Post on 13-Jun-2015
description
Instrumentos de Medição de Temperatura
Professor Marcelo Magalhaes Barbosa
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 2
Introdução Estudaremos os principais dispositivos
utilizados para a medição de temperatura, enfocando os princípios de funcionamento em que eles se baseiam
Conceitos BásicosTemperaturaCalorPontos Fixos de TemperaturaTipos de Escalas TermométricasUnidades de Calor
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 4
Conceito Básico de Temperatura “A temperatura de
um corpocorresponde àmedida do grau deagitação de suasmoléculas”.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 5
Conceito Básicos
Calor É a energia térmica
emtrânsito; É uma das formas
mais comuns deenergia que se originada energia cinéticadas moléculas doscorpos.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 6
Conceitos Básicos
Pontos Fixos de Temperatura
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 7
Conceitos Básicos
Tipos de Escalas Termométricas
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 8
Conceito Básicos
Calorimetria É o conjunto de métodos experimentais que
objetivam medir a quantidade de calorrecebida ou desprendida por umsistemaquando este sofre uma transformação física ouquímica.
Quantidade de calor é a energia cinética totaldas moléculas.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 9
Conceitos Básicos
Unidades de Calor A unidade de calor mais utilizada é a caloria (cal),
que corresponde à quantidade de calor necessáriapara elevar de 1 ºCa temperatura de 1g de água. Namaioria das aplicações é mais usada a quilocaloria(kcal) que vale 1000 calorias.
A unidade térmica inglesa (BTU) é igual a 0,252kcal, sendo muito utilizada na especificação deaquecedores e condicionadores de ar.
TermômetrosVidroBimetálicoBulbo de Pressão
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 11
Termômetro
Vidro Os dois líquidos mais usados são: o
álcool, para uma faixa de -100 ºC a + 50 ºC e o mercúrio, numa faixa de -40 ºC a + 648 ºC
Vantagens: boa precisão; baixo custo; simplicidade de construção
A sua desvantagem é a fragilidade
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 12
Termômetro
Bimetálico A faixa de utilização do
termômetro bimetálico é de - 50 ºC a + 550 ºC. Estes termômetros normalmente só permitem o ajuste de zero e, quando se danificam, não têm conserto.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 13
Termômetro
Bimetálico Vantagens:
fácil leitura;
baixo custo.
Desvantagens: não permite leitura remota;
não permite ajuste de faixa, já que ela depende da lâmina bimetálica.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 14
TermômetroBulbo de Pressão Os termômetros com bulbo
de pressão são de três tipos: termômetros a pressão de
líquidos;
termômetros a pressão de gás;
termômetros a tensão de vapor.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 15
Termômetros
Bulbo de Pressão de Líquidos
As faixas de utilização destes termômetros são as seguintes: mercúrio: - 35 a + 540 ºC;
xilol: - 40 a + 400 ºC;
álcool: - 50 a + 150 ºC.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 16
Termômetros
Bulbo de Pressão de Gás O gás mais utilizado é o nitrogênio, por ser inerte e
abundante, embora outros gases inertes como hélio e neôniotambémsejamempregados emmenor escala. Como a pressãodo gás é inferior à do líquido, o seu bulbo é maior.
A compensação de temperatura é igual à do bulbo líquido, porém não há necessidade de compensar a elevação, pois o peso da coluna de gás é irrelevante. A faixa de utilização é de -200 ºC a +800 ºC e é linear.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 17
Termômetros
Bulbo de Pressão de Tensão de Vapor
Nestes tipos de termômetros empregam-selíquidos voláteis, como algunshidrocarbonetos, cloreto de metila, dióxido deenxofre, etc.
A escala para estes termômetros não é linear, sendo de preferência utilizada a parte superior, por ser expandida.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 18
Termômetros -Bulbo de Pressão
Compensação de Temperatura
Dois métodos são usados para este fim. Noprimeiro, é utilizado umbimetal para corrigiro ponteiro.
No segundo caso, emprega-se outro elemento medidor com capilar que chega até o bulbo, sendo, porém, a sua extremidade aí fechada, e a ação do segundo medidor oposta à do primeiro.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 19
Termômetros -Bulbo de Pressão
Compensação de Coluna Líquida
Nos casos onde o bulbo é instalado acima ou abaixodo instrumento de medição, haverá necessidade decompensar a pressão à coluna de líquido. Isto é feitopelo reajuste do zero do instrumento no local ondeele é instalado.
Este problema é minimizado quando o sistema é projetado para manter uma alta pressão interna.
