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Técnicas de medição de temperatura [modo de compatibilidade]
O documento discute os principais instrumentos utilizados para medição de temperatura, incluindo termômetros de vidro, bimetálicos e de bulbo de pressão, termopares e suas características, e como compensar a junção fria nos termopares.
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Técnicas de medição de temperatura [modo de compatibilidade]
- 1. Instrumentos de Medição deTemperatura Professor Marcelo Magalhaes Barbosa
- 2. Introdução Estudaremos os principaisdispositivos utilizados para a medição de temperatura, enfocando os princípios de funcionamento em que eles se baseiam 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 2
- 3. Conceitos Básicos Temperatura Calor Pontos Fixosde Temperatura Tipos de Escalas Termométricas Unidades de Calor
- 4. Conceito Básico deTemperatura “A temperatura de um corpo corresponde à medida do grau de agitação de suas moléculas”. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 4
- 5. Conceito Básicos Calor É aenergia térmica em trânsito; É uma das formas mais comuns de energia que se origina da energia cinética das moléculas dos corpos. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 5
- 6. Conceitos Básicos Pontos Fixosde Temperatura 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 6
- 7. Conceitos Básicos Tipos deEscalas Termométricas 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 7
- 8. Conceito Básicos Calorimetria É oconjunto de métodos experimentais que objetivam medir a quantidade de calor recebida ou desprendida por um sistema quando este sofre uma transformação física ou química. Quantidade de calor é a energia cinética total das moléculas. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 8
- 9. Conceitos Básicos Unidades deCalor A unidade de calor mais utilizada é a caloria (cal), que corresponde à quantidade de calor necessária para elevar de 1 ºC a temperatura de 1g de água. Na maioria das aplicações é mais usada a quilocaloria (kcal) que vale 1000 calorias. A unidade térmica inglesa (BTU) é igual a 0,252 kcal, sendo muito utilizada na especificação de aquecedores e condicionadores de ar. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 9
- 10.
- 11. Termômetro Vidro Os dois líquidosmais usados são: o álcool, para uma faixa de -100 ºC a + 50 ºC e o mercúrio, numa faixa de 40 ºC a + 648 ºC Vantagens: boa precisão; baixo custo; simplicidade de construção A sua desvantagem é a fragilidade 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 11
- 12. Termômetro Bimetálico A faixa deutilização do termômetro bimetálico é de - 50 ºC a + 550 ºC. Estes termômetros normalmente só permitem o ajuste de zero e, quando se danificam, não têm conserto. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 12
- 13. Termômetro Bimetálico Vantagens: fácil leitura; baixo custo. Desvantagens: nãopermite leitura remota; não permite ajuste de faixa, já que ela depende da lâmina bimetálica. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 13
- 14. Termômetro Bulbo de Pressão Ostermômetros com bulbo de pressão são de três tipos: termômetros a pressão de líquidos; termômetros a pressão de gás; termômetros a tensão de vapor. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 14
- 15. Termômetros Bulbo de Pressãode Líquidos As faixas de utilização destes termômetros são as seguintes: mercúrio: - 35 a + 540 ºC; xilol: - 40 a + 400 ºC; álcool: - 50 a + 150 ºC. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 15
- 16. Termômetros Bulbo de Pressãode Gás O gás mais utilizado é o nitrogênio, por ser inerte e abundante, embora outros gases inertes como hélio e neônio também sejam empregados em menor escala. Como a pressão do gás é inferior à do líquido, o seu bulbo é maior. A compensação de temperatura é igual à do bulbo líquido, porém não há necessidade de compensar a elevação, pois o peso da coluna de gás é irrelevante. A faixa de utilização é de -200 ºC a +800 ºC e é linear. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 16
- 17. Termômetros Bulbo de Pressãode Tensão de Vapor Nestes tipos de termômetros empregam-se líquidos voláteis, como alguns hidrocarbonetos, cloreto de metila, dióxido de enxofre, etc. A escala para estes termômetros não é linear, sendo de preferência utilizada a parte superior, por ser expandida. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 17
- 18. Termômetros - Bulbode Pressão Compensação de Temperatura Dois métodos são usados para este fim. No primeiro, é utilizado um bimetal para corrigir o ponteiro. No segundo caso, emprega-se outro elemento medidor com capilar que chega até o bulbo, sendo, porém, a sua extremidade aí fechada, e a ação do segundo medidor oposta à do primeiro. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 18
- 19. Termômetros - Bulbode Pressão Compensação de Coluna Líquida Nos casos onde o bulbo é instalado acima ou abaixo do instrumento de medição, haverá necessidade de compensar a pressão à coluna de líquido. Isto é feito pelo reajuste do zero do instrumento no local onde ele é instalado. Este problema é minimizado quando o sistema é projetado para manter uma alta pressão interna. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 19
