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Medição de Temperatura • • • • • •
Introdução; Sensores de temperatura à dilatação; Sensores de temperatura à pressão; Termopares Termômetros de resistência Pirômetros de radiação
Instrumentação e Controle
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Medição de Temperatura • Introdução – Conceitos; – Escalas de temperatura.
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Conceitos • Temperatura – é o grau de agitação térmica das moléculas.
• Calor – é energia em trânsito ou a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura.
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Conceitos • Lei zero da termodinâmica – Dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro, estão em equilíbrio térmico ente si.
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Conceitos • PIROMETRIA - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. • CRIOMETRIA - Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura. • TERMOMETRIA - Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria, como a Criometria que seriam casos particulares de medição. Instrumentação e Controle
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Transmissão de Calor • A condução – é um 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 meios diferentes em contato físico direto.
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Transmissão de Calor • A convecção – é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento da mistura. A convecção é mais importante como mecanismo de transferência de energia ( calor ) entre uma superfície sólida e um líquido ou gás.
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Transmissão de Calor • A convecção Natural ou livre – Quando o movimento se dá em função exclusivamente pelo resultado da diferenças de densidade causadas pelos gradientes de temperatura.
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Transmissão de Calor • A convecção Forçada – Quando o movimento se dá, não somente em função do resultado da diferenças de densidade, mas sim do uso de algum mecanismo que sirva para ativar a circulação do fluido (ex. ventilador, motobomba, etc).
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Transmissão de Calor • A radiação – é um 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 um vácuo entre eles.
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Escala Termométrica • Mais usadas: – Fahrenheit; – Reaumur – Celsius; – Rankine; – Kelvin;
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Escala Termométrica • Fahrenheit • • • •
Escala de temperatura proposta por Gabriel Fahrenheit em 1724. Na escala Fahrenheit, o ponto de fusão da água é de 32 graus, e o ponto de ebulição é de 212 graus. Esta escala está atualmente confinada aos países anglo-saxões, especialmente Estados Unidos. Os demais países anglo-saxões, no entanto, estão adaptando-se ao uso da escala Celsius. Para uso científico, tem uma companheira, a escala de Rankine, que leva o 0 da escala ao zero absoluto, de forma similar ao que ocorre entre as escalas Kelvin e Celsius.
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Escala Termométrica • Réaumur •
• •
é uma escala de temperatura concebida em 1731 pelo físico e inventor francês René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) Pontos fixos são o ponto de congelamento da água (zero) e seu ponto de ebulição (80 graus). Seu símbolo é geralmente °Ré, apesar de °r às vezes ser usado.
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Escala Termométrica •
Celsius • • • •
•
Homenagem ao astrônomo sueco Anders Celsius (1701–1744). Em 1742 a escala de temperatura Celsius foi concebida Ponto de congelamento da água corresponde a 0 grau, e o ponto de evaporação corresponde a 100 graus observados a uma pressão atmosférica padrão. Como existem cem graduações entre esses dois pontos de referência, o termo original para este sistema foi centígrado (100 partes) ou centésimos. Em 1948, o nome do sistema foi oficialmente modificado para Celsius durante a 9° Conferência Geral de Pesos e Medidas, tanto em reconhecimento a Celsius como para eliminar a confusão causada pelo conflito de uso do prefixos centi do SI. Portanto, não é conveniente dizer "graus centígrados" e sim "graus Celsius". O símbolo é °C Instrumentação e Controle
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Escala Termométrica •
Celsius •
Enquanto que os valores de congelamento e evaporação da água são aproximadamente corretos, a definição original não é apropriada como um padrão formal: ela depende da definição de pressão atmosférica padrão, que por sua vez depende da própria definição de temperatura. A definição oficial atual de Celsius define 0.01 °C como o ponto triplo da água, e 1 grau como sendo 1/273.15 da diferença de temperatura entre o ponto triplo da água e o zero absoluto. Esta definição garante que 1 grau Celsius representa a mesma diferença de temperatura que 1 Kelvin.
