Condicionamento de Sinal e Transmissão em Medição de Temperatura

Os sinais de saída produzidos por sensores de medição de temperatura requerem condicionamento para convertê-los em uma forma que possam ser usados para processamento adicional. O condicionamento de sinal consiste em:

• Amplificação;
• Isolamento de sinal;
• Compensação de erro;
• Linearização;
• Excitação;

Enquanto o condicionamento é essencial para a precisão de medição, a precisão também é dependente de fatores tais como a transmissão de sinais e construção de sensor. As impurezas no metal de dispositivos de detecção podem resultar em gradientes de temperatura que apresentam erro, e a distância de transmissão pode afetar a qualidade do sinal. Além disso, os atributos do sensor de medição, bem como o método usado para a transmissão podem desempenhar um papel nas características do sinal.

A maioria dos dispositivos de detecção de temperatura apresentam um grau de não-linearidade. Cada um tem um modo diferente de operação e seu próprio sinal exclusivo, requisitos de condicionamento. Os termopares operam sobre o efeito de Seebeck, que ocorre quando dois metais diferentes são unidos em uma extremidade e permanecem abertos na outra, criando uma tensão do circuito aberto. A tensão é uma função direta da diferença de temperatura entre a junção dos metais e o ponto medido sobre os metais. A tensão de Seebeck depende da composição do termopar. As saídas são não-lineares para as medições de temperatura, e cada tipo de termopar apresenta sua própria não-linearidade distintiva. Além disso, as curvas de calibração indicam que a não-linearidade de termopares resulta em maior erro em uma ampla gama de temperatura.

Um RTD é constituído por um metal, como o cobre ou platina, o que aumenta a resistência com o aumento da temperatura. Eles podem ser de cabo enrolado ou película fina. Os RTDs de cabo enrolado consistem em cabo enrolado em torno de um isolador cilíndrico de cerâmica ou vidro. Os sensores de película fina possuem uma película de material aplicado a um isolante de cerâmica, que é cortado até que a resistência seja o valor preferencial. A resistência contra a curva da temperatura de um RTD é não linear. Em casos onde a faixa de medição é estreita, a não linearidade possivelmente pode ser ignorada. Na faixa de 0 a 1000° C, os RTDs têm uma precisão de ± 0,5 a 1°C.

Os termistores são feitos de óxidos de metal e podem ter um coeficiente de temperatura positiva ou negativa. Os termistores de coeficiente de temperatura negativa apresentam uma diminuição não linear da resistência com o aumento das temperaturas, enquanto os termistores de coeficiente de temperatura positiva apresentam um aumento linear na resistência com o aumento das temperaturas. Os termistores apresentam uma sensibilidade e resposta de sinal muito maior a mudanças de temperatura do que termopares ou RTDs e são, portanto, capazes de atingir maior precisão. No entanto, a faixa de temperatura de funcionamento de termistores é muito mais estreita.

Os sensores de temperatura infravermelhos medem a temperatura, centrando-se a quantidade de radiação infravermelha emitida por um objeto em sensores, que a converte em um sinal elétrico. A quantidade de energia infravermelha emitida por um objeto é diretamente proporcional à sua temperatura. Como o sensor não está em contato com o processo que está sendo medido, os sensores infravermelhos são úteis para aplicações de temperatura muito alta, onde outros tipos de sensores não podem suportar ou para a movimentação de processos tais como preparação de alimentos numa correia transportadora.

A transmissão analógica utiliza um sinal contínuo, que varia de acordo com a amplitude para transportar a informação. É mais frequentemente usado com sinais de processo padrão, tais como 4 a 20 mA, 0 a 10V e 0 a 1V. A faixa de 4 a 20 mA é a mais comumente usada, visto que pode percorrer a maior distância sem degradação e é relativamente imune ao ruído externo. Ele é frequentemente utilizado como uma variável de processo para a saída do sensor de temperatura. Quando o transmissor recebe a saída nativa do sensor, ele lineariza o sinal com base na curva de calibração para o tipo específico de sensor. Em seguida, converte a tensão linear para o sinal de corrente 4 a 20 mA. Então, o sinal pode também ser processado por um controlador ou dispositivo de gravação. Os termopares e RTDs produzem sinais de baixa em milivolts que são suscetíveis à interferência. O sinal de 4 a 20 mA é muito mais robusto e capaz de serem transmitidos através de uma longa distância sem interferência de ruído. Além disso, o uso da variável de 4 mA para o valor mais baixo facilita para distinguir um legítimo sinal de falha do transmissor.

A Ethernet é outra forma de transmissão de série diferencial de alta velocidade que suporta até 1 GB por segundo de transmissão. Isso geralmente requer um controlador dedicado e é amplamente utilizado para aplicações industriais, comerciais e residenciais e constitui a base para as comunicações de internet de hoje. Os diferentes sistemas de codificação são usados para permitir que as informações de medição real sejam transmitidas entre máquinas ou em alguns casos, globalmente, utilizando a infraestrutura da Internet. O TCP/IP é um protocolo amplamente usado nos sistemas Ethernet, fornecendo transmissões de dados seguras entre dois dispositivos e conexões Ethernet e são compatíveis com um grande número de mecanismo de criptografia para garantir a segurança de dados.

OOs dispositivos de detecção de temperatura não lineares requerem que os sinais sejam condicionados para compensação de linearização e erro. Além disso, a saída baixa de milivolts de termopares e RTDs deve ser compensada com amplificação. A precisão do sinal também é dependente da transmissão. A conversão do sensor para um processo de saída de 4 a 20 mA fornece um sinal mais robusto capaz de ser transmitido por longas distâncias, com pouca interferência. A transmissão digital e Ethernet fornecem transferência de sinal em distâncias maiores e a taxas mais elevadas.