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1 Instrumentação Industrial Medidas de Temperatura 2 Grandeza física relacionada com o grau de vibração dos átomos e/ou moléculas que constituem o corpo. CONCEITOS BÁSICOS Temperatura Energia térmica em trânsito de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura. Calor 3 Escalas Termométricas - CELSIUS Celsius arbitrou a temperatura de: 0 ºC ao ponto de fusão do gelo sob pressão normal 100 ºC para a temperatura de ebulição da água em condições normais de pressão. Entre os limites citados, a escala foi dividida em cem partes iguais Cada uma das partes denominamos grau Celsius . 4 Escalas Termométricas - KELVIN Escala absoluta, na qual a variação de um grau absoluto (1 Kelvin ou 1 K) corresponde à variação de 1 ºC na temperatura. O zero Kelvin (0 K) corresponde a - 273,156 ºC, aproximadamente. 5 Escalas Termométricas - FAHRENHEIT Nesta escala relativa: A temperatura de vaporização da água é de 212 ºC (pressão normal) A temperatura de fusão do gelo (pressão normal) é definida como 32 ºF Entre esses dois pontos fixos, temos 180 partes iguais, cada uma delas correspondendo a 1 grau Fahrenheit 6 Quadro de Conversões de Temperatura KELVIN ( K ) CELSIUS ( C ) FAHRENHEIT ( F ) RANKINE ( R ) TK = 5/9( TF +459,6) TC = TK - 273,15 TF = 9/5( TC ) + 32 TR = 9/5 TK TK = TC +273,15 TC = 5/9( TF - 32) TF = 9/5( TK ) - 459,6 TR = TF +459,6 TK = 5/9( TR ) TC = 5/9( TR ) – 273,15 TF = TR - 459,6 TR = 9/5( TC + 273,15) 7 Foram realizadas por GALILEU, a partir de um termoscópio - princípio físico: expansão do ar; - na ocasião, sua “escala” estava dividida em “graus de calor”, segundo seus registros. AS PRIMEIRAS MEDIÇÕES DE TEMPERATURA 8 Termoscópio do tipo usado por Galileu 9 PRINCÍPIO DE CONSTRUÇÃO DE UM TERMÔMETRO 10 1o PASSO: Escolher uma propriedade termométrica do sistema sensor) compatível com o sistema a ser medido. 2o PASSO: Definir uma “Escala de Temperatura” PRINCÍPIO DE CONSTRUÇÃO DE UM TERMÔMETRO 11 TIPOS DE TERMÔMETROS 12 Termômetros à dilatação de líquidos OS MATERIAIS LÍQUIDOS SE DILATATAM COM AQUECIMENTO E SE CONTRAEM COM O RESFRIAMENTO, SEGUNDO UMA LEI DE EXPANSÃO VOLUMÉTRICA A QUAL RELACIONA SEU VOLUME COM A TEMPERATURA E O COEFICIENTE DE EXPANSÃO QUE É PRÓPRIO DE CADA MATERIAL ]1[ 33 2 210 TTTVVT Em que: • T=Temperatura do líquido em ºC. • V0= Volume do líquido a temperatura inicial de referência ºC. • VT= Volume do líquido na temperatura T. • β1, β2 e β3 = Coeficiente de expansão do líquido em ºC -1. • ΔT=T-T0. Para quando a temperatura aumenta: . .. V TVVV T L LLL H H Termômetros à dilatação de líquidos Para quando a temperatura diminui: . .. V TVVV T L HLL L H Termômetros à dilatação de líquidos 15 Termômetros à dilatação de líquidos em recipiente de vidro transparente 16 Termômetros à dilatação de líquidos em recipiente de vidro transparente LÍQUIDOS MAIS UTILIZADOS: LÍQUIDO PONTO DE SOLIDIFICAÇÃO [ºc] PONTO DE EBULIÇÃO [ºc] FAIXA DE USO [ºc] Mercúrio -39 +357 -38 a 350 Álcool Etílico -115 +78 -100 a 70 Tolueno -92 +110 -80 a 100 17 Termômetros à dilatação de líquidos em recipiente metálico Líquido Faixa de Utilização Mercúrio -35 a +350 Xileno -40 a +400 Tolueno -80 a +100 Álcool 50 a 150 18 Termômetros à dilatação de líquidos em recipiente metálico Elementos de Medição: A. Tipo C B. Tipo Helicoidal C. Tipo Espiral 19 Termômetros à pressão de gás Gases aplicáveis: Gás Temperatura Crítica Hélio (He) -267,8 ºC Hidrogênio (H2) -239,9 ºC Nitrogênio (N2) -147,1 ºC Dióxido de Carbono (CO2) -31,1 ºC Lei de Gay-Lussac: Cte T P T P T P n n ... 