medição de níquel têm sido usados principalmente em aplicações técnicas especiais.
Com o tempo, resistores de medição de platina, como o Pt100, tornaram-se estabelecidos. Eles são amplamente utilizados na tecnologia de medição industrial e hoje representam o padrão de medição de temperatura elétrica com termômetros de resistência.
A curva característica Pt100 para termómetros de resistência explicada de forma simples
Os sensores de platina estabeleceram-se como termómetros de resistência. A relação entre temperatura e resistência em termômetros de platina não é descrita proporcionalmente, mas com um polinômio de ordem superior:
Isto significa:
R(T) = resistência do termómetro
R0 = resistência do termómetro a 0 °C
A, B, C, … = Parâmetros individuais do termómetro ou padrão
T = Temperatura
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Calibração de termómetros de resistência
A Klasmeier oferece calibrações acreditadas de acordo com a norma DIN EN ISO/IEC 17025 (DAkkS) para termómetros de resistência (por exemplo, Pt100, Pt25). A calibração é efetuada em pontos fixos de temperatura ou de acordo com o método de comparação, com base nas diretrizes DKD-R 5-1. A faixa de calibração é de -196 °C a 962 °C, e as incertezas de medição são alcançadas até a faixa de millikelvin.
Equação de Callendar-Van Dusen
A equação de Callendar-Van Dusen é uma fórmula usada para descrever esta relação entre a temperatura e a resistência elétrica de um sensor de temperatura de resistência de platina.
A equação de Callendar-Van Dusen também é abreviada como “CVD” e tem sido usada desde a década de 1920. A curva característica é padronizada na norma DIN EN 60751, que descreve termômetros industriais de resistência à platina e sensores de temperatura de platina. Foi publicado pela primeira vez na década de 1990 e ainda é válido em sua última revisão como DIN EN 60751:2009-05.
A equação de Callendar-Van Dusen pode ser formulada em duas partes, para temperaturas acima e abaixo de 0 °C:
Para temperaturas T > 0 °C:
Para temperaturas T < 0 °C:
Aqui está:
- R(T) a resistência à temperatura ( T )
- R0 a resistência a 0 °C
- A, B e C são coeficientes que dependem do RTD de platina
DIN EN 60751:2009-05 padroniza os coeficientes para a equação de Callendar-Van Dusen:
A=3,9083×10 −3 °C-1
B=−5.775×10 −7 °C-2
C=−4.183×10 −12 °C-4
No entanto, também é possível calibrar termómetros individuais e calcular coeficientes individuais. Isto tem a vantagem de o termómetro já não ter de ser avaliado com base nos desvios-limite da norma, podendo ser adaptado individualmente à sua própria curva característica.
A equação de Callendar-Van Dusen torna possível fazer medições de temperatura muito precisas inserindo a resistência medida do termómetro na equação de Callendar-Van Dusen e calculando a temperatura.
O gráfico a seguir mostra as duas faixas de temperatura da equação de Callendar-Van Dusen. O intervalo de temperatura de -200 °C a 0 °C é mostrado em azul e o intervalo de temperatura de 0 °C a 850 °C é mostrado em vermelho.
A resistência nominal R0 dos termómetros de resistência
A fim de melhor classificar as resistências de medição, a chamada resistência nominal R0 foi introduzida na norma DIN EN 60751. Isto descreve a resistência elétrica do sensor de temperatura a 0 °C. Por exemplo, um sensor de temperatura Pt100 tem uma resistência de 100 ohms a 0°C. A norma especifica as seguintes resistências nominais:
- Pt 10 = 10 ohms a 0 °C
- Pt 100 = 100 ohms a 0 °C
- Pt 500 = 500 Ohms a 0 °C
- Pt 1.000 = 1.000 ohms a 0 °C
Resistências nominais desviantes como Pt 25, Pt 2.5 ou Pt 0.25 são usadas em termômetros de precisão e muitas vezes atendem aos requisitos do ITS-90. Estes são então referidos como SPRT ou termómetros normais . Em aplicações de laboratório, os termómetros Pt 25 são frequentemente preferidos porque oferecem um bom compromisso entre estabilidade, sensibilidade e autoaquecimento.