TERMOPARESPrincípio de FuncionamentoClassificação dos Termopares (Quanto ao Tipo de Liga)Confecção da Junção Quente do TermoparLocalização da Junção FriaIsolação do TermoparLigação dos TermoparesCompensação da Junção FriaMétodo de Identificação da Polaridade dos Termopares
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 21
Termopares
Princípio de Funcionamento
Para que se possa entender o princípio defuncionamento dos termopares, devem-seobservar os seguintes efeitos termoelétricos: Efeito Seebeck;
Efeito Peltier;
Efeito Thompson
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 22
Termopares
Efeito Seebeck Quando dois fios metálicos, de
naturezas diferentes são unidos por suas extremidades, e estas estão submetidas a temperaturas diferentes, constata-se o surgimento de uma força eletromotriz, da ordem de alguns milivolts
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 23
Termopares
Relação FEM x ∆T
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 24
Termopares
Efeito Peltier Nas junções feitas entre dois fios metálicos
distintos, é absorvido ou liberado calor,quando se faz circular por eles uma correnteelétrica.
A aplicação prática deste efeito é restrita, visto que, sendo usado na indústria aeroespacial e em geladeiras portáteis.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 25
Termopares
Efeito Thompson A magnitude da força eletromotriz (F.E.M.)
gerada a partir da diferença entre as temperaturas das junções de dois metais diferentes depende da natureza desses metais.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 26
Termopares
Vantagens X Desvantagens Vantagens do emprego de termopares:
baixo custo do elemento; rapidez de resposta; faixa ampla de operação.
Desvantagens do emprego de termopares: necessidade de fio de extensão especial; necessidade de compensação da junção fria; sua resposta não é exatamente linear; necessitam de troca periódica.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 27
Termopares
Classificação dos Termopares
tipo T → composição: cobre e constantan;
tipo J → composição: ferro e constantan;
tipo K → composição: chromel e alumel;
tipo E → composição: chromel e constantan;
tipo S → composição: platina + ródio 10 % e platina;
tipo R → composição: platina + ródio 13 % e platina;
tipo B → composição: platina + ródio 30% e platina + ródio 6 %.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 28
Principais Termopares Industriais J - ferro e constantan; K - chromel e alumel; T - cobre e constantan; S - platina e platina ródio. Observações:
constantan é uma liga com 60 % de cobre e 40 % de níquel; cromel é uma liga com 10 % de cromo e 90 % de níquel; alumel é uma liga com 94 % de níquel, 3 % de manganês, 2 % de alumínio e
1 % de silício; existem dois tipos de platina-ródio. A usada no termopar tipos S tem 10 % de
ródio; a usada no tipo R tem 13 %.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 29
Termopares
Ferro - Constantan É o tipo de termopar mais utilizado, por ser de
baixo custo e ter saída elétrica relativamente elevada. É utilizado para medir temperaturas desde - 0 ºC até 750 ºC.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 30
Termopares
Cromel-Alumel Possui uma saída elétrica aproximadamente
linear. É utilizado na faixa de -200 ºC a 1.250 ºC.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 31
Termopares
Cobre-Constantan Pode ser obtido em fios bastante finos,
podendo ser instalado em espaços reduzidos. Tem uma faixa de utilização de -200 ºC a 350 ºC.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 32
Termopares
Platina-Ródio Apresenta excelentes propriedades mecânicas
e químicas, sendo indicados para medidas de precisão. Tem uma faixa de utilização de 0 ºC até 1.450 ºC.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 33
Termopares
Confecção da Junção Quente
A confecção da junção quente pode ser executada por solda oxiacetilênica ou por solda elétrica. Normalmente as pontas dos dois metais são fundidas juntas, tomando-se o cuidado de fornecer maior calor inicial ao material que tiver o ponto de fusão mais elevado.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 34
Termopares
Localização da Junção Fria
A junção fria se encontra no local onde terminam os fios de termopar ou fios de compensação quando forem usados.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 35
Termopares
Isolação O termopar pode ser isolado com missangas
dde cerâmica ou ser produzido com isolação mineral
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 36
Termopares
Ligação dos Termopares As ligações dos termopares podem ser:
ligação simples;
ligação série aditiva;
ligação em paralelo;
ligação série oposição.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 37
Termopares
Ligação Simples Este é o tipo mais comum de ligação de
termopar. Consiste na ligação de um termopar ao instrumento de leitura, sendo utilizada para a medição da temperatura em um ponto.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 38
Termopares
