Medição de Temperatura

Medição de Temperatura


Aplicações de medição de temperatura.

Medição de TemperaturaAplicações de medição de temperatura.



•PIROMETRIA: medição de altas

temperaturas, na faixa onde os

efeitos de radiação térmica visíveis

passam a se manifestar.

TERMOMETRIA

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

Conceitos Básicos

Conceitos Básicos

•TEMPERATURA: grau de agitação térmica das

moléculas. Quanto maior o seu valor, maior é a energia

cinética média dos átomos do corpo.

•Energia Térmica: A Energia Térmica de um corpo é a

somatória das energias cinéticas, dos seus átomos e, além

de depender da temperatura, depende também da massa

e do tipo de substância.


Conceitos Básicos

Calor: Calor é a forma de energia que é transferida através da

fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura.

Isolante

500oC 100oC

300oC 300oC

antes

depois


Conceitos Básicos

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


Conceitos Básicos

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

•Condução: é a forma de transmissão de calor sem transporte de

massa.

Por exemplo, se aquecermos somente uma extremidade de uma

barra de ferro com uma chama, em pouco tempo toda a barra

estará aquecida. O calor passa de uma molécula para outra mas

estas moléculas não abandonam sua posição.


Conceitos Básicos

•Convecção: é a forma de transmissão de calor com transporte

de massa, que se dá pelo movimento ou mistura dos fluidos ou

sólidos envolvidos.

- Convecção natural (líquidos e gases) – quando o movimento é

provocado somente pela diferença de densidade dos fluidos quente e frio.

Por exemplo, se aquecermos um recipiente com água por intermédio de

uma chama, a água mais próxima da chama se aquecerá e se tornará

menos densa, subindo no recipiente. A água fria da parte superior do

recipiente descerá e, por sua vez, se aquecerá.


Em equipamentos de refinaria de petróleo, por exemplo, a convecção quase

sempre é forçada. Em trocadores de calor é provocada agitação forçando

o fluido a passar por obstáculos.

Conceitos Básicos

• Convecção

- Convecção forçada – é o aquecimento no qual a mistura se realiza por

meio mecânico. Se no exemplo anterior incluirmos um agitador, a

convecção passará a ser forçada.


Conceitos Básicos

• Irradiação: A irradiação é um processo pelo qual o calor flui de

um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando os

mesmos estão separados no espaço, ainda que exista vácuo

entre eles.

Todos os corpos, em qualquer temperatura, emitem ondas

eletromagnéticas (como as da luz e do rádio) que contêm

energia.


Rankine Kelvin

ESCALAS ABSOLUTAS ESCALAS RELATIVAS

0 0

0

-273,15

273,15

-459,67

32491,67

100 212

Celsius Fahrenheit

°C °F

100DIVISÕES

R K

671,67 373,15

ESCALAS DE TEMPERATURA

Conversão de Escalas:

°C

5= °F -32

9K = R . 5

9

PONTO DEEBULIÇÃODA ÁGUA

180DIVISÕES

PONTO DEFUSÃO DO GELO

ZERO ABSOLUTO

°C

5

K = 273,15 + °C R = 459,67 + °F

= °F - 32 =

K - 273 =

R - 491

9 5 9

Conceitos Básicos

https://youtu.be/y0Zxu1UzZT4

https://youtu.be/y0Zxu1UzZT4


Conceitos Básicos

Pontos Fixos de Temperatura

(Escala Prática Internacional de Temperatura)

TEMPERATURA

Ponto Crítico

Ponto Triplo (0,006 atm)

Fase Vapor

Fase Líquido

Fase sólido

PRESSÃ

O

Ponto triplo é o ponto

em que as fases

sólida, líquida e

gasosa encontram-se

em equilíbrio


Conceitos Básicos

Pontos fixos de temperatura segundo ITS-90

PONTOS FIXOS IPTS-68 ITS-90

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

Ponto triplo da água(0,006 atm)