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Escala Termométrica •Rankine •
• •
É uma homenagem ao engenheiro e físico escocês William John Macquorn Rankine; Escala proposta em 1859. Como a escala kelvin, o 0ºR (Rankine) é o zero absoluto, mas as variações em graus Fahrenheit são utilizadas. Assim, a variação de um grau R equivale a variação de um grau F.
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Escala Termométrica •
Kelvin •
• • •
O kelvin recebeu este nome em honra do físico e engenheiro William Thomson, que se tornou Lorde Kelvin; Em 1954 na 10ª CGPM (resolução 3) foi definida a unidade de temperatura termodinâmica que recebeu o nome de grau Kelvin e o símbolo ºK; É uma das sete unidades-base do SI. É definida por dois fatores: zero kelvin é o zero absoluto (quando param os movimentos moleculares), e um kelvin é a fração 1/273.15 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água (0.01°C);
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Escala Termométrica •
Kelvin •
•
•
Em 1967 (13ª CGPM, Resolução 3) ficou definido que o kelvin deveria ser escrito com um k minúsculo (excepto, claro, no princípio das frases) e não deve ser precedido pelas palavras grau ou graus ou o símbolo °, como os graus Celsius ou Fahrenheit. Isto acontece porque estas são escalas de medição, enquanto que o kelvin é uma unidade de medição; O "grau" foi removido. Note que o símbolo (não a abreviatura) para o kelvin é sempre um K maiúsculo e nunca é escrito em itálico. Há um espaço entre o número e o K, como em todas as unidades restantes do SI.
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Escala Termométrica absolutas o
R
relativas o
K
F
o
C
o
Ré
Ponto de ebulição da água
671,67 373,15
212
100
80
Ponto de fusão do gelo
491,67 273,15
32
0
0
0
-459,67
-273,15 -218,52
Zero absoluto
0
C o F 32 K 273,15 o R 491,67 o Ré 5 9 5 9 4
o
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Escala Termométrica IPTS - Escala Internacional Prática de Temperatura • Na 7a Conferência Geral de Pesos e Medidas em 1927 com 31 nações representadas, foi adotada uma escala prática internacional de temperaturas baseada em fenômenos de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas de temperatura e pressão. São chamados de pontos fixos de temperatura. • Exemplos de pontos fixos primários na pressão da atmosfera padrão de 101325 N/m²: – Ponto de solidificação do Ouro = 1064,43 oC – Ponto de ebulição da água = 100,00 oC
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Medição de Temperatura • Sensores de tempertaura à dilatação – Termômetros bimetálicos; – Termômetros de haste de vidro;
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Termômetro Bimetálico • Princípio: Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. ti Li
L
tf Lf
Se L L f Li e t t f ti , temos : L Li . .t L f Li Li . .(t f ti ) L f Li Li . .(t f ti )
L f Li [1 .(t f ti )]
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Termômetro Bimetálico Construção: O termômetro bimetálico consiste em duas laminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional a temperatura. 6 o 1 latão
19 x10
in var 0,7 x10
C
6 o
C
1
Latão = liga de Cobre (67%) e Zinco (33%) Invar = liga de Ferro (64%) e Níquel (36%) Instrumentação e Controle
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Termômetro Bimetálico Na prática a lamina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade. HÉLICE
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Termômetro Bimetálico –
RECOMENDAÇÕES DE USO: 1. Faixa de especificação: -40 a 535 °C;
2. O latão é útil até aproximadamente 150 °C; 3. Acima de 150 °C, deve-se usar liga de Níquel-Cromo; 4. Calibração por comparação.
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NBR 13881 - Termômetro Bimetálico NBR 13881 – Recomendações de fabricação e uso – Terminologia, segurança e calibração Objetivos: Fixa as condições exigíveis do termômetro bimetálico para uso industrial, no que concerne aos aspectos de terminologia, recomendações gerais dimensionais e construtivas, especificações de segurança e de utilização e procedimentos de ensaio. Promover a intercambialidade, estabelecendo uma série de hastes dom dimensões padronizadas preferenciais, tais como comprimento e diâmetros.
