Medição de Temperatura - UTFPR

Medição de Temperatura

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL - http://paginapessoal.utfpr.edu.br/camaral


Fonte: Simone Massulini Acosta



• PIROMETRIA: medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica visíveis passam a se manifestar.

• CRIOMETRIA: medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas do zero absoluto.

TERMOMETRIA

Conceitos Básicos



• TEMPERATURA: grau de agitação térmica das moléculas. Quanto maior o seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo.

• Energia Térmica: A Energia Térmica de um corpo é a somatória das energias cinéticas, dos seus átomos e, além de depender da temperatura, depende também da massa e do tipo de substância.

Conceitos Básicos



Calor: Calor é a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura.

Isolante

500oC 100oC

300oC 300oC

antes

depois

Conceitos Básicos



Meios de transmissão de calor: condução, radiação e convecção.

Conceitos Básicos



Meios de transmissão de calor: condução, radiação e convecção.

• Condução: é a forma de transmissão de calor sem transporte de massa.Por 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.

Conceitos Básicos



- Convecção natural (líquidos e gases) – quando o movimento éprovocado somente pela diferença de densidade dos fluidos quente e frio. Por exemplo, se aquecermos um recipiente com água por intermédio de uma chama, a água mais próxima da chama se aquecerá e se tornarámenos densa, subindo no recipiente. A água fria da parte superior do recipiente descerá e, por sua vez, se aquecerá.

• Convecção: é a forma de transmissão de calor com transporte de massa, que se dá pelo movimento ou mistura dos fluidos ou sólidos envolvidos.

Conceitos Básicos



- Convecção forçada – é o aquecimento no qual a mistura se realiza por meio mecânico. Se no exemplo anterior incluirmos um agitador, a convecção passará a ser forçada.

Em equipamentos de refinaria de petróleo, por exemplo, a convecção quase sempre é forçada. Em trocadores de calor é provocada agitação forçando o fluido a passar por obstáculos.

• Convecção

Conceitos Básicos



• Irradiação: A irradiação é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre eles.Todos os corpos, em qualquer temperatura, emitem ondas eletromagnéticas (como as da luz e do rádio) que contêm energia.

Conceitos Básicos



ESCALAS ABSOLUTASRankine Kelvin

ESCALAS RELATIVASCelsius Fahrenheit

0 0

0

-273,15

273,15

-459,67

32491,67

671,67 373,15 100 212

°CR °F

180DIVISÕES 100

DIVISÕES

K

ESCALAS DE TEMPERATURA

Conversão de Escalas:°C

5= °F - 32

9K = 273,15 + °C R = 459,67 + °F K = R . 5

9

PONTO DEEBULIÇÃODA ÁGUA

PONTO DEFUSÃO DOGELO

ZEROABSOLUTO

°C5

= °F - 329 = K - 273

5 = R - 4919

Conceitos Básicos



Pontos Fixos de Temperatura

(Escala Prática Internacional de Temperatura)

TEMPERATURA

Ponto Crítico

Ponto Triplo(0,006 atm)

Fase Vapor

Fase Líquido

Fase sólido

PRES

SÃO

Linha de Fusão Linha

de V

apor

izaçã

o

Linha de

Sublimaçã

o

Ponto triplo é o ponto em que as fases sólida, líquida e

gasosa encontram-se em equilíbrio

Conceitos Básicos



Pontos fixos de temperatura segundo ITS-90

+1064,180°C+1064,430°CSolidificação do ouro

+961,780°C+961,930°CSolidificação da prata

+419,527°C+419,580°CSolidificação do zinco

+231,928°C+231,968°CSolidificação do estanho

+0,010°C+0,010°CPonto triplo da água(0,006 atm)

-182,954°C-182,962°CEbulição do Oxigênio

ITS-90IPTS-68PONTOS FIXOS

Conceitos Básicos



Medidores peloPrincípio da

Condução de Calor



1. Instrumentos de transferência de calor por conduçãoTermômetro com dilatação de líquido,Termômetro com dilatação de gás,Termômetro com tensão de vapor saturante,Termômetro com dilatação de sólido,

Termômetro com resistência elétrica.Termômetro com par termoelétrico (Termopar)

2. Instrumentos de transferência de calor por radiaçãoPirômetros óptico Pirômetros com radiação.

Classificação de Medidores

Expansão

Elétricos - Termistores

- RTDs – TermoresistênciasTermômetro com semi-condutores.