+0,010°C +0,010°C

Solidificação do

estanho

+231,968°C +231,928°C

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

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

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

https://youtu.be/tC0tVo5r6tU

https://youtu.be/tC0tVo5r6tU

Instrumentos de medição de temperatura por dilatação

Como Funciona: O Termopar

https://youtu.be/XnVtfmS8lA8

https://youtu.be/XnVtfmS8lA8

PT 100 - Saiba TUDO sobre esse INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO

https://youtu.be/2m9z4HIwtNo

https://youtu.be/2m9z4HIwtNo


Medidores pelo

Princípio da

Condução de Calor


Termômetro com dilatação de gás,

Termômetro com tensão de vapor saturante,

Termômetro com dilatação de sólido,

Termômetro com par termoelétrico (Termopar)

Termômetro com resistência elétrica.

- Termistores

- RTDs – Termoresistências

Termômetro com semi-condutores.

2. Instrumentos de transferência de calor por radiação

Pirômetros óptico

Pirômetros com radiação.

Classificação de Medidores

1. Instrumentos de transferência de calor por condução

Termômetro com dilatação de líquido,

Expansão

Elétricos


1. Condução

Dilatação de líquido,

Dilatação de gás,

Vapor saturante,

Dilatação de sólido,

Par termoelétrico,

Resistência elétrica.

2. Radiação

Pirômetros óptico,

Pirômetros à radiação

Termômetro à Condução - Dilatação de Líquido

Recipiente de Vidro

Líquidos utilizados:

Tolueno (-80 à 100°C),

Mercúrio (-35 à 550°C),

Álcool (-100 a 70°C), e outros.

Exatidão:

0,5 à 3% Termômetro comum

0,1 à 0,5% Termômetro padrão

O reservatório e parte do capilar são preenchidos por um líquido. Na parte superior do capilar, existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar seu limite máximo.

10

09

80

70

60

50

40

30

20

10

0

100

CAPILAR

ESCALA

LÍQUIDO

BULBO

" C


10

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

CAPILAR

ESCALA

LÍQUIDO

BULBO

" CLíquidos utilizados:

Tolueno (-80 à 100°C),

Mercúrio (-35 à 550°C),

Álcool (-100 a 70°C), e outros.

Exatidão:

0,5 à 3% Termômetro comum

0,1 à 0,5% Termômetro padrão


Recipiente de VidroO 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.



Recipiente Metálico

Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito

de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento

extensível (sensor volumétrico)


Capilar

Mercúrio

Álcool Etílico

Líquido

Bulbo

Bourdon



Partes:

•Bulbo: dimensões variam de

acordo com o tipo de líquido e

com a sensibilidade.

•Capilar: diâmetro interno deve

ser o menor possível, para evitar

a influência da temperatura

ambiente.

•Elemento de Medição: Tubo de

Bourdon, podendo ser: tipo C,

tipo espiral e tipo helicoidal.





1. Condução



Vapor saturante,


Par termoelétrico,


2. Radiação



Idêntico ao termômetro de dilatação de líquido.

O volume preenchido com um gás a alta pressão.

Baseado na Lei de Gay-Lussac :

Termômetro à Condução - Dilatação de Gás


Termômetro à Condução - Dilatação de Gás


1. Condução



Vapor saturante,


Par termoelétrico,


2. Radiação



Termômetro à Condução – Vapor Saturante

Semelhante ao de dilatação de líquidos.

Baseando na Lei de Dalton:

"A pressão de vapor saturado depende

somente de sua temperatura e não de

seu volume“.

onde:

P = pressões absolutas relativas à

temperatura

T = temperaturas absolutas

Ce = calor latente de evaporação do

líquido


Bourdon

Capilar com

glicerina,

vapor ou

líquido

Vapor

BulboLíquido volátil



Líquidos mais utilizados e seus pontos de fusão e ebulição

Líquido Ponto de Fusão (oC)Ponto de ebulição

(oC)

Cloreto de Metila - 139 - 24

Butano - 135 - 0,5

Éter Etílico - 119 34

Tolueno - 95 110

Dióxido de enxofre - 73 - 10

Propano - 190 - 42



Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a

temperatura.

