Capítulo 9 - Medição de Temperatura

Apresentação em tema: "Capítulo 9 - Medição de Temperatura"— Transcrição da apresentação:

1 Capítulo 9 - Medição de Temperatura
TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

2 9.1 – Introdução A temperatura é uma importante grandeza a ser medida em muitos processos, pois é um fator limite para muitas operações Pode-se pensar em temperatura como sendo o potencial que causa o fluxo de calor de um ponto de mais alta temperatura para um ponto de mais baixa temperatura A medição correta de temperatura é complexa, por ser facilmente influenciada por fatores externos aos dispositivos de medida ou pela inércia térmica inerente ao sistema TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

3 Relação entre as escalas:
A temperatura é quantificada através de escalas padronizadas, as mais utilizadas são a escala Celsius [ºC] e a Fahrenheit [ºF]. No Sistema Internacional (S.I.) utiliza-se à escala absoluta Kelvin Relação entre as escalas: TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

4 Classificação TM 117 - Sistemas de medição
Cap. 9 - Medição de Temperatura

5 9.2 – Termômetros de Efeito Mecânico
9.2.1 – Termômetro por expansão de líquido A medição de temperatura é feita através da leitura da posição do liquido na escala graduada TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

6 9.2.2 – Termômetro bi-metálico
Dois metais de diferentes coeficientes de dilatação linear são unidos numa determinada temperatura. Ao submeter à junta a uma temperatura determinada ela se curvará no sentido da indicação da temperatura

7

8 9.3 – Termômetros de Efeito Elétrico
Este tipo de medição é mais conveniente já que estes métodos permitem obter um sinal mais facilmente detectável, amplificável e usado para propósitos de controle TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

9 9.3.1 - Termômetros por resistência elétrica
Thomas Seebeck descobriu a termoeletricidade e Sir Humphrey Davy anunciou que a resistividade dos metais apresentavam uma marcante dependência com a temperatura Quinze anos mais tarde Sir William Siemens apresentou a platina como elemento sensor em um termômetro de resistência

10 Os materiais de uso prático recaem em duas classes principais:
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico Termoresistência, ou termômetros de resistência, são nomes genéricos para sensores que variam sua resistência elétrica com a temperatura Os materiais de uso prático recaem em duas classes principais: condutores e semicondutores Condutores: são chamados termômetros de resistência ou termoresistências Semicondutores: são chamados termistores Relação temperatura X resistência para dois tipos de sensores TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

11 9.3.3.1 - Termoresistências metálicas
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico Termoresistências metálicas Termoresistências metálicas são construídas a partir de fios ou filmes de platina, cobre, níquel e tungstênio para aplicações a alta temperatura Variação de resistência elétrica: R = Ro (1 + a1.T + a2.T2 + a3.T an.Tn) onde Ro = resistência a T=0 oC. TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

12 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico
Normalmente o sensor é construído em um filme metálico ou em um pequeno enrolamento a partir de um fio muito fino Termômetro por resistência elétrica TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

13 Seu limite superior de uso é de 535°C
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico É desejável a maior variação da resistência por grau para um dado valor de resistência (alta resistividade) para obter-se a maior sensibilidade na medição. A platina é o material mais adequado sob o ponto de vista de precisão e estabilidade mas apresenta o inconveniente do custo. A saída dos termômetros é geralmente medida por algum tipo de ponte (Wheatstone) e o termômetro ligado a esta por meio de 2, 3 ou 4 fios dependendo da precisão desejada. Seu limite superior de uso é de 535°C TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

14 R é a resistência do termistor na temperatura T (),
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termistores – Termistores Os primeiros tipos de sensores de temperatura de resistência de semicondutores foram feitos de óxido de manganês, níquel e cobalto, moídos e misturados em proporções apropriadas e prensados numa forma desejada. Relação resistência/temperatura: Tipos de termistores onde R é a resistência do termistor na temperatura T (), R0 = resistência na temperatura T0 (), é a constante característica do material (K), T é a temperatura a ser medida (K), T0 é a temperatura de referência (K) TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

15 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termistores
A estabilidade dos primeiros termistores era bastante inferior à das termoresistências metálicas, mas atualmente eles vem apresentando uma estabilidade aceitável para muitas aplicações industriais e científicas. Isto lhes permite medir a temperatura com intervalos de 0,1°C o que é difícil com termômetros de resistência comuns Seu tempo de resposta está ligada a massa do sensor podendo variar desde uma fração de segundos até minutos. A corrente de medição deve ser mantida o mais baixo possível para se evitar o aquecimento da unidade detectora TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

