Automação industrial _ Sensores de Temperatura

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Automação industrial _ Sensores de Temperatura

  1. 1. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 1 Sensores Temperatura Não concordo com o acordo ortográfico É uma aberração
  2. 2. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 2 Sensores de Temperatura O que é a temperatura? - A temperatura de um objecto é uma medida de quão quente ou frio ele está. Unidade do S.I.: Kelvin (K). - No entanto, determinar a temperatura pode ser muito subjectivo, diferentes pessoas têm diferentes percepções do que é quente e do que é frio. Em termos simples, a temperatura é dito ser o "grau de calor '. - Mais cientificamente, é o potencial de transferência de calor, por condução, convecção ou radiação. - A diferença de temperatura faz com que o calor flua, assim como uma tensão provoca um fluxo de corrente num fio. Se dois objectos são colocados em contacto, o calor irá fluir a partir do mais quente para o mais frio. Objectos quentes e frios que alcançam o equilíbrio térmico. Quando não houver fluxo de calor, podemos dizer que ambos os ablectos estão à mesma temperatura.
  3. 3. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 3 Sensores de Temperatura O que é a temperatura? - “Temperatura é a propriedade da matéria que reflecte a média da energia cinética dos átomos de um corpo”. Esta é a propriedade que podemos confiar quando medimos a temperatura. Quando colocamos um termómetro em contacto com um objecto, e o calor pára de fluir, a leitura do termómetro, diz-nos a temperatura do objecto. Não confunda temperatura, com calor A aplicação de calor faz com que a temperatura suba - excepto quando um sólido se funde ou um líquido ferve, em que a temperatura permanece constante! A temperatura está relacionada com o calor, mas é diferente dele. O Calor é a energia que se transfere de um corpo para o outro por diferença de temperatura. O calor é a energia associada com o movimento dos átomos ou moléculas de que tudo é feito. Quanto mais energia os átomos têm, mais rápido se movem (num gás ou líquido) ou mais vigorosamente vibram (num sólido). - O calor é a quantidade de energia térmica contida num objecto, medida em joules (J).  A temperatura é medida por um termómetro que é um dispositivo baseado em princípios termodinâmicos no qual uma propriedade é alterada com a temperatura que é medida e usada para indicar o valor da temperatura…  A Energia Térmica de um corpo é a somatória das energias cinéticas dos seus átomos, e além de depender da temperatura, depende também da massa e do tipo de substância.
  4. 4. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 4 Não confunda temperatura, com calor Mesma temperatura Diferentes quantidades de calor  Calor e temperatura são diferentes porque a energia calorífica de um objecto grande é maior do que a de um pequeno objecto, mesmo quando as suas temperaturas são as mesmas. Sensores de Temperatura O que é a temperatura?
  5. 5. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 5 Métodos de Transferência de Calor Sensores de Temperatura O que é a temperatura? Condução - Processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso ou entre meio diferentes em contacto físico directo. Convecção – Processo de transporte de energia pela acção combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento da mistura. Convecção Radiação – Processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre eles. Radiação
  6. 6. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 6 Sensores de Temperatura O que é a temperatura? Escalas de Temperatura A temperatura da matéria é expressa por um número que corresponde ao grau de calor numa escala escolhida: Celsius (° C), Fahrenheit (° F) ou Kelvin (K) e é medida quantitativamente por termómetros. Os Estados Unidos usam a escala Fahrenheit para expressar as temperaturas. Nesta escala, o valor de 32 é atribuído ao ponto de congelação da água e 212 ao seu ponto de ebulição. A conversão da escala Fahrenheit para a Celsius é através da fórmula: graus Celsius = 5/9 (graus Fahrenheit - 32). Os cientistas também utilizaram a escala de kelvin, em homenagem ao cientista britânico Lord Kelvin (William Thomson). Nesta escala, o zero é atribuído a zero absoluto - a temperatura mais baixa possível. No zero absoluto, uma substância não tem energia cinética. O zero absoluto corresponde a -273 ° na escala Celsius Existem ainda outras escalas de temperatura pouco utilizadas, que são as escalas de Rankine e a escala Réaumur…
  7. 7. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 7 Sensores de Temperatura O que é a temperatura? Escalas de Temperatura A escala de temperatura absoluta, ao contrário das outras escalas de temperatura, não é arbitrária; é definida como um motor de calor reversível ideal trabalhando num ciclo de Carnot entre duas temperaturas T1 e T2. Se Q1 é o calor recebido pelo valor mais elevado da temperatura T1, T2 e o calor perdido a uma temperatura inferior T2, o T1 / T2 é definida igual a Q1 / Q2. Tal temperatura absoluta é independente das propriedades particulares das substâncias, e é uma função termodinâmica básica… Thomson teorizou com base em princípios termodinâmicos que a temperatura mais baixa que pode ser atingida é de -273 ° C. As medições das variações de pressão e volume com alterações na temperatura podem ser feitas e representadas graficamente. A parcela de volume vs temperatura (a uma pressão constante) e de pressão vs temperatura (a volume constante) reflectem a mesma conclusão - o volume e a pressão de um gás é reduzida a zero a uma temperatura de -273 ° C.  Uma vez que estes são os mais baixos valores de volume e de pressão que são possíveis, é razoável concluir que -273 ° C era a temperatura mais baixa que era possível conseguir.  Pode-se fazer um gráfico de “Volume VS Temperatura” e de “Pressão VS temperatura“ cada um terá intersecção com o eixo x a -2730C. O Volume e a Pressão de um gás parecem reduzir-se a 0 a uma temperatura muito específica (assumindo que o gás continua a ser um gás).
  8. 8. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 8 Kelvin(°K) = Celsius(°C)+ 273.15 Celsius(°C) = Kelvin(K) – 273.15 Celsius (°C) = 5/9(F – 32) Fahrenheit (°F) = 9/5C + 32 Kelvin Celsius Fahrenheit 281.15°K 283.15°K 20°C 10°C 68°F 50°F 50°C 60°C 70°C 80°C 90°C Sensores de Temperatura O que é a temperatura? Escalas de Temperatura Podemos facilmente converter a temperatura de uma escala para outra por meio de alguns cálculos que são dados a seguir. Zero absoluto Temperatura Ambiente Temperatura do corpo humano 323.15°K 333.15°K 343.15°K 353.15°K 363.15°K 122°F 140°F 158°F 178°F 194°F Congelação da água 491,67 Ra 0,00 ºRé Água ferve 80,00 ºRé671,67 Ra 373.15°K 0°K 273.15°K 298.15°K 310.15°K -273.15°C 25°C 37°C 100°C 0°C -459.58°F 32°F 77°F 98°F 212°F
  9. 9. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 9 A escala Rankine (símbolo °R, °Ra) é uma escala de temperatura assim chamada em homenagem ao engenheiro e físico escocês William John Macquorn Rankine, que a propôs em 1859.  Assim como a escala kelvin, o 0°Ra é o zero absoluto, porém o grau Rankine é definido como sendo igual a um grau Fahrenheit. Assim, a variação de um grau °Ra equivale á variação de um grau °F. Então a temperatura de -459,67°F é exactamente igual a 0°Ra. Sensores de Temperatura O que é a temperatura? Outras escalas de Temperatura Apesar de não ser tão popular, a escala Rankine é usada em alguns campos da engenharia nos Estados Unidos. A escala Réaumur (símbolo: °Ré, °Re, °R) é uma escala de temperatura proposta em 1730 pelo físico e inventor francês René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) cujos pontos fixos são o ponto de congelamento da água (0°Ré) e seu ponto de ebulição (80°Ré). Assim, a unidade desta escala, o grau Réaumur, vale 4/5 de 1 grau Celsius e tem o mesmo zero que o grau Celsius.
  10. 10. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 10 Sensores de Temperatura O que é a temperatura? Outras escalas de Temperatura Rankine (°Ra) = (°F + 460) Réaumur (°Re) = (4.°C)/5 = °C(9/5)+491.67
  11. 11. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 11 Podemos dividir os medidores de temperatura em dois grandes grupos: A temperatura não pode ser determinada directamente, mas deve ser deduzida a partir dos seus efeitos eléctricos ou físicos produzidos sobre uma substância, cujas características são conhecidas. Os medidores de temperatura são construídos baseados nesses efeitos e são chamados de Termómetros. Sensores de Temperatura Termómetros − Termómetro a expansão: −de líquidos. −de sólido. − Termómetro a pressão a gás: −de gás. −de vapor. −Pirómetro óptico −Pirómetro fotoeléctrico −Pirómetro de radiação −Câmara de imagem térmica Contacto directo: Sem contacto: − Termómetro a par termoeléctrico. − Termómetro a resistência eléctrica.(RTDs/Termistores − Termómetro de semicondutor. − Termómetro de cristais-líquidos Expansão Instrumentos de transferência de calor por condução Eléctricos Instrumentos de transferência de calor por radiação
  12. 12. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 12 Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de líquido  Baseados na lei de expansão volumétrica de um líquido em recipiente fechado. ]Δt3Δt2Δt1[1VoVt 32 ).().().(.   ]Δt1[1VoVt ).(.  Vo = Volume aparente à temperatura 0ºC. V t= Volume aparente à temperatura t. 1, 2, 3. = Coeficiente de expansão do líquido. Um gás inerte é normalmente utilizado para preencher o espaço acima do mercúrio. Para temperaturas mais baixas outros líquidos podem ser usados, como álcool (até - 62°C), pentano (até -200°C) e mistura de propano (até - 217°C). Trata-se do instrumento mais utilizado na medição da temperatura, devido à facilidade de operação, baixo custo, e grande variedade de aplicações. O princípio de funcionamento está baseado na expansão de um líquido em função da temperatura. O líquido é contido num bolbo, expandindo-se num tubo capilar. O Mercúrio é o líquido mais utilizado, usando-se também Álcool Etílico, e Tolueno. O termómetro líquido-em-vidro é destinado para medição da temperatura utilizando a expansão térmica de um líquido como uma propriedade satisfatória. É empregado em tecnologia, práticas de laboratório e medicina para medir temperaturas de -200 a 750 ° C.
