MEDIDORES DE TEMPERATURA

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1 MEDIDORES DE TEMPERATURA

2 Exemplo de Temperaturas Típicas
FENÔMENO TEMPERATURA Temperatura mínima alcançada pela evaporação rápida do hélio à pressão de 0,01 mm de Hg 0,71 K Mistura NaCl + gelo -21o C Chama de bico de Bunsen com gás natural 1800o C Chama de oxiacetileno 2200o C Temperatura do filamento de tungstênio de uma lâmpada incandescente de média potência 2800o C Ponto de fusão do molibdênio 2570o C Ponto de fusão do tungstênio 3380o C Arco elétrico de solda 4800º C Arco elétrico sob pressão Até 7300o C Fotosfera solar 5700o C Explosão de um fio metálico por meio de uma descarga elétrica 10000o C

3 métodos de determinação de temperatura
Faixa de abrangência dos principais métodos de determinação de temperatura Método Faixa oC oF Termopares a a Termômetros de bulbo preenchidos a a Termômetros de resistência a a Termístores a a Pirômetros de Radiação a a

4 Caracteristicas gerais de alguns elementos sensores de temperatura

5 Caracteristicas gerais de alguns elementos sensores de temperatura

6 Sem mudança de estado físico
Modalidade de Sensores – Quanto ao Princípio de Funcionamento Expansão de um fluido – Sem mudança de estado físico Leitura (direta) da altura da coluna líquida Corpo - vidro Fluidos de preenchimento : mercúrio, álcool ou tolueno (para temperaturas baixas), mais freqüentes. Outros: água, querosene, mais raramente Quanto à calibração podem ser; de imersão total ou parcial (referência na haste) Termômetros de Pressão – Classes I, II, III e V) Medida (indireta) da pressão gerada, ou do deslocamento do fluido.

7 Classes I e V - Totalmente preenchido com líquidos
Componentes Básicos: Um Bulbo, um Capilar , (um Bourdon, Fole ou Diafragma), e um Elemento de transdução (leitura, registro ou controle) Tipos de termômetros de pressão Classes I e V - Totalmente preenchido com líquidos Fluidos Classe I - : Querosene (-50 a º C) Etilbenzeno (-85 a º C) Éter etílico +20 a 90 oC Naftaleno (-15 a º C) Etanol (-130 a +50 º C) Xileno -40 a 400 oC Classe IV, somente com mercúrio

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10 Identificação complementar
Letras A e B, (exceto para os de classe II), identificam se o dispositivo tem compensação total para correção de temperatura (A), ou (B) se parcial. Sub-classes presentes nas classes, I, III e V. Compensação total – IA, IIIA e VA Corresponde à presença de um conjunto similar, acoplado ao conjunto, de medição exceto bulbo, estando este conjunto sujeito à temperatura do ambiente. Compensação parcial –IB, IIIB e VB Apenas um compensador, baseado na dilatação de um conjunto bimetálico, corrige os efeitos da variação de temperatura sobre o sistema metálico elástico (espiral ou bourdon). Na classe II, as letras identificam o termômetro segundo a faixa de operação tendo como referência à temperatura ambiente. A - acima da temperatura ambiente B - abaixo “ “ “ “. C - abaixo e acima da ambiente D - abaixo, ambiente e acima.

11 Classe II – Parcialmente preenchido
Classe II A - Um líquido volátil e vapor do mesmo líquido Classe II D - Preenchidos parcialmente com um fluido incompressível, (capilar e fundo do bulbo), restante do bulbo líquido volátil responsável pelo deslocamento do fluido no capilar. Fluidos voláteis : Água (+100 a º C) Ácetona (+ 65 a 200 º C) Éter etílico (+ 40 a 185 º C) Tolueno ( a º C) Cloreto de metila (-10 a º C) Butano (- 5 a 150 º C) Propano (-40 a + 70 º C).

12 Classe III - Com um gás sob pressão
Fluidos: Hélio (-195 a º C) Nitrogênio (-130 a º C) Argônio (+ 470 a º C). O fluido ao dilatar-se atua um dispositivo elástico, tipo bourdon, por exemplo. Existem ainda outros dispositivos para determinação de temperatura, os quais se baseiam na mudança de estado físico (fusão, cor, etc, muitos destes descartáveis. (One way)).

