MEDIO DE TEMPERATURA

1. INTRODUO 1.1 TEMPERATURA E CALOR 1.2 ESCALAS DE TEMPERATURA 1.2.1 ESCALAS 1.2.2 CONVERSO DE ESCALAS 1.2.3 ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA 2. MEDIDORES DE TEMPERATURA POR DILATAO/EXPANSO 2.1 TERMMETRO A DILATAO DE LQUIDO 2.1.1 CARACTERSTICAS 2.1.2 TERMMETROS DE DILATAO DE LQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO 2.1.3 TERMMETRO DE DILATAO DE LQUIDO EM RECIPIENTE METLICO. 2.2 TERMMETROS PRESSO DE GS 2.2.1 PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO 2.2 CARACTERSTICAS 2.3 TERMMETRO PRESSO DE VAPOR 2.3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO 2.4 TERMMETROS DILATAO DE SLIDOS (TERMMETROS BIMETLICOS) 2.4.1 PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO 2.4.2 CARACTERSTICAS DE CONSTRUO 3 - MEDIO DE TEMPERATURA POR TERMOPAR 3.1 EFEITOS TERMOELTRICOS 3.2 EFEITO TERMOELTRICO DE SEEBECK 3.3 EFEITO TERMOELTRICO DE PELTIER 3.4 EFEITO TERMOELTRICO DE THOMSON 3.5 EFEITO TERMOELTRICO VOLTA 3.6 LEIS TERMOELTRICAS LEI DO CIRCUITO HOMOGNEO LEI DOS METAIS INTERMEDIRIOS LEI DAS TEMPERATURAS INTERMEDIRIAS 3.5 - CORRELAO DA F.E.M. EM FUNO DA TEMPERATURA 3.6 - TIPOS E CARACTERSTICAS DOS TERMOPARES 3.6.1 - TERMOPARES BSICOS 3.6.2 - TERMOPARES NOBRES 3.6.3 - NOVOS TIPOS DE TERMOPARES 3.7 - CORREO DA JUNTA DE REFERNCIA 3.8 - ASSOCIAO DE TERMOPARES 3.8.1 - ASSOCIAO SRIE 3.8.2 - ASSOCIAO SRIE - OPOSTA 3.8.3 ASSOCIAO EM PARALELO 3.9 - FIOS DE COMPENSAO E EXTENSO 3.10 - ERROS DE LIGAO 3.10.1 - USANDO FIOS DE COBRE 3.10.2 - INVERSO SIMPLES 3.10.3 - INVERSO DUPLA

3 3 3 4 5 5 7 7 7 7 8 11 11 11 12 12 13 13 13 15 15 15 16 16 17 17 17 18 18 18 19 19 21 21 22 23 23 24 24 24 25 25 26 27 -1-

3.11 - TERMOPAR DE ISOLAO MINERAL 3.11.1 - VANTAGENS DOS TERMOPARES DE ISOLAO MINERAL 4 - MEDIO DE TEMPERATURA POR TERMORRESISTNCIA 4.1 - PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO 4.2 - CONSTRUO FSICA DO SENSOR 4.3 - CARACTERSTICAS DA TERMORESISTNCIA DE PLATINA 4.4 - VANTAGENS E DESVANTAGENS 4.5 - PRINCPIO DE MEDIO 4.5.1 - LIGAO 2 FIOS 4.5.2 - LIGAO 3 FIOS 5 - MEDIO DE TEMPERATURA POR RADIAO 5.1 - TEORIA DA MEDIO DE RADIAO 5.2- PIRMETROS PTCOS 5.3 - RADIMETRO OU PIRMETROS DE RADIAO EXERCCIOS

28 28 30 30 30 31 32 32 33 34 35 35 37 38 40

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1. INTRODUOO objetivo de se medir e controlar as diversas variveis fsicas em processos industriais obter produtos de alta qualidade, com melhores condies de rendimento e segurana, a custos compatveis com as necessidades do mercado consumidor. Nos diversos segmentos de mercado seja, eles qumico, petroqumico, siderrgico, cermico, farmacutico, vidreiro, alimentcio, papel e celulose, hidreltrico, nuclear entre outros, a monitorao da varivel Temperatura fundamental para a obteno do produto final especificado. Termometria significa "Medio de Temperatura". Eventualmente o termo Pirometria tambm aplicado com o mesmo significado, porm, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir: PIROMETRIA - Medio de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiao trmica passam a se manifestar. CRIOMETRIA - Medio de baixas temperaturas, ou seja, aquelas prximas ao zero absoluto de temperatura. TERMOMETRIA - Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria, como a Criometria que seriam casos particulares de medio.

1.1 TEMPERATURA E CALORTodas as substncias so constitudas de pequenas partculas, as molculas que se encontram em contnuo movimento. Quanto mais rpido o movimento das molculas mais quente se apresenta o corpo e quanto mais lento mais frio se apresenta o corpo. Ento defini-se Temperatura como o grau de agitao trmica das molculas. Na prtica a temperatura representada em uma escala numrica, onde, quanto maior o seu valor, maior a energia cintica mdia dos tomos do corpo em questo. Outros conceitos que se confundem s vezes com o de temperatura so: . Energia Trmica. . Calor. A Energia Trmica de um corpo a somatria das energias cinticas, dos seus tomos, e alm de depender da temperatura, depende tambm da massa e do tipo de substncia. Calor energia em trnsito ou a forma de energia que transferida atravs da fronteira de um sistema em virtude da diferena de temperatura. At o final do sculo XVI, quando foi desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliar temperatura, os sentidos do nosso corpo foram os nicos elementos de que dispunham os homens para dizer se um certo corpo estava mais quente ou frio do que um outro, apesar da inadequao destes sentidos sob ponto de vista cientfico.

1.2 ESCALAS DE TEMPERATURADesde o incio da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termmetro, sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada temperatura por meio de escalas reproduzveis, como existia na poca, para Peso, Distncia, Tempo. Em 1706 Daniel Gabriel Fahrenheit, um fabricante de termmetros de Amsterd, definiu uma escala de temperatura, a qual possui 3 pontos de referncia 0 , 48 e 96. Nmeros que representavam nas suas palavras o seguinte:- "...48 no meu termmetro o meio entre o frio mais intenso produzido artificialmente por uma -3-

mistura de gua, gelo e sal-amonaco, ou mesmo sal comum, e aquela que encontrada (Temperatura) no sangue de um homem saudvel ..." Fahrenheit encontrou, que na sua escala o ponto de fuso do gelo valia 32 e o de ebulio da gua 212 aproximadamente. Estes pontos, posteriormente foram considerados mais reprodutveis e foram definidos como exatos e adotados como referncia. Em 1742, Anders Celsius, professor de Astronomia na Sucia, props uma escala com o zero no ponto de ebulio da gua e 100 no ponto de fuso do gelo, no ano seguinte Christian de Lyons independentemente sugeriu a familiar escala centigrada (atualmente chamada escala Celsius).

