Temperatura
Temperatura
Conceitos
Temperatura: Grandeza física que mede o estado de agitação
das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado
térmico.
Energia Térmica: É a somatória das energias cinéticas dos
seus átomos, e além de depender da temperatura, depende
também da massa e do tipo de substância.
Calor: É a energia que é transferida entre um sistema e seu
ambiente, devido a uma diferença de temperatura que existem
entre eles.
Termometria: “Medição de Temperatura”, é o termo mais
abrangente que inclui tanto a pirometria como a criometria.
Pirometria: Medição de altas temperaturas, na faixa que os
efeitos de radiação térmica passam a se manifestar.
Criometria: Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas
próximas ao zero absoluto de temperatura.
Temperatura
Formas de Transferência de Calor
Condução (sólidos): Transferência de calor por contato
físico.
Convecção (líquidos e gases): Transmissão ou
transferência de calor de um lugar para outro
deslocamento de material.
Radiação (sem contato físico): Emissão contínua de
energia de uma corpo para outro, através do vácuo ou
do ar.
Temperatura
Escalas Relativas e Absolutas
A escala Celsius, que divide a medição de temperatura em
100 partes iguais, denominadas graus Celsius é de uso
universal, e a Fahrenheit, que é dividida em 180 partes iguais
denominados graus Fahrenheit, é usada em muitos paises de
língua inglesa. Tanto Celsius como Fahrenheit, são escalas
relativas.
O físico irlandês William Thomson (lorde Kelvin) chegou à
conclusão de que, se a temperatura mede a agitação das
moléculas, então a menor temperatura possível aconteceria
quando as moléculas estivessem em repouso absoluto. A
esse estado de repouso térmico chamamos zero absoluto.
Baseado no conceito de temperatura, ele criou a Escala
Absoluta, conhecida como Escala Kelvin.
Temperatura
Escalas Relativas e Absolutas
Medidores de Temperatura
Temperatura
1ª Classe: Elemento sensível está em contato com o corpo
cuja temperatura se quer medir.
-Termômetros à dilatação de líquido.
-Termômetros à dilatação de gás;
-Termômetros à dilatação de sólido;
-Termômetros à par termo elétrico;
-Termômetros à resistência elétrica;
2ª Classe: Elemento sensível não está em contato com o
corpo cuja temperatura se quer medir.
-Pirômetros à radiação total;
-Pirômetros à radiação parcial.
Temperatura
Termômetro de Dilatação Volumétrica
Dilatação volumétrica de um
líquido dentro de um recipiente
fechado, com o aumento da
temperatura.
Temperatura
Termômetros
Instrumento de indicação, alarme, monitoração e
controle de temperatura para qualquer tipo de
aplicação industrial, com precisão , robustez, e
confiança
Características
•Robusto e resistente à vibração
•Alta precisão (Classe 1)
• Resposta rápida
•Não requer alimentação elétrica
A ponta sensora é preenchida com Nitrogênio.
Mudanças de temperatura causa mudança de
pressão no gás que se expande, provocando um
curvamento num bourdon que movimenta o
ponteiro .
Temperatura
Termômetro de Dilatação Volumétrica
Termômetro de Vidro de Mercúrio – amplamente usado em
laboratórios, oficinas e quando protegidos na área
industrial.
Termômetro Metálico de Mercúrio – bastante usado
em áreas industriais como indicador local.
Temperatura
Termômetro de expansão
Temperatura
Termômetro “Capela”
Proteção de alumínio anodizado e
haste de latão de 25 a 1000 mm,
rosca opcional, capilar redondo branco
ou amarelo, conforme norma DIN.
Temperatura
Termômetro de Expansão de Gás
Elemento de Medição
A alteração da temperatura varia a
pressão do gás conforme a Lei dos
gases perfeitos (Gay-Lussac), sendo o
volume constante.
Capilar
O elemento de medição
pode ser do tipo Bourdon,
Espiral ou Helicoidal.
Bulbo
Temperatura
Termômetro de Expansão de Gás
Aplicação: Para processos químicos e petroquímicos,
alimentícios, papel e celulose.
Tipos de Gás de Enchimento:
-Hélio (He);
-Hidrogênio (H2);
-Nitrogênio (N2) (Faixa: -100 a 600ºC);
-Dióxido de Carbono (CO2).
Material de Construção do bulbo e capilar:
-Aço, Aço inox, Cobre, Latão e Monel.
Material de Construção do Elemento de Medição:
Cobre-Berílio, bronze fosforoso, aço e aço inox.
Temperatura
Termômetro Bimetálico
Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a
temperatura.
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, observase um encurvamento que é proporcional a temperatura.
Temperatura
Termômetro Bimetálico
Normalmente usa-se o Invar (aço c/ 36% de níquel) com
baixo coeficiente de dilatação e o latão de alto coeficiente de
dilatação.