16 Exemplo de aplicação de termopar
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares 9.3.2 – Termopares Um termopar é um sensor que compreende dois pedaços de fios dissimilares, unidos em uma das extremidades. Sua aplicação em larga escala se dá em virtude da sua praticidade, capacidade de operar em altas temperaturas e por fornecer respostas rápidas. Exemplo de aplicação de termopar TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

17 9.3.2.1 - Efeitos termoelétricos
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares Efeitos termoelétricos Os efeitos termoelétricos recebem essa denominação porque envolvem tanto calor quanto eletricidade Podem ser identificados três efeitos termoelétricos diferentes, porém inter-relacionados O efeito Seebeck é o mais relevante, sendo o primeiro cientista a estudar os fundamentos da termeletricidade descobrindo a característica principal do funcionamento dos termopares, enquanto que os efeitos Peltier e Thomson descrevem o transporte de calor por uma corrente elétrica TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

18 Circuito para um termopar
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares Efeito Seebeck: Em 1821 o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou o circuito para um termômetro termopar, como o ilustrado na figura. Ambas as junções, de medição e de referência estão em ambientes isotérmicos (de temperatura constante), cada uma numa temperatura diferente Circuito para um termopar TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

19 Representação esquemática da montagem de um termopar
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares A tensão de circuito aberto através da junção de referência é a chamada tensão de Seebeck e aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as junções aumenta O termopar, que opera sob o efeito Seebeck é, portanto, diferente da maioria dos outros sensores de temperatura uma vez que sua saída não está diretamente relacionada à temperatura, mas sim ao gradiente de temperatura, ou seja, da diferença de temperatura ao longo do fio termopar Representação esquemática da montagem de um termopar TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

20 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares
O termopar consiste em dois condutores elétricos diferentes A e B unidos. Quando os dois materiais forem parte do circuito de um instrumento de medida haverá duas junções e se houver uma diferença de temperatura T1 e T2 entre as junções, então se origina uma força eletromotriz (f.e.m.) denominada tensão termelétrica O valor da f.e.m. depende da diferença de temperatura e dos materiais envolvidos e mantém uma relação de proporcionalidade com essa diferença TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

21 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares
Tipos de termopares Os vários tipos de metais ou ligas comumente empregados na constituição de termopares dependem em primeiro lugar da temperatura a medir Existe uma série de termopares padronizados segundo uma determinada faixa de aplicação levando em conta também outros fatores, tais como ambiente e tipo de material que se deseja medir TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

22 Tipos de termopares 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares
TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

23 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares
A princípio, um termopar pode ser confeccionado com dois metais diferentes quaisquer, entretanto, devido a uma série de fatores (contaminação, custos, repetibilidade, ponto de fusão, homogeneidade, facilidade de produção, fácil soldagem, etc.), são oferecidas algumas combinações padrões. TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

24 Gráfico f.e.m X temperatura
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares Gráfico f.e.m X temperatura TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

25 9.3.2.3 - Características dos termopares
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares Características dos termopares Uma grande vantagem do termopar é o fato de o diâmetro e o comprimento do fio não interferir no potencial gerado. Devido ao fato da temperatura indicada por um sistema de termopares ser somente a da junção entre os dois metais diferentes, o sistema pode ser utilizado para tomar a temperatura de uma área muito pequena Seu tamanho compacto também significa uma pequena inércia térmica e uma resposta rápida as variações de temperatura TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

26 Esquema de um sistema de medição usando termopar
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares É necessário garantir que a junção de medição esteja numa condição isotérmica, daí a importância de imergir o termopar a uma profundidade adequada. Pelo fato do sensor responder a um gradiente de temperatura, ele deve ser conectado a dois sistemas físicos em duas temperaturas diferentes A junção de referência deve ser isotérmica para propiciar uma temperatura conhecida e auxiliar na obtenção de uma interface do sinal, que isola o sensor da instrumentação. Esquema de um sistema de medição usando termopar TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

27 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares
Os fios de transmissão do sinal da junção de referência até o instrumento estão freqüentemente em um meio mais controlado do que aquele de outros sensores de temperatura, especialmente se a junção de referência estiver dentro do instrumento. Se o instrumento for um voltímetro, a interpretação dos dados requererá informação extra a respeito da temperatura de referência e da tabela do termopar, caso contrário esta informação pode estar incluída no instrumento e a temperatura ser indicada diretamente. TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

28 Circuitos de medição com termopares
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares Circuitos de medição com termopares TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

29 Formas de par termelétrico e tipos de junção
9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares (a) união de arame nu simplesmente soldado (b) par termelétrico no qual os dois arames estão soldados formando uma gota (c) a junção entre os dois condutores está totalmente isolada (d) o condutor interno soldado no tubo protetor, esta união forma o par termelétrico Formas de par termelétrico e tipos de junção TM Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

30 9.3 – Termômetros de Radiação
Todos os métodos de medida de temperatura discutidos até então requeriam que o termômetro estivesse em contato físico com o corpo cuja temperatura se quer medir. Além disso, a temperatura era medida quando o elemento sensor atinjia a condição “idealizada” de equilíbrio térmico com o corpo ou sistema que se mede.

