ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MARÍTIMA
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO LABORATORIAL Nº 1
TRANSDUTORES
DE
TEMPERATURA
Por:
Prof. Luis Filipe Baptista
E.N.I.D.H. – 2012/2013
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
ÍNDICE
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................................... 2
1.1. OBJECTIVOS DO TRABALHO ......................................................................................... 2
1.2. MATERIAL A UTILIZAR................................................................................................... 2
2. TRABALHO A REALIZAR....................................................................................................... 2
2.1. SENSOR DE TEMPERATURA INTEGRADO (LM335) .................................................. 2
2.1. ENSAIO PRÁTICO COM O SENSOR DE TEMPERATURA INTEGRADO LM335 ..... 3
2.2. TRANSDUTOR RTD - RESISTÊNCIA DE PLATINA (PT100) ....................................... 5
2.3. ENSAIO PRÁTICO DA RESISTÊNCIA DE PLATINA (PT100) ...................................... 6
2.4. TERMÍSTOR NTC (NEGATIVE TEMPERATURE COEFFICIENT) .............................. 9
2.5. ENSAIO PRÁTICO COM O TERMÍSTOR NTC ............................................................. 12
2.6. TERMOPAR (TIPO K) ...................................................................................................... 13
2.7. ENSAIO PRÁTICO COM O TERMOPAR DO TIPO K................................................... 13
3. RELATÓRIO FINAL ............................................................................................................... 15
ANEXO. COMPENSAÇÃO DA JUNÇÃO DE REFERÊNCIA ATRAVÉS DE SENSOR
INTEGRADO DE TEMPERATURA LM335 .............................................................................. 16
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
1
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
TRANSDUTORES DE TEMPERATURA
1. INTRODUÇÃO
1.1. OBJECTIVOS DO TRABALHO
Com a realização deste trabalho prático, pretende-se que os alunos adquirem conhecimentos
sobre:
a) Características de um sensor integrado de temperatura (LM335);
b) Características de um transdutor de resistência de platina (Pt100);
c) Características de um transdutor de resistência que varia negativamente com a
temperatura - termístor (NTC – Negative Temperature Coefficient);
d) Características de um termopar do tipo K;
e) Forma de determinar valores de temperatura a partir das tensões obtidas em circuitos de
condicionamento de sinal de transdutores de temperatura.
1.2. MATERIAL A UTILIZAR
O equipamento a utilizar para a realização dos ensaios, é o seguinte:
- Equipamento de treino de transdutores de instrumentação DIGIAC 1750
- Cabos de ligação com conectores de 4 mm de diâmetro
- Multímetro digital
2. TRABALHO A REALIZAR
2.1. SENSOR DE TEMPERATURA INTEGRADO (LM335)
O circuito integrado LM335 é um sensor de temperatura que é composto por 16 transístores, 9
resistências e 2 condensadores, montados numa embalagem típica de circuitos integrados, como
a TO-92 (ver Fig.1).
Fig.1
Este dispositivo, desenvolvido pela National Instruments, fornece uma tensão de saída de 10
mV/ºK. A tensão de saída dá uma indicação da temperatura directamente em graus Kelvin (ºK).
Por exemplo, para uma temperatura de 20ºC (293.15ºK) a tensão de saída deverá ser 2.9315 V. A
expressão de cálculo da tensão de saída do transdutor (V0) é dada através da seguinte expressão:
V0 (V) = 0.010 × (T(º C) + 273.15)
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
(1)
2
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
O circuito típico de condicionamento do transdutor está representado na Fig.2. Note-se que no
caso de a tensão de alimentação ser V+=5V, a resistência R1 deverá ser de 1 kΩ.
Fig.2
Na figura da esquerda, tem-se o circuito básico que tem apenas uma resistência de limitação da
corrente (R1), que é função do valor de V+. Este circuito não permite efectuar um ajuste fino ou
calibração fina do sensor. No circuito da direita, o potenciómetro de 10 kΩ permite efectuar um
ajuste fino da tensão de saída, tendo por base a leitura fornecida por um termómetro padrão.
