Transdutores de Temperatura
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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO Escola Politécnica de Pernambuco Aline Victoria Cavalcanti Pereira Daniel Essoudry Maria Rita Carneiro de Albuquerque Franca Rafael José Rodrigues Silva Lucena Yam Assis da Mota Transdutores de Temperatura
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Arquivo desenvolvido na UPE, que trata dos conceitos e definições dos transdutores de temperatura para instrumentação elétrica.
Transcript of Transdutores de Temperatura
UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCOEscola Politécnica de Pernambuco
Aline Victoria Cavalcanti Pereira Daniel Essoudry
Maria Rita Carneiro de Albuquerque FrancaRafael José Rodrigues Silva Lucena
Yam Assis da Mota
Transdutores de Temperatura
Recife, PE2012
Aline Victoria Cavalcanti Pereira Daniel Essoudry
Maria Rita Carneiro de Albuquerque FrancaRafael José Rodrigues Silva Lucena
Yam Assis da Mota
Transdutores de TemperaturaINSTRUMENTAÇÃO
Turma: LH
Este trabalho é uma pesquisa sobre transdutores de temperatura levando-se em conta a teoria aprendida em sala de aula, que foi solicitado e orientado pelo Professor Luciano Rodrigues Lins como requisito total para a disciplina de Instrumentação.
Recife, PE2012
Sumário
Introdução....................................................................................................................8
História da Termometria..............................................................................................9
170 DC.....................................................................................................................9
1592......................................................................................................................... 9
1624......................................................................................................................... 9
1665......................................................................................................................... 9
1694......................................................................................................................... 9
1701......................................................................................................................... 9
1706......................................................................................................................... 9
1742........................................................................................................................10
1780........................................................................................................................10
Séc. XIX..................................................................................................................10
1887........................................................................................................................10
Séc. XX...................................................................................................................10
Transdutores..............................................................................................................11
Classificação de Transdutores...................................................................................12
Simples ou Compostos...........................................................................................12
Ativos ou Passivos.................................................................................................13
CARACTERÍSTICAS DE TRANSDUTORES.............................................................13
Equilíbrio de Zero ou Erro sistemático....................................................................13
Exatidão..................................................................................................................14
Histerese................................................................................................................14
Incerteza Total de Medição....................................................................................14
Erro aleatório..........................................................................................................15
Linearidade.............................................................................................................15
Precisão..................................................................................................................15
Repetibilidade.........................................................................................................16
Resolução...............................................................................................................16
Termômetro...............................................................................................................17
Termômetro à Dilatação Volumétrica........................................................................17
Termômetro à Dilatação Volumétrica em Recipiente de Vidro...............................17
Funcionamento...................................................................................................17
Aplicações:..........................................................................................................18
Recomendação na instalação:.........................................................................19
Características de um Termômetro à dilatação volumétrica em recipiente de vidro.................................................................................................................... 19
Termômetro à Dilatação Volumétrica em Recipiente Metálico...............................19
Elemento de Medição..........................................................................................20
Os materiais mais utilizados na confecção desse tipo de termômetro são:........21
Vantagens:.......................................................................................................21
Desvantagens:.................................................................................................21
Termômetros à dilatação de líquidos.........................................................................21
Termômetros de imersão total................................................................................22
Termômetros de imersão parcial............................................................................22
Termômetro Bimetálico..............................................................................................22
Funcionamento.......................................................................................................23
As vantagens do bimetal são:................................................................................24
As desvantagens são:............................................................................................24
Aplicação................................................................................................................24
Recomendação na instalação.............................................................................24
Recomendação de uso...........................................................................................25
NBR 13881 - Termômetro Bimetálico.....................................................................25
Faixas de indicação (Recomendadas)................................................................25
Para aplicações industriais e comerciais.........................................................25
Para laboratório, termômetros frigoríficos e de bolso......................................26
Calibração...........................................................................................................26
Procedimento...................................................................................................26
Termômetro à Pressão de Gás..................................................................................27
Classe I - Sistemas de líquidos..............................................................................28
Classe II - Sistema de vapor..................................................................................28
Classe III - Sistemas a gás.....................................................................................28
Classe IV - Sistemas de mercúrio..........................................................................28
Aplicação................................................................................................................29
Tipos de Gás de Enchimento.................................................................................29
Material de Construção do bulbo e capilar.............................................................29
Material de Construção do Elemento de Medição..................................................29
Termopares...............................................................................................................29
Junção à massa.....................................................................................................31
Junção flutuante.....................................................................................................31
Junção exposta......................................................................................................31
NBR 12771- Tabela de referência de Termopares.................................................31
Tipos de Termopares:.........................................................................................31
Termopar tipo R (0 a 1600°C):.........................................................................31
Termopar tipo S (0 a 1600°C):.........................................................................31
Termopar tipo B (600 a 1700°C):.....................................................................32
Termopar tipo J (-40 a 750°C):........................................................................32
Termopar tipo T (-200 a 350°C):......................................................................32
Termopar tipo E (-200 a 900°C):......................................................................32
Termopar tipo K (-200 a 1200°C):....................................................................32
Termopar tipo N (-200 a 1200°C):....................................................................32
Fios e cabos de extensão e compensação............................................................32
Termopares de Classe Especial.............................................................................33
Relação Temperatura Máxima x Bitola do Fio........................................................33
Termopares para Metais Não Ferrosos:.................................................................34
Termo resistências RTD e PT100..............................................................................35
Resistores de carbono............................................................................................35
Termômetros da película........................................................................................36
Termômetros Wire-wound......................................................................................36
Elementos Coil.......................................................................................................36
Função....................................................................................................................37
Vantagens de Termorresistência de Platina Pt100................................................38
As fontes de erro comum de uma PRT são............................................................38
Intercambialidade................................................................................................38
Resistência de isolação.......................................................................................39
Repetibilidade.....................................................................................................39
Histerese.............................................................................................................39
Haste de Condução.............................................................................................39
Calibração / Interpolação....................................................................................39
Do cabo...............................................................................................................39
Aquecimento Auto...............................................................................................39
Tempo de Resposta............................................................................................39
Térmica EMF.......................................................................................................40
RTDs X Termopares...............................................................................................40
Quais são os requisitos de temperatura?............................................................40
Quais são os requisitos de tempo de resposta?.................................................40
Quais são os requisitos de tamanho?.................................................................40
Quais são os requisitos de precisão e estabilidade?..........................................40
Construção.............................................................................................................41
Configurações de fiação.........................................................................................42
Configuração a dois fios......................................................................................42
Configuração de três fios....................................................................................42
Configuração de quatro fios................................................................................43
Termistores NTC e PTC............................................................................................44
Pirômetro Óptico........................................................................................................46
Pirômetros..............................................................................................................46
Pirômetro Óptico.....................................................................................................47
Pirômetros de radiação..............................................................................................48
Detectores térmicos................................................................................................49
Detectores de fótons..............................................................................................49
Características e Aplicações dos Pirômetros.........................................................50
Pirômetro Fotoelétrico................................................................................................50
Conclusão..................................................................................................................52
Referências Bibliográficas.........................................................................................53
Tabela de Figuras
Figura 1 - Termômetro de Ar Galileu.........................................................................10
Figura 2 - Termômetro da Academia Florentina de Ciências....................................10
Figura 3 - Representação esquemática de um Transdutor........................................11
Figura 4 - Transdutor simples....................................................................................12
Figura 5 - Transdutor composto.................................................................................12
Figura 6 - Diagrama de um transdutor passivo..........................................................13
Figura 7 - Termômetro à dilatação volumétrica em recipiente de vidro.....................18
Figura 8 - Características dos líquidos usados nos Termômetros.............................18
Figura 9 - Termômetro à Dilatação volumétrico em recipiente metálico....................20
Figura 10 - Tubo de Bourdon (Elementos)................................................................20
Figura 11 - Termômetros de imersão total e parcial..................................................22
Figura 12 - Equação da dilatação linear dos metais com a temperatura...................22
Figura 13 - Termômetro Bimetálico...........................................................................23
Figura 14 - Termômetro à Pressão de Gás...............................................................27
Figura 15 - Termopar.................................................................................................30
Figura 16 - Diferentes formas de ligação da junção com a ponta de prova...............31
Figura 17 - Curvas características de Termopares....................................................32
Figura 18 - Cores de Termopares..............................................................................34
Figura 19 - Termopar para Metal Não Ferroso..........................................................35
Figura 20 - Termômetro de Película..........................................................................36
Figura 21 - Termômetro Wire-wound.........................................................................36
Figura 22 - Termômetro com elementos Coil............................................................37
Figura 23 - Construção..............................................................................................41
Figura 24 - Configuração a dois fios..........................................................................42
Figura 25 - Configuração a três fios...........................................................................42
Figura 26 - Configuração a quatro fios......................................................................43
Figura 27 - Símbolo de um Termistor........................................................................44
Figura 28 - Espectro das Radiações eletromagnéticas.............................................46
Figura 29 - Diagrama Esquemático de um pirômetro óptico......................................47
Figura 30 - Funcionamento de um Pirômetro de Radiação.......................................48
Figura 31 - Efeito Hall................................................................................................50
Introdução
Após um período de latência durante os anos 70, onde a explosão dos
métodos numéricos prometia a solução da maioria dos problemas de engenharia, as
técnicas experimentais ressurgem assegurando sua posição não só na própria
validação desses métodos, mas como ferramentas indispensáveis na pesquisa de
base ou aplicadas. No meio industrial a automatização de processos passou a
requerer um maior conhecimento das variáveis envolvidas, exigindo uma
instrumentação mais ampla e confiável.