Ligação Série Aditiva Esta ligação é feita em dois ou mais
termopares em série aditiva, ou seja, o material positivo de um termopar com o material negativo do outro termopar, ou vice-versa
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 39
Termopares
Ligação em Paralelo Esta ligação é feita ligando-se os terminais
comuns de dois ou mais termopares, os quais são conectados depois ao instrumento de leitura.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 40
Termopares
Ligação Série em Oposição
Esta ligação tem como objetivo medir a diferença de temperatura entre dois pontos.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 41
Termopares
Compensação da Junção Fria
600 ºC
JF0ºC
JQ600ºC
570 ºC
JF30ºC
JQ600ºC
600 ºC
JF30ºC
Leitura: 570 +Correção: 30
JQ600ºC
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 42
Termopares
Fios e Cabos de Extensão e Compensação
550 600 80
+
-
520 30550
COMPENSAÇÃO
LEITURA
TERMOPARºC
30ºC
JF80ºC
JQ600ºC
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 43
Termopares
Inversão de Cabos
-440 -520
+ 50 30-440
COMPENSAÇÃOEXTENSÃO
LEITURA
TERMOPARºC
30ºC
JF80ºC
JQ600ºC
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 44
Termopares
Inversão de Cabos
-440 -520
+ 50 30-440
COMPENSAÇÃOEXTENSÃO
LEITURA
TERMOPARºC
30ºC
JF80ºC
JQ600ºC
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 45
TermoparesMétodo de Identificação da Polaridade dos Termopares
As polaridades dos termopares podem ser identificadas das seguintes maneiras: magneticamente;
por meio do código de cores.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 46
Termopares – Método de Identificação
Magneticamente Este método consiste em identificar o
elemento magnético do par termoelétrico utilizando um ímã. Por exemplo, no termopar ferro-constantan, o ferro é magnético, o constantan não.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 47
Termopares – Método de Identificação Identificação
por meio do Código de Cores
Tipo
Tipo de
Termopar
Material dos CondutoresCores dos Codutores
Norma Americana Norma Alemã(ANSI) (DIN)
positivo negativo positivo negativo positivo negativo
T cobre constantan azul vermelho vermelho marrom
J ferro constantan branco vermelho vermelho azul
K chromel alumel amarelo vermelho vermelho verde
E chromel constantan roxo vermelho - -
S platina + ródio 10 % platina preto vermelho vermelho branco
R platina + ródio 13 % platina preto vermelho vermelho branco
B platina + ródio 30 % platina + ródio 6 %
cinza vermelho - -
BULBO DE RESISTÊNCIAOUTERMORESISTÊNCIA
Termoresistores MetálicosConstruçãoPrincipio Fisico de MediçãoCaracterísticas das TermoresistênciasTipos de Bulbos de ResistênciaTipos de LigaçãoCaracterísticas dos Materiais Empregados em TermoresistoresVantagens dos Termoresistores
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 49
BULBO DE RESISTÊNCIAOU TERMORESISTÊNCIA Nas faixas onde os termopares não atuam
eficazmente, utilizam-se os bulbos de resistências ou termoresistência, que são sensores elétricos de temperatura mais precisos.
Os termoresistores se dividem em dois grupos principais: termoresistores metálicos;
termistores.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 50
TERMORESISTÊNCIA Termoresistores Metálicos O termoresistor metálico é uma termossonda
constituída de um filamento resistivo de platina, níquel ou cobre, revestido de vidro, cerâmica ou material polimerizável.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 51
TERMORESISTÊNCIA
Construção Os bulbos de resistência são montados em um
tubo metálico preenchido com um pó mineral isolante.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 52
TERMORESISTÊNCIA
Princípio Físico de Medição
A medição de temperatura combulbos deresistência está baseada na propriedade quetêm os metais de alterar sua resistênciaelétrica coma mudança da temperatura.
Essa relação se apresenta positiva e, praticamente, linear com a maioria dos metais.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 53
TERMORESISTÊNCIA
Características As termoresistências (ou bulbos de
resistênica) possuem algumas características que devem ser consideradas.
São elas: estabilidade;
precisão;
aquecimento próprio.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 54
TERMORESISTÊNCIA
Estabilidade Estes sensores possuem suas características elétricas
praticamente invariáveis para a mesma temperatura, ou seja, apresentam excelente repetibilidade, destacam-se os sensores de platina, que por sua grande estabilidade são adotados como padrão, para definir a escala internacional de temperatura.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 55
TERMORESISTÊNCIA
PrecisãooC ±C-200 1,2-100 0,7 0 0,3 100 0,6 200 1,2 300 1,8 400 2,4 500 3,0 600 3,6
VARIAÇÃO DE TOLERÂNCIA
-200 -100 0 100 200 300 400 500 6000
1,8
3,0
0,3
0,60,7
1,2
2,4
3,6
± oC
oC
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 56
TERMORESISTÊNCIA
Aquecimento Próprio As termoresistências se esquentam
ligeiramente, quando uma corrente elétricacircula por elas. Esse aquecimento provocauma variação do seu valor ôhmico.
