RTD de platina padrão (SPRT)

Introdução

Os RTDs de platina padrão (SPRTs) são termômetros de alta precisão que usam a resistência elétrica da platina para medir temperaturas com a mais alta precisão e reprodutibilidade. A Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) usa SPRTs como um instrumento de interpolação para estabelecer uma base globalmente uniforme e confiável para medições e calibrações de temperatura.

O que são SPRTs e por que são importantes?

No mundo da metrologia de precisão, os RTDs de platina padrão (SPRTs) desempenham um papel central quando se trata da medição altamente precisa de temperaturas. Estes termómetros especializados utilizam a propriedade de que a resistência elétrica da platina pura muda com a temperatura de uma forma previsível para fornecer leituras da mais alta precisão e reprodutibilidade.

Essa precisão torna os termômetros uma ferramenta importante em laboratórios e indústrias em todo o mundo, onde servem como dispositivos de referência primários. Eles são o padrão-ouro na medição de temperatura, no qual os padrões e calibrações internacionais são baseados para garantir a comparabilidade das medições de temperatura entre fronteiras e disciplinas. Seu uso é fundamental para manter a Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90), que serve como uma diretriz global para a medição de temperatura e, portanto, apoia significativamente a qualidade e a precisão na ciência, medicina, indústria e monitoramento ambiental.

SPRT e a escala de temperatura?

A Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) é a escala de temperatura atual que foi estabelecida em todo o mundo como base para medições precisas de temperatura. O objetivo do ITS-90 é fornecer uma escala uniforme, precisa e reconhecida globalmente para garantir a comparabilidade das medições de temperatura. Ao contrário das escalas anteriores, o ITS-90 baseia-se principalmente nas temperaturas dos pontos fixos definidores, que são determinadas pelas propriedades físicas das substâncias puras. Em particular, são utilizados os pontos triplos – estados em que uma substância existe simultaneamente nas fases sólida, líquida e gasosa, como o ponto triplo da água – bem como os pontos de solidificação de vários metais, como estanho, zinco ou alumínio. Estes pontos fixos fornecem temperaturas de referência extremamente precisas e reprodutíveis.

Os RTDs de platina padrão (SPRTs) são usados para serem calibrados nesses pontos fixos de temperatura definidos. A precisão dos pontos fixos de temperatura e dos termômetros é importante para a implementação do ITS-90. Ao usar esses pontos fixos de temperatura, o ITS-90 permite a mais alta precisão e reprodutibilidade na medição de temperatura até o momento, tornando-o indispensável para aplicações em pesquisa, indústria e controle de qualidade.

Mais informações sobre o ITS-90 podem ser encontradas aqui: A Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90)

Como funcionam os termómetros de resistência

RTDs de platina padrão (SPRTs) usam a relação definida com precisão entre temperatura e resistência elétrica da platina pura para medir temperaturas. Ao medir a mudança nessa resistência, eles podem determinar as temperaturas com a mais alta precisão e reprodutibilidade no momento.

A base física?

Os termómetros padrão de resistência à platina (SPRT) baseiam-se no princípio de que a resistência elétrica de um condutor metálico, neste caso a platina, muda com a temperatura. Esta dependência de temperatura do resistor é particularmente bem caracterizada e reprodutível para platina pura, o que torna a platina o material ideal para medições precisas de temperatura. O funcionamento de um SPRT baseia-se no princípio da resistência elétrica, mais especificamente na propriedade física conhecida como coeficiente de temperatura de resistência. Para a platina, este coeficiente é positivo, o que significa que a resistência aumenta à medida que a temperatura aumenta.

Os termómetros são feitos de um fio de platina fino enrolado num suporte não condutor, como o quartzo. O design deve garantir que o fio de platina possa expandir-se completamente livre de tensão. Este fio é incorporado em uma atmosfera protetora para protegê-lo de fatores ambientais, garantindo que ele possa ser diretamente exposto à temperatura que está sendo medida.

Quando ocorre uma mudança de temperatura, a resistência elétrica do fio de platina muda de forma previsível. Esta mudança é medida por meio de uma ponte de medição de precisão, que fornece valores de resistência muito precisos. A partir da resistência medida, a temperatura pode então ser determinada com a ajuda de relações conhecidas.