No domínio de Ciências Térmicas a medição da temperatura tem papel
fundamental. Visando uma melhor formação do engenheiro, e do pesquisador, esse
material foi preparado sem a ambição de esgotar o assunto relativo à
instrumentação, mas apresentar os princípios básicos dos instrumentos mais
empregados no campo da engenharia. Alguns dos itens foram adaptados e
condensados a partir da obra de Kamal, 1986, "Técnicas de Medidas e
Instrumentação em Engenharia".
O controle de temperatura é uma das etapas (entre outras) necessárias em
diversos processos industriais, pois qualquer material sofre influência das variações
da mesma. Podemos citar como exemplo: processos químicos, tratamentos
térmicos, caldeiras, etc. Podemos dividir os medidores de temperatura em dois
grandes grupos. O primeiro grupo são os de contato direto e tem como exemplos:
Termômetro à dilatação (de líquidos e de sólido); Termômetro à pressão (de líquido,
de gás e de vapor); Termômetro a par termoelétrico e Termômetro à resistência
elétrica.
E o segundo grupo são os de contato indireto e tem como exemplos os
Pirômetros (Óptico, Fotoelétrico e de Radiação). Através deste trabalho
abordaremos os princípios desses medidores de temperatura, relatando as
principais semelhanças e diferenças, vantagens e desvantagens de cada um tendo
como objetivo definir qual medidor é mais indicado para determinadas situações de
controle de temperatura.
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...”.
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.
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).
9
1742 – Anders Celsius propôs uma escala 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.
Séc. XIX – na sua 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 Comitê Internacional 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.
10
Figura 1 - Termômetro de Ar Galileu.
Figura 2 - Termômetro da Academia Florentina de Ciências.
Transdutores
As definições de transdutores encontradas na literatura são muito
diversificadas. Algumas são muito abrangentes e outras bastantes restritivas.
Compilando-se as diversas definições pode-se dizer que:
“Transdutor é um dispositivo que converte um estímulo (sinal de entrada) em
uma resposta (sinal de saída) proporcional adequado à transferência de energia,
medição ou processamento de informação. Em geral o sinal de saída é uma
grandeza física de natureza diferente do sinal de entrada”.
Desta forma, qualquer dispositivo ou componente que se enquadre nesta
definição pode ser visto como um transdutor. Esquematicamente, representa-se um
transdutor através de um retângulo indicando o estímulo (sinal de entrada) e a
resposta (sinal de saída).
Figura 3 - Representação esquemática de um Transdutor.
Assim, são exemplos de transdutores:
Um resistor onde a energia elétrica é convertida em energia térmica (calor);
Um microfone onde a energia acústica é convertida em energia elétrica;
Um cristal piezelétrico onde a energia elétrica é convertida em energia
mecânica;
Um solenoide onde a energia elétrica é convertida em energia mecânica;
Um termômetro de mercúrio onde variações de temperatura são convertidas
em variações de dilatações mecânicas da coluna de mercúrio;
Um termopar onde diferenças de temperatura entre as junções são
convertidas em tensões elétricas.
11
Todo transdutor tem internamente um sensor, nome dado ao elemento do
transdutor que “sente”, geralmente a ponta do transdutor. O transdutor é o
componente completo, com amplificação de sinal, adequação à saída, invólucro, etc.
Classificação de Transdutores
Simples ou Compostos
Um transdutor é do tipo SIMPLES quando possui apenas um estágio de
transdução entre a entrada e a saída, como por exemplo: um termistor ou um
extensômetro de resistência elétrica. A Fig. 4 esquematiza um transdutor simples
onde o único estágio A é representado através de um retângulo indicando o estímulo
G da entrada e o sinal de saída O. Se SA é a Função de Transferência do
transdutor, então O = SA • G.
Figura 4 - Transdutor simples.
Um transdutor é do tipo COMPOSTO quando possui mais de um estágio de
transdução entre a entrada e a saída. A Fig. 5 esquematiza um transdutor S
composto de três estágios (A B C) de transdução. Em cada estágio ocorre pelo
menos uma alteração da natureza da informação. Em A, ela passa de G para T
sendo T = SA • G e SA é a Função de Transferência do estágio A. Em B, ela passa
de T para R sendo R = SB • T e em C, ela passa de R para E sendo E = SC • R. O
estágio A pode ser considerado o estágio sensor e o transdutor pode ter apenas
uma Função de Transferência descrita da forma O = SC • SB • SA • G.
Figura 5 - Transdutor composto.
12
Ativos ou Passivos
Um transdutor pode ser ainda do tipo ATIVO ou PASSIVO. Diz-se que ele é
ATIVO quando sua resposta é gerada espontaneamente em função do próprio
estímulo (termopar, célula fotovoltaica, etc.). Será PASSIVO quando necessitar de
uma fonte de energia externa (LVDT, célula de carga, etc.). A Fig. 6 esquematiza um
transdutor passivo com sua necessária excitação E. A resposta O é proporcional ao
estímulo G sendo O = f(G, E), ou seja, O depende de G e também do nível de
excitação E.
Figura 6 - Diagrama de um transdutor passivo.
CARACTERÍSTICAS DE TRANSDUTORES
Nem todos os PROCESSOS DE TRANSDUÇÃO, ou os próprios dispositivos
transdutores, apresentam uma relação direta e inequívoca entre a grandeza a ser
medida e o sinal elétrico disponível. Muitos erros devido a diversos fatores, como o
efeito físico que rege a transdução (termelétrico, piezoelétrico, fotocondutivo, etc.) ou
as características inerentes ao sensor (tamanho, interferência no meio, faixa de
operação, etc.), provocam dúvidas quanto ao valor que nos é apresentado pelo
mostrador, seja digital ou analógico. Por causa disto, os sensores possuem várias
especificações que procuram caracterizar com clareza os erros inerentes a todo o
PROCESSO DE TRANSDUÇÃO.
Equilíbrio de Zero ou Erro sistemático
Se um sensor em pleno funcionamento possui carga zero na sua entrada, o
sinal de saída deve ser também zero. Caso haja um desvio comum e esperado
deste ponto, este valor deve ser somado/subtraído do valor final que é apresentado.
No entanto, a maioria dos transdutores possuem ajustes que permitem fazer esta
13
adição/subtração automaticamente ou por intermédio de um dispositivo mecânico
(normalmente um potenciômetro). Mesmo assim, ainda pode existir uma mínima
diferença que deve ser indicada pelo fabricante, normalmente como uma
percentagem do Fundo de Escala de operação do transdutor.
Muitas vezes é difícil determinar o erro sistemático. Para isso se faz uso da
média de várias medidas, considerando-se o erro sistemático como sendo a
diferença entre a média e o valor considerado como verdadeiro (que deve ser
conhecido por meio de padrões).
Exatidão
Um transdutor é dito exato se ele consegue apresentar (medir no caso do
sensor, e gerar ou alterar a saída no caso do atuador) o valor real da grandeza com
que se está trabalhando. Ou seja, podemos confiar no valor que aparece no display.
Devido a erros de linearidade ou equilíbrio de zero, é comum que as leituras feitas
por sensores sejam diferentes do valor real de uma quantidade mínima que deve ser
informado pelo fabricante na forma de um valor absoluto ou percentual.
Apesar de ser um termo que tem sido abandonado pela metrologia, ainda é
um termo muito comum.
Histerese
Alguns transdutores tem a capacidade de apresentar dois valores distintos de
saída para uma mesma carga aplicada na entrada. Este diferença acontece se a
carga foi aplicada de modo crescente (do zero até o valor máximo) ou decrescente
(do Fundo de Escala até zero). Geralmente, a maior diferença se dá em torno do
meio da escala e deve ser informada pelo fabricante através de um valor absoluto ou
de um percentual do Fundo de Escala. Este erro deve ser considerado em toda a
escala, embora só aconteça na região central.
Incerteza Total de Medição
Considera-se a incerteza toda a diferença entre o valor real e o valor medido,
incluindo desta forma todos os erros, determinísticos ou não. Esta incerteza, dada
normalmente em valor absoluto ou percentual do Fundo de Escala, indicaria que
14
qualquer valor apresentado pelo transdutor teria um erro esperado e que deveria ser
considerado pelo usuário.
