Sensores.pdf

Rudinei de Brito Maciel Ecil Produtos e Sistemas de Medição e Controle Ltda

SENSORES DE TEMPERATURA PRINCÍPIOS E APLICAÇÕES

ORGANIZAÇÃO DO CURSO
Horário - 08:00 às 10:00 - 10:00 Coffee Break - 10:15 às 12:00 - 12:00 Almoço - 13:00 às 15:00 - 15:00 Coffee Break - 15:15 às 17:00

OBJETIVOS DO CURSO
Auxiliar na correta especificação de sensores de temperatura para as diferentes aplicações
Discutir os problemas relacionados com a medição de temperatura e a forma de solucionálas
Promover o intercâmbio de experiências entre os participantes.

TEMPERATURA
Uma das variáveis mais medidas na indústria
Normalmente relacionada a: - Qualidade do produto final - Segurança operacional - Otimização de consumo de energia

CONTROLE DAS VARIÁVEIS DE PROCESSO
Produtos com boa qualidade
Produtividade
Segurança operacional
Custos compatíveis com a concorrência

SEGMENTOS INDUSTRIAIS X TEMPERATURA


Óleo e gás
Alimentos
Química
Metalurgia e mineração
Farmacêutica
Papel e celulose
Energia elétrica

SEGMENTOS INDUSTRIAIS X TEMPERATURA


Automotiva
Aeroespacial
Tratamento de água e efluentes
Tratamento térmico
Plástico
Eletrônica / semicondutores
Transporte

TEMPERATURA X SENTIDOS
Aquecimento de uma barra ou fio
Aquecimento de um bloco de metal
Aquecimento de um frasco com líquido
Aquecimento de um frasco com gás

O QUE É TEMPERATURA?
A temperatura é o grau de calor ou frio, representado em uma escala definida.
Medida relacionada à energia cinética média das moléculas de uma substância
Grandeza intensiva - Equilíbrio térmico

O QUE É UM TERMÔMETRO
Um termômetro é um instrumento que mede a temperatura de um sistema de uma forma quantitativa.
Substância que tenha uma propriedade que mude de forma regular com a temperatura: - t (x) = ax + b - onde t é a temperatura da substância, que muda conforme a propriedade x da substância muda.

O DESENVOLVIMENTO DO CONCEITO DE TEMPERATURA

OS PRIMÓRDIOS DA TERMOMETRIA: A MEDIÇÃO DO CALOR

MEDIÇÃO
Termômetros podem responder a mais do que um parâmetro físico.
Os erros podem ser corrigidos, se forem conhecidos.

MEDIÇÃO
Problemas com os primeiros termômetros - falta de portabilidade - evaporação da água


Solução: termômetros selados (~1650) - Não existia o conceito de substância pura - Consistência dimensional - Termômetros diferentes indicavam a mesma temperatura

CONVENCIONANDO UMA ESCALA
Descoberta importante: o mercúrio propicia uma escala linear.
Como definir e gravar uma escala?
Marcando-se dois pontos e dividindo-se o intervalo em partes iguais.

ESCALAS DE TEMPERATURA Origem Réaumur

Ponto de Fusão 0 ºRe

França (1683-1757) Fahrenheit Alemanha 32 ºF (1685-1736) Celsius Suécia 0 ºC (1701-1744) Rankine Escócia 491,67 ºR (1820-1872) Kelvin Inglaterra 273,15 K (1824-1907)

Ponto de Ebulição 80 ºRe 212 ºF 100 ºC 671,67 ºR 373,15 K

RELAÇÃO ENTRE ESCALAS

C K − 273 F − 32 = = 5 5 9

CALIBRAÇÃO
Situações físicas que possuem temperatura estável - Primeira geada - Cavernas subterrâneas


Fahrenheit - termômetros de mercúrio - Calibrados em “pontos “fixos”

TERMÔMETRO DE HIDROGÊNIO


Kelvin (1850): usou a termodinâmica para definir a temperatura

TEMPERATURA TERMODINÂMICA
Definiu a forma funcional da temperatura - criou uma escala reprodutível, independente das propriedades das substâncias - Temperatura termodinâmicas ou absolutas


Temperatura = energia em movimento - Quando um corpo tem zero calor sua temperatura também será zero

ESCALA TERMODINÂMICA DE TEMPERATURA
Relação entre temperatura e uma propriedade intrínseca da matéria: - Pressão, volume e temperatura em um gás perfeito (termometria de gás) - Emissão de radiação por um corpo (termometria de radiação) - Tensão de ruído gerada devido às flutuações térmicas de um resistor (termometria de ruído)


O significado da temperatura implica na existência do equilíbrio térmico
Um termômetro indica uma temperatura mesmo quando não existe equilíbrio térmico UM TERMÔMETRO MEDE SUA PRÓPRIA TEMPERATURA

RASTREABILIDADE – O TRATADO DO METRO
Assinado em 1875
Conta hoje com + de 50 países membros e diversos associados.
As nações concordam com o significado das unidades de medida
Mudou a maneira de avaliar a qualidade de uma medição - Reputação x metodologia internacional

CONVENÇÃO DO CONVENÇÃO DO METRO METRO 1875 1875

Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM)

TRATADO DO METRO

Tratado diplomático

Governos das nações membro

Encontra-se a cada quatro anos e consiste dos representantes de todos os países membro

Comitê Internacional de Pesos e Medidas (CIPM)

Organizações Internacionais

Consiste de dezoito indivíduos eleitos pelo CGPM. Ë encarregado da supervisão do BIPM

Comitês Consultivos Aconselha o CIPM nos assuntos a ele relacionados. Cada um é presidido por um membro do CIPM e consiste de representantes dos laboratórios nacionais e outros especialistas.

Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) Centro Internacional para metrologia Laboratórios e escritórios em Sèvres (França) com uma equipe internacional de aproximadamente 60 pessoas.

Laboratórios Nacionais

EAL ILAC Imeko Euramet

ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA
Documento acordado pela comunidade internacional
Surgiu como resposta às dificuldades práticas dos termômetros termodinâmicos
Aproxima-se da escala termodinâmica
Uma vez definida a escala, a temperatura se torna rastreável desde que uma cadeia de eventos conduza a essa definição. Caminho oficial para a rastreabilidade

EVOLUÇÃO DAS EIT’S
1889 – Escala Normal de Hidrogênio - Hidrogênio foi usado em um termômetro de gás - Ponto de gelo (0°C) - Ponto de ebulição da água (100°C)


1927 – Escala Internacional de temperatura de 1927, EIT-27 - Termometria de gás: difícil de ser usada e cara - Era necessária uma escala mais prática

DEFINIÇÃO PRÁTICA DA ESCALA
Pontos fixos (fusão, solidificação, triplos)
Termômetros aprovados
Equações de interpolação

PONTO TRIPLO DA ÁGUA

EVOLUÇÃO DAS EIT’S
1948 – Escala Internacional de temperatura de 1948, EIT-48
1960 - Adoção do Sistema Internacional de Unidades (SI) - Introdução da palavra “prática”: Escala Prática Internacional de Temperatura, EPIT-48

EVOLUÇÃO DAS EIT’S
1968 – Escala Prática Internacional de Temperatura, EPIT-68
1975 – Escala Provisória de Temperatura, EPT-76 para a faixa de 0,5K a 30K.
1990 – Escala Internacional de Temperatura de 1990, EIT-90
Revisões periódicas – incorporam os desenvolvimentos tecnológicos.

SI DEFINE A TEMPERATURA
Temperatura termodinâmica, representada pela letra T, unidade é o Kelvin, símbolo K. - O valor do ponto triplo da água é fixado em 273,16K - A unidade de temperatura termodinâmica é definida como a fração 1/273, 16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água


Temperatura Celsius, representada pela letra t, unidade grau Celsius, símbolo °C. t (°C) = T (K) – 273,15

PONTOS FIXOS DA EIT-90 Número 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Temperatura T90/K t90/ºC 5 -268,15 13,8033 -259,3467 ≈17 ≈-256,15 ≈20,3 ≈-252,85 24,5661 -248,5939 54,3584 -218,7916 83,8058 -189,3442 234,3156 -38,8344 273,16 0,01 302,9146 29,7646 429,7845 156,5985 505,078 231,928 692,677 419,527 933,473 660,323 1234,93 961,78 1337,33 1064,18 1357,77 1084,62

Substância*

Estado**

He e-H2 e-H2 (ou He) e-H2 (ou He) Ne O2 Ar Hg H20 Ga In Sn Zn Al Ag Au Cu

V T V (ou G) V (ou G) T T T T T F S S S S S S S

ωr (T90)

0,001 190 07

0,008 449 74 0,091 718 04 0,215 859 75 0,844 142 11 1,000 000 00 1,118 138 89 1,609 801 85 1,892 797 68 2,568 917 30 3,376 008 60 4,286 420 53

DIFERENÇAS ENTRE A EPIT-68 E EIT-90

Realização da EIT-90 0,65K

17 Pontos Fixos

∞

Referência LNM EIT-90

LNM - Disseminação

Laboratório Acreditado

Disseminação da EIT-90

Calibração por comparação

NORMAS NACIONAIS E INTERNACIONAIS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASTM – American Society for Testing and Materials
IEC – International Eletrotechnical Comission
JIS – Japanese Industrial Standards

SENSORES DE TEMPERATURA

SENSORES DE TEMPERATURA
Transdutores que, submetidos a uma mudança de temperatura, fornecem uma resposta claramente dependente da temperatura
Propriedades físicas: expansão térmica, resistência elétrica, corrente, radiação, ressonância...

SENSORES DE TEMPERATURA


Sensores de contato


Sensores sem contato

COMO ESPECIFICAR
É possível tocar o objeto sem que ele ou sua temperatura sejam afetados?
Qual é a faixa de temperatura desejada?
Qual o erro tolerado pelo processo que se quer medir?
Quais as condições sob as quais a medição será realizada?

ANALISAR











Faixa de operação Limites de erro Atmosfera de operação Dimensões Tempo de resposta Distância da transmissão do sinal Compatibilidade eletromagnética Requisitos ambientais e de segurança

CONDUÇÃO




A energia passa de molécula para molécula, sem que elas sejam deslocadas.

CONVECÇÃO




Não ocorre passagem de energia mas o movimento de partícula, levando a energia de uma posição a outra (líquidos e gases)

RADIAÇÃO




A energia é transmitida sem que haja um meio material para sua propagação

FILME

FONTES DE ERROS NAS MEDIÇÕES

ASPECTOS PRÁTICOS
Sensores de contato
Erros na medição
Cuidados na instalação

FILME
Condução pela haste
“Derivação Térmica”
Radiação
Calor de atrito
Superfície
Tempo de resposta

ERROS DE IMERSÃO

ERROS DE IMERSÃO

 −L ∆Tm = (Tamb − Tsys)k exp  Deff





Tsys = temperatura do sistema; Tamb = temperatura ambiente L = profundidade de imersão Deff = diâmetro efetivo

  

ERROS DE IMERSÃO

Erro relativo de temperatura

∆Tm/(Tsys-Tamb) plotado contra a imersão do termômetro em diâmetros

ERROS DE CAPACIDADE TÉRMICA


O sistema deve fornecer ou absorver calor, de modo que o termômetro atinja a mesma temperatura do sistema

ERROS DE TEMPO DE RESPOSTA


Sistemas muito grandes ou nos quais existe um mecanismo de controle.

