Instrumentos de Temperatura 1 Instrumentação Industrial Autor: Perez
AULA III - Instrumentos de Temperatura Instrumentos de Temperatura 2
Objetivos Estudar Elementos e Transmissores de Temperatura Mais Utilizados Detalhes de montagem Tipos de erros mais comuns na medição Instrumentos de Temperatura 3
Medição 1º grupo (contato direto) Termômetro à dilatação de líquidos Termômetro à dilatação de sólidos (bi-metálico) Termômetro à pressão i. de líquido ii. de gás iii. de vapor Termopar Termoresistência ou termistor 2º grupo (contato indireto) Pirômetro óptico Pirômetro fotoelétrico Pirômetro de radiação Instrumentos de Temperatura 4
Medição DIRETO INDIRETO Condição necessária para medir com precisão Característica Faixa de Temperatura Precisão Tipo de Resposta 1)Estar em contato com o objeto a ser medido. 2)Praticamente não mudar a temperatura do objeto devido ao contato do detector. 1) É difícil medir a temperatura de um objeto pequeno, porque este tem tendência de mudança de temperatura quando em contato com um objeto cuja temperatura é diferente. 2) É difícil medir o objeto que está em movimento É indicado para medir temperaturas menores que 1400ºC. Geralmente, ± 1% da faixa Geralmente grande 1) A radiação do objeto medido tem que chegar até o detector. 1)Não muda a temperatura do objeto porque o detector não está em contato direto com o mesmo. 2)Pode medir o objeto que está em movimento. 3)Geralmente mede a temperatura da superfície. É adequado para medir temperaturas elevadas ( > 800 ºC). Geralmente ± 10 ºC Geralmente pequeno Instrumentos de Temperatura 5
Termômetro tipo Bulbo Termômetro de Bulbo de Mercúrio: Baseado na dilatação volumétrica do mercúrio contido em um bulbo. Consiste de um tubo capilar de vidro, tendo numa das extremidades um bulbo cheio de mercúrio que, quando aquecido, se dilata, indo atingir certa altura no tubo capilar e seu valor lido na escala termométrica fornece a medida de temperatura. Tem-se, então, através da expansão volumétrica, uma medição praticamente linear pois : V = V 0 ( 1 + αt) Desvantagem : Fragilidade. Precisão : 1 % da escala. Instrumentos de Temperatura 6
Termômetro tipo Bulbo Instrumentos de Temperatura 7
Termômetro Bimetálico Tipo Bimetálico Indicações Locais São constituídos de dois metais de diferentes coeficientes de dilatação, soldados longitudinalmente, enrolados em forma de hélice. Instrumentos de Temperatura 8
Termômetro Bimetálico Instrumentos de Temperatura 9
Termômetro de Pressão ou tipo Bulbo Esse tipo de termômetro consiste basicamente: Um bulbo imerso no processo. Esse bulbo contém o fluido que sofrerá expansão ou contração. Um tubo capilar conectando o bulbo ao indicador ou dispositivo de chaveamento. Um sensor de pressão que sentirá as variações de pressão do fluido com o aumento da temperatura. Um dispositivo para conversão do deslocamento do elemento de pressão em termos de indicação ou atuação em uma micro-switch. Instrumentos de Temperatura 10
Termômetro de Pressão ou tipo Bulbo Instrumentos de Temperatura 11
Termômetro de Pressão ou tipo Bulbo Fluidos Utilizados: Gás, Líquido ou Vapor Esses termômetros são baseados na expansão do fluido (líquido, gás ou vapor) contido no bulbo. O aumento de temperatura provoca o aumento da pressão, provocando a expansão do fluido no capilar (ou contração caso haja diminuição de temperatura). Essa variação de pressão é sentida por um sensor de pressão tipo hélice, espiral ou bourdon que, por sua vez, desloca um indicador ou atua um dispositivo de chaveamento. No caso de enchimento com líquido, utiliza-se mercúrio, tolueno ou xileno que apresentam um alto coeficiente de expansão. Como gás de enchimento, utilizam-se normalmente Nitrogênio, Hélio, Neônio ou Dióxido de Carbono (CO2). Instrumentos de Temperatura 12
Termômetro de Pressão ou tipo Bulbo Instrumentos de Temperatura 13
