Aula 01 - Medidas de Temperatura

Helder Anibal Hermini

Grandeza física relacionada com o grau de vibração dos átomos e/ou moléculas que constituem o corpo.

CONCEITOS BÁSICOS

Temperatura

Energia térmica em trânsito de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura.

Calor

As primeiras medições de temperatura registradas que se tem conhecimento, foram realizadas por GALILEU, a partir de um termoscópio, termômetro cujo princípio físico era a expansão do ar; na ocasião, sua “escala” estava dividida em “graus de calor”, segundo seus registros.

AS PRIMEIRAS MEDIÇÕES DE TEMPERATURA

PRINCÍPIO DE CONSTRUÇÃO DE UM TERMÔMETRO

1o PASSO: Escolher uma propriedade termométrica (sistema sensor) compatível ao sistema a ser medido.

2o PASSO: Definir uma “Escala de Temperatura”

PRINCÍPIO DE CONSTRUÇÃO DE UM TERMÔMETRO

O erro estático é a diferença entre a leitura do sistema em uso em comparação com um padrão (ou seja, valor verdadeiro). Esse erro depende do tipo de sensor, cabos, sistema de leitura (analógico, digital, osciloscópio, registrador).

ERRO ESTÁTICO/ERRO DINÂMICO/CONSTANTE DE TEMPO

Quando a temperatura está variando rapidamente num processo industrial, por exemplo, o sistema de medição poderá não conseguir acompanhar esta variação (principalmente pela inércia térmica do sensor).

TEMPERATURA

Tempo

Temperatura correta

Temperatura lida pelo sistema


Mesmo quando se realiza uma medida estática de temperatura deve-se ter cuidado com a resposta do sensor, uma vez que ele leva um certo tempo para chegar a esse valor máximo. O tempo necessário para o sensor chegar a aproximadamente 63 % do valor máximo é chamado de constante de tempo, e a partir desse valor (geralmente fornecido pelo fabricante), é possível saber quanto se deve esperar para chegar ao valor máximo.

Temperatura

Tmax.

63% de Tmax.

(constante de tempo)

T e m p o


TIPOS DE TERMÔMETROS

Este tipo de termômetro está baseado na dilatação de metais; como diferentes metais possuem diferentes coeficientes de dilatação, se esses metais estiverem dispostos em lâminas conjuntas, a dilatação diferenciada irá curvar esse conjunto de lâminas.

TERMÔMETRO BIMETÁLICO

A

B

Fig. 1 - Dilatação de dois metais com diferentes coeficientes de dilatação (A e B); o resultado é uma flexão lateral do conjunto de lâminas, que tem um ponteiro acoplado. A leitura é feita diretamente numa escala acoplada.

O raio de curvatura é dado por:


A

B

2

3 2 1

t

T TA B

A combinação desta equação com relações apropriadas da resistência dos materiais permite o cálculo de deflexões de vários tipos de elementos em uso prático.

onde:

t = espessura total da placa

A e B = coeficientes de dilatação

T2 -T1 = variação de temperatura


•Medidas de temperatura.

•Elemento sensor de controle de temperatura, principalmente do tipo liga-desliga.

•Sistema de chaveamento para desligar o sistema em casos de sobrecarga em aparelhos elétricos

Ao fluir a corrente elétrica pelo bimetal há seu aquecimento e expansão, provocando a abertura da chave quando há uma corrente excessiva).

Aplicação


• Intervalo de temperatura de trabalho

O intervalo de temperatura de trabalho é de -100oC a 1000oF.

• Grau de precisão de medida

Imprecisões da ordem de 0,5 a 1% do intervalo de escala devem ser esperados em termômetros bimetálicos de alta qualidade.

Aplicação

TERMÔMETROS DE LÍQUIDO EM VIDRO

• É adaptável a uma grande variedade de aplicações, variando-se o material de construção e/ou sua configuração, ou seja:

Aspectos Gerais

TERMÔMETROS DE LÍQUIDO EM VIDRO

• Os termômetros são de dois tipos:

• Imersão Total - São calibrados para leitura correta quando a coluna de líquido está imersa completamente no fluído medido.

