Sens Sensor es de T emp emper at ur a I N T RODUÇ ODUÇÃO ÃO Algu Al guns ns conceit conceit os pr pr eliminar eliminar es devem devem ser ser r eali ealizado zados: s: PI ROMETRI OM ETRI A - Medição Medição de alt as t emp empera er at ur as, na f aixa ix a onde os ef eit os de radiaçã r adiaçãoo t érm ér mica passa passam m a se man manifif est ar. ar . CRI OMETRI OM ETRI A - Medição Medição de baix baixaas t empe emperr at ur as, ou ou sej sej a, aq aquelas elas próxima pr óximass ao ao zer o absolut bsolut o de t empe emperr at ura ur a. T ER ERM M OMETRI OM ETRI A - Term Ter mo ma mais abr abr angent ent e (medida (medida de t emp empera er at ur a) que que incluir incluir ia t ant o a pir omet omet r ia, com como a cr iomet iomet r ia qu que ser seriam iam caso casoss pa par t icular icular es de medição.
Temp Temper at ur a A gra gr andeza ndeza f ísica t empe emperr at ura ur as é def inida ini da com como o gra gr au de agit agit ação ção das das moléculas que que const const it uem as subst ânci âncias as.. Qua Q uant nt o mais mais ráp r ápid idoo o moviment oviment o das das moléculas mais mais quent quent e se apr apresen esentt a o corpo cor po.. A ssim, a t emper emperat at ura ur a é repr r epresen esentt ada em uma uma escala escala num numéric ér ica, a, onde, onde, qua quant o ma maior o seu valor valor,, maior maior é a ener energia gia cinét ica média média dos át omos omos do cor cor po em quest quest ão. ão. Out r os conceit conceit os que que se conf conf undem undem às vezes com o de t emper emperat at ura ur a são: são: . Energia Térmica. . Calor Calor . A Ener Ener gia Tér mica de um um corpo cor po é a som somat ória ór ia das ener energias gias cinét icas, dos dos seus seus át át omos, omos, e além de depender da t emper emperat at ura, ur a, depende t ambém ambém da massa massa e do t ipo de subs substt ância. ncia.
1
Calor é ene enerr gia em t r ânsit nsit o ou a f orm or ma de ene enerr gia que é t r ansf nsf erida er ida at r avés vés da f r ont eira eir a de um um sist sist ema ema em virt vir t ude da dif eren er ença ça de t empe emperr at ur a. At é o f inal inal do sécu século lo XVI , qu quando f oi desen desenvolvido volvido o prime pr imeirir o disposit disposit ivo par par a ava avaliliaar t empe emperr at ur a, os sen sentt idos do nos nosso so cor corpo po f ora or am os os único únicoss element element os de que que dispu di spunha nham m os homen homenss par par a dizer se um um cer cer t o cor cor po est ava ava mais quen quentt e ou ou f r io do que que um out out r o, apes apesar ar da inadequ inadequaçã açãoo dest es sent sentii dos sob sob pon pont o de vis vistt a cient cient íf ico. A lit era er at ur a ger geraalmen lmentt e r eco econhece hece t r ês meio meioss dist int os de t r ansmiss smissãão de calor: condução, radiação e convecção. ü
Condução
A conduçã conduçãoo é um um proces pr ocesso so pelo qua quall o calor f lui de uma uma região r egião de alt a t empe emperr at ura ur a par par a out out r a de t empe emperr at ur a mais baixa baix a, dent dent r o de um meio sóli sólido do,, líquido líquido ou ou ga gasoso soso ou ent ent r e meios meios dif eren er entt es em cont contaat o f ísico dir et o. ü
Radiação
A r adia di ação ção é um um pr pr ocesso ocesso pelo pelo qua qual o calor calor f lui de d e um corpo cor po de alt a t emper emperat at ura ur a par par a um de baix b aixa, a, qua quando ndo os os mesm mesmos os est est ão sepa separr ados ados no espa espaço, ço, ainda que que exist exi st a um vácuo vácuo ent ent r e eles. ü
Convecção
A convecçã convecçãoo é um proce pr ocesso sso de t r ansp anspor ortt e de energia ener gia pela pela ação ação com combina bi nada da da conduçã conduçãoo de calor calor , arma ar mazena zename ment nt o de ener energia gia e movime moviment nt o da mist ura. ur a. A convec convecçã çãoo é mais mais impor importt ant ant e como como meca mecanism nismoo de t r ansf nsf erên er ência cia de ener ener gia (calor) (calor ) ent r e um uma sup super erff ície sólida e um um liquido liquido ou gá gás. ♦
ESCALAS DE TEMPERATURA