Sendo:

Lt = Lo. ( 1 + .t)

onde:

t= temperatura do metal em oC

Lo = comprimento do metal à temperatura inicial de referência to Lt =

comprimento do metal á temperatura final t

= coeficiente de dilatação linear

t= t - t o

1. Condução



Vapor saturante,


Par termoelétrico,


2. Radiação



Termômetro à Condução – Dilatação de Sólidos

(Bimetálicos)



(Bimetálicos)

O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de metais com

coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só peça.

Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento

que é proporcional a temperatura.


e.


(Bimetálicos)

Bi-Metálico Helicoidal - Na prática, a lâmina bimetálica é enrolada

em forma de espiral ou hélice, o que aumenta bastante a

sensibilidad



(Bimetálicos)

Normalmente usa-se o invar (aço com 64% de Fe e 36% de Ni) com baixo

coeficiente de dilatação e o latão como metal de alto coeficiente de dilatação.

A faixa de trabalho vai aproximadamente de -50 a 800oC, sendo sua escala

bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/-1%.


Consiste de dois condutores metálicos, de natureza

distintas. Os fios são soldados em um extremo (junta

quente ou junta de medição).

1. Condução



Vapor saturante,


Par termoelétrico,


2. Radiação



Termômetro à Condução – Termopar (Termocouple)

JUNTA DE MEDIDA

TERMOPAR

BLOCO DE LIGAÇÃO

CABO DE EXTENSÃO

JUNTA DE REFERÊNCIA

GRADIENTE DE TEMPERATURA (T)

INSTRUMENTO

INDICADOR OU

CONTROLADOR


Termômetro à Condução – Termopar



Efeito Peltier

Quando se introduz um gerador em um circuito, ao circular uma

corrente elétrica "I" pelo circuito, observa-se que em uma das junções

ocorre um resfriamento T, enquanto na outra junção ocorre um

aquecimento de mesmo valor. Ao se inverter o sentido da corrente

elétrica inverte-se também o efeito de aquecimento e resfriamento nas

junções.



Efeito Termoelétrico de Thomson

A condução de calor ao longo dos fios metálicos de um par

termoelétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição

uniforme de temperatura em cada fio.

Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de

temperatura em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito

Joule.



Efeito Seebeck

Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante, verifica-

se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de

teste.

Junta de referênciaJunta de medição

Seebeck é efeito o mais importante!



Lei do Circuito Homogêneo

“A f.e.m. medida depende única e exclusivamente da composição química

dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções.



Lei dos Metais Intermediários

“Em um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m.

produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um

metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas

iguais.

Onde se conclui que:

T3 = T4 → E1 = E2

T3 T4 → E1 E2



Lei das Temperaturas Intermediárias

"A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e

diferentes entre si, com as suas junções as temperaturas T1 e T3, é a soma da

f.e.m. deste circuito, com as junções as temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste

mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e T3”.

T1 T3T2



Circuito Equivalente

xa

bT1

T2 Cu

RTCu

Rv

y

Rv é a resistência interna do voltímetro.

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

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

Rv >> RT



Curva de Calibração

A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura, normalmente, não é

linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada

como se o fosse (veja a reta 1).

Potência termoelétrica :

T

P =



Classificação

Nobres



Cores de

Identificação

de Tipo e

Polaridade


Classificação



Classificação



Classificação



Classificação



Classificação

Termopar tipo “K” Termopar tipo “R”



Classificação



Cuidados

• Temperatura limite de uso,

• Meio onde o termopar será exposto,

• Seleção de materiais de tubos e poços de proteção,

• Proteção metálicas,

• Proteção cerâmicas.



Junta de Referência

As tabelas existentes da f.e.m. gerada em função da temperatura para os

termopares, têm fixado a junta de referência a 0°C.

Porém, nas aplicações práticas, a junta de referência se encontra à

temperatura ambiente.




Os instrumentos fazem a correção da junta de referência automaticamente,

com medição da temperatura nos terminais do instrumento através de circuito

eletrônico. Este circuito adiciona tensão correspondente a diferença de

temperatura de 0°C à temperatura ambiente.