ERROS DE TEMPO DE RESPOSTA


O erro é estimado como:

∆Tm = (Tinic − Tsys ) exp (− τ / τ 0 ) Erro relativo de temperatura

∆Tm/(Tsys-Tinic) plotado contra o tempo de espera para a medição em múltiplos da constante de tempo, τ0

ERROS DE RETARDO




Erro de retardo = -τ0 x taxa de mudança da temperatura

ERROS DE RADIAÇÃO


Problema em medições do ar e de superfícies
Fontes de radiação - lâmpadas, caldeiras, fornos, chamas, aquecedores elétricos e o sol

EXERCÍCIOS

CALIBRAÇÃO

CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE TEMPERATURA


Espera-se que a calibração responda: - Qual é o erro do instrumento? - Está de acordo com as especificações do fabricante ou norma aplicável? - Posso confiar nele?

A CALIBRAÇÃO DEVE:


Relacionar as leituras do termômetro com a EIT-90 - Conjunto de correções (erros) ou equação


Informar a incerteza dessa relação - 95% de confiança

CÉLULAS DE PONTOS FIXOS E TERMÔMETROS DA EIT-90

CALIBRAÇÃO EM PONTOS FIXOS


Pontos de solidificação, fusão, triplos de substâncias especificadas na EIT-90
Células abertas ou fechadas

INCERTEZAS TÍPICAS

Incerteza (±) Temperatura

ºC

PE Nitrogênio

-196

PT Mercúrio

-38,8344

PT Água

Faixa 1

Faixa 2

Faixa 3

Faixa 4

Faixa 5

5 mK

5 mK

6 mK

0,6 mK

1 mK

1 mK

2 mK

0,01

0,5 mK

1 mK

1 mK

2 mK

4 mK

PF Gálio

29,7646

0,6 mK

1 mK

PS Índio

156,5985

PS Estanho

231,928

1,1 mK

2 mK

4 mK

PS Zinco

419,527

1,5 mK

3 mK

5 mK

PS Alumínio

660,323

6 mK

8 mK

PF Prata

961,78

1,1 mK

12 mK

PE = ponto de ebulição; PT = ponto triplo; PF = ponto de fusão; PS = ponto de solidificação.

CALIBRAÇÃO POR COMPARAÇÃO


Lei zero da Termodinâmica - Se dois sistemas estão separadamente em equilíbrio com um terceiro, então estarão em equilibrio térmico entre si.


Mais rápido, simples e econômico
Sistema: termômetro calibrado (TLV, TRP ou TC acoplados a um indicador) + meio temperatura de uniformidade conhecida - Calibração em laboratório - Calibração em campo - Calibração in situ

CALIBRAÇÃO INDUSTRIAL

CALIBRAÇÃO INDUSTRIAL


Faixa de -30 a 1200°C – necessários 2 ou 3 banhos
Incertezas típicas: - Faixa - -30°C a +140°C - +35°C a 650°C - +200°C a 1200°C

Incerteza típica ±0,1 a ±0,2°C ±0,1 a ±0,5°C ±1 a ±2°C

CALIBRAÇÃO INDUSTRIAL X RASTREABILIDADE

APENAS UM SENSOR NO BLOCO EQUALIZADOR

EFEITO DA CARGA TÉRMICA

Este efeito deverá ser considerado quando se usar o forno como padrão

LABORATÓRIOS SECUNDÁRIOS: -60 A 700°C

LABORATÓRIOS SECUNDÁRIOS: 150 A 1200°C

CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO


Tendência ou correção - Relação com a EIT-90 - Declaração da Incerteza
Confere rastreabilidade ao termômetro
Permite analisar conformidade com o critério de aceitação

CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO


Especificações que se tomam como referência para conduzir uma análise e emitir uma opinião.
É uma definição do dono do processo
Critérios possíveis: - Limite de erro de um sensor ou instrumento - Tolerância de um processo - Melhor capacidade de medição e calibração de um laboratório

Caso A

Caso B

Caso C

Caso D

Critério de aceitação superior Critério de aceitação inferior O valor medido está dentro dos limites, mesmo quando acrescido do valor da incerteza. Produto conforme.

O valor medido está abaixo do limite superior, mas de um valor menor que a incerteza; não é possível estabelecer a conformidade com 95% de confiança. Conformidade provável.

O valor medido está acima do limite superior mas de um valor menor que a incerteza; não é possível estabelecer a conformidade com 95% de confiança. Nãoconformidade provável.

O valor medido está acima dos limites, mesmo quando acrescido do valor da incerteza. Produto nãoconforme.

EQUIPAMENTOS DE CALIBRAÇÃO OU PRESTADOR DE SERVIÇOS
Incerteza combinada do padrão com o forno OU
melhor capacidade de medição e calibração do laboratório
1/3 do critério de aceitação para o objeto a ser calibrado.

