Termômetros à Dilatação de Líquidos

Transcrição

1 Disciplina: Instrumentação e Controle de Sistemas Mecânicos Mensuração da Temperatura Parte 2

2 Termômetros à Dilatação de Líquidos Materiais se dilatam com o aquecimento e contraem-se com o esfriamento, segundo uma lei de expansão volumétrica que relaciona variação de volume com a temperatura e um coeficiente de expansão próprio do material. T : temperatura em C V 0 : volume do líquido a temperatura inicial de ref. T 0 V T : volume do líquido a temperatura T 1, 2, 3 : coeficiente de expansão do líquido em C -1 T : T T 0

3 Termômetros à Dilatação de Líquidos Assim, pode-se ver que a relação entre temperatura e dilatação não é linear. Entretanto, os termos de segunda e terceira ordem tem valores pequenos na faixa de temperatura de aplicações práticas industriais Deste modo, normalmente a equação é usada em forma simplificada sem perda significante na precisão:

4 Exercício 1. Sabendo-se que o mercúrio tem coeficiente de expansão volumétrica 0,00018 K -1 a uma temperatura T=15 o C, e dentro de um termômetro ocupa a esta temperatura um volume de V 0 = 193 mm 3. Qual a temperatura acusada pelo termômetro quando a coluna de mercúrio se elevar mais 12mm? Considere um capilar de diâmetro de 1mm.

5 Resolução Vo = 193 mm 3 ; = 0,00018 K -1 ; T = 288,15 K d = 1 mm; L = 12 mm T = (T 288,15) VT = Vo + ((.d 2 )/4). L Vo + ((.d 2 )/4). L = Vo. (1 + 0,00018.(T 288,15)) 193+((.1 2 )/4).12 = 193.(1+0,00018.(T 288,15)) T = 559,44 K = 286,29 o C

6 Termômetros à Dilatação de Líquidos Os tipos de termômetros de líquido podem variar conforme sua construção: Recipiente de vidro transparente Recipiente metálico

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9 Termômetros à Dilatação de Líquido O líquido expande com o calor... Os líquidos mais empregados atualmente são o mercúrio, álcool etílico e o tolueno (metil benzeno). Nos termômetros industriais o bulbo é protegido em um poço metálico... e contrai quando resfriado

10 Termômetros de Líquido em Vidro São compostos por um recipiente (bulbo) contendo o líquido de dilatação e um capilar de vidro, acoplado ao bulbo. Bulbo contendo líquido de dilatação Capilar de vidro para expansão Escala

11 Termômetros de Líquido em Vidro: Escala A escala é elaborada através da definição de no mínimo dois pontos de temperatura no capilar. Líquido Ponto de Solidificação [ o C] Ponto de Ebulição [ o C] Faixa de Uso [ o C] Mercúrio* a 550 Álcool Etílico a 70 Tolueno a 100 * Para altas temperaturas, injeta-se gás inerte no capilar junto com o mercúrio, evitando sua vaporização.

12 Termômetros de Líquido em Vidro: Escala

13 Termômetros de imersão Os termômetros de dilatação são projetados para imersão total ou parcial. Os de imersão parcial são identificados por marcações no capilar, ou um anel de vidro ou ainda com uma inscrição no verso. Devem ser imersos até o ponto de marcação. Os de imersão total devem ser inseridos até ocultar toda a coluna do líquido do capilar.

14 Termômetros de imersão Se uma parte do líquido do capilar é visível acima do banho, pode ser necessário uma correção. t t = t + t t t t 6000 tx t'

15 t x : valor lido na escala do termômetro, ao nível da superfície do banho. t : temperatura ambiente ou de referência. t: temperatura lida no termômetro imerso no banho. t k : valor corrigido da temperatura. Valores em graus Kelvin ou Celsius. t tx t = t + t t t t 6000 t'

16 Exercício 2. Supondo um termômetro de imersão total, cujo líquido de enchimento é mercúrio. A leitura indica 160 o C. É usado um banho de pouca profundidade, a parte imersa fica na marcação de 85 o C, e a temperatura de referência (ambiente) é de 32 o C. Calcule a correção da coluna emersa.