• Imersão Parcial - São calibrados para leitura correta quando imersos numa quantidade definida com a porção exposta numa temperatura definida.

Aspectos Gerais

TERMÔMETROS DE PRESSÃO

Estes termômetros utilizam o princípio de expansão dos líquidos em espaço confinado para produzir pressão a ser utilizada para operar um tubo de Bourdon, fole ou diafragma mostrando a temperatura de atuação.

ASPECTOS GERAIS


Classificação

Termômetros de pressão podem ser classificados em 4 grupos:

• Classe 1 - Sistemas cheios com líquidos (excluindo mercúrio)

• Classe 2 - Sistemas com vapor

• Classe 3 - Sistemas cheios de gás

• Classe 4 - Sistemas cheios com mercúrio


Classificação

Em todos os sistemas são possíveis fontes de erros:

• Submersão incorreta

• Mudanças na pressão barométrica

• Mudanças na temperatura ambiental

O termômetro a gás volume constante,

obtém-se a temperatura em função da pressão

Pg no ponto do gelo e da pressão Pv no ponto

de vapor, resultando uma equação LINEAR

semelhante á equação dos termômetros

líquidos, só que em termos da pressão versus

temperatura.

TERMÔMETRO A GÁS A VOLUME CONSTANTE

TERMOELETRICIDADE

x

yi

T2=T. ambienteT1

“a” “b”

Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que, unindo as extremidades de dois metais diferentes “x” e “y” e submetendo as junções “a” e “b” a temperaturas diferentes T1 e T2, surge uma f.e.m. (força eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os pontos a e b, denominada “tensão termoelétrica”.

Figura 2 - Experimento de Seebeck

TERMOELETRICIDADE

TERMOPARES

Figura 2 - Dois metais diferentes, “x” e “y” com as extremidades unidas e mantidas a temperaturas diferentes

Figura 3 - Abrindo o circuito em qualquer ponto e inserindo um instrumento adequado, tem-se o valor da f.e.m.

x

yi

T2=T. ambienteT1

“a” “b”

x

yi

T2=T. ambienteT1

“a” “b”

x

TERMOELETRICIDADE

TERMOPARES

TERMOELETRICIDADE

TERMOPARES

Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao se conectar dois metais diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado na Figura 1, tem-se um circuito tal que, se as junções “a” e “b” forem mantidas em temperaturas diferentes T1 e T2, surgirá uma f.e.m. termoelétrica e uma corrente elétrica “i” circulará pelo chamado "par termoelétrico” ou "termopar". Qualquer ponto deste circuito poderá ser aberto e nele inserido o instrumento para medir a f.e.m. (Figura 3).

Em 1826, o físico francês Antonie Becquerel sugeriu pela primeira vez a utilização do efeito Seebeck para medição de temperatura.

TERMOELETRICIDADE

TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

1a Lei Termoelétrica

“A força eletromotriz "" de um termopar depende somente da natureza dos condutores e da diferença de temperatura entre as junções de contato”.

TERMOELETRICIDADE


Algumas conseqüências importantes da 1a Lei a) Se as junções estiverem a mesma

temperatura, a f.e.m. gerada pelo termopar é nula.

b) A f.e.m. gerada pelo termopar independe do ponto escolhido para medir o sinal. Por isso, ao confeccionar o termopar, numa das junções não é realizada a solda, introduzindo-se alí o instrumento.

TERMOELETRICIDADE


Algumas conseqüências importantes da 1a Lei

c) A f.e.m. do termopar não será afetada se em qualquer ponto do circuito for inserido um terceiro metal, desde que suas junções sejam mantidas a mesma temperatura. Esta propriedade é chamada, por alguns autores, de "Lei dos Metais Intermediários”.

TERMOELETRICIDADE


2a Lei Termoelétrica(Lei das Temperaturas Intermediárias)

“Se dois metais homogêneos diferentes produzem uma f.e.m. E1 quando as junções estão às temperaturas T1 e T2, e uma f.e.m. E2, quando as junções estão a T2 e T3, a f.e.m. gerada quando as junções estão a T1 e T3 será E1 + E2”.

