Medindo temperaturas precisamente: Possíveis tecnologias de sensores e requisitos para sistemas de aquisição de dados

A grandeza mais frequentemente medida no mundo da tecnologia de medição é a temperatura. Além disso, existem vários sensores e métodos disponíveis para executar esta tarefa. Uma das maneiras mais populares de medir a temperatura é usando um termopar. Neste artigo, fornecemos uma visão geral deste assunto.

Em todo o mundo, a temperatura é a grandeza mais frequentemente medida. O registro preciso das mudanças de temperatura desempenha um papel vital nas medidas estruturais e nas operações dinâmicas de todos os tipos de sistemas.

Numerosos fatores desencadeiam mudanças térmicas. Estas incluem influências ambientais (calor, frio), aquecimento de sensores, processos de combustão ou explosão, fluxo e peças mecânicas do sistema que levam à fricção ou corrente elétrica.

As mudanças de temperatura também têm principalmente um impacto em outras grandezas físicas, como a corrente elétrica, tensão, fluxo ou pressão. Idealmente, estas dependências térmicas são levadas em consideração e compensadas durante o tempo de execução. Neste caso, a aquisição precisa de temperatura é absolutamente crucial para reduzir a incerteza relacionada à medição devido a variações de temperatura.

Os perfis de temperatura obtidos durante o teste ou em uma configuração de teste de modelo podem ser usados para analisar e otimizar um sistema. Isso pode ser benéfico para circuitos de resfriamento e aquecimento, o design de materiais ou a determinação de bitolas de fios para a condução de eletricidade.


Possíveis métodos de medição digital de temperatura

Supondo que desejamos comparar temperaturas digitalmente ao mesmo tempo que muitas outras grandezas, as seguintes opções de medição de temperatura estão à nossa disposição:

  • Sensores que alteram sua resistência, como os termistores NTC - diminuem sua resistência à medida que a temperatura aumenta; e termistores PTC - que aumentam a sua resistência à medida que a temperatura aumenta (por exemplo, termômetros de resistência de platina ou silicone ou termistores PTC cerâmicos).

  • Os sensores que fornecem um sinal elétrico, como sensores de temperatura IC, alteram a corrente ou tensão à medida que a temperatura muda.

  • Sensores de temperatura que usam um oscilador de cristal de quartzo - aqui, a freqüência de ressonância varia em função da temperatura.

  • Os pirômetros e as câmeras de imagem térmica são ferramentas sem contato e medem a radiação térmica.

  • Os sensores de temperatura de fibra óptica medem o perfil de temperatura ao longo de uma fibra de vidro.O princípio aqui é o efeito Raman; em outras palavras, a mudança dependente da temperatura no índice de refracção em redes de Bragg de fibra (FBGs).

  • E, finalmente, um dos métodos mais comuns de medir a temperatura, agora mais do que nunca, é usando termopares - eles convertem as diferenças de temperatura em uma tensão elétrica como resultado do efeito Seebeck. Os termopares compreendem dois metais diferentes que são unidos ou soldados em uma extremidade. Quando este ponto de conexão fica quente, uma tensão não linear é gerada em função da temperatura.

Efeito Seebeck para determinação da temperatura

Os termopares medem a temperatura com base no efeito Seebeck. A relação entre calor e eletricidade - termoeletricidade - foi descoberta pelo físico Thomas Johann Seebeck . Se o ponto de conexão de dois metais diferentes for aquecido, é gerada uma tensão dependente da temperatura.

As pontas dos termopares consistem em fios soldados que estão conectados à eletrônica de medição. Se a temperatura for diferente em diferentes pontos desses fios, ocorre um deslocamento de carga. O material e a condutividade do fio determinam a quantidade de atividade dos elétrons e, portanto, a extensão deste deslocamento de carga. Se o ponto de conexão soldado dos dois metais se aquecer, os elétrons viajam de um material para o outro. A diferença resultante de temperatura entre as extremidades conectadas e não conectadas dos fios cria uma tensão termelétrica. Isto pode então ser medido a partir das extremidades livres dos fios. Uma vez que observamos a temperatura na extremidade livre do fio e medimos a tensão, podemos calcular a temperatura no ponto de conexão dos dois fios. A tensão medida é muito baixa neste caso - apenas algumas dúzias de microvolts para cada grau na escala Celsius de diferença de temperatura. No entanto, isso é absolutamente suficiente para determinar a temperatura com precisão.

Tipos de termopares

Existem diferentes tipos de termopares. Eles diferem de acordo com os materiais de fabricação e suas propriedades, e cobrem vários intervalos de temperatura. Os vários tipos, suas faixas de tensão, forças eletromotriz e o limite admissível das temperaturas de desvio são regidos pela norma DIN EN 60584.

O termopar Tipo-K é amplamente utilizado. É um termopar universal que é feito com uma conexão das ligas de níquel-cromo e níquel- Alumel . Tem uma sensibilidade de cerca de 41 μV/°C (microvolts por grau Celsius), é de baixo preço e tem uma faixa de temperatura muito ampla que normalmente se estende de -200 a +1100 °C.

Outros tipos populares são o E, T, J, N (este é o sucessor do K-Type), C e S.

Usando termopares

Os termopares podem ser utilizados em uma ampla variedade de aplicações nas áreas de pesquisa e desenvolvimento. Eles podem facilitar a verificação e aperfeiçoamento de modelos climáticos complexos de interiores de veículos, por exemplo, para levar os dispositivos de armazenamento de energia até condições termicamente ótimas e evitar a desmagnetização de motores elétricos.

