Temperatura – Parte II

PTC3421 – Instrumentação Industrial Temperatura – Parte II

V2017A

PROF. R . P. M A R Q U E S

 ThomasJohanSeebeckobservouem1821queaagulhadeumabússolaeradefle;daporumcircuitoformadopelajunçãodedoiscondutoresdemetaisdiferentesquandoatemperaturaentrejunçõeseradiferente.

Termopares O Efeito Seebeck

PTC3421 TEMPERATURA-II 2


PTC3421

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e

ee

TEMPERATURA-II

 Ummodelosimples:

 Aagitaçãotérmicanapontaquentefavoreceamovimentaçãodoselétronslivresdocondutor.Consequentementeoselétronstendemasedifundiremdireçãoàpontaquenteenquantolacunastendemasedifundirparaapontafria.Dessaformaapareceumadiferençade

potencialentreaspontas.

TQ TF

QUENTE FRIO

CONDUTOR

3


PTC3421 TEMPERATURA-II

TQ TF

QUENTE FRIO

CONDUTOR

VC

VC

 Ummodelosimples:

Atensãodependedadiferençadetemperaturasedo;podomaterial.

4

 Sejaoseguintearranjo:


PTC3421

e

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TEMPERATURA-II

TQ TF

CONDUTORDOMESMOMATERIAL

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eeJuntaQuente

CONDUTOR

5



TQ TFCONDUTORDOMESMOMATERIAL

JuntaQuente

CONDUTOR

VC

VC6

 Comisso:

 Atensãomedidanovol[metrodajuntafriaéIGUALAZERO.


PTC3421

e

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TEMPERATURA-II

TQ TF

CONDUTORDOMESMOMATERIAL

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eeJuntaQuente

V

JuntaFria

CONDUTOR

7

 Sejaagoraoseguintearranjo(chamadopartermoelétrico):



TQ TF

e

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eeJuntaQuente

CONDUTOR

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CONDUTORDEOUTROMATERIAL

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8



TQ TFCONDUTORDEOUTROMATERIAL

JuntaQuente

CONDUTOR

VC1

VC29

 Comisso:

 Atensãomedidanovol[metrodajuntafriaéDIFERENTEDEZERO.


PTC3421

e

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TEMPERATURA-II

TQ TF

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eeJuntaQuente

V

JuntaFria

CONDUTOR

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CONDUTORDEOUTROMATERIAL

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10

 Temosentão:

 Atensãomedidapelovol[metroéproporcionalàdiferençadetemperaturasedependedosmateriaiscondutoresu;lizados.

 Comissoépossívelu;lizaroefeitoSeebeckparaconstruirsensoresdetemperatura.

 Casoovol[metro(deimpedânciainfinita)sejasubs;tuídoporumresistoroucasoajuntafriaestejaemcurto,correntecircularáatravésdopartermoelétrico.

 OBS.Em1851,GustavMagnusdescobriuqueadiferençadetensãonãodependedadistribuiçãodetemperaturasaolongodoscondutores,masapenasdastemperaturasnasjuntas.



ΔV =VC1 −VC2 ≈ TQ −TF

11

 Em1834,JeanCharlesAthanasePel;erobservouqueaoseaplicarcorrenteaumpartermoelétrico,caloreraproduzidoouabsorvido(adependerdapolaridadedacorrente)najuntadosmateriais.

 EsteéumaespéciedeopostodoEfeitoSeebeck:Naqueleumadiferençadetemperaturasprovocavaumacorrenteelétrica.Nesteumacorrenteelétricaprovocaumadiferençadetemperaturas(naverdadeumfluxodecalor).

 OefeitoPel;erpodeseru;lizadoparaconstruirdisposi;vosaquecedores/refrigeradores.

 Ousoindustrialérela;vamenterestritoporumaquestãodeescalaeeficiência.Disposi;vosPel;erdepequenoportesãorela;vamentecomuns.

Termopares O Efeito PelLer



TQTF e

e

e

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e

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I I

I

13

Termopares O Efeito PelLer


LADOFRIO

LADOQUENTE

MÓDULOSPELTIERdepequenapotência(poucosWaps)sãocomunsnomercado.Cadaplacatemdezenasdepequenosparestermoelétricos.Sãou;lizadossemicondutoresemvezdecondutoresparaaumentaraintensidadedoEfeitoPel;er.