Erro aleatório
Considera-se o erro aleatório, do ponto de vista da Teoria de Erros, aqueles
erros que não se comportam de maneira previsível, de causas incertas, como
deficiências de componentes e ruídos aleatórios, além de fenômenos não
repetitivos.
Em geral pode-se considerar como um erro aleatório a diferença entre o valor
medido e a média. Para se determinar o erro aleatório “geral” de várias medidas,
costuma-se usar a Repetitividade (Re), calculado pela equação:
Re = ± t.s
Onde t é o coeficiente “t” de Student2 em função da probabilidade desejada e
o número de medidas efetuadas, s é o desvio padrão das medidas e "Re" representa
a faixa de dispersão dos dados dentro do qual se situa o erro aleatório (normalmente
para probabilidade de 95%).
Linearidade
Se um determinado transdutor apresenta uma saída y para uma entrada x,
espera-se que se a entrada for dobrada, 2x, a saída também o seja, 2y. Este é o
conceito de linearidade: se a entrada aumenta em uma determinada quantidade (a
partir de qualquer valor), o sinal de saída deve aumentar proporcionalmente. Porém,
nem sempre isto ocorre. O caso dos potenciômetros logarítmicos é um exemplo:
uma pequena rotação o potenciômetro no início da escala tem uma variação
completamente diferente da mesma rotação no final do curso. Este tipo de erro deve
ser indicado pelo fabricante através de um índice percentual em relação ao Fundo
de Escala ou de um valor absoluto. Este valor indicará que qualquer medida
apresentada no mostrador pode apresentar este erro, para mais ou para menos.
Precisão
Também é um termo, tal como a exatidão, que tem sido deixado de lado na
Metrologia, mas que, por ser ainda muito usado, vamos mantê-lo aqui. É a
capacidade de traduzir, o mais fielmente possível, o valor real de uma variável. Esta
15
capacidade está associada ao número de algarismos significativos da medida. Pela
Teoria de Erros, o último algarismo significativo de uma medida é sempre duvidoso,
pois o instrumento teve que truncar ou arredondar o valor real para poder apresentá-
lo ao usuário. Muitas vezes a culpa é do próprio usuário ao fazer a leitura de
mostradores analógicos, “chutando” a posição da escala. Logo, se uma régua mede
37 cm, na realidade, poderíamos duvidar se a medida correta é 36 ou 38 cm. No
entanto, se outra régua conseguisse medir 37,82 cm, a dúvida estaria quanto aos
décimos de milímetros (0,81 ou 0,83 cm). Porém, deve-se tomar cuidado, pois um
instrumento que apresente 10 casas decimais pode ser muito menos confiável do
que outro que possua apenas 4 casas. Existem muitos outros critérios que se deve
levar em conta em relação à qualidade de um equipamento.
Repetibilidade
É a capacidade do transdutor de fornecer sempre o mesmo valor de saída
quando se aplica a mesma carga. A maioria dos dispositivos possui uma
característica comum de se desviar do valor correto a ser medido com o passar do
tempo, conhecido como drift (desvio). Ao longo de um dia, podem ocorrer variações
do ambiente (temperatura, pressão, umidade) ou mesmo aquecimento dos
componentes que alteram as medidas realizadas no final do dia em relação ao início
dos trabalhos. Ao longo da vida útil do aparelho, variações bruscas de temperatura,
pressão, concentração de gases, etc., e o que se conhece por estafa ou
envelhecimento dos componentes provocam diferenças de valores fornecidos entre
um dispositivo novo e outro já muito utilizado.
Resolução
Este conceito indica o quanto a entrada deve variar para que a saída também
apresente variações. Também pode ser entendido como a menor unidade
mensurável ou detectável pelo transdutor, a partir de um valor mínimo. Por exemplo,
um voltímetro pode medir valores com resolução de 1 mV dentro de uma escala
entre 1 V e 10 V. Em geral instrumentos possuem várias escalas, para que a
resolução seja a menor possível para determinadas faixas de medição.
16
Termômetro
Genericamente, instrumento que mede temperatura. Em instrumentação, se
aplica geralmente a indicadora local de temperatura. Os termômetros apresentados
a seguir são elementos passivos, já que utilizam princípios físicos para a medição de
temperatura, não sendo alimentados e nem transformando nenhum tipo de energia.
Termômetro à Dilatação Volumétrica
São baseados no fenômeno de dilatação aparente de um líquido dentro de
um recipiente fechado.
V = Vo (1 + ρa*t)
Onde:
V = volume aparente à temperatura t.
Vo = volume aparente à temperatura 0º.
ρa = coeficiente de dilatação aparente do líquido.
t = temperatura do líquido
Podem ser de vidro transparente ou de recipiente metálico.
Termômetro à Dilatação Volumétrica em Recipiente de Vidro
É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade
desejada, soldada 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.
Funcionamento
A expansão volumétrica do líquido é maior que a do vidro, assim, quando se
aplica calor ao bulbo de vidro, o líquido se expande mais rapidamente que o bulbo
de vidro esta diferença na expansão aliada ao princípio da capilaridade permite ao
líquido subir no tubo capilar de vidro (menisco), que é fixo ao bulbo.
17
Figura 7 - Termômetro à dilatação volumétrica em recipiente de vidro.
Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona.
A Fig. 8 apresenta o ponto de solidificação e de ebulição desses líquidos,
assim como as suas faixas de uso.
Figura 8 - Características dos líquidos usados nos Termômetros.
Obs.: Para o caso do mercúrio, cuja faixa normal é de 38 a 350°C, pode-se
elevar este limite até 550°C mediante emprego de vidro adequado e injeção de um
gás inerte sob pressão, pois isto faz com que se evite a vaporização do mercúrio.
Aplicações:
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; e
c) Onde as respostas podem ser lentas (Resposta rápida não faz necessária).
18
Recomendação na instalação:
1. Não utilizar nos pontos em que haja mudanças bruscas de temperatura,
pois poderia trincar o capilar de vidro;
2. Para evitar erros devido a temperatura ambiente, o bulbo deverá estar
completamente imerso;
3. Instalar o bulbo dentro de um poço metálico para proteção mecânica,
resistência à corrosão e permitir retirada em operação;
4. O bulbo do termômetro deve ser instalado na mesma direção e sentido
oposto ao do fluxo, afim de que a vazão média do fluido seja suficiente para dar uma
rápida transferência de calor.
Características de um Termômetro à dilatação volumétrica em recipiente
de vidro
Capela: Alumínio laminado.
Faixas: Desde -40 até 600ºC.
Líquido: Éter vermelho ou mercúrio.
Haste: Aço inoxidável AISI 304.
Ligação: Vertical ou angular.
Precisão: 1% F.E.
Números: Pretos em baixo relevo.
Vidro: Opalino.
Conexões: Industriais e sanitárias.
Termômetro à Dilatação Volumétrica 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
Figura 9 - Termômetro à Dilatação volumétrico em recipiente metálico.
a) Bulbo: suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e
principalmente com a sensibilidade desejada.
b) 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.
c) Elemento sensor: o elemento usado é o tubo de Bourdon. Normalmente
são aplicados nas indústrias em geral, para indicação e registro.
Elemento de Medição
O elemento usado é o tubo de Bourdon, podendo ser:
a) Tipo C
b) Tipo Helicoidal
c) Tipo Espiral
20
Figura 10 - Tubo de Bourdon (Elementos).
Os materiais mais utilizados na confecção desse tipo de termômetro
são:
Bronze Fosforoso;
Cobre;
Berílio;
Aço Inox;
Aço Carbono.
Termômetro em recipiente de vidro X Termômetro em recipiente de metal:
Vantagens:
O termômetro de vidro é de baixo custo;
O termômetro de metal é o mais preciso dentro os sistemas mecânicos de
medição.
Desvantagens:
Tempo de resposta grande (> 5 min.);
Dificuldade de medir objetos em movimento;
Não recomendável para controle;
Grande fragilidade.
Termômetros à dilatação de líquidos
21
Trata-se do instrumento mais utilizado na medição da temperatura, devido à
facilidade de operação, baixo custo e grande variedade de aplicação. Seu princípio
de funcionamento está baseado na expansão de um líquido em função da
temperatura. O líquido é contido em um bulbo, expandindo em um tubo capilar. O
mercúrio é o líquido mais comumente utilizado no intervalo de 38°C a 540°C, sendo
que o intervalo inferior é limitado pelo ponto de congelamento do mercúrio e o ponto
superior pela resistência do vidro. Um gás inerte é normalmente utilizado para
preencher o espaço acima do mercúrio. Para temperaturas mais baixas outros
líquidos podem ser usados, como álcool (até - 62°C), pentano (até -200°C) e mistura
de propano (até -217°C).