13 Bulbos com diferentes fluidos de preenchimento
Líquido volátil Vapor Gás Líquido não volátil do líquido volátil (III) ( II D ) (II A) T1 T2 T1 T2

14 Termômetros de classes I , III e V,
Sensores preenchidos com líquidos ( FTS) – Filled Thermal systems Compensação para o capilar Compensação com bimetal Elemento de Compensação de movimento bulbo bulbo Compensação total Compensação na carcaça (Parcial)

15 Classe I Classe II Classe III Classe V
Características gerais dos termômetros de pressão Classe I Classe II Classe III Classe V Enchimento Xileno sobre pressão Líquido volátil Gás inerte pressão moderada Mercúrio a alta pressão inicial Escala Volume do bulbo Material do bulbo Limite inferior da faixa Limite superior da faixa Faixa comercial máxima Faixa comercial mínima Uniforme Pequeno Inox, latão e níquel -100 oC 400 oC 330 oC 22 oC Não Uniforme Médio Inox, latão e Bronze -180 oC 379 oC 160 oC 50 oC Grande Aço, latão , níquel e bronze -240 oC 540 oC 550 oC Inox -38 oC 25 oC Coeficiente de atraso Circulação rápida Circulação lenta Água Ar 6 s s 20 s s Água Ar 4 s s 14s s Água Ar 7s s 22s s Água Ar 5 s s 17s s

16 Resumo da classificação de termômetros de bulbo de pressão
Classificação de termômetros de pressão ( preenchidos com fluido) FTS( filled thermal systems) Prefixo sufixo Descrição I Bulbo com qualquer líquido exceto mercúrio (variação de volume) A Com compensação total B Com compensação apenas na carcaça II Líquido volátil – (variação da pressão) de vapor Projetado para operação acima da temperatura ambiente Projetado para operação abaixo da temperatura ambiente C Projetado para operação abaixo e acima da temperatura ambiente, (s/ambiente) D Projetado para operar desde abaixo até acima da temperatura ambiente III Bulbo preenchidos com gás (variação da pressão) V Bulbo preenchidos com mercúrio (variação de volume)

17 TERMÔMETROS BIMETÁLICOS
Usados na maioria das vezes apenas para indicação As ligas mais empregadas: Metal de baixo coeficiente de dilatação INVAR Metais de elevado coeficiente de dilatação Latão ou ligas de níquel PONTEIRO Helicóide bimetálico BUCHA Espiral simples Helicoidal múltipla Haste Helicóide simples

18 Termopares Características: Baseiam-se nos efeitos SEEBECK - (1821)
f.e.m. gerada Proporcional a diferença de temperatura Função da composição dos metais que formam o termopar Características: Baixo custo, precisos, estáveis e atendem ampla faixa de operação, temperaturas elevadas e reduzidas (criogênicas) Temperatura de referência – junta fria (0 º C) Formas de correção da temperatura: Resistência compensadora de ajuste (interna) do circuito da ponte) Inserção da junta fria em banho de gelo Medição e correção da temperatura via tabela

19 Junção quente + - Junção fria Banho de gelo ( 0 ° C )

20 Curva de tensão x temperatura para diferentes termopares

21 Intervalo de temperatura
TIPOS DE TERMOPARES Composição, intervalo de temperatura e fem para termopares padrão Tipo Composição Intervalo de temperatura oC Força eletromotriz mV* B Platina /6% Ródio x Platina /30% Ródio 0 a 1820 -50 a1768 -50 a 1768 -210 a 760 -270 a 1372 -270 a 400 -270 a 1000 0 a 13814 R Platina x Platina /13% Ródio -0,226 a 21108 S Platina x Platina /10% Ródio -0,236 a 18698 J Ferro x Constantan -8,096 a 42922 K Cromel x Alumel -6,458 a 54875 T Cobre x Constantan -6,258 a 20869 E Cromel x Constantan -9,835 a 76358 * Valores com referência a junção fria a zero grau. Limitações de condições ambientais de uso para diferentes termopares sem proteção Tipo Atmosfera oxidante redutora inerte Vácuo sulfurosa Temperatura abaixo de zero Vapores metálicos B OK No OK*2 R S J No*3 K OK*1 T E OK*4 *1 Melhor que os termopares tipo E, J ou T, para temperatura acima de 550o C * 2 Para reduzido período de exposição * 3 Não maior que 500o C * 4 Mas satisfatório para temperaturas abaixo de zero.