14

Em1854,WilliamThomson(LordeKelvin)relacionouosefeitosSeebeckePel;erepreviuumterceiroefeito:

Numpartermoelétricoemquecirculacorrente(portantocomjuntasatemperaturasdiferentes),caloréproduzidoouabsorvidoaolongodopar,proporcionalmenteàintensidadedacorrenteedadiferençadetemperaturas.

Termopares O Efeito Thomson


Termopares CaracterísLcas


• Termoparessãoelementosprimárioscompostosbasicamentepordoisfiosmetálicosisoladoscomaspontassoldadas.•  Sãodesimplesconstrução(àsvezessãomontadosnaprópriafábrica);•  Sãoextremamenterobustoseconfiáveis;•  Sãobaratos(umkitbásicopodecustarmenosdeUS$20).

• Aescolhaadequadadasligasmetálicaspermiteobtertermoparesadiferentesfaixasdetemperatura,ambientes,sensibilidade,etc.Porexemplo:•  Atmosferasinertes;•  Atmosferasredutoras(ricasemhidrogênio,monóxidodecarbono,etc.)•  Atmosferasoxidantes(ricasemoxigênio)

• AFEM(ForçaEletroMotriz)produzidapelosparesmetálicosédaordemdemV,portantoénecessáriocondicionarossinaisparau;lização.



• Aprincípio,quaisquercombinaçõesdecondutoresproduzemoefeitoSeebeck,porémalgumasacabaramsetornandopopularesparausoindustrial.Umasériedefatoreslevaaisso:•  Custo;•  Disponibilidade;•  Propriedadesusicas(incluindomagne;zação)equímicas(incluindoresistênciaacorrosão);

•  Estabilidadeerepe;bilidade;•  Faixadetemperaturasu;lizável;•  Sensibilidade;•  Faixadetensõesproduzidas.



• IMPORTANTE:Ostermoparesnãomedemtemperaturaabsoluta.Elesmedemadiferençadetemperaturasentreajuntaquenteeajuntafria.Paraseobteratemperaturaabsolutaénecessárioterajuntafriaaumatemperaturaconstanteconhecidaoumediratemperaturanajuntafriaporoutrosmeios(omaisusual).

• Ostermoparespodemseru;lizadoscomcabosauxiliares.EssescabostambémestãosujeitosaoEfeitoSeebeck,quedeveserconsideradonaimplementação.Existemcabosespeciais(cabosdeextensãoecompensação)parami;gartaisefeitos.

• Comoostermoparessãofrequentementeexpostosaaltastemperaturaseeventualmenteatmosferasagressivas,elespodemapresentarvidaú;llimitada,querporcorrosão,erosãooupeloenrijecimentocausadoporrepe;dosciclosdeaquecimentoeresfriamento.

Termopares Observações


• Normaparatermopares(oBrasiladotaasnormasIEC):

•  IEC60584-1:2013Termopares–Parte1:EspecificaçõesetolerânciasparaFEM

•  IEC60584-3:2007Termopares–Parte3:Cabosdeextensãoecompensação–Tolerânciasesistemadeiden;ficação(nãoháparte2–foiincorporadaàparte1)

Termopares Normas


Osseguintes;posdetermoparessãonorma;zadospelaIEC60584:

Termopares Os Lpos normaLzados


METAIS

COMUNS

K CROMEL/ALUMEL

J FERRO/CONSTANTAN

N NICROSIL/NISIL

E CROMEL/CONSTANTAN

T COBRE/CONSTANTAN

C TUNGSTÊNIO-RÊNIO

A TUNGSTÊNIO-RÊNIO

METAIS

NOBR

ES S PLATINA–RÓDIO/PLATINA

R PLATINA–RÓDIO/PLATINA

B PLATINA–RÓDIO


CLASSE1 CLASSE2 CLASSE3

FaixadeOperação(°C) -40≤T≤1000 -40≤T≤1200 -200≤T≤40

Tolerância(°C)

(usaromaiorvalor)

±1,5 ±2,5 ±2,5

±0,004|T| ±0,0075|T| ±0,0075|T|

CROMEL/ALUMEL

+:Cromel:Ni(90%)+Cr(10%)−:Alumel:Ni(95%)+Al(2%)+Mn(2%)+Si(1%)

FEM:-6,458mV(-270°C)a54,886mV(1372°C)(juntafriaa0°C)

Termopardebaixocustoresistenteaoxidação.(provavelmenteomaispopulardostermopares).Adequadoparaatmosferasinerteseoxidantes.Nãodeveserexpostoaatmosferassulfurosas,redutorasevácuo.Comosãoresistentesaoxidação,sãoespecialmenteadequadosparausoematmosferanormalatemperaturasacimade550°C.

