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INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL TEMPERATURA Prof. Arnaldo I. T. Consultant I. A. I. Consultant.

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1 INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL TEMPERATURA Prof. Arnaldo I. T. Consultant I. A. I. Consultant

2 Temperaturacomo Variável de Processo

3 Medir, Controlar, Supervisionar & Gerenciar as Variáveis Físico-Químicas em Eventos Op. de Processos Industriais é Obter todas Garantias Técnicas necessárias de Produtos com Altos Níveis de Qualidade, com Melhores Condições Níveis de Qualidade, com Melhores Condições de Rendimento possíveis, a Custos Compatíveis com as Realidades da Planta Produtora Sem Deixar de Atender as Exigências Comerciais dos próprios Nichos do Mercado Consumidor ; Nos Mais Diversos Tipos de Processos Produtivos o Monitoramento & Medição da Temperatura são Fundamentais para a Obtenção dos Parâmetros & Fundamentais para a Obtenção dos Parâmetros & Valores Referenciais para as Linhas de Produtos, De Acordo com as Mais Recentes & Respeitadas Normas Técnicas de Qualificação Industrial ;

4 Termometria (Medir Temperaturas) é Muito Confundida, eventualmente, com Pirometria que, às vezes, é Citada como um Significado Parecido, mas que, na verdade, Deve Ser Interpretada como : mas que, na verdade, Deve Ser Interpretada como : Pirometria - Medição de Altas Temperaturas,Pirometria - Medição de Altas Temperaturas, na Faixa aonde Efeitos da Radiação Térmica na Faixa aonde Efeitos da Radiação Térmica se Manifestam dentro de certos Processos Op. ; se Manifestam dentro de certos Processos Op. ; Criometria - Medição das Baixas TemperaturasCriometria - Medição das Baixas Temperaturas Muito Próximas ao Zero Absoluto ; Muito Próximas ao Zero Absoluto ; Termometria – Ciência Bem Mais Abrangente,Termometria – Ciência Bem Mais Abrangente, Inclui a Pirometria & a Criometria para TODOS Inclui a Pirometria & a Criometria para TODOS os Casos Op. de Medição de Temperatura ; os Casos Op. de Medição de Temperatura ;

5 Temperatura é Diferente de Calor ! ! ! # Calor é uma Forma de Energia & Temperatura é uma Grandeza Física Fundamental ; é uma Grandeza Física Fundamental ; # Calor Adicionado ou Retirado de um Corpo Altera Fundamentalmente sua Temperatura ; Altera Fundamentalmente sua Temperatura ; # Calor Transforma Sólidos em Líquidos & estes em Plasma, Vapores ou Gases ; em Plasma, Vapores ou Gases ; # A Expansão Física dos Corpos é tb. Resultado Direto Processos de Aquecimento ; Direto Processos de Aquecimento ; # A Energia do Calor pode até ser Transformada em Energia Mecânica na Produção de Trabalho em Energia Mecânica na Produção de Trabalho porém, o Mais Comum é a Energia Mecânica, porém, o Mais Comum é a Energia Mecânica, Elétrica ou Química de um Trabalho Produzir Elétrica ou Química de um Trabalho Produzir também Calor, por Causa dos Atritos & Perdas ; também Calor, por Causa dos Atritos & Perdas ;

6 Por intermédio do Frio Intenso pode-se tb. Obter Mudanças de Estado para os Elementos Físicos & Químicos, por Processos de Liofilização ( tb. conhecidos por Criodessecação, Congelamento à Vácuo ou Freeze Drying ) que são Métodos de Desidratação usados na Preservação Técnica para Alimentos Perecíveis, Matérias Primas, Princípios Ativos, Vitaminas, Bactérias, Vírus, etc., onde Após Congelamento, Água & outros Solventes são Retirados, através de Sublimação, SEM QUE tais Elementos citados Passem pelo Estado Líquido, Preservando-se, assim, TODAS Estado Líquido, Preservando-se, assim, TODAS Propriedades Desejadas para estes Produtos ;

7 Resíduo Insolúvel ( Fibras ) Liofilização

8 TEMPERATURA&CALOR TEMPERATURA & CALOR Corpos, Substâncias & Gases são Constituídos pelas Moléculas, Átomos & suas Sub-Partículas que Ficam em Contínua Vibração & Quanto Mais Rápida for esta Agitação Térmica, Mais Quentes tais Elementos Ficarão, Independentemente de seus Estados Físico-Químicos & neste Contexto, Temperatura pode ser Representada através de Escalas Numéricas, sendo que Quanto Maiores Escalas Numéricas, sendo que Quanto Maiores forem seus Valores, Maior será a Quantidade de Energia Cinética que a Estrutura da Matéria será Capaz de Produzir em um Processo Op. ;

9 Modelagem Sub-Atômica Gell-Mann / Zweig Modelo Atômico Atual Reúne os Fundamentos da Teoria Quântica, Incluindo Conceitos Técnicos das Interações Fortes das Forças (Cromodinâmica Quântica) com a Teoria Física Unificada que está relacionada às Interações Fracas & às Forças Eletromagnéticas Modelo Atômico Padrão Atual 1964 / 1968

