Instrumentos de Medição de Temperatura

Professor Marcelo Magalhaes Barbosa

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Introdução Estudaremos os principais dispositivos

utilizados para a medição de temperatura, enfocando os princípios de funcionamento em que eles se baseiam

Conceitos BásicosTemperaturaCalorPontos Fixos de TemperaturaTipos de Escalas TermométricasUnidades de Calor

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Conceito Básico de Temperatura “A temperatura de

um corpocorresponde àmedida do grau deagitação de suasmoléculas”.

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Conceito Básicos

Calor É a energia térmica

emtrânsito; É uma das formas

mais comuns deenergia que se originada energia cinéticadas moléculas doscorpos.

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Conceitos Básicos

Pontos Fixos de Temperatura

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Conceitos Básicos

Tipos de Escalas Termométricas

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Conceito Básicos

Calorimetria É o conjunto de métodos experimentais que

objetivam medir a quantidade de calorrecebida ou desprendida por umsistemaquando este sofre uma transformação física ouquímica.

Quantidade de calor é a energia cinética totaldas moléculas.

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Conceitos Básicos

Unidades de Calor A unidade de calor mais utilizada é a caloria (cal),

que corresponde à quantidade de calor necessáriapara elevar de 1 ºCa temperatura de 1g de água. Namaioria das aplicações é mais usada a quilocaloria(kcal) que vale 1000 calorias.

A unidade térmica inglesa (BTU) é igual a 0,252kcal, sendo muito utilizada na especificação deaquecedores e condicionadores de ar.

TermômetrosVidroBimetálicoBulbo de Pressão

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Termômetro

Vidro Os dois líquidos mais usados são: o

álcool, para uma faixa de -100 ºC a + 50 ºC e o mercúrio, numa faixa de -40 ºC a + 648 ºC

Vantagens: boa precisão; baixo custo; simplicidade de construção

A sua desvantagem é a fragilidade

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Termômetro

Bimetálico A faixa de utilização do

termômetro bimetálico é de - 50 ºC a + 550 ºC. Estes termômetros normalmente só permitem o ajuste de zero e, quando se danificam, não têm conserto.

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Termômetro

Bimetálico Vantagens:

fácil leitura;

baixo custo.

Desvantagens: não permite leitura remota;

não permite ajuste de faixa, já que ela depende da lâmina bimetálica.

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TermômetroBulbo de Pressão Os termômetros com bulbo

de pressão são de três tipos: termômetros a pressão de

líquidos;

termômetros a pressão de gás;

termômetros a tensão de vapor.

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Termômetros

Bulbo de Pressão de Líquidos

As faixas de utilização destes termômetros são as seguintes: mercúrio: - 35 a + 540 ºC;

xilol: - 40 a + 400 ºC;

álcool: - 50 a + 150 ºC.

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Termômetros

Bulbo de Pressão de Gás O gás mais utilizado é o nitrogênio, por ser inerte e

abundante, embora outros gases inertes como hélio e neôniotambémsejamempregados emmenor escala. Como a pressãodo gás é inferior à do líquido, o seu bulbo é maior.

A compensação de temperatura é igual à do bulbo líquido, porém não há necessidade de compensar a elevação, pois o peso da coluna de gás é irrelevante. A faixa de utilização é de -200 ºC a +800 ºC e é linear.

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Termômetros

Bulbo de Pressão de Tensão de Vapor

Nestes tipos de termômetros empregam-selíquidos voláteis, como algunshidrocarbonetos, cloreto de metila, dióxido deenxofre, etc.

A escala para estes termômetros não é linear, sendo de preferência utilizada a parte superior, por ser expandida.

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Termômetros -Bulbo de Pressão

Compensação de Temperatura

Dois métodos são usados para este fim. Noprimeiro, é utilizado umbimetal para corrigiro ponteiro.

No segundo caso, emprega-se outro elemento medidor com capilar que chega até o bulbo, sendo, porém, a sua extremidade aí fechada, e a ação do segundo medidor oposta à do primeiro.

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Termômetros -Bulbo de Pressão

Compensação de Coluna Líquida

Nos casos onde o bulbo é instalado acima ou abaixodo instrumento de medição, haverá necessidade decompensar a pressão à coluna de líquido. Isto é feitopelo reajuste do zero do instrumento no local ondeele é instalado.

Este problema é minimizado quando o sistema é projetado para manter uma alta pressão interna.