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24 Outras ligas mais recentes
Tipo N – nicrosil /nissil desempenho similar ao tipo K Tipo Y – similar ao tipo J , opera em temperatura um pouco superior ao tipo J Cobre /Ouro-Cobalto - ideal para temperaturas criogênicas Ouro-Ferro /Cromel pode operar até próximo o zero absoluto Liga de Tungstênio / Rhenio - para elevadas temperaturas até 2300°C, se intermitente 2800°C

25 Faixa de temperatura de operação para diferentes tipos de termopares

26 Formas construtivas de termopares
Quanto ao isolamento, o terminal quente podem apresentar-se: Com proteção de vidro Anéis de material cerâmico Cerâmica compactada a base de óxidos; de Alumínio, de Magnésio, de Berílio, etc, Ou nus no interior de um poço metálico. Montagem em relação a bainha - corpo metálico Soldada a carcaça (ao poço) Isolada da carcaça Exposta, isto é, em contato direto com o fluido quente. Configuração final do conjunto termopar Isolamento e poços cerâmicos Conexão flangeada Conexão rosqueada, etc.

27 Diferentes formas de junção
Configuração final do conjunto termopar Bainha metálica Isolamento cerâmico Terminal quente isolada Fios do termopar Terminal quente aterrado Terminal quente exposto -nú

28 Terminais de ligação de termopares

29 Ligação entre termopares
Em série Soma-se a ddp. Ligação em paralelo Obtem-se valor médio da temperatura Ligação em oposição Tem-se a diferença de temperatura entre dois termopares Fios de extensão - (mesma liga) Fios de compensação, ligas menos nobres ( para termopares mais nobres), porém com comportamento termoelétrico similar na temperatura de operação.

30 - - - + + + Arranjo de termopares Paralelo Em oposição “Diferencial”
(DDP resultante Σ/n) - + Em oposição “Diferencial” Série ( DDP resultante Σ )

31 Codificação de fios de extensão e de compensação
Termopar ANSI DIN BS JIS Americana Alemã Britânica Japonesa FIO/CABO CAPA + - B COMPENSAÇÃO ------ ---- --- E EXTENSÃO ----- J K k R S T

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33 Disposição de termopares em um circuito
Um termopar, fazendo parte de uma ponte de Wheatstone pode ser ligado: A dois fios Circuito mais simples. Nesta forma de montagem é desconsiderada a influência da variação da resistência dos fios de conexão do elemento sensor ao dispositivo de medida.

34 A três fios Tanto o condutor que alimenta a ponte, quanto o outro que conduz a resistência que equilibra a ponte são estendidos até o corpo do dispositivo onde se encontra a resistência (“medidora”), aquela que estará submetida à variação de temperatura. Desta forma o fio conector da resistência de equilíbrio uma vez sujeito também ao efeito térmico, mudará seu valor de resistividade, esta por sua vez será computada ao ramo da resistência de equilíbrio, desta forma compensando a resistência do condutor. Esta configuração possibilita o emprego de fios longos desde que se empreguem fios idênticos e de comprimentos iguais.

35 A quatro fios Esta forma de ligação não se aplica em instalações industriais sendo mais empregada para fins de calibração em laboratórios. São necessárias duas determinações e a execução de um cálculo para daí obter-se o valor da medida.

36 Termômetros de resistência –RTD-
Variação da resistência ôhmica pela mudança na temperatura. Classe de resistores Metais - Faixa de operação de -250 a 850° C Platina, Cobre, Níquel, - neste grupo, a resistência aumenta com o aumento da temperatura. Configuração : fio de resistência envolto por bainha de vidro, aço inoxidável, ou mesmo cerâmica. Eventualmente pode estar o metal na forma de fita ou mesmo um filme de reduzida espessura depositado em suporte isolante. RTD padrão - PT 100 ( 100 Ω a 0°), outros PT 500, PT 1000,… Variação da resistência com a temperatura - Equação de Callendar e Van Dusen De -200ºC a 0ºC De 0ºC a 630ºC

