MEDIDORES DE TEMPERATURA

FENÔMENO TEMPERATURA

Temperatura mínima alcançada pela evaporação rápida do hélio à pressão de 0,01 mm de Hg 0,71 KMistura NaCl + gelo -21o CChama de bico de Bunsen com gás natural 1800o CChama de oxiacetileno 2200o CTemperatura do filamento de tungstênio de uma lâmpada incandescente de média potência 2800o CPonto de fusão do molibdênio 2570o CPonto de fusão do tungstênio 3380o CArco elétrico de solda 4800º CArco elétrico sob pressão Até 7300o CFotosfera solar 5700o CExplosão de um fio metálico por meio de uma descarga elétrica 10000o C

Exemplo de Temperaturas Típicas

Método Faixa oC

oF

Termopares -200 a 1700 -330 a 4000Termômetros de bulbo preenchidos -195 a 760 -320 a 1400Termômetros de resistência -250 a 650 -420 a 1200Termístores -195 a 450 -320 a 840Pirômetros de Radiação -40 a 3000 -40 a 5400

Faixa de abrangência dos principais métodos de determinação de temperatura

Caracteristicas gerais de alguns elementos sensores de temperatura

Caracteristicas gerais de alguns elementos sensores de temperatura

Termômetros de Pressão – Classes I, II, III e V)

Modalidade de Sensores – Quanto ao Princípio de Funcionamento

Expansão de um fluido –

Sem mudança de estado físico Leitura (direta) da altura da coluna líquida

Corpo - vidro Fluidos de preenchimento : mercúrio, álcool ou tolueno (para temperaturas baixas), mais freqüentes. Outros: água, querosene, mais raramente

Quanto à calibração podem ser; de imersão total ou parcial (referência na haste)

Medida (indireta) da pressão gerada, ou do deslocamento do fluido.

Componentes Básicos: Um Bulbo, um Capilar , (um Bourdon, Fole ou Diafragma), e um Elemento de transdução (leitura, registro ou controle)

Classes I e V - Totalmente preenchido com líquidos Fluidos

Classe I - : Querosene (-50 a + 315 º C) Etilbenzeno (-85 a + 175 º C) Éter etílico +20 a 90 oC Naftaleno (-15 a + 260 º C) Etanol (-130 a +50 º C) Xileno -40 a 400 oC

Tipos de termômetros de pressão

Classe IV, somente com mercúrio

Identificação complementar Letras A e B, (exceto para os de classe II), identificam se o dispositivo tem compensação total para correção de temperatura (A), ou (B) se parcial. Sub-classes presentes nas classes, I, III e V.

Corresponde à presença de um conjunto similar, acoplado ao conjunto, de medição exceto bulbo, estando este conjunto sujeito à temperatura do ambiente.

Apenas um compensador, baseado na dilatação de um conjunto bimetálico, corrige os efeitos da variação de temperatura sobre o sistema metálico elástico (espiral ou bourdon).

Na classe II, as letras identificam o termômetro segundo a faixa de operação tendo como referência à temperatura ambiente.

A - acima da temperatura ambiente B - abaixo “ “ “ “. C - abaixo e acima da ambiente D - abaixo, ambiente e acima.

Compensação total – IA, IIIA e VA

Compensação parcial –IB, IIIB e VB

Classe II – Parcialmente preenchido Classe II A - Um líquido volátil e vapor do mesmo líquido

Classe II D - Preenchidos parcialmente com um fluido incompressível, (capilar e fundo do bulbo), restante do bulbo líquido volátil responsável pelo deslocamento do fluido no capilar.

Fluidosvoláteis :

Água (+100 a + 230 º C)Ácetona (+ 65 a 200 º C)

Éter etílico (+ 40 a 185 º C) Tolueno (+ 115 a + 315 º C)

Cloreto de metila (-10 a + 120 º C)Butano (- 5 a 150 º C)

Propano (-40 a + 70 º C).

Fluidos: Hélio (-195 a - 130 º C) Nitrogênio (-130 a + 470 º C) Argônio (+ 470 a + 760 º C).