TERMOPARESPrincípio de FuncionamentoClassificação dos Termopares (Quanto ao Tipo de Liga)Confecção da Junção Quente do TermoparLocalização da Junção FriaIsolação do TermoparLigação dos TermoparesCompensação da Junção FriaMétodo de Identificação da Polaridade dos Termopares

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Termopares

Princípio de Funcionamento

Para que se possa entender o princípio defuncionamento dos termopares, devem-seobservar os seguintes efeitos termoelétricos: Efeito Seebeck;

Efeito Peltier;

Efeito Thompson

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Termopares

Efeito Seebeck Quando dois fios metálicos, de

naturezas diferentes são unidos por suas extremidades, e estas estão submetidas a temperaturas diferentes, constata-se o surgimento de uma força eletromotriz, da ordem de alguns milivolts

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Termopares

Relação FEM x ∆T

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Termopares

Efeito Peltier Nas junções feitas entre dois fios metálicos

distintos, é absorvido ou liberado calor,quando se faz circular por eles uma correnteelétrica.

A aplicação prática deste efeito é restrita, visto que, sendo usado na indústria aeroespacial e em geladeiras portáteis.

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Termopares

Efeito Thompson A magnitude da força eletromotriz (F.E.M.)

gerada a partir da diferença entre as temperaturas das junções de dois metais diferentes depende da natureza desses metais.

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Termopares

Vantagens X Desvantagens Vantagens do emprego de termopares:

baixo custo do elemento; rapidez de resposta; faixa ampla de operação.

Desvantagens do emprego de termopares: necessidade de fio de extensão especial; necessidade de compensação da junção fria; sua resposta não é exatamente linear; necessitam de troca periódica.

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Termopares

Classificação dos Termopares

tipo T → composição: cobre e constantan;

tipo J → composição: ferro e constantan;

tipo K → composição: chromel e alumel;

tipo E → composição: chromel e constantan;

tipo S → composição: platina + ródio 10 % e platina;

tipo R → composição: platina + ródio 13 % e platina;

tipo B → composição: platina + ródio 30% e platina + ródio 6 %.

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Principais Termopares Industriais J - ferro e constantan; K - chromel e alumel; T - cobre e constantan; S - platina e platina ródio. Observações:

constantan é uma liga com 60 % de cobre e 40 % de níquel; cromel é uma liga com 10 % de cromo e 90 % de níquel; alumel é uma liga com 94 % de níquel, 3 % de manganês, 2 % de alumínio e

1 % de silício; existem dois tipos de platina-ródio. A usada no termopar tipos S tem 10 % de

ródio; a usada no tipo R tem 13 %.

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Termopares

Ferro - Constantan É o tipo de termopar mais utilizado, por ser de

baixo custo e ter saída elétrica relativamente elevada. É utilizado para medir temperaturas desde - 0 ºC até 750 ºC.

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Termopares

Cromel-Alumel Possui uma saída elétrica aproximadamente

linear. É utilizado na faixa de -200 ºC a 1.250 ºC.

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Termopares

Cobre-Constantan Pode ser obtido em fios bastante finos,

podendo ser instalado em espaços reduzidos. Tem uma faixa de utilização de -200 ºC a 350 ºC.

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Termopares

Platina-Ródio Apresenta excelentes propriedades mecânicas

e químicas, sendo indicados para medidas de precisão. Tem uma faixa de utilização de 0 ºC até 1.450 ºC.

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Termopares

Confecção da Junção Quente

A confecção da junção quente pode ser executada por solda oxiacetilênica ou por solda elétrica. Normalmente as pontas dos dois metais são fundidas juntas, tomando-se o cuidado de fornecer maior calor inicial ao material que tiver o ponto de fusão mais elevado.

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Termopares

Localização da Junção Fria

A junção fria se encontra no local onde terminam os fios de termopar ou fios de compensação quando forem usados.

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Termopares

Isolação O termopar pode ser isolado com missangas

dde cerâmica ou ser produzido com isolação mineral

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Termopares

Ligação dos Termopares As ligações dos termopares podem ser:

ligação simples;

ligação série aditiva;

ligação em paralelo;

ligação série oposição.

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Termopares

Ligação Simples Este é o tipo mais comum de ligação de

termopar. Consiste na ligação de um termopar ao instrumento de leitura, sendo utilizada para a medição da temperatura em um ponto.