PRÁTICA

COMO ANALISAR UM CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO

FILME

TERMÔMETROS MECÂNICOS

FILME TLV







Uso como padrão de temperatura Partes de um TLV Coeficiente de expansão térmica (vidro/líquido) Tipos de Imersão - Parcial - Total - Completa

TERMÔMETROS DE LÍQUIDO-EM-VIDRO


Uma das primeiras formas de termômetro
Seu uso dominou a termometria por 200 anos
Podem ser utilizados de -190 a quase 600°C

TERMÔMETROS DE LÍQUIDO-EM-VIDRO Líquido

Coef. exp. term. aparente, °C -1

Mercúrio Etanol Pentano Tolueno

0,00016 0,00104 0,00145 0,00103

Faixa de temperatura possível -38 à 510 °C -80 à 60 °C -200 à 30 °C -80 à 100 °C


Líquidos orgânicos - temperaturas abaixo de -38°C - situações em que o mercúrio deve ser evitado - termômetro mais baratos

EQUAÇÃO

V = Vo * ( 1 + αt + βt2 )

Vo = volume do líquido a 0°C α e β = coeficientes de expansão térmica do líquido. Para o mercúrio α = 1,8 x 10-4 °C-1 e β = 5 x 10-8 °C-2.

ERROS NA TERMOMETRIA TLV


Efeito da constante de tempo - diâmetro do bulbo


Efeitos da capacidade térmica - massa do termômetro

ERROS NA TERMOMETRIA TLV


Efeitos da pressão - usar o termômetro na posição vertical - não deixar o termômetro repousar sobre o bulbo


Deriva e histerese do bulbo - Líquido termométrico (muda rápido com a temperatura) - vidro (3 dias a semanas) - Ponto de gelo

ERROS NA TERMOMETRIA TLV


Colunas separadas - evaporação - separação mecânica - ponto de gelo


Erros na leitura - paralaxe - interpolações da escala (1/5 da menor divisão)

ERROS NA TERMOMETRIA TLV


Imersão parcial
Imersão total
Imersão completa

ESCOLHA E USO DE TLV’S


Vantagens -

Autonomia Baixo custo inicial Quimicamente inerte Baixa suscetibilidade à interferência elétrica Baixa condutividade térmica


Desvantagens - Natureza frágil - Risco de contaminação pelo mercúrio - Leitura deve ser na posição vertical

ESCOLHA E USO DE TLV’S
Faixa de trabalho: -35 a 250°C
Normas: ASTM, IP, BS - Facilidade de inspeção


Especificação - combinar: faixa de operação; divisão de escala; comprimento - limite de erro: ± 1 divisão


Instalação

ESCOLHA E USO DE TLV’S
Armazenamento - posição horizontal (papelão ondulado) - líquidos orgânicos – protegidos da luz


Transporte -

ponto de gelo antes de enviar para calibração caixa de madeira, forrada com espuma apoiar em toda extensão preencher espaços vazios todos os bulbos para o mesmo lado

TERMÔMETROS DE EXPANSÃO


Bulbos conectados a um indicador por meio de um tubo capilar contendo substâncias sensíveis a alterações de pressão e volume.

EXPANSÃO DE LÍQUIDOS


Princípio : expansão volumétrica de um líquido com a temperatura, dentro de um recipiente fechado. LÍQUIDO - Mercúrio - Xileno - Tolueno - Álcool

FAIXA DE UTILIZAÇÃO (°C) -35 à 550 -40 à 400 -80 à 100 50 à 150

EQUAÇÃO
t = Temperatura do líquido em O °C
Vo = Volume do líquido à temperatura inicial de referência to
Vt = Volume do líquido à temperatura t
β1, β2, β3 = Coeficiente de expansão do líquido em °C-1
∆t = t - to
Esta relação não é linear, porém como os termos de segunda e terceira ordem são desprezíveis, na prática podemos considerá-la linear. Então: Vt = Vo ( 1 + β.∆t)

DILATAÇÃO DE LÍQUIDOS EM RECIPIENTE DE VIDRO

PRESSÃO DE VAPOR


Princípio: “A pressão de vapor saturado de uma substância depende somente da temperatura e não do volume”
Líquidos: Cloreto de Metila; Butano, Éter Etílico; Tolueno; Dióxido de enxofre; Propano

EQUAÇÃO


P1 /P 2 = H e . ( 1/T 1 - 1/T2 ) / 4,58
P1 e P 2 = Pressões absolutas relativas às temperaturas
T1 e T2 = Temperaturas absolutas
H e = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão

EXPANSÃO DE GÁS
Preenchido com um gás a alta pressão. - Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão.


Tipos de gás de enchimento: Hélio ( He ); Hidrogênio ( H2 ) ; Nitrogênio ( N2 ) ; Dióxido de Carbono ( CO2) P1 = P2 = . . . = Pn T1 T2 Tn

COMPARAÇÃO Líquido

Vapor

Gás

Faixa

-150 a 150ºC

-70 a 280ºC

-70 a 800ºC

Vantagens

Resposta rápida; bulbos pequenos

Insensível a variações da temperatura ambiente

Insensível a variações da temperatura ambiente

Limitações

Necessita compensação da temperatura ambiente

Bulbos grandes, resposta lenta

Bulbos grandes, resposta lenta

TERMÔMETROS DE EXPANSÃO


Limites de erro: ±0,5 a ±1% da faixa
Fontes de erro: -

efeito efeito efeito efeito

da temperatura ambiente de coluna barométrico da imersão

COMPENSAÇÃO DA TEMPERATURA AMBIENTE

TERMÔMETROS BIMETÁLICOS


Duas tiras finas de metais diferentes, fixadas uma à outra em toda extensão

EQUAÇÃO Lt = Lo. ( 1 + α.∆t) onde: t= temperatura do metal em ºC Lo = comprimento do metal à temperatura inicial de referência to Lt = comprimento do metal á temperatura final t α = coeficiente de dilatação linear ∆t= t - t o