  13. 13. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 13 Em tubo de vidro É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção a mais uniforme possível fechado na parte superior. O reservatório e parte do capilar são preenchidos de um líquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termómetro no caso da temp. ultrapassar seu limite máximo. Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de líquido
  14. 14. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 14 Em tubo de vidro Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de líquido Simples e estável Vantagens Portátil Barato  Os termómetros de líquido em vidro, em particular termómetros de mercúrio, são usados há quase 300 anos. Baseia-se na expansão de um líquido com temperatura. O líquido está contido numa ampola de vidro selada e expande-se por um furo fino na haste termómetro. A temperatura é lida utilizando uma escala gravada ao longo do caule. Precisão e gama de temperatura limitadas. Requer leitura visual. Não é fácil de automatizar. Desvantagens
  15. 15. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 15 Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de líquido Em recipiente metálico : Diagrama Escala Tubo Boudon Fim de Curso Zero Encaixe Armadura Capilares Ajuste Ponteira Mercúrio Álcool etílico Ponteiro CremalheiraPinhão Espiral Helicoidal LÍQUIDOS: Faixa de utilização Mercúrio –35 a +550oC Xileno –40 a +400oC Tolueno –80 a +100oC Álcool 50 a +150oC Tipo C
  16. 16. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 16 Termómetro de expansão de líquido Em recipiente metálico Termómetros de Contacto Neste termómetro, o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico). Bolbo- reservatório As dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e principalmente com a sensibilidade desejada. Capilares As dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de evitar a influencia da temperatura ambiente, porém não deve oferecer resistência a passagem do líquido em expansão. Elemento de Medição O elemento usado é o Tubo de Bourdon usado em termómetros de expansão, Líquido/Gás/vapor, podendo ser: Tipo C o mais usual, espiral e Helicoidal São aplicados nas indústrias em geral, para indicação e registo, pois permitem leituras remotas e são os mais precisos dos sistemas mecânicos de medição de temperatura. Porém, não são recomendáveis para controlo devido ao facto do seu tempo de resposta ser relativamente grande. O poço de protecção permite manutenção do termómetro com o processo em operação. Bolbo embutido em poço de protecção Capilares Elemento de medição
  17. 17. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 17 Termómetro de expansão de sólidos (bimetálicos) Termómetros de Contacto Características de construção Baseia-se no fenómeno da expansão linear dos metais com a temperatura. Sendo: Lt = Lo. (1 + α.Δt) Onde: t= Temperatura do metal em oC Lo = comprimento do metal à temp. de referência to . Lt = comprimento do metal á temp. t . α= coeficiente de expansão linear. Δt= t - to . O termómetro bimetálico consiste em duas lâminas de metais com coeficientes de expansão diferentes sobrepostas, formando uma só peça. Baixo coeficiente de expansão Alto coeficiente de expansão Extremidade fixa Extremidade livre Calor Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional a temperatura.
  18. 18. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 18 Termómetro de expansão de sólidos (bimetálicos) Termómetros de Contacto Na prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade. O movimento de flexão é linear com a variação da temperatura e a deflexão da extremidade livre pode ser lida se se anexar um ponteiro ... Extremidade fixa Espiral Helicoidal Extremidade fixa
  19. 19. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 19 Frio Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de sólidos (bimetálicos) Enrolamento Helicoidal Calor Lâmina bimetálica que consiste de dois metais, tais como latão e ferro niquelado (invar), soldadas em conjunto para formar um braço de suporte, fixa numa das extremidade, e acoplada a um ponteiro na outra extremidade. Quando aquecida, ambos os metais se expandem, mas o bronze expande muito mais do que o ferro-níquel. O resultado é um movimento rotativo da tira bimetálica helicoidal, proporcional á temperatura. Funcionamento  O termómetro mais usado é o de lâmina helicoidal. A faixa de trabalho dos termómetros bimetálicos vai aproximadamente de -50 a 800 oC, sendo a sua escala bastante linear. Possui uma exactidão na ordem de +/- 1% .
  20. 20. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 20 Termómetros de Contacto Enrolamento Espiral Termómetro de expansão de sólidos (bimetálicos)
  21. 21. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 21 Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de sólidos (bimetálicos) calibração: Calibrar um elemento bimetálico através de comparações de temperaturas conhecidas e ajustando o comprimento de modo que, para uma dada alteração da temperatura, o ponteiro terá a deflexão angular adequada. Esta calibração precisa ser feito apenas entre duas temperaturas para obter linearidade sobre a escala inteira. Se o ajuste de um termómetro bimetal altera, redefina o ponteiro em apenas um ponto na escala. O termómetro será então preciso através da escala inteira. Temperaturas: Os termómetros bimetálicos são fabricados para operaram em intervalos de temperaturas de – 200°C …-180°C até 500°C. No entanto, a baixas temperaturas a taxa de deflexão cai bastante rapidamente. Os termómetros bimetálicos são feitos para intervalos até 500°C, sendo que a sua estabilidade a mais altas temperaturas, não é fiável. Normalmente os termómetros bimetálicos não são recomendados para uso contínuo acima de 425°C. Precisão: Os bons termómetros bimetálicos irão manter a sua precisão indefinidamente. Normalmente os termómetros bimetálicos industriais são garantidos a 1% do intervalo da escala em qualquer ponto da mesma. Os tipos de laboratório ou de uso geral mais pequenos são garantidos 0,5% do intervalo da escala. Melhor precisão pode ser obtida se cada escala for desenhada à mão, mas o alto custo torna isso impraticável. Para obter a precisão máxima, a secção da haste que contém o elemento deve ser completamente imersa.
  22. 22. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 22 Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de sólidos (bimetálicos) Overranging: Os termómetros bimetálicos, em geral, podem suportar temperaturas superiores ao de seu intervalo de temperaturas, sem danos. Em geral, os fabricantes até 120°C garantem 100% , 50% até 250°C e 10% até 400°C. Hastes: A haste ou um bolbo de um termómetro bimetálico usando um elemento helicoidal pode ser tão curto como o elemento que contém, tanto como uma polegada. No outro extremo, os termómetros desse tipo pode ser feitos com hastes até 6 pés (2m) de comprimento, e diâmetro de uma polegada a 6 polegadas ou maior. Tipos de termómetros bimetálicos: Em geral, estão divididos em duas classes: os de tamanhos maiores, com conexões de rosca, para uso industrial, e os de tamanhos menores, com hastes menores e sem conexões de rosca, para teste e trabalhos de laboratório. Todos os tamanhos, no entanto, podem ser obtidos com ou sem roscas. Também estão disponíveis com hastes em parafuso e hastes de pontas salientes de substâncias duras. Estas extremidades são integrais com a haste regular e estão em contacto com o elemento bimetálico, o que permite a transferência de calor rápida.
  23. 23. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 23 Termómetros de Contacto Sensores de Temperatura de expansão de sólidos (bimetálicos) Comutadores térmicos, termostatos, relés térmicos etc.  Baseados nos mesmos princípios de funcionamento de lâminas bimetálicas, existe um panóplia muito variada de dispositivos de controlo de temperatura, temperatura máxima, temperatura mínima, protecção de sobreaquecimento, normalmente aberto ou normalmente fechado, para temperaturas específicas, etc, que são usados nos mais variados electrodomésticos, desde fornos eléctricos, maquinas de café expresso, ferros de engomar, sistemas de ar condicionado…. Alguns exemplos…. Lâmina bimetálica Regulador Comutador de Mercúrio  Os termostatos convencionais ( Ar condicionado): A bobina bimetálica contrai com "frio" e se expande com calor. O movimento de extensão/retracção, pode fazer accionar um interruptor para "On" ou "Off“ de Mercúrio ou de outra espécie….
  24. 24. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 24 Termómetros de Contacto Sensores de Temperatura de expansão de sólidos (bimetálicos) Comutadores térmicos, termostatos, relés térmicos etc. Os termostatos ferros de engomar Lâmina bimetálica Ponto de Contacto Posição a Frio Fixação suporte Posição a quente Interruptores térmicos: Microondas, esquentadores maquinas de café expresso, fervedores, motores, etc…. Terminais Base Pino Móvel Guia Disco Bimetálico Cobertura Zona de contacto Contacto Móvel Contacto fixo Placa de contacto Placa de pressão Rebite grande Rebite pequeno Disco Bimetálico Terminal OFF
  25. 25. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 25 Termómetros de Contacto Sensores de Temperatura de expansão de sólidos (bimetálicos) Comutadores térmicos, termostatos, relés térmicos etc. Industriais
  26. 26. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 26 Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de Gás Fisicamente idêntico ao termómetro de expansão de líquido, consta de um bolbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos. Princípio de funcionamento O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia a sua pressão, conforme aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão. A Lei de Gay - Lussac, expressa matematicamente este conceito:  Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante. P1 T1 = P2 T2 = Pn Tn
  27. 27. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 27 Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de Gás Lei de Gay-Lussac  No âmbito da química e da física, a Lei de Gay-Lussac é uma lei dos gases perfeitos que estabelece que sob um volume e quantidade de gás constantes, a pressão é diretamente proporcional à temperatura. P1 T1 = P2 T2 = Pn Tn
  28. 28. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 28 Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de Gás Tubo de Bourdon Tubo Capilar Reservatório Gás Fisicamente idêntico ao termómetro de expansão de líquido… sendo o bolbo ligeiramente maior.