Coeficiente de temperatura para termómetros de resistência
A diferença entre termómetros normalizados e termómetros normais de acordo com o ITS-90 pode ser observada no chamado coeficiente de temperatura, que é definido na norma por uma medição de resistência a 0 °C e 100 °C:
Isto significa:
alfa = aumento do termómetro em 1/K
R100 = Resistência a 100 °C em Ohms
R0 = Resistência a 0 °C em Ohms
O valor alfa dos sensores de temperatura industriais de acordo com o padrão é 3,85 10^-3/K, enquanto o valor alfa dos termômetros normais de acordo com ITS-90 é 3,92875 10^-3/K. Este valor corresponde à sensibilidade da platina espectralmente pura nesta faixa de temperatura.
Sensibilidade em termómetros de resistência
A sensibilidade de um termômetro de resistência descreve o quanto a resistência do sensor muda em relação a uma mudança de temperatura. É uma medida de quão precisamente o sensor reage às mudanças de temperatura. Com o Pt100, a resistência muda em cerca de 0,385 ohms para cada grau Celsius de mudança de temperatura. Esta taxa de mudança, conhecida como coeficiente de temperatura, é uma medida direta da sensibilidade do sensor. A sensibilidade é fundamental para a precisão e resolução do sensor. Um sensor com maior sensibilidade pode detetar mudanças de temperatura menores e permite medições de temperatura mais precisas. Isso é especialmente importante em aplicações onde o controle preciso de temperatura é necessário, como em laboratórios ou no controle de processos industriais.
No entanto, também deve notar-se que os sensores de temperatura com uma alta sensibilidade muitas vezes têm um alto auto-aquecimento e são menos estáveis a longo prazo. Portanto, a relação entre o valor nominal e a sensibilidade de um sensor de temperatura deve ser escolhida com muito cuidado.
Para obter uma resistência nominal definida, o comprimento ou diâmetro do fio de platina é ajustado na resistência de medição. Isso muda não só a resistência, mas também a sensibilidade dos sensores para:
- Pt 10 = 0,04 ohms/K
- Pt 100 = 0,4 Ohm/K
- Pt 500 = 2 Ohms/K
- Pt 1.000 = 4 Ohm / K
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Termómetro de Precisão eXacal
Os termômetros de precisão eXacal da Klasmeier são projetados para medições e calibrações de temperatura precisas em uma ampla faixa de temperatura de -200 °C a 1200 °C. Disponíveis como termómetros de resistência e termopares de metais preciosos, oferecem alternativas robustas aos termómetros padrão ITS-90. Eles são adequados para aplicações industriais e calibrações de laboratório e são feitos à mão na fábrica interna.
Tecnologias de ligação de termómetros de resistência
Os IDT podem ser ligados a dispositivos de medição, registadores de dados ou pontes de medição, e existem várias técnicas para isso.
- Tecnologia de dois fios
- Tecnologia de três fios
- Tecnologia de quatro fios
Tecnologia de dois fios
A técnica de dois fios mostra como conectar um sensor de temperatura a um dispositivo de medição, como mostrado na imagem. É importante que a resistência dos cabos de conexão é levada em conta, porque ele é conectado em série com a resistência de medição.
A medição resultante resulta da soma da resistência da linha 1, da resistência de medição (o sensor de temperatura real) e da linha 2, o que leva a um aumento da medição. Portanto, a correção do resultado da medição é essencial para eliminar erros de medição.
Um exemplo de cálculo exemplar demonstra a extensão do desvio de medição em determinadas condições de aplicação. Suponha que um sensor de temperatura esteja conectado por um fio de cobre, nas seguintes condições especificadas:
- Resistividade da linha de cobre à temperatura ambiente: 0.017
- Secção transversal do cabo: 0,5 mm^2
- Comprimento da linha: aprox. 50 m
O desvio de medição devido ao fio de ligação pode ser calculado usando a equação
pelo que:
- são a resistência do condutor,
- \rho a resistividade,
- L o comprimento do condutor e
- A representa a área da secção transversal.
Neste contexto, uma resistência do condutor de 3,4 ohms resulta:
Tendo em conta uma sensibilidade (E) de um sensor de temperatura PT 100 de aprox. 0,385 ohms / K, obtém-se um desvio de medição de 8,8 K.