Desde Desde o início da t erm er momet omet r ia, os os cient cient ist as, pes pesqu quisa isador dores es e f abr icant icant es de t erm er mômet r o, sen sent iam a dif dif iculda iculdade de pa par a at at r ibuir ibuir valores valores de f or ma padr padr oniz onizaada à t empe emperr at ura ur a por por meio de esca escalas las rep r eprr oduzíve oduzíveis, is, como como ex ex ist ia na na época, época, para par a Peso, Peso, Dist ânci ância, a, Tempo. Tempo. As escalas escalas que que f icar am con consa sagr grada adass pelo pelo uso uso f oram or am Fahr Fahr enheit enheit e a Celsius. A escala escala Fahr Fahr enheit enheit é def inida ini da at at ualmen ualmentt e com com o valor valor 32 no pont pont o de
2
Calor é ene enerr gia em t r ânsit nsit o ou a f orm or ma de ene enerr gia que é t r ansf nsf erida er ida at r avés vés da f r ont eira eir a de um um sist sist ema ema em virt vir t ude da dif eren er ença ça de t empe emperr at ur a. At é o f inal inal do sécu século lo XVI , qu quando f oi desen desenvolvido volvido o prime pr imeirir o disposit disposit ivo par par a ava avaliliaar t empe emperr at ur a, os sen sentt idos do nos nosso so cor corpo po f ora or am os os único únicoss element element os de que que dispu di spunha nham m os homen homenss par par a dizer se um um cer cer t o cor cor po est ava ava mais quen quentt e ou ou f r io do que que um out out r o, apes apesar ar da inadequ inadequaçã açãoo dest es sent sentii dos sob sob pon pont o de vis vistt a cient cient íf ico. A lit era er at ur a ger geraalmen lmentt e r eco econhece hece t r ês meio meioss dist int os de t r ansmiss smissãão de calor: condução, radiação e convecção. ü
Condução
A conduçã conduçãoo é um um proces pr ocesso so pelo qua quall o calor f lui de uma uma região r egião de alt a t empe emperr at ura ur a par par a out out r a de t empe emperr at ur a mais baixa baix a, dent dent r o de um meio sóli sólido do,, líquido líquido ou ou ga gasoso soso ou ent ent r e meios meios dif eren er entt es em cont contaat o f ísico dir et o. ü
Radiação
A r adia di ação ção é um um pr pr ocesso ocesso pelo pelo qua qual o calor calor f lui de d e um corpo cor po de alt a t emper emperat at ura ur a par par a um de baix b aixa, a, qua quando ndo os os mesm mesmos os est est ão sepa separr ados ados no espa espaço, ço, ainda que que exist exi st a um vácuo vácuo ent ent r e eles. ü
Convecção
A convecçã convecçãoo é um proce pr ocesso sso de t r ansp anspor ortt e de energia ener gia pela pela ação ação com combina bi nada da da conduçã conduçãoo de calor calor , arma ar mazena zename ment nt o de ener energia gia e movime moviment nt o da mist ura. ur a. A convec convecçã çãoo é mais mais impor importt ant ant e como como meca mecanism nismoo de t r ansf nsf erên er ência cia de ener ener gia (calor) (calor ) ent r e um uma sup super erff ície sólida e um um liquido liquido ou gá gás. ♦
ESCALAS DE TEMPERATURA
Desde Desde o início da t erm er momet omet r ia, os os cient cient ist as, pes pesqu quisa isador dores es e f abr icant icant es de t erm er mômet r o, sen sent iam a dif dif iculda iculdade de pa par a at at r ibuir ibuir valores valores de f or ma padr padr oniz onizaada à t empe emperr at ura ur a por por meio de esca escalas las rep r eprr oduzíve oduzíveis, is, como como ex ex ist ia na na época, época, para par a Peso, Peso, Dist ânci ância, a, Tempo. Tempo. As escalas escalas que que f icar am con consa sagr grada adass pelo pelo uso uso f oram or am Fahr Fahr enheit enheit e a Celsius. A escala escala Fahr Fahr enheit enheit é def inida ini da at at ualmen ualmentt e com com o valor valor 32 no pont pont o de
2
