Sensores de platinaUma das propriedades físicas mais utilizadas para medição de temperatura é a da variação da resistência em função da temperatura. Os sensores que se utilizam dessa propriedade são os chamados RTDs (Resistance Temperature Detectors) ou termoresistências. Os materiais que têm essa propriedade e que são mais utilizados na fabricação de sensores de temperatura são: a platina (Pt), o níquel (Ni), o cobre (Cu) e alguns semicondutores.

Por mais de 100 anos, em razão da sua elevada pureza e de suas características físico-químicas muito especiais, a platina tem sido usada como o melhor material base para sensores de temperatura. Os sensores que utilizam esse metal precioso contemplam de forma praticamente ideal os requisitos necessários para um perfeito e confiável funcionamento durante muitos anos de operação. Entre as várias vantagens do uso da platina como material sensor, podemos ressaltar a alta estabilidade, a repetibilidade e a possibilidade de operar de forma muito linear em uma extensa faixa de operação (-200°C à +850°C podendo chegar a +1.000°C em alguns casos especiais).

As vantagens das propriedades especiais da platina, quando utilizada em sensores de temperatura, são evidentes quando comparadas com sensores que utilizam outros materiais, como por exemplo termopares, semicondutores (KTY®), ou termistores (NTC):

Tipo de Sensor Pt RTD Termistor (NTC) Termopar KTY
Material do elemento sensor Platina Semicondutor cerâmico Junção de dois metais Semicondutor de silício
Princípio de Funcionamento Variação da resistência Ôhmica Variação da resistência Ôhmica Junta quente (FEM – Força Eletromotriz) Variação da resistência Ôhmica
Custo do sensor Moderado a baixo Moderado a baixo Baixo Baixo
Custo do hardware Moderado Moderado a baixo Alto Baixo
Faixa de Temperatura -200ºC até +1000ºC (Normalmente 660ºC no máximo) -100ºC até +300ºC, tipos especiais até +500 ºC (Normalmente 125ºC no máx.) -270ºC até +1800ºC, dependendo do tipo. -55ºC até +300ºC
Valores Fundamentais 25 a 10.000Ω 1KΩ a 1MΩ 10 mV @ 25°C 750mV @ 25°C
Precisão 0,03 °C Típica ± 1% em resistência Para classe 2 dependendo do tipo ± 2.5ºC ou 0.0075 |t| Típica ± 5%, melhor precisão em resistência ± 0,5%
Intercambiabilidade ±0.06%, ±0.2ºC ±10%, ±2ºC ±0.5%, ±2ºC ±1%, ±3ºC
Estabilidade Excelente Moderada Baixa Moderada
Sensibilidade 0.39% /ºC -4% /ºC 40mV /°C 10mV /°C
Linearidade Excelente Baixa (logarítmica) Moderada Moderada
Coeficiente (α) Positivo Negativo Positivo Positivo
Sensibilidade a Ruídos Muito Baixa Baixa Alta Baixa
Requisitos Especiais - Linearização Junta de Referência -

Dentre as vantagens, podemos citar:

  • Alta precisão
  • Baixa deriva
  • Baixa histerese
  • Vida útil extremamente longa
  • Sinal de saída alto e, consequentemente, de fácil tratamento eletrônico
  • Ampla faixa de temperatura de -200 a 1000°C.
  • Curva dR/dT muito linear
  • Alta Repetibilidade
  • Totalmente intercambiável
  • Alta resistência a choques térmicos
  • Excelente estabilidade em qualquer faixa de operação

Os sensores de platina têm como definição mais comum o valor de 100 Ohm @ 0°C.

Por essa razão, RTDs de platina são normalmente chamados de sensores Pt100, embora existam no mercado termorresistências de platina com valores de resistência a 0°C de 25, 500, 1000 e até de 10.000 Ohms, dependendo da aplicação e da tecnologia de fabricação.

A curva típica dos sensores industriais de platina apresenta um coeficiente nominal de 0,3850 Ohm/K, porém há outros coeficientes que também podem ser utilizados, tais como: 0,3916 Ohm/K, 0,3750 Ohm/K e 0,3925 Ohm/K.

Principio de funcionamento dos sensores de Platina

desenho-cww

 

Os sensores de temperatura que utilizam platina, têm como princípio de funcionamento a alteração da resistência elétrica em função da variação da temperatura. Esse incremento da resistência elétrica gera uma curva característica, pode ser definida matematicamente.

Essa curva característica é definida e aceita internacionalmente norma IEC 60751, que determina o α (Alfa) da platina:

onde Rt é a resistência a 100°C e Ro a resistência a 0°C.

