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TM247 - Sistemas de Medição

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Medição de Temperatura

Termômetro O primeiro termômetro foi inventado por Galileu no início do século

XVII.

Os termômetros eram abertos.

Termoscópio !

50 anos depois que surgiu o 1º termômetro de vidro com liquido fechado desenvolvido por Leopoldo, Cardeal dei Medici.

Eram graduados entre 50, 100 e 300 graus e calibrados com o calor do sol e o frio do gelo

densidade dos líquidos

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 efeito mecânico – Termometria baseada na Expansão térmica

A medição de temperatura é feita através da leitura da posição do liquido na escala graduada.

Utiliza-se geralmente álcool (-100 até 70 oC) ou mercúrio (-38 até 550 oC).

Se baseia na expansão do líquido com a temperatura.

Termômetro de expansão de líquidos em bulbos de vidro

Termômetros de efeito mecânico

•

Termômetro de expansão de líquidos em bulbos de vidro


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.

Termômetro bimetálico

mede temperaturas entre - 30 e 800 °C


Os metais comumente usados são:


Material Coeficiente de expansão térmica por oC

Invar (liga de níquel-ferro)

1,7 x 10-6

Latão (liga de cobre-zinco)

2,02 x 10-5

Monel 400 (liga níquel- cobre)

1,35 x 10-5

Inconel 702 (liga níquel- cromo)

1,25 x 10-5

Aço Inoxidável 316 1,6 x 10-5

O fenômeno físico é a expansão térmica diferencial de dois metais


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 bimetálico

Termômetros de efeito mecânico Termômetro manométrico

Sensor de temperatura que utiliza o principio de expansão dos gases.

- 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”

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.

Termorresistências 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:

Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos - RTDs

RTDs – Resistance Temperature Detectors

R = R0 (1 + α (T - T0))

onde

• R é a resistência a temperatura T

• R0 é a resistência de referencia a temperatura de referência T0

• α é o coeficiente de temperatura do material



Construção típica de um RTD

Termômetros de resistência elétrica

Bobina bifilar metálica enrolada sobre um substrato de cerâmica e encapsulada em cerâmica

Termômetros metálicos - RTDs


Detalhe de um sensor de temperatura de platina depositada sobre substrato cerâmico



Detalhe da construção de um RTD de platina em uma bainha de aço inoxidável.


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).



Em geral, a resistência dos metais aumentam com a temperatura !!

• 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)


As principais características dos RTDs são:

• 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 termorresistência 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 oC . Entre 0 a 100 oC a variação pode ser considerada linear.



Variação da resistência de metais com a temperatura

A variação da resistência elétrica de materiais metálicos pode ser representada por uma equação da forma:


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


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:


A sensibilidade pode ser dada por:

A 70 :C :

O tipo de metal utilizado na confecção dos sensores de temperatura, deve possuir características apropriadas, como:

Maior coeficiente de variação de resistência com a temperatura (α1, α2, ... αn),

quanto maior o coeficiente, maior será a variação da resistência para uma mesma variação de temperatura,

tornando mais fácil e precisa a sua medição.

Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos – RTDs - Resistance Temperature Detectors

Estabilidade do metal para as variações de temperatura e condições do meio (resistência à corrosão, baixa histerese, etc.).

Linearidade entre a variação de resistência e a temperatura, produzindo escalas de leitura de maior precisão e com maior comodidade de leitura.


Platina :

-180 oC 980 oC

Com incerteza expandida de 0,1 oC

Alta repetibilidade. Linear. Sensor pode ser usado até 1500m para leitura

Niquel :

-180 oC 260 oC

Alta repetibilidade. Não linear. Sensor pode ser usado até 1500m para

leitura.



Calibração de termômetros de resistências metálicas

Existe dois métodos comumente utilizados para calibração dos RTDs:

O método de ponto fixo;

O método de comparação.


Termômetros de resistência elétrica Calibração de termômetros de resistências metálicas

O método de ponto fixo.

É utilizado para calibrações de alta precisão (0,0001 :C)

Consiste na utilização de temperaturas de fusão ou solidificação de substancias como:

água, zinco e argônio

para gerar os pontos fixos e repetitivos de temperatura.