Termômetro de Pressão ou tipo Bulbo Compensação da temperatura ambiente tipo caixa ou total Tipo Caixa Tipo Total Instrumentos de Temperatura 14
Termopares Instrumentos de Temperatura 15
1. Efeito Peltier: Instrumentação - Temperatura Termopares A junção de dois metais diferentes dá origem a uma força eletromotriz (f.e.m.). 2. Efeito Thomson: Um fio homogêneo apresenta uma f.e.m. sempre que seus extremos estejam em temperaturas diferentes. Instrumentos de Temperatura 16
Termopares Seebeck - Em 1821, o alemão Seebeck descobriu que, quando aquecemos uma junção de dois metais, uma força eletromotriz é gerada entre os dois condutores. Essa f.e.m. pode ser medida na outra junção (junção fria) dos condutores. Esses condutores formam um circuito elétrico e, conseqüentemente, flui uma corrente através deles. ( ) ( 2 2) E = C T T + C T T 1 1 2 2 1 2 Instrumentos de Temperatura 17
Termopares Instrumentos de Temperatura 18
Termopares Instrumentos de Temperatura 19
Termopares Cabos de extensão São aqueles fabricados com o mesmo material do termopar devido ao seu baixo custo. Desse modo para os termopares tipo T, J, K e E são utilizados cabos do mesmo material para sua interligação com o instrumento receptor. Cabos de compensação Para os cabos dos termopares nobres (R, S e B) não seria viável economicamente a utilização de cabos de extensão. Assim, para tornar possível a utilização desses sensores, desenvolveu-se cabos de natureza diferente porém com a característica de produzirem a mesma curva de força eletromotriz desses termopares ou ainda, mesmo que não idênticas mas que se anulem (Cu e Cu-Ni para S e R e Cu para B). Instrumentos de Temperatura 20
Termopares Várias observações tem sido feitas ao longo da experiência no uso de termopares: O aquecimento de um metal (condutor) por si só, não é suficiente para produzir ou sustentar uma corrente elétrica. A tensão produzida pelo efeito Thomson no fio #1 é cancelada pelo fio #2 Instrumentos de Temperatura 21
Termopares O diferencial de tensão existente numa junção de dois metais (termopar) não é afetado por possíveis diferenciais de temperatura que possam ocorrer num dado condutor ao longo do percurso até a junção fria. Portanto, só depende da diferença de temperatura entre os dois pontos extremos dos dois metais (T1 e T2) A f.e.m. gerada na entrada do gradiente T3 pelo efeito Thomson é cancelada na saída do gradiente. Lei do circuito homogêneo Instrumentos de Temperatura 22
Termopares Uma conseqüência dessa observação: A f.e.m. gerada num termopar de metais homogêneos, com suas junções a temperaturas T1 e T2, é igual a soma algébrica da f.e.m. do termopar com uma junção na temperatura T1 e a outra numa temperatura qualquer T com a f.e.m. do mesmo termopar com suas junções a T e T2. Lei da temperatura intermediária (E 1 -E 3 )+ (E 3 -E 4 )+ (E 4 -E 2 )=E 1 -E 2 Instrumentos de Temperatura 23
Termopares Em um circuito de termopar, a f.e.m. desenvolvida pela diferença de temperatura entre suas duas extremidades (junta quente e junta fria) não é afetada quando um terceiro metal passa a compor o circuito desde que as duas novas junções formadas com a inclusão desse terceiro metal estejam a uma mesma temperatura. Lei dos metais intermediários Instrumentos de Temperatura 24
Termopares Leis Observadas: Leis (b) e (c) permitem que um multímetro seja instalado para medir a tensão do termopar sem alterar o valor da medição de temperatura. Duas montagens são permitidas para conexão do instrumento, conforme (b) e (c), sendo essa última a mais comum. Em (c), podemos observar que se forma a junção fria através da soma da diferença de potencial Ea-Ec com Ec-Eb, resultando Ea-Eb correspondente a junção fria. Instrumentos de Temperatura 25