1.2.1 EscalasAs escalas que ficaram consagradas pelo uso foram fahrenheit e a Celsius. A escala Fahrenheit definida atualmente com o valor 32 no ponto de fuso do gelo e 212 no ponto de ebulio da gua. O intervalo entre estes dois pontos dividido em 180 partes iguais, e cada parte um grau Fahrenheit. Toda temperatura na escala Fahrenheit identificada com o smbolo " colocado aps o nmero (ex. F" 250 F). A escala Celsius definida atualmente com o valor zero no ponto de fuso do gelo e 100 no ponto de ebulio da gua. O intervalo entre os dois pontos est dividido em 100 partes iguais, e cada parte um grau Celsius. A denominao "grau centgrado" utilizada anteriormente no lugar de "Grau Celsius", no mais recomendada, devendo ser evitado o seu uso. A identificao de uma temperatura na escala Celsius feita com o smbolo " " colocado aps o nmero (Ex.: 160 C C). Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit, so relativas, ou seja, os seus valores numricos de referncia so totalmente arbitrrios. Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substncia, atingimos um ponto limite alm do qual impossvel ultrapassar, pela prpria definio de temperatura. Este ponto, onde cessa praticamente todo movimento atmico, o zero absoluto de temperatura. Atravs da extrapolao das leituras do termmetro gs, pois os gases se liquefazem antes de atingir o zero absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto na escala Celsius em -273,15 C. Existem escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas fixado no zero absoluto de temperatura. Existem duas escalas absolutas atualmente em uso; a Escala Kelvin e a Rankine. A Escala Kelvin possui a mesma diviso da Celsius, isto , um grau Kelvin igual um grau Celsius, porm o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possvel, 273,15 graus abaixo do zero da Escala Celsius. A Escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, porm sua diviso idntica da Escala Fahrenheit. A representao das escalas absolutas anloga s escalas relativas:- Kelvin ==> 400K (sem o smbolo de grau " "). Rankine ==> 785R. A Escala Fahrenheit usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos da Amrica, porm seu uso tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitao universal. A Escala Kelvin utilizada nos meios cientficos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit. Existe uma outra escala relativa a Reamur, hoje j praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o ponto de fuso do gelo e 80 o ponto de ebulio da gua. O intervalo dividido em oitenta partes iguais. (Representao - Re). -4-

1.2.2 Converso de escalasA figura seguir, compara as escalas de temperaturas existentes

Desta comparao podemos retirar algumas relaes bsicas entre as escalas: CELSIUS x FAHRENHEIT = - 32 C F 5 9 CELSIUS x KELVIN K = 273,15 + C FAHRENHEITx RANKINE R = 459,67 + F KELVINx RANKINE K = Rx5 9 Outras relaes podem ser obtidas combinando as apresentadas entre si. Exemplo: O ponto de ebulio do oxignio -182,86 Exprim ir esta temperatura C. em: a) K; b) F; c) R . a) p/ K : K = 273,15 + (-182,86) = 90,29K C F-32 = -297,15 F b) p/ : - 182,86 = C F 5 9 c) p/ R :- ou melhor, p/ K p/ 90,29 = R x 5 = 162,52 R C C R: 9

1.2.3 Escala Internacional de TemperaturaPara melhor expressar as leis da termodinmica, foi criada uma escala baseada em fenmenos de mudana de estado fsico de substncias puras, que ocorrem em condies nicas de temperatura e presso. So chamados de pontos fixos de temperatura. Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prtica Internacional de Temperatura. A primeira escala prtica internacional de temperatura surgiu em 1927 modificada em 1948 (IPTS-48). Em 1960 mais modificaes foram feitas e em 1968 uma nova Escala Prtica Internacional de Temperatura foi publicada (IPTS-68).

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A mudana de estado de substncias puras (fuso, ebulio) normalmente desenvolvida sem alterao na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substncia utilizado pelo mecanismo de mudana de estado.

Os pontos fixos utilizados pela IPTS-68 so dados na tabela abaixo ESTADO DE EQUILBRIO Ponto triplo do hidrognio Ponto de ebulio do hidrognio Ponto de ebulio do nenio Ponto triplo do oxignio Ponto de ebulio do oxignio Ponto triplo da gua Ponto de ebulio da gua Ponto de solidificao do zinco Ponto de solidificao da prata Ponto de solidificao do ouro TEMPERATURA ( C) -259,34 -252,87 -246,048 -218,789 -182,962 0,01 100,00 419,58 916,93 1064,43

Observao Ponto triplo o ponto em que as fases slida, lquida e gasosa encontramse em equilbrio. A ainda atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34 baseada C, em pontos de fuso, ebulio e pontos triplos de certas substncias puras como por exemplo o ponto de fuso de alguns metais puros. Hoje j existe a ITS-90 Escala Internacional de Temperatura, definida em fenmenos determinsticos de temperatura e que definiu alguns pontos fixos de temperatura. PONTOS FIXOS IPTS-68 ITS-90 Ebulio do Oxignio -182,962 C -182,954 C Ponto triplo da gua +0,010 C +0,010 C Solidificao do estanho +231,968 C +231,928 C Solidificao do zinco +419,580 C +419,527 C Solidificao da prata +961,930 C +961,780 C Solidificao do ouro +1064,430 C +1064,180 C Com o desenvolvimento tecnolgico diferente em diversos pases, criou-se uma srie de normas e padronizaes, cada uma atendendo uma dada regio. As mais importantes so: ISA - AMERICANA DIN - ALEM -6-

JIS - JAPONESA BS - INGLESA UNI - ITALIANA Para atender as diferentes especificaes tcnicas na rea da termometria, cada vez mais se somam os esforos com o objetivo de unificar estas normas. Para tanto, a Comisso Internacional Eletrotcnica - IEC, vem desenvolvendo um trabalho junto aos pases envolvidos neste processo normativo, no somente para obter normas mais completas e aperfeioadas mas tambm de prover meios para a internacionalizao do mercado de instrumentao relativo a termopares. Como um dos participantes desta comisso, o Brasil atravs da Associao Brasileira de Normas Tcnicas - ABNT, est tambm diretamente interessado no desdobramento deste assunto e vem adotando tais especificaes como Normas Tcnicas Brasileiras.

2. MEDIDORES DE TEMPERATURA POR DILATAO/EXPANSO2.1 TERMMETRO A DILATAO DE LQUIDO 2.1.1 CaractersticasOs termmetros de dilatao de lquidos, baseiam-se na lei de expanso volumtrica de um lquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado. A equao que rege esta relao : Vt = Vo.[ 1 +1.(t) + 2.(t)2 + 3.(t)3 ] onde: t = Temperatura do lquido em OC Vo = Volume do lquido temp. de referncia to Vt = Volume do lquido temperatura t 1, 2, 3 = Coeficiente de expanso do lquido oC-1 t = t - to Teoricamente esta relao no linear, porm como os termos de segunda e terceira ordem so desprezveis, na prtica consideramos linear. E da: Vt = Vo.( 1 + .t) Os tipos podem variar conforme sua construo: .Recipiente de vidro transparente .Recipiente metlico

2.1.2 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 a mais uniforme possvel fechado na parte superior. O reservatrio e parte do capilar so preenchidos de um lquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termmetro no caso da temp. 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. Os lquidos mais usados so: .Mercrio .Tolueno .lcool .Acetona

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Nos termmetros industriais, o bulbo de vidro protegido por um poo metlico e o tubo capilar por um invlucro metlico. LQUIDO Mercrio lcool Etlico Tolueno PONTO DE SOLIDIFICAO(oC) -39 -115 -92 PONTO DE EBULIO(oC) +357 +78 +110 FAIXA DE USO(oC) -38 550 -100 70 -80 100

No termmetro de mercrio, pode-se elevar o limite mximo at 550OC injetando-se gs inerte sob presso, evitando a vaporizao do mercrio. Por ser frgil e impossvel registrar sua indicao ou transmiti-la distncia, o uso deste termmetro mais comum em laboratrios ou em indstrias quando com proteo metlica.

2.1.3 Termmetro de dilatao de lquido em recipiente metlico.Neste termmetro, o lquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensvel (sensor volumtrico).

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Caractersticas dos elementos bsicos deste termmetro: Bulbo Suas dimenses variam de acordo com o tipo de lquido e principalmente com a sensibilidade desejada. A tabela abaixo, mostra os lquidos mais usados e sua faixa de utilizao LQUIDO Mercrio Xileno Tolueno lcool FAIXA DE UTILIZAO (oC) -35 +550 -40 +400 -80 +100 50 +150

Capilar Suas 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. Elemento de Medio O elemento usado o Tubo de Bourdon, podendo ser :

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Os materiais mais usados so: bronze fosforoso, cobre - berlio , ao - inox e ao - carbono. Pelo fato deste sistema utilizar lquido inserido num recipiente e da distncia entre o elemento sensor e o bulbo ser considervel, as variaes na temperatura ambiente afetam no somente o lquido no bulbo, mas em todo o sistema (bulbo, capilar e sensor) causando erro de indicao ou registro. Este efeito da temperatura ambiente compensado de duas maneiras que so denominadas classe 1A e classe 1B. Na classe 1B a compensao feita somente no sensor, atravs de uma lamina bimetlica. Este sistema normalmente preferido por ser mais simples, porm o comprimento mximo do capilar para este sistema de compensao de aproximadamente 6 metros. Quando esta distncia for maior o instrumento deve possuir sistema de compensao classe 1A, onde a compensao feita no sensor e no capilar, por meio de um segundo capilar ligado a um elemento de compensao idntico ao de medio, sendo os dois ligados em oposio. O segundo capilar tem comprimento idntico ao capilar de medio, porm no est ligado a um bulbo. A aplicao destes termmetros, se encontra na indstria em geral para indicao e registro, pois permite leituras remotas e por ser o mais preciso dos sistemas mecnicos de medio de temperatura, porm no recomendvel para controle por causa de seu tempo de resposta ser relativamente grande (mesmo usando fluido trocador de calor entre bulbo e poo de proteo para diminuir este atraso conforme figura abaixo). O poo de proteo, permite manuteno do termmetro com o processo em operao. Recomenda-se no dobrar o capilar com curvatura acentuada para que no se forme restries que prejudicariam o movimento do lquido em seu interior, causando problemas de medio.