TIPOS DE MONTAGEM

TERMÔMETROS BIMETÁLICOS


Princípio: dilatação linear dos metais
Fontes de erro - Fadiga dos materiais - Imersão (3/4 do comprimento da haste)
Faixa de trabalho: -40 a 425ºC (535ºC)
Indicação visual da temperatura
Imersão

SENSORES ELÉTRICOS

TERMOPARES
Sensores de temperatura mais utilizados
Simplicidade, confiabilidade, baixo custo
Princípios básicos – conhecidos desde 1830
Leis da termoeletricidade - Lei do circuito homogêneo - Lei dos metais intermediários - Lei das temperaturas intermediárias

TERMOPARES
Descrição geral: transdutor que compreende dois pedaços de fios dissimilares unidos em suas extremidades.


Junção de medição (junta quente); Junção de referência (junta fria)
Ambiente isotérmico

EFEITO DE SEEBECK


Coeficiente de Seebeck s(T) – alteração da tensão (FEM) que resulta de um pequeno incremento na temperatura

dE σ (T ) = dT

EFEITO DE SEEBECK
A tensão de Seebeck somente é observada num circuito que envolva pelo menos dois tipos de fios.
Ocorre em qualquer par de pontos que não estejam à mesma temperatura
Não depende de junções
É uma propriedade de um metal individual (s absoluto)
Surge de um gradiente de temperatura

EFEITO DE SEEBECK

EFEITO DE SEEBECK
TERMOPAR – está relacionado a um gradiente de temperatura e não diretamente à temperatura - Homogeneidade do metal/ligas metálicas influi na resposta


Tensão de seebeck dE - Proporcional ao coeficiente de Seebeck do fio s(T) - Proporcional ao aumento da temperatura dT ao longo de cada pequena extensão do fio - dE = s(T,x).dT

BASE TERMOELÉTRICA DO TERMOPAR
Ambiente isotérmico - Se não há gradiente de temperatura, dT/dx = 0, isto é, uma condição isotérmica, então não é produzida nenhuma tensão de Seebeck.


Fios homogêneos - Se um fio é homogêneo, isto é s(T,x) = s(T), então a tensão de Seebeck depende da diferença de temperatura entre as extremidades do fio (junção de medição e junção de referência)

BASE TERMOELÉTRICA DO TERMOPAR
Voltímetro: deve ser mantido em condição isotérmica para remover sua contribuição termoelétrica à medição (p.ex. terminais de ligação)
Junções: por menores que sejam, causam não homogeneidades e portanto devem estar em condição isotérmica.

BASE TERMOELÉTRICA DO TERMOPAR
A tensão E está relacionada com a diferença entre o efeito termoelétrico dos fios A e B.
Tensão de Seebeck relativa, EAB
Coeficiente de Seebeck relativo (potência termoelétrica, coeficiente de sensibilidade) sAB:
E = EAB(TM) - EAB(TR)

BASE TERMOELÉTRICA DO TERMOPAR
Simplificação adicional: - escolher uma única temperatura de referência para todos os termopares, ou seja TR=0°C - Ajustando EAB (0°C) = 0

- E = EAB(tm)
Equação básica do termopar que relaciona - a tensão produzida com a temperatura que está sendo medida

PARA QUE A INDICAÇÃO DO TERMOPAR POSSA SER RELACIONADA À TEMPERATURA DO OBJETO, ALGUMAS CONDIÇÕES DEVEM SER ATENDIDAS:
A junção de referência está a 0°C
O coeficiente de Seebeck relativo é conhecido
Os instrumentos e cabos de conexão estão em condições isotérmicas
As junções de medição e referência estão em condições isotérmicas
Os fios que conectam as junções de medição e referência são homogêneos

TABELAS DE REFERÊNCIA DE TERMOPARES
São tabelas padrão internacionais da tensão de Seebeck relativa dos termopares
Permitem converter a saída do termopar (mV) para um valor de temperatura
Essa conversão somente é possível quando a temperatura da JR estiver a 0°C

JUNÇÃO DE REFERÊNCIA
Tabelas de referência: temperatura de JR é fixada em 0°C - Levar a temperatura de JR para 0°C - Medir a temperatura de JR

BANHO DE GELO FÍSICO

ASTM E 563; NBR 13863

BANHO DE GELO AUTOMÁTICO

COMPENSAÇÃO ELETRÔNICA
Medir a temperatura da junção de referência;
Usar as tabelas padronizadas para determinar a tensão Seebeck na temperatura da junção de referência;
Fazer uma medição exata da tensão Seebeck do termopar
Somar as duas tensões
Usar as tabelas padronizadas para determinar a temperatura medida.