TERMOELETRICIDADE

TERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M.

A Figura mostra um termopar usado para medir a temperatura T1; o instrumento indicara uma voltagem proporcional

a diferença (T1 - T2 ) .T2 pode ser medida com um termômetro

convencional.

x

y

ab

T1

T2

Cu

Cu

RTe

Rv

Figura 4 - Circuito equivalente, Rv é a resistência interna do

voltímetro. RT é a resistência dos fios do termopar acrescido dos

fios que levam o sinal ao instrumento.

TERMOELETRICIDADE

TERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M.

Analisando o circuito elétrico, pode-se notar que o voltímetro somente irá informar a f.e.m. () se Rv >> RT. Desta forma, a escolha do

instrumento adequado, requer um grande cuidado!

x

y

ab

T1T2

Cu

Cu

Rre

Rv

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – POTENCIA TERMOELÉTRICA

Ao se medir a f.e.m. termoelétrica de um par termoelétrico em função

da temperatura, obtém-se, em geral, uma relação do tipo mostrado no gráfico da figura 5. A curva mostrada no gráfico é denominada de curva de calibração do par termoelétrico.

A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura, normalmente, não é linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada como se o fosse (veja a reta 1 da Figura 5).

Figura 5 - Curva de calibração de um par termoelétrico

A partir do gráfico pode-se definir uma grandeza

denominada de potência termoelétrica do termopar, dada por:

P = d/dT

ou para um intervalo de temperatura

P = /T

A potência termoelétrica representa a sensibilidade de resposta (e) do par termoelétrico com a variação de temperatura (T).

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – POTENCIA TERMOELÉTRICA

TERMOELETRICIDADE

TERMOPARES – FIOS DE COMPENSAÇÃO

Termopary

T1T2 Fios de compensação

T3x

Na maioria dos casos, sobretudo em aplicações industriais, o instrumento de medida e o termopar necessitam estar relativamente afastados. Desta forma, os terminais do termopar poderão ser conectados a uma espécie de cabeçote, e, a partir deste cabeçote são adaptados fios de compensação (praticamente com as mesmas características dos fios do termopar, porém mais baratos) até o instrumento, conforme mostra a Figuras 6.

Figura 6 - Termopar com fios de compensação

TERMOELETRICIDADE

TERMOPARES – FIOS DE COMPENSAÇÃO

Termopary

T1T2 Fios de compensação

T3x

Na montagem apresentada na Figura 6, o sinal lido no

instrumento é proporcional a (T1 - T3), já que os fios de

compensação possuem as mesmas características do

termopar (é como se existisse um único termopar).

Note que, se os fios fossem de cobre (fios comuns) o

sinal lido pelo instrumento seria proporcional a (T1 -

T2).

TERMOELETRICIDADEALGUNS TIPOS DE TERMOPARES

Figura 7 - Diversos termopares com finalidades aplicativas diferentes.

Figura 8 - Terminais para termopares - conexão com cabos de compensação.

Figura 9 - Termopares com proteção diversa (bainha de inox, tubo de inox).

Figura 10 - Termopar especial com base magnética para fixação em

dispositivos metálicos.

TERMOELETRICIDADEALGUNS TIPOS DE TERMOPARES

Figura 11 - Termopar com indicador digital de temperatura.

Figura 12 - Termopar com dispositivo especial para fixação com parafuso.

Figura 13 - Termopar com sistema “auto-adesivo”, evitando necessidade de solda ou operação mecânica (furos,..).

TERMOELETRICIDADE

Em 1834, Jean Peltier, mostrou, através de experimentos, que quando se passa uma pequena corrente elétrica através da junção de dois fios diferentes, em uma direção, a junção se resfria, e assim absorve calor de sua vizinhança. Quando a direção de corrente é invertida, a junção se aquece. E assim libera calor para a vizinhança.