Vantagens dos termopares

  • Eles vêm com um design robusto.

  • Eles podem ser feitos em fino, permitindo um tempo de resposta rápido (até 0,1 segundo/10 Hz), com uma integração quase universal.

  • O custo é baixo.

  • Eles podem ser aplicados para uma ampla faixa de temperaturas.

Desvantagens dos termopares

  • São necessárias linhas de compensação do mesmo material (fios termoelétricos).

  • Os pontos de contato resultam em termopares adicionais, por exemplo, níquel-cromo (NiCr) no termopar tipo-K para cobre no instrumento de medição, que gera tensões termoelétricas que devem ser compensadas (compensação de junção fria).

  • Classe de exatidão: 0.1

  • Eles têm uma característica não-linear.

  • Existem muitos fatores de incerteza.

  • As temperaturas devem frequentemente ser medidas em ambientes com alta interferência eletromagnética.

Os sistemas que estão sendo testados, como motores de combustão, compressores e unidades elétricas, geram o próprio ruído elétrico. Os ambientes ruidosos são produzidos por objetos que descarregam altas tensões, como velas de ignição e através de altas correntes e tensões próximas ao ponto de medição.

O sistema ideal de aquisição de dados para medir temperaturas com termopares

The optimal data acquisition system captures the smallest signals, overcomes all challenges in varying ambient conditions, and further suppresses disturbance variables such as signal noise.

O sistema ideal de aquisição de dados captura os menores sinais, supera todos os desafios em diferentes condições ambientais e suprime ainda mais as variáveis de perturbação, como o ruído do sinal.

Com o QuantumX, a HBM oferece um sistema de aquisição de dados que é adequado para todas as grandezas físicas mensuráveis comuns e que fornece análise de dados simples com o software catman.

Os seguintes modelos, especialmente concebidos para a conexão de termopares, estão atualmente disponíveis:

  • MX1609KB: módulo de aquisição de dados de 16 canais, Tipo-K
  • MX1609TB: módulo de aquisição de dados de 16 canais, Tipo-T
  • MX1609KB-R: amplificador robusto com 16 canais configuráveis individualmente para termopares Tipo-K (série SomatXR)
  • MX809B: módulo de aquisição de dados de 8 canais, todos os tipos (receptáculo de cobre)
  • MX840B/MX440B: módulo de aquisição de dados universal 8/4 canais, todos os tipos

Medição de temperatura e vários outros sinais com o QuantumX

A HBM oferece o sistema de aquisição de dados QuantumX (DAQ) para a medição precisa de temperaturas que utilizam termômetros de resistência ou termopares. A família QuantumX é modular e escalável, o que está de acordo com seus requisitos. Permite a conexão de quaisquer sinais, sensores e transdutores e digitaliza de forma síncrona grandezas físicas, como temperatura, tensão, pressão, força, torque, velocidade, aceleração, posição, fluxo, tensão e corrente.

QuantumX - o sistema DAQ para resultados de medição precisos

O sistema modular de aquisição de dados QuantumX processa grandezas mensuráveis, como temperatura, com precisão excepcional:

  • Possui uma gama extremamente ampla de aplicações em P&D em campos, como engenharia mecânica e indústrias automotiva, de engenharia médica e aeroespacial.

  • Ele mede temperaturas com extrema precisão, até 0,1 K.

  • É imune aos efeitos de interferências.

  • Medições confiáveis podem ser realizadas com um potencial de alta tensão (certificado VDE).

  • Existe uma parametrização de canal automatizada usando TEDs sem fio (RFID).

  • É ideal para medidas estruturais e altamente dinâmicas, com a liberdade de escolher taxas de amostragem de 0,1 a 40,000 S/s.

  • A transferência ótima de dados é facilitada via Ethernet, e pode ser integrada com o software de sua escolha.


O QuantumX oferece tecnologia ideal para quase todas as aplicações:

  • Ele vem com entradas universais ou especiais - todos os tipos ou tipos específicos.

  • Existe uma compensação de junção fria altamente precisa de canais individuais perto da junção com o cobre (Pt1000).

  • Os canais são isolados eletricamente um do outro e da fonte de alimentação e rede, efetivamente suprimindo as variáveis de perturbação.

  • As cadeias de medição são seguras devido ao cabo duplo isolado, conector com proteção contra contato, alto isolamento elétrico (ver categorias de medição) e verificação pelo VDE.

  • Integra a linearização polinomial das curvas de acordo com a IEC.

  • Existe uma segunda linearização específica da aplicação através da calibração térmica de vários pontos (por exemplo, água gelada e 200°C) para corrigir o polinômio.

  • Possui um design robusto e compacto, com uma faixa de temperatura de trabalho extensa.

  • Ele vem com parametrização automatizada de canais, exibição de ponto de medição e linearização individual usando TEDs (tecnologia RFID).

  • Oferece taxas de amostragem individuais por canal + filtro passa-baixa.

  • Possui um design de sistema expansível e livremente escalável.

  • Permite a medição síncrona entre canais e sistemas.

  • Pode ser facilmente integrado ao software de sua escolha. Com o catman da HBM, fornece uma solução simples e abrangente para aquisição e análise de dados.

  • Pode ser integrado em tempo real (EtherCAT, CAN bus).

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