  29. 29. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 29 Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de Gás Gás Temperatura Crítica Hélio ( He ) - 267,8 oC Hidrogénio ( H2 ) - 239,9oC Nitrogénio ( N2 ) - 147,1oC Dióxido de Carbono ( CO2 ) - 31,1 oC
  30. 30. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 30 Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de Vapor A sua construção é bastante semelhante ao de expansão de líquidos, baseando o seu funcionamento na Lei de Dalton: VAPOR LÍQUIDO VOLÁTIL LÍQUIDO INERTE  "A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume“. Com vapor ou líquido  A relação existente entre tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmica e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura em: log P1 /P 2 = H e . ( 1/T 1 - 1/T2 ) / 4,58 onde: P1 e P 2 = Pressões absolutas relativas as temperaturas. T1 e T2 = Temperaturas absolutas. H e = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão.
  31. 31. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 31 Termómetros de Contacto Termómetro de expansão de Vapor Lei de Dalton onde: P = Pressões absolutas relativas à temperatura. T = Temperaturas absolutas. Ce = Calor latente de evaporação do líquido.  Semelhante ao de expansão de líquidos, a lei de Dalton diz: 4,58 T2T1 Ce P2 P1       11 Constante T pV   "A pressão de vapor saturado depende somente da sua temperatura e não do seu volume“.
  32. 32. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 32 Termómetros de Contacto Termómetro de Pressão a Vapor
  33. 33. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 33 Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogéneas. Os fios são soldados num extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força electromotriz), fechando um circuito eléctrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.
  34. 34. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 34 Tipos de termopares Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar Tipo T: Cu - Co (+) Cobre (99%), (-)Constantan (Cu 58%-Ni42%). Intervalo de temperaturas –200 / 370ºC. Aplicações – criometria, industria de refrigeração, química, petroquímica. Tipo J: Fe - Co (+) Ferro (99,5%) (-)Constantan (Cu 58%-Ni42%). Intervalo de temperaturas –40 / 760ºC. Tipo E: NiCr - Co (+) Crómio-Níquel (Cr10%,Ni 90%) (-) Constantan (Cu58%-Ni42%). Intervalo de temperaturas –200 / 870ºC. Tipo K: NiCr - NiAl (+) Crómio-Níquel (Cr10%, Ni90%) (-) Alumel (Ni 95,4% - Mn1,8% - Si1,6% - Al 1,2%).Intervalo de temperaturas –200 / 1260ºC. Aplicações – Centrais de energia, metalúrgica, química, industria em geral. Aplicações – Química, petroquímica. Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento ….
  35. 35. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 35 Tipos de termopares Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar Tipo S: PtRh 10% - Pt (+) Platina-Ródio (Pt 90%, Rh 10%), - Platina (Pt 100%).Intervalo de temperaturas 0 / 1600ºC. Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento …. Tipo R: PtRh 13%- Pt (+) Platina-Ródio (Pt 87%, Rh 13%), (-) Platina (Pt 100%).Intervalo de temperaturas 0 / 1600ºC. Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento …. Tipo B: PtRh 30%- PtRh 6% (+) Platina-Ródio (Pt 70%, Rh 30%), - Platina-Ródio (Pt 94%, Rh 6%). Intervalo de temperaturas 600 / 1700ºC. Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento ….
  36. 36. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 36 Uma confusão bem organizada… não há estandardização!.... Tipos de termopares Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar Conectores
  37. 37. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 37  A tensão do Termopar: Efeito de Thompson Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar Na junção de dois metais diferentes, ocorre uma diferença de potencial. Isto é devido a diferentes concentrações de electrões, isto é, os metais em diferentes níveis de Fermi. As concentrações tendem a igualar por difusão de electrões. A diferença de potencial final é: e V 21    ΔV – Diferença de Potencial η1 – Nível de Fermi do metal… e – Carga do electrão ηrez – Nível de Fermi de equilíbrio T,η1 T+ΔT,η2 T,ηrez Corrente de ElectrõesNão-equilíbrio Diferença de potencial Equilíbrio T+ΔT,ηrez η1, η2 – Níveis de Fermi iniciais
  38. 38. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 38  Thomson concluiu, que a condução de calor ao longo dos fios metálicos de um termopar, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio e, quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição da temperatura numa quantidade não somente devido ao efeito Joule. A essa variação adicional na distribuição da temperatura denominou-se efeito Thomson. Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar Efeito de Peltier  Peltier descobriu que, dado um par termoeléctrico com ambas as junções à mesma temperatura, se, mediante uma fonte externa, produzir-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junções variam numa quantidade não inteiramente devido ao efeito Joule. A esse acréscimo de temperatura foi denominado efeito Peltier. O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção e não depende da temperatura de outra junção. O efeito Peltier não tem aplicação prática nos termopares e sim na área de refrigeração com a utilização de semicondutores especiais. Efeito termoeléctrico de Volta A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta enunciado a seguir: "Quando dois metais estão em contacto a um equilíbrio térmico e eléctrico, existe entre eles uma diferença de potencial que pode ser da ordem de Volts“. Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida directamente.  A tensão do Termopar: Efeito de Thompson
  39. 39. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 39 Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar A tensão no termopar é: dTSdV AB dV – Diferença de voltagem SAB - ˝coeficiente Seebeck ˝ do par de metais  TSS ABAB  BAAB SSS  SA, SB – Coeficiente Seebeck de cada metal simples (em comparação com um metal de referência). dT – Diferença de temperatura das uniões.  Os coeficientes de Seebeck podem ser determinados considerando o efeito deThompson. e Tk SA 0 22 6   k – Constante de Boltzmann. T – Temperatura do metal. η0 – Nível de Fermi a 0o K. e – Carga do electrão.    ABABAB TTbTTaV  2 a, b – Constantes. TA, TB –Temperaturas das junções.  A tensão do Termopar: Efeito de Seebeck
  40. 40. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 40 Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar  A experiência mostra que um circuito constituído por dois materiais diferentes A e B é percorrido por uma corrente eléctrica –i+ desde que os contactos nas junções T1 e T2 entre os dois materiais estejam a temperaturas diferentes T . Este fenómeno é denominado Efeito Seebeck. Na realidade ocorrem mais três efeitos: o efeito Thomson, o Peltier e o de Joule.  Quando dois condutores metálicos A e B de diferentes naturezas são acoplados mediante um gradiente de temperatura, os electrões de um metal tendem a migrar de um condutor para o outro, gerando uma diferença de potencial eléctrico num efeito semelhante a uma pilha electroquímica.  A tensão do Termopar: Efeito de Seebeck  Este efeito é conhecido como Efeito Seebeck sendo capaz de transformar energia térmica em energia eléctrica com base numa fonte de calor mediante propriedades físicas dos metais.
  41. 41. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 41 Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar A magnitude da fem térmica, depende dos materiais dos fios usados na diferença de temperatura entre as junções. A tensão no termopar: Simplificando…  A fem eficaz de termopar é dada por: )()( 2 2 2 1 21 TTkTTcE  Onde: c e k = Constantes dos materiais do termopar. T1 = Temperatura da junção quente, "hot“. T2 = Temperatura da junção fria "cold" ou Junção de "referência“. Exemplo: Durante as experiências com um termopar de cobre-constantan, verificou-se que c = 3,75 x 10-2 mV / °C, e K = 4.50x10-5 mV / °C2. Se T1 = 100 °C e a junção T2 frio é mantida em gelo, calcular as forças electromotrizes resultantes.  Solução:  )()( 2 2 2 121 TTkTTcE   222 2 5 )( C0100 C mV 104.50 o o )(2 C0C100 C mV 103.75 oo o   mV4.20mV0.45mV3.75 
  42. 42. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 42 Como ler a tensão gerada pelo Termopar Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Como fio de cobre está ligado a ambos J2 e J3, não haverá tensão adicional a contribuir para a diferença de temperatura entre as junções J2 / J3, ponto em que a tensão é medido pelo dispositivo de aquisição de dados. Para determinar a temperatura em J1, você deve saber as temperaturas de junções J2 e J3. Você pode então usar a tensão medida e a temperatura conhecida da junção J2 / J3 para aferir a temperatura em J1.  A figura mostra um termopar tipo-J (J1), numa chama de uma vela que tem uma temperatura que você quer medir. Os dois fios termopares estão ligados aos condutores de cobre de um dispositivo de aquisição de dados (voltímetro ou outro).  Visto desta forma, o circuito contém três junções metálicas dissimilares: J1, J2, J3 e. Isto resulta numa tensão de Seebeck entre J3 J2 e que é proporcional à diferença de temperatura entre J1, que é detectar a temperatura da chama da vela, e J2 e J3 (junção fria).  As temperaturas em J2 e J3 devem ser suficientemente próximas de modo que possam ser assumidas como sendo a mesma temperatura.