USO DAS TABELAS DE REFERÊNCIA
Exercício Dado um valor de FEM (EAB) para um termopar tipo K, determinar o valor da temperatura (t) correspondente.

a) 24,608mV b) 28,098mV

USO DAS TABELAS DE REFERÊNCIA
Exercício Dado um valor de temperatura (t), medida com um termopar tipo K, determinar o valor da FEM (EAB) correspondente.

a) 521°C b) 643,6°C

TIPOS DE TERMOPARES

COMPOSIÇÃO E DESIGNAÇÃO ALFABÉTICA PARA TERMOPARES PADRONIZADOS Tipo










B C E J K N R S T

Materiais Combinação de termopares (P/N) platina-30% / ródio / platina-6% ródio tungstênio-5% rênio / tungstênio-36% rênio liga de níquel-cromo / liga de cobre-níquel ferro / liga cobre-níquel liga de níquel-cromo / liga de níquel-alumínio liga de níquel-cromo / liga de níquel-silício platina-13% ródio / platina platina-10% ródio / platina cobre / liga cobre-níquel

BN BP EN TN EP KP JN JP KN NN NP RN SN RP SP TP

Termoelementos platina-6% ródio, nominal platina 30% ródio, nominal liga de cobre-níquel, constantan: Cuprona, Advancec, ThermoKanthal JNb; 55% Cu, 45% Ni, nominal liga níquel-cromo: Chromeld, Trophela, T-1c, ThermoKanthal KPb; 90% Ni, 10% Cr nominal liga cobre-níquel similar, porém não intercambiável com EN e TN Ferro: ThermoKanthal JPb: 99,5% Fe, nominal liga níquel-alumínio: Alumeld, Niald, T-2c, ThermoKanthal KNb; 95% Ni, 2% Al, 2% Mn, 1% Si, nominal liga níquel-sílicio; 95,5% Ni, 4,4% Si, 0,1% Mn, nominal liga níquel-cromo; 84,4% Ni, 14,2% Cr, 1,4% Si, nominal platina de alta pureza platina-13% ródio platina-10% ródio cobre, usualmente eletrolítico

Dicas para identificar um termoelemento Termoelemento

Característica

JP

Atração magnética forte

JN, EN, TN

Não possui atração magnética

TP

Cor avermelhada

KP, EP

Não possui atração magnética

KN

Atração magnética leve

NP

Não possui atração magnética

NN

Atração magnética leve

RP

Menos dúctil (mole) que a RN

SP

Menos dúctil (mole) que a SN

RN, SN

Mais dúctil (mole) que a RP e a SP

BP

Menos dúctil (mole) que a BN

BN

Mais dúctil (mole) que a BP

LIMITES DE ERRO PARA TERMOPARES (ASTM E-230) Faixa de Limite de Erro (Escolher o maior) Sensor Utilização (ºC) Padrão Especial 0 a 870 ±1,7ºC ou ±0,5% ±1ºC ou ±0,4% E -200 a 0 ±1,7ºC ou ±1% J 0 a 760 ±2,2ºC ou ±0,75% ±1,1ºC ou ±0,4% 0 a 1260 ±2,2ºC ou ±0,75% ±1,1ºC ou ±0,4% K, N -200 a 0 ±2,2ºC ou ±2% 0 a 370 ±1ºC ou ±0,75% ±0,5ºC ou ±0,4% T -200 a 0 ±1ºC ou ±1,5% R, S 0 a 1480 ±1,5ºC ou ±0,25% ±0,6ºC ou ±0,1% B 870 a 1700 ±0,5% C 0 a 2315 ±4,4ºC ou ±1% -

TIPO DE TERMOPARES


Termopares padronizados de metal nobre: B, R eS - Tipo R – tensão 10% maior que tipo S - Tipo S – considerado mais estável (referência até 1968) - Tipo B – exclusivo para altas temperaturas (acima de 900°C) - Maior desvantagem: custo

TIPO DE TERMOPARES


Termopares padronizados de metal não nobre: T, J, K, E, N - Programação de reposição com base nos índices de degradação - O processo deve apresentar uma tolerância de pelo menos 1%.

TIPO DE TERMOPARES


Desafios - Temperaturas até 3000°C - Temperatura de gases altamente reativos


Mais de 200 tipos tem sido estudados e registrados
Termopares não definidos por letras -

Platinel II Ligas de platina com molibdênio e platina com ródio Ligas de irídio e ródio (2100°C) Ouro platina; platina paládio

FILME

TERMOPARES

TERMOPAR CONVENCIONAL

TERMOPARES DE ISOLAÇÃO MINERAL

CONSTRUÇÃO DE TERMOPARES

JUNÇÕES

JUNÇÕES

-

Junção Isolada: mais utilizada Junção aterrada: menor tempo de resposta: campo magnético Junção exposta: menor tempo de resposta

EMENDAS

-

Conectores Fios e cabos de extensão e compensação - Fios de extensão: liga similar à do termopar - Fios de compensação: ligas diferentes que “casam” com o coeficiente de Seebeck do termopar sobre uma faixa limitada de temperatura

EXTENSÃO E COMPENSAÇÃO -

Faixas de utilização e limites de erro (ASTM E 230) FIO OU CABO DE EXTENSÃO Termopar Tipo

Faixa de utilização

TX

Limite de erro (JR a 0o C) Padrão

Especial

-60 a 100 oC

±1,0 oC

±0,5 oC

JX

0 a 200 oC

±2,2 oC

±1,1 oC

EX

0 a 200 oC

±1,7 oC

±1,0 ºC

KX

0 a 200 OC

±2,2 oC

±1,1 ºC

NX

0 a 200 ºC

±2,2 ºC

±1,1 ºC

FIO OU CABO DE COMPENSAÇÃO Termopar Tipo

Faixa de utilização

SX

Limite de erro (JR a 0o C) Padrão

Especial

0 a 200 oC

±5 oC

A

RX

0 a 200 oC

±5 oC

A

BXB

0 a 200 oC

±4,2 ºC

A

BC

0 a 100 ºC

±3,7ºC

Isolação

Temp. míni ma (ºC)

Temp. máxima em uso contínu o, (ºC)

Temp máxima em exposiçã o única, (ºC)

Resistência à umidade

Resistência à abrasão

Algodão

...

95

95

Fraca

Razoável

Algodão esmaltado

...