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Termopares

Ligação Série Aditiva Esta ligação é feita em dois ou mais

termopares em série aditiva, ou seja, o material positivo de um termopar com o material negativo do outro termopar, ou vice-versa

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Termopares

Ligação em Paralelo Esta ligação é feita ligando-se os terminais

comuns de dois ou mais termopares, os quais são conectados depois ao instrumento de leitura.

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Termopares

Ligação Série em Oposição

Esta ligação tem como objetivo medir a diferença de temperatura entre dois pontos.

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Termopares

Compensação da Junção Fria

600 ºC

JF0ºC

JQ600ºC

570 ºC

JF30ºC

JQ600ºC

600 ºC

JF30ºC

Leitura: 570 +Correção: 30

JQ600ºC

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Termopares

Fios e Cabos de Extensão e Compensação

550 600 80

+

-

520 30550

COMPENSAÇÃO

LEITURA

TERMOPARºC

30ºC

JF80ºC

JQ600ºC

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Termopares

Inversão de Cabos

-440 -520

+ 50 30-440

COMPENSAÇÃOEXTENSÃO

LEITURA

TERMOPARºC

30ºC

JF80ºC

JQ600ºC

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Termopares

Inversão de Cabos

-440 -520

+ 50 30-440

COMPENSAÇÃOEXTENSÃO

LEITURA

TERMOPARºC

30ºC

JF80ºC

JQ600ºC

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TermoparesMétodo de Identificação da Polaridade dos Termopares

As polaridades dos termopares podem ser identificadas das seguintes maneiras: magneticamente;

por meio do código de cores.

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Termopares – Método de Identificação

Magneticamente Este método consiste em identificar o

elemento magnético do par termoelétrico utilizando um ímã. Por exemplo, no termopar ferro-constantan, o ferro é magnético, o constantan não.

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Termopares – Método de Identificação Identificação

por meio do Código de Cores

Tipo

Tipo de

Termopar

Material dos CondutoresCores dos Codutores

Norma Americana Norma Alemã(ANSI) (DIN)

positivo negativo positivo negativo positivo negativo

T cobre constantan azul vermelho vermelho marrom

J ferro constantan branco vermelho vermelho azul

K chromel alumel amarelo vermelho vermelho verde

E chromel constantan roxo vermelho - -

S platina + ródio 10 % platina preto vermelho vermelho branco

R platina + ródio 13 % platina preto vermelho vermelho branco

B platina + ródio 30 % platina + ródio 6 %

cinza vermelho - -

BULBO DE RESISTÊNCIAOUTERMORESISTÊNCIA

Termoresistores MetálicosConstruçãoPrincipio Fisico de MediçãoCaracterísticas das TermoresistênciasTipos de Bulbos de ResistênciaTipos de LigaçãoCaracterísticas dos Materiais Empregados em TermoresistoresVantagens dos Termoresistores

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BULBO DE RESISTÊNCIAOU TERMORESISTÊNCIA Nas faixas onde os termopares não atuam

eficazmente, utilizam-se os bulbos de resistências ou termoresistência, que são sensores elétricos de temperatura mais precisos.

Os termoresistores se dividem em dois grupos principais: termoresistores metálicos;

termistores.

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TERMORESISTÊNCIA Termoresistores Metálicos O termoresistor metálico é uma termossonda

constituída de um filamento resistivo de platina, níquel ou cobre, revestido de vidro, cerâmica ou material polimerizável.

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TERMORESISTÊNCIA

Construção Os bulbos de resistência são montados em um

tubo metálico preenchido com um pó mineral isolante.

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TERMORESISTÊNCIA

Princípio Físico de Medição

A medição de temperatura combulbos deresistência está baseada na propriedade quetêm os metais de alterar sua resistênciaelétrica coma mudança da temperatura.

Essa relação se apresenta positiva e, praticamente, linear com a maioria dos metais.

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TERMORESISTÊNCIA

Características As termoresistências (ou bulbos de

resistênica) possuem algumas características que devem ser consideradas.

São elas: estabilidade;

precisão;

aquecimento próprio.

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TERMORESISTÊNCIA

Estabilidade Estes sensores possuem suas características elétricas

praticamente invariáveis para a mesma temperatura, ou seja, apresentam excelente repetibilidade, destacam-se os sensores de platina, que por sua grande estabilidade são adotados como padrão, para definir a escala internacional de temperatura.

