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Sensores de temperatura: diferenças entre termopar, PT100, NTC, PTC e LM35

INSTRUMENTAÇÃO • TEMPERATURA • SENSORES • METROLOGIA

Sensores de temperatura: diferenças entre termopar, PT100, NTC, PTC e LM35

Termopares, PT100, NTC, PTC e LM35 são utilizados para medir ou detectar temperatura, mas trabalham com princípios físicos e sinais elétricos bastante diferentes. Essas diferenças influenciam diretamente a faixa de utilização, a sensibilidade, a linearidade, a instalação, o condicionamento de sinal e a forma de calibração.

Neste artigo são apresentados os princípios de funcionamento, ligações, equações, vantagens, limitações e aplicações dessas tecnologias, além de aspectos práticos de transmissão, aquisição e calibração de temperatura.

Em resumo: o termopar gera uma pequena tensão termoelétrica; o PT100 altera a resistência da platina; NTC e PTC são termistores cuja resistência varia fortemente com a temperatura; e o LM35 é um circuito integrado que fornece uma tensão analógica proporcional à temperatura.

Comparação rápida: termopar × PT100 × NTC × PTC × LM35

Característica Termopar PT100 NTC PTC LM35
PrincípioTermoelétricoResistência da platinaTermistor de coeficiente negativoTermistor de coeficiente positivoCircuito integrado
Grandeza elétricamVΩΩΩV
Excitação do elementoNão para gerar o sinalSim, para medir resistênciaSimSimRequer alimentação
LinearidadeNão linearBoa, com curva padronizadaFortemente não linearDependente do tipoAproximadamente linear
SensibilidadeRelativamente baixaBoaAltaAlta em regiões específicas10 mV/°C
Robustez industrialMuito alta, conforme construçãoAltaDepende do encapsulamentoDepende do encapsulamentoMais voltado à eletrônica
Uso típicoFornos, processos e alta temperaturaProcessos, máquinas e laboratórioEletrônica, HVAC e bateriasProteção e detecção térmicaEletrônica e sistemas embarcados

As características acima são comparativas. A faixa, tolerância, resposta dinâmica e limite ambiental dependem do modelo, da construção e do datasheet do sensor efetivamente utilizado.

Termopar: temperatura transformada em força eletromotriz

O termopar é formado por dois condutores metálicos diferentes. Quando existe uma diferença de temperatura entre a junta de medição e a junta de referência, surge uma força eletromotriz associada ao efeito Seebeck.

E = ∫TrefTmed SAB(T) dT
Equação (1)
Representação conceitual da força eletromotriz gerada por um termopar.
Onde:
  • E = força eletromotriz do termopar;
  • Tmed = temperatura da junta de medição;
  • Tref = temperatura da junta de referência;
  • SAB(T) = diferença entre os coeficientes de Seebeck dos materiais A e B em função da temperatura.
A relação não é simplesmente uma constante em mV por grau para toda a faixa; instrumentos utilizam funções de referência ou tabelas apropriadas ao tipo de termopar.

Tipos de termopar

Entre os tipos mais conhecidos estão E, J, K, N, T, R, S e B. Cada um utiliza uma combinação específica de materiais e apresenta sua própria relação entre temperatura e FEM. Por isso, um instrumento configurado para um tipo incorreto pode indicar uma temperatura errada mesmo que a tensão medida esteja correta.

Gráfico das curvas características de termopares tipo E, J, K, N, T, R, S e B, relacionando força eletromotriz e temperatura com junta de referência a zero grau Celsius.
Figura 1 — Curvas comparativas de FEM × temperatura para diferentes tipos de termopar, considerando junta de referência a 0 °C.Figura didática. Para valores de referência e conversões, utilizar as funções/tabelas vigentes do tipo de termopar.

Compensação da junta fria

O termopar responde à diferença entre a junta de medição e a junta de referência. Nos instrumentos modernos, a temperatura dos terminais costuma ser medida internamente e utilizada na compensação da junta fria. O tipo de termopar e o método de compensação devem ser configurados corretamente.

Atenção: extensões de termopar não devem ser tratadas como simples cabos de cobre. Devem ser utilizados condutores e cabos de extensão/compensação adequados ao tipo e à aplicação, conforme a documentação técnica aplicável.

PT100: o RTD de platina

O PT100 pertence à família dos RTDs (Resistance Temperature Detectors). Sua resistência nominal é de aproximadamente 100 Ω a 0 °C, e a resistência aumenta de maneira previsível com a temperatura.

