Medição de
Temperatura
maior seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos.
Energia térmica é o somatórios das energias cinéticas, dos seus átomos e, além de depender da temperatura, depende também da massa e do tipo da substância.
1 - Introdução
Calor é a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema, em virtude da diferença de temperatura.
1.1 Meios de Transmissão de Calor
Condução Radiação Convecção
Forma de transmissão de calor realizada pelo contato físico, sem transporte de massa.
Exemplo:
Se aquecermos somente uma extremidade de uma barra de ferro com uma chama, em pouco tempo toda a barra estará aquecida. O calor passa de uma molécula para outra mas estas moléculas não abandonam sua posição.
1.1 Meios de Transmissão de Calor
1.1.2 Convecção
Forma de transmissão de calor com transporte de massa, que se dá pelo movimento ou mistura dos fluidos ou sólidos envolvidos.
Convecção natural (líquidos e gases)
Quando o movimento é provocado somente pela diferença de densidade dos fluidos quente e frio.
Exemplo:
Se um recipiente com água é aquecido por uma chama, a água mais próxima da chama se aquecerá e se tornará menos densa, subindo no recipiente. A
1.1 Meios de Transmissão de Calor
1.1.2 Convecção
Convecção forçada
Processo de tranferência de calor em que a mistura se realiza por meio mecânico. Se no exemplo anterior incluirmos um agitador, a convecção passará a ser forçada.
A irradiação é um processo pelo qual o calor é transferido por ondas eletromagnéticas. O fenômeno pode ocorrer mesmo quando dois corpos estão separados no espaço, com vácuo entre eles.
1.2 Escalas de Temperatura
1.2.1 Escalas Relativas
Fahrenheit [°F]: definida com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 no ponto de ebulição da água.
Celsiu [°C]: definida com o valor zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água.
Kelvin [K]: possui a mesma divisão da escala Celsius, porém o seu zero se inicia 273,15 graus abaixo.
Rankine [R, Ra]: possui o mesmo zero da escala Kelvin, mas sua divisão é idêntica à escala Fahrenheit, a menos de 459,67 °F.
Escala utilizada para padronizar valores de temperatura, baseada nas leis da termodinâmica.
1.2 Escalas de Temperatura
1.2.3 Escala Prática Internacional de Temperaturas (IPTS) Pontos fixos de temperatura, segundo ITS-90
medição de temperatura.
As próximas seções são classificadas de acordo com as formas de medição de temperatura:
Medidores por Dilatação Termopares
Termorresistências (RTDs) Medidores por Radiação
2.1 Medidores por Dilatação
Baseados na lei de expansão volumétrica de um fluido num recipiente fechado. A medição é realizada pela a leitura do nível do líquido ou pela pressão de um gás.
Recipientes de vidro
O reservatório e parte do capilar são preenchidos por um líquido. Na parte superior do capilar, existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar seu limite máximo.
Líquidos utilizados • Tolueno (-80 à 100°C) • Mercúrio (-35 à 550°C) • Álcool (-100 a 70°C) e outros Exatidão • 0,5 à 3% Termômetro comum
2.1 Medidores por Dilatação
2.1.1 Dilatação de Líquidos
Recipientes metálicos
Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível.
Recipientes metálicos
Bulbo: dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e com a sensibilidade.
Capilar: diâmetro interno deve ser o menor possível, para evitar a influência da temperatura ambiente.
Elemento de Medição: Tubo de Bourdon, podendo ser do tipo C, tipo espiral ou do tipo helicoidal.
2.1 Medidores por Dilatação
2.1.1 Dilatação de Líquidos Recipientes metálicos Líquidos utilizados • Mercúrio (-35 a 550°C) • Xileno (-40 a 400°C) • Tolueno (-80 a 100°C) • Álcool (50 a 150°C)Idêntico ao termômetro de dilatação de líquido. O volume é preenchido com um gás em alta pressão.
2.1 Medidores por Dilatação
2.1.2 Dilatação de Gases
O gás mais utilizado é o N2, geralmente pressurizado de 20 a 50 atm, na temperatura mínima de medição.
