Métodos de Transferência de Calor

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1 Sensores de Temperatura A medição de temperatura requer essencialmente a transferência de uma certa quantidade de energia térmica do objecto para o sensor, que este converte num sinal eléctrico cujas características estão relacionadas com a temperatura do objecto. Assume particular importância o acoplamento (contacto) térmico entre o sensor e o objecto Há vários métodos (e respectiva categoria de sensores). Os principais são:» Métodos Termoeléctricos (Termopar)» Métodos Resistivos (termístor, RTD-Resistive Temperature Detectors)» Métodos de Semicondutor (junções pn)» Métodos Ópticos Métodos de Transferência de Calor Condução - Processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso ou entre meios diferentes em contacto físico directo. Convecção Processo de transporte de energia quando há também movimento do meio (líquido ou gasoso). Radiação Processo pelo qual o calor flui de um corpo para outro quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre eles. 1

2 Termómetros Líquido Baseados na lei de expansão volumétrica de um líquido (V t =V o.[1+β 1 ( T)+β 2 ( T) 2 +β 3 ( T) 3 ]) Líquido Ponto Solidif. Ponto Ebulição Faixa de Uso Mercúrio -39 ºC / +350 Álcool Etílico / +70 Tolueno / +100 Pressão de Gás Baseados na lei dos gases perfeitos (PV=nRT a variação de pressão é linearmente dependente da temperatura em volume constante) (Tensão de Seebeck) Qualquer dos dois efeitos pode dominar dependendo dos metais escolhidos. O que temos, na prática, são tabelas que correspondem a um ajuste polinomial T1 i Metal A T2 Metal B i 2

3 A fem do termopar é uma função das propriedades dos metais e da diferença de temperaturas das junções. Na prática, uma das junções é mantida a uma temperatura constante (ou é feita a compensação através de circuitos auxiliares). Há três leis empíricas: 1. (circuitos homogéneos) Num circuito composto apenas por um metal não se pode manter uma corrente apenas por aquecimento. (b) Não é por haver variações de temperatura no metal A que a fem se altera. 2. (metais intermédios) A fem total num circuito constituído apenas pela interligação de vários metais é nula se estes estiverem todos à mesma temperatura. (c) As junções com o metal C estão à mesma temperatura 3. (temperaturas intermédias) Se ε1 é a fem medida com junções a temperatura T1 e T2 e se ε2 é a fem medida com junções a temperatura T2 e T3, então, com as junções a T1 e T3 teremos ε1 + ε2. À luz dos princípios anteriores percebe que se possam facilmente usar multímetros para medir a fem e convertê-la em valor de temperatura se se observarem as seguintes regras: 1- Estabelecer uma junção de referência isotérmica. 2. Conhecer a temperatura dessa junção e usar a tabela do TP para determinar a tensão Seebeck correspondente. 3. Medir a tensão Seebeck no Termopar 4. Somar as duas tensões e usar a tabela para determinar assim a temperatura medida (temperatura da junção de medição) A pares distintos AB correspondem termopares distintos. 3

4 De outra forma: Medir fem e detrminar T pelas tabelas, medir Tf, e calcular Tq=T+Tf Tipos de Termopares Tipo T Cu - Co + Cobre (99%), - Constantan (Cu 58%-Ni 42%) Intervalo de temperaturas 200 / 370ºC Aplicações criometria, industria de refrigeração, química, petroquímica Tipo J Fe - Co + Ferro (99,5%) - Constantan (Cu 58%-Ni 42%) Intervalo de temperaturas 40 / 760ºC Aplicações Centrais de energia, metalúrgica, química, industria em geral Há ainda os tipos B, E, K, S, R, etc 4

5 Termopar Termopar f.e.m. em função da temperatura 5

6 Gamas de utilização É comum também a expressão (A e B constantes) = Aexp R T ( B T ) 6

7 Resistance ratio, R/R 25º C Temperature, C Curvas típicas da relação de resistência do termístor a potência zero (Webster, 3 rd Ed). Termistores -Resistências sensiveis à temperatura constituidas por materiais semicondutores -NTC Negative Temperature Coefficient -PTC Positive Temperature Coefficient (silício dopado) Gama de temperaturas: -100 / 300ºC Extremamente sensíveis Erros -/+ 0.01ºC 7

8 Termoresistências RTD resistance is specified at 0 ºC. A typical platinum RTD with 100Ω resistance at 0ºC would have a resistance of Ω at 1ºC and a resistance of Ω at 50ºC. Figure shows a comparison of a typical RTD temperature/resistance curve to that of a thermistor. The tolerance of RTDs is better than thermistors, typically ranging from.01% for platinum to.5% for nickel. Aside from better tolerance and overall lower resistance, the interface to an RTD is similar to that for a thermistor. Termoresistências -Têm grande precisão - Podem ser utilizadas numa grande variedade de ambientes e sem limites de distância -São mais caras -Menos resistentes a erros de operação -Temperatura máxima de 630 ºC -É necessário que todo o corpo esteja com temperatura uniforme para medir correctamente -Tempo de resposta longo 8

9 -2 mm -1 Spectral radient emittance, W-cm (a) λ m = 9.66 µm T = 300 K Wavelength, µm 100% % Total power 9

10 Termometro de infra-vermelhos Principio de Funcionamento Gama de temperaturas: -20 / 1000 ºC Radiometros ou Pirometros de Radiação 10

11 Junções pn como sensores de temperatura transístor díodo I = I0e qv kt v d = kt q ln I I 0 kt q dv be 2.1 mv /º C dt = 25mV À temperatura ambiente = Para transístor de silício Termómetros de Semicondutores -Caracteristicas dos materiais semicondutores são dependentes da temperatura -Gama de temperaturas: -230 / 150ºC -Alta sensibilidade -Boa linearidade -Grande precisão 11