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NBR 13881 - Termômetro Bimetálico Faixas de indicação (Recomendadas): Para aplicações industriais e comerciais:
Para laboratório, termômetros frigoríficos e de bolso:
•- 30°C a 70°C
•- 50°C a 50°C
• 0°C a 60°C
• 0°C a 60°C
• 0°C a 100°C
• 0°C a 100°C
• 0°C a 160°C
• 0°C a 160°C
• 0°C a 250°C
• 0°C a 250°C
• 0°C a 400°C
• 0°C a 400°C
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NBR 13881 - Termômetro Bimetálico Calibração: Conceito de exatidão: grau de concordância verificada na comparação de indicadores de temperatura entre o valor observado no instrumento e um valor aceito como verdadeiro. Considera-se o erro máximo admissível aquele resultado desta comparação, expresso em porcentagem da faixa de indicação do instrumento. O erro de exatidão inclui histerese e repetibilidade, mas não o erro causado por atrito ou paralaxe. Procedimento: do começo ao fim da calibração, a temperatura do banho deverá ser medida usando-se um padrão de referência calibrado com uma exatidão quatro vezes melhor que o termômetro a ser calibrado. Imergir a haste do termômetro até a profundidade recomendada pelo fabricante. Antes de iniciar a calibração efetuar um pré-ciclo de imersão da haste em banhos quente e frio com temperaturas perto dos valores máximo e mínimo da faixa nominal. As leituras devem ser tomadas aproximadamente a : a) 10% da faixa de indicação b) 50% da faixa de indicação c)100% da faixa nominal de indicação de forma crescente e decrescente em pelo menos dois ciclos de ensaios para verificação de histerese e repetibilidade. O termômetro pode ser levemente batido antes de cada leitura, de modo a minimizar os erros de atrito. Instrumentação e Controle
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Termômetro Bimetálico –
Calibradores:
1. Bloco seco; 2. Banho Maria.
Temp range
$1720.00 (USD)
35 to 375°C
Accuracy
±0.25°C at 100°C; ±0.5°C at 375°C
Stability
±0.1°C at 100°C; ±0.3°C at 375°C
Temp range Display accuracy
Stability Display resolution Instrumentação e Controle
$7320.00 (USD)
-35.0 to 200.0°C ± 0.025°C
± 0.01°C 0.1, 0.01 °C
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Termômetro Bimetálico Caixa: Caixa e anel de engate tipo baioneta em aço inoxidável AISI-304. Acabamento polido. Diâmetros nominais de 66mm e 114mm para o modelo BIA-IN; e 114mm somente para os modelos BIR-IN e BIE-IN. Opcionalmente versão cheia de silicone (somente nos modelos BIA-IN e BIE-IN no diâmetro 114mm). Grau de proteção IP 65; Mostrador: Alumínio, fundo branco e marcação preta; Ponteiro:Alumínio, balanceado, com ajuste tipo fricção; Precisão: 1%; Sistema sensor: Bimetal helicoidal;
Montagem: Local; Instrumentação e Controle
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Termômetro Bimetálico Conexão de processo: Fixa 1/2" NPT ou BSP, ou deslizante 1/2" ou 3/4" NPT ou BSP; Faixas de temperatura: Desde -50°C até 500°C (veja seleção de escalas); Aplicações: Medição de temperatura local em processos químicos, petroquímicos, alimentícios, usinas geradoras de energia, papel e celulose e indústrias em geral, que trabalhem em condições de agressividade do ambiente e/ou do fluido de processo compatíveis ao aço inoxidável. Instrumentação e Controle
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Termômetro por Dilatação/Expansão –
TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO
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Termômetro por Dilatação/Expansão – TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO: • Os termômetros de dilatação de líquidos, baseiamse na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado. Vt = Vo.[ 1 +1.(t) + 2.(t)2 + 3.(t)3 ]
Vt = Vo.[ 1 +1.(t) ] β1, β2, e β3 = coeficiente de expansão do líquido Instrumentação e Controle
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Termômetro por Dilatação/Expansão – TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO • Construção: – É formado por um bulbo de vidro ligado a um tubo capilar, também de vidro, de seção uniforme e fechado na parte superior. O bulbo e parte do capilar são preenchidos por um líquido sendo que na parte superior do capilar existe uma câmara de expansão para proteger o termômetro no caso da temperatura exceder o seu limite máximo. – Sua escala é linear e normalmente fixada no tubo capilar no invólucro metálico. – Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico e o tubo capilar pelo invólucro metálico.