Gases utilizados Hélio ()
Hidrogênio () Nitrogênio ()
Semelhante ao termômetro de dilatação de líquido. Baseado na lei de Dalton:
“A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume”
em que:
• : pressões absolutas • : temperaturas absolutas
2.1 Medidores por Dilatação
2.1.3 Termômetro a Pressão de Vapor Baseado na lei de Dalton
“A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume”
2.1 Medidores por Dilatação
2.1.4 Dilatação de Sólidos (bimetálicos)
Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura.
em que:
• : temperatura do metal
• : comprimento do metal à temperatura inicial • : comprimento do metal à temperatura final • : coeficiente de dilatação linear
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 a temperatura.
2.1 Medidores por Dilatação
2.1.4 Dilatação de Sólidos (bimetálicos)
Na prática, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, a fim de elevar a sensibilidade do instrumento.
Na prática, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, a fim de elevar a sensibilidade do instrumento.
2.1 Medidores por Dilatação
2.1.4 Dilatação de Sólidos (bimetálicos)
Exemplo
Utiliza-se o invar (aço: 64% de Fe e 36% de Ni), com baixo coeficiente de dilatação, e o latão, alto coeficiente de dilatação. Faixa de trabalho aproximada de -50 a 800°, sendo sua escala bastante linear. Exatidão na ordem de ±1%.
2.2 Termopares
Baseado nos efeitos termoelétricos. Consiste basicamente em dois condutores metálicos de naturezas distintas unidos em dois pontos:
» junta de medição (junta quente) » junta de referência (junta fria)
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 de medição .
em que:
• : f.e.m produzida [Volts] • : coeficiente de Seebeck •
2.2 Termopares
2.2.1 Efeitos Termoelétricos
Lei do circuito homogênio
“A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com suas junções às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios.”
Lei do circuito homogênio
2.2 Termopares
2.2.1 Efeitos Termoelétricos
Lei dos metais intermediários
“A soma algébrica das f.e.m termais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo circuito estiver à mesma temperatura.”
Lei dos metais intermediários
Exemplo de aplicação: usa-se contatos de latão ou cobre para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.
2.2 Termopares
2.2.1 Efeitos Termoelétricos
Lei dos metais intermediários
“A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as suas junções às temperaturas e , é a soma algébrica da f.e.m. deste circuito, com as junções às temperaturas e e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções às temperaturas e .”
2.2 Termopares
2.2.2 Tipos de Termopares
Relação f.e.m x temperatura
A f.e.m produzida num termopar depende, além da temperatura das juntas, da composição química dos dois materiais.
O diferentes tipos de termopares são classificados de acordo com a combinação de diferentes materiais.
Essa combinação dita o comportamento estático do instrumento (precisão, sensibilidade, faixa de medição, etc.).
2.2 Termopares
2.2.3 Termopares Básicos
De maior uso industrial, com custo relativamente baixo e sua aplicação admite limites maiores de erro.
2.2 Termopares
2.2.3 Termopares Básicos
2.2 Termopares
2.2.3 Termopares Básicos
São pares constituidos 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.
2.2 Termopares
2.2.4 Termopares Nobres
2.2 Termopares
2.2.4 Termopares Nobres
São termopares desenvolvidos para condições especiais de uso e aplicações restritas.
Tungstênio - Rhênio: podem ser usados continuamente até 2300°C e por curto período até 2750°C.
Irídio 40% - Rhodio/Irídio: podem ser usados por períodos limitados até 2000°C.
2.2 Termopares
2.2.5 Termopares Especiais
Platina - 40% Rhodio/Platina - 20% Rhodio: utilizados em substituição ao tipo B quando temperaturas mais elevadas são requeridas. Podem ser usados continuamente até 1600°C, e por curto período a 1800°C ou 1850°C.
Ouro - Ferro/Chromel: desenvolvidos para trabalhar em temperaturas criogênicas.
As tabelas existentes para termopares, consideram que a junta de referência esteja a 0°C.
Porém, nas aplicações práticas, a junta de referência se encontra à temperatura ambiente.
2.2 Termopares
2.2.6 Correção da Junta de Referência
Os instrumentos fazem a correção da junta de referência automaticamente, com medição da temperatura nos terminais do instrumento através de circuito eletrônico. Este circuito adiciona tensão correspondente a diferença de temperatura de 0°C à temperatura ambiente.
Na maioria dos casos o instrumento de medida e o termopar necessitam estar afastados. Os terminais do termopar são conectados a um cabeçote e, a partir dele, são adaptados fios de compensação (mesmas características dos fios do termopar, porém mais baratos) até o instrumento.