Termômetros de imersão total - Nesse tipo de termômetro a coluna do
líquido deve ser totalmente submersa no fluido medido. A fim de facilitar a leitura,
permite-se que uma pequena porção da coluna sobressaia, apesar de gerar um
pequeno erro.
Termômetros de imersão parcial - Os termômetros de imersão parcial são
calibrados para leitura correta quando imersos numa quantidade definida com a
porção exposta numa temperatura definida. Se a parte exposta estiver a uma
temperatura diferente da temperatura de calibração, uma correção deve ser
aplicada. Eles são menos precisos que o tipo de imersão completa, contudo mais
fáceis de operar.
Figura 11 - Termômetros de imersão total e parcial.
22
Termômetro Bimetálico
A operação deste tipo de termômetro se baseia no fenômeno da dilatação
linear dos metais com a temperatura.
Figura 12 - Equação da dilatação linear dos metais com a temperatura.
Na prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o
que aumenta mais ainda a sensibilidade do sistema conforme a figura 13. O
termômetro mais usado é o de lâmina bimetálica helicoidal. E consiste de um tubo
bom condutor de calor, do interior do qual é fixada um eixo que por sua vez recebe
um ponteiro que se desloca sobre uma escala. Normalmente o eixo gira de um
ângulo de 270º para uma variação de temperatura que cubra toda a faixa do
termômetro.
Figura 13 - Termômetro Bimetálico.
23
Funcionamento
O princípio de funcionamento é simples dois metais com coeficientes de
dilatação térmica diferentes são soldados formando uma única haste. A uma
determinada temperatura, a haste dos dois metais está numa posição; quando a
temperatura varia, a haste modifica a sua posição produzindo uma força ou um
movimento. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento
que é proporcional a temperatura.
As partes do termômetro a bimetal são:
1. O sensor, em contato direto com a temperatura.
2. Os elos mecânicos, para amplificar mecanicamente os movimentos
gerados pela variação da temperatura, detectada pelo bimetal.
3. A escala acoplada diretamente aos elos mecânicos, para a indicação da
temperatura medida.
4. Opcionalmente, pode-se usar o sistema de transmissão.
As vantagens do bimetal são:
1. Baixo custo;
2. Simplicidade do funcionamento;
3. Facilidade de instalação e de manutenção;
4. Largas faixas de medição;
5. Possibilidade de ser usado com os mecanismos de transmissão.
As desvantagens são:
1. Precisão ruim;
2. Não linearidade de indicação;
3. Grande histerese;
4. Presença de peças moveis que se desgastam;
5. Facilidade de perder calibração.
Aplicação
Estes termômetros têm aplicação similar às dos termômetros de vidro, porém,
por serem resistentes, admitem condições de trabalho mais pesados.
24
Atualmente é o indicador de temperatura local mais utilizado na área
industrial.
A principal aplicação para o termômetro a bimetal é em indicação local de
temperaturas de processo industrial, em processos químicos, petroquímicos,
alimentícios, usinas geradoras de energia, papel e celulose e indústrias em geral. É
muito usado para controle comercial e residencial de temperatura associado a ar
condicionado e refrigeração.
Recomendação na instalação
Utilizar sempre poço protetor metálico para evitar corrosão, dar proteção
mecânica e permitir manutenção com o processo em operação.
1. Em baixa temperatura a caixa do termômetro bimetálico deve ser
hermeticamente selada para evitar que a penetração da umidade venha a formar
gelo, prejudicando os componentes internos do instrumento.
2. Para evitar erros devido à temperatura ambiente, o bimetálico deve estar
completamente imerso no fluido.
3. A velocidade do fluido deve ser bastante alta a fim de assegurar uma
rápida transferência de calor.
Recomendação de uso
1. Faixa de especificação: -40 a 535°C;
2. O latão é útil até aproximadamente 150°C;
3. Acima de 150°C, deve-se usar liga de Níquel-Cromo;
4. Calibração por comparação.
NBR 13881 - Termômetro Bimetálico
Recomendações de fabricação e uso - Terminologia, segurança e calibração
Objetivos: Fixa as condições exigíveis do termômetro bimetálico para uso industrial,
no que concerne aos aspectos de terminologia, recomendações gerais dimensionais
e construtivas, especificações de segurança e de utilização e procedimentos de
ensaio. Promover a intercambialidade, estabelecendo uma série de hastes dom
dimensões padronizadas preferenciais, tais como comprimento e diâmetros.
25
O sensor a bimetal integral ao instrumento não pode ser calibrado
isoladamente, mas somente pode ser inspecionado visualmente, para verificar
corrosão ou danos físicos evidentes. O que se faz é calibrar o sistema de indicação,
colocando-se o termômetro em um banho de temperatura e comparando as
indicações do termômetro com as indicações de um termômetro padrão colocado
junto. O termômetro a bimetal pode ser calibrado e, se necessário, ajustado nos
pontos de zero e de amplitude de faixa.
Faixas de indicação (Recomendadas)
Para aplicações industriais e comerciais
•- 30°C a 70°C
• 0°C a 60°C
• 0°C a 100°C
• 0°C a 160°C
• 0°C a 250°C
• 0°C a 400°C
Para laboratório, termômetros frigoríficos e de bolso
•- 50°C a 50°C
• 0°C a 60°C
• 0°C a 100°C
• 0°C a 160°C
• 0°C a 250°C
• 0°C a 400°C
Calibração
Conceito de exatidão: grau de concordância verificada na comparação de
indicadores de temperatura entre o valor observado no instrumento e um valor aceito
como verdadeiro. Considera-se o erro máximo admissível aquele resultado desta
comparação, expresso em porcentagem da faixa de indicação do instrumento. O
erro de exatidão inclui histerese e repetibilidade, mas não o erro causado por atrito
ou paralaxe.
26
Procedimento
Do começo ao fim da calibração, a temperatura do banho deverá ser medida
usando-se um padrão de referência calibrado com uma exatidão quatro vezes
melhor que o termômetro a ser calibrado. Imergir a haste do termômetro até a
profundidade recomendada pelo fabricante. Antes de iniciar a calibração efetuar um
pré-ciclo de imersão da haste em banhos quente e frio com temperaturas perto dos
valores máximo e mínimo da faixa nominal. As leituras devem ser tomadas
aproximadamente a:
a) 10% da faixa de indicação
b) 50% da faixa de indicação
c) 100% da faixa nominal de indicação
De forma crescente e decrescente em pelo menos dois ciclos de ensaios para
verificação de histerese e repetibilidade. O termômetro pode ser levemente batido
antes de cada leitura, de modo a minimizar os erros de atrito.
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.
O principio de funcionamento desse tipo de instrumento também está
baseado na expansão de um fluido em função da temperatura, mas nesse caso em
um ambiente confinado, tendo como resultado um aumento da pressão. O sistema é
geralmente composto de um bulbo, um tubo capilar para transmitir as pressões, um
sensor de pressão (tubo de Bourdon, fole, etc.) junto com um sistema de indicação
adequado. Muitos podem apresentar complexos sistemas de compensação de
temperatura.
27
Figura 14 - Termômetro à Pressão de Gás.
Eles podem ser classificados em 4 classes, segundo o fluido que preenche o
sistema:
Classe I - Sistemas de líquidos (excluindo mercúrio) - O sistema é
totalmente preenchido com líquido. O tolueno é normalmente utilizado, dado seu alto
coeficiente de expansão, operando entre – 40ºC e 400 ºC. Éter e álcool também são
usados.
Classe II - Sistema de vapor - O sistema é parcialmente preenchido com
líquido, onde a pressão de vapor, segundo a lei de Dalton, é somente dependente
da temperatura. A interface líquido/vapor deve obrigatoriamente localizar-se no
bulbo, que é o ponto onde se deseja medir a temperatura. O tubo capilar e o tubo de
Bourdon devem estar completamente preenchidos de líquido, caso operem a uma
temperatura mais baixa que o bulbo a fim de evitar a condensação. Caso operem a
uma temperatura mais alta, devem estar preenchidos somente com vapor, a fim de
garantir a interface líquido/vapor no bulbo. Um artifício utilizado para eliminar
possíveis erros de operação consiste em introduzir um diafragma separador no
bulbo. O tubo capilar e o de Bourdon são então preenchidos com um líquido não
volátil.
O sistema de vapor é o mais usado de todos os sistemas de pressão dado
seu baixo custo e sua confiabilidade. A faixa de operação vai de - 30 a 120 ºC para
sistemas a dióxido de enxofre, e de 65 a 200ºC para sistemas preenchido com
álcool.
28
Classe III - Sistemas a gás - Nesse sistema a operação é controlada pela lei
de Boyle e Charles para gases ideais, ou seja, a pressão absoluta do gás é
proporcional à temperatura absoluta quando o volume é mantido constante. Erros
por causa da mudança da temperatura ambiental são graves e devem ser corrigidos.
A faixa de utilização vai de - 240 a 550ºC para um gás inerte sob pressão moderada.