f usão usão do gelo e 212 212 no pont pont o de ebuli ebulição ção da água água.. O int erva er valo lo ent ent r e est es dois pont pont os é dividido divid ido em 180 par par t es igua iguais, e cada cada pa par t e é um um gr gr au Fa Fahr enheit enheit . A escala Celsius é def inida ini da at at ualmen ualmentt e com com o valor valor zer o no no pon pontt o de f usão usão do gelo gelo e 100 100 no pont pont o de ebuli ebulição ção da águ água. a. O int i nt er valo valo ent r e os dois pont pont os est á dividi di vidido do em 100 par par t es iguais, iguais, e cada cada par partt e é um um grau gr au Celsius elsi us.. A denom denominação inação "gr au cent cent ígrado ígr ado"" ut iliz il izada ada ant erior er ior ment ent e no no lugar lugar de "Gr "Gr au Celsius elsi us"" , não não é mais mais r ecomenda ecomendada, da, devendo devendo ser evit ado o seu seu uso. uso. T ant ant o a escala escala Celsi Celsius us como como a Fahr Fahrenheit enheit , são são r elat ivas, ou sej a, os seus seus valor valores es numéricos ér icos de ref r ef erên er ência cia são são t ot almen lment e ar ar bit r ár ios. ios. Se abaix abaixaar mos a t emper emperat atur uraa cont cont inuam inuament ent e de um uma subs substt ância, ncia, at ingimos ingimos um um pon pontt o limit e além além do qua quall é impos impossív sível el ult r apa apassar ssar , pela pr pr ópr ópr ia def inição inição de t empe emperr at ur a. Est Est e pon pontt o, onde onde cess cessaa pra pr at icamen icamentt e t odo movimen ovimentt o at ômico, ômico, é o zer o absolut absolut o de t emper emperat at ura. ur a. At r avés vés da ex ex t r apolaçã polaçãoo das das leit ur as do t erm er mômet ômet r o à gá gás, pois pois os os gase gasess se liqu li quef ef azem ant es de at at ingir o zer zer o abso absolut lut o, calculou calculou-- se a t empe emperr at ur a dest dest e pont pont o na na escala escala Celsi Celsius us em - 2 7 3 ,15°C ,15°C. Exist Exi st em esca escalas las abso absolut lut as de t empe emperr atur at uraa, assim assim cham chamadas adas por por que que o zer o delas delas é f ixa ix ado no no zer zer o abso absolut lut o de t empe emperr at ur a. Exist Exi st em duas duas escalas escalas absolut absolut as at ualment ualment e em uso: uso: a Escala Escala Kelvi Kelvinn e a Rankine. A Escala Kelvi Kel vinn possui a mesm mesmaa divisã divi sãoo da Celsius, elsi us, ist o é, um um grau gr au Kel Kel vin é igual igual à um grau gr au Celsius, por por ém o seu seu zer o se se inicia inici a no no pon pontt o de t emper emperat at ura ur a mais baixa possível, 273,15 graus abaixo do zero da Escala Celsius. A Escala Escala Ran Ranki kine ne possu possuii obviament obviament e o mesm mesmoo zer o da escal escal a Kelvin, Kelvi n, porém por ém sua sua divisão é idênt ica à da Esca Escala la Fahr Fahr enheit enheit . A r eprese epr esent nt ação ação das das escalas escalas absolut absolut as é análog análogaa às escalas escalas r elat ivas:- Kelvi Kelvinn == ==> 400K 40 0K (sem o símbolo símbolo de de gr au " ° " ) . Ranki Rankine ne ==> ==> 7 8 5 R. A Escala Escala Fahr Fahr enheit enheit é usa usada da principa pr incipalme lment nt e na na I nglat nglat err er r a e Est ados dos Unidos da América, Amér ica, porém por ém seu uso uso t em declinado a f avor avor da Esca Escala la Celsius Celsius de aceit aceit ação ação univer univer sal. sal.
3
A Escala Escala Kelvin Kelvin é ut iliz il izaada nos nos meios meios cient íf icos no no mundo undo int eir o e deve deve subst subst it uir no f ut ur o a esca escala la Ra Rankine qua quando est est iver em desu desuso a Fahr Fahr enheit enheit . Ex ist e um uma ou out r a esca escala la rela r elatt iva a Ream eamur , hoj hoj e j á pr pr at icamen icamentt e em desuso. desuso. Est Est a esca escala la adot a como como zero zer o o pont pont o de f usão usão do gelo gelo e 80 o pon pontt o de ebulição da água água.. O int er valo valo é dividido dividi do em em oit ent ent a par par t es iguais. iguais. (Repr (Represe esent nt ação ação - °Re). e) . Conversão de escalas
ü
A f igur igur a à segu seguirir , com compar par a as esca escalas las de t empe emperr at ur as ex ex ist ent ent es
Dest a compa comparr ação podem podemos os r et ir ar alguma lgumas relaçõ r elações es básicas básicas ent ent r e as as escalas: ºC 5
=
º F − 32 9
=
K − 273,15 5
=
R − 491 9
A mudança udança de est ado de subst subst âncias âncias pur pur as (f usão usão,, ebulição ebuli ção)) é norm or malment lment e dese desennvolvida volvida sem sem alt alt era er ação ção na na t empe emperr at ura ur a. Todo calor calor r ecebid ecebidoo ou cedido cedi do pela subst ânci ânciaa é ut ut i lizado li zado pelo pelo mecan mecanii smo smo de mudan mudança ça de est est ado.