  43. 43. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 43 Como ler a tensão gerada pelo Termopar: Leis básicas dos circuitos termopares Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto A base da teoria termoeléctrica nas medições de temperatura com termopares está fundamentada em três leis que garantem a compreensão dos fenómenos que ocorrem ao se utilizar os sensores tipo termopares na obtenção de valores instantâneos de temperatura em um processo industrial específico. Lei do Circuito Homogéneo A força electromotriz (f.e.m.) termal desenvolvida em um circuito termoeléctrico formado por dois metais homogéneos mas de naturezas diferentes, depende única e exclusivamente da diferença de temperatura entre as junções e de suas composições químicas, não sendo assim interferida pelo gradiente de temperatura e nem de sua distribuição ao longo dos fios. T1 T2 A(+) B(-) f.e.m= E T1 T2 A(+) B(-) f.e.m= E T3 T4 Um exemplo de aplicação prática desta lei, é que podemos ter uma grande variação de temperatura num ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, que esta não influirá na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura entre as juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas. f.e.m= E f.e.m= E
  44. 44. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 44 Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Lei dos metais intermediários T1 T2 A(+) B(-) f.e.m= E T1 T2 A(+) B(-) f.e.m= E T3 Deduz-se daí que o circuito termoeléctrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais. T4 C Um exemplo de aplicação prática desta lei, é a utilização de contactos de latão ou cobre, para a interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote. Terceiro metal inserido Como ler a tensão gerada pelo Termopar: Leis básicas dos circuitos termopares " A Se entre dois metais diferentes que fazem um termopar, se for introduzido no circuito um terceiro metal diferente , enquanto a temperatura ao longo de todo o comprimento do terceiro metal é mantida uniforme, a tensão de saída não será afectada". A(+)
  45. 45. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 45 Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Lei das temperaturas intermediários “Se um termopar com duas junções com temperaturas T1 e T2 produz uma tensão de diferença V1 e uma tensão diferença V2 entre as temperaturas T2 e T3, então a voltagem gerada quando as temperaturas são T1 e T3 será V1 + V2”.  Esta lei é muito importante para entender como medir a temperatura a partir de um termopar. Normalmente, a tensão característica de um termopar é dada para a temperatura de referência de 0ºC (32ºF). O termopar é um termopar tipo K, e o voltímetro utiliza fios de cobre. No ponto em que está ligado o voltímetro para medir a tensão, duas novas junções do par termoeléctrico são criadas! Este é um grande problema dos termopares …. Neste circuito, estas novas junções são mantidas em 0ºC (32ºF). Vejamos:  Desta forma, a voltagem medida pode ser directamente convertida em temperatura, uma vez que a tabela de conversão é geralmente para a temperatura de referência de 0 °C. Como ler a tensão gerada pelo Termopar: Leis básicas dos circuitos termopares
  46. 46. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 46 Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Lei das temperaturas intermediários Mas na vida real, a temperatura de referência não é 0oC. Olhando para o circuito à direita você pode ver um exemplo mais realista. A temperatura de referência agora é 20oC.  Esta tensão VREF é a tensão que iria ser criada pelo termopar, se a tensão de referência diferente de zero fosse medida por um termopar em que essa junção estivesse à temperatura de referência de 0 °C.  A temperatura de referência agora é 20oC. A tensão não pode ser directamente convertida em temperatura, pois a junção de referência (onde o voltímetro ligado) não está a 0 oC.  De acordo com a Lei das temperaturas intermediárias, se soubermos qual a temperatura de referência, então podemos calcular a temperatura medida, adicionando à tensão medida uma outra voltagem chamada VREF. …Eu sei que parece complicado….. Mas talvez não seja! Como ler a tensão gerada pelo Termopar: Leis básicas dos circuitos termopares
  47. 47. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 47 Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Lei das temperaturas intermediários Vejamos: O termopar é um termopar tipo K, e o voltímetro utiliza fios de cobre à temperatura de 0oC e a temperatura T2 é de 100oC. Conversão directa tirada das tabelas 4.095mV 2º Caso: No termopar a temperatura T2 é na mesma 100oC mas a temperatura das junções criadas pelo voltímetro estão a 20oC ….. O voltímetro não mede 4.095mV mas sim 3.297 mV Neste caso temos que adicionar a tensão VREF que será a tensão que o termopar mediria se as junções do voltímetro estivessem a 0oC e o termopar a 20oC, que seriam :0.798 mV Então, nós adicionamos este valor para a tensão medida e a tensão total é de 0,798 + 3,297 = 4,095 mV, o que corresponde a 100oC! Como ler a tensão gerada pelo Termopar: Leis básicas dos circuitos termopares
  48. 48. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 48 Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Consequências  Num termopar se uma das junções, é mantida a uma temperatura fixa, de referência, T2, a força electromotriz E, do termopar é unicamente função da temperatura T1 da outra junção.  Se as duas junções estiverem á mesma temperatura a f.e.m., por elas gerada será zero.  Assim, a f.e.m. de um termopar não será afectada se em qualquer ponto do seu circuito for inserido um metal genérico desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.  A diferença de potencial que aparece nos terminais de um termopar é independe do ponto escolhido para se abrir o circuito do par.  Assim, na prática, frequentemente se utiliza este facto fazendo-se a abertura coincidir com uma das junções do termopar. Como ler a tensão gerada pelo Termopar: Leis básicas dos circuitos termopares
  49. 49. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 49 J Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Correcção da fem em função da temperatura E T K N R S B As tabelas existentes da f.e.m. gerada em função da temperatura para os termopares, têm fixado a junta de referência a 0°C (ponto de solidificação da água), porém nas aplicações práticas dos termopares a junta de referência é considerada nos terminais do instrumento de medida e este se encontra-se à temperatura ambiente que é normalmente diferente de 0°C e variável com o tempo, tornando assim necessário que se faça uma correcção da junta de referência, podendo esta ser automática ou manual.  Existem também alguns instrumentos em que a compensação da temperatura é fixa em 20°C ou 25°C. Neste caso, se a temperatura ambiente for diferente do valor fixo, o instrumento indicará a temperatura com um erro que será tanto maior quanto maior for a diferença de temperatura ambiente e do valor fixo.  Os instrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer a correcção da junta de referência automaticamente, sendo um dos métodos utilizados, a medição da temperatura nos terminais do instrumento, através de circuito electrónico, sendo que este circuito adiciona à milvoltagem que chega aos seus terminais, uma milvoltagem correspondente à diferença de temperatura de 0°C á temperatura ambiente.
  50. 50. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 50 Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Erros de ligação : Usando fios de cobre Tal, procedimento é executado sem problemas desde que, o cabeçote onde estão os terminais do termopar e o aparelho de medição, estejam à mesma temperatura de medição. Geralmente nas aplicações industriais, é necessário que o termopar e o instrumento de medida se encontrem relativamente afastados, por não convir que o aparelho esteja demasiadamente próximo do local onde se mede a temperatura. Nestas circunstâncias deve- se, processar a ligação entre os terminais do cabeçote e o aparelho, através de fios de extensão ou compensação. Vejamos o que acontece quando esta norma não é seguida.
  51. 51. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 51 Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Erros de ligação : Inserção de fios de compensação Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invés de cobre usamos um fio compensado. A figura mostra de que maneira se processa a instalação. Uma solução simples que é normalmente usada na prática, será a inserção de fios de compensação entre o cabeçote e o registador ( aparelho de medida). Estes fios de compensação em síntese, nada mais são que outros termopares cuja função é compensar a queda da FEM que aconteceu no caso anterior, ocasionada pela diferença de temperatura entre o cabeçote e o registador. A vantagem desta técnica provém do facto de que os fios de compensação, além de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, também são mais resistentes. Inversão simples.
  52. 52. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 52 Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Compensações :Junta de referência a 0°C Na ilustração a maior parte da tensão é gerada onde os fios passam através da parede do forno, e, idealmente, não há gradientes de temperatura próximo da junção quente. As tensões não são grandes, tipicamente apenas cerca de 40 mV para cada 1 ° C de diferença de temperatura, mas os instrumentos mais usados exibem leituras com resolução de 0,1 ° C.
  53. 53. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 53 Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Compensações: com cabo apropriado
  54. 54. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 54 Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Outras Compensações…. O banho de gelo como Referência Qualquer par termoeléctrico, quando a 0 °C, não gera nenhuma EMF! Assim, ligando simplesmente os fios dentro de um banho de gelo, as leituras da junção-K , T1, não são alteradas! Duplo Forno de Referência Dois fornos são usados para simular o ponto de referência de gelo. Os fios do termopar são unidos na polarização oposta dentro de um forno, e, em seguida, estão ligados com os fios de cobre para o outro forno. Por terem diferentes temperaturas dentro dos fornos, a referência do ponto de gelo pode ser simulada. compensação por hardware Este é um método muito comum para compensar a temperatura na junção do termopar de cobre, também chamado "ponto de referência de gelo electrónico". De acordo com este método, um termístor é colocado no interior do bloco isotérmico. A resistência do termístor mudará de acordo com a temperatura no interior do bloco isotérmico. Utilizando uma voltagem de DC e um par de resistências para controlar o ganho, o circuito irá adicionar a tensão necessária para a temperatura específica dentro do bloco isotérmico!
  55. 55. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 55  A sensibilidade para a maioria dos sensores, exige ampliação adequada para detectar e ler correctamente o sinal, sendo que sensores diferentes podem requer diferentes circuitos electrónicos para alcançarem o seu propósito. Medição da Temperatura por Termopar Termómetros de Contacto Outras Compensações….Interfaces Electrónicos  O termopar abaixo, utiliza série de amplificadores diferenciais que permitem referenciar e sensorear pontos, afim de permitir compensação e ajustamentos.
  56. 56. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 56 Medição da Temperatura por Termopar Termopares de isolamento mineral Termómetros de Contacto É constituído de um ou dois pares termoeléctricos, que são isolados entre si e da bainha metálica, pelo pó de óxido de magnésio, que possui excelente condutibilidade térmica e alta compactação. Vantagens  Estabilidade. Resposta Rápida. Grande Resistência Mecânica e Flexibilidade.  Facilidade de Instalação. Resistência a Corrosão. Blindagem Electrostática. Rabicho Pote Pó óxido de Magnésio Bainha Plug Junta de Medida
  57. 57. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 57 Medição da Temperatura por Termopar Termopar industrial tipo J:Termopares de isolamento mineral Ferro Constantan Fios Termopar “J” Capa metalizadaÓxido Magnésio Junção Termopar Capa metalizada Encaixe de compressão ajustável armadura de aço inoxidável trança de aço inoxidável ou simples fios de ligação também disponíveis Exposta Isolada Aterrada O termopar tipo 'J' é o mais usado, seguido do do tipo 'K‘. Termómetros de Contacto
  58. 58. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 58 Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar Termopares industriais (ANSI) Tipo K Tipo J Tipo J
  59. 59. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 59 Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar Termómetros a termopares Wireless Thermocouple Temperature Data Logger Supports TC types J, K, N, and T Portáteis Industriais
  60. 60. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 60 Thermocouple Terminal Blocks Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar Termómetros a termopares
  61. 61. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 61 Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar Monitorização de termopares via USB Termopar Cabo USB LBUSB16485B 485+ 485-DATA+ DATA- I-7018 8 canais LBCSP-142-025-24 + _ 24 VDC Software EZ data Logger Rede AC
  62. 62. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 62 Termómetros de Contacto Medição da Temperatura por Termopar Monitorização e controlo local da temperatura Termopares LBCSP-142-050-24 Bus Interno Bus Interno 24 VDC RS-485 FBs-CB5 FBs-20MCTU FBs-TC6
  63. 63. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 63 Termómetros de Contacto  Termopares Vantagens Simples, robusto Operação em alta temperatura Baixo custo Sem problemas resistência dos cabos Sensor de temperatura  Resposta mais rápida às mudanças de temperatura. Desvantagens Menos estável, menos repetível. Baixa sensibilidade para pequenas variações de temperatura. Fio de extensão devem ser do mesmo tipo do termopar. Fio pode pegar ruídos eléctricos irradiados, se não for blindado. Menor precisão.