Como convenção, escrevemos o coeficiente de temperatura dos sensores de platina como:

 °C-1
A curva padrão da equação de Callendar Van-Dussen, define a resistência em função da temperatura da seguinte forma:

Para -200°C ≤ t < 0°C:

Para t ≥ 0°C:

Onde:

t = temperatura ITS-90 em °C

Rt = Resistência na temperatura t em Ω

Ro = Resistência à 0°C em Ω

e as constantes:

A = 3.9083 x 10-3 °C-1

B = -5.775 x 10-7 °C-2

C = -4.183 x 10-12 °C-4

Para efetuarmos o cálculo inverso, ou seja, calcularmos a temperatura (°C) em função da resistência, devemos utilizar as equações disponibilizadas pela norma ASTM E1137/E1137M :

Para t < 0°C:

Para t ≥ 0°C:

Onde:

t = temperatura ITS-90 em °C

Rt = resistência a temperatura t em Ω

Ro = resistência a 0 °C em Ω

e as constantes:

A = 3.9083 3 10−3 °C−1

B = −5.775 3 10−7 °C−2

D1 = 255.819 °C

D2 = 9.14550 °C

D3 = −2.92363 °C

D4 = 1.79090 °C

Normas e Tolerâncias

Como mencionado anteriormente, os RTDs são especificados pelos seus respectivos coeficientes de temperatura e, para tal, existem algumas normas.

Nas últimas décadas, a tendência mundial, foi adotar a norma IEC 60751. As faixas de temperatura, assim como as classes de tolerância da norma, são baseadas na experimentação prática dos elementos sensores RTDs, fabricados com duas tecnologias:

  • Elemento sensor cerâmico bobinado (CWW)
  • Filme plano (Thin Film)

Valores de tolerância: Os valores de tolerância dos RTDs são classificados em duas tabelas distintas, de acordo com a sua tecnologia de fabricação. Cada tabela, por sua vez, divide em quatro classes de tolerância, conforme valores mostrados abaixo:

Tolerância classe (CWW) Faixa de temperatura (CWW) Tolerância classe (Thin Film)) Faixa de temperatura (Thin Film) Tolerância (°C)
W0.1 -100 à +350 °C F0.1 0 à +150 °C ± (0,1 + 0.0017 |t|)
W0.15 -100 à +450 °C F0.15 -30 à +300 °C ± (0,15 + 0.002 |t|)
W0.3 -196 à +660 °C F0.3 -50 à +500 °C ± (0,3 + 0.005 |t|)
W0.6 -196 à +660 °C F0.6 -50 à +600 °C ± (0,6 + 0.01 |t|)

|t|, modulo da temperatura em °C

Tolerâncias especiais

Existem ainda outras duas classes de tolerância que até o momento não foram normalizadas.Entretanto, a IEC 60751 aceita essas classes especiais desde que o fornecimento dos RTDs com essas tolerâncias seja acordado entre fabricante e usuário. As classes especiais mais aceitas e utilizadas no mercado mundial são 1/5 e 1/10 dos valores de W0.3, respectivamente, W0.06 ± (0,06 + 0,001 |t| ) e W0.03 ± (0,03 + 0,0005 |t| ).
Além das tolerâncias, as classes especiais podem definir também faixas de temperaturas de trabalho extensas, que podem cobrir valores de -200 até +900°C, dependendo do fabricante e da tecnologia de fabricação.

Corrente de Medição

A corrente de medição de um RTD, de acordo com a norma IEC 60751, deve ser limitada a um valor, cujo auto-aquecimento (expresso em °C/mW), no máximo, 25% do valor de tolerância da classe nas condições de máxima corrente.

A corrente de medição usualmente convencionada não é maior do que 1mA para um sensor cerâmico de 100Ω.

Configuração dos fios de conexão

Os sensores montados com classe de tolerância W0.3 ou F0.3 devem ser conectados ao circuito eletrônico com a configuração de 3 ou 4 fios. Os sensores montados podem também apresentar a construção com um ou dois sensores RTDs.

Para ambos os casos, a norma IEC 60751 define as configurações de conexão como segue:

Isolação dos sensores de temperatura montados

A isolação dos sensores montados tem que seguir um padrão mínimo;, caso contrario, a baixa isolação pode ocasionar instabilidade na leitura do sensor. Os valores versus a temperatura exigidos pela norma são os seguintes:

TEMPERATURA RESISTÊNCIA DE ISOLAÇÃO
Até 250 °C 20 MΩ
251 à 450 °C 2 MΩ
451 à 650 °C 0,5 MΩ
651 à 850 °C 0,2 MΩ

Tecnologias de fabricação de um RTD

As tecnologias de construção dos RTDs de platina mais utilizadas industrialmente podem ser divididas basicamente entre duas categorias: Cerâmicos (CWW – Ceramic Wire Wound) ou Filme Plano (Thin Film).

Cada tecnologia apresenta suas características e aplicações típicas. O sensor Cerâmico tem como característica principal a construção clássica, em que uma bobina de platina é alojada dentro de um tubo cerâmico de alta pureza. Já o sensor Filme Plano caracteriza-se por uma fina camada de platina em forma de meandro, aplicada sobre um substrato cerâmico de alta pureza.