17 t = t + t t t t 6000 t = t = 161,6 160 C 85 C 32 C

18 Exercício 3. Suponha que o líquido do termômetro do exercício anterior não fosse mercúrio, e sim tolueno. (a) A equação, usada para correção, ainda seria válida? (b) Caso não seja válida, desenvolva uma equação adequada.

19 Exercício 4. Supondo um termômetro de imersão total, cujo líquido de enchimento é mercúrio. A leitura indica 110 o C. É usado um banho de pouca profundidade, a parte imersa fica na marcação de 30 o C, e a temperatura de referência (ambiente) é de 40 o C. Calcule a correção da coluna emersa. 5. E se o líquido de enchimento fosse tolueno?

20 Termômetros de Líquido em Vidro: Limites de Erro Termômetros de imersão total com enchimento a tolueno, pentano e petróleo: limites de erro por divisão, segundo norma EICHORDNUNGEO Intervalo de temperatura o C por o C 0,5 o C 1 o C 2 o C 5 o C -200 / o C 4 o C 5 o C -110 / o C 2 o C 4 o C 5 o C -10 / o C 2 o C 3 o C 5 o C +110 / o C 4 o C 5 o C

21 Termômetros de Líquido em Vidro: Limites de Erro Termômetros de imersão total com enchimento a mercúrio: limites de erro por divisão, segundo norma EICHORDNUNGEO Intervalo de temperatura o C por o C 0,05 o C 0,1 o C 0,2 o C 0,5 o C -58 / -10-0,3 o C 0,4 o C 0,5 o C -10 / o C 0,2 o C 0,3 o C 0,5 o C +110 / ,4 o C 0,5 o C +210 / o C +410 /

22 Termômetros de Líquido em Vidro: Limites de Erro Termômetros de imersão total com enchimento a mercúrio: limites de erro por divisão, segundo norma EICHORDNUNGEO Intervalo de temperatura o C por o C 1 o C 2 o C 5 o C -58 / o C 2 o C 5 o C -10 / o C 2 o C 5 o C +110 / o C 2 o C 5 o C +210 / o C 2 o C 5 o C +410 / o C 4 o C 5 o C

23 Termômetro à Dilatação de Líquido em Recipiente Metálico O líquido preenche todo o bulbo e sob o efeito de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (tubo de Bourdon, p.ex.) Bulbo Máxima curvatura do capilar

24 Termômetro à Dilatação de Líquido em Recipiente Metálico Este tipo de termômetro é geralmente aplicado na indústria para indicação e registro, pois permite leituras remotas e por ser o mais preciso dos dispositivos mecânicos de medição de temperatura. Entretanto, devido à lentidão de resposta, não deve ser usado para controle. Termômetros similares empregando gás e vapor também são utilizados na indústria.

25 Termômetro à Dilatação de Líquido em Recipiente Metálico Pelo fato deste sistema usar líquido inserido num recipiente e as dimensões envolvidas serem consideráveis, as variações de temperatura ambiente podem afetar a precisão da leitura. Em vista disto, foram desenvolvidas duas classes de compensação para este tipo de interferência: Classe de Compensação 1B: compensação feita somente no sensor, por meio de uma chapa bimetálica. Uso difundido pela simplicidade e baixo custo, mas restrito para capilares até 6 metros.

26 Termômetro à Dilatação de Líquido em Recipiente Metálico Classe de Compensação 1A: Para capilares maiores que 6 metros. Compensação feita por meio de um segundo capilar, de igual tamanho mas não ligado ao bulbo inserido no processo.

27 Termômetro à Pressão de Gás Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, porém com bulbo e capilar preenchidos com gás a alta pressão (p.ex., de 20 a 50 atm). Com a variação de temperatura, o gás sofre uma contração ou expansão térmica, resultando em variação volumétrica (lei de Gay-Lussac, abaixo). P T = P T = cte Gases utilizados: Hélio (He), Hidrogênio (H 2 ), Nitrogênio (N 2 ; usado na faixa -100 a 600 C), Dióxido de Carbono (CO 2 ).

