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Medição de Temperatura
• Curso: Eng. de Controle e Automação / Elétrica
• Disciplina: Instrumentação
• Professor: Leandro Morais
1
Medição de Temperatura
Definição de Temperatura
• Temperatura é uma grandeza física que indica a intensidade de calor ou frio de um corpo, de um objeto ou do ambiente.
• Relacionado ao grau de agitação molecular.
Medição de Temperatura
Definição de Temperatura
• Influi nas propriedades físicas de uma substância.
Medição de Temperatura
Relação:
Temperatura, Volume e Pressão
• É possível escolher materiais ou substâncias nos quais uma dessas grandezas seja muito mais sensível à temperatura do que as demais, isto é, varie muito mais do que as outras, e esta grandeza pode ser eleita como grandeza termométrica.
• Desta forma é possível associar a cada valor de temperatura um valor da grandeza termométrica.
𝑃𝑥𝑉
𝑇= 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
Medição de Temperatura
Relação:
Temperatura, Volume e Pressão
• Um termômetro ou sensor de temperatura nada mais é do que um equipamento, material ou substância que tem uma grandeza termométrica conhecida.
• Toda medição de temperatura é indireta, baseada na alteração de alguma propriedade física de um material, como seu comprimento, volume, resistência elétrica, etc.
Medição de Temperatura
Relação
Temperatura ≠ Calor
• Calor é a energia em trânsito em virtude da diferença de temperatura.
Medição de Temperatura
Tipos de transmissão de calor
• Condução Sólidos
• Convecção Líquidos e Gases
• Irradiação Sem contato físico
Medição de Temperatura
Condução
• Ocorre por contato físico direto.
Medição de Temperatura
Convecção
• Transferência de calor de um lugar para o outro pelo deslocamento de material.
Medição de Temperatura
Irradiação
• Ondas de calor propagadas por um corpo de energia irradiante.
Medição de Temperatura
Tipos de Transmissão de Calor
Medição de Temperatura
Tipos de Transmissão de Calor
Medição de Temperatura
Termometria
• Termo dado à medição/estudo da temperatura.
• A medição é baseada no equilíbrio térmico, ou seja, é necessário esperar um certo tempo para que o termômetro atinja a mesma temperatura do corpo.
Medição de Temperatura
Temperatura
Grandeza física representada pelas seguintes unidades de medidas:
• Escalas Relativas: Celsius e Fahrenheit
• Escalas Absolutas: Kelvin e Rankine
Medição de Temperatura
Escalas Relativas
• Baseadas nos pontos de fusão e ebulição da água.
Ebulição
Sólido Líquido Gasoso
Fusão 0°C 32°F
100°C 212°F
Medição de Temperatura
Escalas Absolutas
• Baseada no zero absoluto de temperatura.
0 K - 273,15 °C
0 R - 459,67 °F
Medição de Temperatura
Principais Escalas de Temperatura
Medição de Temperatura
Conversão de Escalas
°𝐶
5=°𝐹 − 32
9=𝐾 − 273
5=𝑅 − 491
9
Medição de Temperatura
Exercício
• O ponto de ebulição do oxigênio é -182,86 °C.
• A temperatura média do corpo humano é 36°C.
• Represente essas temperaturas em:
K, °F e R.
Medição de Temperatura
Tipos e Características dos medidores de temperatura
• A temperatura não pode ser determinada diretamente, mas deve ser deduzida a partir dos seus efeitos elétricos ou físicos produzidos sobre uma substância, cujas características são conhecidas. Os medidores de temperatura são construídos baseados nesses efeitos.
• Por exemplo: - Quando aquecemos um líquido, o volume deste aumenta.
- Quando aquecemos uma barra de metal, o comprimento dela aumenta.
- Quando aquecemos um fio elétrico, a resistência deste aumenta.
- Quando aquecemos um gás confinado, a pressão deste gás aumenta.
• Os medidores são divididos em dois grupos: contato direto e indireto.