Em geral, é lento e caro !

Método usado em ambiente industrial é o banho de gelo

acomoda vários sensores

precisão de até 0,005 :C


Utiliza um banho isotérmico estabilizado e aquecido eletricamente, onde são colocados os sensores a calibrar e um sensor padrão que servirá de referência.



Qualquer que seja o método de calibração deve-se seguir o rigor das normas.

Para executar uma calibração em condições em que erros muito pequenos são exigidos, justifica-se a escolha de métodos complexos e de equipamentos caros.



Montagem com RTDs

Uma das maneiras mais populares de utilização de RTDs é

por meio de fontes de corrente para excitar o sensor e medir a tensão sobre ele.

Outra maneira de implementar um termômetro com RTDs é a utilização de um circuito em ponte de Wheatstone.

Como alternativa, na indústria, pode-se utilizar MMQ, podendo alcançar incertezas de 0,05 :C

Termômetros de resistência elétrica Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone

Montagem a 2 fios

RC – Resistência do cabo

Termômetros de resistência elétrica Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone

Montagem a 3 fios:

haverá uma compensação da resistência elétrica pelo terceiro fio.

Montagem a 3 fios

Os termistores são

semicondutores cerâmicos

que também tem sua resistência alterada com o efeito da temperatura,

mais geralmente possuem um coeficiente de variação maior que os RTDs.


• Termistores (Resistores termicamente sensíveis)

Os primeiros tipos de sensores de temperatura de resistência de semicondutores foram feitos de

óxido de manganês, níquel e cobalto,

moídos e misturados em proporções apropriadas e prensados numa forma desejada.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores (Resistores termicamente sensíveis)

Comparados com sensores de tipo condutor (que têm coeficiente de temperatura positivo e pequeno), os termistores têm um coeficiente muito grande, podendo ser

negativo (dito NTC, negative temperature coeficient)

ou

positivo (PTC – positive temperature coeficient).

Enquanto alguns condutores (cobre, platina) são bastante lineares, os termistores são altamente não lineares.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores (Resistores termicamente sensíveis)

Termômetros de resistência elétrica • Termistores

Símbolos padrões dos termistores que apresentam uma dependência não linear com a temperatura (a) positiva e (b) negativa.

• IEC – 117-6 (International Electrotechnical Commission)

Termômetros de resistência elétrica • Termistores

Esses dispositivos não são lineares e apresentam uma sensibilidade elevada (em geral, 3% a 5% por :C)

Com faixa de operação típica de -100 :C a +315 :C.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores - PTC

Coeficiente de temperatura positiva

Os PTCs aumentam a sua resistência com o aumento da temperatura

Podem ser construídos de silício, e suas características dependem desse semicondutor dopado (que é a adição de impurezas químicas elementares em elemento químico semicondutor, com a finalidade de dotá-los de propriedades de semicondução controlada específica)

E nesse caso a dependência da resistência em relação a temperatura é quase linear.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores – PTC - Coeficiente de temperatura positiva

Outros são construídos de titanatos de bário, chumbo e estrôncio.

Curva típica R x T de um termistor do tipo chave

Pode-se variar a temperatura na qual ocorre a conversão do coeficiente e depende da composição do termistor (entre 80 :C e 240 :C)

Termômetros de resistência elétrica • Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa


Características gerais dos termistores NTC de uso mais frequente

• Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa


Os termistores são geralmente usados quando é requerida :

alta sensibilidade;

robustez

ou tempo de resposta rápida.

Eles são normalmente encapsulados em vidro, podendo utilizar em ambiente corrosivo e abrasivo.

A alta resistência de um termistor comparada com a de um RTD, elimina os problemas de compensação de resistência da fiação elétrica.

• Termistores

Termômetros de resistência elétrica • Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa

Termopares Sensores self-generating ou sensores ativos !

Exemplos:

Piezoelétricos;

Termopares;

Piroelétricos;

Fotovoltaicos ;

Eletroquímicos.