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Termômetro por Dilatação/Expansão –
TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO •
Os líquidos mais usados são: 1. Mercúrio; Obs.: Para o caso do mercúrio, cuja faixa normal é de - 38 a 350ºC, pode-se elevar este limite até 550ºC mediante emprego de vidro adequado e injeção de um gás inerte sob pressão, pois isto faz com que se evite a vaporização do mercúrio.
2. Álcool; 3. Tolueno; 4. Acetona. Líquido Mercúrio Álcool etílico Tolueno
Ponto de Solidificação
Ponto de ebulição Faixa de Utilização
-39 °C
357 °C
-38 a 550 °C
-115 °C
78 °C
-100 a 70 °C
-92 °C
110 °C
-80 a 100 °C
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Termômetro por Dilatação/Expansão – TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO
• Utilização dos termômetros de vidro industrial – – – – –
Um medidor barato; Indicação de temperatura de pequena flutuação; leitura da temperatura no próprio local não se constitui problema; Precisão baixa Resposta rápida não se fizerem necessárias.
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Termômetro por Dilatação/Expansão –
RECOMENDAÇÕES NA INSTALAÇÃO DE TERMÔMETRO DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO :
A
1.
Não utilizar nos pontos em que haja mudanças bruscas de temperatura, pois poderia trincar o capilar de vidro;
2.
Para evitar erros devido a temperatura ambiente, o bulbo deverá estar completamente imerso;
3.
Instalar o bulbo dentro de um poço metálico para proteção mecânica, resistência à corrosão e permitir retirada em operação;
4.
O bulbo do termômetro deve ser instalado na mesma direção e sentido oposto ao do fluxo, a fim de que a vazão média do fluido seja suficiente para dar uma rápida transferência de calor.
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Termômetro por Dilatação/Expansão –
TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO : Características: Capela: Alumínio laminado. Faixas: Desde -40 até 600ºC. Líquido: Éter vermelho ou mercúrio. Haste: Aço inoxidável AISI 304. Ligação: Vertical ou angular. Precisão: 1% F.E. Números: Pretos em baixo relevo. Vidro: Opalino. Conexões: Industriais e sanitárias.
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Termômetro por Dilatação/Expansão –
TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO : Como especificar:
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Termômetro por Dilatação/Expansão – TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE METÁLICO • Os líquidos mais usados são: – Mercúrio; – Tolueno; – Álcool.
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Termômetro por Dilatação/Expansão – TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE METÁLICO • Elemento de Medição (Sensor):
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Termômetro por Dilatação/Expansão – TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS
• A Lei de Gay-Lussac: – “A pressão de um gás é proporcional à temperatura, mantendo-se constante o volume do gás”.
P1 P2 Pn T1 T2 Tn
T1; T2 ; ... ; Tn temperatura absoluta do gás P1 ; P2 ; ... ; Pn pressão absoluta do gás
Obs.: Pressão e temperatura são linearmente dependentes, sendo o volume constante. O erro introduzido pelo fato do gás não ser ideal é desprezível.
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Termômetro por Dilatação/Expansão – TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS
• Construção: – “Sua construção é praticamente idêntica à dos termômetros de líquido com capilares metálicos, porém o bulbo é geralmente grande, a fim de obter maior força”.
