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Medição de temperatura SM 2

Termômetro O primeiro termômetro foi inventado por Galileu no início do século XVII. Os termômetros eram abertos. Termoscópio ! 50 anos depois que surgiu o 1º termômetro de vidro com liquido fechado desenvolvido por Leopoldo, Cardeal dei Medici. Conhecidos como termômetro fiorentinos. Eram graduados entre 50, 100 e 300 graus e calibrados com o calor do sol e o frio do gelo densidade dos líquidos

Termometria Termometria significa “Medição de Temperatura”. Eventualmente o termo Pirometria é também aplicado com o mesmo significado, porém, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir: Pirometria: medição de altas temperaturas, na faixa em que os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. Criometria: medição de baixas temperaturas, ou seja, próximas ao zero absoluto de temperatura. Termometria: termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria quanto a Criometria.

Definição Em termos gerais: Propriedade de um objeto que o descreve como mais quente ou mais frio. A lei zero da termodinâmica declara que dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro sistema estão em equilíbrio térmico entre si. O equilíbrio térmico implica que não ocorre nenhuma transferência de calor entre os sistemas. A lei zero fornece a definição da igualdade de temperaturas , mas não proporciona meios para definir um escala de temperatura.

Temperatura de ponto fixo e interpolação - Escalas A temperatura é quantificada através de escalas padronizadas, as mais utilizadas são a escala Celsius [ºC] e a Fahrenheit [ºF], ambas com o nome de seus criadores. No Sistema Internacional de Unidades (S.I.) utiliza-se a escala absoluta Kelvin, que é base para pesquisas e estudos científicos.

Escala de Temperatura e Padrões A definição moderna de engenharia da escala da temperatura é dada por um padrão chamado de ITS-90 (Escala Internacional de Temperatura de 1990) Tabela - Pontos fixos de temperatura conforme definidos pela ITS-90

Tipos de medidores Os medidores de temperatura podem ser divididos em alguns grandes grupos: Efeitos mecânicos; Termômetros de resistência elétrica; Termopares; Termômetros de radiação; Medidores de temperatura com fibras ópticas; Sensores semicondutores para temperatura.

Termômetros de efeito mecânico – Termometria baseada na Expansão térmica  Termômetro de expansão de líquidos em bulbos de vidro A medição de temperatura é feita através da leitura da posição do liquido na escala graduada. Utiliza-se geralmente álcool ou mercúrio. Por exemplo, um dos dispositivos (termômetro) mais antigos é o termômetro de vidro, que se baseia na expansão do mercúrio ou outro líquido com a temperatura.

Termômetros de efeito mecânico  Termômetro de expansão de líquidos em bulbos de vidro  

Termômetros de efeito mecânico  Termômetro de expansão de líquidos em bulbos de vidro Termômetros de imersão parcial:  Sujeito a erros maiores Termômetros de imersão total: Precisão de até ± 0,05 ⁰C

Termômetros de efeito mecânico  Termômetro bimetálico 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. mede temperaturas entre - 40 e 500 °C

 Termômetro bimetálico O fenômeno físico é a expansão térmica diferencial de dois metais    

Termômetros de efeito mecânico  Termômetro bimetálico Bimetal com geometria espiral e helicoidal . Pode ser usado para “chavear um circuito “ ou indicar a temperatura sobre uma escala calibrada Aplicação : sistema de controle ON/OFF. Por exemplo: termostatos (A vantagem é o baixo custo)

Termômetros de efeito mecânico  Termômetro bimetálico Aplicação : sistema de controle ON/OFF. Por exemplo: termostatos (A vantagem é o baixo custo) Disjuntor elétrico e seu bimetálico Termostato implementado com um bimetálico

Termômetros de efeito mecânico  Termômetro manométrico - Utilizam a variação de pressão obtida pela expansão de algum gás ou vapor como meio físico para relacionar com temperatura. - O termômetro de pressão de gás, tem seu principio de funcionamento baseado no princípio da conhecida lei de Boyle-Charles, isto é: “A pressão de um gás é proporcional à temperatura se mantivermos constante o volume do gás” Sensor de temperatura que utiliza o principio de expansão dos gases. Termômetro manométrico industrial

Termômetros de efeito mecânico  Termômetro manométrico Termômetro manométrico de mercúrio: cobrem a faixa de -38 a 590 ⁰C Termômetro manométrico preenchidos com gás: cobrem a faixa de -240 a 645 ⁰C Muitos termostatos são implementados com o princípio da expansão de um gás em uma câmara que faz movimentar um dispositivo mecânico para fechar ou abrir uma chave.