+−



FaixadeOperação(°C) -40≤T≤750 -40≤T≤750 -

Tolerância(°C)

(usaromaiorvalor)

±1,5 ±2,5 -

±0,004|T| ±0,0075|T| -

FERRO/CONSTANTAN

+:Ferro(Ferromagné;co):Fe(99,5%)−:Constantan(Cobre+Níquel):Cu(58%)+Ni(42%)


Termopardebaixocustoeusogeral.(umdostermoparesmaispopulares)Adequadoparavácuo,atmosferasinertes,oxidanteseredutoras.Evitaratmosferassulfurosas.OFerroépropensoàoxidaçãoemcasodecondensação,portantodeveserevitadoousoemtemperaturasnega;vas.Usolimitadoematmosferasoxidantesemaltastemperaturas.

+−




Tolerância(°C)

(usaromaiorvalor)

±1,5 ±2,5 ±2,5

±0,004|T| ±0,0075|T| ±0,0075|T|

NICROSIL/NISIL

+:Nicrosil(Níquel+Cromo+Silício):Ni(84,4%)+Cr(14,2%)+Si(1,4%)−:Nisil(Níquel+Silício):Ni(95,5%)+Si(4,4%)+Mn(0,10%)


Termopardemaiorcusto,similarao;poK.(melhorrepe;bilidadeeestabilidade,especialmenteemaltastemperaturas).Subs;tuiotermopar;poK(aFEMproduzidaéligeiramentemenor).Adequadoparaatmosferasinerteseoxidantes.Nãodeveserexpostoaatmosferassulfurosas,redutorasevácuo.Émaisresistenteaoxidaçãoqueo;poK,temmelhorrepe;bilidadeeestabilidadeevidaú;lmaislonga.

+−




Tolerância(°C)

(usaromaiorvalor)

±1,5 ±2,5 ±2,5

±0,004|T| ±0,0075|T| ±0,0075|T|

CROMEL/CONSTANTAN

+:Cromel:Ni(90%)+Cr(10%)−:Constantan(Cobre+Níquel):Cu(58%)+Ni(42%)


Termopardebaixocustoresistenteaoxidação.(maiorsensibilidadeentreostermoparescomuns).Adequadoparaatmosferasinerteseoxidantes.Usolimitadoematmosferasredutorasevácuo.PossuiamaiorFEMpor°Cdostermoparescomuns.Ú;lparaaplicaçõesquerequeremmaiorsensibilidade.

+−




Tolerância(°C)

(usaromaiorvalor)

±0,5 ±1 ±1

±0,004|T| ±0,0075|T| ±0,0075|T|

COBRE/CONSTANTAN

+:Cobre:Cu(>99,9%)−:Constantan(Cobre+Níquel):Cu(58%)+Ni(42%)


Termopardebaixocustoresistenteaoxidaçãoematmosferasúmidas.(ousodecobrelimitaousoemaltastemperaturas).Adequadoparaatmosferasinertes,redutoraseoxidantes.Possuiboaprecisãoesensibilidade.Comosãoresistentesaoxidaçãoematmosferaúmida,sãoespecialmenteadequadosparatemperaturasnega;vas.