2.1. ENSAIO PRÁTICO COM O SENSOR DE TEMPERATURA INTEGRADO LM335
Para realizar os ensaios práticos com este sensor, vamos utilizar a unidade de ventilação e
aquecimento de ar existente no laboratório (INSTRUTEK VVS-400) representada na Fig.3. Esta
unidade dispõe de um tubo por onde o ar é forçado a circular através de um ventilador. Na parte
central da conduta, está instalada uma resistência de aquecimento e respectivo dispositivo
electrónico de potência (TRIAC). A potência a dissipar na resistência pode ser controlada
através de uma tensão contínua na gama de 0 a 5 V. Deve referir-se que a velocidade do
ventilador é controlada através de uma tensão contínua na gama de 0 a 5 V (Ver esquema da
unidade representado na Fig.4).
Fig.3
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
3
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
a)
b)
Fig.4
O esquema de controlo independente de caudal e temperatura da unidade VVS-400 está
representado na Fig.4-a). O sistema dispõe de um transdutor de temperatura do tipo RTD (Pt100)
e de um transdutor de caudal do tipo orifício calibrado. A temperatura do ar na conduta é
controlada através de um circuito de aquecimento baseado num esquema de PWM (Pulse Width
Modulation) e TRIAC, conforme representado na Fig.4-b).
A configuração da unidade VVS-400 é bastante flexível e permite variar a gama de pontos de
funcionamento do sistema numa grande extensão. Deste modo, esta unidade é extremamente útil
para a realização de ensaios com transdutores de temperatura.
Assim, vamos introduzir um sensor LM335 no orifício de montagem do sensor de temperatura
existente na unidade, de modo a medir a temperatura do ar no interior da conduta. Para calibrar o
sensor, vamos introduzir igualmente a sonda de um termómetro digital, que irá servir de
termómetro padrão.
Realize os seguintes procedimentos:
a) Construa o circuito de calibração do sensor LM335 representado na Fig.2 (figura da
direita). Caso o valor de tensão fornecido pelo sensor não esteja de acordo com o
calculado através da expressão (1), ajuste o potenciómetro de 10 kΩ representado na
Fig.2 até obter o valor desejado. (Nota: utilize o termómetro digital para medir a
temperatura do ar);
b) Coloque os interruptores da unidade de ventilação na posição “TO PC”;
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
4
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
c) Ligue um dos canais da fonte de alimentação TOPWARD aos terminais de entrada da
unidade de caudal (FLOW) - posição “FROM PC”;
d) Ligue o outro canal da fonte de alimentação TOPWARD aos terminais de entrada da
unidade de temperatura (TEMPERATURE) - posição “FROM PC”. Tenha em
consideração que deve ligar os diversos terminais (-) num ponto comum de terra;
e) Ligue a unidade de ventilação VVS-400. Coloque os ajustes da fonte de alimentação no
valor mínimo. Ligue a fonte de alimentação TOPWARD. Ajuste o potenciómetro do
controlo de caudal em 2.5 V. Verifique se o caudal de ar é suficiente para obter boas
leituras da temperatura do ar em circulação na conduta;
f) Meça o valor de temperatura do ar de ventilação na conduta através do termómetro
digital bem como o valor de tensão de saída do sensor LM335. Registe os valores na
Tabela I;
g) Comece a aumentar lentamente o valor do potenciómetro de ajuste da temperatura
(intervalos de 0.2 V). Espere algum tempo de modo a estabilizar a temperatura do ar na
conduta antes de efectuar as leituras. Registe os valores na Tabela I;
h) Quando atingir T=40ºC termine o ensaio. Desligue a fonte de alimentação e por fim o
sistema VVS-400;
i) Construa no Matlab um gráfico X-Y entre a temperatura do ar na conduta (abcissas) e a
tensão de saída (ordenadas);
j) Sobreponha aos pontos do gráfico anterior a recta teórica calculada de acordo com a
expressão (1). Comente eventuais discrepâncias;
k) Determine o erro máximo percentual obtido no ensaio (em Volts e em graus).
Tabela I
Vaj (fonte)
Temperatura
Vo (sensor)
Vo teórica (sensor)
E=ΔV =Vo-Vo teórica
(V)
(ºC)
(V)
(V)
(V)
Nota: As colunas 4 e 5 são preenchidas posteriormente a partir dos valores de saída do LM335 (teóricos).