Medição de Temperatura
Tipos e Características dos medidores de temperatura
1° Grupo: Contato Direto
• Termômetro à dilatação:
- de líquido;
- de sólido.
• Termômetro à pressão:
- de líquido;
- de gás;
- de vapor.
• Termômetro a par termoelétrico.
• Termômetro à resistência elétrica.
São os mais utilizados nas indústrias de processo contínuo.
Medição de Temperatura
Tipos e Características dos medidores de temperatura
2° Grupo: Contato Indireto
• Pirômetro Óptico / Fotoelétrico
• Pirômetro de Radiação
Medição de Temperatura
Comparativo entre os tipos medidores de temperatura
DIRETO INDIRETO
Condição necessária para medir com
precisão:
- Estar em contato com o objeto a
ser medido.
- Praticamente não mudar a
temperatura do objeto devido ao
contato do detector.
- A radiação do objeto medido tem
que chegar até o detector.
Características: - Difícil medir a temperatura de
objetos pequenos, pois tem
tendência a mudança de
temperatura quando em contato
com outro objeto cuja temperatura é
diferente.
- É difícil medir o objeto que está em
movimento.
- Não muda a temperatura do objeto
porque o detector não está em
contato direto com o mesmo.
- Pode medir o objeto que está em
movimento.
- Geralmente mede a temperatura
da superfície.
- Depende da emissividade.
Faixa de Temperatura: Indicado para medir temperaturas
menores que 1600°C.
É adequado para medir
temperaturas elevadas.
(> - 50°C)
Precisão: Geralmente, ± 1 % da faixa. Geralmente 3 a 10°C.
Tempo de Resposta: Geralmente Alto (> 5 min.) Geralmente Baixo (0,3 a 3 s)
Medição de Temperatura
Medidores de Temperatura do Tipo Contato Direto
Medição de Temperatura
Termômetro de dilatação de líquidos
• Lei da expansão volumétrica de um líquido dentro de um recipiente fechado.
• Líquidos mais utilizados:
- Mercúrio
- Álcool Etílico
- Tolueno
• Medição na faixa de – 150°C a + 350°C com precisão de ± 0,5%.
Medição de Temperatura
Termômetro de dilatação de líquidos
• Em recipiente de vidro:
- A medição se faz pela leitura da escala no topo da coluna líquida.
• Em recipiente metálico:
- A dilatação do líquido provoca a deformação do tubo de Bourdon. (Utilizados em termômetros de dilatação de gases e a pressão de vapor.)
Medição de Temperatura
Termômetros Bimetálicos
Princípio de Funcionamento:
• Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura.
• O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de metais diferentes, justapostas , formando uma só peça.
• Quando ocorre o aquecimento da peça, a dilatação do material provoca um aumento de seu comprimento sendo esta deformação proporcional à temperatura.
Medição de Temperatura
Termômetros Bimetálicos
Princípio de Funcionamento:
• A equação básica que rege esta relação é:
Lt = L˳ .( 1 + α . ∆t ) onde:
∆t = t - t˳
t = temperatura do metal em °C
t˳ = temperatura de referência do metal em °C (normalmente 0°)
L˳ = comprimento do metal à temperatura de referência.
Lt = comprimento do metal à temperatura t em °C.
α = coeficiente de dilatação linear
Medição de Temperatura
Termômetros Bimetálicos
• São utilizados para medir temperaturas na faixa de - 50 até 800°C, onde respostas rápidas não são exigidas.
• São mais utilizados no campo, como indicadores, já que são desprovidos de facilidade de transmissão de sinal, e portanto, não permitindo leitura remota.
Medição de Temperatura
Termômetros de Resistência
• Quase todos os materiais condutores elétricos apresentam uma dependência entre a resistência e a temperatura.
• Este fenômeno permite seu emprego como sensores.
Medição de Temperatura
Termômetros de Resistência
Sensores por Bulbo de Resistência • As termoresistências ou bulbo de resistência ou ainda RTD
(Detector de temperatura a resistência) são sensores que se baseiam no princípio da variação da resistência ôhmica em função da temperatura.