A precisão baseia-se na pureza da platina utilizada, na construção do termómetro e na precisão dos instrumentos de medição utilizados para determinar a resistência. As normas internacionais para SPRTs são definidas por organizações como o Escritório Internacional de Pesos e Medidas (BIPM), a Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), com sede em Braunschweig e Berlim, ou outras NMIs. Os Institutos Nacionais de Metrologia (NMIs), como o Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) na Alemanha, são instituições centrais em todo o mundo para a definição e manutenção de padrões nacionais de medição e desempenham um papel fundamental na harmonização global dos métodos de medição.

Definir os requisitos rigorosos para o projeto e calibração desses termômetros garante que eles permitam medições de temperatura comparáveis em todo o mundo. Estas normas permitem que os SPRT funcionem como termómetros de referência primários calibrados nos pontos fixos de temperatura da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90).

O papel da platina e por que ela foi escolhida como material.

A platina desempenha um papel crítico no funcionamento dos RTDs de platina padrão (SPRTs) devido a várias propriedades únicas que a tornam o material ideal para medições precisas de temperatura. A escolha da platina baseia-se nas seguintes razões principais:

Elevada estabilidade química: A platina é um metal extremamente inerte, o que significa que não reage ou reage apenas muito ligeiramente com outras substâncias. Esta estabilidade química garante que o material permanece inalterado mesmo durante o uso a longo prazo em várias condições ambientais, o que melhora a confiabilidade e a estabilidade a longo prazo das medições.

Dependência uniforme da temperatura: A resistência elétrica da platina muda com a temperatura de forma previsível e uniforme. Esta propriedade torna possível realizar medições de temperatura precisas e reprodutíveis. A relação linear entre temperatura e resistência na platina facilita a calibração e torna os resultados da medição comparáveis em todo o mundo.

Resistência a altas temperaturas: A platina pode suportar altas temperaturas sem alterar suas propriedades físicas ou químicas. Esta resistência a altas temperaturas amplia a faixa de temperatura utilizável dos SPRTs, tornando-os adequados para uma ampla gama de aplicações, de temperaturas muito baixas a muito altas.

Boa condutividade elétrica: Como metal, a platina tem boa condutividade elétrica, o que é necessário para a medição precisa das mudanças de resistência. Esta condutividade contribui para a precisão e sensibilidade da medição da temperatura.

Estabilidade a longo prazo: Além de sua estabilidade química, a platina também exibe excelente estabilidade a longo prazo em termos de suas propriedades físicas, incluindo resistência elétrica. Esta estabilidade é essencial para manter a calibração e para medições repetidas durante longos períodos de tempo.

A Importância das SPRTs no ITS-90

Os SPRTs servem como instrumentos primários de interpolação dentro da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90), permitindo uma medição precisa entre os pontos fixos definidos.

A base: Kelvin e Celsius

Um elemento central da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) é a definição de um conjunto de relações matemáticas e termodinâmicas que são essenciais para o uso de RTDs padrão de platina (SPRTs). O foco está no Kelvin (K), a unidade básica de temperatura termodinâmica (T), que forma a base para medições precisas de temperatura.

Em aplicação prática, as temperaturas são frequentemente dadas como temperaturas Celsius t90, sendo a conversão a seguinte:

Isso torna possível usar Kelvin e graus Celsius (°C) de forma eficiente, dependendo do contexto. Especialmente em temperaturas abaixo de zero, Kelvin é preferido, enquanto acima dele o trabalho é feito em graus Celsius.

Valores W das SPRTs

Um conceito-chave dentro da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) é o uso de razões de resistência comumente conhecidas como valores W. Esses valores W são a base para medição e calibração precisas de temperatura com RTDs de platina padrão (SPRTs). A equação básica para o valor W é definida da seguinte forma:

Aqui, RT90 significa a resistência ôhmica na temperatura T90 e R (273,16K) para a resistência ôhmica no ponto triplo da água, ou seja, exatamente 0,01°C.

Definição e critérios de seleção dos RPSP

Dentro da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90), os valores W são usados na definição e seleção de RTDs de platina padrão (SPRTs). Esses critérios garantem que apenas os termômetros mais precisos sejam usados para medições precisas de temperatura de acordo com as normas ITS-90.

Um SPRT deve atender a razões de resistência específicas, ou valores W, para ser classificado como tal. Os critérios são os seguintes:

A uma temperatura de 29,7646°C, o valor W deve ser pelo menos 1,11807.

Ou e a uma temperatura de -38,8344°C, o valor W não pode exceder 0,844235.