2.2. TRANSDUTOR RTD - RESISTÊNCIA DE PLATINA (PT100)
A aspecto de uma resistência de platina (RTD – Resistance Temperature Dependant) está
representada na Fig.6. Consiste de uma película muito fina de platina depositada num substrato
cerâmico e terminais em ouro nos extremos do elemento, que permitem efectuar o contacto com
a película de platina.
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
5
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
Fig.6
A película de platina é cortada a laser em espiral de modo a obter uma resistência de 100 Ω a
0ºC.
A resistência desta película aumenta com a temperatura. Pode portanto dizer-se que tem um
coeficiente positivo com a temperatura (Positive Temperature Coefficient).
A variação de resistência varia linearmente com a temperatura, com um declive de 0.392
Ω/ºC. Assim, a partir da expressão geral de uma resistência do tipo RTD:
R(T) = R(T0 ) × [1 + α 0 ΔT ]
(2)
Em que
α0 =
1
× (inclinação em T0 )
R(T0 )
⎛ R − R1 ⎞
1
⎟
α0 =
× ⎜⎜ 2
R(T0 ) ⎝ T2 − T1 ⎟⎠
(3)
Pode obter-se a expressão da recta característica da Pt100 (Nota: Justifique no relatório a
dedução desta expressão):
R = 100 + 0.392 × T(º C)
(4)
A Pt100 pode ser alimentada através de uma fonte de tensão contínua com uma resistência de
carga em série (½ ponte de Wheatstone). A corrente que circula no circuito irá provocar o
auto-aquecimento (self heating) do transdutor por efeito de Joule, pelo que a temperatura
interna irá aumentar a uma taxa de 0.005 ºC por cada mW dissipado no transdutor.
No ensaio prático que se irá realizar, vamos ligar a resistência de platina RTD em série com uma
uma resistência de valor elevado e medir a queda de tensão no transdutor. Devido à pequena
variação de resistência da Pt100 com a temperatura, a variação de corrente é desprezável pelo
que a queda de tensão no transdutor é directamente proporcional à sua resistência.
2.3. ENSAIO PRÁTICO DA RESISTÊNCIA DE PLATINA (PT100)
Para realizar a primeira parte do ensaio, vamos seguir os procedimentos utilizados no ensaio do
sensor integrado LM335. Assim, tem-se:
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
6
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
1ª parte – recta característica da Pt100:
a) Coloque os interruptores da unidade de ventilação na posição “TO PC”;
b) Ligue um dos canais da fonte de alimentação TOPWARD aos terminais de entrada da
unidade de caudal (FLOW) - posição “FROM PC”;
c) Ligue o outro canal da fonte de alimentação TOPWARD aos terminais de entrada da
unidade de temperatura (TEMPERATURE) - posição “FROM PC”. Não se esqueça de
ligar os diversos terminais (-) num ponto comum de terra;
d) Ligue a unidade de ventilação VVS-400;
e) Coloque os ajustes da fonte de alimentação no valor mínimo. Ligue a fonte de
alimentação TOPWARD. Ajuste o potenciómetro do controlo de caudal em 2.5 V.
Verifique se o caudal de ar é suficiente para obter boas leituras da temperatura do ar;
f) Meça o valor de temperatura do ar de ventilação na conduta através do termómetro
digital bem como o valor da resistência de platina (multímetro digital). Registe os valores
na Tabela II;
g) Comece a aumentar lentamente o valor do potenciómetro de ajuste da temperatura
(intervalos de 0.2 V). Espere algum tempo de modo a estabilizar a temperatura do ar na
conduta antes de efectuar as leituras. Registe os valores na Tabela II;
h) Termine o ensaio quando a temperatura atingir o valor de T=40ºC;
i) Desligue o sistema VVS-400 e a fonte de alimentação;
j) Construa no Matlab um gráfico X-Y entre a temperatura do ar na conduta (abcissas) e a
resistência da Pt100 (ordenadas);
k) Sobreponha aos pontos do gráfico anterior a recta teórica calculada de acordo com a
expressão (4) que fornece o valor da resistência em função da temperatura. Comente
eventuais discrepâncias;
l) Calcule o valor de α 0 através da expressão (3). Pode usar os valores máximo e mínimo de
resistência, ou seja R2 e R1 na expressão (3). Compare este valor com o declive da
expressão (3), ou seja 0.392. Que pode concluir?
m) Calcule o desvio máximo percentual do transdutor (em Ω) relativamente aos valores
da respectiva tabela da Pt100.