O EFEITO PELTIER

Quando se introduz um gerador em um circuito formado por um par termoelétrico com ambas extremidades unidas e à mesma temperatura inicial, ao circular uma corrente elétrica "I" pelo circuito, observa-se que em uma das junções ocorre um resfriamento T, enquanto na outra junção ocorre um aquecimento de mesmo valor. Ao se inverter o sentido da corrente elétrica inverte-se também o efeito de aquecimento e resfriamento nas junções.

O EFEITO PELTIER

TERMOELETRICIDADE

O efeito Peltier pode ser descrito como uma espécie de "bomba de calor", que "sulga" calor de um dos lados, e o dissipa do lado oposto. Isto significa que temos um lado frio e um lado quente.

O lado frio, é o que sulga o calor, que naturalmente é o que ficará e contato com o processador, enquanto o lado quente em geral é fixado a um cooler convencional, que ajuda a dissipar o calor gerado, evitando que o peltier se superaqueça. Como o peltier deve cobrir toda a área de contato do processador, existem peltiers de vários tamanhos.

TERMOELETRICIDADE

UMA APLICAÇÃO DO EFEITO PELTIER – COOLER DE MICROPROCESSADORES

Os peltiers são bem mais eficientes que os coolers convencionais, mas naturalmente possuem suas desvantagens.

1.Consomem uma quantidade absurda de eletricidade. Os modelos mais "econômicos" consomem por volta de 70 watts;

2.Peltiers geram uma grande quantidade de calor durante seu funcionamento, que somado com o calor "sugado" é dissipado pela face quente. Apesar do processador ficar mais frio, a quantidade de calor irradiada para o restante do micro será maior.

3.Condensa umidade devido ao processador demorar um certo tempo para esquentar e o Peltier começar a trabalhar imediatamente. Portanto, a sua face fria fica realmente gelada até que o processador esquente, causando um grande acumulo de umidade ou até mesmo “água em estado liquido”.

UMA APLICAÇÃO DO EFEITO PELTIER – COOLER DE MICROPROCESSADORES

TERMOELETRICIDADE

Os “termômetros de resistência” funcionam baseados no fato de que a resistência de uma grande gama de materiais varia com a temperatura; de um modo geral, os metais aumentam a resistência com a temperatura, ao passo que os semicondutores diminuem a resistência com a temperatura.

TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA

Fig. 2 - Variação da resistência com a temperatura para vários materiais; observe-se que para uma mesma variação de temperatura, a variação de resistência do metal (Rm) é significativamente menor do que a no NTC (Rs).

TERMOELETRICIDADE

• Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão e ótima repetibilidade de leitura;

• Quando metais são usados, o elemento sensor é normalmente confeccionado de Platina com o mais alto grau de pureza e encapsulados em bulbos de cerâmica ou vidro.


•Atualmente, as termoresistências de Platina mais usuais são:

•Pt-25,5 •PT-100•PT-120, •PT-130/PT-500,


sendo que o mais conhecido e usado industrialmente é o PT-100 (a 0C). Sua faixa de uso vai de -200 a 650 C, conforme a norma ASTM E1137; entretanto, a norma DIN IEC 751 padronizou sua faixa de -200 a 850 C.

Normalmente, o bulbo de resistência é montado em uma bainha de aço inox, totalmente preenchida com óxido de magnésio, de tal maneira que haja uma ótima condução térmica e proteção do bulbo com relação a choques mecânicos. A isolação elétrica entre o bulbo e a bainha obedece a mesma norma ASTM E 1137.


ASPECTOS CONSTRUTIVOS

Para pequenas variações de temperatura a serem medidas é válida a equação

RT = Ro[1 + (T-To)]

onde

• Ro é a resistência a 0 C,

• RT é a resistência na temperatura T e

• é o coeficiente de temperatura do metal.


•A leitura da resistência é feita diretamente num ohmímetro, de preferência digital.

•Os principais metais usados nestes termoresistores são a Platina (Pt) e o níquel (Ni); uma das famílias mais famosas é a do Pt100; este número indica que o resistor tem 10 a 0 C. Também os semicondutores podem ser usados como sensores de temperatura: são os

sensores do tipo PTC e NTC.


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