2 2 1 1 20 Termômetro a pressão de vapor Líquidos mais utilizados: 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 21 TERMÔMETROS ELÉTRICOS DE CONTATO Pares Bimetálicos Termômetro de resistência Resistência de Platina Resistência de Platina Industrial Termorresistências Pt-100 Termopares PTC e NTC 22 Termômetro à dilatação de sólidos (Termômetro Bimetálico) Funcionamento baseado no princípio de flexão térmica Características construtivas Material do par bimetálico Faixa de Medição Coef. Dilatação linear Α[10-6 1/K] Invar (64%Fe + 36%Ni) -50 a 800 0,7 Latão 19 Lâminas componentes do par bimetálico: 23 Metais mais adequados para medição de temperatura Liga de Rh99,5%xFe0,5%: Utilizado para medição de temperatura na faixa de 0,5K a 25K (-272,75ºC a -248,15ºC) Cobre: Faixa de medição de 193,15K a 533,15K (-80ºC a 260ºC). Possui linearidade de 0,1ºC em um intervalo de 200ºC, entretanto sua resistência a oxidação é muito baixa e limita sua faixa de aplicação Níquel: Faixa de medição de 213,15K a 453,15K (-60ºC a 180ºC). Os principais atrativos na sua utilização são seu baixo custo e a alta sensibilidade. Sua principal desvantagem é a baixa linearidade. Platina: Faixa de medição de 25K a 1235K (-248ºC a 962ºC). É o metal mais utilizados na construção de termômetros de resistência, pela sua ampla faixa de utilização, boa linearidade e melhor resistência a oxidação. 24 - Baseado na dilatação de metais; - Diferentes metais possuem diferentes coeficientes de dilatação - Se esses metais estiverem dispostos em lâminas conjuntas, a dilatação diferenciada irá curvar esse conjunto de lâminas. 25 TERMÔMETRO BIMETÁLICO A B Dilatação de dois metais com diferentes coeficientes de dilatação (A e B); o resultado é uma flexão lateral do conjunto de lâminas, que tem um ponteiro acoplado. A leitura é feita diretamente numa escala acoplada. 26 O raio de curvatura é dado por: TERMÔMETRO BIMETÁLICO A B 123 .2 TT s BA A combinação desta equação com relações apropriadas da resistência dos materiais permite o cálculo de deflexões de vários tipos de elementos em uso prático. onde: s = espessura total da placa A e B = coeficientes de dilatação T2 -T1 = variação de temperatura Dilatação Linear TTLL IFIIF 1 Onde: LF = Comprimento Final LI = Comprimento Inicial TF = Temperatura Final TI = Comprimento Inicial = Coeficiente de Dilatação do Material I Flexão Térmica Onde: ft = Flexão Térmica L = Comprimento Inicial s = seção do material ΔT = Diferencial de temperatura αt = Coeficiente de Dilatação Térmica dos Materiais s ft TtL 2 29 Exemplos de termômetros bimetálicos 30 TERMÔMETRO BIMETÁLICO • Medidas de temperatura. • Elemento sensor de controle de temperatura, principalmente do tipo liga-desliga. • Sistema de chaveamento para desligar o sistema em casos de sobrecarga em aparelhos elétricos Ao fluir a corrente elétrica pelo bimetal há seu aquecimento e expansão, provocando a