INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO SUL CAMPUS RIO GRANDE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

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1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO SUL CAMPUS RIO GRANDE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

2 Aula 23 2

3 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA COM TERMÔMETRO DE RADIAÇÃO CONTATO INDIRETO 3

4 INTRODUÇÃO Os processos de transferência de calor são: Radiação Condução Convecção

5 INTRODUÇÃO Radiação: é a transmissão de raios eletromagnéticos através do espaço. Tal como as ondas de rádio, é invisível. Todo material que possui uma temperatura Todo material que possui uma temperatura acima de zero absoluto (-273 C = 0 K) emite radiação infravermelha, incluindo o sol, fogões, seres humanos, etc.

6 INTRODUÇÃO Condução: é o fluxo de calor direto através da matéria que é consequência do contato físico. Por exemplo, se uma das extremidades de uma Por exemplo, se uma das extremidades de uma barra de ferro for aquecida, o calor se desloca por condução, através do metal, até à outra extremidade.

7 INTRODUÇÃO Convecção: é o transporte de calor dentro de gás ou líquido. Por exemplo, temos a troca de calor em um ambiente com ar condicionado. O ar quente tende a subir, e o ar frio tende a descer, ocorrendo a movimentação de massas. O aquecimento de um jarro de água acontece a mesma troca.

8 INTRODUÇÃO Os sensores de temperatura devem ler a mesma temperatura do corpo que está sendo medido. Existe um grande número de aplicações industriais onde há medição por contato utilizando: termopares, Pt100, Termistores NTC, termômetros bimetálicos, etc... Estes, são sensores que precisam estar colocados no ponto onde se pretende medir a temperatura.

9 INTRODUÇÃO Porém, existem problemas relacionados aos termômetros de contato referentes a medição de temperaturas de corpos em movimento, e a medição de temperaturas muito altas, as quais podem danificar o termômetro. Para resolver estes problemas, foram desenvolvidos os sensores de radiação, mais comumente denominados PIRÔMETROS. Pirometria = medição de altas temperaturas, aonde o efeito da radiação pode interferir.

10 PIRÔMETROS Pirômetros são sensores de temperatura que utilizam a radiação térmica emitida por um corpo cuja temperatura se quer medir. Eles não necessitam estar em contato físico com o corpo emissor, não interferindo, portanto, com o meio. Estes termômetros suportam medições de temperatura elevada, podendo medir a temperatura de materiais corrosivos, bem como medir a temperatura de um sistema móvel (visto que o pirômetro não está acoplado ao corpo). 10

11 RADIAÇÃO TÉRMICA Todos os corpos trocam constantemente energia térmica com a sua vizinhança na forma de radiação eletromagnética. Se houver diferença de temperatura entre a Se houver diferença de temperatura entre a matéria e a sua vizinhança, ocorrerá transferência de energia na forma de calor.

12 RADIAÇÃO TÉRMICA A radiação térmica ou transmissão de calor por radiação é a taxa de emissão de energia de um dado material referente a sua temperatura. Toda a forma de matéria com temperatura acima do zero absoluto (-273 C ou 0 K) emite energia térmica. A partir das características da radiação emitida por um corpo, podemos determinar a sua temperatura, e não é necessário contato com o corpo para efetuar esta medição.

13 RADIAÇÃO TÉRMICA Todos os corpos na natureza são formados por moléculas, formadas por átomos. Todas as partículas são em essência cargas elétricas. Essas partículas estão em movimento e assim geram uma radiação eletromagnética. A radiação pode ser caracterizada pela intensidade ou comprimento de onda, e a temperatura pode ser detectada em função dessas variáveis.

14 RADIAÇÃO TÉRMICA A irradiação ou radiação é o processo mais importante de propagação de calor, pois é através dele que o calor do Sol chega até a Terra. A irradiação é o processo de transferência de calor através de ondas eletromagnéticas, chamadas ondas de calor ou calor radiante. Enquanto a condução e a convecção ocorrem somente em meios materiais, a irradiação ocorre também no vácuo.

15 RADIAÇÃO TÉRMICA Todos os corpos emitem energia radiante devido a sua temperatura. Estas radiações, ao serem absorvidas por outro corpo, provocam, nele, uma elevação de temperatura. Quanto maior for a temperatura do corpo aquecido, maior será a quantidade de calor transmitida por radiação.