10 Modelagem Sub-Atômica Gell - Mann / Zweig ( Modelo Atômico dos Quarks ou Sub-Partículas ) ACF

11 Mapa Conceitual Modelo Atômico Atual Férmions Bósons ACF

12 A Energia Térmica dos Corpos & Meios é a Somatória das Energias Cinéticas de suas Estruturas Internas & além de Depender dos Níveis de Temperatura, Leva Em Consideração também as suas Massas, bem como Em Consideração também as suas Massas, bem como Quais Serão os Tipos de Elementos sob Análise ; Calor é 1 Forma de Energia em Trânsito Transferida Diretamente por Meios Op. de Condução Térmica sendo Função Op. das Diferenças de Temperatura : Condução Térmica : Processo de Transferência deCondução Térmica : Processo de Transferência de Energia Através dos Elementos Componentes dos Meios Sólido, Líquido ou Gasoso, SEM TRANSPORTE de Matéria, com a Energia Térmica se Propagando por Contato Direto SEMPRE das Regiões da Matéria sob Temperaturas Mais Altas Em Direção às Áreas do Material sob Temperaturas Mais Baixas ;

13 Radiação Térmica : Processo de Transferência deRadiação Térmica : Processo de Transferência de Energia por Intermediação Direta dos Elementos Componentes Internos de certos Meios Sólidos, Líquidos ou Gasosos, aonde o Calor Fluirá Sempre de um Material Mais Aquecido para outro Material Menos Quente, estando estes Bem Separados &/ou Minimamente Afastados, Mesmo Quando estiverem sob Situação de Vácuo ; Convecção Térmica : Processo de TransferênciaConvecção Térmica : Processo de Transferência de Energia Diretamente Através de Meios Sólidos, Líquidos ou Gasosos, aonde Ocorrerão as Ações Combinadas da Condução Funcional de Calor, Armazenamento de Energia & Movimentação Física Interna dos Materiais ;

14 Temperatura é uma Propriedade da Energia Térmica & Deve Ser Medida através dos Efeitos Caloríficos em um Material, sendo que estes Efeitos serão Diferentes quando Analisados para Materiais Diferentes ; Exemplo: Expansão Termal dos Materiais dependerá do Tipo de Material analisado, sendo Possível Se Obter uma Mesma Temperatura para Materiais Diferentes, caso estes Possam Ser Corretamente Calibrados ; estes Possam Ser Corretamente Calibrados ; Calibrações Op. são Processos Comparativos de Efeitos Provocados por um Determinado Tipo de Energia em, pelo menos, 2 Tipos Diferentes de Materiais, sendo um deles Considerado como uma Referência Técnica por Apresentar possuir Determinadas(s) Propriedade(s) F. Q. Específica(s) para certas Situações Funcionais, como seria basicamente no caso das C. N. T. P. ;

15 No caso da Temperatura, propõem-se Aquecer Materiais até Determinados Valores que possam ser Repetidos & então, Propõem-se Marcações Padronizadas em um dos Materiais, Denominado Referencial, em função deste Não Ter Se Expandido ou Contraído Tanto Fisicamente ; Assim sendo, para Melhor se Sensoriar, Quantificar, Mensurar, Monitorar &/ou Expressar os Parâmetros & Valores relacionados às Leis da Termodinâmica foram Desenvolvidas Escalas Práticas Internacionais de Temperatura Baseadas nos Fenômenos das Mudanças de Estados Físicos das Substâncias Puras & que Ocorrem Sempre em Condições Técnicas Op. Únicas de Temperatura & Pressão, capazes de Originarem os Pontos Fixos de Temperatura Padrão denominados tecnicamente de IPTS-48 ; IPTS-68 ; ITS-90 ;...

16 Ponto Triplo Fases Sólida Onde as Fases Sólida, LíquidaGasosa Líquida & Gasosa se Encontram Encontram em Perfeito Equilíbrio Perfeito Equilíbrio em Materiais Puros certos Materiais Puros

17 IPTS68

18 Temperatura Escalas Métricas Temperatura & suas Escalas Métricas Historicamente, com a Criação de Várias Escalas Métricas Térmicas, houve Necessidade da Definição das Curvas & Pontos de Calibração de vários Tipos de Sensores & isto só foi possível através de Reuniões & Congressos Técnicos desde 1889 até hoje, onde se chegou à ITS-90 Ref. ( International Temperature Scale ), sendo que as Escalas Mais Utilizadas Industrialmente para Controle de Processos são Celsius & Fahrenheit, com Kelvin & Rankine sendo bem Mais Empregadas para Pesquisa & Desenvolvimento através das Normas Técnicas ABNT, ANSI (EUA), DIN (Alemanha), JIS (Japão), BS (Inglaterra), UNI (Itália), UTE (França), ISA (Internacional),...

19 Temperatura Escalas Métricas Temperatura & suas Escalas Métricas

20 PRINCIPAIS CONVERSÕES MÉTRICAS CELSIUS FAHRENHEIT CELSIUS FAHRENHEIT °C / 5 = ( °F – 32 ) / 9 °C / 5 = ( °F – 32 ) / 9 CELSIUS KELVIN CELSIUS KELVIN K = 273,15 + °C K = 273,15 + °C F A H R E N H E I T R A N K I N E F A H R E N H E I T R A N K I N E R = 459,67 + °F R = 459,67 + °F K E L V I N R A N K I N E K E L V I N R A N K I N E K = ( °R x 5 ) / 9 K = ( °R x 5 ) / 9

21 Ponto de Ebulição do Oxigênio é -182,86°C Obter esta Temperatura para as Escalas Térmicas Kelvin, Fahrenheit & Rankine : a) °C K : K = 273,15 + (-182,86) = 90,29 K b) °C °F : - 182,86 = °F - 32 = - 297,15° F c) °C °R ou °C K °R : 90,29 = R x 5 = 162,52 °R 90,29 = R x 5 = 162,52 °R 9

22 Efetuar as Conversões Térmicas :Efetuar as Conversões Térmicas : a ) 200°C = ??? Ra b ) 0°F = ??? °C c ) 310 R = ??? K d ) 34°F = ??? K e ) 98°C = ??? K f ) 587 K = ??? °F g ) 471 K = ??? °C h ) 874 °F = ??? K i ) -41 °C = ??? °F

