TM362 - Sistemas de Medição 2. Prof. Alessandro Marques.

Transcrição

1 TM362 - Sistemas de Medição 2 Prof. Alessandro Marques

2 Medição de temperatura SM 2

3 Termômetro O primeiro termômetro foi inventado por Galileu no início do século XVII. densidade dos líquidos Os termômetros eram abertos. Termoscópio! 50 anos depois que surgiu o 1º termômetro de vidro com liquido fechado desenvolvido por Leopoldo, Cardeal dei Medici. Conhecidos como termômetro fiorentinos. Eram graduados entre 50, 100 e 300 graus e calibrados com o calor do sol e o frio do gelo

4 Termometria Termometria significa Medição de Temperatura. Eventualmente o termo Pirometria é também aplicado com o mesmo significado, porém, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir: Pirometria: medição de altas temperaturas, na faixa em que os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. Criometria: medição de baixas temperaturas, ou seja, próximas ao zero absoluto de temperatura. Termometria: termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria quanto a Criometria.

5 Temperatura de ponto fixo e interpolação - Escalas A temperatura é quantificada através de escalas padronizadas, as mais utilizadas são a escala Celsius [ºC] e a Fahrenheit [ºF], ambas com o nome de seus criadores. No Sistema Internacional de Unidades (S.I.) utiliza-se a escala absoluta Kelvin, que é base para pesquisas e estudos científicos.

6 Escala de Temperatura e Padrões A definição moderna de engenharia da escala da temperatura é dada por um padrão chamado de ITS-90 (Escala Internacional de Temperatura de 1990) Tabela - Pontos fixos de temperatura conforme definidos pela ITS-90

7 Tipos de medidores Os medidores de temperatura podem ser divididos em alguns grandes grupos: Efeitos mecânicos; Termômetros de resistência elétrica; Termopares; Termômetros de radiação; Medidores de temperatura com fibras ópticas; Sensores semicondutores para temperatura.

8 Termômetros de efeito mecânico Termometria baseada na Expansão térmica Termômetro de expansão de líquidos em bulbos de vidro A medição de temperatura é feita através da leitura da posição do liquido na escala graduada. Utiliza-se geralmente álcool ou mercúrio. Por exemplo, um dos dispositivos (termômetro) mais antigos é o termômetro de vidro, que se baseia na expansão do mercúrio ou outro líquido com a temperatura.

9 Termômetros de efeito mecânico Termômetro de expansão de líquidos em bulbos de vidro

10 Termômetros de efeito mecânico Termômetro de expansão de líquidos em bulbos de vidro Termômetros de imersão parcial: Sujeito a erros maiores Termômetros de imersão total: Precisão de até ± 0,05 :C

11 Termômetros de efeito mecânico Termômetro bimetálico Dois metais de diferentes coeficientes de dilatação linear são unidos numa determinada temperatura. Ao submeter à junta a uma temperatura determinada ela se curvará no sentido da indicação da temperatura. mede temperaturas entre - 40 e 500 C

12 Termômetros de efeito mecânico Termômetro bimetálico Os metais comumente usados são: Material Invar (liga de níquel-ferro) Latão (liga de cobre-zinco) Monel 400 (liga níquel- cobre) Inconel 702 (liga níquel- cromo) Coeficiente de expansão térmica por o C 1,7 x ,02 x ,35 x ,25 x 10-5 Aço Inoxidável 316 1,6 x 10-5

13 Termômetro bimetálico O fenômeno físico é a expansão térmica diferencial de dois metais

14 Termômetros de efeito mecânico Termômetro bimetálico Bimetal com geometria espiral e helicoidal. Pode ser usado para chavear um circuito ou indicar a temperatura sobre uma escala calibrada Aplicação : sistema de controle ON/OFF. Por exemplo: termostatos (A vantagem é o baixo custo)

15 Termômetros de efeito mecânico Termômetro bimetálico Aplicação : sistema de controle ON/OFF. Por exemplo: termostatos (A vantagem é o baixo custo) Disjuntor elétrico e seu bimetálico Termostato implementado com um bimetálico