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2.2 TERMMETROS PRESSO DE GS 2.2.1 Princpio de funcionamento

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: P1 = P2 = . . . = Pn T1 T2 Tn Observa-se que as variaes de presso so linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante.

2.2 CaractersticasO gs mais utilizado o N 2 e geralmente enchido 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 a 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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Tipos de gs de enchimento Gs Hlio ( He ) Hidrognio ( H2 ) Nitrognio ( N2 ) Dixido de Carbono ( CO2 )

Temperatura Crtica - 267,8 oC - 239,9 oC - 147,1 oC - 31,1 oC

2.3 TERMMETRO PRESSO DE VAPOR 2.3.1 Principio de funcionamentoSua 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 liqefeito 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: log P1 /P 2 = H e . ( 1/T 1 - 1/T2 ) / 4,58 onde: P1 e P 2 = Presses absolutas relativas as temperaturas T1 e T2 = Temperaturas absolutas H e = Representa o calor latente de evaporao do lquido em questo A tabela a seguir, mostra os lquidos mais utilizados e seus pontos de fuso e ebulio -12-

Lquido Cloreto de Metila Butano Eter Etlico Tolueno Dixido de enxofre Propano

Ponto de Fuso ( oC ) - 139 - 135 - 119 - 95 - 73 - 190

Ponto de ebulio ( oC ) - 24 - 0,5 34 110 - 10 - 42

2.4 TERMMETROS DILATAO DE SLIDOS (TERMMETROS BIMETLICOS) 2.4.1 Princpio de funcionamentoBaseia-se no fenmeno da dilatao linear dos metais com temperatura. Sendo: Lt = Lo. ( 1 + .t) onde: t= temperatura do metal em oC Lo = comprimento do metal temp. de referncia t o Lt = comprimento do metal temp. t = coeficiente de dilatao linear t= t - t o a

2.4.2 Caractersticas de construoO termmetro bimetlico consiste em duas laminas de metais com coeficientes de dilatao diferentes sobrepostas, formando uma s pea. Variandose a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que proporcional a temperatura. Na prtica a lamina bimetlica enrolada em forma de espiral ou hlice, o que aumenta bastante a sensibilidade.HLICE

O termmetro 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.

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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%

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3 - MEDIO DE TEMPERATURA POR TERMOPARUm termopar consiste de dois condutores metlicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogneas. Os fios so soldados em um extremo ao qual se d o nome de junta quente ou junta de medio. A outra extremidade dos fios levada ao instrumento de medio de f.e.m. ( fora eletromotriz ), fechando um circuito eltrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medio chamado de junta fria ou de referncia.

O aquecimento da juno de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m.. Este princpio conhecido por efeito Seebeck propiciou a utilizao de termopares para a medio de temperatura. Nas aplicaes prticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura acima . O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura ( T ) existente entre as juntas quente e fria, ser de um modo geral indicado, registrado ou transmitido.

3.1 EFEITOS TERMOELTRICOSQuando dois metais ou semicondutores dissimilares so conectados e as junes mantidas a diferentes temperaturas, quatro fenmenos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta. A aplicao cientfica e tecnolgica dos efeitos termoeltricos muito importante e sua utilizao no futuro cada vez mais promissora. Os estudos das propriedades termoeltricas dos semicondutores e dos metais levam, na prtica, aplicao dos processo de medies na gerao de energia eltrica ( bateria solar ) e na produo de calor e frio. O controle de temperatura feito por pares termoeltricos uma das importantes aplicaes do efeito Seebeck. Atualmente, busca-se o aproveitamento industrial do efeito Peltier, em grande escala, para obteno de calor ou frio no processo de climatizao ambiente.

3.2 EFEITO TERMOELTRICO DE SEEBECKO fenmeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeck quando ele notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulao de corrente enquanto existir um diferena de temperatura T entre as suas junes. Denominamos a junta de -15-

medio de Tm , e a outra, junta de referncia de Tr. A existncia de uma f.e.m. trmica AB no circuito conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referncia mantida constante, verifica-se que a f.e.m. trmica uma funo da temperatura Tm da juno de teste. Este fato permite utilizar um par termoeltrico como um termmetro.

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os eltrons livres de um metal difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando dois condutores diferentes so conectados para formar duas junes e estas so mantidas a diferentes temperaturas, a difuso dos eltrons nas junes se produz a ritmos diferentes.

3.3 - EFEITO TERMOELTRICO DE PELTIEREm 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoeltrico com ambas as junes mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas da junes variam em uma quantidade no inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variao adicional de temperatura o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior como pelo prprio par termoeltrico.

O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma juno, sendo independente da temperatura da outra juno .O calor Peltier reversvel. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier o mesmo, porm em sentido oposto.

3.4 - EFEITO TERMOELTRICO DE THOMSONEm 1854, Thomson conclui, atravs das leis da termodinmica, que a conduo de calor, ao longo dos fios metlicos de um par termoeltrico, que no transporta corrente, origina uma distribuio uniforme de temperatura em cada fio.

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Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuio de temperatura em uma quantidade no inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variao adicional na distribuio da temperatura denomina-se efeito Thomson. O efeito Thomson depende do metal de que feito o fio e da temperatura mdia da pequena regio considerada. Em certos metais h absoro de calor, quando uma corrente eltrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que h gerao de calor quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto , h liberao de calor quando uma corrente eltrica flui da parte quente para a parte fria do metal . Conclui-se que, com a circulao de corrente ao longo de um fio condutor, a distribuio de temperatura neste condutor se modificar, tanto pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.

3.5 - EFEITO TERMOELTRICO VOLTAA experincia de Peltier pode ser explicada atravs do efeito Volta enunciado a seguir: " Quando dois metais esto em contato a um equilbrio trmico e eltrico, existe entre eles uma diferena de potencial que pode ser da ordem de Volts ". Esta diferena de potencial depende da temperatura e no pode ser medida diretamente.

3.6 - LEIS TERMOELTRICASDa descoberta dos efeitos termoeltricos partiu-se atravs da aplicao dos princpios da termodinmica, a enunciao das trs leis que constituem a base da teoria termoeltrica nas medies de temperatura com termopares, portanto, fundamentados nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os fenmenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores.

LEI DO CIRCUITO HOMOGNEO" A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoeltrico de dois metais diferentes, com suas junes as temperaturas T1 e T2, independente do gradiente de temperatura e de sua distribuio ao longo dos fios". Em outras palavras, a f.e.m. medida depende nica e exclusivamente da composio qumica dos dois metais e das temperaturas existentes nas junes.

Um exemplo de aplicao prtica desta lei que podemos ter uma grande variao de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios termopares, que esta no influir na f.e.m. produzida pela diferena de temperatura entre as juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante a diferena de temperatura entre as juntas.

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LEI DOS METAIS INTERMEDIRIOS" A soma algbrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um nmero qualquer de metais diferentes zero, se todo o circuito estiver a mesma temperatura". Deduz-se da que um circuito termoeltrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida no ser alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genrico, desde que as novas junes sejam mantidas a temperaturas iguais.