23 1) A que Temperatura a Leitura fornecida pela Escala Fahrenheit é exatamente o Dobro daquela fornecida pela Escala Celsius ? Quanto isso seria em Rankine ? 2) Imaginando Nova Escala de Temperatura que atribua valor de -20° ao Ponto de Solidificação da Água & +230° ao Ponto de Ebulição. Quais Leituras seriam obtidas se fossem Medidos 20°C & 600°C ? 3) Dois Termômetros, um Graduado em Celsius & outro em Fahrenheit, demonstraram a mesma Leitura para a Temperatura de um Gás. Determine esse Valor. 4) A Temperatura Média do Corpo Humano é +36,5°C. Determine o Valor dessa Temperatura em Rankine. 5) Em um Deserto registrou-se a Temperatura de X °C. Com a Escala Fahrenheit, a Leitura foi de 12 Unidades mais Alta. Determine o Valor desta Temperatura.

24 Celsius Fahrenheit °F = ( °C x 1,8 ) + 32 Celsius Kelvin K = °C + 273,15 Celsius Rankine Ra =°C x 1,8 ) + 32] + 459,67 Ra = [( °C x 1,8 ) + 32] + 459,67 Kelvin Celsius °C = K - 273,15 Kelvin Fahrenheit °F = ( K x 1,8 ) – 459,67 Kelvin Rankine Ra = K x 1,8 Fahrenheit Celsius °C = ( °F – 32 ) / 1,8 Fahrenheit Kelvin K = ( °F + 459,67 ) / 1,8 Fahrenheit Rankine Ra = °F + 459,67 Rankine Celsius °C = [( Ra – 32 ) – 459,67] / 1,8 Rankine Fahrenheit °F = Ra – 459,67 Rankine Kelvin K = Ra / 1,8

25 TermometriaEquipamentosDispositivos & Sensores

26 Princípios Básicos Operacionais das Tecnologias de Termometria Industrial Expansão do Elemento Físico-Químico,Expansão do Elemento Físico-Químico, provocando Alterações de Comprimento, provocando Alterações de Comprimento, Volume ou Pressão ; Volume ou Pressão ; Alteração da Resistência Elétrica ;Alteração da Resistência Elétrica ; Interação dos Potenciais Elétricos entreInteração dos Potenciais Elétricos entre Elementos Físico-Químicos Diferentes ; Elementos Físico-Químicos Diferentes ; Alteração dos Níveis de Potência Radiante ;Alteração dos Níveis de Potência Radiante ;

27 Metodologias Operacionais de Medição para Termometria Industrial 1º Grupo Op. ( Por Contato Direto )1º Grupo Op. ( Por Contato Direto ) Termômetros à Dilatação : Líquidos & Sólidos Termômetros à Dilatação : Líquidos & Sólidos Termômetros à Pressão : Líquidos, Gases & Vapores Termômetros à Pressão : Líquidos, Gases & Vapores Termômetros a Par Termoelétrico Termômetros a Par Termoelétrico Termômetros à Resistência Elétrica Termômetros à Resistência Elétrica 2º Grupo Op. ( Por Contato Indireto )2º Grupo Op. ( Por Contato Indireto ) Pirômetros Ópticos Pirômetros Ópticos Pirômetros Fotoelétricos Pirômetros Fotoelétricos Pirômetros de Radiação Pirômetros de Radiação

28 Características Contato Direto Contato Indireto Condição Necessária para Obtenção de Medições Precisas # Contato com o Elemento # Praticamente Não Altera Temperatura do Elemento em Contato com o Sensor Radiação do Elemento Medido Deve Chegar Sem Maiores Problemas até o Dispositivo Sensor até o Dispositivo Sensor ContextosFuncionaisPráticosPossíveis # Difícil Medir Temperatura de Objetos Pequenos pelas Variações causadas pelo Contato com Elementos em Temperaturas Diferentes # Difícil Medir Elementos em Movimento # Não muda Temperatura do Elemento quando Sensor Não Está em Contato # Medição de Elementos em Movimentação # Medição da Temperatura de Superfícies # Dependente dos Níveis de Emissividade Térmica Faixas Op. Temperaturas < 1600 ºC Temperaturas Elevadas & Temp. < - 50 ºC Precisão Op. Geralmente ± 1% da Faixa Op. Geralmente Diferenciais de 3 a 10 ºC Tempo Resposta Geralmente Grande ( > 5 min. ) ( > 5 min. ) Geralmente Pequeno ( 0,3 até 3 seg. ) ( 0,3 até 3 seg. )

29 Termômetros por Dilatação ou por Expansão Volumétrica

30 Termômetros à Dilatação de Líquidos Baseiam-se na Lei da Expansão Volumétrica de Líquidos a partir de Valores de Temperatura que vão se sucedendo Dentro de um Recipiente Hermeticamente Fechado : Vt = Vo.[ 1 +b1.(Dt) + b2.(Dt)2 + b3.(Dt)3 ] t = Temperatura do Líquido em °Ct = Temperatura do Líquido em °C Vo = Volume do Líquido à Temp. de Referência toVo = Volume do Líquido à Temp. de Referência to Vt = Volume do Líquido à Temperatura tVt = Volume do Líquido à Temperatura t b1, b2, b3 = Coeficientes de Expansão do Líquido °C¯¹b1, b2, b3 = Coeficientes de Expansão do Líquido °C¯¹ Dt = t – toDt = t – to Na Prática, Linearizando a Expressão acima : Vt = Vo.( 1 + b. Dt ) Vt = Vo.( 1 + b. Dt )

