Medição de temperatura. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira Faculdade Gama

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1 Medição de temperatura Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira Faculdade Gama

2 Medição de temperatura Conceitos básicos sobre medição de temperatura: Corpos com temperatura diferente quando unidos tendem a entrar em equilíbrio térmico; Haverá um fluxo de calor do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura; Ao entrarem em equilíbrio térmico, a temperatura de ambos os corpos será diferente das iniciais;

3 Medição de temperatura Supondo Ta>Tb Corpo A (Ta) Corpo B (Tb) 1 Estágio (Ta) (Tb) Corpo A (Ta) 2 Estágio Q 0 Corpo B (Tb) 3 Estágio Corpo A (Tc) Q=0 Corpo B (Tc)

4 Medição de temperatura Algumas observações: Se Ta>Tb então haverá um fluxo de calor de A para B; Se Tb>Ta então haverá um fluxo de calor de B para A; Se Ta=Tb então o fluxo de calor é nulo (corpos em equilíbrio térmico); Quando Ta Tb haverá um fluxo de calor e a temperatura de equilíbrio (Te) é diferente de Ta e Tb;

5 Medição de temperatura Lei Zero da termodinâmica: Corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B; Corpo B está em equilíbrio térmico com um corpo C; Então, o corpo A está em equilíbrio térmico com C; Por definição, o corpo A está a mesma TEMPERATURA que o corpo B e C;

6 Medição de temperatura Formas de transferência de calor: Por condução; Por convecção; Por radiação;

7 Medição de temperatura Transmissão por condução: Agitação das partículas são transmitidas mecanicamente; Transmissão de calor de partícula a partícula;

8 Medição de temperatura Transmissão por convecção: Calor transmitido de um corpo para um fluido; Fluido quente se expande e diminui densidade; Fluido frio desce por possuir maior densidade; Corrente convectiva é então estabelecida;

9 Medição de temperatura Transmissão por radiação: Calor é transmitido por ondas eletromagnéticas; Raios infravermelhos transmitem calor;

10 Medição de temperatura Tipos de sensores de temperatura: Sensores de efeito termoelétrico; Sensores termo-resistivo; Sensores de junção semicondutora; Sensores óticos; Sensores piezelétricos; Sensores por ultrasom;

11 Sensores de efeito termoelétrico

12 Sensores de efeito termoelétrico Sensor de efeito termoelétrico: Funcionam a partir do efeito de Seebeck; Possuem diversas aplicações (industriais, automotivas, etc.); Permitem a medição de temperatura para as mais variadas faixas de operação; Também conhecidos como termopares;

13 Sensores de efeito termoelétrico Efeito de Seebeck: Descoberto por Thomas Johann Seebeck (em 1821); Uma junção de materiais dissimilares sujeita a uma diferença de temperatura produz uma emf; A força eletromotriz (emf) é a tensão de Seebeck; Princípio que rege o funcionamento dos termopares;

14 Sensores de efeito termoelétrico Efeito de Seebeck

15 Sensores de efeito termoelétrico ( T ) de dt E ( T ) ( T ) dt C Em que: Eσ = Tensão de Seebeck; σ = Coeficiente de Seebeck; T = Temperatura (Kelvin);

16 Sensores de efeito termoelétrico Para materiais homogêneos: ) ( ) ( ) ( T T dt T dt T T E T 2 Para materiais homogêneos: ) ( ) ( ) ( ) ( T E T E dt T T E T

17 Sensores de efeito termoelétrico Tipos mais comuns de termopares: Tipo T; Tipo J; Tipo E; Tipo K; Tipo RS; Tipo B; Dentre outros

18 Sensores de efeito termoelétrico Termopar do tipo T (Cu/Constatam): Faixa de operação: -200 a 350ºC; Adequado para medir baixas temperaturas (<0ºC); Cobre oxida para temperaturas superiores a 370ºC; Termopar do tipo J (Fe/Constatam): Faixa de operação: 0-760ºC; Adequado para medir temperaturas em atmosfera inerte e no vácuo; Taxa de oxidação do ferro aumenta para temperaturas superiores a 540ºC;