28 Termômetro à Dilatação Metálica Agulha ou ponteiro Hélice bimetálica Escala de temperaturas Haste contendo o material bimetálico, a qual é introduzida no processo no qual se deve medir a temperatura

29 Termômetro à Dilatação Metálica Este tipo de instrumento é baseado no efeito da flexão por temperatura, que ocorre sempre que são justapostas duas lâminas de metal de coeficientes de dilatação diferentes. A flexão ocorrerá para o lado do metal que tiver o menor coeficiente de dilatação: L f t S

30 L f t S f t : flexão por temperatura t : coeficiente de flexão térmica do par bimetálico (DIN1715) L: comprimento do par bimetálico T: diferencial de temperatura S: espessura do par bimetálico f = α L T S

31 Termômetro à Dilatação Metálica Agulha ou ponteiro Na prática o par bimetálico é enrolado em forma de espiral ou hélice, o que aumenta a sensibilidade. Hélice bimetálica Escala de temperaturas Haste contendo o material bimetálico, a qual é introduzida no processo no qual se deve medir a temperatura

32 Exercício 5. Considere o par bimetálico apresentado abaixo. Sendo f t = 3 mm, L = 100 mm, S = 1 mm e t = 1, C -1. Calcule o diferencial de temperatura T em C. f = α L T S L f t S

33 Termômetros Elétricos de Contato

34 Termômetros Elétricos de Contato Termômetros elétricos de contato classificamse em 2 tipos: 1. Termômetros de resistência ou termorresistências; 2. Termoelementos ou termopares.

35 Termômetros de Resistência O princípio de medição de temperatura usando termorresistências se baseia na variação da resistência elétrica de um condutor em função da temperatura. R (T) = R 0.(1 +.T) Atenção: O coeficiente varia em função da temperatura, e isto deve ser considerado para medições em temperaturas superiores a 100 C.

36 Termômetros de Resistência Mais adequados para termometria de resistência: Rh99,5% Fe0,5%: 0,5 a 25K (-272,65 a -248,15 o C) Cobre: -80 a 260 o C. Baixa resistência à oxidação limita seu uso em altas temperaturas. Pouco usado. Níquel: -60 a 180 o C. Baixo custo, alta sensibilidade, baixa linearidade. Platina: -248 a 962 o C. Alto custo, ampla faixa de utilização, boa linearidade, relativamente fácil de obter na forma pura, resistente à oxidação até 660 o C. Mais empregado na indústria.

37 Termoresistência de Platina (RTD* ou TRP) * resistive thermal devices 2 tipos: termômetros de resistência de platina padrão (TRPP): Precisão de ±0,0006 o C em 0 o C e ±0,002 o C a 420 o C. termômetros de resistência de platina industrial (TRPI): Precisão de 0,1% a 0,5% da faixa de uso. Pode alcançar ±0,015 o C quando calibrado e não submetido a tensões mecânicas e nem a temperaturas maiores que 630 o C.

38 Termoresistência de Platina Padrão Termômetros de precisão que são empregados como padrão de interpolação ITS a 0 o C R (T) = R 0.[1 + A.T + B.T 2 + C.(100 T).T 3 ] 0 a 962 o C R (T) = R 0.[1 + A.T + B.T 2 ] R 0 = 25,5 ohms, A = 3,985 x 10-3 o C -1 B = -5,85 x 10-7 o C -2, C = 4,2735 x o C -4

39 Termoresistência de Platina Padrão Características construtivas: Elemento sensor de platina com pureza de 99,999% Montagem feita de modo que a platina não sofra qualquer esforço mecânico. Para o conjunto, são usados materiais de grande inércia química e pureza, tais como quartzo e mica.