Faixa de Trabalho: -50 a 800ºC
Temperatura
Termômetros Bimetálicos - NBR 13881
Temperatura
NBR 13881 – Termômetros bimetálicos – Recomendações de
fabricação e uso – Terminologia, segurança e calibração
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
Temperatura
Efeitos Termoelétricos
Experiência de Seebeck: Num circuito fechado, formado
por dois fios de metais diferentes, se colocamos os dois
pontos de junção a temperaturas diferentes, se cria uma
corrente elétrica cuja intensidade é determinada pela
natureza dos dois metais utilizados e da diferença de
temperatura entre as duas junções.
Temperatura
Efeitos Termoelétricos
Experiência de Peltier: Passando uma corrente elétrica,
por um par termoelétrico, uma das junções se aquece
enquanto a outra se resfria.
Temperatura
Efeitos Termoelétricos
Efeito Volta: Quando dois metais estão em contato a um
equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença
de potencial, que depende da temperatura e não pode ser
medida diretamente.
Efeito Thomson: Quando colocamos as extremidades de
um condutor homogêneo à temperaturas diferentes, uma
força eletromotriz aparecerá entre estas duas
extremidades, sendo esta, chamada de F.E.M. Thomson,
que depende do material e da diferença da temperatura,
não pode ser medida diretamente.
Temperatura
Leis da Termoeletricidade
Lei do Circuito Homogêneo: A F.E.M. desenvolvida por um par
termoelétrico tendo duas junções em temperaturas diferentes
não depende do gradiente da temperatura ou da distribuição de
temperatura ao longo dos fios.
As únicas temperaturas relacionadas com a F.E.M. são as das
junções (JQ e JF). Todas as temperaturas intermediárias não
interferem na F.E.M. resultante.
Temperatura
Leis da Termoeletricidade
Lei das Temperaturas Intermediárias: Se a F.E.M. de vários
metais versus um metal de referência, por exemplo, platina, é
conhecida, então a F.E.M., de qualquer combinação dos metais
pode ser obtida por uma soma algébrica.
A temperatura da junta de referência pode estar em qualquer
valor conveniente, e a temperatura da junta de medição pode
ser encontrada, por simples diferença, baseando-se em uma
tabela relacionada a uma temperatura padrão, por exemplo 0ºC.
Temperatura
Leis da Termoeletricidade
Lei do Metal Intermediário: A F.E.M. do termopar não será
afetada se em qualquer ponto de seu circuito for inserido um
metal qualquer, diferente do já existente, desde que as novas
junções sejam mantidas temperaturas iguais.
Em virtude desta lei, pode-se inserir o instrumento de medição
da F.E.M. (voltímetro) com seus fios de ligação em qualquer
ponto do circuito termoelétrico sem alterar a F.E.M. original.
Temperatura
Termopares (thermocouples)
Teoria Termoelétrica
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 entre as suas junções,
ocorre uma circulação de corrente elétrica ( i ).
A existência de uma força eletro-motriz (F.E.M.)EAB 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.
Denominamos a junção na qual está submetida à temperatura
a ser medida de Junção de Medição (ou junta quente) e a
outra extremidade que vais se ligar no instrumento medidor de
junção de referência (ou junta fria).
Temperatura
Termopares (thermocouples)
O elemento termopar consiste em dois fios de diferentes ligas
metálicas, emendados juntos num ponto onde será medida a
temperatura. Esta junção gera uma pequena tensão quando
aquecida. Esta tensão é em função da temperatura da junção.
A relação entre a temperatura da junção e a tensão de saída
varia para diferentes tipos de termopares.
No instrumento de medição, a tensão do termopar na junta de
referência depende do material do fio do termopar a da
diferença de temperatura entre a junção sensora e a junção
de referência.
A temperatura da junção de referência deve ser mantida
constante. Se isto não for possível, a conexão do termopar ao
instrumento de medição deve ser feita usando um cabo de
compensação . Por este método, o sinal de saída do termopar
pode ser transmitido, para temperatura acima de 200°C , sem
perda significantes de precisão.
Temperatura
Compensação da Temperatura Ambiente
( Tr )
Para se usar o termopar como medidor de
temperatura, é necessário conhecer a
F.E.M. gerada e a temperatura da junção
de referência Tr
Termopar Tipo K sujeito a 100°C na
junção de medição e 25°C na borneira
do instrumento.
O sinal total que será convertido em
temperatura pelo instrumento será a
somatória do sinal do termopar e da
compensação, resultando na indicação
correta da temperatura na qual o
termopar está submetido (independendo
da variação da temperatura ambiente).
Temperatura
NBR 12771- Tabela de referência de Termopares
Objetivo: Esta norma estabelece as tabelas de referência usadas na conversão de
força eletromotriz térmica gerada pelo termopar em função da temperatura .