+−



FaixadeOperação(°C) - 426≤T≤2315 -

Tolerância(°C) - ±0,01T -

TUNGSTÊNIO-RÊNIO

+:Tungstênio+Rênio:W(95%)+Re(5%)−:Tungstênio+Rênio:W(73%)+Re(26%)

FEM:6,732mV(400°C)a37,070mV(2315°C)(juntafriaa0°C)

Termoparparaal[ssimatemperatura.(novo;ponorma;zadopelaIECem2013)Adequadoparaatmosferasinertes,redutoraseespecialmentevácuo.Nãodeveserexpostoaatmosferasoxidantesemaltatemperatura.OTermopar;poCtempontodefusãoacimade2315°C,porémotungstênioseoxidafacilmenteemtemperaturasextremas.Imprá;coparabaixastemperaturas.AnormaIECaindanãodefiniuumcódigodecoresparaotermopar;poC.AcodificaçãoANSI/ASTMéapresentadaaqui.

+−



FaixadeOperação(°C) - 1000≤T≤2500 -

Tolerância(°C) - ±0,01T -

TUNGSTÊNIO-RÊNIO

+:Tungstênio+Rênio:W(95%)+Re(5%)−:Tungstênio+Rênio:W(80%)+Re(20%)

FEM:(nãodisponível)

Termoparparaal[ssimatemperatura.(novo;ponorma;zadopelaIECem2013)Adequadoparaatmosferasinertes,redutoraseespecialmentevácuo.Nãodeveserexpostoaatmosferasoxidantesemaltatemperatura.OTermopar;poAtempontodefusãoacimade2500°C,porémotungstênioseoxidafacilmenteemtemperaturasextremas.Imprá;coparabaixastemperaturas.AnormaIECaindanãodefiniuumcódigodecoresparaotermopar;poA.

+−



FaixadeOperação(°C) 0≤T≤1600 0≤T≤1600 -

Tolerância(°C)

(usaromaiorvalor)

±1(paraT<1100) ±1,5 -

±(1+0,003(T-1100))(paraT≥1100) ±0,0025|T| -

PLATINA–RÓDIO/PLATINA

+:Pla;na+Ródio:Pt(90%)+Rh(10%)−:Pla;na:Pt(100%)


Termopardealtocustoegrandeestabilidadeparaaltastemperaturas.(paraaplicaçõesquerequeremprecisãoemtemperaturaselevadas).Adequadoparaatmosferasinerteseoxidantes.Nãodeveserexpostoaatmosferasredutoras,vácuoouvaporesmetálicos.Altaprecisãoeestabilidadeemaltastemperaturas.Sensívelacontaminaçãoeerosão.Diferedo;poRpelaFEMligeiramentemenor.

+−



FaixadeOperação(°C) 0≤T≤1600 0≤T≤1600 -

Tolerância(°C)

(usaromaiorvalor)

±1(paraT<1100) ±1,5 -

±(1+0,003(T-1100))(paraT≥1100) ±0,0025|T| -

PLATINA–RÓDIO/PLATINA

+:Pla;na+Ródio:Pt(87%)+Rh(13%)−:Pla;na:Pt(100%)


Termopardealtocustoegrandeestabilidadeparaaltastemperaturas.(paraaplicaçõesquerequeremprecisãoemtemperaturaselevadas).Adequadoparaatmosferasinerteseoxidantes.Nãodeveserexpostoaatmosferasredutoras,vácuoouvaporesmetálicos.Altaprecisãoeestabilidadeemaltastemperaturas.Sensívelacontaminaçãoeerosão.Diferedo;poSpelaFEMligeiramentemaior.

+−



FaixadeOperação(°C) - 600≤T≤1700 600≤T≤1700

Tolerância(°C)

(usaromaiorvalor)

- ±1,5 ±4

- ±0,0025T ±0,005T

PLATINA–RÓDIO

+:Pla;na+Ródio:Pt(70%)+Rh(30%)−:Pla;na+Ródio:Pt(70%)+Rh(30%)

FEM:0mV(0°C)a13,820mV(1820°C)(juntafriaa0°C)

Termopardealtocustoegrandeestabilidadeparaaltastemperaturas.(muitou;lizadonaindústriadevidro).Adequadoparaatmosferasinerteseoxidanteseexposiçãolimitadaaovácuo.Nãodeveserexpostoaatmosferasredutorasouvaporesmetálicos.Altaprecisãoeestabilidadeemaltastemperaturas.Sensívelacontaminação.

+−

Termoparescer;ficadoscomointrinsecamentesegurosparaatmosferaexplosivasãoisoladosnacorazulsegundoanormaIEC60584:

Taistermoparesu;lizamisolamentosminerais(nãoorgânicos),resistentesachamaeaocalor.