Se for utilizado um termómetro de resistência à platina até ao ponto de solidificação da prata, aplica-se o seguinte:

Para termômetros que são usados até o ponto de solidificação da prata (961,78°C), outro critério é que o valor W deve ser pelo menos 4,2844. Esses requisitos específicos garantem que os SPRTs tenham linearidade suficiente em toda a faixa de temperatura.

Funções de referência e reversão SPRT

A Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) usa funções específicas de referência e reversão para garantir medições de temperatura com RTDs de platina padrão (SPRTs). Estas funções são definidas para duas gamas de temperatura principais:

Faixa de temperatura de 13,8033 K a 273,16 K

Para esta faixa de temperatura, o ITS-90 define uma função de referência que descreve a relação matematicamente ideal entre o valor W e a temperatura T90.

Para determinar a temperatura correspondente a partir de um valor W medido, é utilizada uma função de inversão que permite um desvio máximo de apenas 0,1 mK em relação à função de referência.

Os coeficientes A0, B0, Ai e Bi, que são necessários para a aplicação dessas funções, são encontrados no ITS-90.

Intervalo de temperatura de 0°C a 961.78°C:

Nesta ampla faixa de temperatura, funções específicas de referência e reversão também são fornecidas.

A função de referência, por sua vez, define a razão ideal para medições precisas de temperatura, enquanto a função inversa, com um pequeno desvio máximo de 0,13 mK, permite que a temperatura T90 seja determinada com precisão com base em um determinado valor W.

Para a implementação dessas funções, são necessários os coeficientes C0, D0, Ci e Di, que também são especificados no ITS-90.

Funções de desvio SPRT

As funções de desvio são uma ferramenta essencial da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90). Estas funções permitem calcular com precisão as temperaturas correspondentes a partir dos valores de resistência medidos dos termómetros padrão de resistência à platina (SPRTs). Analogamente às funções de referência, as funções de desvio são divididas em três faixas de temperatura principais:

Faixa de temperatura de 13,8033 K a 273,16 K

Faixa de temperatura de 83,8058 K a 273,16 K

Intervalo de temperatura de -38,8344°C a 961,78°C

As funções de desvio refletem a relação real entre os valores de resistência medidos e as temperaturas ITS-90, permitindo o cálculo direto e preciso da temperatura.

Um elemento-chave dessas funções são os coeficientes individuais a, b, c e d, que devem ser calculados especificamente para cada termômetro. Estes coeficientes asseguram que a função de desvio tem em conta as características individuais de cada termómetro, necessitando de calibração individual.

Esta personalização personalizada é fundamental para a precisão das medições de temperatura e destaca a necessidade de calibração precisa e individual de cada SPRT de acordo com o ITS-90.

Vantagens e limitações dos SPRTs

Os SPRTs oferecem precisão e reprodutibilidade excecionais em medições de temperatura, apoiados por seu papel fundamental no ITS-90. As limitações incluem custos elevados, uma certa suscetibilidade a influências mecânicas e químicas e usabilidade limitada em intervalos de temperatura extremos ou ambientes agressivos.

Vantagens dos SPRTs em relação a outros tipos de termômetros

Os RTDs de platina padrão (SPRTs) oferecem precisão e repetibilidade excecionais na medição de temperatura, o que os diferencia de outros tipos de termômetros. A sua precisão deve-se à mudança estável e previsível na resistência elétrica da platina em função da temperatura, tornando-os instrumentos preferidos para medições primárias de referência e calibração de outros termómetros. Além disso, a alta estabilidade química da platina e a baixa suscetibilidade ao envelhecimento permitem a consistência das leituras a longo prazo, o que é essencial para aplicações onde a alta precisão durante longos períodos de tempo é crítica.

Em comparação com outros tipos de termômetros, como termistores, termopares ou termômetros de líquido em vidro, os SPRTs oferecem precisão e estabilidade significativamente maiores. Estas propriedades fazem deles a primeira escolha para a investigação científica e para aplicações em metrologia onde a precisão é primordial. Embora outros tipos de termômetros possam ser preferidos para aplicações específicas devido à sua simplicidade, robustez ou faixas de temperatura específicas, a precisão e a confiabilidade incomparáveis dos SPRTs permanecem incomparáveis para padrões fundamentais de temperatura e tarefas de medição de alta precisão.

