INTRODUO
MEDIO DE TEMPERATURA
Figura 01
Temperatura sem dvida a varivel mais importante nos processos
industriais, e sua medio e controle, embora difceis, so vitais para
a qualidade do produto e a segurana no s das mquinas como tambm do
homem. No difcil de se chegar a esta concluso, basta verificar que
todas caractersticas fsico-qumicas de qualquer substncia alteram-se
de forma bem definida com a temperatura. Assim sendo, uma
determinada substncia pode ter suas dimenses, seu estado fsico
(slido, lquido, gasoso), sua densidade, sua condutividade, etc,
alterados pela mudana conveniente de seu estado trmico. Ento,
qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta
diretamente o seu comportamento provocando, por exemplo: ritmo
maior ou menor na produo uma mudana na qualidade do produto um
aumento ou diminuio na segurana do equipamento e/ou do pessoal um
maior ou menor consumo de energia e, por conseguinte, um maior ou
menor custo de produo.
CONCEITO DE TEMPERATURA
Ainda que a temperatura seja uma propriedade bastante familiar,
difcil encontrar-se uma definio exata para ela. Estamos acostumados
noo de temperatura antes de mais nada pela sensao de calor ou frio
quando tocamos um objeto. Alm disso, aprendemos logo, por
experincia, que ao colocarmos um corpo quente em contato com um
corpo frio, o corpo quente se resfria e o corpo frio se aquece. Se
esses corpos permanecem em contato por um determinado tempo, eles
parecero ter o mesmo grau de aquecimento ou resfriamento.
Entretanto, sabemos que essa sensao no bastante segura. Algumas
vezes os corpos frios podem parecer quentes e os corpos de
materiais diferentes, que esto na mesma temperatura, parecem estar
a temperatura diferentes.
Figura 02
Isto acontece porque a temperatura uma propriedade de matria que
est relacionada com o movimento dos tomos de uma substncia.
Normalmente estes tomos possuem uma determinada energia cintica que
se traduz nas formas de vibraes ou deslocamento para os lquidos e
gases. Quanto mais rpido o movimento das molculas, mais quente se
encontra o corpo, e, quanto mais lento o movimento, mais frio se
apresenta o corpo. Esta condio pode ser descrita como um potencial
trmico ou como uma energia efetiva da substncia (energia cintica).
Baseado nisto podemos conceituar a temperatura como sendo: A
propriedade da matria que reflete a mdia de energia cintica de um
corpo. Na prtica a temperatura representada em uma escala numrica,
onde, quanto maior o seu valor, maior a energia cintica mdia dos
tomos do corpo em questo.
ESCALAS DE TEMPERATURA
Figura 03
Desde o incio da termometria, os cientistas, pesquisadores e
fabricantes de termmetro sentiam dificuldades para atribuir valores
de forma padronizada temperatura por meio de escalas reproduzveis.
Essa dificuldade fez com que se buscasse pontos nos quais se
pudesse reproduzir de forma definida os valores medidos. Muitas
escalas baseadas em pontos diferentes foram desenvolvidas ao longo
do tempo. Dentre elas as mais importantes foram a Fahreinheit, a
Clesius, a Rankine e a Kelvin. A Escala Fahreinheit , ainda,
utilizada nos Estados Unidos e em parte da Europa. Porm, a tendncia
de se usar exclusivamente nos processos industriais de todo o mundo
a Escala Celsius. A escala Rankine e a escala Kelvin, que so as
escalas absolutas, so mais usadas nos meios cientficos, sendo que
atualmente usa-se quase que exclusivamente a escala Kelvin.
Escala CelsiusA escala Celsius definida como sendo o intervalo
de temperatura unitrio igual a 1 Kelvin, numa escala de temperatura
em que o ponto 0 (zero) coincida com 273,15 K. A identificao de uma
temperatura na escala Celsius feita com o smbolo C colocado aps o
nmero; exemplo: 245,36C. A escala Celsius tem como valor 0 (zero) o
ponto de fuso de gelo e como valor 100 o ponto de ebulio da gua
sendo estes pontos tomados na condio de presso igual a 1 atm. uma
escala relativa obtida atravs da escala Kelvin, sendo esta relao
definida pela equao. t = T - To Onde: t = temperatura em C T =
temperatura em K To = 273,15 K
Escala FahreinheitA escala Fahreinheit definida como sendo o
intervalo de temperatura unitrio igual a 1 grau Rankine, numa
escala em que o ponto zero coincide com 459,67 R. A identificao de
uma temperatura na escala Fahreinheit feita com o smbolo F colocado
aps o nmero; exemplo: 23,40F. A escala Fahreinheit tem como ponto
de fuso do gelo o valor 32 e como ponto de ebulio da gua o valor
212, sendo estes pontos tomados na condio de presso igual a 1 atm.
Esta escala tambm relativa, obtida pela escala Rankine conforme a
relao definida pela equao abaixo: tf = T - To Onde: tf =
temperatura em F T = temperatura em R
To = 459,67 R
Escala Kelvin (Temperatura Termodinmica)A temperatura bsica a
temperatura termodinmica (T), cuja unidade o Kelvin (K), que uma
escala absoluta. O Kelvin a frao 1/273,16 temperatura termodinmica
do ponto triplo da gua. Nota-se que, de acordo com a definio acima
e a equao (t = T - 273,15 K), o ponto triplo da gua ocorre 0,01C (
presso de 61,652 Pa). K = 273,15 + C Observao: Ponto triplo o ponto
em que as fases slida, lquida e gasosa encontram-se em
equilbrio.