31 Termômetros de Dilatação de Líquidos em Recipientes de Vidro Transparente Constituídos de um Reservatório, com Dimensões que Dependem da Sensibilidade Térmica Desejada para tal Tipo de Sensor, Soldado a um Tubo Capilar Fechado na Parte Superiorcuja Seção deverá ser àquela Mais Uniforme Possível ; Constituídos de um Reservatório, com Dimensões que Dependem da Sensibilidade Térmica Desejada para tal Tipo de Sensor, Soldado a um Tubo Capilar Fechado na Parte Superior cuja Seção deverá ser àquela Mais Uniforme Possível ; Reservatório & Parte do Capilar são Preenchidos por 1 Líquido & em 1 Extremidade desse Capilar existe 1 Alargamento que Protege o Termômetro no caso dos Níveis Térmicos Ultrapassarem os seus Limites Máximos previstos ;

32 Princípio Funcional A Expansão Volumétrica do Líquido utilizado é Maior que a do Bulbo de Vidro do próprio Termômetro, assim, Aplicando Calor no Bulbo, o Líquido se Expandirá Mais Rapidamente que a Estrutura do Bulbo ; As Diferenças nos Níveis de Expansão Aliadas ao próprio Princípio da Capilaridade, Permitirá ao Líquido Subir pelo Tubo Capilar de Vidro ( Menisco ) preso ao Bulbo ; Os Líquidos Mais Usados nestes Termômetros são Mercúrio, Tolueno, Álcool & Acetona ; SUBSTÂNCIALÍQUIDAPONTO SOLIDI SOLIDIFICAÇÃO [ ºC ] PONTOEBULIÇÃO FAIXA Op. USO [ ºC ] Mercúrio até Álcool Etílico até Tolueno até Termômetros de Dilatação Líquida em Recipientes de Vidro Transparente

33 Termômetros de Líquidos com Bulbo de Vidro podem ser Empregados em : Compartimentos Fechados ou Cobertos, Compartimentos Fechados ou Cobertos, para àquelas Situações Funcionais nas quais Leituras de Temperatura vão Ocorrer no próprio Local de Instalação dos Sensores ; Para àquelas Situações Op. em puderem ser Para àquelas Situações Op. em puderem ser Toleradas Exatidões de Até 1% das Escalas de Medição & onde os Tempos de Resposta poderão ser Consideravelmente Lentos, SEM Prejuízos Maiores aos Resultados Técnicos ;

34 Termômetros de Líquidos em Bulbo de Vidro Construído em Vidro com Capilar Prismático Amarelo p/a Mercúrio & Capilar Redondo com Líquido Vermelho / Azul, opcionalmente com Protetor de Latão ou Aço Inoxidável, Corpo de 235 x 18 ± 20mm, Haste & Escalas solicitadas por Cliente, conf. Características Físicas Op. :

35 Protetor de Termômetros em Bulbo de Vidro Protetores para Termômetros construídos em Latão ou Aço Inoxidável, Permitindo que a Parte Ativa dos Sensores fique Protegida Mecanicamente contra Impactos sendo Recomendados para Inserção em Processos Produtivos & Refrigeração Industrial ;

36 Termômetros à Dilatação Volumétrica de Líquidos em Recipientes Metálicos Um Bulbo Metálico ligado a um Capilar Metálico & até um Elemento Sensor Devidamente Extensível ; O Líquido Preencherá todo o Instrumento & com a Variação da Temperatura se Dilatará Deformando Elasticamente o próprio Elemento Sensor ; Relação Linear entre os Valores de Temperatura & Deformação Volumétrica ;

37 Termômetros à Dilatação Volumétrica de Líquidos em Recipientes Metálicos # Bulbo : Dimensões Físicas Variáveis conforme os Tipos de Líquidos & Principalmente com a Sensibilidade Op. de Líquidos & Principalmente com a Sensibilidade Op. desejada para o Termômetro & suas Aplicações ; desejada para o Termômetro & suas Aplicações ; # Capilar : Dimensões Variáveis, com Diâmetro Interno sendo Menor Possível, a fim de Evitar as Influências da sendo Menor Possível, a fim de Evitar as Influências da Temperatura Ambiente & Não Oferecer Resistências à Temperatura Ambiente & Não Oferecer Resistências à Passagem do Líquido em Expansão Volumétrica ; Passagem do Líquido em Expansão Volumétrica ; # Elemento Sensor : Normalmente, um Tubo de Bourdon, sendo que Termômetros deste Tipo podem ser Aplicados sendo que Termômetros deste Tipo podem ser Aplicados em Indústrias para Indicação & Registro dos Valores em Indústrias para Indicação & Registro dos Valores Térmicos em Eventos de Processos Produtivos ; Térmicos em Eventos de Processos Produtivos ;

38 Líquido Faixa de Utilização Mercúrio - 35° a + 750° Xileno - 40° a + 400° Acetona - 80° a + 50° Tolueno - 80° a +100° Álcool - 80° a + 70° Tipos de Elementos de Medição : A. Tipo C B. Helicoidal C. Espiral Termômetros de Dilatação Volumétrica