1. Condução

Dilatação de líquido,

Dilatação de gás,

Vapor saturante,

Dilatação de sólido,

Resistência elétrica.

Par termoelétrico,

2. Radiação

Pirômetros óptico,

Pirômetros à radiação

Termômetro à Condução - Dilatação de Líquido Recipiente de Vidro

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

0,1 à 0,5% Termômetro padrão

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.

0

10

102030405060

7080

90100

CAPILAR

ESCALA

LÍQUIDO

BULBO

" C



Termômetro à Condução - Dilatação de Líquido Recipiente de Vidro

0

10

10

20

3040

5060

7080

90100

CAPILAR

ESCALA

LÍQUIDO

BULBO

" CLíquidos 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

0,1 à 0,5% Termômetro padrão

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.



Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico)

Termômetro à Condução - Dilatação de Líquido Recipiente Metálico



Capilar

MercúrioÁlcool Etílico

Líquido

Bulbo

Bourdon


Partes:

• Bulbo: dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e com a sensibilidade.

• Capilar: diâmetro interno deve ser o menor possível, para evitara influência da temperatura ambiente.

• Elemento de Medição: Tubo de Bourdon, podendo ser: tipo C, tipo espiral e tipo helicoidal.



1. Condução



Vapor saturante,



Par termoelétrico,

2. Radiação



Idêntico ao termômetro de dilatação de líquido.O volume preenchido com um gás a alta pressão.

Baseado na Lei de Gay-Lussac :

Termômetro à Condução - Dilatação de Gás



Termômetro à Condução - Dilatação de Gás



1. Condução



Vapor saturante,



Par termoelétrico,

2. Radiação



Termômetro à Condução – Vapor Saturante

Semelhante ao de dilatação de líquidos.

Baseando na Lei de Dalton:

"A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume“.

onde:P = pressões absolutas relativas àtemperaturaT = temperaturas absolutasCe = calor latente de evaporação do líquido



VaporBulbo

Bourdon

Líquido volátil

Capilar com glicerina, vapor ou líquido




Líquidos mais utilizados e seus pontos de fusão e ebulição

- 42- 190Propano

- 10- 73Dióxido de enxofre

110- 95Tolueno

34- 119Éter Etílico

- 0,5- 135Butano

- 24- 139Cloreto de Metila

Ponto de ebulição (oC)Ponto de Fusão (oC)Líquido




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

Lt = Lo. ( 1 + .t)onde:t= temperatura do metal em oCLo = comprimento do metal à temperatura inicial de referência toLt = comprimento do metal á temperatura final t = coeficiente de dilatação lineart= t - t o

1. Condução



Vapor saturante,



Par termoelétrico,

2. Radiação



Termômetro à Condução – 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.




Bi-Metálico Helicoidal - Na prática, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade.




Normalmente usa-se o invar (aço com 64% de Fe e 36% de Ni) com baixo coeficiente de dilatação e o latão como metal de alto coeficiente de dilatação.A faixa de trabalho vai aproximadamente de -50 a 800oC, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/-1%.




Consiste de dois condutores metálicos, de natureza distintas. Os fios são soldados em um extremo (juntaquente ou junta de medição).