Bulbo e capilar: aço, aço inoxidável, cobre, latão e monel. Elemento de medição: cobre berílio, bronze fosforoso e aço inoxidável. Instrumentação e Controle
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Termômetro por Dilatação/Expansão – TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS
• Construção - Tipos de gás de enchimento – Utilizam-se normalmente Nitrogênio, Hélio, Neônio ou Dióxido de Carbono (CO2). Porém, por ser inerte e mais barato, o Nitrogênio é o gás mais utilizado. – A faixa de medição varia de acordo com o gás de enchimento: » O limite inferior determinado pela temperatura crítica do gás; » O limite superior pelo tipo de capilar. Gás de enchimento
Temp. Crítica
Faixa de Utilização
Nitrogênio
-147,1 °C
-130 a 550 °C
Hélio
-267,8 °C
-260 a 550 °C
31,1 °C
30 a 550 °C
Dióxido de Carbono
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Termômetro por Dilatação/Expansão – TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS
• Construção - Sistema de compensação da temperatura ambiente. – Devido ao grande volume do bulbo, a relação entre o seu volume e a do capilar é considerável, sendo então as variações de pressão com a temperatura desprezíveis. – Por isso não é necessário efetuarmos a compensação total. Porém a compensação na caixa às vezes se faz necessária; quando isto ocorre, é feita por um bimetal fixada na espiral e o instrumento é denominado de classe ΙΙΙ.
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Termômetro por Dilatação/Expansão – TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS
• Utilização de termômetro à pressão de gás – É ainda utilizado nas indústrias para indicação, registro e controle, pois permite leituras remotas e por apresentar um tempo de resposta pequeno; – É o sistema mecânico de medição de temperatura que apresenta resposta mais rápida.
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Termômetro por Dilatação/Expansão –
TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS
–
Recomendações:
1) Instalar o bulbo dentro de um poço protetor para permitir manutenção com o processo em operação; 2) Não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se formem restrições que prejudicariam o movimento do gás no seu interior, causando falha no funcionamento do termômetro. 3) Instalar o bulbo de modo que o comprimento máximo do capilar seja de até 30m; 4) Quando usar poço protetor, preencher o espaço entre o bulbo e o poço com glicerina, óleo, etc., a fim de reduzir o atraso na resposta. Instrumentação e Controle 47
Termômetro por Dilatação/Expansão –
TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS Modelo TMS-P (Willy)
Caixa: Caixa frente aberta tipo torre em fenol preto com anel de expansão em inox. Diâmetro nominal de 114mm. Mostrador:
Alumínio, fundo branco e marcação preta.
Conexão de processo: Sempre do mesmo material da haste. Ajustável na haste ou no capilar com roscas de 1/2" ou 3/4" NPT ou BSP, macho ou fêmea. Faixas de temperatura:
Ponteiro: Alumínio, balanceado, com ajuste tipo fricção. Opcionalmente equipado com ponteiro de máxima (XEP).
Desde -60°C até 600°C para hastes de aço inox, -60°C até 150°C para hastes de latão. Precisão:
Sistema sensor:
1%.
Sistema fechado composto de tubo Bourdon ligado por meio de tubo capilar a um bulbo cheio de gás inerte.
Limite de temperatura ambiente:
Movimento:
Leitura imune à variação de temperatura ambiente na faixa de 7°C até 65°C.
Em aço inoxidável. Instrumentação e Controle
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Termopar • • • • • • •
Definição; Efeitos termoelétricos; Leis básicas; Tipos de termopares; Código de cores; Associação de termopares; Recomendações; Instrumentação e Controle
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Definição O elemento termopar consiste em dois condutores metálicos, de natureza distintas, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um 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 eletromotriz ), fechando um circuito elétrico 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.
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Efeitos termoelétricos – Efeito Seebeck
O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado formado por dois condutores metálicos e distintos A e B, quando submetidos a um diferencial de temperatura entre as suas junções, ocorre uma circulação de corrente elétrica ( i ).
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Efeitos termoelétricos – Efeito Seebeck
A existência de uma força eletro-motriz (F.E.M.) térmica no circuito é conhecida como Efeito Seebeck, e este se produz pelo fato de que a densidade de elétrons livres num metal, difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando este circuito é interrompido, a tensão do circuito aberto (Tensão de Seebeck ) torna-se uma função das temperaturas das junções e da composição dos dois metais.