Onde se conclui que: Se: T3 = T4 --> E1 = E2 T3 = T4 --> E1 = E2 Um exemplo de aplicao prtica desta lei a utilizao de contatos de lato ou cobre, para interligao do termopar ao cabo de extenso no cabeote.

LEI DAS TEMPERATURAS INTERMEDIRIAS

" A f.e.m. produzida em um circuito termoeltrico de dois metais homogneos e diferentes entre si, com as suas junes as temperaturas T1 e T3 respectivamente, a soma algbrica da f.e.m. deste circuito, com as junes as temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junes as temperaturas T2 e T3. Um exemplo prtico da aplicao desta lei, a compensao ou correo da temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.

3.5 - CORRELAO DA F.E.M. EM FUNO DA TEMPERATURAVisto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composio qumica dos condutores e da diferena de temperatura entre as juntas, isto , a cada grau de variao de temperatura, podemos observar uma variao da f.e.m. gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlao entre temperatura e a f.e.m., por uma questo prtica padronizou- se o levantamento destas curvas com a junta de referncia temperatura de 0 C. -18-

Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala Prtica Internacional de Temperatura de 1968 ( IPTS-68 ), recentemente atualizada pela ITS-90, para os termopares mais utilizados. A partir dessas tabelas podemos construir um grfico conforme a figura a seguir ,onde est relacionado a milivoltagem gerada em funo da temperatura, para os termopares segundo a norma ISA, com a junta de referncia a 0 C.

3.6 - TIPOS E CARACTERSTICAS DOS TERMOPARESExistem vrias combinaes de 2 metais condutores operando como termopares. As combinaes de fios devem possuir uma relao razoavelmente linear entre temperatura e f.e.m.; devem desenvolver uma f.e.m. por grau de mudana de temperatura, que seja detectvel pelos equipamentos normais de medio. Foram desenvolvidas diversas combinaes de pares de Ligas Metlicas, desde os mais corriqueiros de uso industrial, at os mais sofisticados para uso especial ou restrito a laboratrio. Essas combinaes foram feitas de modo a se obter uma alta potncia termoeltrica, aliando-se ainda as melhores caractersticas como homogeneidade dos fios e resistncia a corroso, na faixa de utilizao, assim cada tipo de termopar tem uma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para que se tenha a maior vida til do mesmo. Podemos dividir os termopares em trs grupos, a saber: - Termopares Bsicos - Termopares Nobres - Termopares Especiais

3.6.1 - TERMOPARES BSICOSSo assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios so de custo relativamente baixo e sua aplicao admite um limite de erro maior .

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TIPO T Nomenclaturas: T - Adotado pela Norma ANSI CC - Adotado pela Norma JIS Cu - Co Cobre - Constantan Liga: ( + ) Cobre - ( 99,9 % ) ( - ) Constantan - So as ligas de Cu-Ni compreendidos no intervalo entre Cu ( 50 % ) e Cu ( 65 % ) Ni ( 35 % ). A composio mais utilizada para este tipo de termopar de Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ). Caractersticas: Faixa de utilizao: - 184 a 370 C F.e.m. produzida: - 5,333 a 19,027 mV Aplicaes: Criometria ( baixas temperaturas ), Indstrias de refrigerao, Pesquisas agronmicas e ambientais, Qumica e Petroqumica. TIPO J Nomenclaturas: J - Adotada pela Norma ANSI IC - Adotada pela Norma JIS Fe-Co Ferro - Constantan Liga: ( + ) Ferro - ( 99,5 % ) ( - ) Constantan - Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ), normalmente se produz o ferro a partir de sua caracterstica casa-se o constantan adequado. Caractersticas: Faixa de utilizao: 0 a 760 C f.e.m. produzida: 0 a 49,922 mV Aplicaes: Centrais de energia, Metalrgica, Qumica, Petroqumica, indstrias em geral. TIPO E Nomenclatura: E - Adotada pela Norma ANSI CE - Adotada pela Norma JIS NiCr-Co Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % ) ( - ) Constantan - Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ) Caractersticas: Faixa de utilizao: 0 a 870 C f.e.m. produzida: 0 a 66,473 mV Aplicaes: Qumica e Petroqumica TIPO K Nomenclaturas: K - Adotada pela Norma ANSI CA - Adotada pela Norma JIS Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % ) ( - ) Alumel - Ni( 95,4 % ), Mn( 1,8 % ), Si( 1,6 % ), Al( 1,2 % ) Caractersticas: Faixa de utilizao: 0 a 1260 C f.e.m. produzida: 0 a 50,99 mV

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Aplicaes: Metalrgicas, Siderrgicas, Fundio, Usina de Cimento e Cal, Vidros, Cermica, Indstrias em geral.

3.6.2 - TERMOPARES NOBRESSo aqueles que os pares so constitudos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido baixa potncia termoeltrica, apresentam uma altssima preciso, dada a homogeneidade e pureza dos fios dos termopares. TIPO S Nomenclaturas: S - Adotada pela Norma ANSI Pt Rh 10 % - Pt Liga: ( + ) Platina Rhodio 10 % ( - ) Platina 100 % Caractersticas: Faixa de utilizao: 0 a 1480 C f.e.m. produzida: 0 a 15,336 mV Aplicaes: Siderrgica, Fundio, Metalrgica, Usina de Cimento, Cermica, Vidro e Pesquisa Cientfica. Observao: utilizado em sensores descartveis na faixa de 1200 a 1768 C, para medio de metais lquidos em Siderrgicas e Fundies TIPO R Nomenclaturas: R - Adotada pela Norma ANSI PtRh 13 % - Pt Liga: ( + ) Platina 87 % Rhodio 13 % ( - ) Platina 13 % Caractersticas: Faixa de utilizao: 870 a 1705 C f.e.m. produzida: 3,708 a 12,485 mV Aplicaes: As mesmas do tipo S TIPO B Nomenclaturas: B - Adotada pela Norma ANSI PtRh 30 % - PtRh 6 % Liga: ( + ) Platina 70 % Rhodio 30 % ( - ) Platina 94 % Rhodio 6 % Caractersticas: Faixa de utilizao: 870 a 1705 C f.e.m. produzida: 3,708 a 12,485 mV Aplicaes: Vidro, Siderrgica, alta temperatura em geral.

3.6.3 - NOVOS TIPOS DE TERMOPARESAo longo do anos, os tipos de termopares produzidos oferecem, cada qual, uma caracterstica especial porm, apresentam restries de aplicao , que devem ser consideradas. Novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender s condies de processo onde os termopares bsicos no podem ser utilizados. TUNGSTNIO - RHNIO -21-

Esses termopares podem ser usados continuamente at 2300 e por C curto perodo at 2750 C. IRDIO 4 0 % - RHODIO / IRDIO Esses termopares podem ser utilizados por perodos limitados at 2000 C. PLATINA - 4 0% RHODIO / PLATINA - 2 0 % R H O D I O Esses termopares so utilizados em substituio ao tipo B onde temperaturas um pouco mais elevadas so requeridas. Podem ser usado continuamente at 1600 C e por curto perodo at 1800 ou 1850 C C. OURO- FERRO / CHROMEL Esses termopares so desenvolvidos para trabalhar criognicas.

em

temperaturas

NICROSIL / NISIL Basicamente, este novo par termoeltrico um substituto para o par tipo K, apresentando uma fora eletromotriz um pouco menor em relao ao tipo K.

3.7 - CORREO DA JUNTA DE REFERNCIAAs tabelas existentes da f.e.m. gerada em funo da temperatura para os termopares, tm fixado a junta de referncia a 0 ( ponto de solidificao da C gua ), porm nas aplicaes prticas dos termopares junta de referncia considerada nos terminais do instrumento receptor e esta se encontra a temperatura ambiente que normalmente diferente de 0 e varivel com o C tempo, tornando assim necessrio que se faa uma correo da junta de referncia, podendo esta ser automtica ou manual Os instrumentos utilizados para medio de temperatura com termopares costumam fazer a correo da junta de referncia automaticamente, sendo um dos mtodos utilizados, a medio da temperatura nos terminais do instrumento, atravs de circuito eletrnico, sendo que este circuito adiciona a milivoltagem que chega aos terminais, uma milivoltagem correspondente diferena de temperatura de 0 temperatura ambi ente. C Existem tambm alguns instrumentos em que a compensao da temperatura fixa em 20 ou 25 Neste caso, s e a temperatura ambiente for C C. diferente do valor fixo, o instrumento indicar a temperatura com um erro que ser tanto maior quanto maior for a diferena de temperatura ambiente e do valor fixo.

importante no esquecer que o termopar mede realmente a diferena entre as temperaturas das junes. Ento para medirmos a temperatura do ponto

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desejado precisamos manter a temperatura da juno de referncia invarivel.