4
MEDI DORES POR DI LATAÇÃO/ EXPAN SÃO TERMÔMETRO A DI LATAÇÃO DE LÍ QUI DO
ü
Caract eríst icas Os t ermômet r os de dilat ação de líquidos, baseiam-se na lei de expansão volumét r ica de um líquido com a t emper at ura dent r o de um r ecipient e f echado. A equação que rege est a relação é: Vt = Vo.[ 1 +β1.(∆t ) + β2.(∆t ) 2 + β3.(∆t ) 3 ]
onde: t = Temperat ura do líquido em OC Vo = Volume do líquido à t emper at ura inicial de r ef erência t o Vt = Volume do líquido à t emper at ur a t β 1, β 2, β 3 ∆t
= Coef icient e de expansão do líquido oC-1
= t - to
5
Teoricament e est a relação não é linear , por ém como os t ermos de segunda e t erceir a or dem são desprezíveis, na prát ica consider amos linear. E daí: Vt = Vo.( 1 + β .∆t ) Os t ipos podem var iar conf orme sua const r ução: - Recipient e de vidr o t r anspar ent e - Recipient e met álico Ter mômet r os de dilat ação de líquido em r ecipient e de vidr o É const it uído de um r eservat ór io, cuj o t amanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um t ubo capilar de seção , mais unif orme possível f echado na par t e super ior. O r eservat ório e par t e do capilar são pr eenchidos de um líquido. Na par t e super ior do capilar exist e um alargament o que pr ot ege o t ermômet r o no caso da t emper at ura ult r apassar seu limit e máximo. Após a calibr ação, a par ede do t ubo capilar é gr aduada em graus ou f r ações dest e. A medição de t emper at ura se f az pela leit ur a da escala no pont o em que se t em o t opo da coluna líquida. Os líquidos mais usados são: Mercúrio, Tolueno, Álcool e Acet ona Nos t ermômet r os indust r iais, o bulbo de vidr o é pr ot egido por um poço met álico e o t ubo capilar por um invólucr o met álico. PONTO DE SOLI DI FI CAÇÃO(oC) Mercúr io -39 Álcool Et ílico -115 Tolueno -92 LÍ QUI DO
PONTO DE EBULI ÇÃO( oC) +357 +78 +110
FAI XA DE USO(oC) -38 à 550 -100 à 70 -80 à 100
No t ermômet r o de mercúr io, pode-se elevar o limit e máximo at é 550OC inj et ando-se gás inert e sob pr essão, evit ando a vapor ização do mercúr io.
6
Por ser f r ágil e impossível r egist r ar sua indicação ou t r ansmit i-la à dist ância, o uso deste t ermômet r o é mais comum em labor at órios ou em indúst r ias, com a ut ilização de uma pr ot eção met álica.
Ter mômet r o de dilat ação de líquido em r ecipient e met álico. Nest e t ermômet r o, o líquido pr eenche t odo o r ecipient e e sob o ef eit o de um aument o de t emper at ur a se dilat a, def ormando um element o ext ensível (sensor volumét r ico).
7
Car act eríst icas dos element os básicos dest e t ermômet r o: Bulbo Suas dimensões var iam de acordo com o t ipo de líquido e pr incipalment e com a sensibilidade desej ada. A t abela abaixo, most r a os líquidos mais usados e sua f aix a de ut ilização: LÍ QUI DO Mer cúr io Xileno Tolueno Ál cool
FAI XA DE UTI LI ZAÇÃO ( oC) -35 à +550 -4 0 à +400 -80 à +100 50 à +150
Capilar Suas dimensões são variáveis, sendo que o diâmet r o int erno deve ser o menor possível, a f im de evit ar a inf luencia da t emper at ura ambient e, porém não deve of er ecer r esist ência a passagem do líquido em expansão. Element o de Medição O element o usado é o Tubo de Bourdon, podendo ser :
Os mat eriais mais usados são: bronze f osf oroso, cobr e - ber íli o , aço inox e aço - carbono.
