Como funciona o controle de temperatura?

Os Controladores de Temperatura controlam a temperatura de forma que o valor do processo seja o mesmo que o set point, mas a resposta será diferente devido às características do objeto controlado e ao método de controle do Controlador de Temperatura. Normalmente, uma resposta mostrada na Figura (2), onde o ponto de ajuste é alcançado o mais rápido possível sem ultrapassar, é necessária em um Controlador de Temperatura. Há também casos como o mostrado na Figura (1), em que uma resposta aumenta rapidamente a temperatura, mesmo que seja necessária uma ultrapassagem, e o mostrado na Figura (3), em que é necessária uma resposta que aumenta lentamente a temperatura.

Princípio de funcionamento

A figura a seguir mostra um exemplo de um sistema de controle de feedback (realimentação) usado para controle de temperatura.

As principais partes do sistema de controle de feedback são incorporadas ao Controlador de Temperatura. Um sistema de controle de feedback pode ser construído e a temperatura pode ser controlada combinando um Controlador de Temperatura com um acionador e sensor de temperatura adequados para o objeto controlado.

Malha de controle da temperatura

Controle ON/OFF

Conforme mostrado no gráfico ao lado, se o valor do processo for menor que o ponto de ajuste, a saída será LIGADA e a energia será fornecida ao aquecedor. Se o valor do processo for maior que o ponto de ajuste, a saída será DESLIGADA e a alimentação do aquecedor será desligada. Este método de controle, no qual a saída é ligada e desligada com base no set point para manter a temperatura constante, é chamado de ação de controle ON/OFF. Com esta ação, a temperatura é controlada através de dois valores (ou seja, 0% e 100% do set point). Portanto, a operação também é chamada de ação de controle de duas posições.

Ação proporcional de controle

A ação P (ou ação de controle proporcional) é usada para emitir uma saída de controle que é proporcional ao desvio para diminuir o desvio entre o valor do processo e o ponto de ajuste (setpoint). Uma banda proporcional é definida centralizada no ponto de ajuste e a saída é determinada com as seguintes regras.

• Uma saída de controle que é proporcional ao desvio é emitida quando o valor do processo está dentro da banda proporcional;
• Uma saída de controle de 100%  é emitida quando o valor do processo é menor que a banda proporcional;
• Uma saída de controle 0% é emitida quando o valor do processo é maior que a banda proporcional.

Um controle mais suave do que a ação de controle ON/OFF é possível porque a saída é alterada gradualmente próximo ao ponto de ajuste de acordo com o desvio. No entanto, se a temperatura for controlada apenas com a ação proporcional, ela se estabilizará em uma temperatura fora do ponto de ajuste (offset).

Observação: Se um controlador de temperatura com faixa de temperatura de 0°C a 400°C tiver uma banda proporcional de 5%, a largura da banda proporcional será convertida em uma faixa de temperatura de 20°C. Neste caso, a saída é mantida ligada até que o valor do processo atinja 90°C, e a saída é desligada periodicamente quando o valor do processo excede 90°C, desde que o set point seja 100°C. Quando o valor do processo é 100°C, não haverá diferença de tempo entre o período LIGADO e o período DESLIGADO (ou seja, a saída é LIGADA e DESLIGADA 50% do tempo).

Ação integral de controle

A ação I (ou ação integral) aumenta ou diminui a saída de controle (variável manipulada) de acordo com o tamanho e a duração do desvio.

A temperatura se estabilizará em uma temperatura fora do set point (offset) apenas com a ação proporcional, mas o desvio com o passar do tempo será diminuído e o valor do processo será o mesmo que o set point combinando as ações proporcional e integral.

Ação derivativa de controle

A ação D (ou ação derivativa) fornece à saída de controle uma resposta a mudanças abruptas no valor do processo, devido a fatores como uma perturbação externa, para que o controle retorne rapidamente ao status original. As ações proporcional e integral corrigem o controle resultados, de modo que a resposta a mudanças abruptas é atrasada. A ação derivativa compensa essa desvantagem e fornece uma grande variável manipulada para distúrbios externos rápidos.

Controle PID (Proporcional, Integral, Derivativo)

O controle PID é uma combinação de ações de controle proporcional, integral e derivativo. A temperatura é controlada suavemente aqui pela ação de controle proporcional sem oscilação, o ajuste automático de compensação é feito pela ação de controle integral e a resposta rápida a uma perturbação externa é possibilitada pela ação de controle derivativa.

Sensores de temperatura

Os sensores de temperatura medem a temperatura de um local onde o controle de temperatura é necessário. Os mesmos convertem a temperatura em uma quantidade física de uma tensão ou resistência.

Os principais tipos de sensores de temperatura são:

• Termopares: Tipo J, K, E, T, B, R, etc.
• Termo resistência de platina: PT100, PT1000.
• Termistores: PTC, NTC
• Medidores de irradiação

Termopares

Um termopar é um sensor de temperatura que usa o fenômeno Seebeck que gera uma força termo eletromotriz de acordo com a diferença de temperatura entre a extremidade da junta e a extremidade aberta de diferentes tipos de metal que foram unidos em uma extremidade. A combinação de metais com força termo eletromotriz alta e estável é chamada de termopar.

O intensidade da diferença de potencial é determinada pelos dois materiais diferentes dos fios metálicos e pela diferença de temperatura entre a junção do termopar (isto é, junção quente) e junção de referência (isto é, junção fria). Qualquer diferença de temperatura entre eles não tem efeito (Lei das Temperaturas Intermediárias).

Também não há efeito se houver diferentes tipos de metais entre eles, desde que não haja diferença de temperatura (Lei dos Metais Intermediários).