- 20. TERMOPARES Princípio de Funcionamento Classificaçãodos Termopares (Quanto ao Tipo de Liga) Confecção da Junção Quente do Termopar Localização da Junção Fria Isolação do Termopar Ligação dos Termopares Compensação da Junção Fria Método de Identificação da Polaridade dos Termopares
- 21. Termopares Princípio de Funcionamento Paraque se possa entender o princípio de funcionamento dos termopares, devem-se observar os seguintes efeitos termoelétricos: Efeito Seebeck; Efeito Peltier; Efeito Thompson 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 21
- 22. Termopares Efeito Seebeck Quando doisfios metálicos, de naturezas diferentes são unidos por suas extremidades, e estas estão submetidas a temperaturas diferentes, constata-se o surgimento de uma força eletromotriz, da ordem de alguns milivolts 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 22
- 23. Termopares Relação FEM x∆T 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 23
- 24. Termopares Efeito Peltier Nas junçõesfeitas entre dois fios metálicos distintos, é absorvido ou liberado calor, quando se faz circular por eles uma corrente elétrica. A aplicação prática deste efeito é restrita, visto que, sendo usado na indústria aeroespacial e em geladeiras portáteis. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 24
- 25. Termopares Efeito Thompson A magnitudeda força eletromotriz (F.E.M.) gerada a partir da diferença entre as temperaturas das junções de dois metais diferentes depende da natureza desses metais. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 25
- 26. Termopares Vantagens X Desvantagens Vantagensdo emprego de termopares: baixo custo do elemento; rapidez de resposta; faixa ampla de operação. Desvantagens do emprego de termopares: necessidade de fio de extensão especial; necessidade de compensação da junção fria; sua resposta não é exatamente linear; necessitam de troca periódica. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 26
- 27. Termopares Classificação dos Termopares tipoT → composição: cobre e constantan; tipo J → composição: ferro e constantan; tipo K → composição: chromel e alumel; tipo E → composição: chromel e constantan; tipo S → composição: platina + ródio 10 % e platina; tipo R → composição: platina + ródio 13 % e platina; tipo B → composição: platina + ródio 30% e platina + ródio 6 %. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 27
- 28. Principais Termopares Industriais J- ferro e constantan; K - chromel e alumel; T - cobre e constantan; S - platina e platina ródio. Observações: constantan é uma liga com 60 % de cobre e 40 % de níquel; cromel é uma liga com 10 % de cromo e 90 % de níquel; alumel é uma liga com 94 % de níquel, 3 % de manganês, 2 % de alumínio e 1 % de silício; existem dois tipos de platina-ródio. A usada no termopar tipos S tem 10 % de ródio; a usada no tipo R tem 13 %. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 28
- 29. Termopares Ferro - Constantan Éo tipo de termopar mais utilizado, por ser de baixo custo e ter saída elétrica relativamente elevada. É utilizado para medir temperaturas desde - 0 ºC até 750 ºC. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 29
- 30. Termopares Cromel-Alumel Possui uma saídaelétrica aproximadamente linear. É utilizado na faixa de -200 ºC a 1.250 ºC. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 30
- 31. Termopares Cobre-Constantan Pode ser obtidoem fios bastante finos, podendo ser instalado em espaços reduzidos. Tem uma faixa de utilização de -200 ºC a 350 ºC. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 31
- 32. Termopares Platina-Ródio Apresenta excelentes propriedadesmecânicas e químicas, sendo indicados para medidas de precisão. Tem uma faixa de utilização de 0 ºC até 1.450 ºC. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 32
- 33. Termopares Confecção da JunçãoQuente A confecção da junção quente pode ser executada por solda oxiacetilênica ou por solda elétrica. Normalmente as pontas dos dois metais são fundidas juntas, tomando-se o cuidado de fornecer maior calor inicial ao material que tiver o ponto de fusão mais elevado. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 33
- 34. Termopares Localização da JunçãoFria A junção fria se encontra no local onde terminam os fios de termopar ou fios de compensação quando forem usados. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 34
- 35. Termopares Isolação O termopar podeser isolado com missangas dde cerâmica ou ser produzido com isolação mineral 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 35
- 36. Termopares Ligação dos Termopares Asligações dos termopares podem ser: ligação simples; ligação série aditiva; ligação em paralelo; ligação série oposição. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 36