39 # Materiais usados para Confecção deste Tipo de Instrumento de Medição Térmica : Bronze Fosforoso, Cobre - Berílio, de Medição Térmica : Bronze Fosforoso, Cobre - Berílio, Aço Inox & Aço Carbono ; Aço Inox & Aço Carbono ; # Neste Sistema de Medição Térmica, como as Distâncias entre Elemento Sensor & Bulbo são Consideráveis, quando Existirem Variações na Temperatura Ambiente que Afetem o Líquido no Bulbo ou no próprio Sistema, poderão Haver Erros de Leitura que deverão ser Compensados através de 2 Metodologias Técnicas : Classe 1B - Compensação Somente no Sensor, através deClasse 1B - Compensação Somente no Sensor, através de Lâmina Bimetálica, desde que o Comprimento Máximo do Lâmina Bimetálica, desde que o Comprimento Máximo do Capilar seja de 6 m ; Capilar seja de 6 m ; Classe 1A – Qdo. a Distância do Capilar for > 6 m, o MétodoClasse 1A – Qdo. a Distância do Capilar for > 6 m, o Método de Compensação é Aplicado no Sensor & no Capilar, através de Compensação é Aplicado no Sensor & no Capilar, através de um 2º. Capilar Conectado a Outro Elemento Sensor com de um 2º. Capilar Conectado a Outro Elemento Sensor com Comprimento Idêntico ao do Sistema de Medição Original, Comprimento Idêntico ao do Sistema de Medição Original, mas que vai Ligado em Oposição, porém Sem Que o Bulbo mas que vai Ligado em Oposição, porém Sem Que o Bulbo seja Interconectado no mesmo Sistema Térmico ; seja Interconectado no mesmo Sistema Térmico ;

40 Termômetros por Expansão Líquida

41 # Tais Termômetros são usados em Indústrias nas Funções de Indicação & Registro, Permitindo, Funções de Indicação & Registro, Permitindo, inclusive, Leituras Remotas, sendo Precisos, inclusive, Leituras Remotas, sendo Precisos, mas Não Recomendados para Referenciais de mas Não Recomendados para Referenciais de Controle devido aos seus Elevados Tempos de Controle devido aos seus Elevados Tempos de Resposta Operacional ; Resposta Operacional ; # O Poço de Proteção Permite a Manutenção do Termômetro com Processo em Operação, mas Termômetro com Processo em Operação, mas Recomenda-se NÃO DOBRAR o Capilar com Recomenda-se NÃO DOBRAR o Capilar com Curvaturas Acentuadas, para Não Prejudicar o Curvaturas Acentuadas, para Não Prejudicar o Movimento do Líquido, o que poderia Causar Movimento do Líquido, o que poderia Causar Sérios Problemas de Medição Térmica Op. ; Sérios Problemas de Medição Térmica Op. ;

42 Termômetros à Dilatação Volumétrica Ou À Expansão Funcional de Gases Fisicamente IdênticosTermômetros à Dilatação de LíquidosBulboElemento SensorCapilar de ConexãoInteriorConjuntoPreenchido AdequadamenteGás à Alta Pressão ;Fisicamente Idênticos aos Termômetros à Dilatação de Líquidos, consta de Bulbo, Elemento Sensor & Capilar de Conexão, com o Interior do Conjunto sendo Preenchido Adequadamente com Gás à Alta Pressão ; AlteraçãoTemperaturaGásVariaPressão,Com Alteração da Temperatura, o Gás Varia a Pressão, EquaçãoElemento de conforme a Equação a seguir, enquanto o Elemento de MediçãoOperarManômetro: Medição irá Operar como um Manômetro : P1 / T1 = P2 / T2 =... = Pn / Tn Variações de PressãoLinearmente DependentesTemperaturaVolume Constante;Observa-se que Variações de Pressão são Linearmente Dependentes da Temperatura, com Volume Constante ; Lei Gay-Lussac Gases Perfeitos

43 Termômetros à Expansão de Gases N2 é o Gás Mais Usado, à Pressão de 20 a 50 atm, conforme a Temperatura Mínima a se Medir, com sua Faixa de Medição sendo de -100 a +600°C, com o Limite Op. Inferior Vinculado à própria Temperatura Crítica do Gás & o Limite Op. Superior de acordo com a Permeabilidade Máxima do Recipiente do Termômetro ;

44 Termômetros à Expansão de Vapores Conforme a Lei dos Gases de Dalton, para q.q. Variações de Temperatura ocorrerão Variações no Vapor do Gás Liquefeito no Bulbo do Termômetro & desse modo, Variações na Pressão no Capilar, conf. a seguinte Relação : log P1 / P 2 = He. ( 1 / T 1 – 1 / T2 ) 4,58 4,58 60 m 60 m

45 # Termômetros à Expansão de Líquidos : Aplicação Geral, Muito Baratos, com Preferência para os Sistemas preenchidos com Mercúrio, A Não Ser Que as Temperaturas Medidas sejam < - 38°C, se o SPAN for Muito Estreito ( < 25°C ) ou se existirem Níveis de Perigo para Casos de Vazamentos de Mercúrio ; # Termômetros à Expansão de Gases : Aplicações Voltadas às Temperaturas Mais Baixas, Aplicações Voltadas às Temperaturas Mais Baixas, com SPAN Mínimo de 50°C, para Processos que possam Envolver Dimensões Volumétricas Maiores ; # Termômetros à Expansão de Vapores : Bom Custo-Benefício, Escalas Não Lineares, Precisos & com Rápidos Tempos de Resposta, SE o RANGE medido NÃO Estiver Próximo à Temperatura Ambiente ;

46 TermômetrosporParesBimetálicos

47 Baseia-se tecnicamente no Fenômeno da Dilatação Linear dos Metais com a Temperatura : Lt = Lo. ( 1 + a. Dt ) para Dt = t - t o Lt = Lo. ( 1 + a. Dt ) para Dt = t - t o t = Temperatura Metal em °Ct = Temperatura Metal em °C Lo = Comprimento Metal à Referência toLo = Comprimento Metal à Referência to Lt = Comprimento Metal à Temperatura tLt = Comprimento Metal à Temperatura t a = Coeficiente Dilatação Linear Materiala = Coeficiente Dilatação Linear Material APLICAÇÕES -30 a +800°C com ± 1% Na Prática : 64% Fe + 36% Ni (INVAR) Baixo Coefic. Dilatação Latão Alto Coefic. Dilatação