19 Sensores de efeito termoelétrico Termopar do tipo E (NiCr/Constatam): Faixa de operação: -200 a 900ºC; Adequado para medir temperatura em atmosfera oxidante ou inerte; Adequado para medir baixas temperaturas (<0ºC); Fornece uma emf elevada em comparação com outros termopares; Termopar do tipo K(NiCr/NiAlSi): Faixa de operação: -200 a 1260ºC; Adequado para medir altas temperaturas (>540ºC); Não devem ser utilizados em atmosfera reduzida, no vácuo ou atmosfera sulfúrica;

20 Sensores de efeito termoelétrico Termopar do tipo R/S (Pt+Rh/Pt): Faixa de operação: 0 a 1480ºC; Termopar do tipo B(30%Pt+Rh/6%Pt+Rh): Faixa de operação: 870 a 1700ºC; Adequado para utilização em curto período no vácuo; Não devem ser utilizados em atmosfera que contenha vapores metálicos e não metálicos; Não deve ser inserido diretamente em um tubo metálico;

21 Sensores de efeito termoelétrico Leis fundamentais do efeito termoelétrico: Regem princípios básicos de funcionamento dos termopares; Devem ser completamente considerada em projetos de sensores de efeito termoelétrico; Basicamente existem três leis que regem o funcionamento de termopares;

22 Sensores de efeito termoelétrico Primeira lei do efeito termoelétrico: Uma corrente termoelétrica não pode ser estabelecida em um circuito homogêneo somente pela transferência de calor; Deve-se utilizar materiais dissimilares na junção para se produzir o efeito Seebeck;

23 Sensores de efeito termoelétrico Primeira lei do efeito termoelétrico Cu NiCr T 1 T 2 E E=0V T 3 T 4 E E=0V Cu NiCr Pt Fe T 5 T 6 E E=0V T 7 T 8 E E=0V Pt Fe

24 Sensores de efeito termoelétrico Segunda lei do efeito termoelétrico: A soma algébrica das forças termoelétrica em um circuito composto por qualquer junta de material dissimilares é zero se todas as junções estão sujeitas a mesma temperatura; O conhecimento desta lei é fundamental para conectar termopares com circuitos eletrônicos;

25 Sensores de efeito termoelétrico Segunda lei do efeito termoelétrico

26 Sensores de efeito termoelétrico Terceira lei do efeito termoelétrico: Se duas junções a temperatura (T1 e T2) produzem uma tensão termoelétrica (V2) e a temperatura T2 e T3 produz uma tensão V1 então as temperaturas T1 e T3 irão produzir V3=V1+V2

27 Sensores de efeito termoelétrico Terceira lei do efeito termoelétrico

28 Sensores de efeito termoelétrico Curva característica de um termopar

29 Sensores de efeito termoelétrico Leitura de temperatura através de um termopar

30 Sensores de efeito termoelétrico Algumas considerações: A temperatura na junção de referência deve ser conhecida para se realizar uma correta leitura; Manter a junção de referência a 0ºC se torna impraticável em muitas aplicações práticas; Em geral, outro sensor de temperatura é acoplado a junta de referência para promover uma correta leitura; Sensor de temperatura da junta de referência pode ser do tipo termo-resistivo ou a semicondutor;

31 Sensores de efeito termoelétrico Termopar com sensor de temperatura

32 Sensores de efeito termoelétrico Aspectos de projeto de um termopar: Elemento sensor; Tubo de proteção/isoladores; Poço termométrico; Dentre outros;

33 Sensores de efeito termoelétrico Escolha do elemento sensor: Requisitos da aplicação; Faixa de operação; Exatidão desejada; Custo;

34 Sensores de efeito termoelétrico Escolha do elemento sensor faixa de operação

35 Sensores de efeito termoelétrico Escolha do elemento sensor - exatidão

36 Sensores de efeito termoelétrico Tubo de proteção: Tipo cerâmico; Tipo metálico; Em geral, a escolha está associada com a aplicação;