FEM = JM - JR FEM = 2,25 - 1,22 FEM = 1,03 mV

20 C

Esta temperatura obtida pelo clculo est errada pois o valor da temperatura correta que o meu termmetro tem que medir de 50 C. FEM = JM - JR FEM = 2,25 - 1,22 FEM = 1,03 mV + a mV correspondente a temperatura ambiente para fazer a compensao automtica, portanto: FEM= mV JM mV JR + mV CA (Compensao automtica) FEM = 2,25 - 1,22 + 1,22 FEM = 2,25 mV 50 C A leitura agora est correta, pois 2,25 mV corresponde a 50 que a C temperatura do processo. Hoje em dia a maioria dos instrumentos fazem a compensao da junta de referncia automaticamente. A compensao da junta de referncia pode ser feita manualmente. Pega-se o valor da mV na tabela correspondente a temperatura ambiente e acrescenta-se ao valor de mV lido por um milivoltmetro.

3.8 - ASSOCIAO DE TERMOPARES 3.8.1 - Associao sriePodemos ligar os termopares em srie simples para obter a soma das mV individuais. a chamada termopilha. Este tipo de ligao muito utilizada em pirmetros de radiao total, ou seja, para soma de pequenas mV.

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O instrumento de medio pode ou no compensar a mV da junta de referncia. Se compensar dever compensar uma mV correspondente ao no de termopares aplicados na associao. Exemplo.: 3 termopares mVJR = 1 mV compensa 3 mV

3.8.2 - Associao srie - opostaPara medir a diferena de temperatura entre 2 pontos ligamos os termopares em srie oposta. O que mede maior temperatura vai ligado ao positivo do instrumento. Os termopares sempre so do mesmo tipo. Exemplo: Os termopares esto medindo 56 e 50 respectivamente, a diferena C C das FEMs ser medida pelo milivoltmetro

FEM T = FEM2 FEM1 56 = 2,27 mV C FEM T = 2,27 - 2,022 50 = 2,022 mV C FEM T = 0,248 mV = 6 C No necessrio compensar a temperatura ambiente desde que as juntas de referncia estejam a mesma temperatura.

3.8.3 Associao em paraleloLigando 2 ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento, teremos a mdia das mV geradas nos diversos termopares se as resistncias internas foram iguais.

3.9 - FIOS DE COMPENSAO E EXTENSONa maioria das aplicaes industriais de medio de temperatura, atravs de termopares, o elemento sensor no se encontra junto ao instrumento receptor. Nestas condies torna-se necessrio que o instrumento seja ligado ao termopar, atravs de fios que possuam uma curva de fora eletromotriz em funo da temperatura similar aquela do termopar, afim de que no instrumento possa ser efetuada a correo na junta de referncia. Definies 1- Convenciona-se chamar de fios aqueles condutores constitudos por um eixo slido e de cabos aqueles formados por um feixe de condutores de bitola menor, formando um condutor flexvel. 2- Chama-se de fios ou cabos de extenso aqueles fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam. Exemplo: Tipo TX, JX, EX e KX.

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3- Chama-se de fios ou cabos de compensao aqueles fabricados com ligas diferentes das dos termopares a que se destinam, porm que forneam, na faixa de utilizao recomendada, uma curva da fora eletromotriz em funo da temperatura equivalente desses termopares. Exemplo : Tipo SX e BX. 4- Chama-se fio termopar aquele isolado eletricamente, que pode ser utilizado com ou sem outra proteo mecnica ou trmica. Sua faixa de utilizao fica delimitada em funo do tipo de par termoeltrico e do limite de utilizao do material isolante. Os fios e cabos de extenso e compensao so recomendados na maioria dos casos para utilizao desde a temperatura ambiente at um limite mximo de 200 C.

3.10 - ERROS DE LIGAO 3.10.1 - Usando fios de cobreGeralmente na aplicao industrial, necessrio que o termopar e o instrumento encontrem-se relativamente afastados, por no convir que o aparelho esteja demasiadamente prximo ao local onde se mede a temperatura .Nestas circunstncias deve-se, processar a ligao entre os terminais do cabeote e o aparelho, atravs de fios de extenso ou compensao. Tal, procedimento executado sem problemas desde que, o cabeote onde esto os terminais do termopar e o registrador, estejam a mesma temperatura de medio. Vejamos o que acontece quando esta norma no obedecida.

Na figura um termopar de Chromel - Alumel colocado em um forno, cuja a temperatura de 538 Das tabelas caracterstica s dos termopares constata-se C. que a FEM de 22,26 mV na junta de medio. As extremidades do termopar encontra-se em um cabeote, onde so conectados a um fio duplo de cobre, que da prossegue at um registrador a 24 Pode-se f acilmente verificar pela C. ilustrao, que a FEM gerada no cabeote 1,529 mV, portanto, a FEM efetiva nos terminais do cabeote de 20,731 mV ( 22,26 - 1,529).

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Esta a FEM efetiva, que est chegando ao registrador e adiciona da a mV gerada pelo compensador automtico de temperatura do registrador, ou seja, 20,731 mV + 0,96 mV que ser igual a 21,69 mV. Esta FEM ( 21,69 mV) corresponde a uma temperatura de 525 existindo , portanto um erro de 13 C, C. Porm considerando-se que necessrio estar o registrador a uma temperatura prxima da ambiente, como poderamos corrigir este erro ? Uma soluo simples que normalmente usada na prtica, ser a insero de fios de compensao entre o cabeote e o registrador . Estes fios de compensao em sntese, nada mais so que outros termopares cuja funo compensar a queda da FEM que aconteceu no caso estudado, ocasionada pela diferena de temperatura entre o cabeote e o registrador. Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invs de cobre usamos um fio compensado. A figura mostra de que maneira se processa a instalao.

Como no caso acima, a FEM efetiva no cabeote de 20,74 mV. Dela , at o registrador, so utilizados fios de extenso compensados, os quais adicionam FEM uma parcela igual a 0,57 mV, fazendo assim com que chegue ao registrador uma FEM efetiva de 22,26 mV. Este valor corresponder a temperatura real dentro do forno ( 538 ). A vantagem desta tcnica prov m do fato de que os fios de C compensao, alm de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, tambm so mais resistentes.

3.10.2 - Inverso simplesConforme o esquema a seguir, os fios de compensao foram invertidos.

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Assume-se que o forno esteja a 538 o cabeote a 38 e o registrador a C, C 24 Devido a diferena de temperatura entre o ca beote e o registrador, ser C. gerada uma FEM de 0,57 mV. Porm em virtude da simples inverso, o fio positivo est ligado no borne negativo do registrador e vice- versa. Isto far com que a FEM produzida ao longo do circuito se oponha quela do circuito de compensao automtica do registrador. Isto far com que o registrador indique uma temperatura negativa.

3.10.3 - Inverso duplaNo caso a seguir, consideramos o caso da existncia de uma dupla inverso: Isto acontece com freqncia pois, quando uma simples inverso constatada, comum pensar-se que uma nova troca de ligao dos terminais compensar o erro. Porm isto no acontece, e a nica maneira de solucionar o problema ser efetuar uma ligao correta.