2.2 Termopares
2.2.6 Correção da Junta de Referência
Código de cores para fios e cabos de extensão e compensação.
2.2 Termopares
2.2.6 Correção da Junta de Referência
É constituído de um ou dois pares termoelétricos, que são isolados entre si e da bainha metálica, pelo pó de óxido de magnésio, que possui excelente condutibilidade térmica e alta compactação.
Vantagens: » Estabilidade
» Melhor tempo de resposta » Resistência mecânica e
flexibilidade
» Facilidade de instalação » Resistência a corrosão
2.2 Termopares
2.2.8 Associação de Termopares
Arranjo em série (termopilha)
Podemos ligar os termopares em série simples para obter a soma das f.e.m individuais.
Arranjo em série (oposta)
2.2 Termopares
2.2.8 Associação de Termopares
Arranjo em paralelo
Ligando dois ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento, teremos a média das f.e.m geradas nos diversos termopares (resistências internas devem ser iguais).
aumento da temperatura. Materiais semicondutores diminuem a resistência elétrica com a temperatura.
Os RTDs fazem a medição baseada na variação da resistência elétrica provocada pela temperatura.
A leitura é feita diretamente num ohmímetro.
2.3 Termorresistências (RTDs)
Vantagens em relação aos termopares
Maior precisão em sua faixa de uso
Podem ser usados a grandes distâncias
Podem ser usados cabos de cobre comum nas ligações São mais estáveis que os termopares
Sua curva de resistência elétrica em função da temperatura é mais linear que os termopares
Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão e ótima repetibilidade de leitura
Os elementos sensores são, basicamente, de dois tipos: Termistores
Resistências com cerâmica ou polímeros (baixa precisão, maior faixa de medição)
RTDs
Termoresistências composta de metais (alta precisão, menor faixa de medição)
2.3 Termorresistências (RTDs)
2.3.1 Termistores
Características construtivas
Os termistores são sensores fabricados com materiais como cerâmica, polímeros ou semi-condutores.
Coeficiete Negativo (NTC)
São termistores que diminuem a resistência com a elevação da temperatura.
2.3 Termorresistências (RTDs)
2.3.1 Termistores
Coeficiete Positivo (PTC)
São termistores que aumentam a resistência com a elevação da temperatura.
São elementos resistivos formados por materiais como Platina, Níquel ou ligas de Cobre-Níquel.
Estes materiais exibem um coeficiente positivo de resistividade.
Atualmente, as termorresistências de Platina mais usuais são: PT-25,5
PT-100 PT-120 PT-130 PT-500
2.3 Termorresistências (RTDs)
2.3.2 RTDs (Resistance Temperature Detector)
Características construtivas
Materiais mais usados: Pt, Cu, Ni:
• Alta resistividade, melhor sensibilidade • Alto coeficiente de variação (R*T)
2.3 Termorresistências (RTDs)
2.3.2 RTDs (Resistance Temperature Detector)
PT-100
A 0°C a resistência elétrica é de 100Ω Temperatura: -270 a 660°C
Alta estabilidade e repetibilidade Bom tempo de resposta
PT-100
em que:
• : resistência elétrica na temperatura • : resistência elétrica na temperatura • : coeficiente de temperatura do metal
2.3 Termorresistências (RTDs)
2.3 Termorresistências (RTDs)
Ligação a 2 fios
É a maneira mais simples de se ligar uma termoresistência, porém é a menos exata, pois o valor das resistências R1 e R2 dos fios de ligação são adicionados ao valor do Pt-100.
2.3 Termorresistências (RTDs)
2.3.2 RTDs (Resistance Temperature Detector)
Ligação a 3 fios (mais usada na indústria)
Fornece uma ligação numa extremidade da termoresistência e duas na outra extremidade.
2.4 Medidores por Radiação
A radiação térmica corresponde à faixa de comprimentos de onda de 0,1 a 100µm.
2.4 Medidores por Radiação
Lei de Stefan-Boltzmann: em que: • : energia radiante (W/m2) • : emissividade do corpo • : constante de Stefan-Boltzmann • : temperatura absoluta2.4 Medidores por Radiação
2.4 Medidores por Radiação
Utilizado para temperaturas superiores a 550ºC. Alguns tipos mais sensíveis operam em faixas bem mais baixas (50º a 375ºC)