Termopares Se desejarmos conhecer a temperatura na junção quente, devemos compensar a temperatura ambiente, através de uma soma da tensão correspondente à temperatura ambiente, obtida através de tabelas padrões levantadas pelo fabricante, à tensão medida do termopar. O valor obtido será EJQ. Novamente através da tabela anterior, inferimos o valor da temperatura na junção quente via EJQ. Obviamente, existem circuitos eletrônicos que realizam todos esses cálculos automaticamente, através de aproximações polinomiais. O valor da temperatura ambiente é medido normalmente através de um RTD em ponte de Wheatstone instalado no próprio circuito ou de um semicondutor LM-35CAZ que gera, para cada grau Celsius, 10 mv. 2 2 ( ) ( ) E = C T T + C T T 1 1 2 2 1 2 Instrumentos de Temperatura 26
Termopares Junção de referência com compensação automática Esse é o método mais utilizado nas medições industriais na atualidade pois permite leituras corretas independente da temperatura da junção de referência. Sua construção típica está baseada em uma ponte de Wheatstone constituída por três resistências fixas com a temperatura e uma quarta resistência cujo valor ôhmico varia com a temperatura ambiente. Assim, surgirá uma tensão em milivoltagem equivalente à variação da temperatura na junção de referência, sempre que a mesma variar. Esse valor produz uma corrente pelo braço de medição da ponte que aumenta a queda de tensão dobre o galvanômetro. Essa tensão será adicionada à tensão gerada pelo termopar. Emed = EJQ EJF + Vg Instrumentos de Temperatura 27
Termopares Instrumentos de Temperatura 28
Termopares Instrumentos de Temperatura 29
Termopares Instrumentos de Temperatura 30
Termopares Instrumentos de Temperatura 31
Necessidade do uso do cabo de extensão ( E E ) + ( E E ) = ( E ) JQ 38 38 24 JQ E 24 ( 22,260 1,529) + ( 1,529 0,960) ( 20,731) ( 0,569) ( 20,731) + ( 0,569) + E = ( 20,731) + ( 0,569) + 0, 960 + JF Instrumentos de Temperatura 32
Necessidade do uso do cabo de extensão Instrumentos de Temperatura 33
Termopares Atualmente tem-se colocado um conversor mv/i no cabeçote do termopar, permitindo assim que a comunicação entre o termopar e o painel seja feito por corrente, evitando o alto custo dos fios de extensão, uma vez que a interligação para a corrente poderá ser feita por fio de cobre comum. Outra vantagem é a maior imunidade a ruídos na interligação por corrente. Se for utilizado os fios de extensão, cuidados devem ser observados no trajeto desses fios até a sala de controle. O fato de trabalhar com tensões muito baixas (na ordem de milivoltagem) facilita a captação de interferências (ruídos) com cabos que levem alimentação AC (alternado). Portanto, durante esse trajeto deve-se observar uma distância mínima de 1 pé dos cabos de alimentação. Instrumentos de Temperatura 34
Termopares Instrumentos de Temperatura 35
Construção de Termopares São raros os casos em que os termopares são expostos ao fluido que se quer medir a temperatura, devido a problemas de corrosão e oxidação que se acentuam a altas temperaturas, necessidade de proteção mecânica e manutenção durante a operação. Por isso, poços de aço inox 304 ou 316 são utilizados (tag: TW). Instrumentos de Temperatura 36
Construção de Termopares Instrumentos de Temperatura 37
Construção de Termopares Os termopares se dividem em duas categorias: termopares convencionais e termopares de isolação mineral. Os termopares convencionais podem ser construídos com ou sem isoladores de cerâmica. Instrumentos de Temperatura 38
Construção de Termopares Termopar com isolação mineral. Fornece maior estabilidade e resistência mecânica. O termopar com isolação mineral consiste de 3 partes básicas: Um ou mais pares de fios isolados entre si, Um material cerâmico compactado para servir de isolante elétrico (óxido de Magnésio) Uma bainha metálica externa, cujo material depende da aplicação. Instrumentos de Temperatura 39