Tipos de Termopares:
Termopar tipo R (0 a 1600°C): Composto de platina pura(-) e uma liga de platina(+) contendo um teor
de ródio o mais próximo possível de 13% em peso.
Termopar tipo S (0 a 1600°C): : Compostos de platina pura(-) e uma liga de platina(+) contendo um
teor de ródio o mais próximo possível de 10% em peso
Termopar tipo B (600 a 1700°C): : Feito de ligas cujas composições nominais em peso são platina 30% ródio(+) e platina - 6% ródio(-).
Termopar tipo J (-40 a 750°C): : Compostos de ferro comercialmente puro(+) e uma liga de níquel(-)
contendo 45% a 60% de cobre em peso, conhecida com constantan.
Termopar tipo T (-200 a 350°C): : Compostos de cobre comercialmente puro(+) e uma liga de níquel() contendo 45% a 60% de cobre em peso.
Termopar tipo E (-200 a 900°C): : Compostos de ligas comerciais do tipo níquel-cromo(+) e níquelcobre(-).
Termopar tipo K (-200 a 1200°C): : Compostos de ligas comerciais do tipo níquel-cromo(+) e níquelmanganês-silício-alumínio(-).
Termopar tipo N (-200 a 1200°C): : Compostos de ligas níquel-cromo-silício(+) e níquel-silício(-).
Temperatura
NBR 12771- Tabela de referência de Termopares
Classes de tolerância para os termopares (junção de referência a 0°C
Temperatura
Curvas características de Termopares
Temperatura
Fios e cabos de extensão e compensação
Fios e cabos de extensão e compensação (ou fios e cabos compensados), nada mais são
que outros termopares, cuja função além de conduzir o sinal gerado pelo sensor, é a de
compensar os gradientes de temperatura existentes entre a junção de referência
(cabeçote) do sensor e os bornes do instrumento, gerando um sinal proporcional de
milivoltagem a este gradiente.
Fios e Cabos de Extensão são condutores fabricados com as mesmas ligas dos termopares
a que se destinam; portanto apresentam a mesma curva F.E.M. x temperatura. Os fios e
cabos de extensão são usados com os termopares de base metálica ou básicos tipo T, J, E
e K. Apesar de possuírem as mesmas ligas dos termopares, apresentam um custo menor
devido a limitação de temperatura que podem ser submetido, pois sua composição química
não é tão homogênea quanto a do termopar.
Fios e Cabos de Compensação são os condutores fabricados com ligas diferentes dos
termopares a que se destinam, mas também apresentando a mesma curva F.E.M. x
temperatura dos termopares.
São usados principalmente com os termopares nobres (feitos a base de platina) tipos S e R,
porém pode-se utilizá-lo em alguns termopares básicos e com os novos tipos que ainda não
estão normalizados.
Temperatura
Cores de Termopares
Temperatura
Cores de Termopares
Temperatura
Cores de Termopares
Temperatura
Cabeçotes
A função do cabeçote é a de proteger os
contatos do bloco de ligação, facilitar a
conexão do tubo de proteção e do
conduíte, além de manter uma
temperatura estável nos contatos do bloco
de ligação, para que os contatos feitos de
materiais diferentes do termopar não
interfiram no sinal gerado por ele .
- O Cabeçote a Prova de Tempo, é um
cabeçote
mais
robusto,
indicado
ambientes onde é necessário a proteção
contra os efeitos do meio ambiente como
umidade, gases não inflamáveis, poeiras,
vapores e vedação (gaxetas), que fazem
a vedação contra o tempo, vapor, gases
e pó. Seu corpo é feito de alumínio ou
ferro fundido com sua tampa rosqueada
para maior proteção.
Temperatura
Poços Termométricos
O poço termométrico tem a função de
proteger os termoelementos contra a
ação
do
processo
(ambientes
agressivos, esforços mecânicos entre
outros).
É fornecido com meio para ligação
estanque do processo, ou seja, veda o
processo contra vazamentos, perdas
de pressão, contaminações e outros.
Genericamente usa-se o poço onde as
condições do processo requisitam alta
segurança e são críticas tais como
altas temperaturas e pressões, fluidos
muito corrosivos, vibrações e alta
velocidade de fluxo.
Temperatura
Termômetro de Resistência
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.
Temperatura
Termoresistência de Platina Pt100
A mais utilizada 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 por temperatura e
também ter rigidez e ductibilidade para ser transformada em fios
finos, além de ser obtida em forma puríssima. Faixa de trabalho
de -200 a 600ºC. Aplicações típicas:
-Processos industriais
-Plantas
-Aquecedores d’água (Boilers)
-Sistemas de aquecimento
-Sistemas de ar condicionado
-Sistemas de ventilação
-Fogões
Temperatura
Ponte de Wheatstone
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.