8
Pelo f at o dest e sist ema ut ilizar líquido inserido num r ecipient e e da dist ância ent r e o element o sensor e o bulbo ser consider ável, as var iações na t emper at ura ambient e af et am não soment e o líquido no bulbo, mas em t odo o sist ema (bulbo, capilar e sensor) causando err o de indicação ou regist r o. Est e ef eit o da t emperat ura ambient e é compensado de duas maneir as que são denominadas classe 1A e classe 1B. Na classe 1B a compensação é f eit a soment e no sensor, at r avés de uma lamina bimet álica. Est e sist ema é normalment e pref erido por ser mais simples, por ém o compr imento máximo do capilar par a est e sist ema de compensação é de aproximadament e 6 met r os. Quando est a dist ância f or maior o inst r ument o deve possuir sist ema de compensação classe 1A, onde a compensação é f eit a no sensor e no capilar, por meio de um segundo capilar ligado a um element o de compensação idênt ico ao de medição, sendo os dois ligados em oposição. O segundo capilar t em compriment o idênt ico ao capilar de medição, porém não est á ligado a um bulbo. A aplicação dest es t ermômet r os, se encont r a na indúst r ia em ger al par a indicação e r egist r o, pois per mit e leit ur as r emot as e por ser o mais pr eciso dos sist emas mecânicos de medição de t emperat ura, porém não é r ecomendável para cont r ole por causa de seu t empo de r espost a ser r elat ivament e gr ande (mesmo usando f luido t r ocador de calor ent r e bulbo e poço de pr ot eção par a diminuir est e at r aso conf or me f igur a abaixo). O poço de prot eção, permit e manut enção do t ermômet r o com o pr ocesso em operação. Recomenda-se não dobr ar o capilar com curvat ura acent uada par a que não se f orme rest r ições que prej udicariam o moviment o do líquido em seu int erior, causando problemas de medição.
9
ü
TERMÔMETROS À PRESSÃO DE GÁS
Pr incípio de f uncionament o
Fisicament e idênt ico ao t ermômet r o de dilat ação de líquido, const a de um bulbo, element o de medição e capilar de ligação ent r e est es dois element os. O volume do conjunt o é const ant e e pr eenchido com um gás a alt a pressão. Com a var iação da t emperat ura, o gás varia sua pressão conf orme, apr oximadamente a lei dos gases perf eit os, com o element o de medição operando como medidor de pressão. A Lei de Gay-Lussac, expressa mat emat icament e est e conceit o: P1 = P2 = . . . = Pn T1 T2 Tn Obser va-se que as variações de pressão são linear ment e dependent es da t emper at ur a, sendo o volume const ant e.
10
Caract eríst icas O gás mais ut ilizado é o N 2 e geralment e é pressur izado com uma pressão de 20 a 50 at m., na t emperat ura mínima a medir . Sua f aixa de medição vai de -100 a 600 oC, sendo o limit e inf erior devido a pr ópr ia t emperat ur a cr ít ica do gás e o super ior provenient e do recipient e apresent ar maior per meabilidade ao gás nest a t emper at ura , o que acar r et ar ia sua perda inut ilizando o t ermômet r o. Tipos de gás de enchiment o: Gás Hélio ( He ) Hidr ogênio ( H2 ) Nit r ogênio ( N2 ) Dióxido de Carbono ( CO2 ) ü
Temper at ura Cr ít ica - 267,8 oC - 239,9 oC - 147,1 oC - 31,1 oC
TERMÔMETRO À PRESSÃO DE VAPOR
Pr incipio de f uncionament o Sua const r ução é bast ant e semelhant e ao de dilat ação de líquidos, baseando o seu f uncionament o na Lei de Dalt on: "A pressão de vapor sat urado depende soment e de sua t emperat ura e não de seu volume" Port ant o par a qualquer var iação de t emper at ura haver á uma var iação na t ensão de vapor do gás liquef eit o colocado no bulbo do t ermômet r o e, em conseqüência dist o, uma variação na pressão dent r o do capilar. A r elação exist ent e ent r e t ensão de vapor de um líquido e sua t emper at ura é do t ipo logar ít mica e pode ser simplif icada par a pequenos int ervalos de t emper at ur a em: P1 / P 2 = H e . ( 1/ T 1 - 1/ T2 ) / 4,58 onde: P1 e P 2 = Pr essões absolut as relat ivas as t emperat uras 11
T1 e T2 = Temperat uras absolut as H e = Represent a o calor lat ent e de evaporação do líquido em quest ão
A t abela a seguir , most r a os líquidos mais ut ilizados e seus pont os de f usão e ebulição: Líquido Cloret o de Met ila But ano Ét er Et ílico Tolueno Dióxido de enxof r e Pr opano
Pont o de Fusão ( oC ) - 139 - 135 - 119 - 95 - 73 - 190
Pont o de ebulição ( oC ) - 24 - 0,5 34 110 - 10 - 42
TERMÔMETROS À DI LATAÇÃO DE SÓLI DOS (TERMÔMETROS BI METÁLI COS) ü
Pr incípio de f uncionament o Baseia-se no f enômeno da dilat ação linear dos met ais com t emper at ur a. Sendo:
12
a
Lt = Lo. ( 1 + α .∆t ) onde: t = t emper at ur a do met al em oC Lo = compriment o do met al à t emper at ur a inicial de r ef erência t o Lt = compriment o do met al á t emper at ur a f inal t α = coef icient e de dilat ação linear ∆t = t - t o Caract eríst icas de const r ução O t ermômet r o bimet álico consist e em duas laminas de met ais com coef icient es de dilat ação dif erent es sobr epost as, f ormando uma só peça. Var iando-se a t emper atura do conjunt o, observa-se um encurvament o que é proporcional a t emper at ur a. Na pr át ica a lamina bimet álica é enr olada em f orma de espir al ou hélice, o que aument a bast ant e a sensibilidade.