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evidente que se o cabeote e o registrador estiverem a uma mesma temperatura, a dupla inverso no ocasionar discrepncia na medio, contudo, estudaremos o caso em que o cabeote e o registrador esto a temperaturas desiguais. O cabeote est a 38 e o registrador a 24 C C. No vamente consideramos como sendo 538 a temperatura do for no. Neste caso a mV efetiva C do termopar ser de 20,74 mV. A FEM gerada pelos fios de compensao ser de 0,57 mV s que estes esto invertidos. A FEM gerada pelo termopar e os fios de compensao ser acrescida da mV gerada pela compensao automtica do registrador. Verificamos ento que a temperatura indicada pelo registrador apresenta um erro de 27 devido ao erro da dupla inverso. C

3.11 - TERMOPAR DE ISOLAO MINERALO termopar de isolao mineral constitudo de um ou dois pares termoeltricos, envolvidos por um p isolante de xido de magnsio, altamente compactado em uma bainha externa metlica. Devido a esta construo, os condutores do par termoeltrico ficam totalmente protegidos contra a atmosfera exterior, consequentemente a durabilidade do termopar depende da resistncia a corroso da sua bainha e no da resistncia a corroso dos condutores. Em funo desta caracterstica, a escolha do material da bainha fator importante na especificao destes.

3.11.1 - Vantagens dos termopares de isolao mineral

A. ESTABILIDADE NA FORA ELETROMOTRIZ A estabilidade da FEM do termopar caracterizada em funo dos condutores estarem completamente protegidos contra a ao de gases e outras condies ambientais, que normalmente causam oxidao e consequentemente perda da FEM gerada.

B. RESISTNCIA MECNICA O p muito bem compactado, contido dentro da bainha metlica, mantm os condutores uniformemente posicionados, permitindo que o cabo seja dobrado achatado, torcido ou estirado, suporte presses externas e choque trmico , sem qualquer perda das propriedades termoeltricas. -28-

C. DIMENSO REDUZIDA O processo de fabricao permite a produo de termopares de isolao mineral, com bainhas de dimetro externo at 1,0 mm, permitindo a medida de temperatura em locais que no eram anteriormente possveis com termopares convencionais. D. IMPERPEABILIDADE A GUA , LEO E GS A bainha metlica assegura a impermeabilidade do termopar a gua, leo e gs. E. FACILIDADE DE INSTALAO A maleabilidade do cabo, a sua pequena dimenso, longo comprimento grande resistncia mecnica, asseguram facilidade de instalao, mesmo nas situaes mais difceis. F. ADAPTABILIDADE A construo do termopar de isolao mineral permite que o mesmo seja tratado como se fosse um condutor slido. Em sua capa metlica podem ser montados acessrios, por soldagem ou brasagem e quando necessrio, sua seo pode ser reduzida ou alterada em sua configurao. G. RESPOSTA MAIS RPIDA A pequena massa e a alta condutividade trmica do p de xido de magnsio, proporcionam ao termopar de isolao mineral um tempo de resposta que virtualmente igual ao de um termopar descoberto de dimenso equivalente. H. RESISTNCIA A CORROSO As bainhas podem ser selecionadas adequadamente para resistir ao ambiente corrosivo. I. RESISTNCIA DE ISOLAO ELEVADA O termopar de isolao mineral tem uma resistncia de isolao elevada, numa vasta gama de temperaturas, a qual pode ser mantida sob condies mais midas. J. BLINDAGEM ELETROSTTICA A bainha do termopar de isolao mineral, devidamente aterrada, oferece uma perfeita blindagem eletrosttica ao par termoeltrico.

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4 - MEDIO DE TEMPERATURA POR TERMORRESISTNCIAOs mtodos de utilizao de resistncias para medio de temperatura iniciaram-se ao redor de 1835, com Faraday, porm s houve condies de se elaborar as mesmas para utilizao em processos industriais a partir de 1925. Esses sensores adquiriram espao nos processos industriais por suas condies de alta estabilidade mecnica e trmica, resistncia contaminao, baixo ndice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso. Devido a estas caractersticas, esse sensor padro internacional para a medio de temperatura na faixa de -270 a 660 em seu modelo de C C. laboratrio.

4.1 - PRINCPIO DE FUNCIONAMENTOOs bulbos de resistncia so sensores que se baseiam no princpio de variao da resistncia em funo da temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricao destes tipos de sensores so a platina, cobre ou nquel, que so metais que apresentam caractersticas de: a) Alta resistividade, permitindo assim um melhor sensibilidade do sensor. b) Ter alto coeficiente de variao de resistncia com a temperatura. c) Ter rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos. A equao que rege o fenmeno a seguinte: Para faixa de -200 a 0 oC: Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T2 + C . T3 . ( T 100 ) ] Para faixa de 0 a 850 oC: Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T2 ] onde: Rt = resistncia na temperatura T () R0= resistncia a 0 oC () T = temperatura (oC ) A , B , C = coeficientes inerentes do material empregado A = 3,90802 . 10-3 B = -5,802 . 10-7 C = -4,2735 . 10-12 O nmero que expressa a variao de resistncia em funo da temperatura chamado de alfa () e se relaciona da seguinte forma:

= R

1oo

R0

Um valor tpico de alfa para R100 = 138,50 de 3,850.10-3 . -1 . oC-1 segundo a DIN IEC 751/85.

100. R 0

4.2 - CONSTRUO FSICA DO SENSORO bulbo de resistncia se compe de um filamento, ou resistncia de Pt, Cu ou Ni, com diversos revestimentos, de acordo com cada tipo e utilizao. As termorresistncias de Ni e Cu tm sua isolao normalmente em esmalte, seda, algodo ou fibra de vidro. No existe necessidade de protees mais resistentes a temperatura, pois acima de 300 o nquel perde suas C propriedades caractersticas de funcionamento como termorresistncia e o cobre sofre problemas de oxidao em temperaturas acima de 310 C. -30-

Os sensores de platina, devido a suas caractersticas, permitem um funcionamento at temperaturas mais elevadas, tm seu encapsulamento normalmente em cermica ou vidro. A este sensor so dispensados maiores cuidados de fabricao pois, apesar da Pt no restringir o limite de temperatura de utilizao, quando a mesma utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminao dos fios. Para utilizao como termmetro padro, os sensores de platina so completamente desapoiados do corpo de proteo. A separao feita por isoladores, espaadores de mica, conforme desenho abaixo. Esta montagem no tem problemas relativos a dilatao, porm extremamente frgil. Os medidores parcialmente apoiados tm seus fios introduzidos numa pea de alumina de alta pureza com fixador vtreo. um meio termo entre resistncia a vibrao e dilatao trmica. A verso completamente apoiada pode suportar vibraes muito mais fortes, porm sua faixa de utilizao fica limitada a temperaturas mais baixas, devido a dilatao dos componentes.

4.3 - CARACTERSTICAS DA TERMORESISTNCIA DE PLATINAAs termorresistncias Pt 100 so as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade, larga faixa de utilizao e alta preciso. Devido a alta estabilidade das termorresistncias de platina, as mesmas so utilizadas como padro de temperatura na faixa de -270 a 660 A estabilidade C C. um fator de grande importncia na indstria, pois a capacidade do sensor manter e reproduzir suas caractersticas ( resistncia - temperatura ) dentro da faixa especificada de operao. Outro fator importante num sensor Pt 100 a repetibilidade, que a caracterstica de confiabilidade da termorresistncia. Repetibilidade deve ser medida com leitura de temperaturas consecutivas, verificando-se a variao encontrada quando de medio novamente na mesma temperatura. O tempo de resposta importante em aplicaes onde a temperatura do meio em que se realiza a medio est sujeito a mudanas bruscas. Considera-se constante de tempo como tempo necessrio para o sensor reagir a uma mudana de temperatura e atingir 63,2 % da variao da temperatura.

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Na montagem tipo isolao mineral, tem-se o sensor montado em um tubo metlico com uma extremidade fechada e preenchido todos os espaos com xido de magnsio, permitindo uma boa troca trmica e protegendo o sensor de choques mecnicos. A ligao do bulbo feita com fios de cobre, prata ou nquel isolados entre si, sendo a extremidade aberta ,selada com resina epoxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar. Este tipo de montagem permite a reduo do dimetro e apresenta rpida velocidade de resposta.