A relação resistência × temperatura pode ser representada pela equação de Callendar–Van Dusen. Para temperaturas iguais ou superiores a 0 °C, uma forma usual é:

R(T) = R0[1 + AT + BT²]
Equação (2)
Forma de Callendar–Van Dusen utilizada para representar a relação resistência × temperatura do RTD em parte da faixa.
Onde:
  • R(T) = resistência do sensor na temperatura T;
  • R0 = resistência de referência a 0 °C;
  • T = temperatura em °C;
  • A e B = coeficientes da curva resistência × temperatura.
Para temperaturas abaixo de 0 °C, a forma completa inclui um termo adicional. Em trabalho metrológico, devem ser usados os coeficientes e a curva aplicáveis ao sensor e ao método.

PT100 de 2, 3 e 4 fios

A resistência dos condutores pode introduzir erro significativo na medição de um RTD. Por isso, PT100 industriais podem ser encontrados em ligações de 2, 3 ou 4 fios.

Diagrama das ligações de PT100 em 2 fios, 3 fios e 4 fios, mostrando a influência e a compensação da resistência dos cabos.
Figura 2 — Ligações didáticas de PT100 em 2, 3 e 4 fios.As cores dos condutores são apenas ilustrativas. A identificação real deve seguir o fabricante do sensor e do instrumento.

Ligação a 2 fios

É a conexão mais simples, porém a resistência dos dois condutores soma-se à resistência do sensor.

Rmed = RPT100 + RL1 + RL2
Equação (3)
Modelo simplificado da medição de um PT100 em 2 fios.
Onde:
  • Rmed = resistência observada pelo instrumento;
  • RPT100 = resistência do elemento sensor;
  • RL1 e RL2 = resistências dos dois condutores.

Ligação a 3 fios

Dois condutores são conectados a uma extremidade do elemento e um condutor à outra. O instrumento utiliza a terceira ligação para compensar grande parte do efeito da resistência dos cabos, normalmente supondo resistências suficientemente semelhantes nos condutores empregados no método de compensação.

Ligação a 4 fios

Dois condutores são utilizados para a corrente de excitação e outros dois para a medição da tensão no elemento. Essa configuração reduz significativamente a influência da resistência dos condutores e é preferida em medições de maior exatidão.

RPT100 = VI
Equação (4)
Princípio de determinação da resistência pela razão entre tensão medida e corrente de excitação.
Onde:
  • RPT100 = resistência do elemento RTD;
  • V = tensão medida sobre o elemento;
  • I = corrente de excitação conhecida.

NTC: alta sensibilidade e comportamento não linear

NTC significa Negative Temperature Coefficient. Nesse tipo de termistor, a resistência diminui quando a temperatura aumenta. Essa elevada variação de resistência pode fornecer excelente sensibilidade em uma faixa relativamente restrita, porém exige linearização.

Equação Beta

R(T) = R0 · eB(1/T − 1/T0)
Equação (5)
Modelo Beta para um termistor NTC.
Onde:
  • R(T) = resistência do NTC na temperatura T;
  • R0 = resistência conhecida na temperatura de referência;
  • T = temperatura absoluta, em kelvin;
  • T0 = temperatura de referência, em kelvin;
  • B = constante Beta do termistor;
  • e = base dos logaritmos naturais.

Equação de Steinhart–Hart

1T = A + B ln(R) + C[ln(R)]³
Equação (6)
Modelo de Steinhart–Hart para representar a curva resistência × temperatura de termistores.
Onde:
  • T = temperatura absoluta;
  • R = resistência do termistor;
  • A, B e C = coeficientes característicos do sensor;
  • ln = logaritmo natural.

Autoaquecimento do termistor

Como a resistência é medida por meio de uma corrente elétrica, o próprio sensor pode dissipar potência e aquecer acima da temperatura do meio.

P = I²R
Equação (7)
Potência elétrica dissipada no elemento resistivo.
Onde:
  • P = potência dissipada;
  • I = corrente de medição;
  • R = resistência do termistor.
Uma corrente excessiva pode provocar erro por autoaquecimento.

PTC: resistência crescente e proteção térmica

PTC significa Positive Temperature Coefficient. A resistência aumenta com a temperatura. Muitos PTCs de uso industrial e eletrônico apresentam uma elevação muito acentuada de resistência em torno de determinada região térmica e são empregados em proteção de motores, transformadores, fontes e equipamentos.

