Medidores de temperatura

(1)

MEDIDORES DE TEMPERATURA: TERMÔMETROS,

TERMISTORES E TERMOPAR

ALAN MIRANDA BARBOSA– 31169

BRUNO DE OLIVEIRA VALÉRIO – 30950 HENRIQUE LAZARINI GUELLI – 31463 IGOR GARCIA PRADO DESTRO – 30885 IGOR VAZ GONÇALVES - 31349

RONALDO APARECIDO FERNANDES JUNIOR – 31111 TÚLIO TAVARES AMORIM - 30206

(2)

Introdução

 Instrumentação é a ciência que estuda e aplica conhecimentos físicos através de diversos dispositivos com o intuito de aferir grandezas: temperatura, vazão, pressão, volume.

 Seu objetivo é auxiliar no controle de processos e equipamentos que requerem precisão em seu funcionamento.

 A temperatura é uma das grandezas físicas que influenciam diretamente nos processos industriais e seu controle interfere, direta e indiretamente, no resultado final em uma planta de produção.

(3)

Introdução

 Os medidores de temperatura são divididos em três grandes grupos:

 Medição por efeitos mecânicos;  Medição por efeitos elétricos;  Medição por radiação.

(4)

Objetivos

 Realizar uma pesquisa bibliográfica sobre os instrumentos de medição de temperatura,

 Expor e explicar o funcionamento de cada dispositivo e sua faixa de atuação.

 Estabelecer a relação entre esses medidores de

temperatura, assim como o controle e monitoramento de processos

(5)

Medição de Temperatura

Princípios básicos para medição de temperatura:

 Expansão (dilatação) da substância, provocando alteração de comprimento, volume ou pressão;

 Alteração da resistência elétrica;

 Interação do potencial elétrico de metais diferentes;

(6)

 Medir a temperatura corretamente é muito importante em todos os ramos da ciência:

→ A temperatura revela a noção comum do que é quente ou frio;

→ Quanto mais quente o sistema, maior é a frequência de vibração dos átomos.

 Temperatura: emissão de energia térmica em uma “banda de frequência” superior à radiação visível:

→ Por exemplo, o metal fica alaranjado, depois amarelo, etc.

→ Este mesmo fenômeno pode ser observado na chama do fogão;

→ Regiões amarelas, de mais alta temperatura; → Azuladas de temperatura inferior.

(7)

(8)

História da Termometria

→ 170 DC: Galeno propôs um padrão de medição de temperatura;

→ 1592: Galileu Galilei inventou o primeiro instrumento de medição de temperatura, um dispositivo de vidro contendo líquido e ar, o chamado barotermoscópio. A medida era influenciada pela pressão;

→ 1624: A palavra “termômetro” apareceu pela primeira vez em um livro intitulado “La Récréation Mathématique” de J. Leurechon;

→ 1665: Christian Huygens, declarava: “Seria conveniente dispor-se de um padrão universal e preciso de frio e calor...”.

(9)

→ Neste mesmo ano, Robert Boyle declarava: “Necessitamos urgentemente de um padrão ... não simplesmente as várias diferenças desta quantidade (temperatura) não possuem nomes ... e os termômetros são tão variáveis que parece impossível medir-se a intensidade do calor ou frio como fazemos com tempo, distância, peso ... ”;

→ 1694: Carlo Renaldini sugeriu utilizar-se o ponto de fusão do gelo e o ponto de ebulição da água como dois pontos fixos em uma escala termométrica, dividindo-se os em 12 partes iguais;

→ 1701: Isaac Newton definiu uma escala de temperatura baseada em duas referências, que foram determinadas pelo banho de gelo fundente (zero graus) e a axila de um homem saudável (12 graus). Nesta escala a água ferve a 34 graus.

(10)

→ 1706: Gabriel Fahrenheit notou que a expansão do mercúrio era grande e uniforme, ele não aderia ao vidro, permanecia líquido em uma faixa grande de temperaturas e sua cor prata facilitava a leitura. Para calibrar o termômetro de mercúrio Fahrenheit definiu 3 pontos: um banho de gelo e sal (32ºF) - o mais frio reprodutível, a axila de um homem saudável (96ºF) e água ebulindo - o mais quente reprodutível (212ºF);

→ 1742: Anders Celsius propôs uma escala simples entre 0 e 100, correspondendo ao ponto de ebulição da água e fusão do gelo;

→ 1780: O físico francês Charles mostrou que todos os gases apresentam aumentos de volume iguais correspondentes ao mesmo incremento de temperatura, o que possibilitou o desenvolvimento dos termômetros de gases.