abertura da chave quando há uma corrente excessiva). Aplicação 31 TERMÔMETRO BIMETÁLICO •Intervalo de temperatura de trabalho • O intervalo de temperatura de trabalho é de -100oC a 1000oC. • Grau de precisão de medida • Imprecisões da ordem de 0,5 a 1% do intervalo de escala devem seresperados em termômetros bimetálicos de alta qualidade. Aplicação 32 Outra aplicação para bimetálico: chave bimetálica 33 Exemplo de chave bimetálica com ajuste 34 TERMÔMETROS LINEARES DE RESISTÊNCIA 35 Termômetros de Resistência A resistência elétrica de um condutor metálico tem seu valor alterado em função da temperatura segundo a expressão a seguir: )1(0)( TRR T Em que: • R(T) – Resistência elétrica a temperatura T. • R0 - Resistência elétrica a temperatura 0 ºC. • α - Coeficiente de variação da resistência elétrica em função da temperatura medida em ºC-1. • ΔT=T-T0. 36 Para pequenas variações de temperatura a serem medidas é válida a equação RT = Ro[1 + 0 .( 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. TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA 37 Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão e ótima repetibilidade de leitura; Quando metais são usados, o elemento sensor é, normalmente, confeccionado de Platina com o mais alto grau de pureza e encapsulados em bulbos de cerâmica ou vidro. TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA 38 Atualmente, as termoresistências de Platina mais usuais são: PT-25,5 PT-100 PT-120, PT-130/PT-500, TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA - O mais conhecido e usado industrialmente é o PT-100 (100 a 0C). - Sua faixa de uso vai de - 200 a 650 C, conforme a norma ASTM E1137 - A norma DIN IEC 751 padronizou sua faixa de - 200 a 850 C. 39 Para as variações de temperatura a serem medidas é válida a equação RT = 100[1 + 0,00385( T - 0 )] SENSORES PT100 40 Normalmente, o bulbo de resistência é montado em uma bainha de aço inox, totalmente preenchida com óxido de magnésio, de tal maneira que haja uma ótima condução térmica e proteção do bulbo com relação a choques mecânicos. A isolação elétrica entre o bulbo e a bainha obedece a mesma norma ASTM E 1137. TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA ASPECTOS CONSTRUTIVOS 41 Formas de encapsulamento do RTD ISOLADA ÓXIDO DE MAGNÉSIO 42 Resistência PT 100 As termoresistência PT-100 são as mais utilizadas industrialmente, devido à sua grande estabilidade, larga faixa de utilização e alta precisão. Bulbos Cerâmicos: Permite a utilização em toda a faixa de temperatura, proporcionando maior estabilidade, e tem versões para utilização com aplicações a choque mecânicos e vibrações; Bulbos de vidro: Permite a utilização direta em soluções ácidas, alcalinas e líquidos orgânicos. 43 Caixa de Conexões 44 Curvas Típicas de Resistência x Temperatura 45 Curva Resistência x Temperatura 46 TERMÔMETROS NÃO- LINEARES DE RESISTÊNCIA 47 A leitura da resistência é feita diretamente em um ohmímetro, de preferência digital. Os principais metais usados nestes termoresistores são a Platina (Pt) e o níquel (Ni); uma das famílias mais famosas é a do PT-100; este número indica que o resistor tem 100 a 0 C. Além das resistências, os semicondutores também podem ser usados como