95

95

Razoável

Razoável

Cloreto polivinílico

-40

105

105

Excelente

Boa

Tipo Ra

-55

125

125

Excelente

Boa

Nylonb

-55

125

125

Fraca

Boa

Teflonb

-55

205

315

Excelente

Boa

Kaptonb

-260

260

260

Excelente

Excelente

Fibra-Ba

...

260

260

Razoável

Excelente

Teflon e fibra de vidroc

...

315

370 a 540

Excelente até

Boa

Fibra de vidro impregnada Ed com verniz ou silicone

...

480

540

Boa até

Boa até

Fibra de vidro não impregnada Se

...

540

650

Fraca

Razoável

Refrasilf

...

870

1100

Muito fraca

Fraca

Fibras cerâmicas (Nextelg e Cefirh)

...

1000

1370

Muito fraca

Muito fraca

Identificação por cores Termopar

Extensão ou Compensação

Tipo

Tipo

Cor da isolação

ASTM E 230

IEC 60584

Capa externa

Condutor individual

Capa externa

Condutor individual

T

TPX (+) TNX (-)

Azul

Azul Vermelho ou vermelho /azul

Marrom

Marrom Branco

J

JPX (+) JNX (-)

Preta

Branco Vermelho ou vermelho/preto

Preto

Preto Branco

E

EPX (+) ENX (-)

Roxa

Roxo Vermelho ou vermelho/roxo

Violeta

Violeta Branco

K

KPX (+) KNX (-)

Amarela

Amarelo Vermelho ou vermelho/amarelo

Verde

Verde Branco

NX

NPX (+) NNX (-)

Laranja

Laranja Vermelho ou vermelho/laranja

Rosa

Rosa Branco

RX ou SX

RPX/RSX (+) RNX/SNX (-)

Verde

Preto Vermelho ou vermelho/preto

Laranja

Laranja Branco

BX

BPX (+) BNX (-)

Cinza

Cinza Vermelho ou vermelho/cinza

-

Cabos de extensão e compensação

Cabos de extensão e compensação

Cabos de extensão e compensação

Cabos de extensão e compensação

Cabos de extensão e compensação

USO DOS DIVERSOS TIPOS DE TERMOPARES Tipo

Comentário

Temperatura máxima ºC

Evitar contato com metal. Mais adequado para alta temperatura. Possui tensão baixa à temperatura ambiente Bom para temperatura abaixo de zero. Maior tensão dos termopares comuns O ferro oxida rapidamente

1700

Sujeito à “green rot” em algumas atmosferas Mais estável que o tipo K, em altas temperaturas Evitar contato com metal redutor Temperaturas abaixo de zero. Tolera umidade

1260

Ambiente

B

Oxidante, inerte, vácuo por períodos curtos

E

Oxidante, inerte

J K

Oxidante, inerte, redutor em vácuo parcial Oxidante, inerte

N

Oxidante, inerte

R&S T

Oxidante, inerte Oxidante, inerte, em vácuo parcial

870

760

1260 1400 370

LIMITES DE TEMPERATURA SUGERIDOS PARA TERMOPARES CONVENCIONAIS COM PROTEÇÃO Temperaturas limite para as diversas bitolas (ºC) Termopar Tipo

8 AWG

14 AWG 20 AWG 24 AWG

28 AWG

30 AWG

(3,26

(1,63

(0,81

(0,51

mm)

mm)

mm)

mm)

370

260

200

200

150

T

(0,33 mm) (0,25 mm)

J

760

590

480

370

370

320

E

870

650

540

430

430

370

K,N

1260

1090

980

870

870

760

R,S

1480

B

1700

C

2315

LIMITES DE TEMPERATURA SUGERIDOS PARA CABOS E TERMOPARES DE ISOLAÇÃO MINERAL Diâmetro da Bainha Temperaturas limite para os diversos diâmetros (mm)

(ºC)

Termopar Tipo

T

J

E

K/N

0,5

260

260

300

700

1,0

260

260

300

700

1,5

260

440

510

920

2,0

260

440

510

920

3,0

315

520

650

1070

4,5

370

620

730

1150

6,0

370

720

820

1150

8,0

370

720

820

1150

ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE


Amplia o sinal elétrico do termopar

ASSOCIAÇÃO EM PARALELO


Para medir a temperatura média

MEDIÇÃO DE TEMPERATURAS DIFERENCIAIS

ERROS TÉRMICOS


Erros Térmicos - Tempo de resposta - Profundidade de imersão - Gradiente intermediários

ERROS DEVIDO A NÃO HOMOGENEIDADE


Maior fonte de erro
Calibração in situ + programa de substituição

Motor de baixa velocidade

Transmissão com avanço de ~ 5 cm/min.

200 A

B

C

D

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Imersão (cm)

Carta do registrador ~ 5 cm/min.

Ponto do gelo

Termopar em teste

Banho de óleo ou sal de alta uniformid ade ~120 a 150 ºC.