(11)

→ Séc. XIX: Na primeira metade foi desenvolvido um termômetro baseado nos trabalhos de Boyle, Mariotte, Charles, Gay-Lussac, Clapeyron e Regnault. O princípio de medida era a expansão do ar. Foi aceito largamente como padrão de comparação para todos os tipos de termômetros;

→ 1887: Chappuis estudou termômetros de hidrogênio, nitrogênio e gás carbônico, o que resultou na adoção de uma escala entre os pontos fixos de fusão (0°C) e ebulição (100 °C) da água, chamada de Escala Prática Internacional de Temperatura pelo Comité International de Poids e Mesures.

→ Séc. XX: Os países de língua inglesa adotam a escala Fahrenheit, e grande maioria usam a escala Celsius, devido sua fácil padronização.

(12)

(13)

Acionamento por Efeitos Mecânicos

 Funcionamento através da expansão de um líquido;

 Funciona por ação de uma lâmina bimetálica;

(14)

Termômetro à Dilatação de Líquidos

→ Baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura, dentro de um recipiente fechado.

(15)

Termômetro à Dilatação de Líquido em

Recipiente de Vidro

→ É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldado a um tubo capilar de seção, mais uniforme possível, fechado na parte superior;

→ 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;

→ Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona;

→ A Tabela apresenta o ponto de fusão e de ebulição desses líquidos, assim como as suas faixas de uso.

(16)

(17)

→ Os termômetros de líquidos com bulbo de vidro podem ser empregados em:

a) compartimentos cobertos ou fechados e nos quais a leitura da temperatura é no próprio local;

b) onde forem toleradas exatidões de até 1% de escala;

(18)

Termômetro à Dilatação de Líquido em

Recipiente Metálico

→ Consta de um bulbo de metal ligado a um capilar metálico e um elemento sensor;

→ O líquido preenche todo o instrumento e com uma variação da temperatura se dilata deformando elasticamente o elemento sensor;

→ Relação linear: temperatura / deformação.

(19)

(20)

 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 sensor: o elemento usado é o tubo de Bourdon. Normalmente são aplicados nas indústrias em geral, para indicação e registro.

(21)

Termômetro à Dilatação de Sólidos

(Bimetálicos)

→ 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;

→ Na prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice para aumentar a sensibilidade.

(22)

(23)

(24)

→ Vantagens:

O relativamente barato; Construção robusta;

A leitura é direta;

Não exige equipamento adicional ou fonte externa de energia;

Atuar sobre uma faixa tão grande de escala (–185ºC a 650ºC).

→ Desvantagens são de não: permitir indicação a distância; ser tão exato.

(25)

Termômetro à Pressão de Gás

→ Consta de um bulbo, capilar e elemento de medição;

→ O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão;

→ Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão, e o elemento de medição opera como medidor de pressão;

→ As variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante.

(26)

(27)

Medição por efeitos elétricos

– Instrumentos eficientes com sinal amplificável e detectável

1. Termômetros de Resistência Elétrica

2. Termistores

(28)

Termoresistores

 Termômetros de sensores de resistências elétricas

 Variação de resistência devido a variação de temperatura R = Ro* (1 +α*(T-To))  R0= Resistência inicial em T0;  α= Coeficiente de resistência;  T= Temperatura de medição;  T0= Temperatura inicial.

(29)

 Uso da platina

 Limite superior do instrumento é 535ºC

 Montagem do bulbo a fim de evitar choques mecânicos e promover condução térmica

 Vantagens:

– Alta precisão;

– Alta velocidade de resposta.

 Desvantagens:

– Sensibilidade à deformação; – Auto-aquecimento

(30)

(31)

Termistores

 Semicondutores que possuem resistências elétricas sensíveis à temperatura

 Positive Temperature Coeficient – PTC

(32)

 A variação do equipamento comporta-se de maneira exponencial:

 B= Determinado de forma experimental;  R0= Resistência inicial;

 T= Temperatura de medição;  T0= Temperatura inicial;

 R= Resistência medida.

(33)

 Características que permitem a medição exclusivas:

– Comportamento não linear;

– Coeficiente de Temperatura Negativo; – Variedade de resistências elétricas.