Classe IV - Sistemas de mercúrio - É idêntica à classe I, sendo que o
sistema é preenchido com mercúrio. É um sistema que apresenta resultados
bastante satisfatórios, sendo comum a sua utilização. A faixa de operação vai de -
38 a 550ºC.
Aplicação
Para processos químicos e petroquímicos, alimentícios, papel e celulose.
Tipos de Gás de Enchimento
-Hélio (He);
-Hidrogênio (H2);
-Nitrogênio (N2) (Faixa: -100 a 600ºC);
-Dióxido de Carbono (CO2).
Material de Construção do bulbo e capilar
-Aço, Aço inox, Cobre, Latão e Monel.
Material de Construção do Elemento de Medição
Cobre-Berílio, bronze fosforoso, aço e aço inox.
Termopares
O elemento termopar consiste em dois fios de diferentes ligas metálicas,
emendados juntos num ponto onde será medida a temperatura. Esta junção gera
uma pequena tensão quando aquecida. Esta tensão é em função da temperatura da
junção.
29
A relação entre a temperatura da junção e a tensão de saída varia para
diferentes tipos de termopares. No instrumento de medição, a tensão do termopar na
junta de referência depende do material do fio do termopar a da diferença de
temperatura entre a junção sensora e a junção de referência.
A temperatura da junção de referência deve ser mantida constante. Se isto
não for possível, a conexão do termopar ao instrumento de medição deve ser feita
usando um cabo de compensação . Por este método, o sinal de saída do termopar
pode ser transmitido, para temperatura acima de 200°C , sem perda significantes de
precisão.
Figura 15 - Termopar.
Existem diferentes tipos de termopares, função dos metais utilizados e do
calibre dos fios utilizados. Os quatro tipo mais comuns de termopares são o J (os
metais usados são de ferroconstant), K (os metais usados são Chromega®-
Alomega®, Cromoniquel-alumen), T (os metais usados são cobre-constant) e (os
metais usados são Chromega-Constantan). Cada um deles tem uma faixa específica
de medida de temperaturas. O processo de seleção do termopar mais adequado a
uma dada aplicação deve ter em conta:
(1) faixa de temperaturas a usar;
(2) resistência química do termopar ou da sua bainha de proteção ao meio
ambiente onde vai ser usado;
(3) resistência à abrasão e às vibrações;
(4) compatível com a instalação pretendida,
(5) compatibilidade do diâmetro e forma de apresentação do termopar (não
encapsulado ou encapsulado), função da aplicação pretendida.30
No processo de seleção de um termopar deve-se também ter em conta que a
junção pode ser blindada e poderá estar numa das 3 configurações possíveis: à
massa, flutuante ou exposta.
À massa:
Flutuante:
Exposta:
Junção à massa, os fios do termopar estão fisicamente ligados à parte
interior da ponta de prova/blindagem. Tal faz com que existe uma boa transferência
de calor do exterior para a junção através das paredes da ponta de prova/blindagem.
Este tipo de junção é recomendada para medições de temperatura estacionárias ou
em que existam gases corrosivos ou elevadas temperaturas ou pressões.
Junção flutuante, a junção não se encontra ligada às paredes da ponta de
prova ou blindagem. Embora possua tempos de resposta baixos, a vantagem que
oferece é do seu isolamento elétrica, de cerca de 500 MΩ a 500 Vdc.
Junção exposta, esta se encontra em contato direto com o ambiente cuja
temperatura se pretende determinar. Este tipo de configuração está associada a
sistemas com os melhores tempos de resposta mas está limitada a meios não
corrosivos e não pressurizados.
A constante de tempo do termopar é definida como correspondo ao intervalo
de tempo necessário para que o sensor atinja 63,2% do valor da temperatura
pretendido, sob determinadas condições, bem especificadas.
Os diâmetros padrões dos termopares são: 0.010", 0.020", 0.032", 0.040",
1/16", 1/8", 3/16", e 1/4", com 2 fios. Normalmente, o terminal negativo (menor
potencial) do termopar corresponde à cor vermelha.
31
Figura 16 - Diferentes formas de ligação da junção com a ponta de prova.
NBR 12771- Tabela de referência de Termopares
Objetivo: Esta norma estabelece as tabelas de referência usadas na
conversão de força eletromotriz térmica gerada pelo termopar em função da
temperatura.
Tipos de Termopares:
Termopar tipo R (0 a 1600°C): Composto de platina pura (-) e uma liga de
platina (+) contendo um teor de ródio o mais próximo possível de 13% em peso.
Termopar tipo S (0 a 1600°C): Compostos de platina pura (-) e uma liga de
platina (+) contendo um teor de ródio o mais próximo possível de 10% em peso
Termopar tipo B (600 a 1700°C): Feito de ligas cujas composições nominais
em peso são platina - 30% ródio (+) e platina - 6% ródio (-).
Termopar tipo J (-40 a 750°C): Compostos de ferro comercialmente puro (+) e
uma liga de níquel (-) contendo 45% a 60% de cobre em peso, conhecida com
constantan.
Termopar tipo T (-200 a 350°C): Compostos de cobre comercialmente puro
(+) e uma liga de níquel (-) contendo 45% a 60% de cobre em peso.
Termopar tipo E (-200 a 900°C): Compostos de ligas comerciais do tipo
níquel-cromo (+) e níquel cobre (-).
Termopar tipo K (-200 a 1200°C): Compostos de ligas comerciais do tipo
níquel-cromo (+) e níquel manganês-silício-alumínio (-).
Termopar tipo N (-200 a 1200°C): Compostos de ligas níquel-cromo-silício (+)
e níquel-silício (-).
32
Figura 17 - Curvas características de Termopares.
Fios e cabos de extensão e compensação
Fios e cabos de extensão e compensação (ou fios e cabos compensados),
nada mais são que outros termopares, cuja função além de conduzir o sinal gerado
pelo sensor, é a de compensar os gradientes de temperatura existentes entre a
junção de referência (cabeçote) do sensor e os bornes do instrumento, gerando um
sinal proporcional de milivoltagem a este gradiente.
Fios e Cabos de Extensão são condutores fabricados com as mesmas ligas
dos termopares a que se destinam; portanto apresentam a mesma curva F.E.M. x
temperatura. Os fios e cabos de extensão são usados com os termopares de base
metálica ou básicos tipo T, J, E e K. Apesar de possuírem as mesmas ligas dos
termopares, apresentam um custo menor devido a limitação de temperatura que
podem ser submetido, pois sua composição química não é tão homogênea quanto a
do termopar.
Fios e Cabos de Compensação são os condutores fabricados com ligas
diferentes dos termopares a que se destinam, mas também apresentando a mesma
curva F.E.M. x temperatura dos termopares.
São usados principalmente com os termopares nobres (feitos a base de
platina) tipos S e R, porém pode-se utilizá-lo em alguns termopares básicos e com
os novos tipos que ainda não estão normalizados.
33
Termopares de Classe Especial
Conforme verificado nas tabelas anteriores, existem 2 classes de precisão
para termopares; a Classe Standard que é a mais comum e mais utilizada e a
Classe Especial também chamada de "Premium Grade". Estes termopares são
fornecidos na forma de pares casados; ou seja, com características de ligas com
graus de pureza superiores ao Standard. Além disso, há também todo um trabalho
laboratorial para adequar num lote de fios, aqueles que melhor se adaptam (casam
entre si), conseguindo com isso uma melhor precisão na medição da temperatura.
Relação Temperatura Máxima x Bitola do Fio
Os termopares têm limites máximos e mínimos de aplicação que são funções
das características físicas e termelétricas dos fios. Os limites mínimos segundo a
ANSI MC 96.1 são -200ºC para os tipos T, E e K, 0ºC para os tipos S e R e 800ºC
para o tipo B. Os limites superiores dependem do diâmetro do fio utilizado na
construção dos termopares.
34
Figura 18 - Cores de Termopares.
Termopares para Metais Não Ferrosos:
Os termopares de inversão IOPE apresentam uma boa precisão, rápida
resposta e de baixo custo para a medição de temperatura em metais não ferrosos
como alumínio, latão, chumbo, estanho, magnésio e zinco. Confeccionado a partir
de um termopar do tipo K (Níquel/Cromo/Níquel- Alumínio) com bitola 14 AWG ou
35
1,63 mm de diâmetro; aterrado a uma capa metálica de Aço Cromo 446, o que
garante uma rápida resposta e uma resistência a corrosão excelente.
Para aplicação que expõem o operador a um calor excessivo, colocamos a
disposição Lanças de aço inox retas ou angulares, que facilitam o manuseio, e
distanciam o operador do metal líquido, garantindo maior segurança na medição e
maior precisão na leitura de temperatura.
Figura 19 - Termopar para Metal Não Ferroso.