1. Condução



Vapor saturante,



Par termoelétrico,

2. Radiação



Termômetro à Condução – Termopar (Termocouple)

JUNTA DEMEDIDA

TERMOPAR

BLOCO DELIGAÇÃO

CABO DEEXTENSÃO

JUNTA DEREFERÊNCIA

GRADIENTE DE TEMPERATURA (T)

INSTRUMENTOINDICADOR OUCONTROLADOR

JUNTA DEMEDIDA

TERMOPAR

BLOCO DELIGAÇÃO

CABO DEEXTENSÃO

JUNTA DEREFERÊNCIA

GRADIENTE DE TEMPERATURA (T)

INSTRUMENTOINDICADOR OUCONTROLADOR



Termômetro à Condução – Termopar



Quando se introduz um gerador em um circuito, ao circular umacorrente elétrica "I" pelo circuito, observa-se que em uma das junçõesocorre um resfriamento T, enquanto na outra junção ocorre um aquecimento de mesmo valor. Ao se inverter o sentido da correnteelétrica inverte-se também o efeito de aquecimento e resfriamento nasjunções.

Termômetro à Condução – TermoparEfeito Peltier



A condução de calor ao longo dos fios metálicos de um par termoelétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio.

Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule.

Termômetro à Condução – TermoparEfeito Termoelétrico de Thomson



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.

Junta de mediçãoJunta de referência

Termômetro à Condução – TermoparEfeito Seebeck

Seebeck é efeito o mais importante!



“A f.e.m. medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções.

Termômetro à Condução – TermoparLei do Circuito Homogêneo



“Em um 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.Onde se conclui que:T3 = T4 → E1 = E2T3 T4 → E1 E2

Termômetro à Condução – TermoparLei dos Metais Intermediários



"A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as suas junções as temperaturas T1 e T3, é a soma daf.e.m. deste circuito, com as junções as temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e T3”.

Termômetro à Condução – TermoparLei das Temperaturas Intermediárias

T1 T3T2



x

y

ab

T1

T2

Cu

Cu

RT Rv

Rv é a resistência interna do voltímetro.

RT é a resistência dos fios do termopar acrescido dos fios.

Termômetro à Condução – TermoparCircuito Equivalente

O voltímetro somente irá informar a f.e.m. () se:

Rv >> RT



A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura, normalmente, não élinear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser consideradacomo se o fosse (veja a reta 1).

Termômetro à Condução – TermoparCurva de Calibração

Potência termoelétrica : P = T



Termômetro à Condução – TermoparClassificação

Nobres



Cores de Identificação de Tipo e Polaridade




Termopar tipo “K”


Termopar tipo “R”



• Temperatura limite de uso,

• Meio onde o termopar será exposto,

• Seleção de materiais de tubos e poços de proteção,

• Proteção metálicas,

• Proteção cerâmicas.

Termômetro à Condução – TermoparCuidados



As tabelas existentes da f.e.m. gerada em função da temperatura para os termopares, têm fixado a junta de referência a 0°C.

Porém, nas aplicações práticas, a junta de referência se encontra àtemperatura ambiente.

Termômetro à Condução – TermoparJunta 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.




Transmissor TT301 - SMAR




Termopary

T1T2 Fios de compensação

T3x

Na maioria dos casos o instrumento de medida e o termopar necessitam estarafastados. Os terminais do termopar são conectados a um cabeçote e, a partirdelesão adaptados fios de compensação (mesmas características dos fios do termopar, porém mais baratos) até o instrumento.

Na montagem apresentada acima, o sinal lido no instrumento é proporcional a (T1 - T3).

Termômetro à Condução – TermoparFios de Compensação



Obs.:- Os códigos de cores marcados com o símbolo refere-se somente ao tipo SX.- Devido à não linearidade das curvas FEM x Temperatura dos termopares tipos S, R, B, o erro introduzido no sistema pelo fioou cabo de compensação será variável quando expresso em graus. Portanto os limites de erros são baseados nas seguintestemperaturas das junções de medição:

- Os fios ou cabos WX e VX para termopar tipo K, foram excluidos da ANSI MC 96.1 de 1982.- Junção de referência a 0ºC.




