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- Words: 6,070
- Pages: 210
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!!!
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!!!
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