16 PROPRIEDADES DA RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Quando a radiação eletromagnética atinge uma superfície de um material semitransparente, como por exemplo uma placa de vidro, parte da radiação é refletida, parte é absorvida, e parte é transmitida.

17 PROPRIEDADES DA RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Como vimos acima, a energia incidente sobre um corpo pode ser absorvida (α), refletida (ρ) e transmitida (τ)através do corpo (se este não for opaco). Se a temperatura do corpo é constante, a taxa de energia absorvida é igual a taxa de energia emitida.

18 PROPRIEDADES DA RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA A refletividade (ρ) é a fração refletida, a absortividade (α) é a fração absorvida e a transmissividade (τ) é a fração transmitida. Se a temperatura do corpo for constante: ρ + α + τ = 1 Muitos corpos sólidos não transmitem a radiação térmica, e para muitos problemas práticos, a transmissividade pode ser considerada igual a zero. Assim: ρ + α = 1

19 PROPRIEDADES DA RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Corpos mais escuros absorvem a maior parte da radiação que incide sobre eles, enquanto os corpos mais claros refletem quase toda a radiação térmica incidente. É por isso que um corpo preto, quando colocado ao Sol, tem sua temperatura sensivelmente elevada, ao contrário dos corpos claros, que absorvem pouco calor.

20 RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO O corpo negro é uma superfície que não reflete, nem transmite energia. Ele apenas absorve. O corpo negro também é considerado um irradiador perfeito, ou seja, toda energia incidente é também irradiada. A emissividade é definida como a relação da radiação emitida pelo corpo em estudo pela radiação do corpo negro nas mesmas condições (referência).

21 EMISSIVIDADE Em uma forma simples, a emissividade de um corpo é a capacidade que o corpo tem de irradiar energia. O corpo negro possui o fator de emissividade ε=1. Os corpos reais possuem ε < 1. O corpo negro é um conceito teórico. Todos os corpos refletem sempre uma fracção da radiação que sobre eles incide. O valor da emissividade tende a variar para diferentes materiais. Materiais rugosos e oxidados tendem a ter uma maior emissividade do que matérias com a superfície polida.

22 EMISSIVIDADE Para medir a temperatura utilizando termômetros de radiação é necessário conhecer a emissividade do corpo cuja temperatura se quer medir.

23 EMISSIVIDADE Se dois materiais com emissividades diferentes forem colocados em um forno e aquecidos na mesma temperatura, a diferença dos valores de emissividade dos materiais faz com que haja radiações de temperaturas em diferentes níveis, fazendo para o olho que o material de baixa emissividade apareça mais frio do que o material com alta emissividade, apesar de estarem na mesma temperatura. Um termovisor funciona basicamente da mesma maneira que um olho, daí a importância de se conhecer a emissividade dos materiais para medição da temperatura dos objetos.

24 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Todas as radiações são constituídas por campos elétricos e magnéticos. Por isso o espectro de radiação apresentado abaixo é denominado de espectro de radiação eletromagnética. Cada uma dessas radiações possui uma energia definida, que está relacionada com o seu comprimento de onda. Se a radiação for na faixa da luz visível, então cada cor terá seu comprimento de onda característico, que por sua vez corresponderá, também, a uma determinada energia.

25 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Comprimentos de onda entre 0,1 a 1000 μm (incluindo parte do ultravioleta, todo o visível e todo o infravermelho) é a designada região do calor ( heat region ) radiação térmica.

26 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA A intensidade de radiação térmica é comandada pela temperatura da superfície emissora. A faixa de comprimentos de onda englobados pela radiação térmica é subdividida em ultravioleta, visível e infravermelho. Todo material com temperatura acima do zero absoluto emite continuamente radiações térmicas.

27 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA As radiações que nossos olhos conseguem perceber constituem uma pequena faixa que chamamos de luz visível, que se localiza entre o infravermelho e o ultravioleta. Quanto menor o comprimento de onda, maior a energia emitida.

28 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Um corpo aquecido emite energia mesmo que esteja no vácuo. Esta energia, a radiação térmica, é transportada por ondas eletromagnéticas, mas com predominância de frequências bem menores que as do espectro visível, enquanto o corpo está à temperatura não muito elevada. À medida que se aquece um corpo, a partir de determinadas temperaturas, o corpo começa a ficar visível porque começa a emitir radiações com frequências na região da frequência de luz: o espectro visível. Assim, a medida que se aquece o corpo, ele irá mudar de cor. Porém, na maior parte dos casos, a intensidade da radiação tem frequência localizada na região do infravermelho, ou seja, no espectro não visível.