Classe III - Com um gás sob pressão

O fluido ao dilatar-se atua um dispositivo elástico, tipo bourdon, por exemplo.

Existem ainda outros dispositivos para determinação de temperatura, os quais se baseiam na mudança de estado físico(fusão, cor, etc, muitos destes descartáveis. (One way)).

VaporLíquido volátil Gás Líquido não volátil

T1 T2

T1 T2

do líquido volátil

Bulbos com diferentes fluidos de preenchimento

(II A)(III) ( II D )

Compensação total

Compensação com bimetalCompensação para o capilar

Compensação na carcaça(Parcial)

bulbobulbo

Termômetros de classes I , III e V, Sensores preenchidos com líquidos ( FTS) – Filled Thermal systems

Elemento de Compensação de movimento

Características gerais dos termômetros de pressãoClasse I Classe II Classe III Classe V

Enchimento Xileno sobre pressão

Líquido volátil Gás inerte pressão moderada

Mercúrio a alta pressão

inicialEscala Volume do bulbo

Material do bulbo

Limite inferior da faixaLimite superior da faixaFaixa comercial máximaFaixa comercial mínima

Uniforme Pequeno

Inox, latão e níquel

-100 oC400 oC330 oC22 oC

Não Uniforme Médio

Inox, latão e Bronze

-180 oC379 oC160 oC50 oC

Uniforme Grande

Aço, latão , níquel e bronze

-240 oC 540 oC550 oC50 oC

Uniforme Médio

Inox

-38 oC540 oC550 oC25 oC

Coeficiente de atrasoCirculação rápida Circulação lenta

Água Ar6 s 75 s20 s 750s

Água Ar4 s 50 s14s 500s

Água Ar7s 85 s22s 850s

Água Ar5 s 60 s17s 600s

Classificação de termômetros de pressão ( preenchidos com fluido) FTS( filled thermal systems)Prefixo sufixo DescriçãoI

Bulbo com qualquer líquido exceto mercúrio (variação de volume)

I A Com compensação totalI B Com compensação apenas na carcaçaII Líquido volátil – (variação da pressão) de vaporII A Projetado para operação acima da temperatura ambienteII B Projetado para operação abaixo da temperatura ambienteII C Projetado para operação abaixo e acima da temperatura ambiente, (s/ambiente)II D Projetado para operar desde abaixo até acima da temperatura ambienteIII Bulbo preenchidos com gás (variação da pressão)III A Com compensação totalIII B Com compensação apenas na carcaçaV Bulbo preenchidos com mercúrio (variação de volume)V A Com compensação totalV B Com compensação apenas na carcaça

Resumo da classificação de termômetros de bulbo de pressão

TERMÔMETROS BIMETÁLICOSUsados na maioria das vezes apenas para indicação

As ligas mais empregadas:

INVAR Metal de baixo coeficiente de dilatação Metais de elevado coeficiente de

dilataçãoLatão ou ligas de níquel

BUCHA

PONTEIRO

Haste

Helicóide bimetálico Espiral simples

Helicóide simples

Helicoidal múltipla

Termopares

Características:

Baixo custo, precisos, estáveis e atendem ampla faixa de operação, temperaturas elevadas e reduzidas (criogênicas)

Baseiam-se nos efeitos SEEBECK - (1821)

Temperatura de referência – junta fria (0 º C)

Formas de correção da temperatura:

Resistência compensadora de ajuste (interna) do circuito da ponte)

Inserção da junta fria em banho de gelo

Medição e correção da temperatura via tabela

f.e.m. gerada Proporcional a diferença de temperatura Função da composição dos metais que formam o termopar

+

-Banho de gelo

Junção quente

Junção fria

( 0 ° C )

Curva de tensão x temperatura para diferentes termopares

TIPOS DE TERMOPARESComposição, intervalo de temperatura e fem para termopares padrão