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Termopar: Leis Básicas 1.
Lei do circuito homogêneo: a) A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com suas junções às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios. Em outras palavras, A f.e.m. medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções; b) As temperaturas intermediárias não alteram a f.e.m.
T4
A (-)
T1 B (+)
T3
T2
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Um exemplo de aplicação prática desta lei é que podemos ter uma grande variação de temperatura em um 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.
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Termopar: Leis Básicas 2.
Lei dos condutores intermediários: A soma algébrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver a mesma temperatura. Um circuito termoelétrico, 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.
T5
C (+)
T6
A (-)
T1
T2 D (-)
T3
B (+)
T4 Um exemplo prático da aplicação desta lei, é a compensação ou correção da temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.
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Termopar: Leis Básicas 2.
Lei dos condutores intermediários: Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão ou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.
A (-)
T1
T2 C (-)
T3
B (+)
T4
E1 E 3 E 4 E 2 0 T 3 T 4 E1 E 2 T 3 T 4 E1 E 2
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Termopar: Leis Básicas 3.
Lei das temperaturas intermediárias
" A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as suas junções as temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da f.e.m. deste circuito, com as junções as temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e T3”. Um exemplo prático da aplicação desta lei, é a compensação ou correção da temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.
Exemplo com termopar tipo “K”:
E1 (mV ) E538 E24 22.265 0.960 21.305 E2 (mV ) E538 E38 22.265 1.530 20.735 E3 (mV ) E38 E24 1.530 0.960 0.570 E1 (mV ) E2 (mV ) E3 (mV ) 20.735 0.57 21.305
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Termopar: Leis Básicas 3.
Lei das temperaturas intermediárias T2
T3
A (-)
T1
T4 B (+) A (-)
T1
T2
T3
mV=E1
mV=E2
mV=E3
T2 B (+) A (-)
T3 B (+) A (-)
T4 B (+)
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E1 (mV ) ET 1 ET 2 E2 (mV ) ET 2 ET 3 E3 (mV ) ET 3 ET 4 E (mV ) E1 E2 E3 57
Termopar: Leis Básicas Correção da junta de referência: A (-)
538 °C
A (-)
24 °C
0 °C
B (+)
B (+)
E1 (mV ) E538 E24 22.265 0.960 21.305 E2 (mV ) E24 E0 0.960 0 0.960 A (-)
24 °C
538 C B (+)
Compensação da Temperatura Ambiente ( Tr ) pelo instrumento
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Termopar Cabo de Extensão e Cabo de Compensação: • Chama-se de fios ou cabos de extensão aqueles fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam. Exemplo: Tipo TX, JX, EX e KX. •
Chama-se de fios ou cabos de compensação aqueles fabricados com ligas diferentes das dos termopares a que se destinam, porém que forneçam, na faixa de utilização recomendada, uma curva da força eletromotriz em função da temperatura equivalente à desses termopares. Exemplo : Tipo SX e BX.
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Tipos de Termopares - Termopares Básicos – Maior uso industrial; – Custo relativamente baixo; – Admite um limite de erro maior.
- Termopares Nobres – Constituídos de platina; – Custo elevado; – Exijem instrumentos receptores de alta sensibilidade.
- Termopares Especiais • Atender a problema específicos Instrumentação e Controle
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Termopar Básico • • • • •
• • • •
Nomenclaturas: T - Adotado pela Norma ANSI Cu - Co Cobre - Constantan Liga: ( + ) Cobre - ( 99,9 % ) ( - ) Constantan - São as ligas de Cu-Ni compreendidos no intervalo entre Cu ( 50 % ) e Cu ( 65 % ) Ni ( 35 % ). A composição mais utilizada para este tipo de termopar é de Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ). Características: Faixa de utilização: - 200 °C a 370 °C F.e.m. produzida: - 5,603 mVMa 19,027 mV Aplicações: Criometria ( baixas temperaturas ), Indústrias de refrigeração, Pesquisas agronômicas e ambientais, Química e Petroquímica.