Termopares O termopar de isolação mineral é constituído de um ou dois pares termoelétricos, envolvidos por um pó isolante de óxido de magnésio, altamente compactado em uma bainha externa metálica. Devido a essa construção, os condutores de par termoelétrico ficam totalmente protegidos contra a atmosfera exterior, conseqüentemente, a durabilidade do termopar depende da resistência a corrosão da sua bainha e não da resistência a corrosão dos condutores. Em função desta característica, a escolha do material da bainha é fator importante na especificação destes. Instrumentos de Temperatura 40
Termopares de Isolação Mineral Instrumentos de Temperatura 41
Materiais para bainha da isolação mineral Material da Bainha Inox 304 Inox 310 Inox 316 Alloy 600 Aço cromo 446 Temperatura Máx. Recomendada ºC 900 1100 900 1150 1100 Considerações Gerais Boa resistência a corrosão, podendo ser usada em atmosfera oxidante, redutora, neutra e no vácuo. Não recomendável o uso na presença de enxofre ou chamas redutoras. Boas propriedades de resistência a oxidação em altas temperaturas, utilizável em atmosfera oxidante, redutora, neutra ou no vácuo. Bom para uso em atmosfera sulfurosa. Maior resistência a corrosão do que o Inóx 304, boa resistência a ácidos e álcalis. Excelente resistência a oxidação em altas temperaturas. Seu uso em atmosferas com enxofre deve ser evitado. Excelente resistência à corrosão e oxidação em alta temperatura. Boa resistência em atmosferas sulfurosas. Instrumentos de Temperatura 42
Termopares O termopar de isolação mineral, mais utilizado, pode apresentar a junta quente exposta, isolada ou aterrada. Junta quente exposta: Neste tipo de montagem, parte da bainha e da isolação são removidos, expondo os termoelementos ao ambiente. Tem como características um tempo de resposta extremamente pequeno e grande sensibilidade a pequenas variações na temperatura, mas apresenta como desvantagem o rápido envelhecimento dos termoelementos devido ao contato com o ambiente agressivo, altas temperaturas e pressões. Instrumentos de Temperatura 43
Termopares Na junta quente aterrada os condutores são soldados junto a bainha (capa externa). Com isso diminui-se o tempo de resposta do termopar em relação a junção quente isolada. No entanto, esse tipo de junta está mais sujeito a ruídos elétricos. Na junta quente isolada, os condutores ficam isolados da bainha. Evita erros de medição devido a diferença de potencial de terra entre o termopar e o cartão eletrônico que recebe a informação de milivoltagem. Instrumentos de Temperatura 44
Termopares Instrumentos de Temperatura 45
Vantagens dos Termopares com isolação mineral Estabilidade na F.E.M. Esta estabilidade é caracterizada pelos condutores estarem totalmente protegidos de ambientes agressivos que normalmente causam oxidação e envelhecimento dos termopares. Resposta Rápida O pequeno volume e alta condutividade térmica do óxido de magnésio, promovem uma rápida transferência de calor, superior aos termopares com montagem convencional. Grande Resistência Mecânica e Flexibilidade Devido a alta compactação do óxido de magnésio dentro da bainha metálica mantendo os termoelementos uniformemente posicionados, permite que o cabo seja dobrado, achatado, torcido ou estirado, suportando pressões externas e "choques térmicos" sem qualquer perdas de suas propriedades termoelétricas. Instrumentos de Temperatura 46
Vantagens dos Termopares com isolação mineral Facilidade de Instalação A dimensão reduzida, a grande maleabilidade e alta resistência mecânica do cabo isolação mineral, asseguram uma facilidade de instalação mesmo em locais de difícil acesso. Resistência a Corrosão Os termopares isolação mineral são disponíveis com diversos tipos de capas metálicas, para garantir sua integridade em qualquer tipo de ambiente corrosivo, qualquer que seja o termopar. Resistência de Isolação (a frio) A resistência de isolação entre condutores e bainha é sempre superior a 100 MΩ (a 200C) qualquer que seja o diâmetro, em qualquer condição de umidade, para o termopar de junta isolada. Instrumentos de Temperatura 47