4.4 - VANTAGENS E DESVANTAGENSVANTAGENS: a) Possuem maior preciso dentro da faixa de utilizao do que outros tipo de sensores. b) Com ligao adequada no existe limitao para distncia de operao. c) Dispensa utilizao de fiao especial para ligao. d) Se adequadamente protegido, permite utilizao em qualquer ambiente. e) Tm boas caractersticas de reprodutibilidade. f) Em alguns casos substitui o termopar com grande vantagem. DESVANTAGENS a) So mais caras do que os sensores utilizados nessa mesma faixa. b) Deterioram-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura mxima de utilizao. c) Temperatura mxima de utilizao 630 C. d) necessrio que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para indicar corretamente. e) Alto tempo de resposta.

4.5 - PRINCPIO DE MEDIOAs termorresitncias so normalmente ligadas a um circuito de medio tipo Ponte de Wheatstone, sendo que o circuito encontra-se balanceado quando respeitada a relao R4.R2 = R3.R1 e desta forma no circula corrente pelo detetor de nulo, pois se esta relao verdadeira, os potenciais nos pontos A e B so idnticos. Para utilizao deste circuito como instrumento de medida de Termorresistncia, teremos as seguintes configuraes:

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4.5.1 - Ligao 2 fiosComo se v na figura, dois condutores de resistncia relativamente baixa RL1 e RL2 so usados para ligar o sensor Pt-100 (R4) ponte do instrumento de medio. Nesta disposio, a resistncia R4 compreende a resistncia da Pt-100 mais a resistncia dos condutores RL1 e RL2. Isto significa que os fios RL1 e RL2 a menos que sejam de muito baixa resistncia, podem aumentar apreciavelmente a resistncia do sensor.

Tal disposio, resultar em erro na leitura da temperatura, a menos que algum tipo de compensao ou ajuste dos fios do sensor de modo a equilibrar esta diferena de resistncia. Deve-se notar que, embora a resistncia dos fios no se altere em funo do tamanho dos fios uma vez j instalado, os mesmos esto sujeitos s variaes da temperatura ambiente, o que introduz uma outra possvel fonte de erro na medio. O mtodo de ligao a dois fios, somente deve ser usado quando o sensor estiver uma distncia de aproximadamente 3 metros. Concluindo, neste tipo de medio a 2 fios, sempre que a temperatura ambiente ao longo dos fios de ligao variar, a leitura de temperatura do medidor introduzir um erro, devido a variao da resistncia de linha .

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4.5.2 - Ligao 3 fiosEste o mtodo mais utilizado para termorresistncias na indstria. Neste circuito a configurao eltrica um pouco diferente, fazendo com que a alimentao fique o mais prximo possvel do sensor, permitindo que a RL1 passe para o outro brao da ponte, balanceando o circuito. Na ligao a 2 fios, as resistncias de linha estavam em srie com o sensor, agora na ligao a 3 fios elas esto separadas.

Nesta situao, tem-se a tenso EAB, variando linearmente em funo da temperatura da PT100 e independente da variao da temperatura ambiente ao longo dos fios de ligao . Este tipo de ligao, garante relativa preciso mesmo com grandes distncias entre elemento sensor e circuito de medio

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5 - MEDIO DE TEMPERATURA POR RADIAOAo se medirem temperaturas em que o contato fsico com o meio impossvel ou impraticvel, faz-se uso da pirometria ptica ou de radiao trmica. Um corpo aquecido emite energia mesmo que esteja no vcuo. Esta energia, a radiao trmica, transportada por ondas eletromagnticas, como a energia luminosa, mas com predominncia de freqncias bem menores que as do espectro visvel, enquanto o corpo est temperatura no muito elevada. medida que se aquece um corpo, a partir de temperaturas da ordem de 500 C, o corpo comea a ficar visvel porque comea a emitir radiaes que tem uma frao aprecivel com freqncia de luz : o espectro visvel. Ainda assim a maior parte da intensidade da radiao tem freqncia localizada na regio do infravermelho. Se pudssemos aquecer indefinidamente o corpo, ele passaria do rubro para o branco e para o azul, Isto indica que a predominncia da intensidade de radiao emitida dentro do espectro visvel corresponde a freqncias crescentes medida que a temperatura do corpo elevada.

5.1 - TEORIA DA MEDIO DE RADIAOEm 1860, Gustav Kirchoff demonstrou a lei que estabelecia a igualdade entre a capacidade de um corpo em absorver e emitir energia radiante. Essa lei fundamental na teoria da transferncia de calor por radiao. Kirchoff tambm props o termo "corpo negro" para designar um objeto que absorve toda a energia radiante que sobre ele incide. Tal objeto, em conseqncia, seria um excelente emissor.

Em 1879, Joel Stefan experimentais, a lei que relaciona a

enunciou, a partir de resultados radincia de um corpo com a sua -35-

temperatura. A radincia, W, a potncia da radiao trmica emitida, por unidade de rea da superfcie do corpo emissor. Ludwig Boltzmann chegou, em 1884, s mesmas concluses atravs da termodinmica clssica , o que resultou na chamada Lei de Stefan-Boltzmann: W= . .T4 Onde: W = energia radiante ( Watts/m2) = Constante de Stefan-Boltzmann ( 5,7 .10 -8 .W.K4) m2 T = Temperatura absoluta = Emissividade Para o corpo negro a mxima emissividade igual a um. Portanto: W = .T4 Embora o corpo negro seja uma idealizao, existem certos corpos como laca preta, placas speras de ao, placas de asbesto, com poder de absoro e de emisso de radiao trmica to altos que podem ser considerado idnticos ao corpo negro. O corpo negro considerado, portanto, um padro com o qual so comparadas as emisses dos corpos reais. Quando, sobre um corpo qualquer ocorrer a incidncia de irradiao, teremos uma diviso dessa energia em trs parcelas: W = WA + WR + WT Onde: W = energia Incidente WA = energia absorvida WR = energia refletida WT = energia transmitida Sendo: - Absorvidade : = WA W - Refletividade : = WR W - Transmissividade : = WT W Somando-se os trs coeficientes para um mesmo comprimento de onda temos: ++=1 para materiais opacos, = 0. Normalmente a absorvidade denominada "emissividade" que simbolizaremos por , e influenciada por vrios fatores. Os principais so: a) Acabamento superficial: as superfcies polidas tm uma baixa absorvidade porque a refletividade alta. b) Natureza do material. c) Temperatura da superfcie: quando esta aumenta a emissividade tambm aumenta. De acordo com Lei de Kirchoff existe uma igualdade entre a capacidade de um corpo em absorver a energia incidente e sua capacidade de reemiti-la. Chama-se a esta ltima de " emissividade ", a qual pode ser assim definida:

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" A emissividade a relao entre a energia irradiada, em um dado comprimento de onda, por um corpo qualquer e um corpo negro mesma temperatura ". = W (corpo qualquer) W ( corpo negro ) Assim definida , a emissividade assume sempre valores entre 0 e 1, sendo numericamente iguais frao de radiao absorvida pelo corpo . Considerando a radiao trmica emitida pelo corpo negro , como composta de ondas eletromagnticas e obtido experimentalmente o seu espectro em funo da temperatura, estava constitudo o desafio aos fsicos tericos : explicar este espectro a partir de sua causa microscpica. Uma onda eletromagntica de rdio ou televiso emitida por uma antena que essencialmente se constitui de cargas oscilantes , isto , um oscilador eletromagntico. No caso da radiao emitida por um corpo " as antenas " eram consideradas os osciladores microscpios provenientes da oscilao de cargas moleculares devido vibrao trmica no interior do corpo. Num slido, a uma determinada temperatura , as diversas molculas oscilariam nas diversas freqncias , emitindo a radiao com o espectro estudado. Em 1901, o fsico alemo Max PlancK publicou os resultados do seu estudo da radiao trmica, onde satisfazia todos os requisitos conceituais experimentais da radiao do corpo negro.