  64. 64. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 64 termoresistências metálicas semicondutoras metais ou ligas metálicas semicondutores em forma cristalina ou amorfa maior estabilidade maior precisão maior linearidade maior sensibilidade Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Resistência de um fio (ou filme metálico): A l R  R – Resistência eléctrica  – Resistividade l – Comprimento A – Área da secção transversal   nq 1  – Mobilidade n – Concentração de electrões q – Carga do electrão Resistividade das resistências metálicas, à temperatura: TTT  0   2 0 1 TT  0 – resistividade à temperatura de referência T0.
  65. 65. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 65©Helena SarmentoCap1-65 Metal  W/W/ºC)  W/W /ºC2) Platina 0,0039 -8,7510-7 Cobre 0,0043 6,2510-8 Tungsténio 0,0046 8,8010-7 Níquel 0,0068 5,1210-6  RTD de platina é das mais lineares. Ni W Cu Pt 0 100 200 300 400 500 600 -100 100 300 500 700 R (W) T (ºC)W 100R C0º semicondutor  Os Fabricantes especificam R com tabelas: Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Termoresistências metálicas
  66. 66. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 66 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) O Princípio é que a resistência eléctrica dos sensores é fortemente dependente da temperatura, e muda com a temperatura de uma forma previsível.  Os Termómetros Padrão de Resistência de Platina (Standard Platinum Resistance Thermometers (SPRTs) são os mais precisos.  Na indústria são usados, termómetros de resistência de platina mais robustos conhecidos também como IPRTs, Pt100s, RTDs (detectores de temperatura de resistência).  No entanto, eles só são adequados para uso em laboratório. Os sensores de elementos de Resistência de Platina geralmente são fabricados em quatro configurações: Wire-Wound (fio bobinado). Film (película fina). Coil (Bobine) Hollow Annulus (bobinado em anel oco) Temperature (oC) Resistência (Ohms) RTD Curva Resistência Vs. Temp. (TCR) TCR = Temperature coefficient of resistance
  67. 67. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 67 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Wire-Wound (fio bobinado) O elemento sensor de fio bobinado é construído por enrolamento de um fio detector de platina de de pequeno diâmetro em torno de um mandril não condutor. Film (película fina) TerminaisFio de Platina de pequena secção Revestimento protector Mandril não condutor Terminais Substrato de cerâmica Película fina de Platina O elemento sensor do tipo de película, é feito por deposição de uma fina camada de platina num padrão de resistência sobre um substrato de cerâmica. Uma camada de vidro é aplicada para a protecção. Coil (Bobine espiral) Tubo de vidro protector Fio de Platina de pequena secção Powder Packing Terminais O sensor de elemento em espiral, feito através da inserção dos fios de detecção helicoidais num mandril de isolamento cheio de pó, que proporciona um elemento sensor livre de tensão. Hollow Annulus (bobinado em anel oco) Terminais intermédios Bainha exterior Fio sensor de Platina Mandril de Metal Isolante O elemento do tipo anel oco é feito enrolando fio de detector de platina em torno de um mandril de metal oco resistente à corrosão. A unidade inteira é revestida com um material isolante.
  68. 68. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 68 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Efeito do fio dos terminais Alteração da leitura devido à resistência do fio dos terminais. Duas abordagens: > Determinação da resistência do condutor e compensação através do controlador. > Ligar um fio de ligação adicional a uma extremidade da RTD. > … Ou ligar um transmissor, com conversão resistência a sinal de baixa tensão e envia-lo para controlador de temperatura. 3-wire RTD 1 2 3 RTD 4-wire RTD 1 3 42 RTD
  69. 69. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 69 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Efeito do fio dos terminais: RTD de fio de Platina Mais Comum: DIN 43760  Standard temp. coeficiente (alpha =0.00385) > Para fio de 100 ohms  +0.385 ohms/OC a partir de 0oC. > alpha = declive médio de 0oC – 100oC . Uma impedância de 10W dos terminais, implica 10 / 3,85 = 26oC erro na medição. Terminal Terminal R=5W 100W RTD R=5W
  70. 70. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 70 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Efeito do fio dos terminais: RTD de fio de Platina  Correcção do Problema: Ponte Wheatstone: 3 fios >Fios C actua como terminal sensor e não transporta nenhuma corrente. >Fios A & B estão perfeitamente emparelhados, pelo que os efeitos das impedâncias será cancelado devido a estarem em pernas opostas da RTD.  Equação adicional necessária para converter a tensão de saída da ponte para impedância equivalente da RDT. >Relação não-linear entre a variação da RTD e a tensão de saída da ponte. A C B DVM RTD R3 R1 R2 Vo Vs
  71. 71. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 71 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Efeito do fio dos terminais: RTD de fio de Platina  Correcção do Problema: Ponte Wheatstone: 3 fios – Equações )2/1( 3 3 sso V RTDR R VV         Se Vs & Vo conhecidas, RTD pode ser encontrada. Vo da ponte desbalanceado com R1 = R2: Se RTD = R3  Vo = 0 & ponte está equilibrada. Para determinar RTD assumindo a resistência dos terminais iguais a zero:          os os VV VV RRTD 2 2 3
  72. 72. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 72 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Efeito do fio dos terminais: RTD de fio de Platina  Correcção do Problema: Ponte Wheatstone: 3 fios – Equações Se a RTD localizada a alguma distância da configuração de 3 fios  RL aparece em série com RTD e R3. A C B DVM R3 R1 R2 Vo Vs RTD RL RL                 os o L os os VV V R VV VV RRTD 2 4 2 2 3
  73. 73. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 73 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Efeito do fio dos terminais: RTD de fio de Platina  Correcção do Problema: Outra abordagem- 4-Fios Ohms 100 W RTD DVM + - i = 0 i = 0 Fonte de corrente DVM é directamente proporcional à resistência do RTD .Equação de conversão requerida. Insensível ao comprimento dos fios. Precisão superior a 3 fios. Desvantagem: É necessário mais um fio. - + Vo RTD Vs + - Compensação electrónica:
  74. 74. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 74 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Conversão Resistência /Temperatura A RTD é mais linear do que o termopar, mas inda é necessário seguir a curva característica. Equação Callendar-Van Dusen                                  3 100 1 100)100 1 100 TTTT TRR oT   RT = Resistência à Temperatura T.  Ro = Resistência a T=0oC.   = Coeficiente deTemperatura a T=0oC.   = 1.49 (valor típico para platina 0.00392).   = 0 T>0, 0.11 (típico) T<0. )1(0 TRRT    Exemplo: Um termómetro de resistência de platina: tem uma resistência de 150W a 20oC. Calcule a resistência em 50oC (20 = 0,00392).  Solução: )(0 T1RR   ])([ C20500.003921150 o W W167.64
  75. 75. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 75 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Identificação RTD de 2 fios usa a mesma cor de fio para ambos os terminais. RTD de 3 fios tem dois fios vermelhos e um branco. RTD de 4 fios tem dois fios vermelhos e 2 fios brancos. Medição ponta – a – ponta Medida á temperatura ambiente 1 a 2; 3 a 4. Menos de 1 ohm a um máximo de alguns ohms. 1 a 3; 1 a 4 2 a 3; 2 a 4 107 a 110 ohms 1 3 42 RTD 4-wire
  76. 76. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 76 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs)  Normalmente estão inseridas num tubo de aço inoxidável com uma graxa condutora de calor (que também amortece as vibrações). Tubos de diâmetros de padrão de 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 e 15 mm, e comprimentos de tubos padrão de 250, 300, 500, 750 e 1000 mm.  Geralmente as RTs não podem ser usadas com o elemento sensor na sua forma básica, pois são muito delicadas. Elas são geralmente construídas em algum tipo de montagem, que permitirá suportar as várias exigências ambientais a que estarão expostas quando usadas.
  77. 77. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 77 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Tipos de RTDs RTDs de Platina A Platina é de longe o material mais comum em RTDs, principalmente por causa da sua estabilidade a longo prazo no ar. Existem dois tipos de sensores de Platina, cada um com um nível diferente de doping "impurezas". Há já algum tempo que tem havido convergência nas normas de RTDs com platina, tendo a maioria dos países adoptado a norma internacional IEC751-1983, com a alteração 1, em 1986, e a alteração 2 em 1995. Os EUA continuam a manter o seu próprio padrão.
  78. 78. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 78 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) Os sensores de níquel são preferidos em aplicações sensíveis ao custo, tais como ar condicionado e bens de consumo. Porque o custo é um problema, eles são geralmente fabricados com valores de resistência mais elevados de 1k ou 2k ohms de modo que uma única conexão de dois fios pode ser utilizada (em vez de 3 ou 4 conexões de fios comuns nos tipos com Platina). RTDs de níquel – ferro De menor custo do que a RTD de níquel puro, a RTD níquel-ferro encontra aplicações em HVAC e outras e aplicações sensíveis ao custo. O alfa = 0,00518. RTDs de cobre O cobre é raramente utilizado como um elemento de detecção, sendo usado muitas vezes, quando uma bobina de cobre existe para outros fins. Por exemplo, num sensor de vibração onde a bobine faz de sistema de detecção da frequência de vibração. A mesma bobina pode ser usada para detectar as leituras da temperatura dos sensores, mas de modo que possam ser compensadas por variações de temperatura induzida. Uma outra aplicação é na medição da temperatura dos enrolamentos de motores e de transformadores eléctricos. Tipos de RTDs: RTDs de Níquel RTDs de Molibdénio O Molibdénio tem um coeficiente expansão de temperatura que combina quase perfeitamente com a alumina, tornando-se um material ideal para sensores tipo pelicula. A faixa útil de temperatura é normalmente -200 ° C a + 200 ° C e alfa de materiais = 0,00300 ohm / ohm / ° C.