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TERMORESISTÊNCIA

PrecisãooC ±C-200 1,2-100 0,7 0 0,3 100 0,6 200 1,2 300 1,8 400 2,4 500 3,0 600 3,6

VARIAÇÃO DE TOLERÂNCIA

-200 -100 0 100 200 300 400 500 6000

1,8

3,0

0,3

0,60,7

1,2

2,4

3,6

± oC

oC

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TERMORESISTÊNCIA

Aquecimento Próprio As termoresistências se esquentam

ligeiramente, quando uma corrente elétricacircula por elas. Esse aquecimento provocauma variação do seu valor ôhmico.

A magnitude do erro provocada por essa variação depende da potência dissipada e de uma constante (K), própria de cada elemento

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TERMORESISTÊNCIA

Tipos de Bulbos de Resistência

Os bulbos de resistência podem possuir sensores de platina (Pt), cobre (Cu) ou níquel (Ni).

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TERMORESISTÊNCIA

Bulbo de Resistência de Platina não sujeita à corrosão;

ponto de fusão elevado;

pode ser obtida em fios extremamente finos;

alto grau de pureza;

relação temperatura x resistência bastante estável;

coeficiente de aquecimento (K) elevado.

Este tipo de bulbo de resistência é comumente conhecido como Pt-100 (Pt por ser de platina e 100 porque a 0 °C apresenta uma resistência de 100 Ω). É recomendado para temperatura na faixa de medição de -239 oC até 630 oC.

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TERMORESISTÊNCIA

Bulbo de Resistência de Níquel

Este tipo de bulbo não é tão utilizado quanto o Pt-100, mas, por seu baixo custo em relação aos bulbos de platina, encontra aplicabilidade em faixas de temperatura menores (de - 150 °C a 300 °C).

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TERMORESISTÊNCIA

Bulbo de Resistência de Cobre

Este tipo de bulbo apresenta sobre o níquel avantagem de que o cobre pode ser obtidoeletrolíticamente em elevado grau de pureza,garantindo a estabilidade do seu coeficiente térmico.

A faixa de aplicação desses bulbos vai de -12 °C a 120 °C, limitada pela sua tendência de oxidação a temperatura elevadas.

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TERMORESISTÊNCIA

Tipos de Ligação De acordo com o tipo de instalação, os bulbos

de resistência podem ser instalados das seguintes maneiras: ligação com 2 fios;

ligação com 3 fios;

ligação com 4 fios.

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TERMORESISTÊNCIA

Ligação com 2 Fios

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TERMORESISTÊNCIA

Ligação com 3 Fios

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TERMORESISTÊNCIA

Ligação com 4 fios

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Características dos Materiais Empregados em

Termoresistores

Alto Coeficiente de Resistência/Temperatura

Alta Resistividade

Estabilidade

Linearidade da função Resistência/Temperatura

Resistência Mecânica

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TERMORESISTÊNCIA

Alto Coeficiente de Resistência/Temperatura

Maior alteração na resistência por grau centígrado proporciona maior sensibilidade na medição.

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TERMORESISTÊNCIA

Alta Resitividade Um índice maior de resistência por metro

permite construir termoresistores mais compactos.

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TERMORESISTÊNCIA

Estabilidade O material precisa manter estáveis suas

características dentro de uma ampla faixa de temperatura e ter boa durabilidade.

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TERMORESISTÊNCIA

Linearidade da Função Resistência/Temperatura

Essa propriedade é importante porque resultará numa escala de indicação também linear, além de facilitar a compensação da linha de transmissão.

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TERMORESISTÊNCIA

Resistência Mecânica O fio empregado no termoresistor tem que ser resistente a

choques, vibrações, etc. A platina, com exceção do custo, possui todas as características ideais para a fabricação dos termoresistores.

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Vantagens dos Termoresistores grande sensibilidade;

resposta rápida;

podem ser utilizados em atmosfera corrosiva;

manutenção simples;

grande durabilidade;

dispensam linhas de compensação.

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Desvantagens dos Termoresistores não suportam vibrações constantes; faixa de trabalho restrita; custo elevado; difícil utilização em instrumentos

galvanométricos; extremamente sensíveis à baixa isolação.

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TERMISTORES

•Seu funcionamento é semelhante aos bulbos de resistência, porém sua característica de variação de temperatura é negativa, por isso são conhecidos como NTC, que quer dizer “coeficiente negativo de temperatura”. São semicondutores constituidos de óxidos de metais, como cobalto, níquel, manganês, etc.

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TERMISTORES

Variação da Resistência

PRODUÇÃOProfessor Marcelo Magalhaes Barbosa

mmbarbosasenaibm@gmail.com

Técnica Viviana Meireles

ameivivi@gmai.com