AULA 4 - Instrumentação e Controle - Variáveis de Processo - Temperatura

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Instrumentação e Controle

Aula 4 – Variáveis de Processo: Temperatura Vitor Hugo Oliveira Sampaio

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Temperatura x Calor

Quanto mais rápido o movimento das moléculas de uma substância, mais quente se apresenta o corpo, e quanto mais lento, mais frio. Então define-se

temperatura como o grau de agitação térmica das moléculas.

Na prática a temperatura é representada em uma escala numérica, onde quanto maior o seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão.

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Transmissão de calor

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Transmissão de calor

Condução

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Transmissão de calor

Convecção

visampaio@fiemg.com.br 6

IMPORTANTE: CONDUÇÃO NO METAL

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Transmissão de calor

Radiação

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Conversão de escalas de temperatura

273 K

  

C

5 ( 32) 273 9 K   F 

º

C

 

K

273

5 º (º 32) 9 C  F  9 º ( 273) 32 5 F  K   9 º º 32 5 F   C 

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Termometria = Medição de Temperatura

Praticamente todas características físico-químicas de qualquer substância alteram-se de uma forma bem definida com a temperatura.

Exemplos:

Dimensões (Comprimento, Volume), Estado Físico (Sólido, Líquido, Gás), Densidade, Viscosidade,

Radiação Térmica, Reatividade Química,

Condutividade, PH, Resistência Mecânica,

Maleabilidade, Ductilidade etc.

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Medidores de temperatura por dilatação/expansão 1. Termômetro à dilatação de líquido

Os termômetros à dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura, dentro de um recipiente fechado.

1.1. Termômetro à dilatação de líquido em recipiente de vidro

1.2. Termômetro à dilatação de líquido em recipiente metálico

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Medidores de temperatura por dilatação/expansão 1.1. Termômetro à dilatação de líquido em recipiente de vidro

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Medidores de temperatura por dilatação/expansão 1.1. Termômetro à dilatação de líquido em recipiente de vidro

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Medidores de temperatura por dilatação/expansão 1.2. Termômetro à dilatação de líquido em recipiente metálico

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Medidores de temperatura por dilatação/expansão 1.2. Termômetro à dilatação de líquido em recipiente metálico

Bulbo: Suas dimensões variam de acordo com o tipo de

líquido e principalmente com a sensibilidade desejada.

Capilar: Suas dimensões são variáveis, devendo o diâmetro

interno ser o menor possível, a fim de evitar a influência da temperatura ambiente, e não oferecer resistência à passagem do líquido em expansão.

Elemento de medição: Tubo de Bourdon.

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Medidores de temperatura por dilatação/expansão 1.2. Termômetro à pressão de gás

Os gases mais utilizados são: hélio (He), hidrogênio (H2), nitrogênio (N2) e dióxido de carbono (CO2).

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Medidores de temperatura por dilatação/expansão 1.2. Termômetro à pressão de gás

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Medidores de temperatura por dilatação/expansão 2. Termômetros à dilatação de sólidos (termômetros bimetálicos)

Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura.

2.1. Termômetro Bimetálico

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Medidores de temperatura por dilatação/expansão 2.1. Termômetro Bimetálico

O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só peça. Variando- se a

temperatura do conjunto, observa-se um

encurvamento que é proporcional à temperatura. Helicoidal ou espiral, sendo o helicoidal o mais usado.

A faixa de trabalho, aprox. -50°C a 800°C. Precisão na ordem de ± 1%.

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Medidores de temperatura por efeitos termoelétricos

3. Termômetros à efeitos termoelétricos

Baseia-se no fenômeno da variação linear de grandezas elétricas nos metais com a temperatura.

3.1. Termopar

3.2. Termorresistor 3.3. Termistor

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3.1. Termopar

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3.1. Termopar

Consiste em dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas.

Os fios são soldados em um extremo, ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição.

A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de

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3.1. Termopar – Efeito Seebeck

O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m.. Este princípio, conhecido por efeito Seebeck, propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura.

https://www.youtube.com/watch?v=EsYHQ2RN_SY

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Em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de

temperatura T entre as suas junções.

Denominamos a junta de medição de Tm, e a outra, junta de referência de Tr.

A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante, verifica-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste.

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O efeito Seebeck se produz pelo fato de os elétrons livres de um metal diferirem de um condutor para outro, dependendo da temperatura.

Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções e estas se mantêm a diferentes temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos diferentes.

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3.1. Termopar – Efeito Peltier

Dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junções variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule.

Esta variação adicional de temperatura é o efeito Peltier, que se produz tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior como pelo próprio par termoelétrico.

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O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção, sendo independente da temperatura da outra junção. O calor Peltier é reversível.

Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto.

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https://www.youtube.com/watch?v=PXCdrJJ3j5Y https://www.youtube.com/watch?v=q7Bhr8nTEb0 https://www.youtube.com/watch?v=O7NuMwVCdt0

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METAL A

METAL B

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Leis Termoelétricas

Fundamentados nos efeitos descritos

anteriormente e nas leis termoelétricas, podemos compreender todos os fenômenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores.

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Leis do Circuito Homogêneo

Podemos ter uma grande variação de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, que esta não influirá na FEM produzida pela diferença de temperatura entre as juntas.

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Lei dos Metais Intermediários

Num circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.

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Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão ou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.

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Lei das Temperatura Intermediárias

A FEM produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da FEM deste circuito, com as junções às temperaturas T1 e T2 e a FEM deste mesmo circuito com as junções às temperaturas T2 e T3.

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Lei das Temperatura Intermediárias

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Aplicação das Leis da Termometria

visampaio@fiemg.com.br 46 25 o_C _2,50 100 o_C 175 o_C 10,00 17,50 200 o_C 300 o_C 20,00 30,00 temperatura milivolts TABELA - Exemplo 200 O_C Ferro Constantan

Processo Campo LEITURA = 17,5 mV

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200 O_C

A FORMAÇÃO DA JUNTA FRIA Junta quente Junta fria 25 O_C Lei do metal intermediário Campo Processo

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CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE 20 mV

Junta

quente Junta _fria 2,5 mV V 17,5 mV - + - + V _{17,5 mV} 2,5 mV 20 mV

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200 O_C LEITURA= 17,5 +2,5 = 20,0 mV TABELA = 20,0 mV = 200 O_C 25 O_C Processo Campo 25 o_C _2,50 50 o_C 100 o_C 5,00 10,00 175 o_C 200 o_C 17,50 20,00 temperatura milivolts TABELA - Exemplo 300 o_C _30,00

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200 O_C ₂₅O_C

Processo Campo Painel

50 O_C Cobre Conectores de cobre Fe Co. Cobre

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200 O_C ₂₅O_C

50 O_C Conectores de cobre Fe Co. Fe Co.

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200 O_C

25 O_C

50 O_C Conectores de cobre Fe Co. Fe Co.

APLICAÇÃO DOS CABOS DE EXTENSÃO

O_C

TI

JF JQ

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Correlação da f.e.m. em função da temperatura

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3.1. Termopares Básicos

São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior.

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3.1. Termopares Básicos – Tipo T Nomenclaturas

T – Adotado pela Norma ANSI CC – Adotado pela Norma JIS Cu-Co – Cobre-Constantan

Liga

(+) Cobre 99,9%

(–) Constantan

São as ligas de Cu-Ni compreendidas no intervalo entre Cu 50% e Cu 65% Ni 35%.

A composição mais utilizada para este tipo de termopar é de Cu 58% e Ni 42%. visampaio@fiemg.com.br 56

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3.1. Termopares Básicos – Tipo T Características

Faixa de utilização: –200°C a 370°C

FEM produzida: –5,603mV a 19,027mV

Aplicações

Criometria (baixas temperaturas) Indústrias de refrigeração

Pesquisas agronômicas e ambientais Química

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3.1. Termopares Básicos – Tipo J Nomenclaturas

J – Adotada pela Norma ANSI IC – Adotada pela Norma JIS Fe-Co – Ferro-Constantan

Liga

(+) Ferro 99,5%

(–) Constantan – Cu 58% e Ni 42%

Normalmente se produz o ferro a partir de sua característica, casando-se o constantan adequado.