Transmissor TT301 - SMAR


TermoparT1T2 Fios de compensação

T3x

y

Na maioria dos casos o instrumento de medida e o termopar necessitam estar

afastados. Os terminais do termopar são conectados a um cabeçote e, a partir

delesão adaptados fios de compensação (mesmas características dos fios do

termopar, porém mais baratos) até o instrumento.

Na montagem apresentada acima, o sinal lido no instrumento é proporcional a

(T1 - T3).


Fios de Compensação







Obs.:

-Os códigos de cores marcados com o símbolo refere-se

somente ao tipo SX.

- Devido à não linearidade das curvas FEM x Temperatura dos

termopares tipos S, R, B, o erro introduzido no sistema pelo fio

ou cabo de compensação será variável quando expresso em

graus. Portanto os limites de erros são baseados nas seguintes

temperaturas das junções de medição:

- Os fios ou cabos WX e VX para termopar tipo K, foram

excluidos da ANSI MC 96.1 de 1982.

- Junção de referência a 0ºC.





CABEÇOTE

CABO DE COBRE

REGISTRADOR 24 °C

0,960 mV

0,00 mV

20,735 mV

38 °C1,530 mV

538 °C

22,265 mV

TC TIPO K

FORNO

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

+21,695 mV → 525°C ERRO = - 13 °C

Erros de Ligação



* Usando fios de cobre.


CABEÇOTE

CABO TIPO KX

REGISTRADOR 24 °C

0,960 mV

0,570 mV

20,735 mV

38 °C1,530 mV

538 °C

22,265 mV

TC TIPO K

FORNO

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

+ 22,265 mV → 538 °C ERRO = 0

Erros de Ligação



* Usando fios de compensação.



Isolação Mineral

É constituído de um ou dois pares termoelétricos, que são isolados entre

si e da bainha metálica, pelo pó de óxido de magnésio, que possui

excelente condutibilidade térmica e alta compactação.RABICHO POTE

BAINHA

PLUG

JUNTA DE MEDIDA

PÓ ÓXIDO DE MAGNÉSIO

Vantagens

a) Estabilidade.

b) Resposta Rápida.

c) Grande Resistência Mecânica e Flexibilidade.

d) Facilidade de Instalação.

e) Resistência a Corrosão.

f) Blindagem Eletrostática.



Arrranjo em Série (Termopilha)

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

individuais.

FEMt = FEM1 + FEM2

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

FEMt = 1,271 + 1,023

FEMt = 2,294 mV



Arrranjo em Série (Oposta)

Para medir a diferença de temperatura entre 2



Arrranjo em Paralelo

Ligando dois ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento, teremos

a média das mV geradas nos diversos termopares se as resistências internas

foram iguais.



Aterramento



Circuito Balanceado

Resistores

adicionais


A maioria dos metais

aumentam a resistência com a

temperatura.

Semicondutores diminuem a

resistência com a temperatura.

Termômetro à Condução – Termômetros de Resistência

1. Condução



Vapor saturante,


Par termoelétrico,


2. Radiação





VANTAGENS DAS TERMORESISTÊNCIAS EM RELAÇÃO AO

TERMOPAR

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

2. Pode ser usadas a grandes distâncias;

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

4. São mais estáveis que os termopares;

5.Sua curva de resistência elétrica () em função da

temperatura é mais linear que os termopares;

6.Os termômetros de resistência são considerados

sensores de alta precisão e ótima repetibilidade de leitura.



TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA

• A leitura é feita diretamente num ohmímetro.

• Os principais metais usados são a Platina (Pt) e o Níquel (Ni).

TIPOS DE TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA

Os elementos sensores são, basicamente, de dois tipos :

TERMISTORES – Resistências com cerâmica ou polímeros

(baixa precisão, maior faixa)

Aplicação: Indústria

RTDs – Termoresistências - Resistências com metais. (alta precisão,

menor faixa)

Aplicação: Laboratórios



Termistores

Os termistores são sensores fabricados com materiais

como cerâmica ou polímeros ou semi-condutores como óxido

de magnésio, cobalto, silício ou o germânio dopados com

algum outro material como o latão ou determinadas ligas de

cobre(???).