sensores de temperatura: são os sensores do tipo PTC e NTC. TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA 48 PTC-Positive Temperature Coefficient Os PTCs aumentam a sua resistência com o aumento da temperatura. Podem ser construídos de silício e, em conseqüência, suas características dependem desse semicondutor dopado. Nesse caso a dependência da resistência com a temperatura é quase linear. Exemplo de um PTC. Termístor PTC Dimensão: ~2 mm 100 @ 25ºC 10 k T > 80ºC 3,2 25 15,298 15,273 K TK RRT Obs.: Para alguns PTCs baseados na dopagem por silício na faixa de temperatura – 60ºC a +150ºC, podem ser descritos por: 49 Código Add- Therm Corrente de Operação (A) Voltagem (V) AD-005 AD-010 AD-050 AD-100 AD-200 AD-500 AD-750 AD-1000 AD-2500 AD-3000 5mA 10mA 50mA 100mA 200mA 500mA 750mA 1A 2,5A 3A 30/60v Vantagens no uso dos Termistores PTC - Acionamento Rápido; - Tempo de vida ilimitado; - Ausência de Ruído; - Operação automática e eficiente; - Baixo Custo; Aplicação - Proteção de auto-falantes; - Proteção de transformadores; - Proteção de motores FHP; - Proteção em circuitos eletrônicos. Termistores PTC é uma perfeita escolha para aplicação que requer proteção de corrente em circuitos elétricos. Usualmente é conectado em série com a carga à qual ele deve proteger. Enquanto as condições de operações são normais, O PTC mantém-se no estado de baixa resistência ôhmica implicando em uma atenuação desprezível do fluxo de corrente. Quando acontece um curto-circuito ou uma condição de elevação de corrente, O PTC sofre uma transição para seu estado de alta resistência ôhmica limitando o fluxo de corrente no circuito, mantendo-o em níveis abaixo do nível normal de operação. quando a fonte de tais problemas é removida o PTC volta ao seu estado de baixa resistência restabelecendo-se o nível normal de fluxo de corrente. RESISTORES NÃO-LINEARES eRR TT TTTITITT 11 . eRR TT TITTTITT 11 . TT R R TITT TI TT 11 ln TT R R TTTI TI TT 11 ln T R R T TI TI TT TT 1 ln 1 R R TT TI TT TITT ln 11 NTC PTC 51 NTC-Negative Tempeature Coefficient Os termistores do tipo NTC consistem em óxidos metálicos tais como cromo, níquel, cobre, ferro, manganês e titânio. Estes componentes diminuem a sua resistência elétrica com o aumento da temperatura. A dependência da resistência em relação à temperatura do termistor do tipo NTC é aproximadamente igual à característica apresentadas por semicondutor dada por: Sendo: a constante do termistor dependente do material; T a temperatura absoluta em ºK; A uma constante. T ART ln 52 Considerando-se que a uma temperatura T0 de referência (em ºK) tem-se uma resistência conhecida R0, pode-se fazer: 0 11 0 TT T eRR A constante pode ser calculada pela resistência do termistor NTC a duas temperaturas de referência T1 e T2, se as resistências medidas são, respectivamente, R1 e R2, tem-se: 21 2 1 11 ln TT R R Ex: Calcular para um termistor NTC que tem 10k a 25ºC e 3,8k a 50ºC. Resp.: =3729K 53 Limitações dos termistores As limitações dos termistores para a medição de temperaturas e de outras quantidades físicas são similares às dos RTD’s, mas os termistores são menos estáveis que os RTD’s. Os termistores são amplamente utilizados, e apresentam alta sensibilidade e alta resolução