Termopares Instrumentos de Temperatura 48
Termopares Tipos de termopares: Conforme o material utilizado na construção dos termopares, temos: 1. Termopar tipo E: Metais: Cromel (+) e Constantan (-) Range: - 184 0 C a 870 0 C Erro: + 0,5% 2. Termopar tipo J: Metais: Ferro (+) e Constantan (-) Range: -184 0 C a 760 0 C Erro: + 0,75% Recomendável onde existe pouco oxigênio livre, pois a oxidação do ferro aumenta rapidamente a partir de 530 0 C. Baixo custo. 3. Termopar tipo K: Metais: Cromel (+) e Alumel (-) Range: -184 0 C a 1260 0 C Erro: + 0,75% Recomendável em atmosferas oxidantes. Instrumentos de Temperatura 49
Termopares 4. Termopar tipo T: Metais: Cobre (+) e Constantan(-) Range: -184 0 C a 370 0 C Erro: + 0,75% Grande resistência a corrosão podendo ser utilizados em atmosferas oxidantes ou redutoras. 5. Termopar tipo R, S e B: São termopares em que os fios de extensão não são de mesmo material que o termopar devido ao alto custo da platina. São substituídos por Cobre (+) e Cobreníquel (-). Nesse caso, os fios de extensão são chamados de fios de compensação. Tipo R: Metais: Platina e 10 % de Ródio (+) e Platina (-) Range: 0 0 C a 1483 0 C Erro: + 0,25% Tipo S: Metais: Platina e 13 % de Ródio (+) e Platina (-) Range: 0 0 C a 1483 0 C Erro: + 0,25% Tipo B: Metais: Platina e 30% de Ródio (+) e Platina e 6% de Ródio (-) Range: 870 0 C a 1705 0 C Erro: + 0,5% Instrumentos de Temperatura 50
Acessórios dos Termopares Instrumentos de Temperatura 51
Acessórios dos Termopares Isoladores Sua função é a de isolar eletricamente os termoelementos e resistir a altas temperaturas. Instrumentos de Temperatura 52
Acessórios dos Termopares Blocos de Ligação A função do bloco de ligação é a de interligar o termopar ao fio ou cabo de extensão ou compensação, e prendê-los no cabeçote. Instrumentos de Temperatura 53
Acessórios dos Termopares Cabeçotes A função do cabeçote é 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. Instrumentos de Temperatura 54
Instrumentos de Temperatura 55
Erros de Medição nos Termopares Inserção inadequada Para obter o valor correto da temperatura a ser medida, o fator básico na especificação do sensor é a definição do ponto de medição e seu comprimento de inserção. Instrumentos de Temperatura 56
Erros de Medição nos Termopares Devido a menor área de contato, o erro de medição aumenta devido ao resfriamento do produto pela própria parede da tubulação. Necessidade de um trecho reto a montante. Instrumentos de Temperatura 57
Termopares skin point - Convencional Instrumentos de Temperatura 58
Instrumentos de Temperatura 59
Bulbos de Resistência Um dos métodos elementares para medição de temperatura envolve mudança no valor da resistência elétrica de certos metais com a temperatura. São comumente chamados de bulbo de resistência e por suas condições de alta estabilidade e repetibilidade, baixa contaminação, menor influência de ruídos e altíssima precisão, são muito usados nos processos industriais. Normalmente os metais utilizados apresentam coeficiente de resistência positivo, ou seja, aumentando a temperatura aumenta a resistência. Instrumentos de Temperatura 60
Bulbos de Resistência As termoresistências ou bulbos de resistência ou termômetro de resistência ou RTD, são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência ôhmica em função 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 de vidro. Entre estes materiais, o mais utilizado 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 x temperatura e também por ter rigidez e dutibilidade para ser transformada em fios finos, além de ser obtida em forma puríssima. Padronizou-se então a termoresistência de platina, Pt-100, fios de platina com 100Ω @ 0ºC. Sua faixa de trabalho vai de -200 a 650ºC. Instrumentos de Temperatura 61