PT100 não é sinônimo de PTC. O PT100 também possui coeficiente positivo de resistência, mas é um RTD de platina com curva padronizada. A designação PTC, no contexto deste artigo, refere-se aos termistores de coeficiente positivo usados principalmente em detecção e proteção térmica.

LM35: temperatura convertida diretamente em tensão

O LM35 é um sensor integrado analógico. Diferentemente dos sensores resistivos, ele contém eletrônica interna e fornece uma tensão proporcional à temperatura em graus Celsius. A família LM35 possui fator de escala nominal de 10 mV/°C.

VOUT = 10 mV/°C × T
Equação (8)
Relação nominal entre a saída do LM35 e a temperatura.
Onde:
  • VOUT = tensão de saída;
  • T = temperatura em °C;
  • 10 mV/°C = fator de escala nominal.
Exemplo: uma saída de 250 mV corresponde nominalmente a 25 °C.

Conforme o datasheet da Texas Instruments, a família LM35 opera com alimentação de 4 V a 30 V e possui versões especificadas para uma faixa ampla de temperatura. A versão e o encapsulamento utilizados devem ser confirmados no datasheet.

Qual sensor é mais linear, preciso ou rápido?

Não existe uma única tecnologia superior em todos os critérios. O desempenho depende do elemento, da faixa, da construção, do encapsulamento, da instalação, do circuito de leitura e da calibração.

TermoparGrande faixa e robustez; relação FEM × temperatura não linear.
PT100Boa estabilidade, curva padronizada e ampla utilização industrial.
NTCAlta sensibilidade, baixo custo e forte não linearidade.
PTCMuito útil para detecção de limites e proteção térmica.
LM35Saída analógica simples e aproximadamente linear, conveniente para eletrônica.

Velocidade de resposta

O tempo de resposta não depende somente da tecnologia. Diâmetro da bainha, massa térmica, poço termométrico, profundidade de imersão, contato com a superfície, velocidade do fluido e condutividade térmica podem alterar fortemente a resposta dinâmica.

Do sensor ao PLC, DCS ou microcontrolador

Os cinco sensores não entregam o mesmo tipo de sinal. Por isso, não podem ser conectados indiscriminadamente à mesma entrada de um sistema de controle.

Infográfico mostrando como termopar, PT100, NTC, PTC e LM35 são condicionados e conectados a PLC, DCS ou microcontrolador.
Figura 4 — Caminho simplificado do sensor até o sistema de controle ou aquisição.O arranjo real depende do instrumento, da entrada disponível e do projeto do sistema.

Transmissores de temperatura 4–20 mA

Em processos industriais, PT100 e termopares são frequentemente conectados a transmissores de temperatura. O transmissor realiza a conversão, linearização e, conforme o modelo, diagnósticos e comunicação digital. O WIKA T32, por exemplo, aceita RTDs, termopares, resistências e sinais em milivolts e pode ser configurado por HART.

Para um transmissor linear configurado entre LRV e URV:

I = 4 + 16 T − LRVURV − LRV
Equação (9)
Exemplo de escalonamento linear de temperatura para 4–20 mA.
Onde:
  • I = corrente do transmissor, em mA;
  • T = temperatura correspondente ao valor de processo;
  • LRV = limite inferior configurado;
  • URV = limite superior configurado;
  • 4 mA = início da faixa;
  • 16 mA = span do sinal elétrico entre 4 e 20 mA.

Erros comuns de instalação

TecnologiaErros e cuidados frequentes
TermoparTipo configurado incorretamente, polaridade invertida, cabo de compensação inadequado, erro de junta fria e ruído elétrico.
PT100Ligação 2/3/4 fios configurada incorretamente, resistência dos cabos, corrente excessiva de excitação, profundidade de imersão insuficiente.
NTCConstante Beta ou coeficientes incorretos, autoaquecimento e linearização inadequada.
PTCInterpretação incorreta da temperatura de atuação, aplicação fora da característica prevista pelo fabricante.
LM35Alimentação, aterramento, ruído, desacoplamento, montagem térmica e faixa da versão utilizada.

Como calibrar sensores de temperatura?

