Capítulo 9 - Medição de Temperatura TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura.

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1 Capítulo 9 - Medição de Temperatura TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

2 9.1 – Introdução TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura A temperatura é uma importante grandeza a ser medida em muitos processos, pois é um fator limite para muitas opera ç ões 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 medi ç ão correta de temperatura é complexa, por ser facilmente influenciada por fatores externos aos dispositivos de medida ou pela in é rcia t é rmica inerente ao sistema

3 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 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura

4 Classificação Medidores de Temperatura Termômetros de Efeito Mecânico Termômetros de Efeito Elétrico Medidores por Radiação TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura

5 9.2 – Termômetros de Efeito Mecânico TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura 9.2.1 – Termômetro por expansão de l í quido A medi ç ão de temperatura é feita atrav é s da leitura da posi ç ão do liquido na escala graduada

6 9.2.2 – Termômetro bi-met á lico Dois metais de diferentes coeficientes de dilata ç ão linear são unidos numa determinada temperatura. Ao submeter à junta a uma temperatura determinada ela se curvar á no sentido da indica ç ão da temperatura

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8 9.3 – Termômetros de Efeito Elétrico 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura Este tipo de medi ç ão é mais conveniente j á que estes m é todos permitem obter um sinal mais facilmente detect á vel, amplific á vel e usado para prop ó sitos de controle

9  9.3.1 - Termômetros por resistência el é trica 1821 - 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 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura Relação temperatura X resistência para dois tipos de sensores Termoresistência, ou termômetros de resistência, são nomes gen é ricos para sensores que variam sua resistência el é trica com a temperatura Os materiais de uso pr á tico recaem em duas classes principais: condutores e semicondutores Condutores: são chamados termômetros de resistência ou termoresistências Semicondutores: são chamados termistores

11 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura 9.3.3.1 - Termoresistências met á licas Termoresistências met á licas são constru í das a partir de fios ou filmes de platina, cobre, n í quel e tungstênio para aplica ç ões a alta temperatura Varia ç ão de resistência el é trica: R = Ro (1 + a 1.T + a 2.T 2 + a 3.T 3 +...+ a n.T n ) onde Ro = resistência a T=0 o C.

12 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura Termômetro por resistência elétrica Normalmente o sensor é constru í do em um filme met á lico ou em um pequeno enrolamento a partir de um fio muito fino

13 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura É desej á vel a maior varia ç ão da resistência por grau para um dado valor de resistência (alta resistividade) para obter-se a maior sensibilidade na medi ç ão. A platina é o material mais adequado sob o ponto de vista de precisão e estabilidade mas apresenta o inconveniente do custo. A sa í da 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

14 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termistores TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura 9.3.1.2 – Termistores Os primeiros tipos de sensores de temperatura de resistência de semicondutores foram feitos de ó xido de manganês, n í quel e cobalto, mo í dos e misturados em propor ç ões apropriadas e prensados numa forma desejada. onde R é a resistência do termistor na temperatura T (  ), R0 = resistência na temperatura T0 (  ),  é a constante caracter í stica do material (K),  T é a temperatura a ser medida (K), T0 é a temperatura de referência (K) Rela ç ão resistência/temperatura: Tipos de termistores

15 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termistores TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura A estabilidade dos primeiros termistores era bastante inferior à das termoresistências met á licas, mas atualmente eles vem apresentando uma estabilidade aceit á vel para muitas aplica ç ões industriais e cient í ficas. Isto lhes permite medir a temperatura com intervalos de 0,1°C o que é dif í cil com termômetros de resistência comuns Seu tempo de resposta est á ligada a massa do sensor podendo variar desde uma fra ç ão de segundos at é minutos. A corrente de medi ç ão deve ser mantida o mais baixo poss í vel para se evitar o aquecimento da unidade detectora

16 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura Exemplo de aplicação de termopar 9.3.2 – Termopares Um termopar é um sensor que compreende dois peda ç os de fios dissimilares, unidos em uma das extremidades. Sua aplica ç ão em larga escala se d á em virtude da sua praticidade, capacidade de operar em altas temperaturas e por fornecer respostas r á pidas.