HÉLICE
O t ermômet r o mais usado é o de lamina helicoidal, e consist e em um t ubo bom condut or de calor , no int erior do qual é f ixado um eixo que por sua vez r ecebe um pont eir o que se desloca sobr e uma escala. Nor malmente usa - se o invar (aço com 64% Fe e 36% Ni) com baix o coef icient e de dilat ação e o lat ão como met al de alt o coef icient e de dilat ação. A f aixa de t r abalho dos t ermômet r os bimet álicos vai aproximadament e de -50 a 800 oC, sendo sua escala bast ant e linear . Possui exat idão na ordem de +/ - 1%. 13
Medição de t emper at ur a com Ter mopar Um t ermopar consist e de dois condut or es met álicos, de nat ur eza dist int a, na f orma de met ais puros ou de ligas homogêneas. Os f ios são soldados em um ext r emo ao qual se dá o nome de j unt a quent e ou j unt a de medição. A out r a ext r emidade dos f ios é levada ao inst r ument o de medição de f .e.m. (f or ça elet r omot r iz), f echando um cir cuit o elét r ico por onde f lui a corrente. O ponto onde os f ios que f ormam o t ermopar se conect am ao inst r ument o de medição é chamado de junt a f r ia ou de r ef erência.
O aqueciment o da j unção de dois met ais ger a o apareciment o de uma f .e.m. Est e pr incípio conhecido por ef eit o Seebeck pr opiciou a ut ilização de t ermopar es par a a medição de t emper at ura. Nas aplicações pr át icas o t ermopar apresent a-se nor malment e conf orme a f igur a acima . 14
O sinal de f .e.m. gerado pelo gr adient e de t emper at ura (∆T) existente ent r e as j unt as quent e e f r ia, será de um modo ger al indicado, r egist r ado ou t r ansmit ido. ü
Ef eit os Ter moelét r icos
Quando dois met ais ou semicondut ores dissimilares são conect ados e as j unções mant idas a dif erent es t emper at ur as, quat r o f enômenos ocor r em simult aneament e: o ef eit o Seebeck, o ef eit o Pelt ier , o ef eit o Thomson e o ef eit o Volt a. A aplicação cient íf ica e t ecnológica dos ef eit os t ermoelét r icos é muit o import ant e e sua ut ilização no f ut uro é cada vez mais promissor a. Os est udos das propr iedades t ermoelét r icas dos semicondut ores e dos met ais levam, na prát ica, à aplicação dos pr ocessos de medições na ger ação de ener gia elét r ica (bat eria solar ) e na produção de calor e f r io. O cont r ole de t emper at ur a f eit o por par es t er moelét r icos é uma das impor t ant es aplicações do ef eit o Seebeck. At ualment e, busca-se o aproveit ament o indust r ial do ef eit o Pelt ier , em grande escala, par a obt enção de calor ou f r io no processo de climat ização ambient e. Ef eit o t ermoelét r ico de Seebeck O f enômeno da t ermoelet r icidade f oi descobert o em 1821 por T.J . Seebeck quando ele not ou que em um cir cuit o f echado, f ormado por dois condut ores dif erent es A e B, ocor r e uma cir culação de cor r ent e enquant o exist ir uma dif erença de t emperat ur a ∆T ent r e as suas junções. Denominamos a junt a de medição de Tm, e a out r a, j unt a de ref erência de Tr . A exist ência de uma f .e.m. t érmica AB no cir cuit o é conhecida como ef eit o Seebeck. Quando a t emper at ur a da j unt a de r ef erência é mant ida const ant e, verif icase que a f .e.m. t érmica é uma f unção da t emper atura Tm da j unção de t est e. Est e f at o per mit e ut ilizar um par t ermoelét r ico como um t ermômet r o.