31 Isto implica em: 1- o termômetro interfere com o meio que se mede, afetando sua temperatura, isto é, a temperatura medida nunca é a real 2- que o termômetro deve ser capaz de suportar a temperatura envolvida em uma dada medição, o que efetivemente representa outro problema prático muito grande no caso da medição de temperatura de corpos muito quentes.

32 Um terceiro tipo de problema acontece quando deseja-se medir a temperatura de um corpo, ou superfície móvel, e o termômetro não está “embarcado”. Isto é, como medir a temperatura de corpos sólidos em movimento, usando sensores de contato externos ao sistema em movimento? Neste caso, dispor-se de um método de medida que não requer contato físico (medição sem interferência) é fundamental. Este tipo de termômetro pode também ser usado para realizar uma varredura da distribuição de temperatura do corpo sem contato ou interferência.

33 Câmeras térmicas

34 Os instrumentos desenvolvidos para se resolver problemas desse tipo, medir sem interferir, medir temperaturas elevadas e medir objetos em movimento, à distância, empregam sensores de radiação de uma forma ou de outra. Porém, antes de discuti-los é conveniente revisar os conceitos básicos de radiação. Radiação é emissão de energia pela matéria e seu transporte não exige a presença de qualquer meio material. Com relação à natureza deste transporte, sabe-se que a Mecânica Quântica prevê que a radiação é dual, isto é, pode ser tratada como onda, propagação de ondas eletromagnéticas e, ao mesmo tempo, propagação de matéria, as partículas denominadas de fótons.

35 A radiação térmica se distingue de outros tipos de radiação, como ondas de rádio e raios-x, pelo fato destas não se propagarem como conseqüência da temperatura do corpo. O espectro, isto é, a banda de comprimento de ondas, ou frequências, da radiação térmica vai de 0,1 μm a 100 μm (3 x 1015 Hz e 3 x 1012 Hz, respectivamente). A banda entre 0,4 microns (4,28 x 1014 Hz) e 0,7 microns (7,5 x 1014 Hz) é o espectro visível. Entre os limites de comprimento de onda de 0,7 microns a 0,4 microns estão as cores extremas vermelha e violeta.

36

37 Velocidade da luz (m/s) Comprimento de onda (m) = Frequência (Hz=1/s)

38

39 Calor ou ondas infra-vermelho
Escala de ondas eletromagnéticas (fótons) Oitava (n) Hz (1/s) wavelenght (m) wavelenght (nm) wnumb (cm-1) 41 1,364E-04 73 Calor ou ondas infra-vermelho 42 6,821E-05 68.212 147 43 3,411E-05 34.106 293 44 1,705E-05 17.053 586 45 8,527E-06 8.527 1.173 46 4,263E-06 4.263 2.346 47 2,132E-06 2.132 4.691 48 1,066E-06 1.066 9.382 49 5,329E-07 533 18.765 Luz visível 50 2,665E-07 266 37.530 51 1,332E-07 133 75.060 Ondas ultra-violetas 52 6,661E-08 67 53 3,331E-08 33 54 1,665E-08 17 55 8,327E-09 8 56 4,163E-09 4

40 A emitância espectral de um corpo negro é dada pela lei de Planck :
O radiador térmico ideal é chamado de corpo negro. Este corpo absorveria toda a radiação nele incidente e, para uma dada temperatura, emitiria o máximo possível de radiação térmica. A emitância espectral de um corpo negro é dada pela lei de Planck : E,b(,T) = A emitância espectral (intensidade da radiação hemisférica) [W/m2.m] C1 = 2hc = 3, [W.m4/m2] C2 = hc/k = 1, [m4/K]  = Comprimento de onda da radiação [m] T = Temperatura absoluta do corpo negro [K]

41 A quantidade E,b é a radiação emitida por uma superfície plana para o hemisfério (isto é, 180º sobre ela) por unidade de comprimento de onda, no comprimento de onda . Ou seja, um corpo negro a uma certa temperatura emite alguma radiação por unidade de comprimento de onda em todos os comprimentos de onda de zero ao infinito, mas não a mesma quantidade de radiação em cada comprimento de onda.