5.2- PIRMETROS PTCOSO pirmetro ptico o dispositivo oficial reconhecido internacionalmente para medir temperaturas acima de 1064,43 usado para C. estabelecer a Escala Internacional Prtica de Temperatura acima de 1064,43 C. O pirmetro ptico mede a intensidade de energia radiante emitida numa faixa estreita do comprimento de onda do espectro visvel . A intensidade da luz no espectro visvel emitida por um objeto quente varia rapidamente com sua temperatura. Assim, com uma pequena variao da temperatura h uma variao muito maior na luminosidade , o que fornece um meio natural para a determinao de temperaturas com boa preciso. O pirmetro ptico um instrumento com o qual a luminosidade desconhecida de um objeto medida comparando-a com a luminosidade conhecida de uma fonte padro. Os pirmetros utilizam dois mtodos para comparao: - Variando a intensidade da luz emitida por uma lmpada padro ( corrente que passa atravs do filamento ) at atingir o mesmo brilho da fonte. - Variando a luminosidade aparente do corpo quente atravs de dispositivos pticos enquanto uma corrente constante atravessa o filamento da lmpada padro que permanece com brilho constante. A comparao do brilho entre a fonte a ser medida e o filamento da lmpada feita por um observador, o que faz com que essa medida dependa, portanto, da sensibilidade do olho humano s diferenas no brilho entre duas fontes da mesma cor .

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Ao considerar-se uma aplicao deve-se levar em consta os seguintes dados: - Os limites normais de utilizao esto entre 750 e 2850 Com filtros de C C. absoro especiais, pode-se estender sua calibrao at 5500 C. - As medidas efetuadas com pirmetros pticos so independentes da distncia entre a fonte e o aparelho, alm de que so providos de um conjunto de lentes que aproxima o objetivo a ser medido. - Em uso industrial, consegue-se uma preciso de at 2%. - Devido medida de temperatura ser baseada na emissividade da luz ( brilho ), erros significativos podem ser criados, devido reflexo de luz ambiente pela fonte a ser medida. - Quando o meio onde se executa a medida possui partculas em suspenso, causando assim uma diminuio da intensidade da luz proveniente da fonte, diminuindo a preciso da medio.

5.3 - RADIMETRO OU PIRMETROS DE RADIAOOs radimetros ( ou pirmetros de radiao ) operam essencialmente segundo a lei de Stefan-Boltzmann. So os sistemas mais simples, neles a radiao coletada por um arranjo ptico fixo e dirigida a um detector do tipo termopilha ( associao em srie- ver figura abaixo ) ou do tipo semicondutor nos mais modernos, onde gera um sinal eltrico no caso da termopilha ou altera o sinal eltrico no caso do semicondutor. Como no possuem mecanismo de varredura prprio, o deslocamento . do campo de viso instantneo realizado pela movimentao do instrumento como um todo. Os radimetros sao em geral portteis, mas podem ser empregados tambm no controle de processos a partir de montagens mecnicas fixas ou mveis. Graas utilizao de microprocessadores, os resultados das medies podem ser memorizadas para o clculo de temperaturas e seleo de valores.

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A apresentao dos resultados normalmente feita atravs de mostradores analgicos e digitais, podendo ainda ser impressa em papel ou gravada em fita magntica para posterior anlise. Alguns radimetros so diretamente conectados com unidades de controle ou registradores atravs de interface analgica/digital.

Os radimetros so usados industrialmente onde: - As temperaturas esto acima da faixa de operao prtica dos termopares. - A atmosfera do processo for prejudicial aos pares termoeltricos, causando medidas falsas e pequena durabilidade ao par . - No interior de fornalhas a vcuo ou presso, onde os sensores de temperatura danificam o produto. - O objeto cuja temperatura se vai medir est em movimento. - Em locais onde os termopares no podem ser instalados, por causa de vibraes, choques mecnicos ou impossibilidade de montagem. Ao considerar-se uma aplicao deve-se levar em conta os seguintes dados: - A temperatura do alvo e a temperatura normal de operao. - O sinal de sada independente da distncia do alvo, desde que o campo de visao do sistema ptico esteja preenchido totalmente pelo mesmo. - O material da fonte e sua emitncia. - ngulos de visada com aplicaes em corpo no negro ( deve-se restringir o ngulo para uma visada de 45 ou meno s, da perpendicular ). , - As condies do ambiente, temperatura e poeira. - Velocidade do alvo. Os radimetros operam numa faixa entre -30 a 4000 respondendo em C C, 0,1 ou 0,2 segundos a 98% da mudana de temperatura com preciso de 1% da faixa medida.

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EXERCCIOS1- O que significa termometria ?

2- O que significa pirometria ?

3- O que significa criometria ?

4- Por que a temperatura uma das variveis mais importantes na indstria ?

5- Defina energia trmica.

6- Defina calor.

7- Em 1701 o que foi definido por Fahrenheit ?

8- O que foi proposto por Celsius em 1742 ?

9- Quais so as escalas mais comuns ?

10- Defina escalas absolutas de temperatura.

11- Qual o limite inferior da temperatura ?

12- Onde mais utilizada a escala Fahrenheit ?

13- Onde mais utilizada a escala Kelvin ?

14- Qual a relao matemtica entre x ? C F

15- Qual a relao matemtica entre x K ? C

16- Qual a relao matemtica entre x ? F R

17- Qual a relao matemtica entre K x ? R

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18- Defina ponto fixo de temperatura. a ) 200 = ? C R

b ) 0 = ? F C

c ) 310 = ? K R

d ) 34 = ? K F

e ) 98 = ? K C

f ) 587 K = ? F

g ) 471 K = ? C

h ) 874 = ? K F

i ) -41 = ? C F

19 - A que temperatura a leitura fornecida pela escala Fahrenheit o dobro da fornecida pela escala Celsius ?

20 - Imaginemos uma nova escala que atribua o valor de - 20 ao ponto de glo e 230 ao ponto de ebulio. Que leitura esta escala fornecer para a escala de 20 C ?

21 - Dois termmetros, um graduado na escala Celsius e outro na escala Fahrenheit, fornecem a mesma leitura para a temperatura de um gs. Determine o valor desta temperatura.

22 - A temperatura mdia do corpo humano de 36,5 Determine o valor dessa C. temperatura na escala Fahrenheit.

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23 - No deserto do Saara registrou-se certo dia uma temperatura de X C. Se a escala utilizada tivesse sido a Fahrenheit, a leitura seria 12 unidades mais alta. Determine o valor desta temperatura.

24 . Qual o princpio de funcionamento do termmetro de dilatao de lquido ?

25 . Qual a expresso matemtica que representa o fenmeno de dilatao de lquido ?

26 . Quais so os tipos de construo de termmetros de dilatao de lquidos?

27. Quais so os tipos de lquidos mais utilizados ?

28 . Onde so mais utilizados os termmetros de vidro ?

29 . Qual o princpio de funcionamento do termmetro de dilatao de lquido de recipiente metlico ?

30 . Quais so as partes que compe o termmetro de dilatao de lquido de recipiente metlico ?

31 . Defina o bulbo do termmetro de dilatao de lquido de recipiente metlico.

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32 . Defina o capilar do termmetro de dilatao de lquido de recipiente metlico.

33 . Defina o elemento sensor do termom. de dilatao de lquido de recipiente metlico.

34 . Quais so os tipos de lquido utilizados nos recipientes metlicos ?

35 . Como pode ser feita a compensao automtica da temperatura ambiente

36 . Explique como funciona a compensao na caixa do medidor.

37 . Explique como funciona a compensao total.

38 . Explique como funciona a compensao no capilar.

39 . Qual o princpio de funcionamento do termmetro de dilatao de gs ?

40 . Qual a expresso matemtica que define a dilatao de gs ?

41 . Quais so os tipos de gs de enchimento ?

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42 . Qual o princpio de funcionamento do termmetro tenso de vapor ?

43 . Por que as escalas dos termmetros tenso de vapor no so lineares ?

44 . Quais so os tipos de lquidos de enchimento do termmetro tenso de vapor ?

45 . Qual o princpio de funcionamento do termmetro bimetlico ?

46 . Qual a expresso matemtica que define a dilatao dos metais ?

47. Quais so os 2 problemas graves dos termmetros bimetlicos ?

48. No que consiste o termmetro bimetlico ?

49 . Normalmente, qual o material da lmina bimetlica ?

50 . Como a escala do termmetro bimetlico ?

51 . Qual a preciso do termmetro bimetlico ?

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52 . Determine os valores pedidos dos esquemas abaixo : a)

b)

c)

d)

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e)

f)

g)

h)

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i)

j)

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k)

l)

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