Escala RankineAssim como a escala Kelvin, a escala Rankine uma
escala absoluta, tendo como zero absoluto, o valor 0 (zero), porm
ao ponto de fuso e ao ponto de ebulio da gua foram dados os valores
de 491,67 e 671,67, respectivamente. R = F + 459,67
Converso de Escalas
A equao abaixo, nos permite relacionar a leitura de uma escala
para outra, de uma mesma temperatura.
ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA
Em 1968, o Comit Internacional de Pesos e Medidas adotou uma
Escala Internacional de temperatura revista, a IPTS-68, que
descrita a seguir. Essa escala, semelhante s anteriores, de 1927 e
1948, teve sua faixa aumentada e se aproxima ainda mais da escala
termodinmica de temperatura. Baseia-se em alguns pontos fixos
facilmente reprodutveis, que recebem valores numricos de
temperatura definidos e em certas frmulas que relacionam as
temperaturas s leituras de determinados instrumentos de medio de
temperatura, para fins de interpolao entre os pontos fixos. Os
pontos fixos principais e em resumo das tcnicas de interpolao so
dados a seguir:
Os meios disponveis para medio e interpolao levam diviso da
escala de temperatura em quatro faixas: 1) A faixa de - 259,34 C -
baseada nas medies com um termmetro de resistncia de platina. Essa
faixa subdividida em 4 partes. Em cada uma, a diferena entre as
razes das resistncias medidas de um termmetro particular e a funo
de referncia nos pontos fixos usada para determinar as constantes
numa equao de interpolao polinominal especificada. 2) A faixa de 0
a 630,74 C - (ponto normal de solidificao do antimnio, que um ponto
fixo secundrio) tambm baseada num termmetro de resistncia de
platina, com as constantes numa equao de interpolao polinominal
determinadas por calibrao nos 3 pontos fixos da faixa. 3) A
faixa de 630,74 C a 1.064,43 C - baseada em medies de um termopar
padro de platina e platina rhodio e uma equao de 3 termos que
expressa a fora eletromotriz como funo de temperatura. As
constantes so determinadas por uma medio com um termmetro de
resistncia de platina no ponto da solidificao do antimnio e por
calibrao nos dois pontos fixos principais da faixa. 4) A faixa
acima de 1.064,43 C - baseada em medies de intensidade da radiao no
espectro visvel, comparada com aquela de mesmo comprimento de onda
no ponto de fuso do outro e na equao de Planck para radiao do corpo
negro, (atravs do pirmetro ptico). Existem vrias equaes que
relacionam a temperatura e a propriedade termomtrica utilizada
nestes instrumentos (resistncia eltrica, FEM termoeltrica e energia
radiante). Atravs do uso destas equaes pode-se determinar com
preciso a temperatura em que se encontra um determinado corpo de
prova. Esta escala de temperatura transferida para outros
instrumentos de utilizao mais simples, mantendo-se o erro dentro de
faixas bastante estreitas. Em princpio, de uma forma indireta, todo
termmetro usado, na prtica, tem a sua calibrao relacionada escala
internacional de temperatura.
TERMMETROSMEDIDORES DE TEMPERATURAA temperatura no pode ser
determinada diretamente, mas deve ser
deduzida a partir de seus efeitos eltricos ou fsicos produzidos
sobre uma substncia, cujas caractersticas so conhecidas. Os
medidores de temperatura so construdos baseados nesses efeitos.
Podemos dividir os medidores de temperatura em dois grandes grupos,
conforme a tabela abaixo: 1 grupo (contato direto) Termmetro
dilatao de lquidos de slido Termmetro presso de lquido de gs de
vapor Termmetro a par termoeltrico Termmetro resistncia eltrica
2 grupo (contato indireto) Pirmetro ptico Pirmetro fotoeltrico
Pirmetro de radiao O primeiro grupo abrange os medidores nos quais
o elemento sensvel est em contato direto com o material cuja
temperatura se deseja medir. J no segundo grupo esto os medidores
nos quais o elemento sensvel no est em contato direto com o
material cuja temperatura se deseja medir. A aplicao dos diversos
tipos apresentados depende em cada caso de fatores tcnicos e
econmicos. Atravs da tabela a seguir, podemos fazer algumas
comparaes no aspecto tcnico entre o tipo indireto e direto.
Comparao entre medidores de temperatura do tipo contato direto e
indireto (no contato)
TERMMETRO DE DILATAO DE LQUIDOPrincpio de FuncionamentoOs
termmetros de dilatao de lquido baseiam-se na lei de expanso
volumtrica de um lquido com a temperatura dentro de um recipiente
fechado. A equao que rege esta relao :
Onde:
Teoricamente, devido aos termos de segunda e terceira ordem,
esta relao no linear. Porm, estes termos so desprezveis e na prtica
consideramos esta relao como linear e utilizamos a equao a
seguir.
TERMMETRO DE VIDROConstruoEste termmetro consta de um bulbo de
vidro ligado a um tubo capilar, tambm de vidro, de seo uniforme e
fechado na parte superior. O bulbo e parte do capilar so
preenchidos por um lquido sendo que na parte superior do capilar
existe uma cmara de expanso para proteger o termmetro no caso da
temperatura exceder o seu limite mximo. Sua escala linear e
normalmente fixada no tubo capilar no invlucro metlico.
Figura 04
Nos termmetros industriais, o bulbo de vidro protegido por um
poo metlico e o tubo capilar pelo invlucro metlico.