40 Termoresistência de Platina Industrial Existem diversas configurações de montagem, visando adaptar o instrumento à ampla variedade de situações que podem ser encontradas na área industrial (vibração, distância sensor/escala, faixa de temperatura, etc.). O TRPI usa sensor de platina de menor pureza (99,99%). A contaminação acaba por restringir a utilização até 850 o C. Precisão de 0,1 a 0,5%, Entretanto, pode ser mais preciso (seleção de sensores) e pode se tornar um padrão secundário de temperatura.

41 Termoresistência de Platina Industrial Pt-100 As termorresistências do tipo Pt-100 são as mais empregadas industrialmente. Vantagens: maior precisão na faixa -270 a 660 o C que demais sensores, sem restrições para instalação remota, não necessita fiação especial, quimicamente estável. Desvantagens: preço elevado, deteriora-se rapidamente acima de 630 o C, necessita homogeneidade do meio (bulbo), tempo elevado de resposta.

42 Termoresistência de Platina Industrial Pt-100 Montagem mineral (cerâmica) do tipo Pt-100. Isolamento (missangas) Isolação mineral pó óxido magnésio Condutores Bainha de aço inox Bulbo de resistência Resina epóxi Fio de platina Bulbo de resistência

43 Termoresistência de Platina Industrial Pt-100 Montagem mineral (cerâmica) do tipo Pt-100: O fio é bobinado na forma helicoidal e encapsulado em um invólucro cerâmico. Este tipo de bulbo permite utilização em toda a faixa de temperatura própria para o Pt-100. Tem versões para aplicações com choque mecânico e vibração.

44 Termoresistência de Platina Industrial Pt-100 Montagem em bulbos de vidro: O fio é bobinado na forma bifilar diretamente sobre uma base de vidro, posteriormente revestido também com vidro. Adequado para condições severas de choque mecânico e vibração, assim como em soluções ácidas, alcalinas e líquidos orgânicos.

45 Termômetros de resistência de Platina Industrial Pt-100 Temorresistência Pt-100

46 Vista em corte de termômetro e resistência industrial completo a. Cabeçote de ligação b. Pescoço c. Luva roscada d. Isolador cerâmico e. Bainha de aço inox f. TRP g. Comprimento do elemento sensor h. Comprimento da bainha i. comprimento do pescoço

47 Termômetros de resistência de Platina Industrial Pt-100 As termorresistências Pt-100 caracterizam-se por ter uma resistência de 100 ohms em 0 o C a 0 o C R (T) = R 0.[1 + A.T + B.T 2 + C.(100 T).T 3 ] 0 a 962 o C R (T) = R 0.[1 + A.T + B.T 2 ] R 0 = 100,0 ohms, A = 3,985 x 10-3 o C -1 B = -5,85 x 10-7 o C -2, C = 4,2735 x o C -4

48 Exercício Uma termorresistência de platina padrão está sendo usada para medir uma certa temperatura de um processo. A resistência acusada no aparelho é de 68,21 ohms. Qual o diferencial de temperatura, sabendo que a temperatura ambiente corresponde a uma resistência de 29,54 ohms?

49 Exercício Uma termorresistência Pt-100 está sendo usada para medir uma certa temperatura de um processo. A resistência acusada no aparelho é de 199,5 ohms. Qual o diferencial de temperatura, sabendo que a temperatura ambiente corresponde a uma resistência de 109,0 ohms?

50 Exercício Uma termorresistência Pt-100 está sendo usada para mensurar a temperatura no interior de um refrigerador, a qual se encontra em -5 o C. Qual deverá ser a resistência a ser mensurada?

51 Bibliografia Egídio Alberto Bega, Gerard Jean Delmee, Pedro Estéfano Cohn, Roberval Bulgarelli, Ricardo Koch, Vitor Schmidt Finkel Instrumentação Industrial, Editora Interciência, 3ª Edição, 2011.

52 Bibliografia Arivelto Bustamante Fialho Instrumentação Industrial, Editora Érica, 7ª Edição, 2010.