Limitações ou desafios do uso de SPRTs

Apesar de sua excelente precisão e reprodutibilidade, os RTDs de platina padrão (SPRTs) também têm limitações e desafios que devem ser considerados ao usá-los. Uma das principais limitações dos SPRTs é o seu preço de compra relativamente alto e o custo de calibração, tornando-os menos práticos para aplicações diárias ou industriais onde grandes quantidades ou soluções econômicas são necessárias. Além disso, os SPRTs são sensíveis ao estresse mecânico e à contaminação, o que significa que devem ser manuseados e armazenados cuidadosamente para manter sua precisão e longevidade.

Outro desafio é a faixa de temperatura em que os SPRTs podem ser usados. Embora sejam adequados para uma ampla gama de temperaturas, eles não são ideais para temperaturas extremamente altas ou condições muito adversas, onde tipos de termômetros alternativos, como termopares, podem ser mais adequados. Além disso, alavancar a precisão total dos SPRTs requer o uso de instrumentação especializada e experiência para fazer medições precisas e interpretar os dados corretamente. Estes requisitos limitam normalmente a sua utilização a ambientes laboratoriais ou a aplicações industriais especializadas, onde estão disponíveis os recursos e o saber-fazer necessários.

Aplicações dos SPRT na prática

Os RTDs de platina padrão (SPRTs) e a Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) têm aplicações práticas em uma ampla gama de aplicações onde a precisão e a confiabilidade nas medições de temperatura são necessárias. Uma área-chave de aplicação para SPRTs é na calibração de outros termômetros e em metrologia, onde eles servem como termômetros de referência primários. Nos institutos nacionais de metrologia, os SPRTs são usados para realizar os padrões de temperatura necessários para a rastreabilidade das medições de temperatura na indústria, pesquisa e garantia de qualidade.

Além disso, as SPRT desempenham um papel importante na investigação e desenvolvimento, especialmente na física e na ciência dos materiais, onde o controlo e a medição precisos da temperatura são fundamentais para a compreensão das propriedades e fenómenos térmicos. Nas indústrias farmacêutica e de biotecnologia, os SPRTs e o ITS-90 são usados para controles precisos de temperatura na produção e armazenamento de produtos sensíveis à temperatura, como vacinas e medicamentos. Os SPRTs e o ITS-90 também são de grande importância no monitoramento e pesquisa ambiental, onde dados precisos de temperatura são necessários para modelos climáticos e estudos ecológicos.

A adesão precisa ao ITS-90 permite medições de temperatura comparáveis em todo o mundo, o que é essencial para as relações comerciais internacionais, normas de qualidade e regulamentos de segurança. Quer se trate de garantia de qualidade alimentar, monitorização de processos industriais ou calibração de dispositivos médicos, a precisão e fiabilidade dos SPRTs e a conformidade ITS-90 proporcionam confiança e segurança em muitos aspetos da vida quotidiana e da ciência.

Como você esfria um RTD de platina padrão (SPRT)?

Uma discussão comum que surge repetidamente é a pergunta: Como os termômetros de precisão, como os RTDs de platina padrão (SPRTs), devem ser resfriados corretamente? As opiniões divergem frequentemente quanto à questão de saber se devem ser arrefecidos rapidamente, lentamente ou com rampas de temperatura.

Além dos efeitos térmicos e mecânicos que podem ocorrer durante o aquecimento e arrefecimento, a oxidação tridimensional da platina também desempenha um papel importante. Curiosamente, não existe uma resposta única para esta pergunta. No entanto, existem duas publicações muito boas que podem ajudar:

Publicação Especial NIST 250-81: “Standard Platinum Resistance Thermometer Calibrations from the Ar TP to the Ag FP” por G. F. Strouse

Esta publicação do National Institute of Standards and Technology (NIST) descreve um processo detalhado para resfriamento de SPRTs usados em temperaturas de até 675 °C . O processo é o seguinte:

• O SPRT é aquecido de 475 °C a 675 °C durante um período de 30 minutos.
• É então mantido a 675 °C durante 2,5 horas .
• O arrefecimento ocorre lentamente, reduzindo a temperatura de 675 °C para 475 °C durante três horas .
• Finalmente, o HTSPRT é retirado do forno a 475 °C .

Guia CCT: “Guia para a Realização do ITS-90: Termometria de Resistência à Platina”

Esta publicação, que se refere à Escala Internacional de Temperatura (ITS-90), descreve o processo de resfriamento de SPRTs usados até 660 °C . O processo é o seguinte:

• Primeiro, o SPRT é recozido em um forno envelhecido a 480 °C a 500 °C .
• A temperatura é então aumentada lentamente para cerca de 675 °C durante um período de 45 a 60 minutos .
• O SPRT é recozido a esta temperatura durante quatro horas para reduzir as tensões térmicas.
• O arrefecimento ocorre lentamente até cerca de 480 °C durante um período de quatro horas antes de o SPRT ser levado diretamente à temperatura ambiente.