A magnitude do erro provocada por essa variação depende da potência dissipada e de uma constante (K), própria de cada elemento
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 57
TERMORESISTÊNCIA
Tipos de Bulbos de Resistência
Os bulbos de resistência podem possuir sensores de platina (Pt), cobre (Cu) ou níquel (Ni).
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 58
TERMORESISTÊNCIA
Bulbo de Resistência de Platina não sujeita à corrosão;
ponto de fusão elevado;
pode ser obtida em fios extremamente finos;
alto grau de pureza;
relação temperatura x resistência bastante estável;
coeficiente de aquecimento (K) elevado.
Este tipo de bulbo de resistência é comumente conhecido como Pt-100 (Pt por ser de platina e 100 porque a 0 °C apresenta uma resistência de 100 Ω). É recomendado para temperatura na faixa de medição de -239 oC até 630 oC.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 59
TERMORESISTÊNCIA
Bulbo de Resistência de Níquel
Este tipo de bulbo não é tão utilizado quanto o Pt-100, mas, por seu baixo custo em relação aos bulbos de platina, encontra aplicabilidade em faixas de temperatura menores (de - 150 °C a 300 °C).
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 60
TERMORESISTÊNCIA
Bulbo de Resistência de Cobre
Este tipo de bulbo apresenta sobre o níquel avantagem de que o cobre pode ser obtidoeletrolíticamente em elevado grau de pureza,garantindo a estabilidade do seu coeficiente térmico.
A faixa de aplicação desses bulbos vai de -12 °C a 120 °C, limitada pela sua tendência de oxidação a temperatura elevadas.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 61
TERMORESISTÊNCIA
Tipos de Ligação De acordo com o tipo de instalação, os bulbos
de resistência podem ser instalados das seguintes maneiras: ligação com 2 fios;
ligação com 3 fios;
ligação com 4 fios.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 62
TERMORESISTÊNCIA
Ligação com 2 Fios
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 63
TERMORESISTÊNCIA
Ligação com 3 Fios
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 64
TERMORESISTÊNCIA
Ligação com 4 fios
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 65
Características dos Materiais Empregados em
Termoresistores
Alto Coeficiente de Resistência/Temperatura
Alta Resistividade
Estabilidade
Linearidade da função Resistência/Temperatura
Resistência Mecânica
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 66
TERMORESISTÊNCIA
Alto Coeficiente de Resistência/Temperatura
Maior alteração na resistência por grau centígrado proporciona maior sensibilidade na medição.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 67
TERMORESISTÊNCIA
Alta Resitividade Um índice maior de resistência por metro
permite construir termoresistores mais compactos.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 68
TERMORESISTÊNCIA
Estabilidade O material precisa manter estáveis suas
características dentro de uma ampla faixa de temperatura e ter boa durabilidade.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 69
TERMORESISTÊNCIA
Linearidade da Função Resistência/Temperatura
Essa propriedade é importante porque resultará numa escala de indicação também linear, além de facilitar a compensação da linha de transmissão.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 70
TERMORESISTÊNCIA
Resistência Mecânica O fio empregado no termoresistor tem que ser resistente a
choques, vibrações, etc. A platina, com exceção do custo, possui todas as características ideais para a fabricação dos termoresistores.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 71
Vantagens dos Termoresistores grande sensibilidade;
resposta rápida;
podem ser utilizados em atmosfera corrosiva;
manutenção simples;
grande durabilidade;
dispensam linhas de compensação.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 72
Desvantagens dos Termoresistores não suportam vibrações constantes; faixa de trabalho restrita; custo elevado; difícil utilização em instrumentos
galvanométricos; extremamente sensíveis à baixa isolação.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 73
TERMISTORES
•Seu funcionamento é semelhante aos bulbos de resistência, porém sua característica de variação de temperatura é negativa, por isso são conhecidos como NTC, que quer dizer “coeficiente negativo de temperatura”. São semicondutores constituidos de óxidos de metais, como cobalto, níquel, manganês, etc.
23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 74
TERMISTORES
Variação da Resistência
PRODUÇÃOProfessor Marcelo Magalhaes Barbosa
mmbarbosasenaibm@gmail.com
Técnica Viviana Meireles
ameivivi@gmai.com