15
O ef eit o Seebeck se produz pelo f at o de que os elét r ons livr es de um met al dif erem de um condut or par a outr o e depende da t emper at ur a. Quando dois condut or es dif erent es são conect ados par a f or mar duas j unções e est as são mant idas a dif erent es t emper at ur as, a dif usão dos elét r ons nas j unções se produz a r it mos dif erent es. Ef eit o t ermoelét r ico de Pelt ier Em 1834, Pelt ier descobr iu que, dado um par t ermoelét r ico com ambas as j unções à mesma t emper at ur a, se, mediante uma bat eria ext erior, produz-se uma cor r ent e no t ermopar , as t emper at ur as das j unções var iam em uma quant idade não int eir ament e devida ao ef eit o Joule. Est a var iação adicional de t emperat ur a é o ef eit o Pelt ier. O ef eit o Pelt ier pr oduz- se t ant o pela cor r ent e propor cionada por uma bat eria ext erior como pelo pr óprio par t ermoelét r ico.
O coef icient e Pelt ier depende da t emper at ur a e dos met ais que f ormam uma j unção, sendo independent e da t emperat ura da out r a junção .O calor Pelt ier é reversível. Quando se inver t e o sent ido da corr ent e, permanecendo const ant e o seu valor , o calor Pelt ier é o mesmo, porém em sent ido opost o. Ef eit o t ermoelét r ico de Thomson Em 1854, Thomson conclui, at r avés das leis da t er modinâmica, que a condução de calor, ao longo dos f ios met álicos de um par t ermoelét r ico, que não t r anspor t a cor r ent e, or igina uma dist r ibuição unif orme de t emper at ur a em cada f io. Quando exist e cor r ent e, modif ica-se em cada f io a dist r ibuição de t emperat ura em uma quant idade não int eir ament e devida ao ef eit o J oule. Essa var iação adicional na dist r ibuição da t emper at ur a denomina-se ef eit o Thomson. O ef eit o Thomson depende do met al de que é f eit o o f io e da t emperat ura média da pequena região considerada. Em cert os met ais há 16
absor ção de calor, quando uma cor r ent e elét r ica f lui da par t e f r ia par a a par t e quent e do met al e que há geração de calor quando se invert e o sent ido da cor r ent e. Em out r os met ais ocor r e o opost o dest e ef eit o, ist o é, há liberação de calor quando uma cor r ent e elét r ica f lui da par t e quent e par a a par t e f r ia do met al. Conclui-se que, com a cir culação de cor r ent e ao longo de um f io condut or , a dist r ibuição de t emper at ur a nest e condut or se modif icar á, t ant o pelo calor dissipado por ef eit o J oule, como pelo ef eit o Thomson. Ef eit o t ermoelét r ico de Volt a A experiência de Pelt ier pode ser explicada at r avés do ef eit o Volt a enunciado a seguir : " Q uando dois met ais est ão em cont at o a um equilíbr io t érmico e elét r ico, exist e ent r e eles uma dif erença de pot encial que pode ser da ordem de Volt s ". Est a dif erença de pot encial depende da t emper at ur a e não pode medida dir et ament e. ü Leis
ser
Termoelét r icas
Da descobert a dos ef eit os t ermoelét r icos par t iu-se at r avés da aplicação dos princípios da t ermodinâmica, a enunciação das t r ês leis que const it uem a base da t eor ia t ermoelét r ica nas medições de t emper at ura com t ermopar es, por t anto, f undament ados nest es ef eit os e nest as leis, podemos compreender t odos os f enômenos que ocorr em na medida de t emper at ura com est es sensores. Lei do cir cuit o homogêneo "A f .e.m. t ermal, desenvolvida em um cir cuit o t ermoelét r ico de dois met ais dif erent es, com suas j unções as t emper at uras T1 e T2, é independent e do gradient e de t emperat ura e de sua dist r ibuição ao longo dos f ios". Em out r as palavr as, a f .e.m. medida depende única e exclusivament e da composição química dos dois met ais e das t emper at uras exist ent es nas j unções.