37 Limites de Erros normalizados para os Pt 100
Classe A Classe B

38 Cerâmicas semicondutoras – Termistores
Misturas a base de óxidos metálicos (Mn, Co, Ni, etc), podendo ainda serem dopados com gálio ou silício. Também os titanatos apresentam características semicondutoras Faixa de operação dos Termistores, de a º C. Característica: Apresentam elevada variação de resistência com a temperatura Tipos: NTC – Negative Termal Coeficient Resistência decresce com o aumento da temperatura PTC – Positive Termal Coeficient Resistência aumenta com o aumento da temperatura Obs. Estes sensores, apesar de boa precisão (na ordem de 0,5 %) necessitam de freqüente aferição.

39 Bainha de vidro Bainha de cerâmica Termômetros de resistência
Termistor

40 SENSORES BASEADOS EM RADIAÇÃO
PIRÔMETROS Intrumentos baseados na intensidade total de radiação emitida por um corpo em uma faixa particular de comprimento de onda. O princípio de aplicação é regido pela lei de Stephan-Boltzmann. A intensidade de radiação emitida pela superfície de um corpo aumenta proporcionalmente com a 4a potência da temperatura absoluta. temperatura grau Kelvin emissividade do corpo, constante de Stephan-Boltzman , Faixa espectral empregada Infravermelho de 0,72 a 100 µm Radiação térmica de 0,1 a 100 µm . Visível de 0,3 a 0,72 µm

41 Espectro eletromagnético
Faixa de aplicação de pirômetros Alta energia Baixa energia Espectro visível 400 nm 700 nm

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43 109 (tera) espectro Rádio microondas Infra vermelho visível
ultravioleta Raios X Raios gama Frequência (Hz) 109 (tera) 1012 (Giga) 1012 1016 Comprimento de onda 3x10-1m 3x10-4m 300μ 0,7 a 0,4 μ 3x10-2μ 300 A0 <10-1Ao Energia (eV) <10-5 10-5 a 10-2 10-2 a 2,0 2 a 3 3 a 103 103 a 105 >105

44 Tipos de pirômetros: Pirômetros óticos Compara a intensidade de radiação a uma fonte de referência. Opera com radiação no espectro visível. Para medidas acima de 500o C (mínimo) até 2900 o C. Contendo filtros especiais pode–se medir até 5500 o C. Um filtro monocromático de radiação 1,65 µm (radiação vermelha) facilita o processo de comparação.

45 Pirômetro infravermelho - Radiação total -
Mede radiação em todos os comprimentos de onda Faixa de operação 0 ºC a ºC Região do espectro: de 0,3 a 20 µm (do visível ao infravermelho próximo) Fontes de erro de medida, função da : Emissividade do corpo, forma, tipo de superfície Interferência do meio, corpos vizinhos Material de construção do dispositivo ótico/faixa de temperatura medida,etc Ex. Janela de abertura espectral para o vidro < 2,8 μm quartzo < 4,0 μm fluoreto de cálcio < 10 μm iodeto de tálio < 30 μm Filtro ótico 7,7 μm reduz a influência da radiação solar quando medida temperatura de corpos quentes no meio ambiente

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48 Pirômetro infravermelho

49 Pirômetro de banda Pirômetro de razão
Tipos de pirômetros infravermelho Pirômetro de banda Utiliza-se de filtro ótico e opera sobre uma banda selecionada de comprimento de onda. É usado para medir temperatura de materiais transparentes, onde a emissividade é alta somente em determinadas temperaturas. Pirômetro de razão Mede a intensidade em dois comprimentos de onda e usa a razão entre as duas medidas, calculando daí a temperatura do objeto. Desta forma elimina possíveis interferentes presentes entre o objeto e o pirômetro (fumaça, poeira, etc.) que possam absorver ou emitir radiações em outras faixas, minimizando assim erros de medida.