Tipos de lquidos utilizadosDiversos lquidos tais como o mercrio,
tolueno, lcool etlico, pentano, etc., so utilizados na fabricao de
termmetro de vidro. Normalmente emprega-se o mercrio ou lcool
etlico como lquido termomtrico, sendo que o mercrio o mais
utilizado. A tabela abaixo apresenta a faixa de utilizao dos
principais lquidos termomtricos. Faixa de utilizao dos principais
lquidos termomtricos.
Para o caso do mercrio, cuja faixa normal de - 38 a 350C,
pode-se elevar este limite at 550C mediante emprego de vidro
adequado e injeo de um gs inerte sob presso, pois isto faz com que
se evite a vaporizao do mercrio.
Utilizao dos termmetros de vidro
Figura 05
Por se tratar de um medidor barato, o termmetro de vidro
industrial utilizado na indicao de temperatura de pequena flutuao,
no processo em que a leitura da temperatura no prprio local no se
constitui problema, bem como para os casos em que a exatido abaixo
de 1 % e resposta rpida no se
fizerem necessrias.
Recomendaes na instalao- No utilizar nos pontos em que haja
mudanas bruscas de temperatura, pois poderia trincar o capilar de
vidro. - Para evitar erros, devido a temperatura ambiente, o bulbo
dever estar completamente imerso. - Instalar o bulbo dentro de um
poo metlico para proteo
mecnica, resistncia corroso e permitir retirada em operao. - O
bulbo do termmetro deve ser instalado na mesma direo e sentido
oposto ao do fluxo, a fim de que a vazo mdia do fluido seja
suficiente para dar uma rpida transferncia de calor.
TERMMETRO DE LQUIDO COM CAPILAR METLICOConstruoEste termmetro
consta de um bulbo de metal ligado a um capilar metlico e um
elemento sensor. Neste caso, o lquido preenche todo o instrumento e
com uma variao da temperatura se dilata deformando elasticamente o
elemento sensor. A este elemento sensor acoplado um ponteiro que
pode girar livremente sobre uma escala graduada. Como a relao entre
a deformao do elemento sensor e a temperatura proporcional, este
instrumento nos fornece uma leitura linear.
Tipos de metais utilizados na construo do termmetroa) Bulbo -
Suas dimenses variam de acordo com a sensibilidade desejada e tambm
com o tipo de lquido utilizado na aplicao. Os materiais mais usados
para sua confeco so: ao inoxidvel, chumbo, monel e cobre. b)
Capilar - Suas dimenses so tambm variveis, sendo que o seu
comprimento mximo de 60 metros para lquidos orgnicos e de 15 metros
para enchimento com mercrio. Normalmente confeccionado em ao,
chumbo ou cobre. c) Elemento sensor - Os materiais mais usados para
sua confeco so: ao inoxidvel e bronze fosforoso.
OBSERVAO:No caso de utilizar o mercrio como lquido de
enchimento, o material do bulbo capilar e sensor no pode ser de
cobre ou liga do mesmo.
Tipos de lquidos de enchimentoComo lquido de enchimento
empregam-se mercrio, xileno, tolueno, etc., por terem alto
coeficiente de expanso. Dentre eles, o mercrio o mais utilizado,
pois permite medir ampla faixa de temperatura (a diferena entre o
ponto de ebulio e solidificao grande) e porque apresenta baixo
coeficiente de atrito. A tabela abaixo apresenta a faixa de
utilizao dos principais lquidos de enchimento.
OBSERVAO:A faixa de utilizao dos lquidos ultrapassa os limites
do ponto de ebulio porque o recipiente preenchido sob presso
elevada (aproximadamente 40 atm).
Sistema de compensacao da temperatura ambientePelo fato deste
sistema utilizar liquido inserido num recipiente e da distancia
entre o elemento sensor e o bulbo ser consideravel, as variacoes na
temperatura ambiente afetam nao somente o liquido no bulbo, mas
todo o sistema (bulbo, capilar e sensor), causando erro de
indicacao ou registro. Este efeito da temperatura ambiente e
compensado de duas maneiras que sao denominadas classe IA e classe
IB. Na classe IB a compensacao e feita somente na caixa do sensor
atraves de uma lamina bimetalica ou um espiral de compensacao. Este
sistema e normalmente preferido por ser mais simples e ter
respostas mais rapidas, porem, o comprimento maximo do capilar
desse tipo e aproximadamente 6 metros. Quando a distancia entre o
bulbo e o instrumento muito grande, ou se deseja boa exatido,
utilizam-se instrumentos da classe IA onde a compensacao e feita na
caixa e no capilar (compensacao total). Neste caso a compensacao e
feita por meio de um segundo capilar, ligado a um elemento de
compensacao identico ao da medicao, sendo os dois ligados em
oposicao. Este segundo capilar tem seu comprimento identico ao
capilar de medicao, porem nao esta ligado ao bulbo.
OBSERVACAO:
Quando o liquido de enchimento e o mercurio, alguns autores
costumam classificar este sistema na classe VA e classe VB, porem
sua construcao e a mesma da classe I.
Utilizacao de termometro de liquido com capilar metalicoE ainda
utilizado em algumas industrias para indicacao e registro, pois
permite leituras remotas e por ser o que possui a melhor "classe de
exatido" dos sistemas mecanicos de medicao de temperatura (sua
classe de exatido de 0,5 %), porm nao e muito recomendado para
controle devido seu tempo de resposta ser relativamente grande.