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3.1. Termopares Básicos – Tipo J Características Faixa de utilização: –40°C a 760°C FEM produzida: –1,960mV a 42,922mV Aplicações Centrais de energia Metalúrgica Química Petroquímica Indústrias em geral

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3.1. Termopares Básicos – Tipo E Nomenclaturas

E – Adotada pela Norma ANSI CE – Adotada pela Norma JIS NiCr-Co

Liga

(+) Chromel – Ni 90% e Cr 10%

(–) Constantan – Cu 58% e Ni 42%

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3.1. Termopares Básicos – Tipo E Características Faixa de utilização: –200°C a 870°C FEM produzida: –8,824mV a 66,473mV Aplicações Química Petroquímica

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3.1. Termopares Básicos – Tipo K Nomenclaturas

K – Adotada pela Norma ANSI CA – Adotada pela Norma JIS

Liga

(+) Chromel – Ni 90% e Cr 10%

(–) Alumel – Ni 95,4%, Mn 1,8%, Si 1,6%, Al 1,2%

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3.1. Termopares Básicos – Tipo K Características Faixa de utilização: –200°C a 1.260°C FEM produzida: –5,891mV a 50,99mV Aplicações Metalúrgicas e Siderúrgicas Fundição

Usina de cimento e cal Vidros

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3.1. Termopares Nobres

Aqueles cujos pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios dos termopares.

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3.1. Termopares Nobres – Tipo S Nomenclaturas

S – Adotada pela Norma ANSI Pt Rh 10% – Pt

Liga

(+) Platina 90%, Rhodio 10% (–) Platina 100%

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3.1. Termopares Nobres – Tipo S Características Faixa de utilização: 0°C a 1.600°C FEM produzida: 0mV a 16,771mV Aplicações Siderúrgica e Metalúrgica Fundição Usina de cimento Cerâmica Vidro

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3.1. Termopares Nobres – Tipo R Nomenclaturas

R – Adotada pela Norma ANSI PtRh 13% – Pt

Liga

(+) Platina 87%, Rhodio 13% (–) Platina 100%

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3.1. Termopares Nobres – Tipo R Características Faixa de utilização: 0°C a 1.600°C FEM produzida: 0mV a 18,842mV Aplicações Siderúrgica e Metalúrgica Fundição Usina de cimento Cerâmica Vidro

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3.1. Termopares Nobres – Tipo B Nomenclaturas

B – Adotada pela Norma ANSI PtRh 30% – PtRh 6%

Liga

(+) Platina 70%, Rhodio 30% (–) Platina 94%, Rhodio 6%

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3.1. Termopares Nobres – Tipo B Características Faixa de utilização: 600 a 1.700°C FEM produzida: 1,791mV a 12,426mV Aplicações Vidro Siderúrgica

Alta temperatura em geral

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3.1. Termopares

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3.1. Termopares

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3.1. Termopares

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3.1. Termopares

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3.1. Termopares

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3.1. Termopares

2,164mV

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3.1. Termopares

21°C = 0,830mV

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3.1. Termopares

2,164mV

21°C

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Medidores de temperatura por efeitos termoelétricos 3.1. Termopares visampaio@fiemg.com.br 82 2,164mV 21°C 0,830mV 2,164 + 0,830 = 2,994mV 2,994mV

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Medidores de temperatura por efeitos termoelétricos 3.1. Termopares 2,994mV = 72°C 𝒚 = 𝒚_𝟏 + 𝒙 − 𝒙𝟏 𝒙_𝟐 − 𝒙_𝟏 ∙ 𝒚𝟐 − 𝒚𝟏 𝑻 = 𝟕𝟏 + 𝟐, 𝟗𝟗𝟒 − 𝟐, 𝟗𝟓𝟑 𝟐, 𝟗𝟗𝟕 − 𝟐, 𝟗𝟓𝟑 ∙ 𝟕𝟐 − 𝟕𝟏 𝑻 = 𝟕𝟏, 𝟗𝟑°𝑪

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Medidores de temperatura por efeitos termoelétricos 3.1. Termopares visampaio@fiemg.com.br 84 2,164mV 21°C 0,830mV 2,164 + 0,830 = 2,994mV 2,994mV 72°C

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Medidores de temperatura por efeitos termoelétricos 3.1. Termopares visampaio@fiemg.com.br 86 38°C 24°C ?°C 19.770mV

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Medidores de temperatura por efeitos termoelétricos

3.1. Termopares

24°C = 0,960mV 38°C = 1,530mV

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Medidores de temperatura por efeitos termoelétricos 3.1. Termopares visampaio@fiemg.com.br 88 38°C 24°C ?°C 1,530mV 0,960mV 19.770mV

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Medidores de temperatura por efeitos termoelétricos 3.1. Termopares 38°C 24°C ?°C 1,530mV 0,960mV 19.770mV