37 Sensores de efeito termoelétrico Tubo de proteção do tipo metálico (MPT): Indústria petroquímica; Processos químicos; Indústria alimentícia; Indústria de cerâmicos; Dentre outras;

38 Sensores de efeito termoelétrico Tubo de proteção do tipo cerâmico (CPT): Indústria siderúrgica; Altas temperaturas;

39 Sensores de efeito termoelétrico Poço termométrico: Protege o sensor de temperatura do ambiente; Permite a troca do termopar durante uma operação; A utilização também depende da aplicação;

40 Sensores de efeito termoelétrico Vantagens de um termopar: Pode ser utilizado para diversas aplicações Possui uma ampla faixa de operação; Não é afetado pelo efeito de self-heating; Baixo custo;

41 Sensores de efeito termoelétrico Desvantagens de um termopar: Elemento sensor não linear para alguns pontos de operação; Deve-se considerar a faixa de operação; Deve-se considerar o ambiente em que o sensor irá trabalhar;

42 Sensores termo resistivos

43 Sensores termo resistivos Sensores termo resistivos: Baseado na resistividade dos materiais; Nos metais e na maioria dos alógenos, a resistividade varia com a temperatura; Platina, níquel e cobre são comumente utilizados na fabricação de sensores termo resistivos; Também são conhecidos por detectores de temperatura resistivos (RTD);

44 Sensores termo resistivos R L A 1 T T T T R 0 0 A L

45 Sensores termo resistivos R T RT 1 T T 0 0 Em que: R (T) = Resistência do material a temperatura T; R (T 0 ) = Resistência do material a temperatura T 0 ; α = Coeficiente de temperatura da resistência; T 0 = Temperatura de referência; T = Temperatura atual;

46 Sensores termo resistivos Coeficiente de temperatura para resistência (a 20 C) Material Resistividade (Ω m) Coeficiente de temperatura (1/ C) Condutividade (1/Ω m) Alumínio 2.65 x x x 10 7 Constatam 49 x x x 10 7 Cobre x x x 10 7 Ferro 9.71 x x x 10 7 Mercúrio 98.4 x x x 10 7 Níquel 6.85 x x 10-3 Platina 10.5 x x x 10 7 Silicon x 10-3 Prata 1.59 x x x 10 7 Tungstênio 5.65 x x x 10 7

47 Sensores termo resistivos Detectores resistivos de temperatura (RTD): Temperatura detectada pela variação da resistência; Baseados em materiais metálicos; Platina é o material mais utilizado; Tungstênio é utilizado para altas temperaturas; Elemento sensor na forma de fio ou filme fino;

48 Sensores termo resistivos Na forma de filme fino: Filme fino envolvido em uma membrana de silício; Baseados em materiais metálicos; Na forma de fio: Enrolamento envolvido por um tubo de vidro que suporte alta temperatura dentro de um tubo cerâmico;

49 Sensores termo resistivos RTD - Platina: Utilizada para aplicações com mais precisão; Quimicamente estável a altas temperaturas; Resistência a oxidação; Resistência a corrosão; Suporta condições de operação adversa;

50 Sensores termo resistivos RTD Níquel e Cromo: Baixo custo; Faixa de temperatura reduzida (cerca de 300 C); Cobre não é adequado para ambientes corrosivos; Alta condutividade;

51 Sensores termo resistivos Elementos sensores de uma termo resistência RTD PT100 Na forma de fio Na forma de filme fino

52 Sensores termo resistivos Termo resistências para aplicações industriais Sensor Resistência (0 C) Faixa de operação PT10 PT100 PT130 PT500 PT Ω 100Ω 130Ω 500Ω 1000Ω -200 a 600 C

53 Sensores termo resistivos Termistores: Varia a resistência com a temperatura; Feito de material semicondutor; Mede temperatura na escala absoluta; Podem ser divididos em PTC e NTC; Somente o NTC promove uma medição precisa;

54 Sensores termo resistivos Coeficiente negativo de temperatura (NTC): A resistência diminui com o aumento da temperatura; A relação entre resistência e temperatura é não linear; Para alta exatidão é necessário se realizar uma calibração para a faixa de operação desejada.