Recomendaes Instalar o bulbo dentro de um poo protetor para
permitir manuteno com o processo em operao. Sempre que for
instalado dentro de um poo protetor, preencher o espao entre o
bulbo e o poo a fim de reduzir o atraso na resposta. Para tal,
podemos usar mercrio, leo, grafite, glicerina, etc... No dobrar o
capilar com curvatura acentuada para que no se formem restries que
prejudicariam o movimento do lquido no seu interior, causando falha
no funcionamento do termmetro. O comprimento mximo do capilar deste
sistema deve ser de 60 metros para os lquidos orgnicos e de 15
metros para enchimento com mercrio.
TERMORRESISTNCIASSENSORES DE TEMPERATURA TIPO BULBO DE
RESISTNCIA
Figura 06
Um dos mtodos elementares para medio de temperatura envolve
mudana no valor da resistncia eltrica de certos metais com a
temperatura. So comumente chamados de bulbo de resistncia e por
suas condies de alta estabilidade e repetitividade, baixa
contaminao, menor influncia de rudos e boa classe de exatido, so
muito usados nos processos industriais. Essas caractersticas
aliadas ao pequeno desvio em relao ao tempo o Tornou Padro
Internacional (ITS-90) para a medio de temperatura na faixa de
-259,3467C a 961,78C.
Princpio de funcionamentoAs termoresistncias ou bulbos de
resistncia ou termmetro de resistncia ou RTD, so sensores que se
baseiam no princpio de variao da resistncia hmica em funo da
temperatura. Elas aumentam a resistncia com o aumento da
temperatura.
Figura 07
Seu elemento sensor consiste de uma resistncia em forma de fio
de platina de alta pureza, de nquel ou de cobre (menos usado)
encapsulado num bulbo de cermica ou de vidro. Entre estes
materiais, o mais utilizado a platina pois apresenta uma ampla
escala de temperatura, uma alta resistividade permitindo assim
uma maior sensibilidade, um alto coeficiente de variao de
resistncia com a temperatura, uma boa linearidade resistncia x
temperatura e tambm por ter rigidez e dutibilidade para ser
transformada em fios finos, alm de ser obtida em forma purssima.
Padronizou-se ento a termoresistncia de platina. A equao matemtica
que rege a variao de resistncia em funo da temperatura chama-se de
equao Callendar-Van Dusen e que est mostrada abaixo: Para o range
de - 200 a 0C:
Para o range de 0 a 850oC:
Onde:
O numero que expressa a variacao da resistencia em funcao da
temperatura e chamado de alfa e se relaciona da seguinte forma:
Onde:
Um valor tipico de alfa para R100 = 138,50 . e de 3,850 . 10-3 .
. .-1 oC-1, segundo a DIN-IEC 751/85.
Construo Fsica do Sensor
Figura 08
O bulbo de resistncia se compe de um filamento, ou resistncia de
Pt, Cu ou Ni, com diversos revestimentos, de acordo com cada tipo e
utilizao. As termoresistncias de Ni e Cu tm sua isolao normalmente
em esmalte, seda, algodo ou fibra de vidro. No existe necessidade
de protees mais resistentes temperatura, pois acima de 300C o nquel
perde suas caractersticas de funcionamento como termoresistncia e o
cobre sofre problemas de oxidao em temperaturas acima de 310C. Os
sensores de platina, devido a suas caractersticas, permitem um
funcionamento at temperaturas bem mais elevadas, tm seu
encapsulamento normalmente em cermica ou vidro. A este sensor so
dispensados maiores cuidados de fabricao pois, apesar do Pt no
restringir o limite de temperatura de utilizao, quando a mesma
utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminao
dos fios.
Elemento isolante tipo vidro de selagemAo bobinar o fio de
platina, deve-se manter, em cada passo, distncia iguais, como
medida de segurana, evitando, assim, quando submetidos a altas
temperaturas, contactarem entre si e, por conseguinte, no entrarem
em curto-circuito. Outro fator importante em bobinar o fio com
distncias paralelas iguais, evitar o rudo indutivo. Por no ter
contato direto com o exterior e apresentar ausncia de condensao em
temperaturas baixas, utilizado para temperaturas na faixa de -
269,15C a 450C e funciona como elemento isolante. Tamanho - O
dimetro varia de 1 mm a 4 mm, e o comprimento, de 10 mm a 40
mm.
Elemento isolante do tipo cermicaNeste elemento isolante o fio
de platina, aps bobinar a cermica, envolto por uma selagem de
cermica. Por ser o coeficiente de dilatao da cermica muito pequeno
em relao
platina, ao bobinar, projetar e fazer a construo com fio de
resistncia, devese levar em considerao a deformao do mesmo, de
acordo com a temperatura de utilizao. A faixa de utilizao do
elemento isolante tipo cermica de at 800C. Tamanho - Dimetro 1,6 mm
a 3 mm, comprimento de 20 mm a 30 mm.
Bulbo de resistncia tipo isolao mineral (Bainha)Neste tipo de
bulbo de resistncia, coloca-se o elemento isolante e o condutor
interno dentro de um tubo fino de ao inoxidvel com xido de magnsio
ou outros elementos, de acordo com a necessidade do processo em
sntese. Por no possuir camada de ar dentro do tubo, tem boa
sensibilidade na resposta. Tem grande capacidade para suportar
oscilao. Por ser dobrvel, de fcil manuteno e instalao, utilizado em
lugares de difcil acesso. O elemento usado como protetor do
condutor de tipo vidro de selagem e cermica de selagem. O bulbo de
resistncia tipo bainha, fino e flexvel. Seu dimetro varia de 2,0 mm
a 4,0 mm.