Ambas as abordagens são úteis e fornecem orientação, mas não são idênticas. Seria certamente desejável uma abordagem uniforme. Ambos os métodos perseguem o objetivo de minimizar as tensões na platina do SPRT, mas diferem em seus detalhes. Ambas as abordagens foram experimentadas e testadas, mas não foi estabelecido um procedimento uniforme. A abordagem certa depende frequentemente dos requisitos e aplicações específicos.

O Futuro da Medição de Temperatura e o Papel das SPRTs

O futuro das medições de temperatura vê uma evolução progressiva em direção a uma precisão, confiabilidade e aplicações ainda maiores, com RTDs de platina padrão (SPRTs) provavelmente continuando a desempenhar um papel central. Com a procura de materiais melhorados, métodos de medição mais avançados e a integração de tecnologias digitais, espera-se que a precisão e aplicabilidade das medições de temperatura continue a aumentar. Os SPRTs, que já formam a base para a medição de temperatura de alta precisão, poderiam ser melhorados em seu desempenho e versatilidade por essas inovações.

Ao mesmo tempo, é provável que a importância da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) seja complementada ou ampliada pelo desenvolvimento de escalas de temperatura novas e revistas que forneçam padrões de medição ainda mais precisos e universalmente válidos. A investigação em física quântica e novas descobertas na ciência dos materiais podem levar a abordagens completamente novas para a medição da temperatura, dando origem a SPRTs em novas configurações ou mesmo a tipos inteiramente novos de termómetros de referência.

Apesar destes desenvolvimentos futuros, é provável que o papel dos SPRT como instrumentos normalizados de alta precisão para a medição da temperatura permaneça, especialmente em áreas onde é necessária a mais elevada precisão e fiabilidade de medição. A sua capacidade de servir de referência fundamental para calibrar e verificar outros termómetros continuará a ser fundamental para garantir a comparabilidade das medições de temperatura em todo o mundo.

Resultado

Em resumo, os termómetros padrão de resistência à platina (SPRT) e a Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) são componentes indispensáveis no campo das medições precisas de temperatura. Os SPRTs oferecem precisão e reprodutibilidade excecionais devido às suas propriedades únicas – como alta estabilidade química, dependência precisa de temperatura de resistência e estabilidade a longo prazo – o que os torna instrumentos essenciais para calibração e em aplicações científicas e industriais. O ITS-90 define esses instrumentos de precisão para permitir a medição de temperatura consistente e comparável em todo o mundo, o que é fundamental para pesquisa, garantia de qualidade e diversos processos industriais.

O papel dos SPRTs e do ITS-90 em garantir a precisão da medição não pode ser subestimado, pois contribuem diretamente para a segurança, eficiência e inovação em muitas áreas da vida diária e da economia global. O desenvolvimento futuro na medição de temperatura, impulsionado pelos avanços tecnológicos e pela investigação científica, promete métodos de medição ainda mais precisos e versáteis. Espera-se que as SPRT e, possivelmente, os seus sucessores avançados continuem a desempenhar um papel central, estabelecendo padrões de precisão e fiabilidade.

A importância de medições precisas de temperatura e o papel dos SPRTs e do ITS-90 vão muito além do laboratório. São cruciais para fazer avançar os conhecimentos científicos, melhorar os processos industriais e garantir a qualidade dos produtos, o que, em última análise, contribui para uma melhor qualidade de vida e segurança ambiental. O desenvolvimento e a adaptação contínuos destas normas e tecnologias de medição continuarão a ser uma tarefa importante no futuro, a fim de satisfazer as exigências crescentes de um mundo em rápida evolução.

Fontes

• Walter Blanke: A Escala Internacional de Temperatura de 1990: ITS-90
• Frank Bernhard: Manual de Medição Técnica de Temperatura, 2ª edição
• Thomas Klasmeier: Table Book “Temperatura”, Edição 3
• Strouse, G. F. Calibrações padrão do termômetro de resistência de platina do Ar TP para o Ag FP. Publicação Especial NIST 250-81, National Institute of Standards and Technology, 2008.
• Comissão Consultiva de Termometria. Guia para a Realização do ITS-90: Termometria de Resistência à Platina. Bureau International des Poids et Mesures, 2008.