48 Termômetros Bimetálicos consistem de 2 Lâminas Metálicas Sobrepostas com Coeficientes de Dilatação Diferentes, formando Peça Única ; Variando-se a Temperatura do Conjunto, existirá Encurvamento da Variando-se a Temperatura do Conjunto, existirá Encurvamento da Lâmina Única Proporcionalmente à Diferença de Temperatura ; O Termômetro desse Tipo Mais Usado é o de Lâmina Helicoidal, 1 Tubo Condutor de Calor, aonde existe 1 Eixo Acoplado a 1 Ponteiro que se Deslocará sobre uma Escala Graduada adequadamente ;

49 Termômetros por Pares Bimetálicos Possuem Construção Robusta & Baixo Custo ;Possuem Construção Robusta & Baixo Custo ; São Sensíveis às Pequenas Variações Op. de Temperatura ;São Sensíveis às Pequenas Variações Op. de Temperatura ; São Muito Utilizados em Controladores do Tipo Termostato ;São Muito Utilizados em Controladores do Tipo Termostato ; Também são Usados com Outros Instrumentos para Compensarem Efeitos da Temperatura ;Também são Usados com Outros Instrumentos para Compensarem Efeitos da Temperatura ; São Muito Bons como Indicadores Diretos ;São Muito Bons como Indicadores Diretos ; Possuem Baixos Níveis de Precisão ;Possuem Baixos Níveis de Precisão ; Apresentam Problemas de Histerese ;Apresentam Problemas de Histerese ; Possuem Tempos de Resposta Muito Lentos ;Possuem Tempos de Resposta Muito Lentos ;

50 Termômetros Elétricos de Resistência de Contato

51 TermoresistênciasSensoras

52 Termômetros de Resistência, Termoresistências, Termistores ou RTDs ( Resistance Temperature Detector ) são Sensores Térmicos Baseados no Princípio Físico da Variação da Resistência Elétrica [R()] em função das Alterações Térmicas quando Analisadas em relação aos Tempos Op. envolvidos nos Eventos Técnicos ; São Bastante Empregados em Processos Industriais &/ou Laboratórios pelos seus Altos Níveis de Estabilidade Op. & Retibilidade de Resultados, Pouca Contaminação, Baixos Drifts, Baixa Influência de Ruídos & também devido aos Altos Níveis de Precisão de Leitura ; Pelas Características Funcionais pode ser Considerado 1 Sensor Padrão Internacional para Realização das Medições de Temperatura que Necessitem Atingir Valores de -259,3465ºC a +661,78ºC ou +1204ºC (ITS-90) ;

53 A Equação Matemática que rege as Variações da Resistência Elétrica em função da Temperatura é chamada de Função Callendar - Van Dusen : é chamada de Função Callendar - Van Dusen : # Para Faixa Op. de - 200°C a 0°C : Rt = R 0. [ 1+ A. T + B. T² + C. T³. ( T – 100 ) ] Rt = R 0. [ 1+ A. T + B. T² + C. T³. ( T – 100 ) ] # Para Faixa Op. de 0°C a + 850°C : Rt = R 0. [ 1+ A. T + B. T² ] Rt = R 0. [ 1+ A. T + B. T² ] Rt = Resistência na Temperatura T (W)Rt = Resistência na Temperatura T (W) R0= Resistência a 0 °C (W)R0= Resistência a 0 °C (W) T = Temperatura (°C )T = Temperatura (°C ) A, B, C = Coeficientes Materiais empregadosA, B, C = Coeficientes Materiais empregados

54 Os Metais utilizados na Confecção de Termoresistores Devem Possuir como Características Técnicas Op. : Linearidade Op. & Alta Fidelidade às Variações da Linearidade Op. & Alta Fidelidade às Variações da Resistência Ôhmica em função das próprias Alterações de Temperatura, para que as Medições sejam Mais Precisas & ofereçam Maior Comodidade de Leitura ; Maior Resistividade Elétrica para que em Pequenas Maior Resistividade Elétrica para que em Pequenas Dimensões de Fio Sensor sejam obtidos Altos Valores de Resistência Ôhmica Inicial ; Estabilidade Op. & Alta Rigidez Mecânica para que Estabilidade Op. & Alta Rigidez Mecânica para que suportem os Regimes de Variação das Temperaturas em relação às Condições de Trabalho das Aplicações ; Níveis Mais Baixos de Histerese & de Drift Op. ; Níveis Mais Baixos de Histerese & de Drift Op. ;

55 Os Metais utilizados com Maior Freqüência para Confecção Industrial de Termoresistências Sensoras são : PLATINA – Faixa Op. de -200ºC à +600ºCPLATINA – Faixa Op. de -200ºC à +600ºC (Excepcionalmente +1200ºC) & Ponto de Fusão +1774ºC ; (Excepcionalmente +1200ºC) & Ponto de Fusão +1774ºC ; NÍQUEL – Faixa Op. de -200ºC à +300ºCNÍQUEL – Faixa Op. de -200ºC à +300ºC Ponto de Fusão +1455ºC ; Ponto de Fusão +1455ºC ; COBRE – Faixa Op. de -200ºC à +120ºCCOBRE – Faixa Op. de -200ºC à +120ºC Ponto de Fusão +1023ºC ; Ponto de Fusão +1023ºC ; A Exatidão Op. de Termômetros de Resistência quando Corretamente Instalados é Muito Grande, Atingindo até ± 0,01ºC & normalmente, Sondas deste Tipo se Utilizadas Industrialmente oferecem Precisão de ± 0,5ºC & no Brasil Aplica-se Muito a Normatização DIN-IEC 751/85, com os Termistores de Platina Tipo PT100 sendo os Mais Usados Termistores de Platina Tipo PT100 sendo os Mais Usados para formar Escalas : 0ºC a 100,00 Ω & 100ºC a 138,50 Ω ;