Bulbo de Resistencia Tipo Pt-100. Caracteristicas GeraisA
termoresistencia de platina e a mais usada industrialmente devido a
sua grande estabilidade e boa classe de exatido. Esta
termoresistencia tem sua curva padronizada conforme norma DIN-IEC
751-1985 e tem como caracteristicas uma resistencia de 100. a 0C.
Convencionou-se chama-la de Pt-100, (fios de platina com 100. a
0oC). Sua faixa de trabalho vai de -200 a 650oC, porem a ITS-90
padronizou seu uso ate 962oC aproximadamente. Os limites de erros e
outras caracteristicas das termoresistencias, sao referentes as
normas DIN-IEC 751/1985. A seguir encontra-se uma tabela
relacionando a variacao de resistencia com a temperatura conforme
norma DIN seguidos pelos principais fabricantes no Brasil.
TABELA - Resistncia Versus Temperatura para Pt-100
Limites de Erros Apresentamos os limites de erros para as
classes A e B segundo a norma DINIEC 751/85: CLASSE B: 0,30 +
(0,005.t)C CLASSE A: 0,15 + (0,002.t)C
Numericamente temos:
Resistencia de Isolacao a Temperatura AmbienteA resistencia
entre cada terminal do sensor e a bainha deve ser testada com uma
voltagem entre 10V a 100Vdc, sob temperatura entre 15oC a 35oC e
uma umidade relativa nao excedendo a 80%. A polaridade deve ser
trocada em todos os terminais. Em todos os casos, a resistencia de
isolacao minima e 100M..
Resistencia de Isolacao a Maxima TemperaturaCom a voltagem nao
excedendo a 10Vdc, a resistencia de isolacao entre cada terminal e
a bainha nao deve ser menor que mostrada na tabela:
Nota: Dados oriundos da DIN-IEC 751 - 1985 Segundo a ASTM
E-1137, temos:
Auto-AquecimentoO auto-aquecimento causado pela corrente que
passa pela resistncia, oriundo do instrumento de leitura. Por
efeito Joule, h a gerao de calor, quando uma corrente eltrica
atravessa uma resistncia. (P = R . I2) Para uma medio de
temperatura com termoresistncia, este aquecimento pode levar a
erros que comprometem esta medio; ento este aquecimento tem que ser
limitado a pequenos valores para que possa ser desprezado. Para
isto deve-se limitar a corrente de excitao do sensor. Pela norma
DIN-IEC 751/85, a potncia mxima desenvolvida numa termoresistncia
no pode ser maior que 0,1 mW, o que na faixa de atuao do sensor d
uma corrente mxima de 3 mA. Valores tpicos recomendados so de ordem
de 1 a 2 mA. A elevao da temperatura equivalente ao aumento da
dissipao de calor na termoresistncia no deve exceder a 0,3C.
Tipos de Montagens
Figura
09
Na montagem convencional com bainha preenchida, tem-se o sensor
montado em um bulbo metlico com uma extremidade fechada e
preenchido todos os espaos com xido de magnsio, permitindo uma boa
troca trmica e protegendo o sensor de choques mecnicos. A ligao do
bulbo feita com fios de cobre, prata ou nquel isolados entre si;
sendo a extremidade aberta, selada com resina epoxi, vedando o
sensor do ambiente em que vai atuar. Ainda assim neste tipo de
montagem, a termoresistncia no apresenta muita resistncia mecnica e
no dispe de condies para efetuar curvas, bem como tem limitaes
relativas ao dimetro externo e comprimento total. Para suprir esse
problema dimensional, foi desenvolvida a termoresistncia isolao
mineral, na qual o bulbo sensor interligado a um cabo isolao
mineral com fios de cobre comuns. Este tipo de montagem permite a
reduo do dimetro, no limita o comprimento, apresenta rpida
velocidade de resposta e da uma maior flexibilidade permitindo
dobras e curvas do cabo que antes era impossvel, podendo ser
utilizada onde o acesso no era possvel.
Observao:
Figura 10
As montagens com termoresistncias so feitas de maneira similar
aos termopares quanto ao emprego de acessrios como cabeotes, tubos
e poos, bucins, niples, entre outros.
Circuito de medicao de temperatura com bulbo de resistencia tipo
Pt-100A medicao de temperatura utilizando bulbo de resistencia e
feita medindo-se a variacao da resistencia eletrica do elemento
sensor, atraves de tecnicas avancadas que garantem alta exatido nos
valores obtidos. Dentre essas tecnicas a mais utilizada e sem
duvida a Ponte de Weatstone, que com devidas modificacoes apresenta
excelente performance. O circuito em Ponte de Weatstone
inicialmente e posta em equilibrio e desta forma nao circula
corrente entre os pontos A e B que se encontram com potenciais
identicos. Quando ocorre variacao de temperatura a resistencia do
sensor varia, desequilibrando o circuito de forma proporcional a
temperatura. fcil perceber, deste modo, que podemos efetuar a medio
da temperatura atravs da variao de uma resistncia da ponte.