  79. 79. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 79 RTDs (Resistance Temperature Detector) Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) RTD Aplicações Ar condicionado e sistemas de refrigeração. Controlo de Fornalhas. Serviços de processamento de alimentos. Pesquisa em Medicina. Produção têxtil. Industria de plásticos. Petroquímica. Microelectrónica. Medidas de temperatura em Ar, gás e líquidos. De Platina, Cobre, Níquel na faixa de –270 / 660 ºC.
  80. 80. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 80 Vantagens das RTDs  Estabilidade.  Repetibilidade.  Precisão.  Resistente a contaminação/corrosão. Desvantagens das RTDs  Custo: Platina = $$$, 2x mais caras.  Gama de temperaturas limitada.  Sensível a vibrações.  Frágil…  Tempo de resposta mais baixo, 2 a 4 vezes mais lentas.  O calor deve de ser transferido através de epóxi ou revestimento de vidro.  Todo o corpo da RTD deve de estar a uma temperatura uniforme antes de uma medição precisa ser tomada. Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs) RTDs Vs Termopares Os Termopares são de longe os sensores de temperatura mais comuns de uso industrial. RTD Probes & Assemblies
  81. 81. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 81 termistências semicondutoras silício cerâmicas PTC NTC ni – Concentração de portadores intrínsecos. Eg – Altura da banda proibida. k – Constante de Boltzman.  – Condutividade.  – Mobilidade. Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Termístores Thermal Resistors: Materiais semicondutores Resistividade dos semicondutores  pniqn    1   kT E i g eTTn 22 3   2 5 2 3   TT
  82. 82. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 82 Sensor Valor nominal ( W ) Gama de temperaturas (ºC)  W/W/ ºC) W/W/ ºC 2  KTY81-1 990-1050 - 55 a 150 7,87E-03 1,87E-05 KTY81-2 1980-2100 - 55 a 150 7,87E-03 1,87E-05 KTY83-1 990-1050 - 55 a 150 7,64E-03 1,73E-05 KTY84-1 970-1050 0 a 300 6,12E-03 1,03E-05 R(kW) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 -100 0 100 200 300 400 KTY81-2 KTY83-1 KTY84-1 KTY81-1 T (ºC) Os Fabricantes especificam a Rs com tabelas: Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Termístores Termoresistências semicondutoras
  83. 83. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 83 Rsensor RL RP Temperatura TA TB TC Rsensor RA RB RC LPBPCPAPB RRRRR  Menos lineares que termoresistências metálicas. Linearização dos sensores KTY (numa determinada gama de temperaturas). Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Termístores Termoresistências semicondutoras
  84. 84. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 84 PTCB NTCB 0 0   NTC PTC NTC NTC Negative Temperature Coeficient PTC Positive Temperature Coeficient Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Termístores Termoresistências cerâmicas semicondutoras  Misturas de óxidos metálicos (ferro, níquel, cobre, magnésio, cobalto, titânio e urânio) cozidas a altas temperaturas. TC temperatura de Curie C A B D TC T B e   0     CTeTT TT B º250 11 0 0          2 0 1 T B T T       
  85. 85. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 85 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Termístores Uma vez que o valor da resistências é elevado, geralmente vários kilohms, as conexões geralmente são de 2 fios, podendo assim serem usadas sem erro significativo. As Termístores não estão normalizadas, deve-se ter em contas as especificações do fabricante. Thermal Resistors: Materiais semicondutores, como as termístores são muito sensíveis à temperatura e a resistência aumenta/diminui muito fortemente, quando a temperatura varia. Bem adequado para uso em pequenas sondas com resposta rápida, por exemplo, como limitadores de corrente em circuitos electrónicos e em termometria médica, onde é alcançada boa sensibilidade sobre faixas de temperatura limitadas. As mais comuns são de coeficiente de temperatura negativo - (NTC). As de coeficiente de temperatura positivo - (PTC). Gama de temperaturas: -100 / 300ºC. Extremamente sensíveis: Erros -/+ 0.01ºC
  86. 86. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 86 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Termístores Um semicondutor utilizado como um sensor de temperatura. Mistura de óxidos de metais á pressão na forma grânulos, pastilha ou outras formas…Grânulos podem ser muito pequenos, inferior a 1 mm em alguns casos, são depois encapsulados em vidro /epóxi…  A resistência diminui à medida que a temperatura aumenta, coeficiente de temperatura (NTC) termístor negativo. Temperature (oC) Resistência (Ohms)  A sensibilidade típica de um termístor é de aproximadamente 3 mV / ° C a 200 ° . Pode-se ver que a curva de resistência / temperatura não é linear ao longo de um intervalo de temperatura, embora as unidades que estão disponíveis hoje com uma linearidade melhor do que 0,2% ao longo de um intervalo de temperatura de 100 ° C O modelo matemático básico utilizado para termístores é a equação Steinhart-Hart, descoberta pelos oceanógrafos IS S. R. Steinhart e Hart, que sua forma mais simples é: 1/T = A + B(ln R) +C(ln R)3 Em que T é a temperatura em Kelvin, A, B, e C são coeficientes do termístor, ln é o logaritmo natural, e R é a resistência em ohms.. Bead(glass-coated) 8.8 kW 3.1 kW 1.3 kW 300 C Disk 283W 100W 40.7W 127 C Type R at 0C R at 25C R at 50C Maximum
  87. 87. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 87 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Termístores Exemplo: O circuito da Figura é para ser usado para a medição de temperatura. O termístor é um tipo de 4 kW. O medidor é um amperímetro de 50 mA com uma resistência de 3W, Rc está ajustada para 17W, e VT, a tensão de alimentação é de 15 V. Quais serão as leituras do amperímetro para 25 °C e para 65oC? 15V 3W 4KW 17W A Termístor VT Rc mA3.73 3174000 15V R V I T T  WWW  Os termístores têm o seu valor padrão á temperatura ambiente de 25oC, para temperaturas abaixo deste valor, a resistência aumenta. Para 65oC temos que consultar o valor na tabela do termístor para essa temperatura, supunhamos que mede 950W… mA15.5 317950 15V R V I T T  WWW 
  88. 88. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 88 Thermistors Probes & Assemblies Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Termístores
  89. 89. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 89 Termómetros de Contacto Termómetros a resistência : Termístores Controlo
  90. 90. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 90 Termómetros a resistência : Termístores Medições de Temperatura com Termístores Termómetros de Contacto Símbolo
  91. 91. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 91 Termómetros a resistência : Termístores Termómetros de Contacto Vantagens Alta sensibilidade a pequenas variações de temperatura Medições mais estáveis com o uso. Podem usar fios extensores de cobre ou níquel. Desvantagens Gama de temperaturas limitada. Sensor frágil. “Drift” inicial de precisão. Descalibração se usado para além da gama específica de temperaturas. Poucos standards de substituição.
  92. 92. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 92 Termómetros de semicondutores Termómetros de Contacto Um diodo de silício (junção PN) polarizado inversamente apresenta uma tensão proporcional à temperatura da sua junção. Nos equipamentos electrónicos, inclusive industriais, é muito comum usar uma junção PN polarizada inversamente para medir a temperatura ambiente. São pequenos e resultam do facto dos diodos semicondutores terem características de tensão-corrente que são sensíveis à temperatura. Faixas de medição de temperatura são pequenas em comparação com os termopares e RTDs, mas podem ser bastante precisos e baratos.
  93. 93. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 93 Termómetros de Contacto  Uma junção entre um semiconductor dopado-N e um semicondutor dopado-P. Normalmente silício dopado-N (também germânio, gálio-arsenieto, etc.). A junção é um simples diodo polarizado directamente. PN Cátodo (K) Ânodo (A) Sentido convencional da corrente -I (A) Corrente inversa +I (mA) Corrente Directa + V -V Voltagem Directa Voltagem Inversa Polarização Directa Polarização Inversa 0,7V Silício 0,3V Germânio “Joelho” Voltage m inversa ruptura Silício -20 mA Germânio -50 mAZener Breakdown ou região de avalanche Corrente directa é dependente da temperatura. Qualquer diodo semicondutor funcionará. Normalmente é detectada, a tensão através do díodo… Termómetros de semicondutores Sensores de Temperatura à base da junção P-N
  94. 94. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 94 PN  Corrente directa através do diodo: I = I0eqV/2kT  Tensão aos terminais do diodo: Vf = Eg q  2kT q ln C II0 – Corrente de saturação. Eg – Energia da Band-gap. q – Carga do electrão. k – Constante de Boltzman. C – Constante independente da temp. T – Temperatura (K).  Se C e I são constantes, Vf é linear com a temperatura.  O diodo é um dispositivo NTC.  Sensibilidade: 1-10mV / oC (corrente dependente). -2.0 mV/oC Si, 1 mA -2.3 mV/oC Si, 10 A Termómetros de Contacto Termómetros de semicondutores Sensores de Temperatura à base da junção P-N
  95. 95. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 95 Termómetros de Contacto Termómetros de semicondutores Sensores de Temperatura à base da junção P-N  Os sensores de temperatura de semiconductores podem ser classificados em cinco tipos principais seguintes: Sensores de Temperatura de saída de tensão Estes tipos de sensores geralmente precisam de uma fonte de alimentação eléctrica para a sua excitação. Eles dão uma saída linear eficaz sob a forma de sinais de tensão. Além disso, eles oferecem bastante baixa impedância de saída… Sensores de Temperatura de saída de corrente Em oposição aos sensores de temperatura de saída de tensão, a impedância de saída destes sensores é muito alta. Eles geralmente funcionam como reguladores de corrente constantes que são projectados para passar um microamperes por grau Kelvin. Eles também precisam de uma tensão de entrada que pode variar entre 4 e 30 V.