50 Radiância espectral

51 Banda 1 Banda 2

52 COMPONENTES DE UM PIRÔMETRO
Sistema ótico Lentes convergentes ou espelho côncavo - coleta e converge o feixe ótico ao detector. Detetor – sistema sensor de radiação Converte a radiação em sinal elétrico Sistema elétrico Sistema de indicação. Categoria de detectores Detectores Quânticos (fotodetetores) A radiação incidente, causa mudança nas propriedades elétricas do material conduzindo á um efeito elétrico mensurável. Apresentam constante de tempo na ordem de 1ms.

53 Tipos de detectores quânticos
Fotovoltaico (emprega fotodiodos) Uma diferença de potencial é gerada entre duas camadas de materiais semicondutores diferentes, componentes de uma célula fotoelétrica quando exposta à radiação. Sensibilidade Cobre as regiões do infravermelho próximo , visível e ultravioleta próximo Exemplos de materiais componentes de células fotoelétricas: Silício amorfo, monocristalino e policristalino, arseneto de gálio, Seleneto de cobre e indio, telureto de cádmio e CIGS2 (Cu, In, Ga e Se2 ), componentes estes usado também em monitores de plasma e LCD.

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55 Fotocondutivos (foto-resistivos):
A radiação é medida pela variação da resistência. É sensível na região espectral do infravermelho Apresentam uma resistência elétrica que varia com o nível de radiação incidente: Composição: Sulfeto de chumbo (PbS) e seleneto de chumbo (PbSe). Desvantagem : requerem resfriamento Materiais de composição, metais alcalinos Obs. Diferente do efeito fotoelétrico não ocorre energia suficiente para liberar eletrons, apenas para levá-los da banda de valência para a banda de condução

56 Fotoeletromagnéticos
Utiliza o efeito Hall, Uma diferença de potencial é desenvolvida através das extremidades de um cristal semicondutor sujeito a um intenso campo magnético.

57 Efeito Hall Quântico Quando ainda era um jovem estudante, em 1879,  Edwin H. Hall descobriu um fenômeno inesperado. Ele observou que se uma placa fina de ouro for colocada em um campo magnético perpendicular à sua superfície, uma corrente elétrica fluindo ao longo da placa pode causar uma diferença de potencial em uma direção perpendicular tanto ao campo magnético quanto à corrente (veja a figura 1). Este fenômeno, chamado de efeito Hall , acontece porque as partículas eletricamente carregadas (neste caso, elétrons) movendo-se em um campo magnético são influenciadas por uma força e defletidas lateralmente. Fig. 1. Uma voltagem V dá origem a uma corrente I na direção positiva de  x. A resitência ôhmica é  V / I. Um campo magnético na direção positiva z deflete os portadores de carga positiva na direção negativa de  y. isto gera um potencial de Hall  ( VH ) e uma resitência de  Hall (VH / I ) na direção de y. 

58 Legenda: 1. Elétrons (não a corrente convencional. ) 2
Legenda: 1. Elétrons (não a corrente convencional!) 2. O elemento Hall, ou sensor Hall 3. Imãs 4. Campo magnético 5. Fonte de alimentação Descrição: Na figura "A", o elemento Hall recebe uma carga negativa na extremidade superior (simbolizado pela cor azul) e uma positiva na extremidade inferior (cor vermelha). Em "B" e "C", tanto a corrente elétrica ou o campo magnético são revertidos, causando a polarização reversa. Invertendo ambas corrente e campo magnético (figura "D") faz com que o elemento Hall novamente assuma a carga negativa na extremidade superior. Diagrama do efeito Hall, mostrando o fluxo de elétrons.

59 Termopilhas –associação de termopares
Detectores Térmicos Respondem a energia de todo espectro. São elementos enegrecidos projetados para absorver o máximo da radiação incidente em todos os comprimentos de onda. A radiação absorvida aquece o detector até estabilização térmica. A temperatura é medida empregando-se termômetros de resistência, ou termopilhas (associação de termopares) acoplados ao sensor. O tempo de resposta é relativamente grande, entre 1 a 2 s. Tipos : Termopilhas –associação de termopares De resistência (se metais“bolômetros “ , se semicondutores, termistores) Podem ser fios ou mesmo filmes metálicos ou termistores, estes, composto de óxidos semicondutores de Ni, Zn e Co. Em geral os sensores térmicos não precisam de resfriamento e têm menor custo.

