Temperatura Conceitos Temperatura: Grandeza física que mede o estado de agitação das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico.

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2 Conceitos Temperatura: Grandeza física que mede o estado de agitação das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico. Energia Térmica: É a somatória das energias cinéticas dos seus átomos, e além de depender da temperatura, depende também da massa e do tipo de substância. Calor: É a energia que é transferida entre um sistema e seu ambiente, devido a uma diferença de temperatura que existem entre eles. Termometria: Medição de Temperatura, é o termo mais abrangente que inclui tanto a pirometria como a criometria. Pirometria: Medição de altas temperaturas, na faixa que os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. Criometria: Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura.

3 Formas de Transferência de Calor Condução (sólidos): Transferência de calor por contato físico. Convecção (líquidos e gases): Transmissão ou transferência de calor de um lugar para outro deslocamento de material. Temperatura Radiação (sem contato físico): Emissão contínua de energia de uma corpo para outro, através do vácuo ou do ar.

4 Escalas Relativas e Absolutas A escala Celsius, que divide a medição de temperatura em 100 partes iguais, denominadas graus Celsius é de uso universal, e a Fahrenheit, que é dividida em 180 partes iguais denominados graus Fahrenheit, é usada em muitos paises de língua inglesa. Tanto Celsius como Fahrenheit, são escalas relativas. O físico irlandês William Thomson (lorde Kelvin) chegou à conclusão de que, se a temperatura mede a agitação das moléculas, então a menor temperatura possível aconteceria quando as moléculas estivessem em repouso absoluto. A esse estado de repouso térmico chamamos zero absoluto. Baseado no conceito de temperatura, ele criou a Escala Absoluta, conhecida como Escala Kelvin.

5 Escalas Relativas e Absolutas Temperatura

6 Medidores de Temperatura Temperatura 1ª Classe: Elemento sensível está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. -Termômetros à dilatação de líquido. -Termômetros à dilatação de gás; -Termômetros à dilatação de sólido; -Termômetros à par termo elétrico; -Termômetros à resistência elétrica; 2ª Classe: Elemento sensível não está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. -Pirômetros à radiação total; -Pirômetros à radiação parcial.

7 Termômetro de Dilatação Volumétrica Temperatura Dilatação volumétrica de um líquido dentro de um recipiente fechado, com o aumento da temperatura.

8 Termômetros Instrumento de indicação, alarme, monitoração e controle de temperatura para qualquer tipo de aplicação industrial, com precisão, robustez, e confiança Características Robusto e resistente à vibração Alta precisão (Classe 1) Resposta rápida Não requer alimentação elétrica A ponta sensora é preenchida com Nitrogênio. Mudanças de temperatura causa mudança de pressão no gás que se expande, provocando um curvamento num bourdon que movimenta o ponteiro.

9 Termômetro de Dilatação Volumétrica Temperatura Termômetro de Vidro de Mercúrio amplamente usado em laboratórios, oficinas e quando protegidos na área industrial. Termômetro Metálico de Mercúrio bastante usado em áreas industriais como indicador local.

10 Termômetro de expansão

11 Termômetro Capela Proteção de alumínio anodizado e haste de latão de 25 a 1000 mm, rosca opcional, capilar redondo branco ou amarelo, conforme norma DIN.

12 Termômetro de Expansão de Gás A alteração da temperatura varia a pressão do gás conforme a Lei dos gases perfeitos (Gay-Lussac), sendo o volume constante. Elemento de Medição Capilar O elemento de medição pode ser do tipo Bourdon, Espiral ou Helicoidal. Bulbo

13 Termômetro de Expansão de Gás Aplicação: Para processos químicos e petroquímicos, alimentícios, papel e celulose. Tipos de Gás de Enchimento: -Hélio (He); -Hidrogênio (H 2 ); -Nitrogênio (N 2 ) (Faixa: -100 a 600ºC); -Dióxido de Carbono (CO 2 ). Material de Construção do bulbo e capilar: -Aço, Aço inox, Cobre, Latão e Monel. Material de Construção do Elemento de Medição: Cobre-Berílio, bronze fosforoso, aço e aço inox.

14 Termômetro Bimetálico Temperatura Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. O termômetro bimetálico consiste em duas laminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observase um encurvamento que é proporcional a temperatura.