  96. 96. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 96 Termómetros de Contacto Termómetros de semicondutores Sensores de Temperatura à base da junção P-N Sensores de Temperatura de Saída Digital Estes são os principais sensores concebidos para a integração de um sensor e um conversor de analógico para digital, numa placa de circuitos integrados. Estes sensores não oferecem interfaces digitais padrão. Por isso, eles não podem ser utilizados para a medição com dispositivos de medição convencionais. Alguns deles são especialmente fabricados para permitir o seu uso com microprocessadores para a gestão térmica. Sensores de Temperatura Silício com saída de Resistência Estes são sensores de temperatura simples, projectados com a ajuda de equipamentos de fabricação de semicondutores típico. As características de resistência/temperatura habituais dos materiais semicondutores tornam a sua utilização mais simples. Além disso, estes sensores oferecem alta tolerância para a migração do iões, por conseguinte, são adicionalmente mais estáveis em relação a outros sensores de temperatura de semicondutores. No entanto, cuidado extra deve ser exercido ao empregar esses sensores devido às suas outras características…
  97. 97. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 97 Termómetros de Contacto Termómetros de semicondutores Sensores de Temperatura à base da junção P-N  Entretanto, os modernos sensores de temperatura baseados em semicondutor são fornecidos na forma de um circuito integrado. Muitas vezes eles incluem funções que os tornam verdadeiros termómetros digitais numa única pastilha. Podem oferecer grande precisão e estabilidade, mas a faixa de temperatura é bastante limitada, variando de –50 a + 300 oC. 1,63068 centímetros 6,35 milímetros Termómetros de Semicondutores -Características dos materiais semicondutores são dependentes da temperatura. -Gama de temperaturas: -230 / 150ºC. -Alta sensibilidade -Boa linearidade. -Grande precisão.
  98. 98. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 98 Termómetros de Contacto Termómetros de semicondutores Sensores de Temperatura à base da junção P-N: LM35  O circuito é baseado em sensor de temperatura LM35 analógico, ADC0804 e AT89S51 microcontrolador. LM35 é um IC sensor de temperatura analógico que se pode medir um intervalo de temperatura de -55 a 150 ° C. A sua tensão de saída varia 10mV por ° C .
  99. 99. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 99 Termómetros de Contacto Termómetros de semicondutores Sensores de Temperatura à base da junção P-N: TMP100/101 Aplicações Controlo temperatura fonte alimentação. Protecção térmica periféricos de computador.  Portáteis. Telemóveis. Maquinaria de escritórios.  Controlo de termostatos. Monitorização sistemas HVAC. Dispositivos electromecânicos e digitais de controlo de temperatura… Os ICsTMP100 TMP101 e são ideais para medição de temperatura numa extensa variedade de aparelhos de comunicações, computadores, instrumentos de consumo, meio ambiente, aplicações industriais e instrumentação. Gama de temperatura dos –55°C aos +125°C, alta resolução, interface I2C, baixo consumo, alimentação de 2,7 a 5,5V…
  100. 100. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 100 Termómetros de Contacto Termómetros de semicondutores
  101. 101. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 101 Termómetros de Contacto Termómetros de semicondutores Termómetros de cristais líquidos Contêm cristais líquidos que mudam de cor ao longo de um determinado intervalo de temperaturas. Os cristais líquidos, como toda a matéria, são feitas de átomos. Quando aquecem, os átomos movem-se mais rapidamente. À medida que os átomos se movem de forma suficientemente rápida, a substância vai progredindo alterando o estado de sólido para líquido ou para gás. O mesmo tipo de explicação funciona para cristais líquidos. Se estiverem frios, os cristais estão mais ordenados e mais unidos, com o aumento da temperatura o espaçamento entre cristais aumenta. As moléculas que são muito sensíveis à temperatura mudam de posição / torção em relação às mudanças de temperatura. Esta mudança na estrutura molecular afecta os comprimentos de onda de luz que são absorvidos e reflectidas pelos cristais líquidos, o que resulta numa mudança aparente na cor de cada evento temperatura.
  102. 102. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 102 Termómetros de Contacto Termómetros de semicondutores Termómetros de cristais líquidos Várias misturas de cristais líquidos são usadas, cada mistura num recipiente separado e cada luz de cor para uma temperatura específica Nos de tipo digital, cada recipiente é coberto com uma matriz de um número que corresponde à temperatura à qual a mistura do recipiente torna-se mais brilhante (acende). Termómetros destinados a ser colocados na testa e a maioria dos termómetros digitais interiores são deste tipo. Sem aplicações industriais.
  103. 103. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 103 Termómetros de Contacto Vantagens: Vasta gama de aplicações.  Precisão relativa. Uso simples. Económicos. Estão em contacto físico com a substância ou objecto. Desvantagens: Requerem contacto físico.  Resposta lenta. Sujeito a detioração / contaminação. Temperatura (oC) Voltagem V Temperatura(oC) Resistência W Temperatura(oC) Resistência W Temperatura(oC) VoltagemouCorrente V/A Termopar RTD Termístor IC semicondutor
  104. 104. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 104 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto  Com nossos olhos, vemos o mundo em luz visível. Considerando que a luz visível preenche apenas uma pequena porção do espectro de radiação, a luz invisível cobre a maior parte da gama espectral restante. A radiação de luz invisível transporta muito mais informação adicional. A descoberta da radiação infravermelha William Herschel descobriu por acaso a radiação infravermelha em 1800. Através de um prisma de vidro, projectou as diversas cores da luz solar sobre uma mesa, e usando sensíveis termómetros de mercúrio, mediu a temperatura de cada cor. Com isto, ele testou o aquecimento das diferentes cores do espectro. Ele notou que a temperatura aumentava no sentido do violeta para o vermelho. No entanto notou que a temperatura subia ainda mais na área para lá da extremidade vermelha do espectro. Finalmente ele encontrou a temperatura máxima muito para trás a área vermelha. Hoje em dia, esta área é chamada de "área de comprimento de onda de infravermelhos".
  105. 105. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 105 Infravermelhos (IV) Ultravioletas (UV) Luz VisívelInfravermelhos (IV) 103 Rádio 10-2 Microondas 10-5 Infravermelhos 10-8 Ultravioletas 10-10 Raios-X 10-12 Raios-Gama 780nm3m8m15m25m50m1000m IV-próximo (NIR) IV-Médio (MIR) IV- Longínquo (FIR) O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Espectro electromagnético infravermelhos (IV) 1.5x10-6 Comprimentos de ondas IV-Térmico Infravermelhos A radiação infravermelha cobre uma parte muito limitada em toda a gama do espectro electromagnético: Inicia-se no intervalo visível de cerca de 0,78 m e termina em comprimentos de onda de cerca de 1000 m.
  106. 106. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 106 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Princípios Básicos: Radiação Térmica  Toda a forma de matéria, com temperatura acima do zero absoluto, emite energia térmica. Radiação térmica ou transmissão de calor por radiação, é a taxa de emissão de energia de um dado material, dada a sua temperatura. A radiação térmica está relacionada com a energia libertada devido às oscilações ou transições dos electrões, átomos, iões ou moléculas mantidos unidos pela energia interna do material. Nos gases ou outros materiais transparentes (materiais com absorção interna desprezível), a energia térmica irradia-se através de seu volume. Para materiais com alta absorção interna, como os metais, apenas algumas centenas de camadas atómicas mais externas contribuem para a emissão de energia térmica.
  107. 107. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 107 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Princípios Básicos: Radiação Térmica  A zona do visível abrange comprimentos de onda entre 0,4 μm e 0,7 μm, e os IV entre 0,7μm e 1000 μm. Os pirómetros de IV usam a banda entre 5 μm e 20 μm.  Os comprimentos de onda utilizados para a medição de temperatura compõem o chamando espectro electromagnético, onde está o espectro IV.  As ondas longas têm comprimentos desde 3 a 100 μm com uma temperatura de 700°C.  As ondas médias vão desde 1,4 a 3 μm, e temperaturas típicas de 950°C a 1600°C.  As ondas curtas 0,78 a 1,4 μm, com temperatura de 2200°C.  As ondas longas são mais ou menos sensíveis à cor e são absorvidas pela água.  As ondas médias são insensíveis à cor e são absorvidas prontamente pela água, por muitos plásticos e pinturas.  As ondas curtas são mais penetrantes do que as ondas longas e são boas para metais quentes.
  108. 108. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 108 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Princípios Básicos: Radiação Térmica-Lei da radiação de Planck  Cada corpo com uma temperatura acima do zero absoluto (-273,15 ° C = 0 Kelvin) emite uma radiação electromagnética a partir da sua superfície, que é proporcional à sua temperatura intrínseca. Uma parte desta chamada radiação intrínseca é a radiação infravermelha, que pode ser utilizada para medir a temperatura de um corpo (Lei de Planck da radiação).   112 5 2 , 1 12 ,    msrWm e hc TI kT hcb      Esta lei regula a intensidade da radiação emitida por unidade de área superficial numa direcção fixa (ângulo sólido) do corpo negro em função do comprimento de onda para uma temperatura fixa. Onde: h = 6.625 X 10-27 erg/sec (Constante de Planck). K = 1.38 X 10-16 erg/K (Constante de Boltzmann ) C = Velocidade da luz no vácuo. Relação da distribuição espectral da radiação térmica com a temperatura
  109. 109. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 109 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Princípios Básicos: Radiação Térmica-Lei da radiação de Planck Curva de Planck (radiação característica de um corpo negro) Fonte: Raytek 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1500°C 1000°C 542°C 260°C 20°C Relação entre Temperatura e Energia Emitanciaradianterelativa Comprimento de Onda (microns) 102 101 1 10-1 10-2 10-3 10-4 0 Porém, a lei de Panck aplica-se apenas a radiadores perfeitos, que teoricamente emitem a uma taxa de 100% da energia armazenada em forma de calor. A lei de Planck descreve, matematicamente, a quantidade de energia emitida por um material numa dada temperatura, para cada comprimento de onda .