Geram um sinal elétrico a partir de um mensurando sem necessitar de alimentação.

Usados nas medições de temperatura, de força , de pressão e de aceleração.

Termopares O método mais comum de medição de temperatura e

controle de temperatura utiliza um circuito elétrico chamado TERMOPAR.

Um termopar consiste: Dois condutores elétricos feitos de metais diferentes e que possuem

pelo menos uma conexão elétrica.

Essa conexão é chamada de junção ou junta.

Junção pode ser criada por soldagem ou qualquer método que proporcione um bom contato elétrico entre os dois condutores.

A saída é uma tensão, e existe uma relação definida entre essa tensão e as temperaturas das junções que formam o circuito do termopar.

Termopares Considere esse circuito básico de termopar.

Junção 1 está a temperatura T1

Junção 2 está a temperatura T2

Se T1 e T2 não são iguais, um potencial elétrico finito de circuito aberto, fem1, será medido.

Termopares Existem 3 fenômenos básicos que podem ocorrer em um circuito de termopar:

o efeito de Seebeck;

o efeito de Peltier;

o efeito Thomson.

Efeito de Seebeck

Em 1821 e 1822 o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou o circuito para um termômetro termopar, como o ilustrado na figura. Ambas as junções, de medição e de referência estão em ambientes isotérmicos (de temperatura constante), cada uma numa temperatura diferente.

A tensão de circuito através da junção de referência é a chamada tensão de Seebeck e aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as junções aumenta.

Ocorre a geração de eletricidade a partir da diferença de temperaturas.

Termopares

•

Termopares

Efeito de Peltier

Jean Peltier descobriu que, quando existe um fluxo de corrente na junção de dois metais diferentes,

há liberação ou absorção de calor .

Ocorre a geração de diferença de temperatura a partir de eletricidade.

Termopares

Esse comportamento foi descoberto durante experimento com o termopar de Seebeck.

Ele observou que a passagem de uma corrente elétrica através de um circuito de termopar de duas junções.

Termopares - Efeito de Peltier

Faz aumentar a temperatura em uma junção ao mesmo tempo em que causa a diminuição de temperatura na outra junção.

Efeito de Thomson

Devido a propriedade física dos condutores metálicos, a extremidade mais quente faz com que os elétrons dessa região tenham maior energia cinética e se acumulem no lado mais frio, gerando uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades do condutor na ordem de alguns milivolts (mV).

Termopares

Esse energia foi primeiramente observada por William Thomson em 1851

Leis fundamentais dos termopares A utilização de circuitos de termopar para medir temperatura é

baseada nos comportamentos de materiais e circuitos de termopares cuidadosamente controlados.

As seguintes leis fornecem a base necessária para a medição de temperatura com termopares:

1. Lei dos materiais homogêneos

2. Lei dos materiais intermediários

3. Lei das temperaturas sucessivas ou intermediárias.

Termopares

Leis fundamentais dos termopares

1. Lei dos materiais homogêneos

Uma corrente termoelétrica não pode ser sustentada em um circuito de um único material homogêneo apenas pela aplicação do calor, independentemente de como a seção transversal do material possa variar.

Portanto 2 materiais diferentes devem ser usados na construção de termopares.

Termopares


2. Lei dos materiais intermediários.

A soma algébrica das forças termoelétricas em um circuito composto por qualquer número de materiais diferentes é zero se todo o circuito está a um mesma temperatura.

Essa lei permite que um material diferente dos materiais do termopar possa ser inserido no circuito sem variação na fem de saída do circuito.

Termopares



Ex: Bloco de Ligação

Termopares

Borne de latão niquelado



Ex: É possível o uso de um conector comum

Termopares



Ex: Solda feita na junção de medição

Termopares


3. Lei das temperaturas sucessivas ou intermediárias.

Se dois materiais homogêneos diferentes que formam um circuito de termopar produzem fem1 quando as junções estão a T1 e T2 e produzem fem2 quando as junções estão a T2 e T3, então a fem gerada quando as junções estão a T1 e T3 será fem1 + fem2.

Essa lei possibilita que um termopar calibrado para um temperatura de referência seja utilizado em outra temperatura de referência.

Termopares

Medição básica de temperatura com termopares Esse circuito de termopar básico pode ser utilizado para medir a

diferença entre as duas temperaturas T1 e T2

Termopares

Medição básica de temperatura com termopares Para medições práticas da temperatura, uma dessas junções torna-se uma junta de referência, e é mantida a uma temperatura constante de referência.

A outra junção torna-se então a junta de medição e a fem existente no circuito para qualquer temperatura T1 é uma indicação direta da temperatura na junta de medição .

Termopares

Cromel é uma liga de 90% Ni (Niquel) e 10% Cr (Cromo)

Multímetro

Circuito de termopar básico, utilizando um termopar de cromel-constantan e um banho de gelo para criar a temperatura de referência.

Os fios do termopar são conectados diretamente a um multímetro para medir a fem.

Termopares - Medição básica de temperatura com termopares

Multímetro

Fios de extensão de cobre, criando duas junções de referência.

A lei dos materiais intermediários assegura que nem o multímetro nem os fios de extensão modificarão a fem do circuito, desde que as junções de conexão no multímetro e as duas no banho de gelo não apresentem diferenças de temperatura.

Termopares - Medição básica de temperatura com termopares

Multímetro

Padrões de termopares

O NIST (National Institute of Standards and Technology) fornece

especificações para materiais e construção de circuitos padrões de termopares para medição de temperatura.

Existe muitas combinações de materiais para termopares.

São identificadas por tipo de termopar e designada por letras.

A escolha depende da faixa de temperatura a ser medida, da aplicação em particular e do nível de incerteza desejado.

Termopares

Termopares - Padrões de termopares

Figliola, pg 266

designação de letras

polaridade

aplicação

Alumel (94% Níquel com 3% manganês, 2% Alumínio e 1% silício

Termopares

Tensão Padrão do termopar Termopares A tabela fornece a composição padrão de materiais de termopares, juntamente com os limites padrões de erro para varias combinações de materiais.

Esses limites são os erros máximos esperados

Tensão Padrão do termopar Termopares O NIST utiliza materiais de alta pureza para estabelecer o valor padrão da tensão de saída para um termopar composto de dois materiais específicos.

Isso resulta em tabelas padrões ou equações utilizadas para determinar a temperatura medida a partir do valor de fem medido.

Tabela para termopar de ferro/constantan, termopar tipo J

Tensão Padrão do termopar Termopares Essa tabela apresenta equações que relacionam a fem e a temperatura para termopares padrões.

Termopares Exemplo 1:

O circuito do termopar mostrado na figura é utilizado para medir a temperatura T1. A junção de termopar marcado com 2 está a temperatura de 0 :C, mantido por um banho de gelo fundente. A tensão de saída é medida como 9,669 mV utilizado um multímetro. Qual é o valor de T1 ?

fem do multímetro

= 9,669 mV


Qual é o valor de T1 ?

Se o termopar segue o padrão da NIST, temos

Olhando a tabela que é referenciada a 0 :C.

Pode-se dizer que a temperatura nesse caso é de 180 :C

fem do multímetro

= 9,669 mV

Termopares

Exemplo 2:

Suponha que o circuito de termopar no exemplo anterior tem agora a junção 2 mantida a temperatura de 30 :C e produz uma tensão de saída de 48,769 mV. Qual a temperatura da junção de medição ?


Suponha que o circuito de termopar no exemplo anterior tem agora a junção 2 mantida a temperatura de 30 :C e produz uma tensão de saída de 48,769mV. Qual a temperatura da junção de medição ?

Se o termopar segue o comportamento de fem padrão da NIST, temos:

Pela lei das temperaturas intermediárias, a fem de saída para um circuito de termopar que possui 2 junções, uma a 0 :C e a outra a T1, seria a soma das fems para o circuito de termopar entre 0 :C e 30 :C e entre 30 :C e T1. Portanto,

fem0-30 + fem30-T1 = fem0-T1

1,537 + 48,769 = 50,306 mV

Portanto, o termopar está captando a temperatura de 875: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

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