Automação - II. MEDIDORES DE TEMPERATURA Prof. Jomar T. Gontijo

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1 Automação - II MEDIDORES DE TEMPERATURA Prof. Jomar T. Gontijo

2 CONCEITOS BÁSICOS Temperatura Grandeza física relacionada com o grau de vibração dos átomos e/ou moléculas que constituem o corpo. Calor Energia térmica em trânsito de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura.

3 ESTADOS DA MATÉRIA Sólido (C); Líquido (B); Gasoso (A).

4 Estados Físicos Plasma: 99,99% da matéria visível do Universo. Gasoso Líquido Sólido Tocha de Plasma

5 Propagação do Calor Condução Convecção Irradiação

6 Transferência de Calor Condução Térmica

7 FORMAS DE PROPAGAÇÃO DO CALOR Condução: o calor flui do ponto mais quente para o mais frio através da agitação dos átomos que constituem um determinado corpo e é transferida sucessivamente de um para outro até que se atinja o equilíbrio térmico.

8 Transferência de Calor Convecção Térmica

9 FORMAS DE PROPAGAÇÃO DO CALOR Convecção: transferência de calor na presença de um fluido em movimento devido a diferenças em sua densidade provocadas pelo aumento da temperatura.

10 Transferência de Calor Radiação Térmica

11 FORMAS DE PROPAGAÇÃO DO CALOR Radiação: transferência de calor através da energia eletromagnética liberada pelos átomos e moléculas de um corpo. Ocorre através de corpos ou fluidos não opacos, ou no vácuo, não precisando da existência de matéria.

12 ESCALAS DE TEMPERATURA Celsius (ºC)

13 ESCALAS DE TEMPERATURA Fahrenheit (ºF)

14 ESCALAS DE TEMPERATURA Kelvin (k)

15 Transformação das Escalas Fahrenheit para Celsius/Celsius para Fahrenheit: C/5 = ( F 32)/9 Celsius para Kelvin/Kelvin para Celsius: K= C Fahrenheit para Kelvin/Kelvin para Fahrenheit: C/5=( F 32)/9 C = K- 273 (K-273)/5 = F - 32/9

16 Transformação das Escalas C F 32 K 273,

17 CONCEITOS Criometria: medição de baixas temperaturas. Pirometria: medição de altas temperaturas na faixa onde os efeitos da radiação térmica passam a se manifestar. Termometria: termo mais abrangente medição de temperatura.

18 FORMAS DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA Medidores por contato direto: o elemento sensível está em contato direto com o material cuja temperatura se deseja medir. Medidores por contato indireto: o elemento sensível não está em contato direto com o material cuja temperatura se deseja medir. A ESCOLHA DO MÉTODO DEPENDERÁ DE CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS E ECONÔMICAS.

19 Uma outra Classificação Medidores de Temperatura Termômetros de Efeito Mecânico Termômetros de Efeito Elétrico Medidores por Radiação

20 MEDIDORES DE CONTATO DIRETO E INDIRETO

21 TERMÔMETROS LÍQUIDOS Baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado. Vt = Vo.( 1 + β. t) t = Temperatura do líquido em 0 C Vo = Volume do líquido à temperatura de referência to Vt = Volume do líquido à temperatura t β = Coeficiente de expansão do líquido C -1 t = t to

22 TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE LÍQUIDOS EM RECIPIENTE DE VIDRO

23 TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE LÍQUIDOS EM RECIPIENTE METÁLICO Neste termômetro o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico).

24 TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE LÍQUIDOS

25 TIPOS DE TERMÔMETRO DE BOURDON MAIS UTILIZADOS Quanto maior o número de espirais, maior a sensibilidade do instrumento.

26 Exemplos

27 TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura: Lt = Lo (1 + α t) t = temperatura do metal em C Lo = comprimento do metal à temperatura de referência to Lt = comprimento do metal á temperatura t α = coeficiente de dilatação linear t = t - to

28 TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO Consiste em duas lâminas de metais com coeficientes de dilatação (α) diferentes sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto tem-se um encurvamento que é proporcional à temperatura.

29 TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO

30 TERMÔMETRO Bimetálico

31 TERMÔMETRO À PRESSÃO DE GÁS Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido. A diferença é que o volume do conjunto é constante e preenchido com um gás.

32 TERMÔMETRO À PRESSÃO DE GÁS É um sistema mecânico de medição de temperatura que apresenta tempo de resposta mais rápido. Gases mais utilizados:

33 TERMÔMETRO À PRESSÃO DE VAPOR Seu funcionamento na Lei de Dalton: "A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume". Log P1 /P 2 = H e. ( 1/T 1-1/T2 ) / 4,58 P1 e P 2 = Pressões absolutas relativas às temperaturas T1 e T2 = Temperaturas absolutas He = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão.