42 A figura abaixo mostra a emitância espectral do corpo negro, para algumas temperaturas inferiores a 6000 ºC.

43 Podem ser observadas algumas características importantes:
1. A radiação emitida varia continuamente com o comprimento de onda. 2. Em qualquer comprimento de onda, a intensidade da radiação emitida aumenta com o aumento da temperatura. 3. As curvas exibem picos (intensidades máximas de radiação) em certos comprimentos de onda, sendo que estes picos se deslocam para a esquerda (comprimentos de onda menores) à medida que a temperatura aumenta. 4. A área sob cada curva é a emitância total do corpo negro, que aumenta rapidamente com o aumento da temperatura.

44

45 A lei do deslocamento de Wien, o deslocamento do pico da deistibuição da emitância espectral, permite calcular o comprimento de onda correspondente à intensidade de radiação máxima, max , para uma dada temperatura. O deslocamento destes pontos de máximo explica a mudança na cor de um corpo ao ser aquecido. Primeiramente o corpo se torna vermelho escuro, depois laranja e então branco.

46 A radiação térmica total emitida pelo corpo negro é dada por
(Lei de Stefan-Boltzmann)

47 Embora o corpo negro seja uma idealização física e matemática, é possível construir radiadores reais cujo comportamento se aproxima muito do comportamento do corpo negro. Estas fontes de radiação são necessárias para a calibração de medidores de temperatura por radiação. Por outro lado, os corpos cuja temperatura deseja-se medir no dia-a-dia podem desviar-se substancialmente do comportamento do corpo negro.

48 A razão entre as emitâncias real e de corpo negro é o que se denomina de emissividade do corpo real.
Vários tipos de emissividade foram definidos, em função de interesses específicos. A emissividade pode ser espectral hemisférica, total, hemisférica seletiva, etc. A definição mais básica é a da emissividade espectral hemisférica, E,T, de um corpo real à temperatura T. Admitamos que ela possa ser medida utilizando filtros, de modo a que somente a emitância em um comprimento de onda se propague. São os chamados filtros ópticos seletivos. A emissividade espectral hemisférica é definida por:

49 Portanto, a emissividade é uma quantidade adimensional, sempre menor do que 1,0 para corpos reais.
Note também que, no caso mais geral, é função de  e T . (eventualmente, numa pequena faixa limitada de  e T, pode ter valor semelhante e constante, mas não é o caso geral).

50

51 Como muitos sensores de radiação operam em faixas restritas de comprimentos de onda, define-se a emissividade hemisférica seletiva (hemispherical band emissivity).

52

53 Se um sensor de radiação tiver sido calibrado contra um corpo negro, o conhecimento do valor correto da emissividade do corpo não-negro cuja temperatura se quer medir permite o cálculo da sua emitância total e, portanto, da sua temperatura:

54 Infelizmente, a emissividade de um material não é uma propriedade simples de ser obtida já que depende do tamanho do corpo, formato, rugosidade, ângulo de observação, etc. Estes fatores levam a incertezas nos valores numéricos da emissividade que são um dos maiores problemas nas medidas de temperatura com sensores de radiação.

55 Quando a radiação térmica incide sobre uma superfície, ela pode ser absorvida, refletida ou transmitida. As propriedades correspondentes a estes fenômenos são a absortividade, , a refletividade, , e a transmissividade, , relacionadas por :

56 Para a maioria dos corpos sólidos  = 0, de modo que
Para uma superfície cinzenta, pode-se mostrar que

57 Quando  e/ou  for diferente de zero, erros de medida podem ocorrer.
Os sensores de radiação comerciais normalmente incluem um ajuste para a emissividade com uma faixa de variação de 0,2 a 1,0. Portanto, se a emissividade do material for conhecida, pode-se corrigir a medida facilmente. A técnica mais confiável para a determinação da emissividade para este fim requer a calibração do sensor de radiação através de medidas independentes da temperatura do corpo, por exemplo por meio de um termopar. Uma vez que a emissividade pode variar com a temperatura, esta calibração deve ser feita em toda faixa de temperaturas de aplicação do instrumento.

58

59 Uma outra fonte de erro nas medidas são as perdas de energia ao se transmitir a radiação do objeto ao detector. Geralmente, o caminho óptico consiste de algum gás (normalmente ar) e vários tipos de lentes. No ar atmosférico, a atenuação da radiação é devida principalmente à absorção pelo vapor d’água, dióxido de carbono e ozônio bem como pelo espalhamento causado por partículas de poeira e gotículas d’água.