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
7
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
Tabela II
Temperatura
RPt100
RPt100 (tabela)
E Pt100
E Pt100
(ºC)
(Ω)
(Ω)
(Ω)
(%)
Nota: As colunas 3, 4 e 5 são preenchidas posteriormente com base nos valores de resistência da tabela da Pt100.
2ª parte – circuito de condicionamento de sinal da Pt100:
Para realizar este ensaio vamos recorrer às funcionalidades do DIGIAC visto dispor de circuitos
pré-construídos que são bastante úteis neste tipo de ensaios. Deve notar-se que embora existam
transdutores de temperatura no DIGIAC, optou-se por utilizar a unidade de ventilação e
aquecimento VVS-400, pois permite simular o funcionamento de um equipamento industrial de
uma forma bastante mais realista.
Fig.7
a) Construa o circuito representado na Fig.7. (Nota: a resistência Pt100 existente no
DIGIAC é substituída pela Pt100 inserida no sistema de aquecimento utilizada no ensaio
anterior);
b) Ajuste o cursor do potenciómetro linear de 10 kΩ (SLIDE) a meio da escala (5) e ligue-o
à Pt100. Ligue o multímetro digital aos terminais da Pt100;
c) Ligue o DIGIAC e ajuste o potenciómetro de modo a que a queda de tensão aos terminais
da Pt100 seja de 108 mV (0.108 V) através do multímetro digital. Esta operação permite
efectuar a calibração do transdutor à temperatura ambiente de 20ºC, visto que a
resistência da Pt100 a 20 ºC é ≈108 Ω (ver tabela da Pt100). Tenha em atenção que a
queda de tensão na Pt100 em mV é igual ao valor da resistência da Pt100 em Ω, visto que
a corrente que a atravessa é de 0.108 mV/108 Ω = 1 mA. (Nota: Caso a temperatura
ambiente da sala seja diferente, reajuste os valores através da tabela da Pt100).
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
8
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
d) Caso a temperatura ambiente seja diferente de 20 ºC (caso mais geral), a tensão aos
terminais da Pt100 pode ser ajustada da seguinte forma:
•
•
•
Leia a temperatura ambiente com o termómetro digital;
Calcule a resistência da Pt100: R(Ω)= 100 + 0.392*T(ºC). Compare com o valor
da tabela da Pt100;
Ajuste a queda de tensão aos terminais da Pt100 (RTD) tendo em conta o valor
anterior.
e) Comece a aumentar lentamente o valor do potenciómetro de ajuste da temperatura
(intervalos de 0.2 V). Espere algum tempo de modo a estabilizar a temperatura do ar na
conduta antes de efectuar as leituras. Registe os valores de temperatura e de queda de
tensão na Pt100 na Tabela II;
f) Termine o ensaio quando a temperatura atingir o valor de T=40ºC;
g) Desligue o sistema VVS-400 e o DIGIAC;
h) Construa no Matlab um gráfico X-Y entre a temperatura do ar na conduta (abcissas) e a
queda de tensão na Pt100 (ordenadas);
i) Durante este ensaio, a corrente que circula na Pt100 é da ordem de 1 mA. Como a tensão
aplicada é Vcc=+5 V, a resistência total do circuito é da ordem de 5 kΩ (potenciómetro
ajustado a meio da escala). A variação da resistência da Pt100 tem assim um efeito
desprezável na corrente do circuito, pelo que a queda de tensão na Pt100 representa de
uma forma precisa o valor da resistência do transdutor;
j) Construa no Matlab um gráfico X-Y entre a temperatura do ar na conduta (abcissas) e
resistência da Pt100 (ordenadas) através do método descrito na alínea anterior. Compare
o gráfico com o do 1º ensaio. Comente eventuais discrepâncias;
k) A corrente de 1 mA irá traduzir-se numa potência dissipada muito baixa na RTD (Pt100).