34 TERMÔMETRO À PRESSÃO DE VAPOR Sua faixa de utilização depende do líquido que ele contém. É o mais usado de todos os termômetros de pressão dado seu baixo custo e confiabilidade.

35 TERMÔMETRO À PRESSÃO DE VAPOR São divididos em 4 classes: Classe ΙΙ-D (duplo enchimento): sistema indicado para medição de temperatura onde esta pode assumir qualquer valor (acima, abaixo ou na temperatura ambiente); Classe II-A: sistema construído para medição de temperatura sempre acima da temperatura ambiente. Este tipo é o mais usado; Classe II-B: sistema construído para medição de temperatura abaixo da temperatura ambiente; Classe II-C: este sistema é construído para medição de temperatura acima ou abaixo da temperatura ambiente, mas nunca em torno desta.

36 TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA São sensores de temperatura que operam baseados no princípio da variação da resistência ôhmica em função da temperatura.

37 TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA NTC e PTC (termistores) Termoresistências Termopar (efeito Peltier )(efeito Thomson)(Efeito seeback)

38 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termistores Termistores Os primeiros tipos de sensores de temperatura de resistência de semicondutores foram feitos de óxido de manganês, níquel e cobalto, moídos e misturados em proporções apropriadas e prensados numa forma desejada. Relação resistência/temperatura: R R 0 e (1/ T 1/ T 0 ) onde R é a resistência do termistor na temperatura T ( ), R0 = resistência na temperatura T0 ( ), é a constante característica do material (K), T é a temperatura a ser medida (K), T0 é a temperatura de referência (K) Tipos de termistores

39 TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão e ótima repetibilidade de leitura. Quando metais são usados, o elemento sensor é normalmente confeccionado de Platina com o mais alto grau de pureza e encapsulados em bulbos de cerâmica ou vidro.

40 TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA A gama de medida de uma termoresistência depende do material utilizado na sua construção. Na tabela seguinte pode observar-se a gama de medida geral de termoresistências constituídas por materiais resistivos diferentes.

41 TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA PT 100 Ω.

42 CIRCUITO DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA O circuito em Ponte de Weatstone inicialmente é posto em equilíbrio e desta forma não circula corrente entre os pontos A e B que se encontram com potenciais idênticos. Quando ocorre variação de temperatura a resistência do sensor varia, desequilibrando o circuito de forma proporcional a temperatura. É fácil perceber, deste modo, que podemos efetuar a medição da temperatura através da variação de uma resistência da ponte. R1, R2 = resistência fixa R3 = resistência variável R4 = resistência de medição

43 TIPOS DE LIGAÇÃO As resistências dos cabos, dos contatos, etc., podem ser importantes e somarem-se à resistência do sensor. Desta maneira existem vários tipos de montagens que podem ser realizadas, buscando minimizar esses efeitos: dois fios, três fios e quatro fios.

44 LIGAÇÃO A DOIS FIOS Nessa montagem, R4 é a termoresistência e R3 é a resistência variável para balanceamento do circuito. As resistências indicadas como RL1 e RL2 são resistências de fiação e ambas estão em série com R4. Esta resistência de fiação tende a aumentar quanto maior for a distância entre o sensor e o medidor, quanto menor a bitola do fio ou maior a temperatura ambiente. Este tipo de ligação pode ser usado mantendo uma boa exatidão até uma distância do sensor ao aparelho que depende do comprimento, diâmetro e material do fio de ligação.

45 LIGAÇÃO A TRÊS FIOS Este é o método mais utilizado para as termoresistências na indústria. Neste circuito a configuração elétrica é um pouco diferente, fazendo com que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor, permitindo que a RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceando o circuito. Na ligação a 2 fios as resistências de linha estavam em série com o sensor, agora na ligação a 3 fios elas estão separadas.

46 LIGAÇÃO A QUATRO FIOS A fonte de corrente S, fornece uma corrente estabilizada e conhecida através da termoresistência R e a tensão gerada é medida com um voltímetro de alta impedância ou potenciômetro. Desta forma a resistência dos condutores exerce um efeito desprezível sobre a medição. Este tipo de medição a 4 fios é pouco usada em indústria, tendo sua maior aplicação em laboratórios e sendo usado em sensores padrões.

47 VANTAGENS DAS TERMORESISTÊNCIAS EM RELAÇÃO AO TERMOPAR Maior precisão na mesma faixa de uso; Usando circuito adequado podem ser usadas a grandes distâncias; Podem ser usados cabos de cobre comum nas ligações; São mais estáveis que os termopares; Sua curva de resistência elétrica (Ω) em função da temperatura é mais linear que os termopares.