O comprimento do gasoduto de aprox. 50 m deve ser tido em conta duas vezes para a “viagem de ida” (gasoduto 1), bem como para o “regresso” (gasoduto 2).
Historicamente, tem sido bastante convencional conectar termômetros em plantas de produção usando a tecnologia de dois fios. Antes da era da tecnologia digital, que simplifica a correção de erros sistemáticos, tabelas de correção eram usadas para produzir leituras precisas.
Um exemplo ilustra os valores de correção de um cabo de ligação de 10 m de comprimento em função da secção transversal do cabo.
No caso de um cabo de conexão com uma seção transversal de fio de 0,5 mm^2, a resistência em um circuito de dois fios de 10 m de comprimento é de 0,6 ohms. Isto implica que os valores medidos devem ser corrigidos por este fator. Para um Pt100, isto corresponde a cerca de 1,6 °C.
O diagrama a seguir mostra os valores de correção para um Pt100 em relação à seção transversal de um cabo de cobre de 10 m de comprimento na técnica de dois fios.
Tecnologia de três fios
A tecnologia de três fios representa uma otimização em comparação com a tecnologia de dois fios, especialmente no que diz respeito à minimização de erros de medição devido a resistências de linha. Nesta configuração, três cabos são usados, com duas linhas conectadas paralelamente ao resistor de medição e uma terceira linha para compensar a resistência da linha.
A compensação da resistência da linha é realizada pela ponte de medição, que leva em conta a resistência da terceira linha e, assim, subtrai a resistência total dos cabos de conexão. Isso resulta em uma medição mais precisa da resistência real de medição, pois as influências dos cabos de conexão são minimizadas.
Embora a técnica de três fios seja uma melhoria significativa em relação à técnica de dois fios, ela ainda é suscetível a erros devido a mudanças de temperatura e diferentes comprimentos de cabo, o que pode afetar a compensação da resistência da linha.
Tecnologia de quatro fios
A técnica de quatro fios, também conhecida como medição de quatro fios Kelvin, representa uma otimização adicional na precisão da medição de resistência, especialmente para aplicações onde a mais alta precisão é necessária. Esta técnica usa duas linhas adicionais para fornecer a corrente de medição e medir a queda de tensão através do sensor, eliminando a influência da resistência da linha.
Nesta configuração, a corrente de medição flui através de duas das linhas (linhas de energia), enquanto as outras duas linhas (linhas de tensão) são usadas para medir a queda de tensão diretamente acima do sensor. Uma vez que a corrente de medição não flui através das linhas de tensão, a resistência da linha dessas linhas não é incluída na medição, resultando em maior precisão de medição.
A técnica de quatro fios é particularmente vantajosa para aplicações com baixos valores de resistência e longos comprimentos de cabo, pois permite uma medição precisa e livre das influências das resistências da linha.
Em resumo, as técnicas de três e quatro fios oferecem maior precisão e confiabilidade em comparação com a técnica de dois fios, minimizando ou eliminando a influência das resistências de condução. A escolha da tecnologia adequada depende dos requisitos específicos da aplicação, tais como a precisão da medição, as condições ambientais e considerações económicas.
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Termómetro de precisão de alta temperatura modelo Pt100 HS (0°C a 850°C)
O termômetro de precisão de alta temperatura Pt100 da Klasmeier é adequado para medições precisas de até 850 °C. Equipado com uma proteção cerâmica estanque ao gás e resistência de medição Pt100 feita à mão, oferece apenas baixas incertezas de medição. Ideal para uso como padrão de calibração. Opcionalmente disponível com calibração acreditada de acordo com a norma DIN EN ISO/IEC 17025 (DAkkS).
Fontes
- Frank Bernhard: Manual de Medição Técnica de Temperatura, 2ª edição
- Thomas Klasmeier: Table Book “Temperatura”, Edição 3
- Termómetros industriais de resistência à platina e sensores de temperatura de platina (IEC 60751:2022)
- ISOTECH Termômetro Spot de Cobre No. 108462 até quase 1100°C.
- Resistividade
- DIN 43760
- Lei de Ohm