 Lenta velocidade de resposta;

 Baixa corrente de medição;

 Limite superior não ultrapassa 400ºC

 Alarmes, relógios, ar-condicionados e dissipadores de calor.

(34)

(35)

Termopares

 Os termopares são sensores de maior uso industrial para medição de temperatura. Eles cobrem uma extensa faixa de temperatura, que vai de -200 a 2300°C, aproximadamente. Apresentam uma boa precisão e um baixo custo, quando comparado aos demais tipos de sensores de temperatura.

(36)

A Termoeletricidade

 O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto por T. J. Seebeck, em 1821, quando se observou que em um circuito fechado, composto por dois condutores metálicos e diferentes, quando submetidos a um diferencial entre as suas junções,

gera-se circulação de corrente elétrica. A densidade de

elétrons livres num metal difere de um condutor para o outro e depende da temperatura, produzindo uma força eletro motriz (FEM) conhecida como efeito Seebeck.

(37)

A Estrutura dos Termopares

 O termopar consiste de dois condutores metálicos de natureza distinta na forma de metais puros ou ligas homogêneas.

Convencionou-se em metal A e metal B, sendo o A positivo e o B negativo, pois a tensão e a corrente geradas são contínuas.

(38)

 Junção de Medição (ou junta quente): junção na qual está submetida à temperatura a ser medida.

 Junção de Referência (ou junção fria): a extremidade que se liga ao instrumento medidor.

 Quando a temperatura da junção de referência (Tr) é mantida constante, verifica-se que a FEM térmica (Eab) é uma função da temperatura da junção de medição (T1). Isso permite utilizar este circuito como um medidor de temperatura, pois conhecendo-se a Tr e a FEM gerada, determina-se a T1.

(39)

 Lei do Circuito Homogêneo

 A FEM gerada por um termopar depende apenas da composição química dos dois metais e das temperaturas entre as duas junções; ou seja, a tensão gerada independe do gradiente de temperatura ao longo dos fios.

(40)

 Lei dos Metais Intermediários

 A FEM gerada por um par termoelétrico não será alterada quando se inserir em qualquer ponto do circuito, um metal genérico diferente dos que compõem o sensor, desde que as novas junções formadas sejam mantidas na mesma temperatura.

(41)

 Conversão de Tensão em Temperatura

 A relação FEM x Temperatura não é linear, assim, o instrumento indicador deve de alguma forma linearizar o sinal gerado pelo sensor.

 Em instrumentos digitais usa-se a tabela de correlação FEM x Temperatura, armazenada na memória do instrumento, ou uma equação matemática que descreve a curva do sensor. Essa equação é um polinômio que pode chegar até o 9º grau, dependendo da precisão exigida.

(42)

(43)

Tipos de Termopares

 Tipos e características dos termopares:

 Os termopares podem ser divididos em três grupos:  Termopares de Base Metálica ou Básicos

 Termopares Nobres ou a Base de Platina  Termopares Novos

 O primeiro grupo é o mais usado na indústria, por ser mais barato e por apresentar uma margem de erro maior.

(44)

(45)

(46)

Limite de Erro

 Limite de Erro dos Termopares

 O erro do termopar consiste no desvio máximo que pode ser apresentado em relação a um padrão pré-estabelecido. É expresso em °C ou em porcentagem da temperatura média, deve-se se escolher sempre aquele que apresenta maior valor.

(47)

(48)

48

Conclusão

 Importância imensurável tanto em indústrias quanto na vida cotidiana;

 Princípios mecânicos e elétricos;

 Critérios para a escolha de um medidor: – Custo;

– Forma de medição: direta ou indireta; – Temperatura de trabalho;

(49)

Referências

 BRAGA, Rodrigo. Instrumentação. DEM - PUCRS, Porto Alegre, 2002.

 FERREIRA, Licínio Manuel G. A. Termores. Universidade de Coimbra. Coimbra, Acessado dia 16/10/2015. Disponível em:

<http://www.eq.uc.pt/~lferreira/BIBL_SEM/global/termores/pdf/termor es.pdf>.

 IOPE – Instrumentos de Precisão. Termopares. Disponível em: <http://www.iope.com.br/3ia1_termopares.htm>.

 Resistências elétricas Joinville. Termopares. Disponível em: <http://www.crresistencias.com.br/produtosDetalhe.asp?

idProduto=140>.

 VIANA, Ulisses Barcelos. Instrumentação: Instrumentação Básica II – Vazão, temperatura e analítica. Vitória: SENAI/CST, 1999. 242p.