15 Termômetro Bimetálico Temperatura Normalmente usa-se o Invar (aço c/ 36% de níquel) com baixo coeficiente de dilatação e o latão de alto coeficiente de dilatação. Faixa de Trabalho: -50 a 800ºC

16 Termômetros Bimetálicos - NBR Temperatura

17 NBR Termômetros bimetálicos Recomendações de fabricação e uso Terminologia, segurança e calibração Faixas de indicação (Recomendadas): Para aplicações industriais e comerciais: - 30 C a 70 C 0 C a 60 C 0 C a 100 C 0 C a 160 C 0 C a 250 C 0 C a 400 C Para laboratório, termômetros frigoríficos e de bolso: - 50 C a 50 C 0 C a 60 C 0 C a 100 C 0 C a 160 C 0 C a 250 C 0 C a 400 C

18 Efeitos Termoelétricos Experiência de Seebeck: Num circuito fechado, formado por dois fios de metais diferentes, se colocamos os dois pontos de junção a temperaturas diferentes, se cria uma corrente elétrica cuja intensidade é determinada pela natureza dos dois metais utilizados e da diferença de temperatura entre as duas junções.

19 Efeitos Termoelétricos Experiência de Peltier: Passando uma corrente elétrica, por um par termoelétrico, uma das junções se aquece enquanto a outra se resfria.

20 Efeitos Termoelétricos Efeito Volta: Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencial, que depende da temperatura e não pode ser medida diretamente. Efeito Thomson: Quando colocamos as extremidades de Efeito Thomson: Quando colocamos as extremidades de um condutor homogêneo à temperaturas diferentes, uma força eletromotriz aparecerá entre estas duas extremidades, sendo esta, chamada de F.E.M. Thomson, que depende do material e da diferença da temperatura, não pode ser medida diretamente.

21 Leis da Termoeletricidade Temperatura Lei do Circuito Homogêneo: A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico tendo duas junções em temperaturas diferentes não depende do gradiente da temperatura ou da distribuição de temperatura ao longo dos fios. As únicas temperaturas relacionadas com a F.E.M. são as das As únicas temperaturas relacionadas com a F.E.M. são as das junções (JQ e JF). Todas as temperaturas intermediárias não interferem na F.E.M. resultante.

22 Leis da Termoeletricidade Lei das Temperaturas Intermediárias: Se a F.E.M. de vários metais versus um metal de referência, por exemplo, platina, é conhecida, então a F.E.M., de qualquer combinação dos metais pode ser obtida por uma soma algébrica. A temperatura da junta de referência pode estar em qualquer valor conveniente, e a temperatura da junta de medição pode ser encontrada, por simples diferença, baseando-se em uma tabela relacionada a uma temperatura padrão, por exemplo 0ºC.

23 Leis da Termoeletricidade Temperatura Lei do Metal Intermediário: A F.E.M. do termopar não será afetada se em qualquer ponto de seu circuito for inserido um metal qualquer, diferente do já existente, desde que as novas junções sejam mantidas temperaturas iguais. Em virtude desta lei, pode-se inserir o instrumento de medição da F.E.M. (voltímetro) com seus fios de ligação em qualquer ponto do circuito termoelétrico sem alterar a F.E.M. original.

24 Termopares (thermocouples) Teoria Termoelétrica O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado formado por dois condutores metálicos e distintos A e B, quando submetidos a um diferencial entre as suas junções, ocorre uma circulação de corrente elétrica ( i ). A existência de uma força eletro-motriz (F.E.M.)E AB no circuito é conhecida como Efeito Seebeck, e este se produz pelo fato de que a densidade de elétrons livres num metal, difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando este circuito é interrompido, a tensão do circuito aberto (Tensão de Seebeck ) torna-se uma função das temperaturas das junções e da composição dos dois metais. Denominamos a junção na qual está submetida à temperatura a ser medida de Junção de Medição (ou junta quente) e a outra extremidade que vais se ligar no instrumento medidor de junção de referência (ou junta fria).

25 Termopares (thermocouples) O elemento termopar consiste em dois fios de diferentes ligas metálicas, emendados juntos num ponto onde será medida a temperatura. Esta junção gera uma pequena tensão quando aquecida. Esta tensão é em função da temperatura da junção. A relação entre a temperatura da junção e a tensão de saída varia para diferentes tipos de termopares. No instrumento de medição, a tensão do termopar na junta de referência depende do material do fio do termopar a da diferença de temperatura entre a junção sensora e a junção de referência. A temperatura da junção de referência deve ser mantida constante. Se isto não for possível, a conexão do termopar ao instrumento de medição deve ser feita usando um cabo de compensação. Por este método, o sinal de saída do termopar pode ser transmitido, para temperatura acima de 200 C, sem perda significantes de precisão.

26 Compensação da Temperatura Ambiente ( Tr ) Para se usar o termopar como medidor de temperatura, é necessário conhecer a F.E.M. gerada e a temperatura da junção de referência Tr O sinal total que será convertido em temperatura pelo instrumento será a somatória do sinal do termopar e da compensação, resultando na indicação correta da temperatura na qual o termopar está submetido (independendo da variação da temperatura ambiente). Termopar Tipo K sujeito a 100 C na junção de medição e 25 C na borneira do instrumento.