Bulbo de resistência com bainha de isolação mineral Neste tipo de bulbo de resistência, coloca-se o elemento isolante e o condutor interno dentro de um tubo fino de aço inoxidável com óxido de magnésio ou outros elementos, de acordo com a necessidade do processo em síntese. Por não possuir camada de ar dentro do tubo, tem boa precisão na resposta. Tem grande capacidade para suportar oscilação. Por ser dobrável, de fácil manutenção e instalação, é utilizado em lugares de difícil acesso. O bulbo de resistência tipo bainha, é fino e flexível. Seu diâmetro varia de 2,0 mm a 4,0 mm. Instrumentos de Temperatura 62
Bulbo de resistência com bainha de isolação mineral Instrumentos de Temperatura 63
Resposta de termoresistência com isolação mineral Instrumentos de Temperatura 64
Bulbo de resistência A medição de temperatura utilizando bulbo de resistência é feita medindo-se a variação da resistência elétrica do elemento sensor, através de técnicas avançadas que garantem alta precisão nos valores obtidos. Dentre essas técnicas a mais utilizada é sem dúvida a Ponte de Wheatstone, que com devidas modificações apresenta excelente performance. O circuito em Ponte de Wheatstone inicialmente é posta em equilíbrio e desta forma não circula corrente entre os pontos de medição do galvanômetro, que se encontram com potenciais idênticos. Quando ocorre variação de temperatura, a resistência do sensor varia, desequilibrando o circuito de forma proporcional à temperatura. Instrumentos de Temperatura 65
Bulbo de resistência É fácil perceber, deste modo, que podemos efetuar a medição da temperatura através da variação de uma resistência da ponte. R0 = Resistência interna do condutor R1, R2 = resistência fixa R3 = resistência variável R4 = resistência de medição Rg = resistência interna do galvanômetro ig = corrente que flui E = fonte de alimentação Instrumentos de Temperatura 66
Ponte de Wheatstone R = R R R 1 3 2 4 Instrumentos de Temperatura 67
Bulbo de resistência Ligação a 2 fios ( R ) 4 + RL 1 + RL 2 R2 = R1 R3 Instrumentos de Temperatura 68
Bulbo de resistência Ligação a 3 fios ( R + R ) R = R ( R + R ) 4 L 2 2 1 3 L1 Instrumentos de Temperatura 69
Bulbo de resistência Ligação a 4 fios Instrumentos de Temperatura 70
Instrumentos de Temperatura 71
Bulbo de resistência - Vantagens Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores. Tem boas características de estabilidade e repetibilidade. Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação. Dispensa o uso de fios e cabos especiais, sendo necessário somente fios de cobre comuns. Se adequadamente protegido (poços e tubos de proteção), permite a utilização em qualquer ambiente. Curva de Resistência x Temperatura mais linear. Menos influência por ruídos elétricos Instrumentos de Temperatura 72
Bulbo de resistência - Desvantagens São mais caros do que os outros sensores utilizados nesta mesma faixa. Menor alcance de medição (max: 630 0 C) quando comparado com o termopar. Deterioram-se com mais facilidade, caso se ultrapasse a temperatura máxima de utilização. Possui um tempo de resposta elevado. Mais frágil mecanicamente. Instrumentos de Temperatura 73
Critérios de Seleção Utilizar normalmente termopar tipo K com exceção: Controle: Pt-100 Compensação de temperatura para vazão: Pt-100 Faixa de medição inadequada Instrumentos de Temperatura 74
Medição Instrumentos de Temperatura 75
Medição Instrumentos de Temperatura 76
Instrumentos de Temperatura 77
Pirômetro Óptico Todas as superfícies dos corpos emitem energia infravermelha (basta estar acima de 0 0 K, o que todos corpos estão pois não é possível o zero absoluto). Quanto mais quente um corpo, mais ativas suas moléculas estarão e mais energia infravermelha ele emitirá. Um termômetro infravermelho incorpora uma óptica que capta a energia infravermelha radiante do corpo e a concentra em um detector que converte a energia em um sinal elétrico, que por sua vez é amplificado, convertido e exibido digitalmente. Instrumentos de Temperatura 78
Pirômetro Óptico Instrumentos de Temperatura 79