É importante distinguir simulação elétrica de calibração física do sensor. Simular uma resistência equivalente a um PT100 ou uma FEM correspondente a um termopar permite verificar transmissores, indicadores, controladores e entradas de PLC. Isso não significa que o elemento sensor foi submetido àquela temperatura.

Calibração por comparação

Para avaliar fisicamente o sensor, uma configuração típica utiliza uma fonte térmica, um sensor de referência e o sensor sob calibração. A fonte pode ser um banho, forno, bloco seco ou sistema específico para sensores de superfície.

Fonte térmicaProduz e estabiliza a temperatura desejada.
ReferênciaSensor/termômetro de referência com rastreabilidade e incerteza adequada.
DUTSensor, transmissor, indicador ou conjunto sob calibração.
AquisiçãoRegistra temperatura, resistência, tensão ou corrente conforme o método.

Bloco seco

Calibradores como Fluke 9142/9143/9144 e Additel ADT875 permitem realizar calibrações por comparação em bloco seco. Na avaliação metrológica, devem ser considerados fatores como estabilidade, uniformidade radial, gradiente axial, profundidade de imersão, carga térmica e adequação do inserto.

Simulação de RTD e termopar

Calibradores multifunção, como o Fluke 753/754, podem medir e simular RTDs e termopares. Na simulação de RTD, o calibrador reproduz eletricamente a resistência correspondente à temperatura configurada. Na simulação de termopar, reproduz o sinal em milivolts correspondente ao tipo selecionado e à condição de referência adotada.

Sensores de superfície

Sensores de superfície exigem uma condição térmica compatível com sua utilização. Um exemplo de equipamento específico é o Presys T-500PS, destinado à calibração de sensores e termômetros de superfície.

Erro de indicação

E = TDUT − Tref
Equação (10)
Erro de indicação em uma comparação direta de temperatura.
Onde:
  • E = erro de indicação;
  • TDUT = temperatura indicada pelo dispositivo sob calibração;
  • Tref = temperatura determinada pelo sistema de referência.

Incerteza de medição em temperatura

Uma calibração deve considerar as fontes relevantes ao método. Entre elas podem estar a incerteza do padrão, estabilidade da fonte, uniformidade, gradiente axial, resolução, repetibilidade, profundidade de imersão, condução térmica, autoaquecimento, compensação de junta fria e ajuste da curva do sensor.

Importante: um excelente sensor pode apresentar um resultado ruim se a instalação, a imersão, o cabeamento, o condicionamento ou a calibração forem inadequados. O desempenho pertence ao sistema de medição completo.

Qual sensor de temperatura escolher?

AplicaçãoTecnologia frequentemente adequadaObservação
Fornos e altas temperaturasTermoparSelecionar o tipo conforme faixa, atmosfera e construção.
Processo industrial com boa estabilidadePT1003 fios é comum em campo; 4 fios é preferido quando a resistência dos cabos precisa ser minimizada com maior rigor.
Motores e máquinasPT100 ou termoparDepende da faixa e do sistema de supervisão.
Proteção térmica de enrolamentosPTCFrequentemente associado a relé ou módulo de proteção específico.
Eletrônica e bateriasNTCAlta sensibilidade e baixo custo.
Projetos eletrônicosLM35Saída analógica simples para ADC/microcontrolador.
LaboratórioRTD/PRTA classe e a caracterização dependem do nível metrológico requerido.

E os termo-higrômetros?

Termo-higrômetros são instrumentos completos destinados à medição de temperatura e umidade. Eles não representam diretamente uma das cinco tecnologias deste comparativo, pois o elemento interno depende do projeto do fabricante. Por isso, modelos de Minipa, Hikari, Incoterm e outros fabricantes ficam melhor organizados na página de Recomendações Técnicas.

Sensores e componentes relacionados

Abaixo estão exemplos comerciais diretamente relacionados às tecnologias explicadas neste artigo. Eles são apresentados como referência de mercado; características, faixa, classe, encapsulamento e compatibilidade devem ser confirmados na página do produto e, quando disponível, no datasheet do fabricante.

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PT100 • EXEMPLO COMERCIAL

Sensor de temperatura PT100 — LogTek

Exemplo comercial de termorresistência PT100 para aplicações de temperatura. Confirme número de fios, faixa, construção e conexão do modelo anunciado antes da utilização.

PT100 • EXEMPLO INDUSTRIAL

Sensor de temperatura PT100 — Resispar

Exemplo de PT100 destinado a aplicações industriais. A adequação a caldeiras, fornos, motores, refrigeração e demais processos depende da construção específica do produto.