Termo resistências RTD e PT100
Uma termorresistência (RTD do inglês Resistance Temperature Detector) é
um instrumento que permite conhecer a temperatura do meio ambiente, recorrendo
à relação entre a resistência elétrica de um material e a sua temperatura. A maior
parte das termorresistências são feitas de platina, mas são também utilizados outros
materiais, como por exemplo o níquel. Por norma, quando se fala de uma
termorresistência ela é identificada pelo material que a constitui e pela resistência
que apresenta a 0 °C. Por exemplo, uma PT-100 será uma termorresistência de
platina que a 0 °C apresenta uma resistência de 100 Ω, ao passo que uma Ni-500
será uma termorresistência de níquel que a 0 °C apresenta uma resistência de 500
Ω.
Há muitas categorias, resistores de carbono, filmes e tipos wire-wound são os
mais amplamente utilizados.
Resistores de carbono são amplamente disponíveis e são muito baratos.
Eles têm resultados muito reprodutível em baixas temperaturas. Eles são a forma
36
mais fiável a temperaturas extremamente baixas. Eles geralmente não sofrem
significativa histerese ou efeitos calibre de tensão.
Termômetros da película tem uma camada de platina em um substrato, a
camada pode ser extremamente fino, talvez um micrômetro. As vantagens deste tipo
são relativamente de baixo custo (o custo elevado da platina sendo compensada
pela pequena quantidade necessária) e resposta rápida. Tais dispositivos têm um
melhor desempenho, embora as taxas de expansão diferente do substrato e da
platina dar "strain gauge" efeitos e problemas de estabilidade.
Figura 20 - Termômetro de Película.
Termômetros Wire-wound pode ter maior precisão, especialmente para as
faixas de temperatura de largura. O diâmetro da bobina fornece uma solução de
compromisso entre a estabilidade mecânica e permitindo a expansão do fio para
minimizar o esforço e deriva daí resultantes.
Figura 21 - Termômetro Wire-wound.
Elementos Coil substituíram em grande parte ferida elementos-fio na
indústria. Este projeto tem uma bobina de fios que podem expandir livremente sobre
a temperatura, mantido no lugar por algum suporte mecânico que permite a bobina
de manter sua forma. Este projeto é semelhante ao de um SPRT, a norma primária
37
sobre a qual ITS-90 é baseado, ao fornecer a durabilidade necessária para uso
industrial.
Figura 22 - Termômetro com elementos Coil.
O atual padrão internacional que especifica a tolerância, e da relação
temperatura-resistência para elétricos para termômetros de resistência de platina é a
IEC 60751:2008. De longe, o comum a maioria dos dispositivos usados na indústria
têm uma resistência nominal de 100 ohms a 0 ° C, e são chamados de sensores
Pt100 ('PT' é o símbolo de platina). A sensibilidade de um sensor padrão de 100
ohm é um ohm nominal 0,385 / ° C. RTDs com uma sensibilidade de 0,375 e 0,392
ohm / ° C, bem como uma variedade de outras pessoas também estão disponíveis.
Função
Termômetros de resistência são construídas de diversas formas e oferecem
maior estabilidade, precisão e repetibilidade , em alguns casos do que termopares.
Enquanto termopares usar o efeito Seebeck para gerar uma tensão, termômetros de
resistência utilização de resistência elétrica e requerem uma fonte de energia para
funcionar. A resistência ideal varia linearmente com a temperatura.
Termômetros de resistência são feitos geralmente usando platina, por causa
de sua resistência à temperatura relação linear e sua inércia química. A detecção de
fio de platina precisam ser mantidos livres de contaminação se mantenha estável.
Conjuntos de IDT feitas de ferro ou de cobre também são utilizados em algumas
aplicações.
Graus de platina comercial são produzidos, que apresenta uma variação de
resistência de 0,00385 ohms / º C (European intervalo fundamental). O sensor
normalmente é feito para ter uma resistência de 100 Ω a 0 °C.
Medição da resistência requer uma pequena corrente para ser passada
através do dispositivo em teste. Isto pode causar aquecimento resistivo, causando
uma perda significativa de precisão se 'fabricantes de limites não são respeitados, 38
ou o projeto não examinou devidamente o caminho de calor. Tensão mecânica
sobre o termômetro de resistência também pode causar imprecisão. Resistência do
cabo também pode ser um fator, a adoção de três e quatro fios, em vez de dois fios,
conexões podem eliminar o chumbo da resistência efeitos de conexão a partir de
medições. Ligação de três fios é suficiente para a maioria dos propósitos e quase
universal industrial prática. Conexões de quatro fios são usadas para as aplicações
mais precisas.
Vantagens de Termorresistência de Platina Pt100
Alta precisão
Baixo desvio
Vasta gama de funcionamento
Apropriado para aplicações de precisão
Limitações:
RTDs em aplicações industriais são raramente usados acima 660 ° C. Em
temperaturas acima de 660 ° C torna-se cada vez mais difícil impedir a platina de ser
contaminado por impurezas da bainha metálica do termômetro.
É por isso que os termômetros padrão de laboratório substituir o revestimento
de metal com uma construção de vidro. A baixas temperaturas muito, digamos,
abaixo -270 ° C (ou 3 K), devido ao fato de que existem muito poucos fônons , a
resistência de um RTD é determinada principalmente pela impurezas e
espalhamento de fronteira e, portanto, basicamente, independente da temperatura.
Como resultado, a sensibilidade do IDT é praticamente zero e, portanto, não é útil.
Comparado com termistores, RTDs de platina são menos sensíveis a
pequenas variações de temperatura e têm um tempo de resposta mais lentos. No
entanto, os termistores têm um menor intervalo de temperatura e estabilidade.
As fontes de erro comum de uma PRT são
Intercambialidade: o "grau de concordância" entre o específico PRT
Resistência contra o relacionamento de temperatura e uma resistência pré VS
Temperatura relacionamento, comumente definida pelo IEC 60751 .
39
Resistência de isolação: erro causado pela incapacidade de medir a
resistência real do elemento. Vazamentos atual dentro ou fora do circuito através da
bainha, entre o elemento leva, ou os elementos.
Estabilidade: Capacidade de manter T vs R ao longo do tempo como
resultado de exposição térmica.
Repetibilidade: Capacidade de manter vs T R, nas mesmas condições
depois de experimentar ciclos térmicos ao longo de uma faixa de temperatura
especificada.
Histerese: nas características dos materiais de que o IDT está construída
devido à exposição a variáveis.
Haste de Condução: Erro que resulta da PRT da bainha condução de calor
para dentro ou fora do processo.
Calibração / Interpolação: Os erros que ocorrem devido à incerteza de
calibração nos pontos de cal, ou entre o ponto de cal, devido à propagação do ajuste
de curva de erros ou incertezas.
Do cabo: Os erros que ocorrem porque um fio ou 3 fios de medição 4 não é
utilizado, este é um grande aumento de bitola maior. 2 conexão do fio aumenta a
resistência levar em série com o elemento PRT. Ligação a 3 fios baseia-se em todos
os 3 cabos com igual resistência.
Aquecimento Auto: Erro produzidos pelo aquecimento do elemento PRT
devido à força aplicada.
Tempo de Resposta: Os erros são produzidos durante transientes de
temperatura porque a PRT não pode responder às mudanças com rapidez
suficiente.
40
Térmica EMF: EMF erros térmica são produzidos pela CEM aumento ou
diminuição da detecção de tensão aplicada, principalmente em sistemas de corrente
contínua
RTDs X Termopares
As duas formas mais comuns de medição de temperaturas industriais com
detectores de resistência à temperatura (RTD) e dos termopares. Escolha entre eles
é geralmente determinada por quatro fatores.
Quais são os requisitos de temperatura?
Se as temperaturas estão entre processo de -200 a 500 ° C (-328 a 932 ° F),
uma IDT industrial é a opção preferida. Termopares têm uma escala de -180 a 2.320
° C (-292 a 4208 ° F), assim que para temperaturas acima de 500 ° C (932 ° F), eles
são o único contato do dispositivo de medição de temperatura.
Quais são os requisitos de tempo de resposta?
Se o processo requer uma resposta muito rápida a mudanças de temperatura,
as frações de segundo, ao contrário do segundo (por exemplo, 2,5-10 s), então um
termopar é a melhor escolha. Tempo de resposta é medido pela imersão em água
movendo-se em 1 m / s (3 pés / s), com uma mudança de patamar de 63,2%.
Quais são os requisitos de tamanho?
IDT padrão A bainha é 3,175-6,35 mm (,1250-0,250 in) de diâmetro, diâmetro
da bainha para termopares pode ser inferior a 1,6 mm (0,063 in).
Quais são os requisitos de precisão e estabilidade?
Se uma tolerância de 2ºC é aceitável e o mais alto nível de repetibilidade não
é exigido, um termopar irá servir. RTDs são capazes de maior precisão e pode
manter a estabilidade por muitos anos, enquanto termopares podem deriva dentro
das primeiras horas de uso.