60 Piroelétricos: Formação de potencial elétrico devido ao aquecimento. Este fenômeno está presente em alguns minerais como quartzo e turmalina. Os materiais piroelétricos apresentam algumas vezes características piezelétricos. Os dois fenômenos estão relacionados. Exemplo de materiais piroelétricos artificiais: nitrato de césio (CsNO3), nitreto de gálio (GaN), polifluoreto de vinila e alguns outros compostos orgânicos. Obs. Com a incidência da radiance, o consequente aumento da temperatura, gera uma mudança discreta na carga elétrica superficial do elemento. Este funciona então de forma equivalente a um capacitor.

61 Algumas leis dos termopares
Lei dos condutores intermediários: Se todas as junções em um determinado ponto dos condutores estiverem a mesma temperatura, não haverá alteração na ddp. Conseqüência, pode-se desta forma fazer a junção dos fios do termopar (terminal quente) através do contato com o poço. Obs. Não necessariamente ligados os fios diretamente entre si. Redução do tempo de resposta, melhorando assim a condução térmica), OBS. Avaliar o risco ao aterramento da malha) se o poço ficar eletricamente isolado, ótimo.

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63 Efeito Peltier (bomba de calor)
Efeito Thompson Na ausência de corrente, a temperatura em diferentes pontos dos condutores de um termopar, gera um gradiente de temperatura.

64 Referido em http://www.las.inpe.br/~cesar/ Infrared/detectores.htm
Tabela 1 – Espectro Eletromagnético Região Tipo Faixa de Frequê ncia (Hz) Rádio Frequência Freq. Muito Baixas Hz Freq. Baixas 300 Hz kHz Freq. Altas - Ondas Curtas 300 kHz MHz Freq. Muito Altas (VHF, UHF, SHF) - TV 30 MHz GHz Microondas 30 cm - 1 mm / 1 – 300 GHz Infravermelho Freq.: 100 GHz – 100 THz Compri mento de onda Muito Distante (XIR) 1000 – 15 mm Distante (FIR) mm Médio (MIR) 6 - 3  mm Próximo (NIR)   m m   Visível Freq.: > 200 THz Vermelho nm Laranja nm Amarelo nm Verde nm Azul nm Violeta nm   Ultravioleta Freq. : Hz UV-A (Pouco Nocivo) – Luz Negra nm UV-B (Nocivo, Absorvido por ozônio) nm UV-C (Muito Nocivo, Absorvido pelo Ar) nm Raios-X Hz m Raios Gama Hz m Tabela 1 – Espectro Eletromagnético Região Tipo Faixa de Frequência (Hz) Rádio Frequência Freq. Muito Baixas Hz Freq. Baixas 300 Hz kHz Freq. Altas - Ondas Curtas 300 kHz MHz Freq. Muito Altas (VHF, UHF, SHF) - TV 30 MHz GHz Microondas 30 cm - 1 mm / 1 – 300 GHz Infravermelho Freq.: 100 GHz – 100 THz Comprimento de onda Muito Distante (XIR) 1000 – 15 mm Distante (FIR) mm Médio (MIR) 6 - 3  mm Próximo (NIR)   mm   Visível Freq.: > 200 THz Vermelho nm Laranja nm Amarelo nm Verde nm Azul nm Violeta nm   Ultravioleta Freq. : Hz UV-A (Pouco Nocivo) – Luz Negra nm UV-B (Nocivo, Absorvido por ozônio) nm UV-C (Muito Nocivo, Absorvido pelo Ar) nm Raios-X Hz m Raios Gama Hz m

65 Região do espectro Tipo Frequência GHz Comprimento de onda (1 – 300)
Frequência(Hz) Rádio Frequência Muito Baixas Hz Baixas 300 Hz kHz Altas (Ondas Curtas) 300 kHz - 30 MHz Muito Altas (VHF, UHF, SHF) - TV 30 MHz - 30 GHz Região do espectro Tipo Frequência GHz Comprimento de onda Rádio Frequência Microondas (1 – 300) 30 cm - 1 mm

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67 http://www.eeel.nist.gov/812/effe.htm …………………… sobre o (efeito Hall)
Selecting temperature sensors, Chemical engineering, august 1983 outros, termopares Sensores diversos …………………… sobre o (efeito Hall) Infrared/detectores.htm

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