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Medidores de temperatura por efeitos termoelétricos 3.1. Termopares visampaio@fiemg.com.br 90 38°C 24°C ?°C 1,530mV 0,960mV 19.770mV 19,770 + 0,960 + 1,530 = 22,260mV 22,260mV

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3.1. Termopares

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Medidores de temperatura por efeitos termoelétricos 3.1. Termopares visampaio@fiemg.com.br 92 38°C 24°C 538°C 1,530mV 0,960mV 19.770mV 19,770 + 0,960 + 1,530 = 22,260mV 22,260mV

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3.1. Termopares

Associação de termopares

Dois ou mais termopares podem ser associados nas seguintes configurações:

- Série: a fem medida é a correspondente à soma das fems individuais dos termopares associados. Deve ser observado que a conexão em série pode ter a variante de conexão oposta. Neste caso, por exemplo, utilizando dois termopares em pontos de diferentes temperaturas, o resultado da medição será a diferença de temperatura entre esses pontos.

- Paralelo: o resultado da medição será a média das temperaturas.

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3.1. Termopares

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3.1. Termopares

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3.2. Termorresistores - RTD

São sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência em função da temperatura. A relação entre resistência e temperatura é dada pela seguinte equação:

Onde:

R(T) = Resistência elétrica na temperatura T;

R0 = Resistência elétrica na temperatura inicial (T0 - Tref);

α = Coeficiente de variação da resistência elétrica em função da temperatura;

T = Temperatura (°C).

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Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, o cobre ou o níquel, metais com características de:

• Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor;

• Alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura;

• Rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos;

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Pt-100 ou Pt100 - É a termorresistência de platina que apresenta um valor de resistência elétrica de 100 Ω a 0 °C.

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Tipos de ligação:

• 2 Fios: pequenas distâncias; • 3 Fios: grandes distâncias;

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Tipos de ligação (2 Fios):

Ponte de Wheatstone visampaio@fiemg.com.br 104 𝑅₁ ∙ 𝑅₃ = 𝑅₂ ∙ 𝑅₄ 𝑉 = 𝑅3 𝑅₃ + 𝑅₂ + 𝑅₄ 𝑅₄ + 𝑅₁ ∙ 𝐸

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Longas distâncias

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3.2. Termorresistores – RTD Vantagens

• Possui maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores;

• Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação;

• Dispensa utilização de fiação especial para ligação;

• Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente;

• Tem boas características de reprodutibilidade;

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3.2. Termorresistores – RTD Desvantagens

• É mais caro do que os sensores utilizados nessa mesma faixa;

• Deteriora-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização;

• Temperatura máxima de utilização de 630°C;

• É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para fazer a indicação corretamente.

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3.2. Termistores

Elementos semicondutores, normalmente óxidos metálicos aglutinados à alta temperatura.

Onde:

R(T) = Resistência elétrica na temperatura T;

a e b = Parâmetros característicos de cada termistor; 𝑒 = Base dos logarítmos neperianos;

T = Temperatura (K).

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Os termistores do tipo NTC ou PTC são

semicondutores que podem ter a variação de

resistência de forma diretamente proporcional para os termistores do tipo PTC (positive temperature coeficient), onde a resistência elétrica irá se elevar a medida que se eleva a temperatura e inversamente proporcional para os termistores do tipo NTC (negative temperature coeficient) onde a

resistência elétrica irá diminuir a medida que se

eleva a temperatura.

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Veja características de uma sonda NTC do modelo 103AT-II, este modelo em específico tem sua resistência elétrica 10KΩ para 25ºC.

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Comparativo

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Pirômetros de radiação

Dispositivos que permitem a medição de temperatura sem contato entre o sensor e o processo. Baseiam-se no fato de que os corpos emitem radiação que é função da temperatura. Assim, sendo que a intensidade da radiação emitida é função do comprimento de onda, a temperatura é função do comprimento de onda.

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Referências

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional/ Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Regional de Rio Grande do Sul. Instrumentação e

Controle, série Automação Industrial, 256p., Brasília: SENAI/DN, 2013.

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial - Escola Senai “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini”. Departamento Regional de São Paulo. Instrumentação, 207p., Campinas, 2006. GONÇALVES, Marcelo Giglio. Monitoramento e controle de processos. 100p., Rio de Janeiro: Petrobras ; Brasília : SENAI/DN, 2003.