Elementos Termômetro de resistência estão disponíveis em uma série de
formulários. Os mais comuns são: Wirewound sem suporte - uma bobina de fio
41
minimamente apoiado dentro de um alojamento selado enchido com um gás inerte.
Estes sensores são usados até 961,78 ° C e são usados no SPRT é que definem a
ITS-90 Wirewound em um isolador cerâmico - uma bobina de fio selado em um
cilindro de cerâmica, trabalhos com temperaturas até 850 ° C encapsulado em vidro
- fio em torno do núcleo de vidro com vidro fundido homogeneamente ao redor. Mais
proteção para o fio de detectar do que outras formas de vibração e resiste, mas
menor alcance útil.
Filmes finos - filme de platina em substrato cerâmico, pequeno e barato de
produzir em massa, resposta rápida às mudanças de temperatura, mas menor
intervalo de temperatura e não são capazes de grande precisão.
Construção
Figura 23 - Construção.
Estes elementos quase sempre requerem isolamento leva em anexo. Em
temperaturas abaixo de 250 ° C, PVC, borracha de silicone ou PTFE isoladores são
utilizados. Acima disso, a fibra de vidro ou cerâmica são usados. O ponto de
medição, e normalmente a maioria dos clientes potenciais, exigem uma manga de
habitação ou de proteção, muitas vezes feitas de uma liga metálica que é
quimicamente inerte ao processo que está sendo monitorado. Seleção de bainhas
de proteção e concepção pode exigir mais cuidado do que o sensor de reais, como a
bainha deve resistir a ataque químico ou físico e oferecer pontos de fixação
conveniente.
42
Configurações de fiação
Configuração a dois fios
Figura 24 - Configuração a dois fios.
A configuração mais simples termômetro de resistência usa dois fios. Ela só é
usada quando alta precisão não é necessária, como a resistência dos fios de ligação
é adicionado ao do sensor, levando a erros de medição. Esta configuração permite a
utilização de 100 metros de cabo. Isto se aplica igualmente a ponte equilibrada e
sistema de ponte fixa.
Configuração de três fios
Figura 25 - Configuração a três fios.
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A fim de minimizar os efeitos da resistência dos condutores, uma
configuração de três fios podem ser utilizados. Usando este método, os dois
terminais do sensor estão em braços adjacentes. Há uma resistência do condutor
em cada braço da ponte para que a resistência seja cancelada, desde que as duas
resistências de chumbo são exatamente os mesmos. Esta configuração permite que
até 600 metros de cabo.
Configuração de quatro fios
Figura 26 - Configuração a quatro fios.
Os quatro fios de configuração termômetro de resistência aumenta a precisão
e confiabilidade da resistência a ser medido: o erro de resistência devido a liderar a
resistência do fio é zero. No diagrama acima, um padrão de dois terminais de IDT é
usado com outro par de fios para formar um laço adicional que anula a resistência
do condutor. O acima da ponte de Wheatstone método usa um fio de cobre pouco
mais e não é uma solução perfeita. Abaixo está uma melhor configuração, quatro
fios de conexão Kelvin . Prevê cancelamento cheio de efeitos espúrios; resistência
do cabo de até 15 Ω podem ser manipulados.
A aplicação da tendência de condutores elétricos para aumentar a sua
resistência elétrica com o aumento da temperatura foi primeiramente descrita por Sir
William Siemens no Palestra Bakerian de 1871 antes da Sociedade Real da Grã-
Bretanha . Os métodos necessários de construção foram estabelecidas por
Callendar , Griffiths, Holborn e Wein entre 1885 e 1900.
44
Termistores NTC e PTC
Um termistor é um tipo de resistor cuja resistência varia significativamente
com a temperatura, mais do que em resistores padrão. A palavra é uma junção de
térmica e resistência. Termistores são amplamente utilizados como irrupção atual
limitadores, temperatura sensores, a redefinição de sobrecorrente protetores
autoestima e de auto-regulação elementos de aquecimento.
Termistores diferem dos detectores de temperatura de resistência (RTD) em
que o material utilizado em um termistor é geralmente uma cerâmica ou polímeros,
enquanto RTDs usam metais puros. A resposta da temperatura também é diferente;
RTDs são úteis ao longo de intervalos maiores temperaturas, enquanto os
termistores normalmente atingir uma maior precisão dentro de uma gama limitada de
temperaturas [geralmente 90°C a 130°C].
Figura 27 - Símbolo de um Termistor.
Assumindo, como uma aproximação de primeira ordem, que a relação entre
resistência e temperatura é linear, então:
ΔR = k.ΔT
Onde,
ΔR = variação da resistência.
ΔT = variação da temperatura.
k = temperatura de primeira ordem ou coeficiente de resistência.
Os termistores podem ser classificados em dois tipos, dependendo do sinal
de k. Se k é positivo, a resistência aumenta com temperatura crescente, e o
dispositivo é chamado de coeficiente de temperatura positiva PTC ou termistor
posistor. Se k for negativo, a resistência diminui com o aumento da temperatura, e o
dispositivo é chamado de coeficiente de temperatura negativo NTC ou termistor.
Resistores que não são os termistores são projetados para ter um k mais próximo
45
possível de zero (menor k possível), de modo que sua resistência permanece quase
constante ao longo de uma faixa de temperatura.
Em vez de o coeficiente k de temperatura, por vezes, a temperatura do
coeficiente de resistência α (alfa) ou αT é usado. É definida como
Este αT coeficiente não deve ser confundido com o α parâmetro abaixo.
A constante térmica de um termistor, assim como de qualquer outro
termômetro, é o tempo requerido para que atinja 63,2% da temperatura de imersão.
A constante térmica é diretamente afetada pela massa do termômetro, assim como
por seu acoplamento térmico com o ambiente. Por exemplo, um sensor termistor
revestido com epóxi, e que tenha um diâmetro externo aproximado de 2,5 mm, terá
uma constante térmica de 0,75 segundos em água parada, e 10 segundos em ar
parado.
Características importantes quando sensores elétricos são considerados para
uso são sua potência de dissipação e voltagem e/ou corrente requeridas. Por
definição, a potência de dissipação é a potência térmica, expressa em Watts,
necessária para aumentar a temperatura do sensor em 1 0C acima da temperatura
do ambiente. Por exemplo, a potência de dissipação de um termistor de 2,5 mm de
diâmetro externo, revestido com epóxi, é em torno de 13 miliWatt/0C em um banho
de óleo estacionário, e 2 miliWatt/0C em ar parado. Corrente bem baixa deve ser
aplicada em um termistor utilizado em medição de temperatura, para que ele não
afete o ambiente sendo medido. Isto é, para que ele dissipe potências próximas de 0
Watt, a corrente deve ser inferior a 100 miliAmpère. Como apresentado
anteriormente, se a potência de dissipação típica em ar é 2 miliWatt/0C, para que o
erro térmico (auto-erro) seja inferior a 0,1 0C a potência de dissipação deve ser
menor que 0,2 miliWatt. Um termistor de referência, revestido com epóxi ou fenol,
com 2,5 mm de diâmetro externo, trabalha com potências máximas entre 30
miliWatts a 25 0C, e 1 miliWatt a 100 0C.
46
Pirômetro Óptico
Pirômetros
São sensores de temperatura que utilizam como informação a radiação
eletromagnética emitida pelo corpo que está sendo medido. Todo corpo, com
temperatura superior a 0 K, emite radiação eletromagnética em um ponto específico
da banda infravermelha com uma intensidade que depende de sua temperatura. A
intensidade também varia com o comprimento de onda sendo que a principal parcela
está entre os comprimentos de onda de 0,1 a 100 mm.
Nessa faixa a radiação eletromagnética é chamada radiação térmica. Dentro
desse espectro encontra-se a luz visível (de 0,3 a 0,72 mm) e o infravermelho (0,72
a 100 mm).
Os pirômetros são sensores que não necessitam de contato físico, diferente
dos sensores apresentados anteriormente, podendo ser divididos em duas classes
distintas:
i - os pirômetros óticos, que atuam dentro do espectro visível;
ii - os pirômetros de radiação, que atuam numa faixa de comprimento de onda
mais amplo (do visível ao infravermelho curto).
Figura 28 - Espectro das Radiações eletromagnéticas.
47
A faixa infravermelha localiza-se entre a porção visível do espectro e as
ondas de rádio. O espectro infravermelho estende-se de 0,7 a 1000 micrometros.
Somente a banda de 0,7 a 14 micrometros é usada para a medição de temperatura.
Pirômetro Óptico
É um dispositivo que mede temperatura sem contato com o corpo/meio do
qual se pretende conhecer a temperatura. Geralmente é aplicado a instrumentos que
medem temperaturas superiores a 600 graus Celsius. Uma utilização típica é a
medição da temperatura de metais incandescentes em fundições.
Figura 29 - Diagrama Esquemático de um pirômetro óptico.