29 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA A radiação eletromagnética denominada de infravermelho encontra-se dentro de uma região do espectro eletromagnético, com comprimentos de onda entre 0,7μm e 1400μm, conseqüentemente não é visível para nós. Na prática, a medição de temperatura a partir da radiação infravermelha emitida por um corpo é feita com comprimentos de onda entre 0,7μm a 14 μm.

30 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Todos os corpos emitem radiação, basta terem uma temperatura. A única diferença entre luz visível e calor infravermelho é o comprimento de onda da radiação. Infravermelho = comprimento de onda entre 0,70μm a 1400μm. Luz visível = comprimento de onda entre 0,40μm e 0,70μm. O comprimento de onda λ tem uma relação inversa com a frequência f.

31 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA A luz visível encontra-se dentro de uma pequena região dentro do espectro eletromagnético, com comprimentos de onda entre 0,40μm e 0,70μm. Nossa percepção das cores é determinada pelo comprimento de onda; por exemplo, a radiação eletromagnética tendo um comprimento de onda de 0,40μm aparece violeta, enquanto que a cor verde e vermelha ocorre a comprimentos de onda de 0,50μm e 0,65μm, respectivamente.

32 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA A chama da vela, como você deve ter observado, não é homogênea, apresentando regiões com cores diferentes, e nestas regiões as temperaturas não são as mesmas. As regiões da chama com luz amarela e laranja estão associadas a temperaturas menores. A chama azul é a região mais quente.

33 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA O que distingue as cores é a frequência da luz. Cada cor simples possui uma frequência que é seu número de identificação.

34 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA O comprimento de onda da luz caracteriza sua cor e também sua energia. Na faixa da luz visível, a luz vermelha tem maior comprimento de onda e menor energia; já a luz violeta tem menor comprimento de onda e maior energia. O comprimento de onda λ tem uma relação inversa com a frequência f.

35 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Nas lâmpadas incandescentes o filamento, que é aquecido pela corrente elétrica, emite luz de cor amarelada. Com este tipo de lâmpada, dificilmente conseguimos Com este tipo de lâmpada, dificilmente conseguimos ver outras cores, como as que vemos na chama de uma vela, pois a temperatura em todo filamento é praticamente a mesma.

36 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Um ferro elétrico, por exemplo, ao ser aquecido emite radiação que percebemos, não com os olhos, mas com nossa pele ao nos aproximarmos dele. Já o filamento aquecido de uma lâmpada ou o carvão em brasa podem ser percebidos tanto pelo tato como pela visão, pois emitem radiações em proporções grandes, tanto radiação visível quanto invisível (infravermelha). Esta radiação, emitida pelo material devido à sua temperatura, é chamada de radiação térmica.

37 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA O próprio ferro elétrico ao ser aquecido, quando atinge altas temperaturas, passa a ter luminosidade própria, emitindo uma luz avermelhada, visível no escuro.

38 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA O calor é transmitido por uma radiação nãovisível, chamada infravermelha, também associada à luz visível especialmente na ocorrência de altas temperaturas. A chama da vela e o filamento da lâmpada são exemplos de produção de luz visível, em razão das altas temperaturas presentes na combustão da vela e no filamento com corrente elétrica. Os aquecedores elétricos, embora não tenham a função de iluminar, devido ao seu alto aquecimento, acabam irradiando luz visível.

39 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Lei de Planck: Em resumo define a energia irradiada por um corpo apenas em função da Temperatura e do comprimento de onda. Quanto maior a temperatura, maior a intensidade da radiação. Corpos com temperatura elevada emitem no espectro visível.

40 PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO Pirômetros de radiação são instrumentos dedicados à medição da temperatura sem contato direto com o corpo ou meio que está sendo medido. Eles são utilizados quando a temperatura ultrapassa o limite de utilização dos termopares ou outros termômetros, ou quando outros fatores tornam a medição remota conveniente. Podem ser fixos (dedicados à medição de um processo), ou portáteis.

41 PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO Pirômetros são sensores de temperatura que utilizam a radiação térmica emitida por um corpo cuja temperatura se quer medir. Portanto, ao se medirem temperaturas em que o contato físico com o meio é impossível ou impraticável, faz-se uso da pirometria por radiação. 41