  110. 110. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 110 Termómetros sem Contacto O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Os corpos emitem radiação a qualquer temperatura (…), mas para cada temperatura há um comprimento de onda em que a emissão de radiação é máxima. O comprimento de onda a que corresponde a intensidade máxima da radiação varia inversamente com a temperatura absoluta. 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 0.1 1 10 100 Spectralradiance[W/cm³µm] Wavelength[µm] 1500K (1226°C) 3000K (2726°C) 500K (226°C) 200K (- 73°C) 5500K (5326°C) 800K (526°C) A relação exprime-se por: máx B T   Com B= 2,898×10-3 mK, a constante de proporcionalidade. A radiação com λmax ≈ 1×10-5m , localiza-se na zona infravermelho do espectro electromagnético. Princípios Básicos: Radiação Térmica - Lei Wien
  111. 111. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 111 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Princípios Básicos: Lei de Stefan-Boltzmann A radiação total emitida por um corpo em condições ideais, é função única da temperatura. 4 Twb  Wb = Potencia radiante [W/m2] σ = Constante de Stefan-Boltzmann [5,7x10-8 W/K4m2] T = Temperatura absoluta [K]. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 WAVELENGHT (m) SPECTRALRADIANTEMITANCE (w/cm2x103(m)) Obtém-se integrando a fórmula de Planck ao longo dos comprimentos de onda. 800 k 900 k  Representam a área por baixo da curva de Planck para uma determinada temperatura.  A potência radiada por um ser humano, supondo uma temperatura 300K (27oC) e uma área de 2 m2, é de 1 kW.
  112. 112. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 112 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Princípios Básicos: : Lei de Stefan-Boltzmann - Emissividade Termómetros sem Contacto Corpo Negro: Um objecto capaz de absorver toda a radiação que incide sobre ele em qualquer comprimento de onda.  Nenhuma superfície emite mais radiação infravermelha que um corpo negro à mesma temperatura. Corpo Real: As superfícies só são capazes de emitir uma determinada porção da energia que emitiria um corpo negro.  O parâmetro que determina a capacidade de emissão é a emissividade . Um corpo real tem uma emissão dada pela Lei de Stefan-Boltzmann. wb=   T4 A emissividade representa a capacidade de emissão dos corpos reais (0 <  < 1) É igual a 0 para um corpo reflector perfeito (não absorve nenhuma radiação; É igual a 1 para um corpo negro (absorvedor perfeito).
  113. 113. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 113 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Princípios Básicos: : Lei de Stefan-Boltzmann - Emissividade Termómetros sem Contacto Para um objecto opaco a Emissividade e a Reflectividade são complementares.  Alta Emissividade significa baixa reflectividade e vice-versa. A lei da conservação da energia mostra que :  1 Onde:   Emissividade   Reflectividade   Transmissividade  Para alvos opacos  0, e a equação fica reduzida a:  1 Até agora, discutimos emissividade como uma propriedade de superfície do material. É isso e muito mais!  A forma de um objecto afecta a sua emissividade.  Para os materiais semi-transparente, a espessura vai afectar a emissividade. Outros factores que afectam a emissividade incluem:  Ângulo de visão, temperatura e comprimento de onda.
  114. 114. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 114 ê 2,^ ê 3 ê 1,^ O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto      4 Te I b b  A radiação emitida por um corpo está espacialmente distribuída: ),,( rfIb  Os perigos da radiação infravermelha não são realmente consideradas "perigos", mas "avisos". Porque os "perigos" não são extremamente graves. Mas, ainda assim podem causar danos. A exposição prolongada a níveis elevados de IV vai resultar em queimaduras e sobreaquecimento…  A emissividade de um corpo é definida como sendo a razão da radiação emitida por este corpo em relação à radiação emitida por um corpo negro. Princípios Básicos: Emissividade
  115. 115. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 115 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Princípios Básicos: Emissividade Deve-se ter em conta que  é função de  , de T e do ângulo de incidência. Variação com : A emissividade toma valores muito distintos em função da região espectral considerada Variação com T:  diminui com o aumento de T nos “Não – Metais”.   aumenta com o aumento de T nos “Metais”. Variação com ângulo de incidência: A partir de certo ângulo, a emissividade baixa rapidamente sendo nula para um ângulo de incidência de 90º.
  116. 116. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 116 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Princípios Básicos: Emissividade Distribuição espectral de diferentes Emissividades Comprimento de onda(m) Energiarelativa  =1.0 (corpo negro “blackbody”  =0.9 (corpo cinza “graybody”  varia c/ comprimento de onda (non-graybody”) A dependência do comprimento de onda da Emissividade, significa que diferentes câmaras de infravermelho podem obter valores diferentes para o mesmo objecto. E os dois estarem correctos!
  117. 117. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 117 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto  A origem do nome é do grego “pyro”, que significa fogo, e metros, que significa medida/medição. O termo foi cunhado para descrever equipamentos capazes de medir temperaturas acima da incandescência - com brilho perceptível pelo olho humano.  O impulso que motivou o desenvolvimento de pirómetros foi a necessidade de medir a temperatura de objectos muito quentes, que impossibilitavam contacto directo, como metais fundidos, cerâmicas e outros processos industriais, estrelas e também a temperatura em câmaras, como as de vácuo. Hoje em dia os pirómetros são métodos eficazes (com erros próximos de 2% e que diminuem conforme a temperatura aumenta) para medição de temperatura inclusive negativas.  O pirómetro é um tipo de termómetro. É um equipamento que mede a irradiação térmica da superfície de um objecto e informa a temperatura. Diferentes tipos de pirómetros foram desenvolvidos pelo homem – hoje trata-se de um dispositivo que não necessita de contacto, contrastando com outros meios de obter informação sobre a temperatura de um objecto, como o termopar ou como a termorresistência. Pirómetro: Princípio de funcionamento
  118. 118. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 118 O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Pirómetro: Princípio de funcionamento Cada material a ser medido apresenta uma resposta espectral própria (emissividade). Temperaturas baixas (< 500ºC) apresentam radiação IV na área não visível, porém a partir de 600ºC a radiação IV começa a entrar no espectro visível. A Emissividade é o termo usado para quantificar as características de emissão de energia de diferentes materiais e superfícies. Por exemplo, um sensor com uma resposta espectral de 3,43 microns é optimizado para medir a temperatura superficial de polietileno e derivados. Um sensor de 5 microns é usado para medir a superfície do vidro, e um sensor de 1 micron, para metais e lâminas metálicas. Portanto, para uma medição correcta, torna-se necessário conhecer o material a ser medido para o ajuste manual no equipamento da emissividade, que, normalmente, varia entre 0,1 e 1 micron.
  119. 119. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 119 Alvo Fonte de Calor I A R T E I - Radiação Incidente. R - Radiação reflectida. T - Radiação Transmitida. A - Radiação absorvida. E - Radiação emitida. Fonte de Calor Ambiente Sensor  A energia emitida pelo objeto atinge o sistema óptico do instrumento, que conduz a energia para um ou mais detectores fotossensíveis. O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Pirómetro: Princípio de funcionamento  O detector converte a energia IV num sinal eléctrico que, por sua vez é convertido num valor de temperatura, que se baseia na equação de calibração do sensor e na emissividade do alvo.
  120. 120. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 120 Objecto Atmosfera Electrónica, Display ou outras saídas Janela e Óptica 453¡C SP1 470¡C EMS ¯.85 Detector O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV) Termómetros sem Contacto Pirómetro: Princípio de funcionamento  Um sensor foto sensível sintonizado para detectar uma banda específica do espectro IV, recebe energia radiante do alvo através do sistema óptico.  A energia radiada é proporcional a emissividade a dada temperatura e comprimento de onda, de forma que para obter um valor preciso e coerente de temperatura para uma superfície o operador precisa conhecer a emissividade do material que ele está medindo.  Qualquer que seja o equipamento, ele indicará sempre a temperatura média da área delimitada pelo campo de visão do aparelho.
  121. 121. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 121 Termómetros sem Contacto Pirómetro: Princípio de funcionamento O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)  Ele captura a energia infravermelha invisível emitida a partir de todos os objectos acima do zero absoluto. A energia é então convertida para um sinal eléctrico que depois de processado indica num visor as unidades de temperatura.  A física por detrás do pirómetro por radiação está na relação entre a radiação térmica e a temperatura através da lei de Stefan-Boltzmann e Lei de deslocamento de Wien.  São compostos de dois mecanismos que actuam em conjunto na informação da temperatura da superfície de um objecto:Um sistema óptico. Um sistema de detecção. O sistema óptico focaliza a radiação térmica do objecto sobre um detector, permitindo que o mesmo adquira radiação de uma forma constante e eficiente, e selecciona os diferentes comprimentos de onda através de filtros. O sistema de detecção utiliza basicamente dois processos para informar a temperatura: Um processo quântico. A corrente depende da temperatura. Um processo térmico. A tensão gerada depende da temperatura. Os pirómetros estão divididos em dois grandes grupos: ópticos e de radiação.
  122. 122. Automação Industrial: Sensores de temperatura 18/06/2015 Por : Luís Timóteo 122 Termómetros sem Contacto Pirómetro: Princípio de funcionamento - Óptica O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)  O sistema óptico determina o diâmetro da área circular ou campo de visão do aparelho.  O objecto deve preencher o Campo de Visão. Objecto maior que área de leitura Objecto igual à área de leitura Objecto menor que área de leitura Ideal Bom Errado Sensor Fonte: Raytek

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