55 Sensores termo resistivos Curva característica de um termistor NTC

56 Sensores termo resistivos Modelos matemáticos para termistores: Modelo exponencial; Modelo Steinhart & Hart;

57 Sensores termo resistivos Modelo exponencial R Em que: R = Resistência a temperatura T ; R 0 = Resistência a temperatura T 0 ; β m = Índice de sensibilidade; T = Temperatura atual; T 0 = Temperatura de referência; 1 T 1 T th R e 0 0

58 Sensores termo resistivos Índice de sensibilidade (β th ): Depende do material do termistor; Depende dos componentes do termistor; Para temperaturas acima de 50 C, em geral, o índice de sensibilidade varia; Este índice também é sensível a variação de temperatura;

59 Sensores termo resistivos Exercício: a) Determine o índice de sensibilidade para o termistor NTC para a faixa de operação de 0 a 50 C. (Dado: R 0 C = 3966KΩ; R 50 C = 295,9KΩ); b) Utilizando o índice de sensibilidade, calcule a resistência do sensor para T=42 C; c) Determine a sensibilidade do sensor para a faixa de operação especificada;

60 Sensores termo resistivos Modelo de Steinhart & Hart 1 T A B ln R C ln R 3 Em que: T = Temperatura absoluta (K); A,B e C = Constantes a serem determinadas; R = Resistência do termistor (Ω);

61 Sensores termo resistivos 3 ln ln 1 R C R B A T Modelo de Steinhart & Hart T ln ln ln ln R R F Z R R F ZH G C ln ln R R C G Z B 3 1 ln ln R B R C T A ln ln R B R C T A 2 1 ln ln R R Z 3 1 ln ln R R F T T H T T G

62 Sensores termo resistivos Efeito de auto-aquecimento (self-heating): Termistors estão sujeitos ao efeito self-heating; Resistência interna é medida a partir da corrente lida; Termistor dissipa potência por efeito joule; Potência dissipada provoca mudança de temperatura; Efeito leva a erro de medição;

63 Sensores termo resistivos Fatores que influenciam o efeito self-heating: Tensão/corrente aplicada; Fator de dissipação térmica; Geometria do termistor;

64 Sensores termo resistivos Aspectos de projeto a serem considerados: Potência máxima a ser dissipada; Corrente máxima que passa pelo termistor; Resistência em série com o termistor; Constante de dissipação (DC); Exatidão dos dados (DA);

65 Sensores termo resistivos Rs i R E s R th E Rth P max DC DA fs i P max Rth

66 Sensores termo resistivos Exemplo numérico: a) Determine a potência máxima que pode ser dissipada em um termistor NTC devido ao self-heating; b) Qual o valor da resistência em série para assegurar a potência máxima anteriormente calculada; Dados: Faixa de operação= 0-70ºC Tensão aplicada=5v; Fator de segurança para evitar o efeito self-heating=50%; Para demais dados, consultar datasheet

67 Sensores termo resistivos P max DC DA fs Solução: 1mW P max CC P max 0, 1mW 0,2C 0,50 i i max max P R max 70 0,1m m 123,3K Rs V i max R , 28,48 Rs 3K i max 28,48 A 52, K Rscomercial 56 K Rs 26

68 Sensores de junção semicondutora

69 Sensores de junção semicondutora Sensores de junção semicondutora: Baseado na junção PN de materiais semicondutores; Propriedades da junção mudam com a temperatura; Conectada a uma fonte de corrente constante, a tensão se torna função da temperatura da junção;

70 Sensores de junção semicondutora I I 0 qv exp 2kT Em que: I 0 = Corrente de saturação q= carga do elétron K = constante independente da temperatura; T = Temperatura; V = Tensão

72 Sensores de junção semicondutora Sensor de temperatura (LM35): Tensão de saída proporcional a temperatura (ºC); Exatidão +/- 0,75ºC para toda a faixa de operação; Faixa de operação : ºC ; Baixa impedância de saída; Opera de 4 a 30V; Baixa corrente de dreno 60uA; Saída linear;