Princípio de funcionamento do sensor de temperatura

Princípio de funcionamento dos sensores de temperatura:

Um sensor de temperatura é um dispositivo que detecta a temperatura e a converte em um sinal mensurável. O princípio de funcionamento baseia-se em uma variedade de efeitos físicos, incluindo efeitos termoelétricos, resistivos, termistores, termopares, expansão térmica, semicondutores e absorção infravermelha. A seguir está uma explicação detalhada desses princípios:

1. Efeito termoelétrico

O efeito termoelétrico é a base dos sensores de temperatura dos termopares. Termopar por dois materiais diferentes do condutor composto por um laço fechado, quando as duas extremidades do gradiente de temperatura existem, haverá uma corrente através do laço, neste momento entre as duas extremidades da existência do potencial elétrico - força eletromotriz térmica. Esse fenômeno de potencial elétrico devido a uma diferença de temperatura é conhecido como efeito Seebeck. Ao medir essa força eletromotriz, pode-se obter uma medição da temperatura. Os termopares têm vantagens de ampla faixa de medição e alta precisão, sendo amplamente utilizados em diversas situações de medição de temperatura.

   - Um termopar é um sensor formado pela soldagem de dois condutores metálicos diferentes.

   - Quando as soldas do sensor estão em temperaturas diferentes, forma-se uma diferença de temperatura, que gera um pequeno potencial elétrico (sinal de tensão).

   - A magnitude dessa força eletromotriz está relacionada à diferença de temperatura, e a temperatura pode ser medida por uma curva calibrada voltagem-temperatura.

2. Efeitos resistivos e termistor

Efeito resistência e efeito termistor são os princípios de funcionamento dos sensores de temperatura dos termistores. Termistor é um elemento cujo valor de resistência muda com a temperatura. De acordo com a lei da variação do valor da resistência com a temperatura, o termistor pode ser dividido em dois tipos: coeficiente de temperatura positivo (PTC) e coeficiente de temperatura negativo (NTC). O valor de resistência dos materiais com coeficiente de temperatura positivo aumenta com o aumento da temperatura, e o valor de resistência dos materiais com coeficientes de temperatura negativa diminui com o aumento da temperatura. A medição da temperatura pode ser alcançada medindo o valor de resistência do termístor. Sensores de termistor podem alcançar alta precisão em uma faixa limitada de temperatura (por exemplo, de -90°C a 130°C).

2.1 Efeito Termistor:

   - Termistores são resistores cuja resistência muda com a temperatura. Eles geralmente são divididos em dois tipos: coeficiente de temperatura negativo (NTC) e coeficiente de temperatura positivo (PTC).

   - O valor de resistência dos termistores NTC diminui com o aumento da temperatura, enquanto os PTCs aumentam com o aumento da temperatura.

   - Medindo a variação no valor da resistência, a mudança de temperatura pode ser deduzida. Geralmente há uma relação específica e não linear entre o valor da resistência e a temperatura que requer calibração e circuitos específicos para ser convertida em um valor de temperatura.

2.2 Efeito de Resistência:

   - Um RTD é um sensor que utiliza um fio ou filme de metal puro (geralmente platina) como elemento sensor.

   - Quando a temperatura muda, o valor de resistência do resistor metálico muda, e essa mudança está linearmente relacionada à temperatura.

   - Medindo a variação do valor da resistência, o valor da temperatura pode ser calculado.

3. Efeito de absorção infravermelha

Sensores de temperatura infravermelho baseiam-se no princípio de que o movimento térmico interno de um objeto irradia ondas eletromagnéticas (que contêm raios infravermelhos com comprimento de onda de 0,75 a 100 μm) em todas as direções. Esses sensores não exigem contato direto com o objeto a ser medido e medem indiretamente a temperatura medindo a energia infravermelha irradiada pelo objeto. Portanto, é particularmente adequado para medir a temperatura superficial de objetos em movimento, pequenos alvos e objetos com pequena capacidade calorífica ou rápidas variações de temperatura (transitórios).

   - Sensores infravermelhos medem a temperatura superficial de um objeto ao receber a radiação infravermelha que ele emite.

   - A radiação térmica de um objeto é proporcional à sua temperatura superficial, e o sensor pode determinar a temperatura do objeto medindo a intensidade da radiação recebida.

4. Efeito de expansão térmica: 

Sensor de expansão térmica é o uso de certos materiais com variações de temperatura e características de expansão volumétrica para medir a temperatura. Quando a temperatura muda, o comprimento do material no sensor muda, e as informações de temperatura podem ser obtidas medindo a variação do comprimento.

5. Efeito semicondutor: 

Materiais semicondutores têm uma taxa de variação de resistência maior com a temperatura do que os metais, então podem ser transformados em sensores de temperatura. Quando a temperatura sobe, a resistência do semicondutor diminui rapidamente, e a temperatura pode ser medida com precisão usando essa característica.

Em aplicações práticas, o sensor de temperatura apropriado deve ser selecionado de acordo com a faixa específica de medição, requisitos de precisão, condições ambientais e outros fatores.

1. Termopares: Termopares geralmente têm um alcance de medição alto e precisão razoável, mas sua linearidade e estabilidade podem ser afetadas pela temperatura e pelo tipo de material. Em temperaturas extremas, o desempenho dos termopares pode se degradar, afetando assim a precisão.

2. Coeficiente de Sensores de Expansão Térmica (Medidores de Expansão): Medidores de expansão são menos precisos e normalmente usados para medições de temperatura relativamente rudimentares. Eles são adequados para medir mudanças de temperatura, e não para valores precisos.

3. Detectores de Temperatura de Resistência (RTDs): RTDs oferecem boa precisão e estabilidade, especialmente em temperaturas constantes. Eles têm uma ampla faixa de medição, mas têm tempo de resposta lento e não são adequados para monitoramento de temperatura em rápida variação.

4. Termistores (sensores de temperatura semicondutores): Os termistores são altamente sensíveis e podem responder muito rapidamente a mudanças de temperatura. No entanto, sua estabilidade a longo prazo pode não ser tão boa quanto a dos RTDs, e a degradação do desempenho pode ocorrer em temperaturas extremas.

Para resumir

Sensores de temperatura funcionam com uma variedade de princípios, baseados em diferentes efeitos físicos para alcançar a medição da temperatura. Sensores de termopar utilizam o efeito termoelétrico; Sensores de termistor utilizam os efeitos resistivos e termistores; e sensores infravermelhos utilizam o efeito de absorção infravermelha. Esses sensores têm suas próprias vantagens e desvantagens, sendo adequados para diferentes ocasiões e necessidades de medição. Por exemplo, nos requisitos de ocasiões de maior precisão, termopares ou RTDs comumente usados; nos requisitos de tempos de resposta rápidos, sensores de efeito termoelétrico ou de efeito semicondutor comumente utilizados; Em situações de baixo custo, sensores de efeito de expansão térmica são comumente utilizados.

No geral, nenhum sensor de temperatura é o mais preciso em todas as condições. A escolha do sensor depende dos requisitos específicos da aplicação, incluindo a faixa de medição desejada, precisão, tempo de resposta, custo e condições ambientais. Ao selecionar um sensor de temperatura, geralmente há concessões a serem feitas com base nesses fatores.