CABEÇOTECABO DE COBRE

REGISTRADOR24 °C

0,960 mV

0,00 mV

20,735 mV

38 °C1,530 mV

538 °C22,265 mV

TC TIPO K

FORNO

+ 20,735 mV+ 0,000 mV+ 0,960 mV

+21,695 mV 525 °C ERRO = - 13 °C

Erros de Ligação * Usando fios de cobre.




CABEÇOTE

CABO TIPO KX

REGISTRADOR24 °C

0,960 mV

0,570 mV

20,735 mV

38 °C1,530 mV

538 °C22,265 mV

TC TIPO K

FORNO

+ 20,735 mV+ 0,570 mV+ 0,960 mV

+ 22,265 mV 538 °C ERRO = 0

* Usando fios de compensação.Erros de Ligação




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.

Termômetro à Condução – TermoparIsolação Mineral

BAINHA

PLUG

JUNTA DEMEDIDA

PÓ ÓXIDO DEMAGNÉSIO

RABICHO POTE

BAINHA

PLUG

JUNTA DEMEDIDA

PÓ ÓXIDO DEMAGNÉSIO

RABICHO POTE

Vantagensa) Estabilidade.b) Resposta Rápida.c) Grande Resistência Mecânica e Flexibilidade.d) Facilidade de Instalação.e) Resistência a Corrosão.f) Blindagem Eletrostática.



Podemos ligar os termopares em série simples para obter a soma das mV individuais.

FEMt = FEM1 + FEM2

FEMt = (2,271-1,00) + (2,023 - 1,00)

FEMt = 1,271 + 1,023

FEMt = 2,294 mV

Termômetro à Condução – TermoparArrranjo em Série (Termopilha)



Termômetro à Condução – TermoparArrranjo em Série (Oposta)

Para medir a diferença de temperatura entre 2



Ligando dois ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento, teremos a média das mV geradas nos diversos termopares se as resistências internas foram iguais.

Termômetro à Condução – TermoparArrranjo em Paralelo



Termômetro à Condução – TermoparAterramento



Termômetro à Condução – TermoparCircuito Balanceado

Resistores adicionais



A maioria dos metaisaumentam a resistência com a temperatura.

Semicondutores diminuem a resistência com a temperatura.

Termômetro à Condução – Termômetros de Resistência

1. Condução



Vapor saturante,



Par termoelétrico,

2. Radiação





1. Mais precisa que o termopar na sua faixa de uso;

2. Pode ser usadas a grandes distâncias;

3. Podem ser usados cabos de cobre comum nas ligações;

4. São mais estáveis que os termopares;

5. Sua curva de resistência elétrica () em função da temperatura é mais linear que os termopares;

6. Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão e ótima repetibilidade de leitura.

VANTAGENS DAS TERMORESISTÊNCIAS EM RELAÇÃO AO TERMOPAR




• A leitura é feita diretamente num ohmímetro.• Os principais metais usados são a Platina (Pt) e o Níquel (Ni).

TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA


TIPOS DE TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICAOs elementos sensores são, basicamente, de dois tipos : TERMISTORES – Resistências com cerâmica ou polímeros

(baixa precisão, maior faixa) Aplicação: Indústria

RTDs – Termoresistências - Resistências com metais. (alta precisão, menor faixa) Aplicação: Laboratórios



Os termistores são sensores fabricados com materiais como cerâmica ou polímeros ou semi-condutores como óxido de magnésio, cobalto, silício ou o germânio dopados com algum outro material como o latão ou determinadas ligas de cobre(???).

Vantagem: tamanho físico muito pequeno.

Termômetro à Condução – Termômetros de ResistênciaTermistores



Coeficiente Negativo (NTC)

Os termistores do tipo NTC podem ser classificados sob quatro tipos principais:

1) De pequenas dimensões físicas,

2) De grandes dimensões físicas,

3) Termistores em bloco,

4) Termistor aquecido indiretamente.