17 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura 9.3.2.1 - Efeitos termoel é tricos Os efeitos termoel é tricos recebem essa denomina ç ão porque envolvem tanto calor quanto eletricidade Podem ser identificados três efeitos termoel é tricos diferentes, por é m inter-relacionados O efeito Seebeck é o mais relevante, sendo o primeiro cientista a estudar os fundamentos da termeletricidade descobrindo a caracter í stica principal do funcionamento dos termopares, enquanto que os efeitos Peltier e Thomson descrevem o transporte de calor por uma corrente el é trica

18 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura Circuito para um termopar Efeito Seebeck: Em 1821 o f í sico alemão Thomas Johann Seebeck observou o circuito para um termômetro termopar, como o ilustrado na figura. Ambas as jun ç ões, de medi ç ão e de referência estão em ambientes isot é rmicos (de temperatura constante), cada uma numa temperatura diferente

19 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura Representação esquemática da montagem de um termopar A tensão de circuito aberto atrav é s da jun ç ão de referência é a chamada tensão de Seebeck e aumenta à medida que a diferen ç a de temperatura entre as jun ç ões aumenta O termopar, que opera sob o efeito Seebeck é, portanto, diferente da maioria dos outros sensores de temperatura uma vez que sua sa í da não est á diretamente relacionada à temperatura, mas sim ao gradiente de temperatura, ou seja, da diferen ç a de temperatura ao longo do fio termopar

20 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura O termopar consiste em dois condutores el é tricos diferentes A e B unidos. Quando os dois materiais forem parte do circuito de um instrumento de medida haver á duas jun ç ões e se houver uma diferen ç a de temperatura T1 e T2 entre as jun ç ões, então se origina uma for ç a eletromotriz (f.e.m.) denominada tensão termel é trica O valor da f.e.m. depende da diferen ç a de temperatura e dos materiais envolvidos e mant é m uma rela ç ão de proporcionalidade com essa diferen ç a

21 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura 9.3.2.2 - Tipos de termopares Os v á rios tipos de metais ou ligas comumente empregados na constitui ç ão de termopares dependem em primeiro lugar da temperatura a medir Existe uma s é rie de termopares padronizados segundo uma determinada faixa de aplica ç ão levando em conta tamb é m outros fatores, tais como ambiente e tipo de material que se deseja medir

22 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura Tipos de termopares

23 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura A princ í pio, um termopar pode ser confeccionado com dois metais diferentes quaisquer, entretanto, devido a uma s é rie de fatores (contamina ç ão, custos, repetibilidade, ponto de fusão, homogeneidade, facilidade de produ ç ão, f á cil soldagem, etc.), são oferecidas algumas combina ç ões padrões.

24 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura 9.3.2.3 - Caracter í sticas 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 jun ç ão entre os dois metais diferentes, o sistema pode ser utilizado para tomar a temperatura de uma á rea muito pequena Seu tamanho compacto tamb é m significa uma pequena in é rcia t é rmica e uma resposta r á pida as varia ç ões de temperatura

25 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura Esquema de um sistema de medição usando termopar É necess á rio garantir que a jun ç ão de medi ç ão esteja numa condi ç ão isot é rmica, da í 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 f í sicos em duas temperaturas diferentes A jun ç ão de referência deve ser isot é rmica para propiciar uma temperatura conhecida e auxiliar na obten ç ão de uma interface do sinal, que isola o sensor da instrumenta ç ão.

26 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura Os fios de transmissão do sinal da jun ç ão de referência at é o instrumento estão freq ü entemente em um meio mais controlado do que aquele de outros sensores de temperatura, especialmente se a jun ç ão de referência estiver dentro do instrumento. Se o instrumento for um volt í metro, a interpreta ç ão dos dados requerer á informa ç ão extra a respeito da temperatura de referência e da tabela do termopar, caso contr á rio esta informa ç ão pode estar inclu í da no instrumento e a temperatura ser indicada diretamente.

27 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura Circuitos de medição com termopares

28 (a) união de arame nu simplesmente soldado (b) par termel é trico no qual os dois arames estão soldados formando uma gota (c) a jun ç ão entre os dois condutores est á totalmente isolada (d) o condutor interno soldado no tubo protetor, esta união forma o par termel é trico 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares TM 117 - Sistemas de mediçãoCap. 9 - Medição de Temperatura Formas de par termel é trico e tipos de jun ç ão

29 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.

30 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.

31 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 m é todo de medida que não requer contato f í sico (medi ç ão sem interferência) é fundamental. Este tipo de termômetro pode tamb é m ser usado para realizar uma varredura da distribui ç ão de temperatura do corpo sem contato ou interferência.

32 Câmeras t é rmicas

33 9.4 - APLICAÇÃO DOS TERMÔMETROS

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