O efeito de auto-aquecimento irá produzir um aumento de temperatura de 0.02 ºC.
Calcule a potência dissipada na Pt100 para T=40ºC. Deste modo, abra o circuito e
insira em série um amperímetro de modo a medir a corrente e calcule a potência
dissipada no transdutor em mW;
l) Calcule o erro em graus centígrados devido ao efeito de auto-aquecimento.
2.4. TERMÍSTOR NTC (NEGATIVE TEMPERATURE COEFFICIENT)
O termístor (thermally sensitive resistor) é construído de forma a que a sua resistência seja
sensível a variações de temperatura. Ao contrário de uma resistência vulgar, é desejável que o
coeficiente da resistência (variação da resistência com a temperatura) seja bastante
elevado.
Nalguns termístores a sua resistência aumenta com a temperatura (PTC) enquanto que noutros
sucede o inverso, ou seja a resistência varia negativamente com a temperatura (NTC). Podem ser
construídos sob a forma de discos ou cilindros (tipo vareta).
Um termístor típico é composto de óxidos sinterizados de metais como por exemplo níquel,
manganés e cobalto, com contactos colocados nas extremidades do elemento sensível.
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
9
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
Numa NTC, à medida que a temperatura aumenta, a resistência baixa de uma forma não-linear (é
do tipo exponencial com coeficiente negativo – ver eq.(5)).
Na Fig.8 podemos observar as curvas típicas de diversas NTC e a recta de variação da Pt100.
Pode verificar-se que as as taxas de variação de resistência da NTC e da Pt100 com a
temperatura são bastante distintas.
Fig.8
As NTC’s variam acentuadamente com a temperatura, em geral -3%/°C a -6%/°C, garantindo
deste modo uma grande sensibilidade ou sinal de resposta, quando comparadas com as de outros
sensores de temperatura (termopares ou RTDs). Por outro lado, a menor sensibilidade dos
termopares ou das RTDs, permite utilizar estes sensores para medir temperaturas acima de
260°C e/ou temperaturas de funcionamento próximas do limite de temperatura dos termístores.
A curva de variação de uma NTC com a temperatura, é dada pela seguinte expressão:
R = A.eB/T
(5)
R = resistência (Ω)
B = constante do material da NTC (ºK)
T = temperatura da NTC (ºK)
A = constante a uma dada temperatura
Cálculo dos valores de A e B:
Os valores de A e B podem ser obtidos experimentalmente medindo-se o valor da resistência R
da NTC para dois valores diferentes de temperatura:
Da equação da NTC tem-se:
R 1 = A.eB/T1
(6)
R 2 = A.eB/T2
(7)
Dividindo-se (6) por (7), tem-se:
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
10
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
⎛1 1⎞
⎛R ⎞
−1/T2 )
R1
= e B(1/T1
⇒ ln⎜⎜ 1 ⎟⎟ = B⎜⎜ − ⎟⎟
R2
⎝ T1 T2 ⎠
⎝ R2 ⎠
(8)
Rearranjando a expressão, pode calcular-se o valor de B através de:
B=
ln R1 - ln R2
1 1
T1 T 2
(9)
A resistência R da NTC pode ser calculada para temperaturas acima e abaixo de 25ºC, através da
equação (8). Deste modo, para temperaturas acima de 25ºC, tem-se:
⎛ R25 ⎞
1
1
⎛
⎞
⎟⎟ = B ⎜
ln ⎜⎜
⎟
⎝ 273.15 + 25 273.15 + T ⎠
⎝ RT ⎠
Para temperaturas abaixo de 25ºC, tem-se:
1
1
⎛ RT ⎞
⎛
⎞
ln ⎜
⎟ = B⎜
⎟
⎝ R25 ⎠
⎝ 273.15 + T 273.15 + 25 ⎠
Nota: A constante B representa a temperatura para a qual a resistência R da NTC vale A*e.
Supondo que T → ∞, tem-se e B/T → 1
Daqui resulta que R=A. Assim, pode afirmar-se que a constante A representa a resistência da
NTC quando T → ∞.