48 TERMOPAR O termopar é um termômetro termoelétrico que mede a temperatura através do contato. Este instrumento de medição de temperatura é constituído pela junção de dois condutores ou semi-condutores diferentes, formando um circuito fechado. O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m. que possibilita a medição da temperatura. O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura ( T) existente entre as juntas quente e fria será de um modo geral indicado, registrado ou transmitido.

49 TIPOS DE TERMOPAR Termopar de isolação mineral: Este tipo de montagem é muito útil pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos que podem causar a completa deterioração dos termoelementos, além da grande resistência mecânica o que faz com que este instrumento possa ser utilizado em um número quase infinito de aplicações.

50 TIPOS DE TERMOPAR Pontas de imersão de múltiplo uso ou papelão até 500 mm

51 TERMOPAR - CATEGORIAS Existem três categorias de tipos de termopares: termopares padronizados de metal nobre (R, S, B), termopares padronizados de metal base (K, J, N, E, T) e termopares não definidos por letras. Na prática a distinção entre base e nobre é que metais nobres contêm platina e metais base contêm níquel.

52 Termômetro Termoelétrico Tipo K: (Cromel/Alumel); Tipo E :(Cromel/Constantan); Tipo J :(Ferro/Constantan); Tipo N :(Nicrosil/Nisil); Tipo B :(Platina/ Ródio-Platina); Tipo R :(Platina/ Ródio-Platina); Tipo T :(Cobre/Constantan).

53 CARACTERÍSTICAS RELEVANTES Tipo T Liga Cobre/Constantan Cu/CuNi Faixa de Operação (ºC) e (mv) -200 à Características Genéricas Pode apresentar problemas de oxidação. Bom na presença de umidade. Recomendável para baixas temperaturas e meios criogênicos. J Ferro/Constantan Fe/CuNi a Atmosferas redutoras, inertes e com condições de vácuo. Limitações em atmosferas oxidantes a elevadas temperaturas. Não recomendado para baixas temperaturas. K Cromel/Alumel NiCr/NiAl Atmosferas oxidantes e inertes. Limitações na utilização em vácuo ou em atmosferas redutoras. A sua sensibilidade é muito aproximadamente linear. S Platina-10% Ródio / Platina Pt10%Rh / Pt Atmosferas oxidantes ou inertes. Não deve ser inserido em tubos metálicos. Utilizado a altas temperaturas. Sensível a contaminações. R Platina-13% Ródio / Platina Pt13%Rh/Pt a Semelhante ao termopar tipo S B Platina-30% Ródio / Platina-6% Ródio Pt30%Rh/Pt6%Rh a Atmosferas oxidantes ou inertes. Não deve ser inserido em tubos metálicos. Utilizado a altas temperaturas. Sensível a contaminações. Muito habitual na industria do vidro. E Cromel/Constantan NiCr/CuNi Atmosferas oxidantes ou inertes. Uso limitado em atmosferas redutoras e, entre todos, a mais elevada f.e.m.

54 A princípio, um termopar pode ser confeccionado com dois metais diferentes quaisquer, entretanto, devido a uma série de fatores (contaminação, custos, repetibilidade, ponto de fusão, homogeneidade, facilidade de produção, fácil soldagem, etc.), são oferecidas algumas combinações padrões. O gráfico a seguir relaciona a f.e.m. e a temperatura das juntas mais comuns. LINEARIZAÇÃO

55 TERMOELETRICIDADE ALGUNS TIPOS DE TERMOPARES Figura 7 - Diversos termopares com finalidades aplicativas diferentes. Figura 8 - Terminais para termopares - conexão com cabos de compensação. Figura 9 - Termopares com proteção diversa (bainha de inox, tubo de inox). Figura 10 - Termopar especial com base magnética para fixação em dispositivos metálicos.

56 TERMOELETRICIDADE ALGUNS TIPOS DE TERMOPARES Figura 11 - Termopar com indicador digital de temperatura. Figura 12 - Termopar com dispositivo especial para fixação com parafuso. Figura 13 - Termopar com sistema auto-adesivo, evitando necessidade de solda ou operação mecânica (furos,..).

57 EFEITO TERMOELÉTRICO DE SEEBECK Em 1821 o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou o circuito para um termômetro termopar, como o ilustrado na figura a seguir. Ambas as junções, de medição e de referência estão em ambientes isotérmicos (de temperatura constante), cada uma numa temperatura diferente. A tensão de circuito aberto através da junção de referência é a chamada tensão de Seebeck e aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as junções aumenta.

58 EFEITO TERMOELÉTRICO DE PELTIER Em 1834, Peltier descobriu que dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junções variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variação adicional de temperatura é o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior com pelo próprio par termoelétrico. O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção, sendo independente da temperatura da outra junção. O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto.

59 EFEITO TERMOELÉTRICO DE VOLTA A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta enunciado a seguir: "Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencial que pode ser da ordem de Volts". Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente.