Termopares Segurança intrínseca


+−

+−

+−

+−

Termopares Curvas de Temperatura vs. FEM


Temperatura(°C)

(juntafriaa0°C)

FEM(m

V)

Termopares BeneUcios da padronização


Apadronizaçãodetermoparespermitequeexistamequipamentos(sensores,conversores,transmissores,etc.)tambémpadronizados,equediversosfornecedorespossamofertartermopareseequipamentoscompa[veiscomabasepreviamenteinstalada.

Termopares Chip para leitura


Precision Thermocouple Amplifierswith Cold Junction Compensation

AD8494/AD8495/AD8496/AD8497

Rev. C Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices for its use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from its use. Specifications subject to change without notice. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Analog Devices. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners.

One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A.Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2010–2011 Analog Devices, Inc. All rights reserved.

FEATURES Low cost and easy to use Pretrimmed for J or K type thermocouples Internal cold junction compensation High impedance differential input Standalone 5 mV/°C thermometer Reference pin allows offset adjustment Thermocouple break detection Laser wafer trimmed to 1°C initial accuracy and

0.025°C/°C ambient temperature rejection Low power: <1 mW at VS = 5 V Wide power supply range

Single supply: 2.7 V to 36 V Dual supply: ±2.7 V to ±18 V

Small, 8-lead MSOP

APPLICATIONS J or K type thermocouple temperature measurement Setpoint controller Celsius thermometer Universal cold junction compensator White goods (oven, stove top) temperature measurements Exhaust gas temperature sensing Catalytic converter temperature sensing

FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM

–IN

+IN

OUT

REF

0852

9-00

1

A1

A2

AD8494/AD8495/AD8496/AD8497

A3

SENSE

ESD ANDOVP

ESD ANDOVP

COLD JUNCTIONCOMPENSATION

1MΩ

THERMO-COUPLE

Figure 1.

Table 1. Device Temperature Ranges Optimized Temperature Range

Part No.

Thermo-Couple Type

Ambient Temperature (Reference Junction)

Measurement Junction

AD8494 J 0°C to 50°C Full J type range AD8495 K 0°C to 50°C Full K type range AD8496 J 25°C to 100°C Full J type range AD8497 K 25°C to 100°C Full K type range

GENERAL DESCRIPTION The AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 are precision instrumentation amplifiers with thermocouple cold junction compensators on an integrated circuit. They produce a high level (5 mV/°C) output directly from a thermocouple signal by combining an ice point reference with a precalibrated amplifier. They can be used as standalone thermometers or as switched output setpoint controllers using either a fixed or remote setpoint control.

The AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 can be powered from a single-ended supply (less than 3 V) and can measure temperatures below 0°C by offsetting the reference input. To minimize self-heating, an unloaded AD849x typically operates with a total supply current of 180 µA, but it is also capable of delivering in excess of ±5 mA to a load.

The AD8494 and AD8496 are precalibrated by laser wafer trimming to match the characteristics of J type (iron-constantan) thermocouples; the AD8495 and AD8497 are laser trimmed to match the characteristics of K type (chromel-alumel) thermo-couples. See Table 1 for the optimized ambient temperature range of each part.

The AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 allow a wide variety of supply voltages. With a 5 V single supply, the 5 mV/°C output allows the devices to cover nearly 1000 degrees of a thermo-couple’s temperature range.

The AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 work with 3 V supplies, allowing them to interface directly to lower supply ADCs. They can also work with supplies as large as 36 V in industrial systems that require a wide common-mode input range.

PRODUCT HIGHLIGHTS 1. Complete, precision laser wafer trimmed thermocouple

signal conditioning system in a single IC package. 2. Flexible pinout provides for operation as a setpoint

controller or as a standalone Celsius thermometer. 3. Rugged inputs withstand 4 kV ESD and provide over-

voltage protection (OVP) up to VS ± 25 V. 4. Differential inputs reject common-mode noise on the

thermocouple leads. 5. Reference pin voltage can be offset to measure 0°C on

single supplies. 6. Available in a small, 8-lead MSOP that is fully RoHS compliant.

AD849x(custoaproximadoUS$2,50)

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Temperatura – Parte II