45

50

200 A

180

B

C

160 140 120 100 80 60 40 20 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Imersão (cm)




Leituras de um termopar exposto a 870°C, enquanto passa lentamente por um forno vertical; B – zona de medição; C – condução pela haste; D – TC original A calibração não mostra esses efeitos

45

50

ERROS EM TERMOPARES


Erros da junção de referência
Erros de interferência
Erros de linearização

TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA


1925 – utilização em processos industriais
Medem temperaturas de 14K até 960°C com incertezas próximas de 1mK
Cobre, níquel e platina
Mudam a resistência em função da temperatura

EFEITO DA TEMPERATURA SOBRE A RESISTÊNCIA
Relação resistência x temperatura - R(t) = R(0ºC) . (1 + αt) − α = coeficiente de resistividade

R100 − R0 −1 α= °C 100.Ro

TERMORRESISTÊNCIA DE PLATINA


Callendar, t ≥ 0 ºC: - R(t) = R(0ºC)(1 + At + Bt2)
Callendar Van Dusen, t ≤ 0 ºC: - R(t) = R(0ºC)(1 + At + Bt2 + C(t-100)t3)

TERMORRESISTÊNCIA DE PLATINA


Termorresistência de
Termorresistência de Platina industrial: Platina padrão: A = 3,9083 x 10-3/°C A = 3,985 x 10-3/°C B = -5,775 x 10-7/°C-2 B = -5,85 x 10-7/°C-2 C = -4,183 x 10-12/°C-4 C = -4,27 x 10-12/°C-4 α = 3,85 x 10-3/°C α = 3,927 x 10-3/°C ρ = 1,11814

ρ = 1,1158

CONSTRUÇÃO FÍSICA DO SENSOR


Deve assegurar: - Que o metal responda à temperatura - Que não seja afetado por corrosão, vibração, pressão e umidade

TERMÔMETROS DE PLATINA PARCIALMENTE SUSTENTADOS


100 A 500 ohms
-200 a 850°C
±2 a ±20mK - α = 3926 (atende requisitos EIT-90) - α = 3916 - α = 3850

TERMÔMETROS DE PLATINA TOTALMENTE SUSTENTADOS


100 a 1000 ohms
-200 a 400°C
±20 a 200mK - α = 3850

TERMÔMETROS FILME DE PLATINA


100, 200, 500 e 1000 ohms
-200 a 1000°C - α = 3850
Características similares aos totalmente sustentados
Tempo de resposta curto

CONSTRUÇÃO DO TERMÔMETRO


Bainhas: metálicas; não metálicas
Condutores: cobre prateado, prata, platina
Isolação: espaçadores de quartzo, cerâmica, pó de alumina, óxido de magnésio

MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIA


Lei de Ohm - V = I.R
Na prática - resistência é medida por comparação com outras resistências

MÉTODO POTENCIÔMÉTRICO


R(t) – termoresistência
E(S) – resistor padrão
Fonte de corrente dc estável

Vt R (t ) = Rs Vs

MÉTODOS DE PONTE DE WHEASTONE


Compara a tensão de saída de 2 divisores de tensão, um dos quais inclui a termorresistência

Vout

R2 Rt − R3 R1 = V1 − V2 = Vin ( R2 + R3 )( R1 + Rt )

R3 Rt = R1 R2


Na ligação a 2 fios não é possível separar a resistência dos fios da resistência do elemento sensor


Na ligação a 4 fios, a resistência medida é independente da resistência dos condutores


Na ligação a 3 fios são feitas duas medições de tensão. A tensão através do 3° fio é utilizada para corrigir a medição principal

ERROS NA TERMOMETRIA DE RESISTÊNCIA


Imersão - Imersão extra para elementos sensores maiores
Tempo de resposta - 0,2 a 20 segundos - Relacionado à construção do sensor – tamanho do elemento; tipo de bainha

ERROS NA TERMOMETRIA DE RESISTÊNCIA


Auto-aquecimento - A corrente que passa através do elemento sensor para medir sua resistência, faz com que sua temperatura se eleve. - Depende do meio - (ar parado > água parada >água em movimento)

ERROS NA TERMOMETRIA DE RESISTÊNCIA


Efeitos mecânicos
Efeitos térmicos - Histerese – diferença entre os coeficientes de expansão térmica da platina e do substrato - Deformações plásticas relacionada à magnitude da histerese.


Resultado: deriva ou drift - Para acessar a deriva de um termômetro: medições no ponto de gelo.

EFEITOS TÉRMICOS

EFEITOS ELÉTRICOS: FUGA DE CORRENTE


Baixa isolação elétrica: contaminação; instabilidade na indicação
ASTM e IEC: mínimo 100MΩ (100V)

ERROS NA TERMOMETRIA DE RESISTÊNCIA


Erros na transmissão do sinal - Interferência eletromagnética – cabos coaxiais e cabos torcidos - Resistência dos condutores

ESCOLHA


Limite de erro - Classe A = ±0,15 + (0,002 x T)°C - Classe B = ±0,30 + (0,005 x T)°C
Ambiente: vibração e choque mecânico
Faixa de operação: quanto mais restrita, melhor

CUIDADOS E MANUTENÇÃO


Verificação periódica no ponto de gelo - Magnitude da variação não deve exceder 0,1%


Medição da resistência de isolação

TERMISTORES
Resistores de cerâmica semicondutora – (óxidos de cobalto, magnésio, manganês, níquel)
PTC ou NTC
Características -

Elevada sensibilidade (-3 a -6%/°C) Pequenas dimensões Tempo de resposta rápida Faixa de operação: -100 a 300°C

TERMISTORES
Desvantagens - Extrema não linearidade da resistência com a temperatura - Instabilidade com o tempo e ciclagem - Intercambiabilidade – a forma da curva depende da composição do termistor (0,1 e 0,2°C) - Maior efeito de auto-aquecimento

TERMISTOR X TRP
A resistência de um termistor é da ordem de milhares de ohms, enquanto que a de um TRP é da ordem de centenas de ohms

TOLERÂNCIAS TÍPICAS
Tolerância: pode ser expressa sobre a temperatura indicada (°C) ou tolerância em resistência (%)

OBRIGADO!!!