60 EFEITO TERMOELÉTRICO DE THOMSON Em 1854, Thomson conclui que a condução de calor ao longo dos fios metálicos de um par termoelétrico que não transporta corrente origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio. Quando existe corrente modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variação adicional na distribuição da temperatura denomina-se efeito Thomson. Com a circulação de corrente ao longo de um fio condutor a distribuição de temperatura neste condutor se modificará tanto pelo calor dissipado por efeito Joule como pelo efeito Thomson.

61 LEIS FUNDAMENTAIS DOS CIRCUITOS TERMOELÉTRICOS A base da teoria termoelétrica nas medições de temperatura com termopares está fundamentada em três leis que garantem a compreensão dos fenômenos que ocorrem ao se utilizar os sensores tipo termopares na obtenção de valores instantâneos de temperatura em um processo industrial específico.

62 LEI DO CIRCUITO HOMOGÊNEO "A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com as junções as temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios". Em outras palavras, a f.e.m. medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções.

63 LEI DOS METAIS INTERMEDIÁRIOS " A soma algébrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver a mesma temperatura". Deduz-se daí que em um circuito termoelétrico composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais. Conclui-se que: T3=T4 à E1=E2 T3 T4 à E1 E2

64 LEI DAS TEMPERATURAS INTERMEDIÁRIAS "A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da f.e.m. deste circuito com as junções as temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e T3. Um exemplo prático da aplicação desta lei é a compensação ou correção da temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.

65 Termômetros de Radiação Todos os métodos de medida de temperatura discutidos até então requeriam que o termômetro estivesse em contato físico com o corpo cuja temperatura se quer medir. Além disso, a temperatura era medida quando o elemento sensor atinjia a condição idealizada de equilíbrio térmico com o corpo ou sistema que se mede.

66 Isto implica em: 1- o termômetro interfere com o meio que se mede, afetando sua temperatura, isto é, a temperatura medida nunca é a real 2- que o termômetro deve ser capaz de suportar a temperatura envolvida em uma dada medição, o que efetivemente representa outro problema prático muito grande no caso da medição de temperatura de corpos muito quentes.

67 Um terceiro tipo de problema acontece quando deseja-se medir a temperatura de um corpo, ou superfície móvel, e o termômetro não está embarcado. Isto é, como medir a temperatura de corpos sólidos em movimento, usando sensores de contato externos ao sistema em movimento? Neste caso, dispor-se de um método de medida que não requer contato físico (medição sem interferência) é fundamental. Este tipo de termômetro pode também ser usado para realizar uma varredura da distribuição de temperatura do corpo sem contato ou interferência.

68 Câmeras térmicas

69 Os instrumentos desenvolvidos para se resolver problemas desse tipo, medir sem interferir, medir temperaturas elevadas e medir objetos em movimento, à distância, empregam sensores de radiação de uma forma ou de outra. Porém, antes de discuti-los é conveniente revisar os conceitos básicos de radiação. Radiação é emissão de energia pela matéria e seu transporte não exige a presença de qualquer meio material. Com relação à natureza deste transporte, sabe-se que a Mecânica Quântica prevê que a radiação é dual, isto é, pode ser tratada como onda, propagação de ondas eletromagnéticas e, ao mesmo tempo, propagação de matéria, as partículas denominadas de fótons.

70 A radiação térmica se distingue de outros tipos de radiação, como ondas de rádio e raios-x, pelo fato destas não se propagarem como conseqüência da temperatura do corpo. O espectro, isto é, a banda de comprimento de ondas, ou frequências, da radiação térmica vai de 0,1 μm a 100 μm (3 x Hz e 3 x Hz, respectivamente). A banda entre 0,4 microns (4,28 x Hz) e 0,7 microns (7,5 x Hz) é o espectro visível. Entre os limites de comprimento de onda de 0,7 microns a 0,4 microns estão as cores extremas vermelha e violeta.

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72 c / f Comprimento de onda (m) = Velocidade da luz (m/s) Frequência (Hz=1/s)

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74 Escala de ondas eletromagnéticas (fótons) Oitava (n) Hz (1/s) wavelenght (m) wavelenght (nm) wnumb (cm-1) ,364E ,821E ,411E ,705E ,527E ,263E ,132E ,066E ,329E ,665E ,332E ,661E ,331E ,665E ,327E ,163E Calor ou ondas infra-vermelho Luz visível Ondas ultravioletas

75 Irradiação - infravermelho Pirômetro Óptico

76 Funcionamento Material emite luz de acordo com a variação da temperatura; Medição por comparação

77 Aplicação Industrial Medição de altas temperaturas; Fusão de metais; Interiores de fornos; Processos de calibração; Câmara frigorífica/ caminhão frigorífico; Máquinas industriais; Controle da temperatura em ambientes diversos.

78 Pirômetro Fotoelétrico