Termômetros de resistência elétrica 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. Estes tipos de sensores podem ser encontrados em qualquer instalação industrial devido a sua praticidade e eficiência.

Termômetros de resistência elétrica  Termômetros metálicos - RTDs RTDs – Resistance Temperature Detectors Termo-resistências metálicas são construídas: a partir de fios ou filmes de platina, cobre, níquel e tungstênio para aplicações a alta temperatura. A variação da resistência elétrica de materiais metálicos pode ser representada por uma equação da forma: R = R0 (1 + α (T - T0))   onde R é a resistência a temperatura T R0 é a resistência de referencia a temperatura de referência T0 α é o coeficiente de temperatura do material

Termômetros de resistência elétrica  Termômetros metálicos - RTDs RTDs – Resistance Temperature Detectors Construção típica de um RTD

Termômetros de resistência elétrica  Termômetros metálicos - RTDs RTDs – Resistance Temperature Detectors Em geral, a resistência dos metais aumentam com a temperatura !! RTDs comuns podem fazer medidas com erros na ordem de ± 0,1 ⁰C, e de platina podem chegar a ordem de 0,0001 ⁰C. O metal mais comum é a platina, as vezes denominado de PRT (Platinium Resistence Thermometer).

Termômetros de resistência elétrica  Termômetros metálicos - RTDs As principais características dos RTDs são: Condutor metálico (a platina é o metal mais utilizado) São dispositivos praticamente lineares. Dependendo do metal são muito estáveis. Apresentam baixíssima tolerância de fabricação (0,06% a 0,15%) Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão e ótima repetitividade de leitura. A platina tem uma relação resistência / temperatura estável sobre a maior faixa de temperatura (-184,44 a 648,88 ⁰C)

Termômetros de resistência elétrica  Termômetros metálicos - RTDs Elementos de níquel tem uma faixa limitada, tornando bastante não linear acima de 300 ⁰C. O cobre tem uma relação resistência / temperatura bastante linear, porém oxida a temperaturas muitos baixas e não pode ser utilizado acima de 150 ⁰C. A precisão de um RTD é significativamente maior que um termopar quando utilizado na faixa de -184,44 a 648,88 ⁰C A termo-resistência mais comum é a base de um fio de platina chamada PT100. Esse nome é devido ao fato que ela apresenta uma resistência de 100  à 0 oC . Entre 0 a 100 oC a variação pode ser considerada linear, com a1= 0,00385 /K.

Termômetros de resistência elétrica  Termômetros metálicos - RTDs Variação da resistência de metais com a temperatura

Termômetros de resistência elétrica  Termômetros metálicos - RTDs A variação da resistência elétrica de materiais metálicos pode ser representada por uma equação da forma:  

Termômetros de resistência elétrica  Termômetros metálicos - RTDs α é o coeficiente térmico do resistor calculado pela resistência medida a duas temperaturas de referência (por exemplo O ⁰C e 100 ⁰C). Pode-se isolar o α, temos:   ou de maneira mais especifica, entre O ⁰C e 100 ⁰C  

Termômetros de resistência elétrica  Termômetros metálicos - RTDs A sensibilidade do sensor de temperatura é, por definição, a razão da variável de saída pela variável de entrada.   Derivando a equação de modo a calcular S:    

Termômetros de resistência elétrica  Termômetros metálicos - RTDs   A sensibilidade pode ser dada por:     A 70 ⁰C :    

Bibliografia BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J.; Instrumentação e fundamentos de medidas, volume 1, 2010. FIGLIOLA, R.S.; BEASLEY D.E., Teoria e Projeto para Medições Mecânicas, 4a Edição, LTC, 2007. Notas de aula Prof. Hélio Padilha e Prof. Marcos Campos