para medição de temperatura. Na tabela abaixo mostra-se as características gerais dos termistores NTC de uso mais freqüente. Faixa de temperatura -100ºC a 450º C Resistência a 25ºC 0,5 a 100M 2000K a 5500K Temperatura Máxima >125ºC (300ºC em repouso; 600ºC(intermitente) Constante de dissipação 1mW/K no ar e 8mW/K no óleo Constante de tempo térmica 1ms a 22s Dissipação de potência máxima 1mW a 1W 54 Gráfico comparativo: Termistor x RTD 55 Exemplos de NTC e aplicações Termístor NTC 380 @ 25ºC e 28 @ 0.3 A Utilizado na proteção de circuitos (limitação de corrente) TermístorNTC Cerâmico 10 k @ 25 ºC +/- 10% Gama Temp.: -30 a 125ºC (utilizados na compensação de temperatura, medidas e controlo processos) Termístor NTC Encapsulado em vidro 10 k @ 25ºC +/- 10% Gama Temp.: -55 a 250ºC (utilizados em eletrodomésticos automóveis, medidas) 56 Exemplos de NTC’s comerciais 57 Especificações práticas de NTC Código Add-Therm Resistência @+25oC Tolerância 25oC Beta Valor Faixa de Temperatura de Operação AD1K-(beta) 1K ± 1% 3348 -30 até 120° AD2K-(beta) AD2K7-(beta) 2K 2k7 ± 1% 1% 3435/3990 3990 -30 até 120° -30 até 120° AD3K-(beta) 3K ± 1% 3450/3950 -30 até 120° AD4K-(beta) 4k7 ± 1% 3990 -30 até 120° AD5KT-(beta) 5K ± 1% 3450/3997 -30 até 120° AD10K-(beta) 10K ± 1% 3250/3435/3990 -30 até 250° AD20K-(beta) 20K ± 1% 4100 -30 até 120° AD30K-(beta) 30K ± 1% 3435/3990 -30 até 250° AD50K-(beta) 50K ± 1% 3435/3990 -30 até 120° AD100K-(beta) AD150k-(beta) 100K 150K ± 1% 3990/4450 -30 até 120° 58 Origem dos Termômetros de Radiação e Pirômetros A necessidade de medir a temperatura de objetos nos quais não é possível colocar fisicamente um sensor de temperatura Exemplos: Materiais à temperaturas elevadas, como os metais em fusão numa siderurgia Materiais corrosivos, como por exemplo o “smelt ” na fornalha de uma caldeira de recuperação de lixívia negra (indústria da pasta de papel) Órgãos de máquinas em movimento, como é o caso dos cilindros secadores de uma máquina de produção de papel Produtos em movimento, em uma linha de montagem 59 TERMOELETRICIDADE 60 x y i T2=T. ambiente T1 “a” “b” Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que, unindo as extremidades de dois metais diferentes “x” e “y” e submetendo as junções “a” e “b” a temperaturas diferentes T1 e T2, surge uma f.e.m. (força eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os pontos a e b, denominada “tensão termoelétrica”. Experimento de Seebeck TERMOELETRICIDADE TERMOPARES 61 Dois metais diferentes, “x” e “y” com as extremidades unidas e mantidas a temperaturas diferentes Abrindo o circuito em qualquer ponto e inserindo um instrumento adequado, tem- se o valor da f.e.m. x y i T2=T. ambiente T1 “a” “b” x y i T2=T. ambienteT1 “a” “b” x TERMOELETRICIDADE TERMOPARES 62 Tabela de fem x Temperatura 63 Termopares – TipoC Tipo T Cu - Co + Cobre (99%), - Constantan (Cu 58%-Ni42%) Intervalo de temperaturas –200 / 370ºC Aplicações – criometria, indústria de refrigeração, química, petroquímica. Tipo J Fe - Co + Ferro (99,5%) - Constantan (Cu 58%-Ni42%) Intervalo de temperaturas –40 / 760ºC Aplicações – Centrais de energia, metalúrgica, química, indústria em geral. 64 Termopares – Tipos Tipo E NiCr - Co + Cromio - Niquel (Cr 10%, Ni 90%) - Constantan (Cu 58%- Ni42%) Intervalo de temperaturas –200 / 870ºC Aplicações – Química, petroquímica. Tipo K NiCr - NiAl + Cromio-Niquel (Cr 10%, Ni 90%) - Alumel (Ni 95,4% - Mn 1,8% - Si 1,6% - Al 1,2%) Intervalo de temperaturas –200 / 1260ºC Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fábrica de Cimento. 65 Termopares – Tipos Tipo S PtRh 10% - Pt + Platina-Rodio (Pt 90%, Rh 10%) - Platina (Pt 100%) Intervalo de temperaturas 0 / 1600ºC Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fábrica de Cimento. Tipo R PtRh 13%- Pt + Platina-Rodio (Pt 87%, Rh 13%) - Platina (Pt 100%) Intervalo de temperaturas 0 / 1600ºC Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento . 66 Termopares – Tipos Tipo B PtRh 30%- PtRh 6% + Platina-Rodio (Pt 70%, Rh 30%) - Platina-Rodio (Pt 94%, Rh 6%) Intervalo de temperaturas 600 / 1700ºC Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fábrica de Cimento. 67 Termopares especiais Tungsténio – Rhénio - Até 2300 ºC em tempo contínuo; - Até 2750 ºC em curtos períodos; Irídio 40% Rhodio / Irídio; - Até 2000 ºC em curtos períodos; Pt 40% Rh / Pt 20% Rh - Substitutos do Tipo B - Em tempo contínuo até 1600ºC; - Até 1800 / 1850 ºC em curtos períodos; 68 Termopares especiais Ouro – Ferro / Cromio - Para temperaturas criogênicas. Nicrosil / Nisil - Substituto do Tipo K – Com f.e.m. menores. Pt 40% Rh / Pt 20% Rh - Substitutos do Tipo B - Em tempo contínuo até 1600ºC. Até 1800 / 1850 ºC em curtos períodos 69 Estrutura física 70 Termopares comerciais 71 Termopares Flexíveis 72 Termopares especiais 73 Relação de temperatura e o tipo do termopar 74 TERMOELETRICIDADE ALGUNS TIPOS DE TERMOPARES Diversos termopares com finalidades aplicativas diferentes. Terminais para termopares - conexão com cabos de compensação. Termopares com proteção diversa (bainha de inox, tubo de inox). Termopar especial com base magnética para fixação em dispositivos metálicos. 75 TERMOELETRICIDADE ALGUNS TIPOS DE TERMOPARES Termopar com indicador digital de temperatura. Termopar com dispositivo especial para fixação com parafuso. Termopar com sistema “auto-adesivo”, evitando necessidade de solda ou operação mecânica (furos,..). 76 Tabela com o código de cores 77 Termopares comerciais e aplicações Termopar Faixa de uso Aplicações Vantagens Desvantagens J Ferro, constantã -190 a 870ºC 1. Têmperas; 2. Recozimento; 3. Fornos elétricos; 1. Baixo custo; 2. Utilizável em temperaturas negativas Devem ser usados tubos de proteção para T>480ºC K Cromel, alumel -18 a 1370ºC 1. Tratamento térmico; 2. Fornos; 3. Fundição; 4. Banhos; 1. Adequado para atmosferas oxidantes; 2. Boa resistência mecânica em altas temperaturas; Vulnerável a atmosferas redutoras T Cobre, constantã -190 a 370ºC 1. Estufas; 2. Banhos; 3. Fornos elétricos p/ baixa temperatura; 1. Resistente em atmosferas corrosivas; 2. Resistente a atmosferas redutoras e oxidantes; 3. Utilizável em temperaturas negativas Oxidação do cobre acima de 315ºC PtRh-Pt 13% Rh S-Pt-Pt 10% Rh -18 a 1540ºC 1. Vidros; 2. Fornos com T>300ºC; 3. Fundição; 4. alto-forno; 1. Pode operar em atmosferas oxidante; 2. Opera numa faixa maior que o tipo K; 1. Contamina facilmente em atmosferas não oxidante 2. Fragiliza em altas temperaturas.