Exemplo: Calcule os valores de A e B de uma NTC, a partir dos valores:
t1= 20 ºC
t2= 40 ºC
;
;
R1 = 6 Ω
R2 = 2.2 Ω
Resolução:
T1 = T + t1 = 273.15 + 20 = 293.15ºK
T2 = T + t2 = 273.15 + 40 = 313.15ºK
Aplicando a expressão (9):
⎞
⎛
⎞ ⎛
⎜ ln R1 - ln R2 ⎟ ⎜ ln 6 - ln 2.2 ⎟
⎟ = 4605.2º K
⎟ =⎜
B= ⎜
⎜⎜ 1 - 1 ⎟⎟ ⎜ 1 - 1 ⎟
⎜
⎟
⎝ T1 T2 ⎠ ⎝ 293.15 313.15 ⎠
Para calcular a constante A, partimos da equação geral: R = AeB/T. Aplicando logaritmos, obtémse:
lnA = lnR1 −
B
4605.2
⇒ lnA = ln6 T1
293.15
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
11
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
Portanto:
ln A = - 13.9176 → A = 0.903*10–6 Ω
Resultado: B = 4605.2ºK ; A = 0.903*10– 6 Ω
2.5. ENSAIO PRÁTICO COM O TERMÍSTOR NTC
Para realizar este ensaio vamos ligar simplesmente os terminais da NTC ao multímetro digital e
ler os pares de valores (temperatura, resistência). Deste modo, realize os seguintes
procedimentos:
a) Leia os valores de temperatura e resistência da NTC sem aquecimento. Registe os valores
na Tabela III;
b) Comece a aumentar lentamente o valor do potenciómetro de ajuste da temperatura
(intervalos de 0.2 V). Espere algum tempo de modo a estabilizar a temperatura do ar na
conduta antes de efectuar as leituras. Registe os valores de temperatura e de resistência
na Tabela III;
c) Termine o ensaio quando a temperatura atingir o valor de T=40ºC;
d) Construa no Matlab um gráfico X-Y entre a temperatura do ar na conduta (abcissas) e de
resistência da NTC (ordenadas);
e) Sobreponha no gráfico anterior os valores de resistência da NTC com base na expressão
anteriormente apresentada do tipo exponencial. Para o efeito deverá calcular as
constantes A e B, através das expressões anteriormente apresentadas. Comente
eventuais discrepâncias;
f) Determine a aproximação quadrática da resistência da NTC com a temperatura.
Compare as duas expressões que aproximam a curva da NTC e determine o erro
máximo (em ºC) obtido através de cada uma delas (Nota: Esta questão é opcional).
Tabela III
Temperatura
RNTC
RNTC (expon.)
RNTC (quadrática)
Erro (exp.)
Erro (quadr.)
(ºC)
(Ω)
(Ω)
(Ω)
(Ω)
(Ω)
Nota: As colunas 3 a 6 são preenchidas posteriormente a partir dos valores obtidos nas colunas 1 e 2.
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
12
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
2.6. TERMOPAR (TIPO K)
A Fig.10 representa o esquema típico de um termopar. É composto por dois fios de materiais
diferentes soldados numa das extremidades (solda a frio).
No caso do termopar tipo K, utilizam-se os seguintes materiais: alumel e crómio.
Neste dispositivo, quando a ponta soldada for aquecida irá surgir uma força electromotriz aos
terminais dos dois componentes do termopar.
A junção soldada dos dois materiais designa-se por junta quente (hot junction) enquanto que os
restantes terminais designam-se por junta fria (cold junction).
Fig.10
O valor da tensão gerada aos terminais do termopar (fem) depende da diferença de temperaturas
entre as juntas quente e fria, bem como dos materiais utilizados na construção do termopar.
No caso do termopar tipo K, a tensão de saída é bastante linear na gama de temperaturas de
0-100 ºC e possui um ganho (coeficiente de Seebeck - α ) de 40.96 μV por cada grau de
diferença existente entre as juntas quente e fria ( α = 40.96 μV/ºC => 0.04096 mV/ºC).