16 Termômetros de efeito mecânico Termômetro manométrico - Utilizam a variação de pressão obtida pela expansão de algum gás ou vapor como meio físico para relacionar com temperatura. - O termômetro de pressão de gás, tem seu principio de funcionamento baseado no princípio da conhecida lei de Boyle-Charles, isto é: A pressão de um gás é proporcional à temperatura se mantivermos constante o volume do gás Sensor de temperatura que utiliza o principio de expansão dos gases. Termômetro manométrico industrial

17 Termômetros de efeito mecânico Termômetro manométrico Termômetro manométrico de mercúrio: cobrem a faixa de -38 a 590 :C Termômetro manométrico preenchidos com gás: cobrem a faixa de -240 a 645 :C Muitos termostatos são implementados com o princípio da expansão de um gás em uma câmara que faz movimentar um dispositivo mecânico para fechar ou abrir uma chave.

18 Termômetros de resistência elétrica Este tipo de medição é mais conveniente já que estes métodos permitem obter um sinal : - mais facilmente detectável, - amplificável e - usado para propósitos de controle. Estes tipos de sensores podem ser encontrados em qualquer instalação industrial devido a sua praticidade e eficiência.

19 Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs RTDs Resistance Temperature Detectors Termo-resistências metálicas são construídas: - a partir de fios ou filmes de platina, cobre, níquel e tungstênio para aplicações a alta temperatura. A variação da resistência elétrica de materiais metálicos pode ser representada por uma equação da forma: onde R = R 0 (1 + α (T - T 0 )) R é a resistência a temperatura T R 0 é a resistência de referencia a temperatura de referência T 0 α é o coeficiente de temperatura do material

20 Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs RTDs Resistance Temperature Detectors Construção típica de um RTD

21 Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs RTDs Resistance Temperature Detectors Em geral, a resistência dos metais aumentam com a temperatura!! RTDs comuns podem fazer medidas com erros na ordem de ± 0,1 :C, e de platina podem chegar a ordem de 0,0001 :C. O metal mais comum é a platina, as vezes denominado de PRT (Platinium Resistence Thermometer).

22 Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs As principais características dos RTDs são: Condutor metálico (a platina é o metal mais utilizado) São dispositivos praticamente lineares. Dependendo do metal são muito estáveis. Apresentam baixíssima tolerância de fabricação (0,06% a 0,15%) Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão, ou seja, ótima repetibilidade de leitura. A platina tem uma relação resistência / temperatura estável sobre a maior faixa de temperatura (-184,44 a 648,88 :C)

23 Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs Elementos de níquel tem uma faixa limitada, tornando bastante não linear acima de 300 :C. O cobre tem uma relação resistência / temperatura bastante linear, porém oxida a temperaturas muitos baixas e não pode ser utilizado acima de 150 :C. A precisão de um RTD é significativamente maior que um termopar quando utilizado na faixa de -184,44 a 648,88 :C A termo-resistência mais comum é a base de um fio de platina chamada PT100. Esse nome é devido ao fato que ela apresenta uma resistência de 100 à 0 o C. Entre 0 a 100 o C a variação pode ser considerada linear, com a 1 = 0,00385 / K.

24 Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs Variação da resistência de metais com a temperatura

25 Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs A variação da resistência elétrica de materiais metálicos pode ser representada por uma equação da forma:

26 Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs α é o coeficiente térmico do resistor calculado pela resistência medida a duas temperaturas de referência (por exemplo O :C e 100 :C). Pode-se isolar o α, temos: ou de maneira mais especifica, entre O :C e 100 :C

27 Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs A sensibilidade do sensor de temperatura é, por definição, a razão da variável de saída pela variável de entrada. Derivando a equação de modo a calcular S:

28 Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs A sensibilidade pode ser dada por: A 70 :C :

29 Bibliografia BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J.; Instrumentação e fundamentos de medidas, volume 1, FIGLIOLA, R.S.; BEASLEY D.E., Teoria e Projeto para Medições Mecânicas, 4a Edição, LTC, Notas de aula Prof. Hélio Padilha e Prof. Marcos Campos