27 NBR Tabela de referência de Termopares Objetivo: Esta norma estabelece as tabelas de referência usadas na conversão de força eletromotriz térmica gerada pelo termopar em função da temperatura. Tipos de Termopares: Termopar tipo R (0 a 1600 C): Composto de platina pura(-) e uma liga de platina(+) contendo um teor de ródio o mais próximo possível de 13% em peso. Termopar tipo S (0 a 1600 C): : Compostos de platina pura(-) e uma liga de platina(+) contendo um teor de ródio o mais próximo possível de 10% em peso Termopar tipo B (600 a 1700 C): : Feito de ligas cujas composições nominais em peso são platina - 30% ródio(+) e platina - 6% ródio(-). Termopar tipo J (-40 a 750 C): : Compostos de ferro comercialmente puro(+) e uma liga de níquel(-) contendo 45% a 60% de cobre em peso, conhecida com constantan. Termopar tipo T (-200 a 350 C): : Compostos de cobre comercialmente puro(+) e uma liga de níquel(- ) contendo 45% a 60% de cobre em peso. Termopar tipo E (-200 a 900 C): : Compostos de ligas comerciais do tipo níquel-cromo(+) e níquelcobre(-). Termopar tipo K (-200 a 1200 C): : Compostos de ligas comerciais do tipo níquel-cromo(+) e níquelmanganês-silício-alumínio(-). Termopar tipo N (-200 a 1200 C): : Compostos de ligas níquel-cromo-silício(+) e níquel-silício(-).

28 NBR Tabela de referência de Termopares Classes de tolerância para os termopares (junção de referência a 0 C

29 Curvas características de Termopares

30 Fios e cabos de extensão e compensação Fios e cabos de extensão e compensação (ou fios e cabos compensados), nada mais são que outros termopares, cuja função além de conduzir o sinal gerado pelo sensor, é a de compensar os gradientes de temperatura existentes entre a junção de referência (cabeçote) do sensor e os bornes do instrumento, gerando um sinal proporcional de milivoltagem a este gradiente. Fios e Cabos de Extensão são condutores fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam; portanto apresentam a mesma curva F.E.M. x temperatura. Os fios e cabos de extensão são usados com os termopares de base metálica ou básicos tipo T, J, E e K. Apesar de possuírem as mesmas ligas dos termopares, apresentam um custo menor devido a limitação de temperatura que podem ser submetido, pois sua composição química não é tão homogênea quanto a do termopar. Fios e Cabos de Compensação são os condutores fabricados com ligas diferentes dos termopares a que se destinam, mas também apresentando a mesma curva F.E.M. x temperatura dos termopares. São usados principalmente com os termopares nobres (feitos a base de platina) tipos S e R, porém pode-se utilizá-lo em alguns termopares básicos e com os novos tipos que ainda não estão normalizados.

31 Cores de Termopares

34 Cabeçotes A função do cabeçote é a de proteger os contatos do bloco de ligação, facilitar a conexão do tubo de proteção e do conduíte, além de manter uma temperatura estável nos contatos do bloco de ligação, para que os contatos feitos de materiais diferentes do termopar não interfiram no sinal gerado por ele. - O Cabeçote a Prova de Tempo, é um cabeçote mais robusto, indicado ambientes onde é necessário a proteção contra os efeitos do meio ambiente como umidade, gases não inflamáveis, poeiras, vapores e vedação (gaxetas), que fazem a vedação contra o tempo, vapor, gases e pó. Seu corpo é feito de alumínio ou ferro fundido com sua tampa rosqueada para maior proteção.

35 Poços Termométricos O poço termométrico tem a função de proteger os termoelementos contra a ação do processo (ambientes agressivos, esforços mecânicos entre outros). É fornecido com meio para ligação estanque do processo, ou seja, veda o processo contra vazamentos, perdas de pressão, contaminações e outros. Genericamente usa-se o poço onde as condições do processo requisitam alta segurança e são críticas tais como altas temperaturas e pressões, fluidos muito corrosivos, vibrações e alta velocidade de fluxo.

36 Termômetro de Resistência Temperatura As termoresistências ou bulbos de resistência ou termômetros de resistência ou RTD, são sensores que se baseiam no princípio da variação da resistência ôhmica em função da temperatura. Elas aumentam a resistência com o aumento da temperatura. Seu elemento sensor consiste de uma resistência em forma de fio de platina de alta pureza, de níquel ou de cobre (menos usado) encapsulado num bulbo de cerâmica ou vidro.