- 37. Termopares Ligação Simples Este éo tipo mais comum de ligação de termopar. Consiste na ligação de um termopar ao instrumento de leitura, sendo utilizada para a medição da temperatura em um ponto. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 37
- 38. Termopares Ligação Série Aditiva Estaligação é feita em dois ou mais termopares em série aditiva, ou seja, o material positivo de um termopar com o material negativo do outro termopar, ou viceversa 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 38
- 39. Termopares Ligação em Paralelo Estaligação é feita ligando-se os terminais comuns de dois ou mais termopares, os quais são conectados depois ao instrumento de leitura. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 39
- 40. Termopares Ligação Série emOposição Esta ligação tem como objetivo medir a diferença de temperatura entre dois pontos. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 40
- 41. Termopares Compensação da JunçãoFria 600 570 ºC JF 30ºC JF 0ºC JQ 600ºC ºC JQ 600ºC 600 ºC Leitura: 570 + Correção: 30 JF 30ºC 23/10/2013 00:42 JQ 600ºC Isntrumentos de Medição de Temperatura 41
- 42. Termopares Fios e Cabosde Extensão e Compensação 550 JF 80ºC 30ºC ºC 600 TERMOPAR 80 520 COMPENSAÇÃO + 30 550 LEITURA JQ 600ºC 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 42
- 43. Termopares Inversão de Cabos -440ºC JF 80ºC 30ºC -520 TERMOPAR 50 EXTENSÃO + 30 COMPENSAÇÃO -440 LEITURA JQ 600ºC 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 43
- 44. Termopares Inversão de Cabos -440ºC JF 80ºC 30ºC -520 TERMOPAR 50 EXTENSÃO + 30 COMPENSAÇÃO -440 LEITURA JQ 600ºC 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 44
- 45. Termopares Método de Identificaçãoda Polaridade dos Termopares As polaridades dos termopares podem ser identificadas das seguintes maneiras: magneticamente; por meio do código de cores. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 45
- 46. Termopares – Métodode Identificação Magneticamente Este método consiste em identificar o elemento magnético do par termoelétrico utilizando um ímã. Por exemplo, no termopar ferro-constantan, o ferro é magnético, o constantan não. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 46
- 47. Tipo Termopares – Métodode Identificação Identificação por meio do Código de Cores Tipo de Termo par Cores dos Codutores Material dos Condutores Norma Americana (ANSI) Norma Alemã (DIN) positivo negativo positivo negativo positivo negativo T cobre constantan azul vermelho vermelho marrom J ferro constantan branco vermelho vermelho azul K chromel alumel amarelo vermelho vermelho verde E chromel constantan roxo vermelho - - S platina + ródio 10 % platina preto vermelho vermelho branco R platina + ródio 13 % platina preto vermelho vermelho branco B platina + ródio 30 % platina + ródio 6 % cinza vermelho - - 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 47
- 48. BULBO DE RESISTÊNCIA OU TERMORESISTÊNCIA Termoresistores Metálicos Construção PrincipioFisico de Medição Características das Termoresistências Tipos de Bulbos de Resistência Tipos de Ligação Características dos Materiais Empregados em Termoresistores Vantagens dos Termoresistores
- 49. BULBO DE RESISTÊNCIA OUTERMORESISTÊNCIA Nas faixas onde os termopares não atuam eficazmente, utilizam-se os bulbos de resistências ou termoresistência, que são sensores elétricos de temperatura mais precisos. Os termoresistores se dividem em dois grupos principais: termoresistores metálicos; termistores. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 49
- 50. TERMORESISTÊNCIA Termoresistores Metálicos O termoresistormetálico é uma termossonda constituída de um filamento resistivo de platina, níquel ou cobre, revestido de vidro, cerâmica ou material polimerizável. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 50
- 51. TERMORESISTÊNCIA Construção Os bulbos deresistência são montados em um tubo metálico preenchido com um pó mineral isolante. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 51
- 52. TERMORESISTÊNCIA Princípio Físico deMedição A medição de temperatura com bulbos de resistência está baseada na propriedade que têm os metais de alterar sua resistência elétrica com a mudança da temperatura. Essa relação se apresenta positiva e, praticamente, linear com a maioria dos metais. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 52
- 53. TERMORESISTÊNCIA Características As termoresistências (oubulbos de resistênica) possuem algumas características que devem ser consideradas. São elas: estabilidade; precisão; aquecimento próprio. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 53
- 54. TERMORESISTÊNCIA Estabilidade Estes sensores possuemsuas características elétricas praticamente invariáveis para a mesma temperatura, ou seja, apresentam excelente repetibilidade, destacam-se os sensores de platina, que por sua grande estabilidade são adotados como padrão, para definir a escala internacional de temperatura. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 54
- 55. TERMORESISTÊNCIA Precisão o C -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 ±C 1,2 0,7 0,3 0,6 1,2 1,8 2,4 3,0 3,6 o ± C 3,6 3,0 2,4 1,8 1,2 0,7 0,6 0,3 o 0 -200 -100 0 100 200 300 400 500 C 600 VARIAÇÃODE TOLERÂNCIA 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 55