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Termopar Básico • • • • • • • • •
Nomenclaturas: J - Adotada pela Norma ANSI Fe-Co Ferro - Constantan Liga: ( + ) Ferro - ( 99,5 % ) ( - ) Constantan - Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ), normalmente se produz o ferro a partir de sua característica casa-se o constantan adequado. Características: Faixa de utilização: -40 °C a 760 °C f.e.m. produzida: - 1,960 mV a 42,922 mV Aplicações: Centrais de energia, Metalúrgica, Química, Petroquímica, indústrias em geral.
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Termopar Básico • • • • • • •
Nomenclaturas: K - Adotada pela Norma ANSI Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % ) ( - ) Alumel - Ni( 95,4 % ), Mn( 1,8 % ), Si( 1,6 % ), Al( 1,2 % ) Características: Faixa de utilização: - 200 °C a 1260 °C f.e.m. produzida: - 5,891 mV a 50,99 mV Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e Cal, Vidros, Cerâmica, Indústrias em geral.
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Curvas caracteríticas A relação entre a temperatura da junção e a tensão de saída varia para diferentes tipos de termopares.
Instrumentação e Controle
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Código de Cores de Termopares
Instrumentação e Controle
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Código de Cores de cabo
Instrumentação e Controle
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Código de Cores de cabo
Instrumentação e Controle
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Associação de Termopares 1. Série: Maior sensibilidade.
-
-
E1
T1
+
E = E1+E2+E3
-
E2
+
T2
Instrumentação e Controle
+
-
E3
+
T3
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Associação de Termopares 2. Oposição ou diferencial: a) Usada para medir diferença de temperatura entre dois pontos; b) Manter duas temperaturas iguais ou com diferencial constante.
-
E1
T1
+
E = E1-E2
+
+
E2
-
T2 Instrumentação e Controle
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Associação de Termopares 3. Paralelo: a) Medir a temperatura média.
E = (E1+E2+E3)/3 +
-
E1
T1
+
-
E2
+
-
E3
+
T3 Instrumentação e Controle
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Recomendações para instalação Recomenda-se também uma distância mínima de 100mm do cabeçote à parede do processo, para nunca exceder a temperatura máxima de utilização dos fios e cabos de extensão e compensação. Deve-se instalar os poços e tubos de proteção em locais onde o fluido a ser medido esteja em constante movimento, pois zonas sem fluxo não indicam a temperatura real do processo além de dar um atraso na resposta. Em processos com temperaturas elevadas, deve-se em alguns casos montar o poço na posição vertical, em cotovelo ou em ângulo para se conseguir um comprimento de inserção mínimo e uma boa resistência mecânica.
Instrumentação e Controle
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Recomendações para instalação • Para a perfeita instalação e uso, deve-se atentar com vários detalhes de montagem como por exemplo o comprimento de inserção: •
O comprimento da proteção e do sensor deve ser de tal forma que acomode a junção de medição bem no meio do ambiente em que se deseja medir a temperatura;
•
Um comprimento de inserção mínimo recomendado por norma é de no mínimo 10(dez) vezes o diâmetro externo da proteção (bainha, tubo ou poço), para minimizar os erros causados pela condução de calor ao longo da proteção.