60 Como estes efeitos dependem do comprimento de onda, um sensor de radiação pode ser projetado para operar dentro de faixas de comprimento de onda não afetadas. Entretanto, uma vez que as perdas radiantes dependem diretamente do caminho óptico atravessado, não é possível calibrar o sensor para uso em aplicações diversas.

61 Tendo estudado os fundamentos da radiação, podemos agora estudar técnicas específicas de medida da temperatura de um corpo pela medida da radiação por ele emitida. Estas técnicas podem ser divididas em dois grupos: pirometria óptica; determinação da emitância.

62 Seja primeiramente a medida da temperatura por meio da pirometria óptica.
A figura a seguir mostra esquematicamente o pirômetro óptico de filamento, que é a forma clássica deste tipo de instrumento. Trata-se do “termômetro de radiação” mais preciso, sendo usado na elaboração da Escala Prática Internacional de Temperaturas para medidas acima de 1063 °C.

63 O pirômetro óptico ou termômetro de brilho de radiação monocromática, como é também chamado, baseia-se no princípio de que, para um dado comprimento de onda , a intensidade da radiação (“brilho”) varia com a temperatura conforme vimos. Assim, a imagem do objeto alvo é superposta sobre aquela do filamento de tungstênio aquecido.

64 Esta lâmpada de tungstênio, que é muito estável, é calibrada previamente de modo que, conhecendo-se a corrente através dela, a temperatura do filamento pode ser determinada facilmente. Esta calibração é feita comparando-se visualmente o brilho da radiação de um corpo negro de temperatura conhecida com o bulbo do filamento.

65 Um filtro vermelho, que deixa passar somente comprimentos de onda em uma faixa muito estreita em torno de 0,65 μm, é colocado entre o observador e as imagens do filamento e do objeto alvo. A função deste filtro de absorção é reduzir a intensidade da radiação incidente de modo que a lâmpada possa ser operada a baixas potências. O filtro monocromático auxilia ainda o operador a comparar os brilhos do filamento e do objeto já que elimina os efeitos de cor. O observador ajusta então a corrente na lâmpada até que imagem do filamento desapareça sobre a imagem do objeto alvo, condição em que a temperatura do filamento é comparada à do objeto.

66

67 Neste ponto, deve-se ressaltar que se o objeto alvo for um corpo negro (e = 1), não há erro na medida já que o filamento foi calibrado contra um corpo negro de temperatura conhecida. Entretanto, para corpos não-negros deve-se conhecer e a fim de se corrigir a leitura. Os erros causados pela imprecisão em e não são muito grandes para um pirômetro óptico relativamente a outros “termômetros de radiação” pelo fato deste instrumento ser sensível a apenas uma faixa estreita de comprimentos de onda. Isto é, é necessário conhecer a emissividade do corpo apenas nesta faixa de comprimentos de onda, o que reduz a incerteza.

68

69 O segundo grupo de técnicas de medida envolve a determinação da radiação total emitida pelo corpo (e então chama-se de método de determinação da emitância) e o cálculo da sua temperatura. Portanto, é necessário mais uma vez conhecer a emissividade do objeto. A temperatura aparente de corpo negro do objeto medido é calculada fazendo-se  = 1, isto é :

70 Há vários métodos para se medir a radiação térmica emitida por um corpo.
Em todos eles, a radiação emitida é focada sobre algum tipo de detector de radiação que produz um sinal elétrico. Estes detectores podem ser classificados como detectores de fótons (um CCD, Charged Coupled Device, por exemplo, tão usado hoje em dia em câmeras digitais) ou térmicos.

71 Em suma, a radiação incidente (fótons) libera elétrons na estrutura do detector e produz um efeito elétrico mensurável. Este fenômeno ocorre em uma escala de tempo atômica ou molecular, contrariamente à escala de tempo macroscópica envolvida nos fenômenos de aquecimento e resfriamento de detectores térmicos. Como conseqüência, é possível obter tempos de resposta muito mais curtos. Por outro lado, os detectores de fótons têm uma sensibilidade variável com o comprimento de onda. Isto é, devem ser fabricados e aplicados para aplicações específicas.

72 A determinação da emitância pode ocorrer também através do efeito direto de aquecimento de uma superfície. Aí temos os detectores térmicos, como os pireliômetros (radiação solar direta), os piranômetros (radiação total, direta mais difusa), os pirgeômetros (radiação infravermelha), os bolômetros, entre outros.

73 9.4 - APLICAÇÃO DOS TERMÔMETROS

74