- 56. TERMORESISTÊNCIA Aquecimento Próprio As termoresistências se esquentam ligeiramente, quandouma corrente elétrica circula por elas. Esse aquecimento provoca uma variação do seu valor ôhmico. A magnitude do erro provocada por essa variação depende da potência dissipada e de uma constante (K), própria de cada elemento 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 56
- 57. TERMORESISTÊNCIA Tipos de Bulbosde Resistência Os bulbos de resistência podem possuir sensores de platina (Pt), cobre (Cu) ou níquel (Ni). 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 57
- 58. TERMORESISTÊNCIA Bulbo de Resistênciade Platina não sujeita à corrosão; ponto de fusão elevado; pode ser obtida em fios extremamente finos; alto grau de pureza; relação temperatura x resistência bastante estável; coeficiente de aquecimento (K) elevado. Este tipo de bulbo de resistência é comumente conhecido como Pt-100 (Pt por ser de platina e 100 porque a 0 °C apresenta uma resistência de 100 Ω). É recomendado para temperatura na faixa de medição de -239 oC até 630 oC. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 58
- 59. TERMORESISTÊNCIA Bulbo de Resistênciade Níquel Este tipo de bulbo não é tão utilizado quanto o Pt-100, mas, por seu baixo custo em relação aos bulbos de platina, encontra aplicabilidade em faixas de temperatura menores (de - 150 °C a 300 °C). 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 59
- 60. TERMORESISTÊNCIA Bulbo de Resistênciade Cobre Este tipo de bulbo apresenta sobre o níquel a vantagem de que o cobre pode ser obtido eletrolíticamente em elevado grau de pureza, garantindo a estabilidade do seu coeficiente térmico. A faixa de aplicação desses bulbos vai de -12 °C a 120 °C, limitada pela sua tendência de oxidação a temperatura elevadas. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 60
- 61. TERMORESISTÊNCIA Tipos de Ligação Deacordo com o tipo de instalação, os bulbos de resistência podem ser instalados das seguintes maneiras: ligação com 2 fios; ligação com 3 fios; ligação com 4 fios. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 61
- 62. TERMORESISTÊNCIA Ligação com 2Fios 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 62
- 63. TERMORESISTÊNCIA Ligação com 3Fios 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 63
- 64. TERMORESISTÊNCIA Ligação com 4fios 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 64
- 65. Características dos MateriaisEmpregados em Termoresistores Alto Coeficiente de Resistência/Temperatura Alta Resistividade Estabilidade Linearidade da função Resistência/Temperatura Resistência Mecânica 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 65
- 66. TERMORESISTÊNCIA Alto Coeficiente deResistência/Temperatura Maior alteração na resistência por grau centígrado proporciona maior sensibilidade na medição. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 66
- 67. TERMORESISTÊNCIA Alta Resitividade Um índicemaior de resistência por metro permite construir termoresistores mais compactos. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 67
- 68. TERMORESISTÊNCIA Estabilidade O material precisamanter estáveis suas características dentro de uma ampla faixa de temperatura e ter boa durabilidade. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 68
- 69. TERMORESISTÊNCIA Linearidade da FunçãoResistência/Temperatura Essa propriedade é importante porque resultará numa escala de indicação também linear, além de facilitar a compensação da linha de transmissão. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 69
- 70. TERMORESISTÊNCIA Resistência Mecânica O fioempregado no termoresistor tem que ser resistente a choques, vibrações, etc. A platina, com exceção do custo, possui todas as características ideais para a fabricação dos termoresistores. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 70
- 71. Vantagens dos Termoresistores grandesensibilidade; resposta rápida; podem ser utilizados em atmosfera corrosiva; manutenção simples; grande durabilidade; dispensam linhas de compensação. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 71
- 72. Desvantagens dos Termoresistores nãosuportam vibrações constantes; faixa de trabalho restrita; custo elevado; difícil utilização em instrumentos galvanométricos; extremamente sensíveis à baixa isolação. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 72
- 73. TERMISTORES •Seu funcionamento ésemelhante aos bulbos de resistência, porém sua característica de variação de temperatura é negativa, por isso são conhecidos como NTC, que quer dizer “coeficiente negativo de temperatura”. São semicondutores constituidos de óxidos de metais, como cobalto, níquel, manganês, etc. 23/10/2013 00:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 73
- 74. TERMISTORES Variação da Resistência 23/10/201300:42 Isntrumentos de Medição de Temperatura 74
- 75. PRODUÇÃO Professor Marcelo MagalhaesBarbosa mmbarbosasenaibm@gmail.com Técnica Viviana Meireles ameivivi@gmai.com