Instrumentação e Controle
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Recomendações para seleção • A escolha de um termopar para uma determinada aplicação deve ser feita considerando-se todas as características e normas exigidas pelo processo, como: •
Faixa de Temperatura;
•
Precisão;
•
Estabilidade;
•
Repetibilidade;
•
Condições de Trabalho;
•
Velocidade de Resposta;
•
Potência Termoelétrica;
•
Custo. Instrumentação e Controle
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Termopar Erros de Ligação: Usando fio de cobre
Instrumentação e Controle
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Termopar Erros de Ligação: Usando fio de cobre (correção)
Instrumentação e Controle
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Termopar Erros de Ligação: Simples Inversão
Instrumentação e Controle
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Termopar Erros de Ligação: Dupla Inversão
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Termoresistência As termoresistências ou bulbos de resistência ou termômetros de resistência ou RTD, são sensores que se baseiam no princípio da variação da resistência ôhmica em função da temperatura. Elas aumentam a resistência com o aumento da temperatura. Seu elemento sensor consiste de uma resistência em forma de fio de platina de alta pureza, de níquel ou de cobre (menos usado) encapsulado num bulbo de cerâmica ou vidro. Entre esses materiais, o mais utilizado é a platina pois apresenta uma ampla escala de temperatura, uma alta resistividade permitindo assim uma maior sensibilidade, um alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura, uma boa linearidade resistência x temperatura e também ter rigidez e ductibilidade para ser transformada em fios finos, além de ser obtida em forma puríssima. Instrumentação e Controle
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Termoresistência Termoresistência de Platina A termoressitência de platina é a mais usada industrialmente devido a sua grande estabilidade e precisão. Convencionou-se chamá-la de Pt-100, (fios de platina com 100 a 0ºC). Sua faixa de trabalho vai de -200 a 650ºC, porém a ITS-90 padronizou seu uso até 962ºC aproximadamente. Aplicações típicas: •Processos industriais •Plantas •Aquecedores dágua (Boilers) •Sistemas de aquecimento •Sistemas de ar condicionado •Sistemas de ventilação •Fogões
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Termoresistência Características – Alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura. – Rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos.
Para faixa de -200 a 0 oC: Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T2 + C . T3 . ( T – 100 ) ]
Para faixa de 0 a 850 oC: Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T2 ] Instrumentação e Controle
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Termoresistência
Instrumentação e Controle
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Termoresistência • Vantagens: 1. Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que os outros tipos de sensores; 2. Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação; 3. Dispensa utilização de fiação especial para ligação; 4. Se adequadamente protegido ( poços e tubos de proteção ), permite utilização em qualquer ambiente; 5. Tem características de estabilidade e repetibilidade melhores do que os termopares; 6. Curva de Resistência x Temperatura mais linear; 7. Menos influenciada por ruídos elétricos.
Instrumentação e Controle
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Termoresistência • Desvantagens: 1. São mais caras do que os sensores utilizados nessa mesma faixa; 2. Deterioram-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização; 3. Range de Temperatura menor que os termopares (máxima de utilização 630 °C); 4. É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para indicar corretamente; 5. Alto tempo de resposta mais alto que os termopares; 6. Mais frágil mecanicamente; 7. Autoaquecimento, exigindo instrumentação sofisticada.
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Termoresistência Ponte de Wheatstone Existem normalmente dois instrumentos principais para determinar a resistência ôhmica das termoresistências, que são pontes de medição (Ponte de Wheatstone) e os eletrônicos. O circuito em ponte é bastante utilizado em laboratórios, devido a sua alta precisão e em alguns sistemas industriais. A ponte de Wheatstone, quando apresenta uma relação de resistência R1 . R3 = R2 . R4 , esta se encontra balanceada ou em equilíbrio e desta forma não circula corrente pelo galvanômetro pois os potenciais nos pontos A e B são idênticos. Portanto conhecendo-se os valores de R1 e R2, e ajustando a resistência R3 até que a ponte fique em equilíbrio, temse através de R3 o valor de R4 e portanto o valor ôhmico da termoresistência. R1 . R3 = R2 . R4 Instrumentação e Controle
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Termoresistência • Ligação a dois fios:
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Termoresistência • Ligação a três fios:
R 4 RL 2 R1 R2.R4 R2.RL2 R3.R1 RL1.R1 R3 RL1 R 2 Supondo R1 R2 e RL1 RL2, temos : R1.R4 R1RL1 R3.R1 R1.RL1 R1.R4 R3.R1
PT100=R4=R3 Instrumentação e Controle
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Termoresistência • Recomendações para instalação de termoresistências
• Utilizar fios de mesma bitolas para interligar a termorresistência; • Em locais sujeitos a vibração, deve-se usar sensor com isolação mineral; • O sensor deve ficar imerso completamente no processo; • Deve-se evitar choques mecânicos.
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