Tipo Composição

Intervalo de temperatura oC

Força eletromotriz mV*

B Platina /6% Ródio x Platina /30% Ródio 0 a 1820-50 a1768-50 a 1768-210 a 760

-270 a 1372-270 a 400

-270 a 1000

0 a 13814R Platina x Platina /13% Ródio -0,226 a 21108S Platina x Platina /10% Ródio -0,236 a 18698J Ferro x Constantan -8,096 a 42922K Cromel x Alumel -6,458 a 54875T Cobre x Constantan -6,258 a 20869E Cromel x Constantan -9,835 a 76358

*1 Melhor que os termopares tipo E, J ou T, para temperatura acima de 550o C* 2 Para reduzido período de exposição* 3 Não maior que 500o C* 4 Mas satisfatório para temperaturas abaixo de zero.

* Valores com referência a junção fria a zero grau.

Outras ligas mais recentesTipo N – nicrosil /nissil desempenho similar ao tipo K

Tipo Y – similar ao tipo J , opera em temperatura um pouco superior ao tipo J

Cobre /Ouro-Cobalto - ideal para temperaturas criogênicas

Ouro-Ferro /Cromel pode operar até próximo o zero absoluto

Liga de Tungstênio / Rhenio - para elevadas temperaturas até 2300°C, se intermitente 2800°C

Faixa de temperatura de operação para diferentes tipos de termopares

Formas construtivas de termopares Quanto ao isolamento, o terminal quente podem apresentar-se:

Com proteção de vidro Anéis de material cerâmico Cerâmica compactada a base de óxidos; de Alumínio, de Magnésio, de Berílio, etc, Ou nus no interior de um poço metálico.

Montagem em relação a bainha - corpo metálico Soldada a carcaça (ao poço) Isolada da carcaça Exposta, isto é, em contato direto com o fluido quente.

Conexão flangeada

Configuração final do conjunto termopar

Conexão rosqueada, etc.

Isolamento e poços cerâmicos

Bainha metálica

Fios do termopar

Terminal quente aterrado

Isolamento cerâmico

Terminal quente exposto -nú

Terminal quente isolada

Diferentes formas de junção Configuração final do conjunto termopar

Terminais de ligação de termopares

Fios de extensão - (mesma liga)

Fios de compensação, ligas menos nobres ( para termopares mais nobres), porém com comportamento termoelétrico similar na temperatura de operação.

Em série Ligação em paralelo Ligação em oposição

Soma-se a ddp.

Obtem-se valor médio da temperatura

Tem-se a diferença de temperatura entre dois termopares

Ligação entre termopares

Arranjo de termopares

Paralelo

Série

Em oposição “Diferencial”

+

+

+

-

-

-

( DDP resultante Σ )

(DDP resultante Σ/n)

Codificação de fios de extensão e de compensação

Disposição de termopares em um circuito

Um termopar, fazendo parte de uma ponte de Wheatstone pode ser ligado: A dois fios

Circuito mais simples. Nesta forma de montagem é desconsiderada a influência da variação da resistência dos fios de conexão do elemento sensor ao dispositivo de medida.

A três fios

Tanto o condutor que alimenta a ponte, quanto o outro que conduz a resistência que equilibra a ponte são estendidos até o corpo do dispositivo onde se encontra a resistência (“medidora”), aquela que estará submetida à variação de temperatura. Desta forma o fio conector da resistência de equilíbrio uma vez sujeito também ao efeito térmico, mudará seu valor de resistividade, esta por sua vez será computada ao ramo da resistência de equilíbrio, desta forma compensando a resistência do condutor. Esta configuração possibilita o emprego de fios longos desde que se empreguem fios idênticos e de comprimentos iguais.

A quatro fios

Esta forma de ligação não se aplica em instalações industriais sendo mais empregada para fins de calibração em laboratórios. São necessárias duas determinações e a execução de um cálculo para daí obter-se o valor da medida.

Termômetros de resistência –RTD-Variação da resistência ôhmica pela mudança na temperatura.

Classe de resistores Metais - Platina, Cobre, Níquel, - neste grupo, a resistência

aumenta com o aumento da temperatura.

Configuração : fio de resistência envolto por bainha de vidro, aço inoxidável, ou mesmo cerâmica. Eventualmente pode estar o metal na forma de fita ou mesmo um filme de reduzida espessura depositado em suporte isolante.