Figura 11
R1, R2 = resistncia fixa R3 = resistncia varivel R4 = resistncia
de medio Rg = resistncia interna do galvanmetro ig = corrente que
flui no galvanmetro E = fonte de alimentao Para utilizar deste
circuito como instrumento de medio de temperatura, podemos ter as
seguintes ligaes:
- Ligao a 2 fios
Nessa monta
Figura 12
R4 a termoresistncia e R3 a resistncia varivel para
balanceamento do circuito. As resistncias indicadas como RL1 e RL2
so resistncias de fiao e ambas esto em srie com R4. Esta resistncia
de fiao tende a aumentar quanto maior for a distncia entre o sensor
e o medidor, quanto menor a bitola do fio ou maior a temperatura
ambiente. Este tipo de ligao pode ser usado mantendo uma boa
exatido at uma distncia do sensor ao aparelho que depende do
comprimento, dimetro e material do fio de ligao. Temos abaixo uma
tabela que mostra a relao bitola dos condutores x distncia mxima,
entre termoresistncia a dois fios e instrumento receptor.
- Ligao a trs fios
Figura 13
Este o mtodo mais utilizado para as termoresistncias na
indstria. Neste circuito a configurao eltrica um pouco diferente,
fazendo com que a alimentao fique o mais prximo possvel do sensor,
permitindo que a RL1 passe para o outro brao da ponte, balanceando
o circuito. Na ligao a 2 fios as resistncias de linha estavam em
srie com o sensor, agora na ligao a 3 fios elas esto separadas.
- Ligao a quatro fios
Figura 14
A fonte de atravs da voltmetro resistncia medio.
corrente S, fornece uma corrente estabilizada e conhecida
termoresistncia R e a tenso gerada medida com um de alta impedncia
ou potencimetro. Desta forma a dos condutores exerce um efeito
desprezvel sobre a
Este tipo de medio a 4 fios pouco usada em indstria, tendo sua
maior aplicao em laboratrios e sendo usado em sensores padres.
Poo de proteo para bulbo de resistnciaPoo de proteo ou tubo
protetor uma pea cilndrica, oca, fechada em uma extremidade e
rosqueada ou soldada na outra extremidade cujo objetivo a de
garantir proteo mecnica e qumica ao bulbo de resistncia permitindo
assim aumento de sua vida til. O poo protetor normalmente fabricado
em material metlico cuja constituio qumica escolhida em funo de sua
compatibilidade com as condies do processo, podendo ser feito a
partir de tarugo ou tubo de ao inox 304, 316, 410, monel, tntalo ou
outro metal conforme requerido. Para caso em que a temperatura do
processo for muito elevada, o poo deve ser construdo com
cermica.
- Outros Tipos de Bulbos de ResistenciaExistem varios tipos de
sensores com caracteristicas diferentes do Pt-100 convencional. Sao
elas: Ni-100. a 0oC, com alfa de 0,00617...-1.oC-1 Pt-500. a 0oC,
com alfa de 0,003902...-1.oC-1 Pt-130. a 0oC, com alfa de
0,0039...-1.oC-1 Ni-120. a 0oC, com alfa de 0,00672...-1.oC-1
Ni/Fe-60. a 0oC, com alfa de 0,0052...-1.oC-1 Cu-10. a 0oC, com
alfa de
0,00427...-1.oC-1
Calibrao de TermoresistnciaApesar de ser um sensor de boa classe
de exatido e altssima repetitividade, a calibrao tambm necessria
para a verificao dos limites de erros do sensor. O tempo de uso,
alteraes na estrutura cristalina da platina ou mudanas qumicas no
fio podem tirar o sensor de sua curva caracterstica. Para se
realizar uma calibrao de termoresistncia, usa-se o Mtodo dos Pontos
Fixos ou Mtodo de Comparao.
- Mtodo dos Pontos FixosOs pontos fixos mais utilizados segundo
a ITS-90 sao: Ponto Triplo do Argonio
................................... -189,3442oC
Ponto Triplo da Agua .......................................
+0,010oC Ponto de Solidificacao do Estanho ..................
+231,928oC Ponto de Solidificacao do Zinco .......................
+419,527oC
- Metodo da ComparacaoPara realizar este metodo e necessaria a
utilizacao de um termometro de resistencia padrao com certificado
de calibracao. Normalmente este padrao e um sensor Pt-25,5. a 0oC.
A comparacao e efetuada em banhos de liquido agitado num range de
aproximadamente -100 a 300oC com uma excelente estabilidade e
homogeneidade. A leitura dos sinais e feita em uma ponte resistiva
confivel.
Recomendaes na Instalao de Bulbos de ResistnciaPara que se tenha
um perfeito funcionamento do sensor, so necessrios certos cuidados
de instalao, bem como armazenagem e transporte, conforme segue: -
Deve-se especificar materiais da proteo e ligaes capazes de operar
na temperatura de operao requerida. - O sensor deve ser imerso
completamente no processo, para se evitar a perda de calor por
conduo pelos fios e bainha. Para tal, um comprimento mnimo de
imerso e o uso de materiais de proteo com boa condutibilidade
trmica tambm so recomendados. - Deve-se evitar choques mecnicos nas
peas, pois estes podem danificar o sensor. - Deve-se utilizar fios
de cobre de mesmo comprimento e dimetro para a interligao da
termoresistncia. - Zonas de estagnao ou com baixas velocidades do
fluido em contato com o sensor, no devem ser utilizadas devido ao
retardo e os erros causados medio. - Na ligao a 3 fios, se for
necessrio a troca de um dos fios de interligao; recomenda-se trocar
os 3 fios para que se tenha igualdade em seus valores hmicos. - Em
locais sujeitos a rudos internos, recomenda-se o uso dos cabos
blindados e torcidos. - Em locais sujeitos a vibrao, deve-se
utilizar sensor com isolao mineral.