Vantagem: tamanho físico muito pequeno.



Termistores

Coeficiente Negativo (NTC)

Os termistores do tipo NTC podem ser

classificados sob quatro tipos principais:

1) De pequenas dimensões físicas,

2) De grandes dimensões físicas,

3) Termistores em bloco,

4) Termistor aquecido indiretamente.



Termistores




Termistores




Termistores

Coeficiente Positivo (PTC)

Seu valor de resistência aumenta rapidamente quando uma

determinada temperatura é ultrapassada.



Termistores



Termoresistências - RTDs

Os RTDs (Resistance Temperature Detector) são elementos

detetores resistivos formados por materiais como Platina, Níquel

ou ligas de Cobre-Níquel.

Estes materiais exibem um coeficiente positivo de resistividade.

Atualmente, as termoresistências de Platina mais usuais são:

Pt-25,5< , PT-100< , PT-120< , PT-130< , PT-500< .


Materiais + utilizados: Pt, Cu ou Ni

* Alta resistividade, melhor sensibilidade,

* Alto coeficiente de variação (R*T),

* Ter rigidez e dutibilidade: fios finos.

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



Coil elements




Film thermometers







Características da Pt100 (100 Ω à 0°C)

* Padrão de Temperatura: - 270 à 660°C,

* Alta estabilidade e repetibilidade,

* Rápido tempo de resposta.




RT = Ro[1 + (T-To)]onde

• Ro é a resistência a 0 C,

• RT é a resistência na temperatura T e

• é o coeficiente de temperatura do metal.







INSTALAÇÃO DE UMA PT-100 NO TROCADOR DE CALOR







CIRCUITO CONDICIONADOR DE SINAL

Em medidas elétricas, diodos, transistores ou termistores,

produzem não-linearidade do sinal.

Por isto, RTDs são medidos por um circuito em Ponte de

Wheatstone, onde o sensor de temperatura será um dos

quatro elementos da ponte

R1 x R3 = R2 x R4

PT100




Ligação à 2 fios: É a maneira mais simples de se ligar uma

termoresistência, porém é a menos exata pois o valor das resistências

RL1 e RL2 dos fios de ligação são adicionados ao valor de resistência da

Pt-100. Usado para distâncias de até 3 metros.

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

Tem-se EAB = E (Rsens – R3)/R1

E


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



Ligação à 3 fios: mais utilizado na indústria.

Fornece uma ligação numa extremidade da termoresistência e duas na outra

extremidade.

A ponte estará em equilíbrio quando R1 x (R3 + RL1) = R2 x (RPT100 + RL2)

e tem-se: EAB = E ( Rsens/(Rsens+R1) – R1/(R2 + R3 + RL1))

onde R1 = R2 e Rsens = RPT100 + RL2

E




Ligação à 4 fios: tetrapolar

Elimina totalmente a resistência dos cabos de ligação.





Termômetro à Condução – Termômetros de Semicondutores





A tensão Vbe é uma função linear

da temperatura






1. Condução



Vapor saturante,


Par termoelétrico,


2. Radiação



Radiação térmica é a radiação eletromagnética emitida

por um corpo como resultado de sua temperatura. A

radiação térmica corresponde à faixa de comprimentos

de onda de 0,1 a 100µm.

Termômetro à Radiação – Termômetros Ópticos

















Infrevermelho -40º a 4600ºC

Visivel acima de 1.064,43°C




Termômetro à Radiação Total

Radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e

dirigida a um detetor do tipo termopilha.


Termômetro à Radiação Total

Utilizado para temperaturas superiores a 550ºC. Alguns tipos mais

sensíveis operam em faixas bem mais baixas (50º a 375ºC).

Diafragma

Protetor

Detetor

Sinal do

Detetor

Espelho






Sensores de Temperatura Integrados



Sensores de Temperatura Integrados

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

controller.

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Medição de Temperatura