Os pirômetros óticos atuam dentro do espectro visível, sendo essencialmente
um método comparativo. A energia radiante é medida por comparação fotométrica
da claridade do corpo a medir em relação à claridade de uma fonte padrão, como
um filamento de tungstênio de uma lâmpada elétrica projetada para esse fim. A
comparação de claridade é feita pelo observador e é dependente da sensibilidade do
olho humano em distinguir a diferença de claridade entre duas superfícies de mesma
cor. Um filtro monocromático para comprimento de onda de radiação vermelha (1.65
mm) auxilia a operação. A comparação de claridade é feita por dois métodos:
i - variando-se a corrente através do filamento da fonte de claridade padrão
até que sua claridade se iguale àquela do objeto medido,
ii - variando-se oticamente a claridade observada da imagem do objeto, até
que se iguale à do filamento padrão, enquanto a corrente através da lâmpada é
mantida constante.
O primeiro método é mostrado esquematicamente na figura que segue.
48
São mostrados três imagens do filamento, onde a imagem central
corresponde ao ajuste correto da corrente. Como esse tipo de pirômetro atua no
espectro visível, é necessário que o corpo medido emita nesse comprimento de
onda.
Como visto na curva de emitância espectral, o corpo deve estar a uma
temperatura de no mínimo 750ºC, limitando assim sua utilização a temperaturas
mais baixas. A temperatura máxima de medição é de 2900ºC, mas com anteparo
absorvente pode chegar a 5500ºC.
Pirômetros de radiação
Figura 30 - Funcionamento de um Pirômetro de Radiação.
Os pirômetros de radiação são instrumentos que medem a taxa de emissão
de energia por unidade de área numa faixa de comprimento de onda relativamente
grande, utilizando um sistema que coleta a energia visível e infravermelho de um
alvo e a focaliza em um detector, sendo convertida em um sinal elétrico. Somente a
energia emitida entre 0.3 e 20 mm tem magnitude para ser útil, isto é, o visível e o
infravermelho próximo.
A energia irradiada por um corpo depende, de fato, da emissividade (e) de
sua superfície. Ela é máxima para um corpo negro (e = 1), e próxima de zero para
uma superfície polida. Os pirômetros de radiação são calibrados em relação a um
corpo negro, e um fator de correção deve ser empregado quando a medição é
realizada em um corpo com emissividade diferente. Para isso deve-se conhecer a
49
emissividade da superfície que está sendo medida, o que é um fator de incerteza,
visto que a emissividade varia com o estado da superfície, temperatura, etc. Outro
fator de incerteza na medição de corpos com emissividade inferior a 1 diz respeito à
influência dos corpos vizinhos: a radiação emitida por um corpo vizinho pode vir a
ser refletida na superfície de medição e atingir o sensor, falseando a medição.
Outro aspecto diz respeito ao material das lentes utilizado. Materiais como o
vidro não transmitem a radiação em comprimentos de onda superiores a 2.8 mm, o
quartzo transmite somente até 4 mm, cálcio fluorido até 10 mm, e iodeto brometo de
tálio até 30 mm (Kaplan, 1989). Na medição de temperaturas mais baixas deve-se
ter em mente essas características na hora de escolher o pirômetro adequado.
Os pirômetros de radiação diferenciam-se pelo tipo de detector, sendo:
Detectores térmicos
Não dependem do comprimento de onda, pois respondem à energia de todo o
espectro. São elementos enegrecidos projetados para absorver o máximo de
radiação incidente em todos os comprimentos de onda. A radiação absorvida
provoca aumento de temperatura do detector até que se atinja o equilíbrio com
perdas de calor para o meio vizinho. Os detectores térmicos medem essa
temperatura, usando termômetros de resistência ou o princípio de termopares
(termopilhas). Possuem um tempo de resposta relativamente grande (1 a 2
segundos).
Detectores de fótons
A radiação incidente libera elétrons na estrutura do detector e produz um
efeito elétrico mensurável. Apresentam uma constante de tempo da ordem de 1 ms.
Podem ser dos tipos:
i) Fotocondutivos: apresentam uma resistência elétrica que muda com o nível
de radiação incidente.
ii) Fotovoltaicos: ocorre uma diferença de potencial entre duas camadas de
material condutor quando a célula é exposta à radiação.
iii) Fotoeletromagnéticos: utilizando o efeito Hall, uma diferença de potencial é
desenvolvida através das extremidades de um cristal semicondutor sujeito a um
intenso campo magnético.
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Um dispositivo Hall é tipicamente uma placa pequena de metal ou
semicondutor de comprimento l, espessura t e largura w. Quando uma corrente Ix
atravessa placa, a qual está sujeita a uma densidade de fluxo magnético Bz
perpendicular ao plano da placa, uma tensão Hall aparecerá nos contatos laterais
como mostrado abaixo:
Figura 31 - Efeito Hall.
Características e Aplicações dos Pirômetros
Os pirômetros são utilizados na indústria sendo ideais para medição da
temperatura no processamento e fundições de metais e ligas metálicas como o ferro
e aço. Também são usados para medir temperatura de cerâmicas e semicondutores
bem como numa variedade de aplicações de controle de qualidade e manutenção
como serviços públicos, manutenção elétrica, produção de papel e borracha, entre
outros.
Apresentam como características gerais a medição de temperaturas de - 32ºC
a 3000ºC com erros de 1% ou 2%. Os pirômetros têm como vantagens a medição à
distancia, vasto range e rapidez, porém possuem custo elevado e é necessário que
se conheça a emissividade do corpo.
Pirômetro Fotoelétrico
Tanto o pirômetro de radiação total como o óptico dificilmente se prestam
para medições dinâmicas. Além disso, no caso do pirômetro óptico, a acuidade
visual do operador pesa no resultado final, o que não é interessante.
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Os pirômetros fotoelétricos normalmente empregam sensores que atual na
faixa do infravermelho. Abrangem uma faixa de temperatura maior do que os
pirômetros de radiação total e óptico;
São mais rápidos, respondendo na casa dos milissegundos.
Sensores de infravermelho não só operam em altas temperaturas, mas
também podem ser usados nos chamados processos industriais a frio (forjamento,
extrusão, trefilação, etc..). Sua faixa de uso pode ser descrita de 0 a 3.600°C.
Os pirômetros fotoelétricos possuem basicamente a mesma estrutura de um
pirômetro de radiação total, só que o sensoriamento da temperatura é feito por um
fotodiodo, e, consequentemente o circuito de leitura/processamento do sinal é
diferente dos processos anteriores.
Os fotodiodos são junções P-N (Si ou Ge), onde a radiação incidente atinge a
região da junção; esses diodos são operados com tensão reversa. Nessas
condições, os elétrons não possuem energia suficiente para cruzar a barreira de
potencial. Entretanto, com a radiação incidente a colisão dos fótons com os elétrons
fará com que os elétrons ganhem energia e cruzem a junção. A energia transportada
pelos fótons depende de seu comprimento de onda.
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Conclusão
Os transdutores de temperatura são de grande utilidade em várias áreas
diversificadas na indústria, por isso atualmente várias empresas trabalham
duramente para desenvolver transdutores mais sofisticados com preços mais
competitivos.
O controle de temperatura é uma das etapas (entre outras) necessárias em
diversos processos industriais, pois qualquer material sofre influência das variações
da mesma. Podemos citar como exemplo: processos químicos, tratamentos
térmicos, caldeiras, etc.
O método de leitura de temperatura, a princípio, parece ser um trabalho
simples, mas ao fazermos uma abordagem mais detalhada, podemos perceber que
para obter um valor preciso de temperatura, precisamos dominar vários conceitos
físicos. Caso contrário, obteremos valores de temperatura distorcidos devido à má
elaboração do projeto.
Analisando detalhadamente os medidores abordados no presente trabalho,
podemos identificar as semelhanças e diferenças e vantagens e desvantagens de
um em relação ao outro. Isso significa que não existe um melhor do que o outro,
tudo depende da aplicação e condições específicas de trabalho que o medidor
atuará. É de extrema importância analisar e comparar valores de temperatura pois
quando trabalhamos com variáveis a serem medidas, devemos atuar da forma mais
criteriosa e técnica possível para obtermos resultados precisos.
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Referências Bibliográficas
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Acessado em 10/05/2012.
Disponível em: http://www.epluse.com/
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Apostila Instrumentação Básica (Temperatura).
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS: grandezas mecânicas, Fernando A.
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Apostila Instrumentação Temperatura.
Apostila INSTRUMENTAÇÃO Medição de Temperatura, Prof. Roger J.
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TECNOLOGIA DE TRANSDUTORES, Prof. Valdir Noll, Ms.
54
![[Apostila] Sensores e Transdutores](https://static.fdocumentos.com/doc/165x107/563db954550346aa9a9c440d/apostila-sensores-e-transdutores.jpg)