• Para uso industrial são usados sensores com fios de platina,
níquel, cobre e uma liga de 70% Ni – 30% Fe. Dentre eles o mais utilizado é a platina, pois ela apresenta alto nível de pureza possibilitando maior sensibilidade, boa relação resistência x temperatura e também por ter rigidez e ductibilidade para ser transformada em fios finos.
Medição de Temperatura Termômetros de Resistência
Sensores por Bulbo de Resistência
• A faixa de trabalho varia de acordo com o material utilizado (Pt, Ni, Cu) e pelo tipo de elemento isolante.
• Os sensores de platina, devido às suas características, permitem um funcionamento até temperaturas mais elevadas e têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro.
• Na utilização de elemento isolante tipo vidro de selagem a faixa de trabalho é de – 269,15°C a 450°C.
• Já na utilização de elemento isolante do tipo cerâmica a faixa de trabalho varia até 850°C.
Medição de Temperatura
Termômetros de Resistência
O SENSOR PT 100
• Assim chamado por ser composto de platina e resistência padronizada de 100 Ω a 0°C.
• É o termoresistor mais utilizado no mundo, devido à sua estabilidade, repetibilidade, precisão e ampla faixa de operação.
• Seu custo é praticamente igual ou até inferior ao dos sensores de metais menos nobres.
• Encontram-se sensores PT 100 para operar na faixa de -250°C até 850°C.
Medição de Temperatura
O sensor PT 100
Princípio de Funcionamento:
• A medição da temperatura é feita medindo-se a variação da resistência elétrica do elemento sensor, através de técnicas que garantem alta precisão nos valores obtidos.
• Dentre elas, a mais utilizada é a Ponte de Weatstone. O circuito inicialmente é posto em equilíbrio e desta forma não circula corrente entre os pontos A e B que se encontram com potenciais idênticos.
A
B
Medição de Temperatura
O sensor PT 100
Princípio de Funcionamento:
• Quando ocorre variação de temperatura a resistência do sensor varia, desequilibrando o circuito de forma proporcional à temperatura.
• R1 = R2 = Resistência fixa.
• R3 = Resistência variável.
• R4 = Resistência de Medição
Medição de Temperatura
O sensor PT 100
Medição de Temperatura Termistores
• São termoresistências compostas de materiais semicondutores, usualmente óxido de níquel, manganês, cobalto e outros.
• Apresentam grande variação da resistência elétrica com a temperatura. Sua faixa de medição varia entre – 100°C a + 300°C.
Medição de Temperatura Termistores
• Na prática, existem dois tipos de termistores: O primeiro compreende tipos de baixa precisão (5 a 10%) e baixo custo, robustos, empregados em medições grosseiras e na proteção térmica. Por exemplo, na indicação de alarme de temperatura em veículos.
• No segundo estão os termistores de precisão (até 0,05°C) usados na medição de contato direto, principalmente em laboratórios e como sensores auxiliares de compensação de temperatura em instrumentos diversos.
• Relativamente caros, e sua não linearidade exige o uso de circuitos adequados , limitando a sua aplicação em faixas estreitas de temperatura.
Medição de Temperatura Termopares
• Apesar da crescente aplicação do PT 100 nas medições de temperatura, os termopares continuam sendo um dos sensores mais empregados nas aplicações industriais.
• Sua confiabilidade, baixo custo e padronização, aliados à precisão, estabilidade e repetibilidade satisfatórias, na maioria dos casos, justifica essa preferência. Além disso, abrangem uma grande faixa de temperaturas.
Medição de Temperatura Termopares
Princípio de Funcionamento
• Os fenômenos termoelétricos compreendem três efeitos: Seebeck, Peltier e Thompson.
• Em um circuito formado por dois fios condutores de metais diferentes circula corrente se as duas junções forem mantidas à temperaturas diferentes, T1 e T2, e que esta corrente será diretamente proporcional à diferença entre as temperaturas.