Vantagens e Desvantagens na Escolha do Bulbo de
ResistnciaA - Vantagensa) Possuem melhor classe de exatido
dentro da faixa de utilizao do que outros tipos de sensores. b) Tem
boas caractersticas de estabilidade e repetitividade. c) Com ligao
adequada, no existe limitao para distncia de operao. d) Dispensa o
uso de fios e cabos especiais, sendo necessrio somente fios de
cobre comuns. e) Se adequadamente protegido (poos e tubos de
proteo), permite a utilizao em qualquer ambiente. f) Curva de
Resistncia x Temperatura mais linear. g) Menos influncia por rudos
eltricos.
B - Desvantagensa) So mais caros do que os outros sensores
utilizados nesta mesma faixa. b) Baixo alcance de medio (mx. 630C).
c) Deterioram-se com mais facilidade, caso ultrapasse a temperatura
mxima de utilizao. d) necessrio que todo o corpo do bulbo esteja
com a temperatura estabilizada para a correta indicao. e) Possui um
tempo de resposta elevado. f) Mais frgil mecanicamente. g)
Autoaquecimento, exigindo instrumentao sofisticada.
TERMOPARESINTRODUO
Figura
15
A medio de temperatura tambm pode ser feita pela obteno de uma
fora eletromotriz gerada quando dois metais de natureza diferente
tem suas extremidades unidas e submetidas temperaturas distintas.
Isto ocorre devido aos metais distintos possurem densidades de
eltrons livres especficos e quando unidos em suas extremidades
provocar migrao desses eltrons do lado de maior densidade para o de
menor densidade ocasionando uma diferena de potencial entre os dois
fios metlicos. Esta diferena de potencial no depende nem da rea de
contato e nem de sua forma, mas sim da diferena de temperatura
entre as extremidades denominadas juno quente e fria. Esses
sensores so chamados de termopares e sero objeto de estudo nesse
captulo.
EFEITOS TERMOELTRICOSQuando dois metais so unidos em suas
extremidades e estas mantidas diferentes temperaturas, trs fenmenos
ocorrem simultaneamente que so:
Efeito Seebeck
Figura 16
Esse efeito foi descoberto em 1821 pelo fsico alemo T. J.
Seebeck quando ele observou em suas experincias que em um circuito
fechado formado por dois fios de metais diferentes ocorre uma
circulao de corrente enquanto existir uma diferena de temperatura
entre suas junes, e que sua intensidade proporcional diferena de
temperatura e natureza dos metais utilizados. Em 1887, Le Chatelier
(fsico Francs), utilizou pela primeira vez na prtica essa
descoberta ao construir um termopar a partir de fios de platina e
platina-rhodio a 10% para medir temperatura. Esse termopar ainda
hoje utilizado, em muitos laboratrios, como padro de referncia.
Efeito Peltier
Figura 17
Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoeltrico com
ambas as junes mesma temperatura, se, mediante uma fonte externa,
produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junes
variam em uma quantidade no inteiramente devido ao efeito Joule. A
esse acrscimo de temperatura foi denominado efeito Peltier. O
coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam
uma juno e no depende da temperatura de outra juno. O efeito
Peltier no tem aplicao prtica nos termopares e sim na rea de
refrigerao com a utilizao de semicondutores especiais.
Efeito ThomsonEm 1854, Thomson concluiu, que a conduo de calor
ao longo dos fios metlicos de um termopar, que no transporta
corrente, origina uma distribuio uniforme de temperatura em cada
fio e, quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuio
da temperatura em uma quantidade no somente devido ao efeito Joule.
A essa variao adicional na distribuio da temperatura denominou-se
efeito Thomson.
Malha de temperatura
Figura 18
TransmissoresNo forno de placas ns possumos trs tipos de
transmissores. Transmissor de temperatura,transmissor de vazo e
transmissor de presso. A funo do transmissor transformar os sinais
de presso,vazo e temperatura para sinais eltricos, mandando-o para
o controlador,para que o controle do forno possa ser feito
corretamente. Obs: se o transmissor estiver com defeito o controle
do forno feito incorretamente.
Malha de vazo
Figura 19
Placa de orifcio
Figura 20
Malha de presso
Figura 21
PIRMETROSMEDIO DE TEMPERATURA POR INFRAVERMELHO
Figura 22
A tecnologia infravermelha no um fenmeno novo, ela tem sido
utilizada com sucesso em setores industriais e de pesquisa durante
dcadas, mas inovaes tem reduzidos custos, ampliado a
confiabilidade, e resultou em sensores infravermelhos para medio de
temperatura sem contato. Quais as vantagens da medio de temperatura
sem contato ? rpida (na faixa de ms), permitindo mais medies e
acumulao de dados
Medies podem ser feitas em objetos perigosos ou fisicamente
inacessveis (partes com alta-voltagem, medies a grande distncia)
Facilidade de medio quando o alvo est em movimento Medies de altas
temperaturas(maiores que 1300C) no apresentam problemas. Em casos
similares, termmetros comuns no podem ser utilizados ou tem a sua
vida til reduzida Em casos de maus condutores de calor como plstico
e madeira, medies so extremamente precisas sem distores dos
valores, se comparado com medies com termmetros de contato No h
risco de contaminao e efeito mecnico na superfcie dos objetos.