56 Curva RTD Platina 100 Ω PT100

57 RTD PT100 – Variação R() [ -200 °C a +70 °C ]

58 RTD PT100 – Variação R() [ +80 C a +340 C ]

59 RTD PT100 – Variação R() [ +350 C a +620 C ]

60 RTD PT100 – Variação R() [ +630 C a +850 C ]

61 Os Limites de Erros para os RTDs PT100 são Referendados pela Normatização DIN-IEC 751/85 que se originou da Unificação Técnica da DIN-43760/80 com a IEC-751/83 & que também Atende Funcionalmente a BS-1904/84 :

62 Condutores Bainha Protetora Conexões E. E. Compactado Montagem Convencional Montagem Isolada

63 Termoresistores são Compostos por 1 Filamento deTermoresistores são Compostos por 1 Filamento de Pt, Ni ou Cu Apresentando Diversos Tipos de Revestimentos Protetores, De Acordo Com suas Técnicas de Uso &/ou Modos de Aplicação ; RTDs de Ni & Cu Possuem Isolação Técnica emRTDs de Ni & Cu Possuem Isolação Técnica em Esmalte, Seda, Algodão ou Fibra de Vidro & Não Necessitam de Proteções Mais Resistentes à Temperatura, pois Acima de 300°C, o Níquel Perde suas Propriedades como Termoresistor & o Cobre Sofre Oxidação A Partir de 310°C ; RTDs de Platina, devido as suas CaracterísticasRTDs de Platina, devido as suas Características Técnicas Funcionais, Permitem Aplicações com Temperaturas Bem Mais Elevadas, Possuindo Encapsulamento Cerâmico ou mesmo de Vidro ;

64 RTDs de Platina Envolvem Cuidados Maiores na sua Fabricação, APESAR destes Sensores Não Possuírem Nenhuma Restrição Séria em Aplicações Térmicas se Empregados para Temperaturas Muito Elevadas, Podendo Apresentar Riscos de Contaminação Op. em seus Fios Condutores, mas, Mesmo Assim, são Empregados como Sensores Térmicos Padrão para Laboratórios & outras Instalações Op. de Precisão, a partir de Técnicas Diferenciadas de Montagem que Permitem Aplicar tais RTDs SEM seu Corpo Protetor, desde de que Venham Ser Apoiados em Espaçadores de Mica, com seus Fios Condutores Acondicionados em Peça de Alumina com Altos Níveis de Pureza & com Fixador Vítreo, Objetivando Melhorar os Níveis de Resistência às Vibrações Mecânicas & também aos Eventos de Dilatação Térmica ; Eventos de Dilatação Térmica ;

65 São Vários os Métodos Industriais Utilizados para a Fabricação de Sensores RTDs, Dependendo de suas próprias Aplicações Técnicas Operacionais : próprias Aplicações Técnicas Operacionais : Medições de Temperatura Efetuadas em Fluidos Não Corrosivos, o Elemento Resistivo pode ser Exposto Diretamente ao Fluido visando-se Obter Respostas Mais Rápidas ( Open Wire Element ) ;Medições de Temperatura Efetuadas em Fluidos Não Corrosivos, o Elemento Resistivo pode ser Exposto Diretamente ao Fluido visando-se Obter Respostas Mais Rápidas ( Open Wire Element ) ; Medições de Temperatura em Fluidos Corrosivos, com RTD sendo Encapsulado em Bulbo de Aço Inox ( Well-Type Element ) ;Medições de Temperatura em Fluidos Corrosivos, com RTD sendo Encapsulado em Bulbo de Aço Inox ( Well-Type Element ) ; Medições de Temperatura Superficial de Sólidos, com RTDs Protegidos por Encapsulamentos Planos Presos por Presilhas, Soldados ou Colados àquelas Superfícies em que as Medições devem Ocorrer ;Medições de Temperatura Superficial de Sólidos, com RTDs Protegidos por Encapsulamentos Planos Presos por Presilhas, Soldados ou Colados àquelas Superfícies em que as Medições devem Ocorrer ;

66 RTDsEstruturasMontagemFuncional

67 RTDs são Ótimas Opções de TransdutoresRTDs são Ótimas Opções de Transdutores Sensores Térmicos quando se Precisa Obter Bons Níveis de Sensibilidade, Estabilidade, Repetibilidade, Precisão, Facilidades para Montagem & Bom Custo – Benefício ; No entanto, RTDs possuem CaracterísticasNo entanto, RTDs possuem Características de Resposta consideradas Lentas, quando Comparados a Termopares em uma Mesma Escala de Trabalho, por Necessitarem de Fonte de Corrente para Operarem & também Possuírem Níveis de Auto-Aquecimento ;