2.7. ENSAIO PRÁTICO COM O TERMOPAR DO TIPO K
Para realizar este ensaio, analise o esquema representado na Fig.11:
Fig.11
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
13
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
a) Efectue as ligações representadas no circuito da Fig.11. Tenha em atenção que vai
utilizar-se um termopar exterior e não o fornecido pelo DIGIAC. Deste modo faça as
adaptações necessárias para implementar o circuito análogo;
b) Introduza o termopar no ponto de leitura da conduta de ar do sistema VVS-400, bem
como o termómetro digital;
c) Ajuste o GAIN COARSE do Amplifier #1 em 10 e o GAIN FINE em 0.2;
d) Curto-circuite as entradas do amplificador de instrumentação e ajuste o OFFSET do
Amplifier #1 de modo a obter uma tensão de saída nula no voltímetro digital;
e) Ligue os terminais do termopar às entradas do amplificador de instrumentação
(INSTRUMENTATION AMPLIFIER) conforme representado na Fig.11. A saída deverá
ser nula visto as junções quente e fria estarem sujeitas à mesma temperatura. Registe os
valores de temperatura e de tensão (fem) na Tabela IV;
f) Comece a aumentar lentamente o valor do potenciómetro de ajuste da temperatura
(intervalos de 0.2 V). Espere algum tempo de modo a estabilizar a temperatura do ar na
conduta antes de efectuar cada leitura. Registe os valores de temperatura e de tensão de
saída (fem) do termopar na Tabela IV;
g) Termine o ensaio quando a temperatura atingir o valor de T=40ºC. Desligue o sistema
VVS-400 e o DIGIAC;
h) Construa no Matlab, a curva com os pontos do ensaio do termopar (f.e.m –mV em função
da temperatura T - ºC). Faça o ajustamento linear dos pontos experimentais e represente a
recta de ajustamento. Compare o coeficiente de Seebeck obtido com o indicado
anteriormente. Será que é um termopar do tipo K?
i) Faça a correcção ao gráfico fem=f(T) de modo a ter em conta a temperatura
ambiente. Represente os pontos corrigidos e compare-os com a recta dos pontos da
tabela do termopar do tipo K, que têm como temperatura de referência T=0ºC. Que pode
concluir?
Tabela IV
Temperatura
Fem do termopar
Fem corrigida
Fem (tabela)
Erro_Fem
(ºC)
(mV)
(mV)
(mV)
(%)
Nota: As colunas 3 e 5 são preenchidas posteriormente a partir dos valores de obtidos nas colunas 1 e 2.
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
14
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
3. RELATÓRIO FINAL
Para a elaboração do relatório, os alunos deverão ter em consideração as seguintes indicações:
a) O relatório deverá ser elaborado de acordo com o formato normalizado (ver ficheiro em
Word
disponível
na
página
web
da
unidade
curricular
(http://www.enautica.pt/publico/professores/baptista/instrum.htm);
b) O relatório deverá responder explicitamente às questões enunciadas no guia,
nomeadamente às questões sublinhadas a negrito;
c) No relatório, não serão aceites reproduções dos textos do guia, imagens dos esquemas
representados no guia ou outros elementos recolhidos de livros, manuais, Internet, etc.
Apenas serão aceites os textos com a descrição dos ensaios efectivamente realizados nas
aulas práticas, tabelas, gráficos, etc. Caso estas orientações não sejam seguidas, o
relatório será rejeitado;
d) Em caso de rejeição do relatório, os alunos têm uma semana para reformular o trabalho
sem que para tal venham a sofrer qualquer penalização na nota final;
e) Os gráficos a apresentar no relatório deverão ser realizados em Matlab. Não serão aceites
gráficos feitos em Excel ou noutra ferramenta informática. É considerado elemento
valorizativo colocar em anexo ao relatório a listagem das instruções usadas em Matlab.
4. REFERÊNCIAS
•
An introduction to transducers and instrumentation, DIGIAC 1750, Curriculum manual
IT02, LJ Technical Systems
•
IC temperature sensor provides termocouple cold junction compensation, National
Semicondutor, Application Note 225, 1979.
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
15
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO
TRABALHO PRÁTICO Nº1
ANEXO. CIRCUITO PRÁTICO DE COMPENSAÇÃO DA JUNÇÃO DE REFERÊNCIA
ATRAVÉS DE SENSOR LM335
Luis Filipe Baptista – ENIDH/MEMM
16