Medição de Temperatura Termopares
Princípio de Funcionamento
• Esta diferença de potencial não depende nem da área de contato e nem de sua forma, mas sim da diferença de temperatura entre as extremidades denominadas junção quente e fria.
• A ddp vai variar de acordo com a natureza dos metais.
Medição de Temperatura Termopares
Tipos e Características
• Existem várias combinações de dois metais condutores operando como termopares.
• Podemos dividir os termopares em dois grupos:
- Termopares Básicos
- Termopares Nobres
Medição de Temperatura Termopares
Termopares Básicos
• São assim chamados os termopares de uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior.
Exemplos:
Tipo T
• Liga de Cobre – Constantan (Cu-Co)
• Faixa de Utilização: - 184°C a 370°C
• Boa precisão devido a homogeneidade do cobre
• Aplicações: Criometria, Indústrias de Refrigeração.
Medição de Temperatura Termopares
Tipo J • Liga de Ferro – Constantan (Fe-Co)
• Faixa de Utilização: 0°C a 760°C
• Baixo custo, um dos mais utilizados na indústria.
• Aplicações: Centrais de Energia, Metalúrgica, Industrias em geral.
Tipo E • Liga de Chromel (Ni90-Cr10) – Constantan (NiCr-Co)
• Faixa de Utilização: 0°C a 870°C
• Possui maior potência elétrica entre os termopares.
• Utilizados em pirômetros de radiação.
• Aplicações: Química, Petroquímica.
Medição de Temperatura Termopares
Tipo K
• Liga de Chromel (Ni90-Cr10) – Aiumel (Ni95) (NiCr-Ni)
• Faixa de Utilização: 0°C a 1260°C
• Utilizado mais na faixa entre 700 e 1260°C.
• Em altas temperaturas é mais resistente que os do tipo S e R,
tendo uma vida útil maior que o tipo J.
• Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de
Cimento e Cal, Vidros, Cerâmica, Industrias em geral.
Medição de Temperatura Termopares
Termopares Nobres
• São pares constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão devido a pureza dos fios.
Exemplos:
Tipo S • Liga de Platina-Rhodio (Pt90-Rh10) – Platina (100%)
• Faixa de Utilização: 0°C a 1480°C
• Boa precisão em altas temperaturas, usado como Padrão.
• Na faixa entre 1200 a 1768°C é utilizado em “Sensores descartáveis” para medição de metais líquidos em Siderúrgicas e Fundição. Aplicações: Indústrias e pesquisa.
Medição de Temperatura Termopares
Tipo R
• Liga de Platina-Rhodio (Pt87-Rh13) – Platina (100%)
• Faixa de Utilização: 0°C a 1480°C.
• Mesmas características do tipo S, porém menos utilizado.
• Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e Cal, Vidros, Cerâmica, Industrias em geral.
Tipo B
• Liga de Platina-Rhodio (Pt70-Rh30) – Platina (Pt94-Rh6)
• Faixa de Utilização: 870°C a 1705°C.
• Usado acima de 1400°C. Mais estável que os tipos S e R.
• Aplicações: Siderúrgicas, Vidros, altas temperaturas em geral.
Medição de Temperatura Termopares
• Associação em Série: Ampliação do sinal elétrico.
• Associação em Paralelo: Temperatura média.
• A interligação dos termopares com os instrumentos de recepção deve obedecer critérios específicos já que na sua junção não pode ocorrer o “aparecimento” de novos termopares. Para isto, ou se utiliza cabos/fios do mesmo material ou por questões de custo, utiliza cabos de material diferente que não causem interferência nas medições.
Medição de Temperatura Termopares
• É muito comum a inversão de polaridade nas conexões, portanto devemos nos atentar na instalação do medidor para garantir a precisão nas medições.