RTD padrão - PT 100 ( 100 Ω a 0°), outros PT 500, PT 1000,…

Faixa de operação de -250 a 850° C

Variação da resistência com a temperatura - Equação de Callendar e Van Dusen

1001 320 TCTBTATRRt 2

0 1 BTATRRt

De -200ºC a 0ºC De 0ºC a 630ºC

Limites de Erros normalizados para os Pt 100

Classe A

Classe B CTEMáximo 005,03,0

CTEMáximo 002,015,0

Obs. Estes sensores, apesar de boa precisão (na ordem de 0,5 %) necessitam de freqüente aferição.

PTC – Positive Termal Coeficient Resistência aumenta com o aumento da temperatura

NTC – Negative Termal Coeficient

Resistência decresce com o aumento da temperatura

Misturas a base de óxidos metálicos (Mn, Co, Ni, etc), podendo ainda serem dopados com gálio ou silício. Também os titanatos apresentam características semicondutoras

Cerâmicas semicondutoras – Termistores

Tipos:

Faixa de operação dos Termistores, de - 100 a + 300 º C.

Característica: Apresentam elevada variação de resistência com a temperatura

Termômetros de resistência

Bainha de vidroBainha de cerâmica

Termistor

SENSORES BASEADOS EM RADIAÇÃO PIRÔMETROS

.

Infravermelho de 0,72 a 100 µmRadiação térmica de 0,1 a 100 µmVisível de 0,3 a 0,72 µm

Faixa espectral empregada

Intrumentos baseados na intensidade total de radiação emitida por um corpo em uma faixa particular de comprimento de onda. O princípio de aplicação é regido pela lei de Stephan-Boltzmann.

A intensidade de radiação emitida pela superfície de um corpo aumenta proporcionalmente com a 4a potência da temperatura absoluta.

temperatura grau Kelvin

4TKW emissividade do corpo,

K constante de Stephan-Boltzman ,

T

Alta energia Baixa energia

Espectro visível

Espectro eletromagnético

700 nm400 nm

Faixa de aplicação de pirômetros

espectro Rádio microondas Infra vermelho

visível ultravioleta Raios X Raios gama

Frequência (Hz)

109 (tera) 1012 (Giga) 1012 1016 1016

Comprimento de onda

3x10-1m 3x10-4m 300μ 0,7 a 0,4 μ 3x10-2μ 300 A0 <10-1Ao

Energia (eV) <10-5 10-5 a 10-2 10-2 a 2,0 2 a 3 3 a 103 103 a 105 >105

Tipos de pirômetros:

Pirômetros óticos

Compara a intensidade de radiação a uma fonte de referência. Opera com radiação no espectro visível. Para medidas acima de 500o C (mínimo) até 2900 o C. Contendo filtros especiais pode–se medir até 5500 o C.

Um filtro monocromático de radiação 1,65 µm (radiação vermelha) facilita o processo de comparação.

Pirômetro infravermelho - Radiação total -

Mede radiação em todos os comprimentos de onda Faixa de operação 0 ºC a 4000 ºCRegião do espectro: de 0,3 a 20 µm (do visível ao infravermelho próximo)

Fontes de erro de medida, função da :

Emissividade do corpo, forma, tipo de superfície Interferência do meio, corpos vizinhos Material de construção do dispositivo ótico/faixa de temperatura medida,etc

Ex. Janela de abertura espectral para o vidro < 2,8 μm quartzo < 4,0 μm fluoreto de cálcio < 10 μm iodeto de tálio < 30 μm Filtro ótico 7,7 μm reduz a influência da radiação solar quando medida temperatura de corpos quentes no meio ambiente

Pirômetro infravermelho

Tipos de pirômetros infravermelho

Pirômetro de bandaUtiliza-se de filtro ótico e opera sobre uma banda selecionada de comprimento de onda. É usado para medir temperatura de materiais transparentes, onde a emissividade é alta somente em determinadas temperaturas.