Tendo enumerado a vantagens, h questes que precisamos saber quando
utilizamos termmetros infravermelhos: O alvo deve ser oticamente (
infravermelho) visvel ao termmetro infravermelho. Alto nvel de
sujeira ou fumaa fazem a medio perder preciso. Obstculos como um
tanque metlico fechado, s possvel a medio na superfcie do mesmo, no
podendo ser medido a temperatura do produto no interior do tanque A
parte tica do sensor deve ser protegida de sujeira e lquidos
condensados Normalmente, somente a temperatura de superfcie pode
ser medida Em suma, as principais vantagens da medio de temperatura
por infravermelho so a velocidade, ausncia de interferncia e
possibilidade de medio de altas temperaturas at 3000C. Lembrando
que apenas temperaturas na superfcie dos materiais podem ser
medidas
O sistema de medio infra-vermelhaOs termmetros de
infra-vermelhos podem ser comparados ao olho humano. As lentes do
olho representa a parte tica que faz com que a radiao(fluxo de
ftons) vindos dos objetos pela atmosfera, alcancem a camada
fotossensvel (retina). Isto convertido em um sinal que enviado ao
crebro. A figura abaixo apresenta o processo de medio por
infravermelho
Figura 23
Toda forma de matria com temperatura(T) acima do zero absoluto
emite radiao infravermelha de acordo com a temperatura. Isto
chamado de radiao caracterstica. A causa disto o movimento mecnico
interno das molculas. A intensidade deste movimento depende da
temperatura do objeto. Como o movimento das molculas representa
deslocamento de cargas, radiao eletromagntica(ftons) emitida. Estes
ftons movem-se coma velocidade da luz e comportam-se de acordo com
os princpios ticos conhecidos. Eles podem ser defletidos, focados
por lentes, ou refletidos por superfcies reflexivas. O espectro
desta radiao tem faixa de 0,7 a 1000 m de comprimento de onda. Por
esta razo, a radiao no pode ser normalmente vista a olho nu. Esta
rea encontra-se na rea de luz vermelha da luz visvel e desta forma
tem sido chamada de infravermelha.
Figura 24
A figura abaixo apresenta a radiao tpica de corpos em diferentes
temperaturas. Como indicado, corpos com temperaturas altas ainda
emitem uma pequena quantidade de radiao visvel. Isto o motivo que
qualquer um pode ver objetos que esto com temperatura acima de
600C, crescendo de vermelho para branco.
Figura 25
Trabalhadores experientes de siderurgias estimam a temperatura
pela cor. Esta ttica foi usada nas industrias de ferro e ao em
1930. A parte invisvel do espectro, entretanto, contm mais de
100.000 vezes mais energia. A tecnologia de medio por I.V.
baseia-se nisto. Podemos perceber no grfico que, o pico de radiao
move-se para pequenos comprimentos de onda na proporo que a
temperatura aumenta, e que a curva de cada corpo no se sobrepe em
diferentes temperaturas. A energia radiante em toda a faixa de
comprimento de onda aumenta sua intensidade em 4 com a temperatura.
Estas relaes foramsomatrio da emisso, composta por absoro(A),
reflexo(R) e transmisso(T) igual a 1.
Figura 26
O sistema tico do sensor de infravermelho captura a energia
emitida de um ponto de medio circular e focaliza no detector. O
alvo deve ser completamente ocupado por este ponto, de outra forma
o termmetro ir detectar temperatura do ambiente ao redor ,
ocasionando erro de leitura.
Figura 27
A resoluo tica definida como a relao entre a distncia do
dispositivo de medio do alvo e o dimetro(spot) do ponto a ser
medido.
Figura 28
Pirmetros descobertas por Stefan e Boltzmann em 1879 e ilustra
que a temperatura pode ser medida pelo sinal de radiao. Estas
curvas apresentadas so de um corpo "ideal" chamado de Corpo Negro.
Outros corpos, entretanto emitem menos radiao na mesma temperatura.
A relao entre a real energia emitida e a energia emitida pelo corpo
negro conhecida como emissividade e pode ser no mximo 1 (o que
corresponde ao corpo negro ideal) e o mnimo igual a 0. corpos com
emissividade menor que 1 so chamados de corpos cinza. Corpos onde a
emissividade tambm dependente da temperatura e comprimento de onda
so chamados de corpos no-cinza.
Figura 29
O so geralmente acompanhados com telescpio ou mira LASER. O
feixe de LASER permite ao usurio apontar para o ponto de medio
desejado com mais rapidez e preciso.
Figura 30
Algumas aplicaes: NO LAR E COMRCIO:
Figura 31
Monitorao da isolao de paredes, tubulaes e janelas Verificao do
funcionamento de fornos, aquecedores d'gua, foges, ar condicionado
e outros eletrodomsticos
Figura 32
Verificao de temperatura de cmaras frigorficas e refrigeradores
em supermercados
EM ELETRICIDADE
Figura 33
Verificaes de conexes eltricas folgadas, que produzem calor
Temperatura de motores, disjuntores, fusveis Verificao de
transformadores
EM SERVIOS DE MANUTENO
Figura 34
Usado na verificao de rolamentos, sistemas eltricos e o
funcionamento correto de equipamentos
AMBIENTES PERIGOSOS E/OU EXPLOSIVOS
Figura 35
Uso em ambientes perigosos como: Refinarias petroqumicas
Explorao de leo, especialmente em plataformas Estaes de bombas para
petrleo e gs
Plantas qumicas/farmacuticas Processos de tintas, laminao, que
emitem vapores volteis Detritos perigosos e serragem Abastecimento
de avies e servios de manuteno Estocagem de GLP Sala de aquecedores
Ambientes que geram hidrognio