Medição de Temperatura
Medidores de Temperatura do Tipo Contato Indireto
Medição de Temperatura
• Como realizar a medição de temperatura de metais incandescentes em fundição?
Medição de Temperatura
Irradiação
• Ondas de calor propagadas por um corpo de energia irradiante.
Medição de Temperatura
• Criometria:
- Medição de baixas temperaturas, próximas do zero absoluto.
• Pirometria:
- Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar.
Medição de Temperatura
Pirômetro
• Instrumento utilizado para medir altas temperaturas;
• Medição de temperatura sem contato com o corpo;
Medição de Temperatura
Pirômetro óptico
• Opera por comparação de cores: entre a cor de um filamento aquecido e a cor do corpo medido;
• A faixa de medição encontra-se em temperaturas acima de 500 / 600°C, nas quais o material começa a emitir radiação no espectro visível (incandescência), até temperaturas da ordem de 5000°C.
• Usado na medição da temperatura de metais incandescentes.
Medição de Temperatura
Pirômetro Óptico Princípios de Medição
• Olhando pelo visor do pirômetro observa-se o objeto metal que está focado no interior do pirômetro, ajusta-se depois manualmente a corrente elétrica que percorre um filamento (referência) que esquenta.
• A cor do filamento é definida pela corrente elétrica que circula pelo mesmo, a qual é medida por um miliamperímetro com uma escala relativa a temperatura do objeto.
• Quando a cor do filamento é idêntica à do metal, pode-se ler a temperatura numa escala disposta junto ao elemento de ajuste da cor do filamento.
Medição de Temperatura
Pirômetro Óptico Princípios de Medição
• Este medidor apresenta pouca precisão por estar dependente da comparação feita pelo olho humano.
Medição de Temperatura
Pirômetro Óptico Princípios de Medição
Medição de Temperatura
Pirômetro Infravermelho
• Conhecido também como termômetro infravermelho.
• Medição de temperatura da superfície do objeto.
Medição de Temperatura
Pirômetro Infravermelho Princípios de Medição
• Um objeto reflete, transmite e emite energia. Somente a energia emitida interessa para a medição de temperatura.
• O sistema óptico do sensor captura a energia emitida de um ponto de medição circular e focaliza no detector.
• A emissividade caracteriza o percentual de energia que é emitido pela superfície.
Medição de Temperatura
Pirômetro Infravermelho Características:
• A distância do medidor infravermelho em relação ao alvo, influencia na resposta conforme as especificações dos fabricantes.
• A medida é executada levando em conta a área enquadrada pelo instrumento, de acordo com a sua abertura.
Medição de Temperatura
Pirômetro Infravermelho Características:
• Cobrem a faixa aproximada de 0°C até 4000°C, captando a energia radiante no espectro infravermelho.
Medição de Temperatura
• Como realizar a medição de corpos em movimento?
• Como realizar a medição em objetos perigosos e fisicamente inacessíveis?
Medição de Temperatura
Zero Absoluto
- Toda forma de matéria com temperatura
acima do zero absoluto emite radiação
infravermelha de acordo com a
temperatura.
Medição de Temperatura
Termografia
• A vibração de campos elétricos e magnéticos que se propagam no espaço à velocidade da luz gera uma onda eletromagnética, e o conjunto de ondas eletromagnéticas forma o espectro eletromagnético.
• O Infravermelho é uma frequência eletromagnética naturalmente emitida por qualquer corpo, com intensidade proporcional a sua temperatura.
• As cores das imagens estão associadas à temperatura
Medição de Temperatura
Termografia • Utilizada na inspeção de temperatura em linhas de
transmissão, painéis elétricos, dentre outros;
• Manutenção Preventiva e Preditiva em diversos segmentos.
• Verificação de aquecimento ocasionado por mau contato, oxidação, desgastes ou sobrecarga do circuito.
Medição de Temperatura
Termografia
Medição de Temperatura
Termografia
• Utilizada na medicina na avaliação de detecção de doenças, luxações, etc..
Medição de Temperatura
Obrigado !