Pirômetro de razão

Mede a intensidade em dois comprimentos de onda e usa a razão entre as duas medidas, calculando daí a temperatura do objeto. Desta forma elimina possíveis interferentes presentes entre o objeto e o pirômetro (fumaça, poeira, etc.) que possam absorver ou emitir radiações em outras faixas, minimizando assim erros de medida.

Radiância espectral

Banda 1Banda 2

A radiação incidente, causa mudança nas propriedades elétricas do material conduzindo á um efeito elétrico mensurável. Apresentam constante de tempo na ordem de 1ms.

COMPONENTES DE UM PIRÔMETRO Sistema ótico

Detetor – sistema sensor de radiação

Sistema elétrico

Sistema de indicação.

Lentes convergentes ou espelho côncavo - coleta e converge o feixe ótico ao detector.

Converte a radiação em sinal elétrico

Categoria de detectores

Detectores Quânticos (fotodetetores)

Tipos de detectores quânticos Fotovoltaico (emprega fotodiodos)Uma diferença de potencial é gerada entre duas camadas de materiais semicondutores diferentes, componentes de uma célula fotoelétrica quando exposta à radiação. Sensibilidade Cobre as regiões do infravermelho próximo , visível e ultravioleta próximo

Exemplos de materiais componentes de células fotoelétricas: Silício amorfo, monocristalino e policristalino, arseneto de gálio, Seleneto de cobre e indio, telureto de cádmio e CIGS2 (Cu, In, Ga e Se2 ), componentes estes usado também em monitores de plasma e LCD.

Fotocondutivos (foto-resistivos):

A radiação é medida pela variação da resistência.É sensível na região espectral do infravermelho

Apresentam uma resistência elétrica que varia com o nível de radiação incidente: Composição: Sulfeto de chumbo (PbS) e seleneto de chumbo (PbSe).

Desvantagem : requerem resfriamento

Materiais de composição, metais alcalinos

Obs. Diferente do efeito fotoelétrico não ocorre energia suficiente para liberar eletrons, apenas para levá-los da banda de valência para a banda de condução

Fotoeletromagnéticos

Utiliza o efeito Hall, Uma diferença de potencial é desenvolvida através das extremidades de um cristal semicondutor sujeito a um intenso campo magnético.

Quando ainda era um jovem estudante, em 1879,  Edwin H. Hall descobriu um fenômeno inesperado. Ele observou que se uma placa fina de ouro for colocada em um campo magnético perpendicular à sua superfície, uma corrente elétrica fluindo ao longo da placa pode causar uma diferença de potencial em uma direção perpendicular tanto ao campo magnético quanto à corrente (veja a figura 1). Este fenômeno, chamado de efeito Hall , acontece porque as partículas eletricamente carregadas (neste caso, elétrons) movendo-se em um campo magnético são influenciadas por uma força e defletidas lateralmente.

Fig. 1. Uma voltagem V dá origem a uma corrente I na direção positiva de  x. A resitência ôhmica é  V / I. Um campo magnético na direção positiva z deflete os portadores de carga positiva na direção negativa de  y. isto gera um potencial de Hall  ( VH ) e uma resitência de  Hall (VH / I ) na direção de y. 

Efeito Hall Quântico

Legenda:1. Elétrons (não a corrente convencional!)2. O elemento Hall, ou sensor Hall3. Imãs4. Campo magnético5. Fonte de alimentaçãoDescrição:Na figura "A", o elemento Hall recebe uma carga negativa na extremidade superior (simbolizado pela cor azul) e uma positiva na extremidade inferior (cor vermelha). Em "B" e "C", tanto a corrente elétrica ou o campo magnético são revertidos, causando a polarização reversa. Invertendo ambas corrente e campo magnético (figura "D") faz com que o elemento Hall novamente assuma a carga negativa na extremidade superior.

Diagrama do efeito Hall, mostrando o fluxo de elétrons.

Detectores TérmicosRespondem a energia de todo espectro. São elementos enegrecidos projetados para absorver o máximo da radiação incidente em todos os comprimentos de onda. A radiação absorvida aquece o detector até estabilização térmica. A temperatura é medida empregando-se termômetros de resistência, ou termopilhas (associação de termopares) acoplados ao sensor. O tempo de resposta é relativamente grande, entre 1 a 2 s.

•Em geral os sensores térmicos não precisam de resfriamento e têm

menor custo.

Tipos :

Termopilhas –associação de termopares

De resistência

Podem ser fios ou mesmo filmes metálicos ou termistores, estes, composto de óxidos semicondutores de Ni, Zn e Co.

(se metais“bolômetros “ , se semicondutores, termistores)

Piroelétricos:

Formação de potencial elétrico devido ao aquecimento. Este fenômeno está presente em alguns minerais como quartzo e turmalina. Os materiais piroelétricos apresentam algumas vezes características piezelétricos. Os dois fenômenos estão relacionados. Exemplo de materiais piroelétricos artificiais: nitrato de césio (CsNO3), nitreto de gálio (GaN), polifluoreto de vinila e alguns outros compostos orgânicos.

Obs. Com a incidência da radiance, o consequente aumento da temperatura, gera uma mudança discreta na carga elétrica superficial do elemento. Este funciona então de forma equivalente a um capacitor.

Algumas leis dos termopares

Lei dos condutores intermediários: Se todas as junções em um determinado ponto dos condutores estiverem a mesma temperatura, não haverá alteração na ddp. Conseqüência, pode-se desta forma fazer a junção dos fios do termopar (terminal quente) através do contato com o poço. Obs. Não necessariamente ligados os fios diretamente entre si.

Redução do tempo de resposta, melhorando assim a condução térmica), OBS. Avaliar o risco ao aterramento da malha) se o poço ficar eletricamente isolado, ótimo.

Efeito Peltier (bomba de calor)

Efeito Thompson

- Na ausência de corrente, a temperatura em diferentes pontos dos condutores de um termopar, gera um gradiente de temperatura.

Referido em http://www.las.inpe.br/~cesar/Infrared/detectores.htm

Tabela 1 – Espectro Eletromagnético

Região

Tipo Faixa de

Frequência (Hz)

RádioFrequência

Freq. Muito Baixas 3 - 300 Hz

Freq. Baixas 300 Hz - 300 kHz

Freq. Altas - Ondas Curtas 300 kHz - 30 MHz

Freq. Muito Altas (VHF, UHF, SHF) - TV 30 MHz - 30 GHz

Microondas 30 cm - 1 mm / 1

– 300 GHz

Infravermelho

Freq.: 100 GHz – 100 THz Comprimento

de onda

Muito Distante (XIR) 1000 – 15 m

Distante (FIR) 15 - 6 m

Médio (MIR) 6 - 3  m

Próximo (NIR) 3 - 0.75  m

  Visível

Freq.: > 200 THz Comprimento

de onda

Vermelho 770-622 nm

Laranja 622-597 nm

Amarelo 597-577 nm

Verde 577-492 nm

Azul 492-455 nm

Violeta 455-390 nm

  Ultravioleta

Freq. : 1015 - 1016 Hz Comprimento

de onda

UV-A (Pouco Nocivo) – Luz Negra 400-315 nm

UV-B (Nocivo, Absorvido por ozônio) 315-280 nm

UV-C (Muito Nocivo, Absorvido pelo Ar) 280-100 nm

Raios-X1017 - 1019 Hz 10-9 - 10-

11 m

Raios Gama1019 - 1021 Hz 10-11 -

10-13 m

http://www.temperatures.com/tctables.html

http://www.sensorland.com/howPage017.html

Selecting temperature sensors, Chemical engineering, august 1983

http://www.honeywell.com http://sensing.honeywell.com……entre outros, termopares

http://www.meas.spec.com.............................. Sensores diversos

http://srdata.nist.gov/its90/main/.................................termopares

http://www.eeel.nist.gov/812/effe.htm …………………… sobre o (efeito Hall)

www.equipe-termopar.com.br

www.ecil.com.br

http://www.las.inpe.br/~cesar/ Infrared/detectores.htm