68 Cabeçotes MONTAGENS

69 BlocosLigações Conexões Flanges

70 Variantes Aplicacionais

71

72 Aplicações Industriais

73

74 RTDs - VANTAGENS TÉCNICAS OPERACIONAIS : Boa Precisão em relação a outros Sensores Térmicos para Boa Precisão em relação a outros Sensores Térmicos para as Mesmas Faixas de Utilização Op. ; as Mesmas Faixas de Utilização Op. ; Sem Limitações de Distância Op., se as Conexões forem Sem Limitações de Distância Op., se as Conexões forem Executadas Corretamente no Local da Aplicação ; Executadas Corretamente no Local da Aplicação ; Não Utiliza Fiação Especial para suas Conexões Op. ; Não Utiliza Fiação Especial para suas Conexões Op. ; Para Quaisquer Ambientes Op. quando Bem Protegidos ; Para Quaisquer Ambientes Op. quando Bem Protegidos ; Bons Níveis de Reprodutibilidade de Resultados ; Bons Níveis de Reprodutibilidade de Resultados ; Conforme as Situações Op., Podem Substituir Termopares Conforme as Situações Op., Podem Substituir Termopares com Várias Vantagens Técnicas Funcionais ; com Várias Vantagens Técnicas Funcionais ; RTDs - DESVANTAGENS TÉCNICAS OPERACIONAIS : Mais Caros que outros Sensores para Mesma Faixa Op. ; Mais Caros que outros Sensores para Mesma Faixa Op. ; Deterioram-se com Facilidade, se Utilizados Acima de Deterioram-se com Facilidade, se Utilizados Acima de suas Temperaturas Máximas de Aplicação ; suas Temperaturas Máximas de Aplicação ; Necessário que o Corpo do Sensor esteja com Temperatura Necessário que o Corpo do Sensor esteja com Temperatura Equilibrada para Medir Corretamente Valores Térmicos ; Equilibrada para Medir Corretamente Valores Térmicos ; Tempos de Resposta Nem Sempre são Tão Rápidos ; Tempos de Resposta Nem Sempre são Tão Rápidos ;

75 Conexão a 2 FiosConexão a 2 Fios 2 Fios (RL1 & RL2) de R() Baixa, Conectam o Sensor PT100 à Ponte W Op. do I. M. E. E. ( V ), obtendo R4 : R4 = RPT100 + RL1 + RL2 R1. RV3 = R2. (R1 + RL2 + R4) RV3 = R4 Então, se R1 = R2 RV3 = RL1 + RL2 + R4 Podem Haver Erros de Leitura na Temperatura, Se Não Forem Efetuadas Compensações Op. para Equilibrar as Diferenças nos Valores de Resistência(), Principalmente se Existirem Variações Bruscas na Tamb, & isso Poderá Ser Realizado através do Potenciômetro RV3 ; R4 RV3 -

76 Conexão a 3 FiosConexão a 3 Fios Método Op. Muito Utilizado nos Processos Industriais com a Fonte de Alimentação Mais Próxima Possível do Sensor PT100, Fazendo RL1 Ser o Outro Braço Op. da Ponte W, para Balancear Tecnicamente (junto a RV3) o Circuito de Medição : Nesta Situação Funcional, a Tensão VAB, Varia Linearmente em função da Temperatura PT100, Independentemente às Possíveis Variações da Temperatura Ambiente ao longo das Fiações de Conexão com Certa Precisão, mesmo com Grandes Distâncias entre o Elemento Sensor & o próprio Circuito de Medição Op. ; R1.(RV3 + RL1) = R2.(R4 + RL2) Como: R1 = R2 RV3 + RL1 = R4 + RL2 RV3 R4 = RPT100

77 Normalmente, RTDs vêm com Combinações deNormalmente, RTDs vêm com Combinações de Fios Vermelho / Preto ou Vermelho / Branco, com os Fios Vermelhos sendo para Alimentação E. E., enquanto os Fios Preto ou Branco são GND ; Se Não Há Certeza de Quais Fios Deverão SerSe Não Há Certeza de Quais Fios Deverão Ser Conectados a Quais Lados do Elemento Resistivo, Pode-se Usar 1 Multímetro Digital (DMM) para se Obter a R() entre tais Conjuntos de Fios, sendo que Valores Medidos 0 Indicam que estes Condutores estão Ligados no Mesmo Nó Op. & em caso de se Obter um Valor Próximo a 100, Significa que os Fios Condutores estarão no Lado Oposto do Elemento Resistivo ;

78 NI© CompactDAQ Chassis NI© 9217 RTD Modul RTDConexão a 4 Fios RTD

79

80 TERMORESISTORES Exemplo de Aplicação Prática TROCADOR DE CALOR

81 TROCADOR DE CALOR FEIXE TUBULAR Troca de Calor entre 2 Fluidos ( Circuitos Diferentes ) Troca de Calor entre 2 Fluidos ( Circuitos Diferentes ) Água Aquecida por Vapor da Caldeira a Querosene Água Aquecida por Vapor da Caldeira a Querosene Fluido Aquecido Circula em Circuito Fechado para Fluido Aquecido Circula em Circuito Fechado para Fornecer Calor Por Intermédio das Placas do Trocador de Calor para o Fluido Frio ( Água ou outro Líquido ) Temperaturas Entrada & Saída do Fluxo Aquecedor Temperaturas Entrada & Saída do Fluxo Aquecedor do Trocador de Calor Medidas por Termoresistores Temperaturas do Fluido Frio Medidas Antes & Depois Temperaturas do Fluido Frio Medidas Antes & Depois do Trocador de Calor por Termoresistores Equações das Curvas T x R( Ω ) dos RTDs Inseridas em Equações das Curvas T x R( Ω ) dos RTDs Inseridas em Software Supervisório para Obtenção das Curvas Op. de Resposta do Controlador PID Adaptado às Variações de Temperatura dos Fluidos Frio, Aquecido & também do Ambiente da Aplicação Funcional ;

82

83 Medição Temperatura Fluido da Tubulação

84 Medição Temperatura Fluido do Recipiente

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