Variável temperatura. Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar.

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1 CARACTERÍSTICAS: Temperatura é uma propriedade da matéria relacionada com o movimento de vibração e/ou deslocamento dos átomos de um corpo. Está associada à energia cinética adquirida pelos átomos de um corpo. O procedimento de medição de temperatura é denominado Termometria. Além da medição de temperatura em faixas médias, temos: PIROMETRIA Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. CRIOMETRIA Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura. PONTO FIXO DE TEMPERATURA. Seja o procedimento de aquecimento da água ao receber calor, dado a seguir. Calor sensível: É a quantidade de calor necessária para que uma substância mude a sua temperatura até que comece sua mudança de estado, onde teremos o calor latente. Calor latente: É a quantidade de calor que uma substância troca durante a mudança de estado. A mistura de duas ou três fases (vapor, líquido e sólido) em equilíbrio, corresponde ao que se convencionou chamar de "Ponto Fixo de Temperatura".

2 PONTO FIXO DE TEMPERATURA. Alguns pontos fixos de temperatura (ITS90 Escala internacional de temperatura) ESCALAS DE TEMPERATURA. Escalas e unidades: Graus Celsius ( O C), Kelvin (K), Fahrenheit ( O F), Rankine (R)

3 MEDIDORES DE TEMPERATURA. Existem duas classes: 1ª Classe: Aqueles em que o elemento sensível está em contato com o corpo cuja temperatura se deseja medir. a) Termômetros à dilatação de sólido. b) Termômetros à par termoelétrico. c) Termômetros à resistência elétrica. d) Termômetros à dilatação de líquido. e) Termômetros à dilatação de gás. f) Termômetros à tensão de vapor saturante. g) Pirâmides fusíveis e "crayons" coloridos. 2ª Classe: Aqueles em que o elemento sensível não está em contato com o corpo cuja temperatura se deseja medir. a) Pirômetros à radiação total. b) Pirômetros à radiação parcial (monocromáticos). Variável nível TERMÔMETRO DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA São baseados no fenômeno de dilatação aparente de um líquido dentro de um recipiente fechado. Dois tipos: o com recipiente transparente e o com recipiente metálico: Tipo com recipiente transparente Reservatório Escala Líquido Tubo capilar Obs. O líquido se dilata ao longo do tubo capilar. O volume do reservatório depende da sensibilidade desejada. A graduação (escala) pode estar no tubo capilar ou no suporte do termômetro.

4 Alguns tipos de líquidos utilizados: Tipo com recipiente metálico Nesse tipo, o líquido preenche todo o instrumento e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento elástico (sensor volumétrico). Partes: bulbo, capilar e elemento sensor. Tipos de líquidos: Mercúrio - temperaturas entre -35 e +550ºC. Álcool - temperaturas entre -50 e +150ºC. Xileno - temperaturas entre -40 e +400ºC.

5 TERMÔMETRO DE DILATAÇÃO A GÁS Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido. Partes: bulbo, elemento de medição e capilar de ligação. O volume do conjunto é constante e é preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação de temperatura o gás varia sua pressão (lei os gases perfeitos). O elemento de medição neste caso opera como medidor de pressão. Tipos de gases normalmente utilizados: Observações: Hélio (He) - temperatura crítica = 267,8ºC; Hidrogênio (H 2 ) - temperatura crítica = 239,9ºC; Nitrogênio (N 2 ) - temperatura crítica = 147,1ºC Dióxido de Carbono (CO 2 ) - temperatura crítica = 31,1ºC. O gás mais utilizado é o N 2 e geralmente é enchido com uma pressão de 20 a 50 atm, na temperatura mínima a medir. Sua faixa de medição vai de -100ºC à 600ºC. Temperatura crítica é aquela acima da qual a substância pode existir somente na forma de gás. Um gás, acima dessa temperatura, não pode ser liquefeito, por mais que a pressão do sistema seja elevada. TERMÔMETRO À TENSÃO DE VAPOR Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido. Partes: bulbo, elemento de medição e capilar de ligação. O bulbo é parcialmente cheio de um líquido volátil em equilíbrio com o seu vapor. A pressão do vapor é função exclusiva do tipo de líquido e da temperatura. Tipos de líquidos mais utilizados:

6 TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO E TERMÔMETRO BIMETÁLICO Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. Variação do comprimento de uma barra metálica (dilatação) em função da temperatura Onde: L = L 0 (1 + αt ) L = comprimento da barra à temperatura T. L o = comprimento da barra à 0ºC. T = temperatura da barra. α = coeficiente de dilatação linear do metal utilizado Exemplos de medidores: A variação do comprimento experimentada pela barra é muito pequena, necessitando de uma grande amplificação mecânica até o dispositivo de indicação. Medição da diferença de dilatação entre um tubo feito de material de alto coeficiente de dilatação e uma haste interna de material de baixo coeficiente de dilatação. São lentos devido à grande massa. A variação do comprimento sofrida pela barra é muito pequena, necessitando de uma grande amplificação mecânica até o dispositivo de indicação.

7 Termômetro baseado no efeito bimetálico Fixam-se duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação diferentes. Submete-se o conjunto a uma variação de temperatura. Observa-se um encurvamento que é proporcional à temperatura. O encurvamento (circular) é devido aos diferentes coeficientes de dilatação dos dois metais. Mais sensível que o dois anteriores. Quanto maior o comprimento das lâminas, maior a sensibilidade. Quanto maior a diferença entre os dois coeficientes de dilatação linear, maior a sensibilidade. Para maior sensibilidade, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice. O tipo mais usado é o de lâmina bimetálica helicoidal. Tem-se um tubo bom condutor de calor e no interior temse fixado um eixo que recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala. O eixo gira de um ângulo de 270º para uma variação de temperatura que cubra toda a faixa do termômetro. A faixa de indicação dos termômetros bimetálicos vai de aproximadamente -50ºC a 800ºC, sendo a escala bem linear. Tubo

8 TERMÔMETRO RESISTOR (termoresistência RTD - Resistance Temperature Detector) Feito com material metálico. A resistividade do material e consequentemente a resistência do dispositivo varia com a temperatura. Coeficiente de temperatura positivo (T R ) R T = f(t) geralmente uma série de potências R T = R 0 (1+αT+βT 2 +γt ) T = 0 o C R T = R 0 (Ω) Geralmente α, β, γ (coeficientes) são pequenos Platina: quimicamente inerte, comportamento aprox. linear e boa repetibilidade, mas de custo mais alto.

9 Faixa de utilização aproximada dos três metais: PLATINA NÍQUEL COBRE à 600ºC (excepcionalmente 1200ºC) - Ponto de Fusão 1774ºC à 300ºC - Ponto de Fusão 1455ºC à 120ºC - Ponto de Fusão 1023ºC. Construção: Termoresistências de Platina mais usuais são: PT-25,5 PT-100 PT-120 PT-130 / PT-500 TP-100 apresenta uma resistência de 100Ωàtemperatura de 0 o C. Outro exemplo: Termoresistência de Níquel. NI-500 apresenta uma resistência de 500Ωàtemperatura de 0 o C.

10 TERMISTOR Feito com material semicondutor. A resistividade do material e consequentemente a resistência do dispositivo varia com a temperatura. Dois tipos: NTC Coeficiente de temperatura negativo (T R ). É o tipo mais usado. PTC Coeficiente de temperatura positivo (T R ). Altamente não linear: R T = resistência para a temperatura T (Kelvin), com K e β constantes Alternativamente: R T = Ke R T1 = resistência com T=T 1 Kelvin Normalmente T 1 = 298K (25 o C) R β T β 1 1 T T1 T = RT e 1 SONDA NTC (Modelo 103AT-II) Tipo: NTC Resistência: 10kOhms Tolerância: 1% Faixa de temperatura operacional: 50 C a +105 C

11 Exemplo de curva de transferência Algumas geometrias TERMOPAR (Sensor termoelétrico) Efeitos termoelétricos: Seebeck, Peltier, Volta e Thomson. Efeito Seebeck Num circuito fechado, formado por dois fios de metais diferentes, se colocarmos 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. Condutor Corrente Junção 1 Junção 2 Corrente Condutor

12 Efeito Peltier Ao se fazer passar uma corrente elétrica, por um par termoelétrico (duas junções bimetálicas), uma das junções se aquece enquanto a outra se resfria. As duas ampolas interligadas, funcionam como um termômetro diferencial. Junção 1 Junção 2 i Efeito Volta Se dois metais estiverem em contato, a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencial. Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente. Efeito Thomson Se forem colocadas as extremidades de um condutor homogêneo a temperaturas diferentes, uma força eletromotriz (FEM) aparecerá entre estas duas extremidades. Esta FEM depende do material e da diferença entre as temperaturas, e não pode ser medida diretamente.

13 É um sensor ativo. A FEM desenvolvida por um par termoelétrico é resultante dos efeitos termoelétricos tomados em conjunto. Junção bimetálica Condutor metálico A Condutor metálico B Junção Desequilíbrio de cargas V Voltímetro ( mede o potencial de contato) A B + - Modelo por série de potências: E T AB = a 1 T + a 2 T 2 + a 3 T onde os a i s dependem dos tipos de metais A e B Ex. Metais: Ferro e Constantan (termopar tipo J) a tensão em µv será: T o C Obs. Constantan liga cobre-níquel

14 Circuito termopar prático (2 sensores) A B B Temperatura conhecida Estabelece-se uma temperatura de referência tal que se T 1 T 2 E AB T1,T2 0 e se T 1 < T 2 E AB T1,T2 < 0 Correlação da FEM em função da temperatura. A temperatura de referência vale 0 o C A letras indicam os tipos de termopares (tipos de metais) As curva são pouco não lineares

15 Uma montagem não prática (industrialmente) para se ter a junta fria a uma temperatura de 0 o C Para maior precisão (menor influência de entradas ambientais) T 2 temperatura controlada será uma Como a tensão gerada é da ordem de µv e mv é necessário como elemento condicionador de sinais um amplificador de tensão de alto ganho e alta impedância de entrada Se a junção não estiver encapsulada (protegida) a constante de tempo térmica é pequena (na ordem de poucos ms). Se estiver encapsulada, a resposta será mais lenta.

16 JUNÇÕES SEMICONDUTORAS (junção PN). Diodo Relação entre corrente i D e tensão v D (ordem de A) i D anodo catodo + - v D i D v D = I nvt S e 1 I S corrente de saturação reversa (muito pequena) n fator de idealidade (entre 1e 2) V T tensão térmica (aprox. 25mV à temp. ambiente) kt V T = q k constante de Boltzmann 1, m 2 kg s -2 K -1 n temperatura (Kelvin) V T carga do elétron Se o diodo for excitado por uma corrente constante I D, tal que I D >>I S Logo a tensão entre anodo e catodo v D I = nvt ln Tanto V T (de forma linear) como I S (de forma não linear) dependem da temperatura. D I S dvd 2mV / dt I = I e O C D S v D nv T

17 Circuitos Integrados para medição de temperatura. Exemplo: o C.I. LM35 alimentação Circuito interno Saída de tensão 2 C a 150 C Compensação de junta fria de termopar. À temperatura ambiente 50,2 µv/ C Compensação Divisor de tensão O circuito utiliza o CI LM35 que mede a temperatura da junção e automaticamente fornece uma tensão proporcional a 10 mv/ C. Como o termopar fornece uma tensão de aproximadamente 50,2 µv/ C, é necessário a utilização de um circuito divisor para corrigir a saída do LM35. É utilizado um resistor de 100 kω em série com a saída em um resistor de 505 Ω. A junção deve ter um bloco isolante isotérmico nas junções dos fios do termopar com os fios de cobre.

18 PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO. A medição de temperatura ocorre sem a necessidade de contato direto com o corpo ou meio cuja temperatura esteja sendo medida. São utilizados quando a temperatura é alta tal que termopares não podem ser utilizados ou a medição remota é conveniente. Podem ser fixos ou portáteis. Dois tipos: Ópticos e de Infravermelho. Princípio de operação: Lei de Stefan-Boltzmann e corpo negro Relação entre temperatura de um corpo e energia térmica irradiada. W = ε. K. T 4 Onde : T Temperatura em Kelvin K Constante de Stefan - Boltzman K = 5,6705x10-8 W.m -2.K -4 ε Emissividade do corpo (adimensional) 2 W Energia irradianda por unidade de área (W/m ) Emissividade ε Relação entre a energia irradiada pelo corpo a uma certa temperatura, em um certo comprimento de onda, e a energia irradiada por um corpo negro, a essa mesma temperatura e comprimento de onda. Depende da temperatura e do comprimento de onda (λ) da radiação. ε = W W n Corpo negro Aquele que apresenta ε=1, e corresponde ao emissor padrão (ideal). O refletor ideal possui ε=0. Exemplos: O corpo negro absorve toda a radiação eletromagnética que nele incide: nenhuma luz é refletida. Asfalto à temperatura de 4 o C tem emissividade de valor 0,97. Alumínio polido à temperatura de 230 o C tem emissividade de valor 0,04.

19 Curvas de emissão espectral para um dado corpo. W = f (λ) λ para luz visível: entre 0,35 e 0,75µm A energia total emitida por um corpo a uma certa temperatura T pode ser obtida a partir da integral de f(λ), ou seja, a área abaixo da curva de emissão espectral. Refletância e transmitância Além da energia emitida pelo corpo quente, a medição de temperatura pode ser influenciada pelas propriedades de refletância e transmitância do corpo. T 2 > T 1 T 2 Radiação a ser medida (emitida + refletida) T 1 Corpo de interesse Radiação a ser medida (emitida + transmitida) T 2 > T 1 T 1 T 2 Radiação refletica T 2 Radiação transmitida A temperatura medida é maior que a real

20 Pirômetros ópticos (700 a 4000 o C) Medem a temperatura a partir da emissão do corpo no espectro visível. A energia radiante emitida pelo corpo é focada por meio de uma objetiva sobre o filamento de uma lâmpada incandescente, depois de filtrada é observada na ocular. O filtro de absorção destina-se a estender a utilização do pirômetro a temperaturas elevadas. O filtro vermelho permite a análise espectral numa banda de frequências estreita da faixa visível, correspondente à banda associada à faixa de indicação do pirômetro. A imagem observada pela ocular contém o filamento e o corpo quente sobrepostos. Todo esse procedimento manual pode ser automatizado eletronicamente. Três situações possíveis (Tf = temperatura do filamento, To = temperatura do objeto). Pirômetros ópticos

21 Pirômetros infravermelhos (-50 a 4000 o C) Pode operar fazendo a radiação incidir sobre uma superfície preta ( corpo negro ) que absorve o calor e o converte em temperatura. Essa temperatura da superfície pode ser medida utilizando-se diversos termopares em série (maior sensibilidade). Também podem operar utilizando-se de sensores feitos a partir de dispositivos semicondutores que respondem a radiação na faixa do infravermelho.