Temperatura
Pt100 Ligação a dois fios
Temperatura
Pt100 Ligação a três fios
Temperatura
Vantagens e Desvantagens de Termoresistência x Termopar
Vantagens:
a) Possuem maior exatidão dentro da faixa de utilização do que
os outros tipos de sensores.
b) Tem características de estabilidade e repetibilidade melhores
do que os termopares.
c) Com ligação adequada, não existe limitação para distância de
operação.
d) Dispensa o uso de fios e cabos de extensão e compensação
para ligação, sendo necessário somente fios de cobre comuns.
e) Se adequadamente protegido ( poços e tubos de proteção ),
permite a utilização em qualquer ambiente.
f) Curva de Resistência x Temperatura mais linear.
g) Menos influenciada por ruídos elétricos.
Temperatura
Vantagens e Desvantagens de Termoresistência x Termopar
Desvantagens:
a) São mais caras do que os sensores utilizados nesta
mesma faixa.
b) Range de temperatura menor do que os termopares.
c) Deterioram-se com mais facilidade, caso se ultrapasse a
temperatura máxima de utilização.
d) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a
temperatura estabilizada para a correta indicação.
e) Possui um tempo de resposta mais alto que os termopares.
f) Mais frágil mecanicamente
g) Autoaquecimento, exigindo instrumentação sofisticada.
Temperatura
Transmissor
Sensor de entrada programável: termopares
tipos J,K,T,N,E,R,S e RTD Pt100.
Saída 4-20mA a 2 fios.
Alimentação: 12 to 30 Vdc.
Saída de corrente linearizada e com
compensação de junta-fria para termopares.
Pt100 a 2 ou 3 fios, com linearização.
Exatidão: ±0.2% do fundo de escala para
Pt100 e 0.3% do fundo de escala para os
termopares.
Temperatura de trabalho:-40 to +85ºC.
Proteção para quebra de sensor programável
para início ou fim da escala.
Temperatura
Transmissor
Temperatura
Termômetros Portáteis
Temperatura
Medição por Infravermelho
A tecnologia infravermelha não é um fenômeno novo, ela tem sido utilizada com sucesso em
setores industriais e de pesquisa durante décadas, mas inovações tem reduzidos custos, ampliado
a confiabilidade, e resultou em sensores infravermelhos para medição de temperatura sem
contato.
Quais as vantagens da medição de temperatura sem contato ?
•
•
•
É rápida (na faixa de ms), permitindo mais medições e acumulação de dados
Medições podem ser feitas em objetos perigosos ou fisicamente inacessíveis (partes com altavoltagem, medições a grande distância)
Facilidade de medição quando o alvo está em movimento
•
Medições de altas temperaturas(maiores que 1300°C) não apr esentam problemas. Em casos
similares, termômetros comuns não podem ser utilizados ou tem a sua vida útil reduzida
•
Em casos de maus condutores de calor como plástico e madeira, medições são
extremamente precisas sem distorções dos valores, se comparado com medições com
termômetros de contato
Não há risco de contaminação e efeito mecânico na superfície dos objetos
Temperatura
Em suma, as principais vantagens da medição de temperatura por infra-vermelho são
a velocidade, ausência de interferência e possibilidade de medição de altas
temperaturas até 3000°C. Lembrando que apenas temperatura s na superfície dos
materiais podem ser medidas.
Os termômetros de infra-vermelhos podem ser comparados ao olho humano. As lentes
do olho representa a parte ótica que faz com que a radiação(fluxo de fótons) vindos
dos objetos pela atmosfera, alcancem a camada fotossensível (retina). Isto é
convertido em um sinal que é enviado ao cérebro.
A figura abaixo apresenta o processo de medição por infravermelho
Temperatura
O alvo
Toda forma de matéria com temperatura(T) acima do zero absoluto emite radiação infravermelha de acordo
com a temperatura. Isto é chamado de radiação característica. A causa disto é o movimento mecânico interno
das moléculas. A intensidade deste movimento depende da temperatura do objeto. Como o movimento das
moléculas representa deslocamento de cargas, radiação eletromagnética(fótons) é emitida. Estes fótons
movem-se coma velocidade da luz e comportam-se de acordo com os princípios óticos conhecidos.
Eles podem ser defletidos,
focados por lentes, ou
refletidos por superfícies
reflexivas.
O
espectro
desta radiação tem faixa de
0,7 a 1000 µm de
comprimento de onda. Por
esta razão, a radiação não
pode ser normalmente
vista a olho nu. Esta área
encontra-se na área de luz
vermelha da luz visível e
desta forma tem sido
chamada de infravermelha.
Temperatura
Medição por Infravermelho: -
Temperatura
Medição por Infravermelho: Algumas aplicações: