14- Medição de Temperatura

Instrumentao e Automao

Engenharia Mecatrnica Turma 08 5INAE-NT1

Instrumentao e Automao Ter (18:35 as 21:20) Sala 305

FACULDADE REA 1 Centro Baiano de Ensino Superior

Grupo DeVry

Salvador-Ba

2011.2

Professor

Geraldo Natanael

Aprendizagem ativa com viso gerencial em controle de processo

Medio de Temperatura

Medio de temperatura - Conceitos 3

Medidores de temperatura: os mais comuns so os sensores do tipo termopares, os termmetros baseados em bimetal e as termorresistncias, que

servem para a transmisso do sinal de temperatura atravs dos sistemas de controle

de processos. Podemos classificar os instrumentos de medio de temperatura em

dois nveis:

1 nvel: so instrumentos em que o sensor est em contato com o meio a ser medido.

Termmetros dilatao de slido.

Termmetros par termo eltrico.

Termmetros resistncia eltrica.

Termmetros dilatao de lquido ou gs

2 nvel: o elemento sensvel no est em contato com o meio a ser medido.

Pirmetros de radiao total.

Pirmetros de radiao parcial (monocromticos).

Sensores e Medidores - Bimetlicos 4

Sensores e medidores baseados no princpio bimetlico.

Princpio de funcionamento: a dilatao linear dos metais quando esses submetidos ao calor,cada metal possui um determinado coeficiente de dilatao

linear.

formado por uma lmina composta de dois metais diferentes.

Os coeficientes de dilatao linear dos dois metais so diferentes e quando ocorre o aquecimento da barra, a dilatao linear dos metais no sendo iguais,

faz com que a lmina se curve.

O encurvamento da lmina proporcional temperatura aplicada na barra.


Alarme contra incndio:

Uso de lminas bimetlicas em aparelhos que efetuam automaticamente a abertura e o fechamento de um circuito eltrico onde a comutao pode

ocorrer para valores preestabelecidos de temperatura.


Interruptores de pulsao automtica (intermitentes):

O ligar e desligar de uma ou mais lmpadas so comandados por uma lmina bimetlica aquecida por um resistor de resistncia R em srie com a

lmpada.

Exemplo: os termo-reguladores

ou termostatos e os interruptores

automticos de sobrecarga

funcionam sob este princpio

bsico das lminas bimetlicas.

Exemplo: nas decoraes de natal

mediaes de rvores ante pequenas

lmpadas, uma das lmpadas usa o prprio

calor dissipado em seu funcionamento para

acionar um interruptor bimetlico, em srie.


Termmetro: o mais usado o de lamina helicoidal, e consiste em um tubo bom condutor de calor, no interior do qual fixado um eixo que por sua vez recebe

um ponteiro que se desloca sobre uma escala.

Normalmente usa-se o invar (ao com 64% Fe e 36% Ni) com baixo coeficiente de dilatao e o lato como metal de alto coeficiente de dilatao.

A faixa de trabalho dos termmetros bimetlicos vai aproximadamente de -50 a 800 oC, sendo sua escala bastante linear.

Possui exatido na ordem de +/- 1%.

Na prtica a lamina bimetlica

enrolada em forma de espiral ou

hlice, o que aumenta bastante a

sensibilidade.

Sensor de temperatura - Termopar 9

Sensor baseado em termopar.

Termopar: se baseiam na propriedade onde dois metais dissimilares unidos em uma juno, chamada de junta quente, geram uma fora eletromotriz, de

alguns milivolts, na outra extremidade submetida a uma temperatura diferente da

primeira juno.

A medio de temperatura feita pela obteno de uma fora eletromotriz gerada quando dois metais de natureza diferente tem suas extremidades unidas e

submetidas temperaturas distintas.

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Isto ocorre devido aos metais distintos possurem densidades de eltrons livres especficos e quando unidos em suas extremidades provocar migrao desses

eltrons do lado de maior densidade para o de menor densidade ocasionando

uma diferena de potencial entre os dois fios metlicos.

A diferena de potencial no depende nem da rea de contato e nem de sua forma, mas sim da diferena de temperatura entre as extremidades denominadas

juno quente e fria. Esses sensores so chamados de termopares.

Sensor de temperatura - Termopar

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Efeito Seebeck: foi descoberto em 1821 pelo fsico alemo T. J. Seebeck quando ele observou em suas experincias que em um circuito fechado formado

por dois fios de metais diferentes ocorre uma circulao de corrente enquanto

existir uma diferena de temperatura entre suas junes, e que sua intensidade

proporcional diferena de temperatura e natureza dos metais utilizados.

Em 1887, Le Chatelier (fsico Francs), utilizou pela primeira vez na prtica essa descoberta ao construir um termopar a partir de fios de platina e

platina-rhodio a 10% para medir temperatura. Esse termopar ainda hoje

utilizado, em muitos laboratrios, como padro de referncia.


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Efeito Peltier: em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoeltrico com ambas as junes mesma temperatura, se, mediante uma fonte externa,

produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junes variam em

uma quantidade no inteiramente devido ao efeito Joule. A esse acrscimo de

temperatura foi denominado efeito Peltier.

O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma juno e no depende da temperatura de outra juno.

O efeito Peltier no tem aplicao prtica nos termopares e sim na rea de refrigerao com a utilizao de semicondutores especiais.


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Efeito Thomson: em 1854, Thomson concluiu, que a conduo de calor ao longo dos fios metlicos de um termopar, que no transporta corrente, origina

uma distribuio uniforme de temperatura em cada fio e, quando existe corrente,

modifica-se em cada fio a distribuio da temperatura em uma quantidade no

somente devido ao efeito Joule.

A essa variao adicional na distribuio da temperatura denominou-se efeito Thomson.

Termopar Convencional (Nu): o tipo mais simples de termopar consiste em unir dois fios de diferentes naturezas por uma de suas extremidades.


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Mtodo de confeco dos termopares: onde a, b e c indicam a forma de juno de medio.


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Termopar com Isolao Mineral: consiste de 3 partes bsicas, sendo um ou mais pares de fios isolados entre si, um material cermico compactado para

servir de isolante eltrico e uma bainha metlica externa. Garante maior

estabilidade e resistncia mecnica.


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Poos: so recomendados

para a proteo de sensores

sujeitos a ambientes

agressivos. Eles so usinados

interna e externamente a

partir de barras de metal, o

que garante maior resistncia

e durabilidade.

Sensor de temperatura - Termorresistncia 22

Sensor baseado em termorresistncia.

Termorresistncias (RTD): usam o princpio da alterao da resistncia eltrica dos metais com a temperatura.

Os metais mais usados so o fio de platina, Pt100, e o de nquel, Ni120, assim chamados por apresentarem resistncias de 100 e 120 ohms,

respectivamente, temperatura de zero grau Celsius.

O Pt100 opera na faixa de -200 a 850C, enquanto o Ni120, -50 a 270C.

Sensor de temperatura - Termmetro 23

Sensor baseado na dilatao de lquido (termmetro).

Termmetros de dilatao de lquidos: baseia-se na lei de expanso volumtrica de um lquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado.

Termmetro Lquido - vidro 24

Termmetros de dilatao de lquido em recipiente de vidro: constitudo de um reservatrio, cujo tamanho depende da

sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seo, mais

uniforme possvel fechado na parte superior.

O reservatrio e parte do capilar so preenchidos com lquido.

Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termmetro no caso da temperatura ultrapassar seu

limite mximo.

Aps a calibrao, a parede do tubo capilar graduada em graus ou fraes deste, a medio de temperatura se faz pela

leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna

lquida.

Lquidos mais usados: mercrio, tolueno, lcool e acetona. Nos termmetros industriais, o bulbo de vidro protegido por

um poo metlico e o tubo capilar por um invlucro metlico.

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LQUIDO PONTO DE

SOLIDIFICAO

(C)

PONTO DE

EBULIO (C)

FAIXA DE USO

(C)

Mercrio -39 +357 -38 a 550

lcool Etlico -115 +78 -100 a 70

Tolueno -92 +110 -80 a 100

O termmetro de mercrio o mais comum de

todos, que consiste basicamente num bulbo cheio de

mercrio ligado a um tubo capilar, ambos contidos

num recipiente de vidro de forma tubular e graduado.

Ao ser aquecido e dilatar-se, o mercrio sobe pelo

capilar. O contrrio ocorre ao ser resfriado.

mais comum em laboratrios ou em indstrias, com

a utilizao de uma proteo metlica.

Termmetro Lquido - vidro

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Termmetro de dilatao de lquido em recipiente metlico: o lquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata,

deformando um elemento extensvel (sensor volumtrico).

Bulbo: as dimenses variam

de acordo com o tipo de

lquido e principalmente com

a sensibilidade desejada.

LQUIDO

FAIXA DE

UTILIZAO (C)

Mercrio -35 +550

Xileno -40 +400

Tolueno -80 +100

lcool 50 +150

Capilar: as dimenses so variveis,

sendo que o dimetro interno deve

ser o menor possvel, a fim de evitar

a influencia da temperatura ambiente,

porm no deve oferecer resistncia a

passagem do lquido em expanso.

Termmetro Lquido - metlico

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Capilar: o elemento usado o Tubo de Bourdon.

Materiais mais usados: bronze fosforoso, cobre - berlio , ao inox e ao carbono.

Termmetro Lquido - metlico

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Sensor baseado na presso de gs (termmetro).

Termmetros presso de gs: fisicamente idntico ao termmetro de dilatao de lquido, consta de um bulbo, elemento de medio e capilar de

ligao entre estes dois elementos.

O volume do conjunto constante e preenchido com um gs a alta presso.

Com a variao da temperatura, o gs varia sua presso conforme, aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medio

operando como medidor de presso.

A Lei de Gay-Lussac, expressa matematicamente este conceito:

Termmetro Gs

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As variaes de presso so linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante, sendo expresso pela frmula:

Termmetro Gs

Tipos de gs de enchimento

Gs Temperatura Crtica

Hlio ( He ) - 267,8 oC

Hidrognio ( H2 ) - 239,9 oC

Nitrognio ( N2 ) - 147,1 oC

Dixido de Carbono ( CO2 ) - 31,1 oC

O gs mais utilizado o N2 e geralmente pressurizado com uma presso de 20 a 50 atm, na temperatura mnima a medir.

Sua faixa de medio vai de -100 a 600 oC, sendo o limite inferior devido prpria temperatura crtica do gs e o superior proveniente do recipiente

apresentar maior permeabilidade ao gs nesta temperatura , o que acarretaria

sua perda inutilizando o termmetro.

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Sensor baseado na presso de vapor (termmetro).

Termmetros presso de vapor: sua construo bastante semelhante ao de dilatao de lquidos, baseando o seu funcionamento na Lei de Dalton:

A presso de vapor saturado depende somente de sua temperatura e no de seu volume.

Portanto para qualquer variao de temperatura haver uma variao na tenso de vapor do gs liquefeito colocado no bulbo do termmetro e, em

conseqncia disto, uma variao na presso dentro do capilar.

A relao existente entre tenso de vapor de um lquido e sua temperatura do tipo logartmica e pode ser simplificada para pequenos intervalos de

temperatura em:

Termmetro Vapor

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Termmetro Vapor

Lquidos mais utilizados e seus pontos

de fuso e ebulio

Lquido Ponto de

Fuso (oC)

Ponto de

ebulio (oC)

Cloreto de

Metila

- 139 - 24

Butano - 135 - 0,5

ter Etlico - 119 34

Tolueno - 95 110

Dixido de

enxofre

- 73 - 10

Propano - 190 - 42

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ALVES, Jos L., Instrumentao, Controle e Automao de Processos. Rio de Janeiro: LTC, 2006.

BEGA, E. A., Instrumentao Industrial, Editora Intercincia, (2003); FIALHO, A. B., Intrumentao Industrial: Conceitos, Aplicaes e Anlises, 2 ed., Editora Erica, (2004);

MIYAGI, P. E., Controle Programvel - Fundamentos do Controle de Sistemas a Eventos Discretos, Edgard Blcher, (1996); [629.89 M685C];

RIBEIR, Marco Antnio. Instrumentao - 8a Edio 1999 Tek Treinamentos Lta. CAMPOS, Mario Cesar M. M. & TEIXEIRA, Herbert C. G., Controles Tpicos de Equipamentos e Processos Industriais, So Paulo:Blucher, 2006.

CAPELLI, Alexandre. Automao Industrial - Controle do movimento e processos contnuos.

BALBINOT, Alexandre; BRUSAMARELLO, Valner Joo. Instrumentao e fundamentos de medidas VOL.1 Editora: LTC

BRUSAMARELLO, Valner Joo. Instrumentao E Fundamentos De Medidas. Editora: Ltc

SIGHIERI. L.; NISHIARI, A; Controle automtico de processos industriais Instrumentao

Referncias Bibliogrficas

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http://www.instrumentacao.com - 02.07.09

http://www.levelcontrol.com.br - 02.07.09

http://www.cepa.if.usp.br

http://www.feiradeciencias.com.br

http://www.instrumentacao.net

Referncias Bibliogrficas

Instrumentao e Automao PE 5INAE 34

Prof Geraldo Natanael

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