Coeficiente Negativo (NTC)




Seu valor de resistência aumenta rapidamente quando uma determinada temperatura é ultrapassada.

Coeficiente Positivo (PTC)




Os RTDs (Resistance Temperature Detector) são elementos detetores resistivos formados por materiais como Platina, Níquel ou ligas de Cobre-Níquel.

Estes materiais exibem um coeficiente positivo de resistividade.

Termômetro à Condução – Termômetros de ResistênciaTermoresistências - RTDs

Atualmente, as termoresistências de Platina mais usuais são: Pt-25,5, PT-100, PT-120, PT-130, PT-500.



Materiais + utilizados: Pt, Cu ou Ni

* Alta resistividade, melhor sensibilidade,

* Alto coeficiente de variação (R*T),

* Ter rigidez e dutibilidade: fios finos.

Ni/Cu: isolação: esmalte, seda, algodão ou fibra de vidro ( T < 300°C )


Coil elements




Film thermometers



Características da Pt100 (100 Ω à 0°C)* Padrão de Temperatura: - 270 à 660°C,

* Alta estabilidade e repetibilidade,

* Rápido tempo de resposta.




RT = Ro[1 + (T-To)]onde • Ro é a resistência a 0 C, • RT é a resistência na temperatura T e • é o coeficiente de temperatura do metal.




INSTALAÇÃO DE UMA PT-100 NO TROCADOR DE CALOR




CIRCUITO CONDICIONADOR DE SINAL

Em medidas elétricas, diodos, transistores ou termistores, produzem não-linearidade do sinal.

Por isto, RTDs são medidos por um circuito em Ponte de Wheatstone, onde o sensor de temperatura será um dos quatro elementos da ponte


R1 x R3 = R2 x R4

PT100



Ligação à 2 fios: É a maneira mais simples de se ligar uma termoresistência, porém é a menos exata pois o valor das resistências RL1 e RL2 dos fios de ligação são adicionados ao valor de resistência da Pt-100. Usado para distâncias de até 3 metros.

Se R2 >> R3 e R1>> Rsens, R1 = R2 e Rsens = RPT100 + RL1 + RL2

Tem-se EAB = E (Rsens – R3)/R1

E




Obs: Compensa a variação da temperatura ambiente sobre a linha.

Ligação à 3 fios: mais utilizado na indústria.

Fornece uma ligação numa extremidade da termoresistência e duas na outra extremidade.

A ponte estará em equilíbrio quando R1 x (R3 + RL1) = R2 x (RPT100 + RL2) e tem-se: EAB = E ( Rsens/(Rsens+R1) – R1/(R2 + R3 + RL1))

onde R1 = R2 e Rsens = RPT100 + RL2

E




Ligação à 4 fios: tetrapolar

Elimina totalmente a resistência dos cabos de ligação.




Termômetro à Condução – Termômetros de Semicondutores




A tensão Vbe é uma função linear da temperatura



1. Condução



Vapor saturante,



Par termoelétrico,

2. Radiação



Radiação térmica é a radiação eletromagnética emitida por um corpo como resultado de sua temperatura. A radiação térmica corresponde à faixa de comprimentos de onda de 0,1 a 100µm.

Termômetro à Radiação – Termômetros Ópticos




Infrevermelho -40º a 4600ºC

Visivel acima de 1.064,43°C



Termômetro à Radiação Total

Radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detetor do tipo termopilha.



Termômetro à Radiação TotalUtilizado para temperaturas superiores a 550ºC. Alguns tipos mais sensíveis operam em faixas bem mais baixas (50º a 375ºC).

Detetor

Diafragma

Protetor

Sinal do Detetor

Espelho



Termômetro à Condução – Termômetros de ResistênciaSensores de Temperatura Integrados



Termômetro à Condução – Termômetros de ResistênciaSensores de Temperatura Integrados

Block diagram and pinout of TMP-1 monolithic, programmable temperature controller.

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