Tipos de termopares

Entre os termopares, os tipos K, E, J e T usam metais básicos e os tipos B, R e S usam metais nobres.

O tipo de termopar é escolhido com base na temperatura de medição, ambiente e precisão. Em geral, no entanto, os tipos K, J e R são comumente usados.

Se o fio condutor do sensor de temperatura do termopar não alcançar o controlador de temperatura e o cabo entre o sensor e o controlador de temperatura for estendido com fio de cobre, ocorrerá um erro de temperatura.

Os fios condutores do sensor de temperatura do termopar devem ser estendidos com condutores de compensação.

Um condutor de compensação é um cabo que produz quase a mesma força termo eletromotriz que o termopar. Existem cabos de uso geral (-20 a 90°C) e cabos resistentes ao calor (0 a 150°C), dependendo da temperatura ambiente de operação. As características desses cabos são determinadas pela JIS. Condutores de compensação estão disponíveis para cada tipo de termopar. Deve ser usado um condutor de compensação adequado para o termopar.

Termo resistores de platina (RTD – Resistance Temperature Detector)

O termo resistor de platina (RTD) é um pedaço de fio de platina que indica a temperatura medindo sua resistência elétrica. Esses dispositivos oferecem uma excelente combinação de sensibilidade, alcance e reprodutibilidade.

Os RTDs funcionam da seguinte maneira. A resistência elétrica de muitos metais (por exemplo, cobre, prata, alumínio, platina) aumenta aproximadamente linearmente com a temperatura absoluta, e esta característica os torna úteis como sensores de temperatura. A resistência de um fio do material é medida passando uma corrente através dele e medindo a tensão através dele com um voltímetro. A leitura é convertida em temperatura usando uma equação de calibração.

O tipo de sensor mais usual é feito de platina porque é um metal não reativo, estável, que pode ser disposto em fios finos, mas não é muito macio. Usando fios muito puros, os sensores podem ser produzidos com características de resistência muito semelhantes, e alcançar uma boa reprodutibilidade em uso.

O comprimento e o diâmetro do fio de platina usado em um sensor são frequentemente escolhidos de modo que a resistência do dispositivo em torno de 0 ºC seja de 100 ohms. Esse sensor é chamado de sensor PT100 e sua resistência muda em aproximadamente 0,4 ohms por ºC.

Conexões RTD de 2 fios

A configuração de RTD de 2 fios é a mais simples entre os projetos de circuito RTD. Nesta configuração serial, um único fio condutor conecta cada extremidade do elemento RTD ao dispositivo de monitoramento. Como a resistência calculada para o circuito inclui a resistência nos fios condutores e conectores, bem como a resistência no elemento RTD, o resultado sempre conterá algum grau de erro. O círculo representa os limites do elemento de resistência até o ponto de calibração.

A resistência RE é retirada do elemento de resistência e é o valor que nos fornecerá uma medição precisa da temperatura. Infelizmente, quando fazemos nossa medição de resistência, o instrumento indicará RTOTAL.

Onde RT = R1 + R2 + RE

Isso produzirá uma leitura de temperatura mais alta do que realmente está sendo medida. Muitos sistemas podem ser calibrados para eliminar isso. A maioria dos RTDs incorpora um terceiro fio com resistência R3. Este fio será conectado a um lado do elemento de resistência junto com o fio 2. Embora o uso de pontas de prova e conectores de alta qualidade possa reduzir esse erro, é impossível eliminá-lo totalmente. Um fio de bitola maior com menos resistência minimizará o erro. Uma configuração de RTD de 2 fios é a mais útil com sensores de alta resistência ou em aplicações onde não é necessária muita precisão.

Conexões RTD de 3 fios

A configuração de RTD de 3 fios é a configuração RTD mais comumente usada em processos industriais e aplicações de monitoramento. Nesta configuração, dois fios conectam o elemento sensor ao dispositivo de monitoramento em um lado do elemento sensor e um o conecta no outro lado.

Se três fios de tipo idêntico são usados ​​e seus comprimentos são iguais, então R1 = R2 = R3. Ao medir a resistência através dos fios 1, 2 e do elemento de resistência, é medida uma resistência total do sistema (R1 + R2 + RE ).

Se a resistência também for medida através dos fios 2 e 3 (R2 + R3), obtemos a resistência apenas dos fios, e como todas as resistências dos fios são iguais, subtraindo este valor (R2 + R3) da resistência total do sistema ( R1 + R2 + RE) nos deixa apenas RE, e uma medição precisa da temperatura é possível.

A medição só será precisa se todos os três fios de conexão tiverem a mesma resistência.

Conexões RTD de 4 fios

Esta configuração é a mais complexa e, portanto, a menos utilizada, mas produz os resultados mais precisos.

A tensão de saída da ponte é uma indicação indireta da resistência do RTD. A ponte requer quatro fios de conexão, uma fonte externa e três resistores com coeficiente de temperatura zero. Para evitar submeter os três resistores de conclusão da ponte à mesma temperatura que o sensor RTD, o RTD é separado da ponte por um par de fios de extensão.

Em uma configuração de RTD de 4 fios, dois fios ligam o elemento sensor ao dispositivo de monitoramento em ambos os lados do elemento sensor. Um conjunto de fios fornece a corrente usada para medição e o outro conjunto mede a queda de tensão sobre o resistor.

Com a configuração de 4 fios, o instrumento passará uma corrente constante (I) através dos fios externos, 1 e 4.

A configuração de 4 fios compensa totalmente toda a resistência encontrada nos fios condutores e nos conectores entre eles. Esta configuração RTD de 4 fios é usada principalmente em laboratórios e outras configurações onde é necessária uma grande precisão.