37 Termoresistência de Platina Pt100 A mais utilizada é a platina pois apresenta uma ampla escala de temperatura, uma alta resistividade permitindo assim uma maior sensibilidade, um alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura, uma boa linearidade resistência por temperatura e também ter rigidez e ductibilidade para ser transformada em fios finos, além de ser obtida em forma puríssima. Faixa de trabalho de -200 a 600ºC. Aplicações típicas: -Processos industriais -Plantas -Aquecedores d água (Boilers) -Sistemas de aquecimento -Sistemas de ar condicionado -Sistemas de ventilação -Fogões

38 Ponte de Wheatstone A ponte de Wheatstone, quando apresenta uma relação de resistência R 1. R 3 = R 2. R 4, esta se encontra balanceada ou em equilíbrio e desta forma não circula corrente pelo galvanômetro pois os potenciais nos pontos A e B são idênticos.

39 Pt100 Ligação a dois fios Temperatura

40 Pt100 Ligação a três fios Temperatura

41 Vantagens e Desvantagens de Termoresistência x Termopar Vantagens: Temperatura a) Possuem maior exatidão dentro da faixa de utilização do que os outros tipos de sensores. b) Tem características de estabilidade e repetibilidade melhores do que os termopares. c) Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação. d) Dispensa o uso de fios e cabos de extensão e compensação para ligação, sendo necessário somente fios de cobre comuns. e) Se adequadamente protegido ( poços e tubos de proteção ), permite a utilização em qualquer ambiente. f) Curva de Resistência x Temperatura mais linear. g) Menos influenciada por ruídos elétricos.

42 Vantagens e Desvantagens de Termoresistência x Termopar Desvantagens: a) São mais caras do que os sensores utilizados nesta mesma faixa. b) Range de temperatura menor do que os termopares. c) Deterioram-se com mais facilidade, caso se ultrapasse a temperatura máxima de utilização. d) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação. e) Possui um tempo de resposta mais alto que os termopares. f) Mais frágil mecanicamente g) Autoaquecimento, exigindo instrumentação sofisticada.

43 Transmissor Temperatura Sensor de entrada programável: termopares tipos J,K,T,N,E,R,S e RTD Pt100. Saída 4-20mA a 2 fios. Alimentação: 12 to 30 Vdc. Saída de corrente linearizada e com compensação de junta-fria para termopares. Pt100 a 2 ou 3 fios, com linearização. Exatidão: ±0.2% do fundo de escala para Pt100 e 0.3% do fundo de escala para os termopares. Temperatura de trabalho:-40 to +85ºC. Proteção para quebra de sensor programável para início ou fim da escala.

44 Transmissor Temperatura

45 Termômetros Portáteis Temperatura

46 Medição por Infravermelho A tecnologia infravermelha não é um fenômeno novo, ela tem sido utilizada com sucesso em setores industriais e de pesquisa durante décadas, mas inovações tem reduzidos custos, ampliado a confiabilidade, e resultou em sensores infravermelhos para medição de temperatura sem contato. Quais as vantagens da medição de temperatura sem contato? É rápida (na faixa de ms), permitindo mais medições e acumulação de dados Medições podem ser feitas em objetos perigosos ou fisicamente inacessíveis (partes com altavoltagem, medições a grande distância) Facilidade de medição quando o alvo está em movimento Medições de altas temperaturas(maiores que 1300 C) não apr esentam problemas. Em casos similares, termômetros comuns não podem ser utilizados ou tem a sua vida útil reduzida Em casos de maus condutores de calor como plástico e madeira, medições são extremamente precisas sem distorções dos valores, se comparado com medições com termômetros de contato Não há risco de contaminação e efeito mecânico na superfície dos objetos

47 Em suma, as principais vantagens da medição de temperatura por infra-vermelho são a velocidade, ausência de interferência e possibilidade de medição de altas temperaturas até 3000 C. Lembrando que apenas temperatura s na superfície dos materiais podem ser medidas. Os termômetros de infra-vermelhos podem ser comparados ao olho humano. As lentes do olho representa a parte ótica que faz com que a radiação(fluxo de fótons) vindos dos objetos pela atmosfera, alcancem a camada fotossensível (retina). Isto é convertido em um sinal que é enviado ao cérebro. A figura abaixo apresenta o processo de medição por infravermelho

48 O alvo Temperatura Toda forma de matéria com temperatura(t) acima do zero absoluto emite radiação infravermelha de acordo com a temperatura. Isto é chamado de radiação característica. A causa disto é o movimento mecânico interno das moléculas. A intensidade deste movimento depende da temperatura do objeto. Como o movimento das moléculas representa deslocamento de cargas, radiação eletromagnética(fótons) é emitida. Estes fótons movem-se coma velocidade da luz e comportam-se de acordo com os princípios óticos conhecidos. Eles podem ser defletidos, focados por lentes, ou refletidos por superfícies reflexivas. O espectro desta radiação tem faixa de 0,7 a 1000 µm de comprimento de onda. Por esta razão, a radiação não pode ser normalmente vista a olho nu. Esta área encontra-se na área de luz vermelha da luz visível e desta forma tem sido chamada de infravermelha.

49 Medição por Infravermelho: -

50 Medição por Infravermelho: Algumas aplicações: