TM362 - Sistemas de Medição 2 Prof. Alessandro Marques www.metrologia.ufpr.br
Medição de temperatura SM 2
Termômetro O primeiro termômetro foi inventado por Galileu no início do século XVII. densidade dos líquidos Os termômetros eram abertos. Termoscópio! 50 anos depois que surgiu o 1º termômetro de vidro com liquido fechado desenvolvido por Leopoldo, Cardeal dei Medici. Conhecidos como termômetro fiorentinos. Eram graduados entre 50, 100 e 300 graus e calibrados com o calor do sol e o frio do gelo
Termometria Termometria significa Medição de Temperatura. Eventualmente o termo Pirometria é também aplicado com o mesmo significado, porém, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir: Pirometria: medição de altas temperaturas, na faixa em que os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. Criometria: medição de baixas temperaturas, ou seja, próximas ao zero absoluto de temperatura. Termometria: termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria quanto a Criometria.
Temperatura de ponto fixo e interpolação - Escalas A temperatura é quantificada através de escalas padronizadas, as mais utilizadas são a escala Celsius [ºC] e a Fahrenheit [ºF], ambas com o nome de seus criadores. No Sistema Internacional de Unidades (S.I.) utiliza-se a escala absoluta Kelvin, que é base para pesquisas e estudos científicos.
Escala de Temperatura e Padrões A definição moderna de engenharia da escala da temperatura é dada por um padrão chamado de ITS-90 (Escala Internacional de Temperatura de 1990) Tabela - Pontos fixos de temperatura conforme definidos pela ITS-90
Tipos de medidores Os medidores de temperatura podem ser divididos em alguns grandes grupos: Efeitos mecânicos; Termômetros de resistência elétrica; Termopares; Termômetros de radiação; Medidores de temperatura com fibras ópticas; Sensores semicondutores para temperatura.
Termômetros de efeito mecânico Termometria baseada na Expansão térmica Termômetro de expansão de líquidos em bulbos de vidro A medição de temperatura é feita através da leitura da posição do liquido na escala graduada. Utiliza-se geralmente álcool ou mercúrio. Por exemplo, um dos dispositivos (termômetro) mais antigos é o termômetro de vidro, que se baseia na expansão do mercúrio ou outro líquido com a temperatura.
Termômetros de efeito mecânico Termômetro de expansão de líquidos em bulbos de vidro
Termômetros de efeito mecânico Termômetro de expansão de líquidos em bulbos de vidro Termômetros de imersão parcial: Sujeito a erros maiores Termômetros de imersão total: Precisão de até ± 0,05 :C
Termômetros de efeito mecânico Termômetro bimetálico Dois metais de diferentes coeficientes de dilatação linear são unidos numa determinada temperatura. Ao submeter à junta a uma temperatura determinada ela se curvará no sentido da indicação da temperatura. mede temperaturas entre - 40 e 500 C
Termômetros de efeito mecânico Termômetro bimetálico Os metais comumente usados são: Material Invar (liga de níquel-ferro) Latão (liga de cobre-zinco) Monel 400 (liga níquel- cobre) Inconel 702 (liga níquel- cromo) Coeficiente de expansão térmica por o C 1,7 x 10-6 2,02 x 10-5 1,35 x 10-5 1,25 x 10-5 Aço Inoxidável 316 1,6 x 10-5
Termômetro bimetálico O fenômeno físico é a expansão térmica diferencial de dois metais
Termômetros de efeito mecânico Termômetro bimetálico Bimetal com geometria espiral e helicoidal. Pode ser usado para chavear um circuito ou indicar a temperatura sobre uma escala calibrada Aplicação : sistema de controle ON/OFF. Por exemplo: termostatos (A vantagem é o baixo custo)
Termômetros de efeito mecânico Termômetro bimetálico Aplicação : sistema de controle ON/OFF. Por exemplo: termostatos (A vantagem é o baixo custo) Disjuntor elétrico e seu bimetálico Termostato implementado com um bimetálico
Termômetros de efeito mecânico Termômetro manométrico - Utilizam a variação de pressão obtida pela expansão de algum gás ou vapor como meio físico para relacionar com temperatura. - O termômetro de pressão de gás, tem seu principio de funcionamento baseado no princípio da conhecida lei de Boyle-Charles, isto é: A pressão de um gás é proporcional à temperatura se mantivermos constante o volume do gás Sensor de temperatura que utiliza o principio de expansão dos gases. Termômetro manométrico industrial
Termômetros de efeito mecânico Termômetro manométrico Termômetro manométrico de mercúrio: cobrem a faixa de -38 a 590 :C Termômetro manométrico preenchidos com gás: cobrem a faixa de -240 a 645 :C Muitos termostatos são implementados com o princípio da expansão de um gás em uma câmara que faz movimentar um dispositivo mecânico para fechar ou abrir uma chave.
Termômetros de resistência elétrica Este tipo de medição é mais conveniente já que estes métodos permitem obter um sinal : - mais facilmente detectável, - amplificável e - usado para propósitos de controle. Estes tipos de sensores podem ser encontrados em qualquer instalação industrial devido a sua praticidade e eficiência.
Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs RTDs Resistance Temperature Detectors Termo-resistências metálicas são construídas: - a partir de fios ou filmes de platina, cobre, níquel e tungstênio para aplicações a alta temperatura. A variação da resistência elétrica de materiais metálicos pode ser representada por uma equação da forma: onde R = R 0 (1 + α (T - T 0 )) R é a resistência a temperatura T R 0 é a resistência de referencia a temperatura de referência T 0 α é o coeficiente de temperatura do material
Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs RTDs Resistance Temperature Detectors Construção típica de um RTD
Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs RTDs Resistance Temperature Detectors Em geral, a resistência dos metais aumentam com a temperatura!! RTDs comuns podem fazer medidas com erros na ordem de ± 0,1 :C, e de platina podem chegar a ordem de 0,0001 :C. O metal mais comum é a platina, as vezes denominado de PRT (Platinium Resistence Thermometer).
Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs As principais características dos RTDs são: Condutor metálico (a platina é o metal mais utilizado) São dispositivos praticamente lineares. Dependendo do metal são muito estáveis. Apresentam baixíssima tolerância de fabricação (0,06% a 0,15%) Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão, ou seja, ótima repetibilidade de leitura. A platina tem uma relação resistência / temperatura estável sobre a maior faixa de temperatura (-184,44 a 648,88 :C)
Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs Elementos de níquel tem uma faixa limitada, tornando bastante não linear acima de 300 :C. O cobre tem uma relação resistência / temperatura bastante linear, porém oxida a temperaturas muitos baixas e não pode ser utilizado acima de 150 :C. A precisão de um RTD é significativamente maior que um termopar quando utilizado na faixa de -184,44 a 648,88 :C A termo-resistência mais comum é a base de um fio de platina chamada PT100. Esse nome é devido ao fato que ela apresenta uma resistência de 100 à 0 o C. Entre 0 a 100 o C a variação pode ser considerada linear, com a 1 = 0,00385 / K.
Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs Variação da resistência de metais com a temperatura
Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs A variação da resistência elétrica de materiais metálicos pode ser representada por uma equação da forma:
Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs α é o coeficiente térmico do resistor calculado pela resistência medida a duas temperaturas de referência (por exemplo O :C e 100 :C). Pode-se isolar o α, temos: ou de maneira mais especifica, entre O :C e 100 :C
Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs A sensibilidade do sensor de temperatura é, por definição, a razão da variável de saída pela variável de entrada. Derivando a equação de modo a calcular S:
Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs A sensibilidade pode ser dada por: A 70 :C :
Bibliografia BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J.; Instrumentação e fundamentos de medidas, volume 1, 2010. FIGLIOLA, R.S.; BEASLEY D.E., Teoria e Projeto para Medições Mecânicas, 4a Edição, LTC, 2007. Notas de aula Prof. Hélio Padilha e Prof. Marcos Campos