TERMOPAR TIPO J

Sensor Full Gauge SB-12 — Tipo J

Exemplo comercial de termopar tipo J, útil para relacionar a tecnologia termoelétrica apresentada no artigo a uma aplicação real.

NTC 10 kΩ

Kit termistor NTC MF52 103F — 10 kΩ / B3435

Exemplo de termistor NTC de 10 kΩ utilizado em eletrônica e sensoriamento de temperatura. A curva real deve ser calculada com os parâmetros do componente fornecido.

PTC • PROTEÇÃO TÉRMICA

PTC / termistor LB145F — 145 °C

Exemplo de PTC voltado à detecção/proteção térmica. Não deve ser tratado como substituto direto de um PT100 em medição contínua de temperatura.

Para termo-higrômetros, instrumentos ambientais e outras opções de medição, consulte a página Recomendações Técnicas.

Livro para aprofundamento

Para aprofundar conceitos de instrumentação industrial, sinais, sensores e integração com sistemas de controle, uma referência complementar é:

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Perguntas frequentes

PT100 e PTC são a mesma coisa?

Não. O PT100 é um RTD de platina de 100 Ω a 0 °C. Neste artigo, PTC refere-se a termistores semicondutores de coeficiente positivo, frequentemente usados em proteção e detecção térmica.

PT100 precisa de alimentação?

O elemento não contém eletrônica ativa, mas o instrumento de leitura aplica uma corrente de excitação para determinar sua resistência. Essa corrente deve ser adequada para evitar autoaquecimento excessivo.

Termopar precisa de alimentação?

Não para gerar a FEM termoelétrica. O instrumento que mede, lineariza, compensa a junta fria ou transmite o sinal, entretanto, necessita de alimentação conforme seu projeto.

Por que o termopar precisa de compensação da junta fria?

Porque a FEM está associada à diferença entre as temperaturas da junta de medição e da junta de referência. O instrumento precisa conhecer a condição térmica dos terminais de referência.

PT100 de 4 fios é sempre necessário?

Não. A configuração de 4 fios oferece vantagens metrológicas ao minimizar a influência dos condutores, mas 3 fios é amplamente utilizado em instrumentação industrial quando o desempenho atende aos requisitos da aplicação.

Todo NTC de 10 kΩ possui a mesma curva?

Não. Dois NTCs podem ter 10 kΩ na mesma temperatura de referência e constantes Beta ou coeficientes Steinhart–Hart diferentes.

É possível testar um transmissor de temperatura sem aquecer o sensor?

Sim. Um calibrador pode simular eletricamente um RTD ou termopar e verificar o transmissor, indicador ou entrada de controle. Esse ensaio verifica a cadeia eletrônica, mas não calibra fisicamente o elemento sensor.

Conclusão

Termopar, PT100, NTC, PTC e LM35 medem ou detectam a mesma variável física, porém por princípios bastante diferentes. O termopar gera uma pequena FEM termoelétrica; o PT100 utiliza a variação previsível da resistência da platina; o NTC apresenta elevada sensibilidade com resistência decrescente; o PTC aumenta sua resistência e é muito importante em proteção térmica; e o LM35 fornece uma tensão analógica aproximadamente proporcional à temperatura.

A seleção deve considerar não apenas a faixa nominal, mas também exatidão, robustez, ambiente, cabeamento, resposta dinâmica, eletrônica de aquisição, transmissão, manutenção e estratégia de calibração.

O desempenho final pertence ao sistema de medição completo — sensor, instalação, cabeamento, condicionamento, aquisição e calibração — e não apenas ao elemento sensor.

Veja também: Calibração de instrumentos de pressão: manômetros, transmissores, pressostatos e válvulas de segurança.

Referências técnicas

Normas, bases de referência e materiais técnicos

Documentação de fabricantes utilizada como base


Nota técnica: este conteúdo possui caráter educacional e informativo. A seleção, instalação, ligação e calibração de sensores de temperatura devem considerar o datasheet do componente, as instruções do fabricante, as normas e procedimentos aplicáveis, a faixa real de operação, as condições ambientais e os requisitos metrológicos do processo.

As figuras do artigo têm caráter didático. Curvas, faixas e aplicações devem ser confirmadas nas referências técnicas e na documentação específica do sensor efetivamente utilizado.

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