17
Um exemplo de aplicação prát ica dest a lei é que podemos ter uma grande var iação de t emperat ura em um pont o qualquer , ao longo dos f ios dos t ermopar es, que est a não inf luir á na f .e.m. pr oduzida pela dif erença de t emper at ur a ent r e as j unt as, por t ant o, pode-se f azer medidas de t emper at uras em pont os bem def inidos com os t ermopar es, pois o import ant e é a dif erença de t emperat ur a ent r e as j unt as. Lei dos met ais int ermediários "A soma algébr ica das f .e.m. t ermais em um cir cuit o compost o de um número qualquer de met ais dif erent es é zer o, se t odo o cir cuit o est iver a mesma t emper at ur a". Deduz-se daí que um cir cuit o t ermoelét r ico, compost o de dois met ais dif erent es, a f .e.m. pr oduzida não será alt erada ao inser ir mos, em qualquer pont o do cir cuit o, um met al genérico, desde que as novas j unções sej am mant idas a t emper at uras iguais.
Onde se conclui que: T3 = T4 --> E1 = E2 T3 = T4 --> E1 = E2 Um exemplo de aplicação pr át ica dest a lei é a ut ilização de cont at os de lat ão ou cobr e, par a int erligação do t ermopar ao cabo de ext ensão no cabeçot e.
18
Lei das t emper at ur as int ermediárias
“A f .e.m. pr oduzida em um cir cuit o t ermoelét r ico de dois met ais homogêneos e dif erent es ent r e si, com as suas j unções as t emperaturas T1 e T3 r espect ivament e, é a soma algébr ica da f .e.m. dest e cir cuit o, com as j unções as t emper at ur as T1 e T2 e a f .e.m. dest e mesmo cir cuit o com as j unções as t emper at ur as T2 e T3”. Um exemplo pr át ico da aplicação dest a lei, é a compensação ou corr eção da t emper at ura ambient e pelo inst r ument o r ecept or de milivolt agem.
ü
Corr elação da F. E. M. em Função da Temper at ura
Vist o que a f .e.m. gerada em um t ermopar depende da composição química dos condutores e da dif erença de t emper at ur a ent r e as j untas, ist o é, a cada grau de var iação de t emperat ura, podemos observar uma var iação da f .e.m. ger ada pelo t er mopar , podemos, por t ant o, const r uir uma t abela de corr elação ent r e t emper at ur a e a f .e.m., por uma quest ão pr át ica padr onizou-se o levant ament o dest as cur vas com a j unt a de ref erência à t emper at ur a de 0°C.
19
Essas t abelas f oram padr onizadas por diver sas normas int ernacionais e levant adas de acordo com a Escala Pr át ica I nt ernacional de Temper at ura de 1968 (I PTS- 68), recent ement e at ualizada pela I TS- 90, par a os t ermopar es mais ut ilizados. A par t ir dessas t abelas podemos const r uir um gr áf ico conf or me a f igur a a seguir , onde est á relacionadas a milivolt agem ger ada em f unção da t emper at ura, par a os t ermopar es segundo a norma ANSI , com a j unta de r ef erência a 0°C. ü
Tipos e Car act er íst icas dos Ter mopar es
Exist em vár ias combinações de 2 met ais condut ores oper ando como t ermopares. As combinações de f ios devem possuir uma relação razoavelment e linear ent r e t emper at ur a e f .e.m.; devem desenvolver uma f .e.m. por grau de mudança de t emper at ura, que seja det ect ável pelos equipament os nor mais de medição. For am desenvolvidas diver sas combinações de par es de Ligas Met álicas, desde os mais corr iqueir os de uso indust r ial, at é os mais sof ist icados par a uso especial ou r est r it o a labor at ór io. Essas combinações f oram f eit as de modo a se obt er uma alt a pot ência t ermoelét r ica, aliando-se ainda as melhor es car act erísticas como 20
homogeneidade dos f ios e r esist ência a cor r osão, na f aixa de ut ilização, assim cada t ipo de t ermopar t em uma f aixa de t emper at ur a ideal de t r abalho, que deve ser r espeit ada, par a que se t enha a maior vida út il do mesmo. Podemos dividir os t ermopares em t r ês grupos, a saber : - Termopares Básicos - Termopares Nobres - Termopares Especiais Termopares básicos São assim chamados os t ermopar es de maior uso industr ial, em que os f ios são de cust o relat ivament e baixo e sua aplicação admit e um limit e de err o maior . TI PO T
Nomenclat ur as: T - Adot ado pela Norma ANSI CC - Adot ado pela Norma J I S Cu - Co Cobr e - Const ant an Liga: ( + ) Cobre - ( 99,9 % ) ( - ) Const ant an - São as ligas de Cu-Ni compr eendidos no int ervalo ent r e Cu (50 %) e Cu (65 %) Ni (35 %). A composição mais ut ilizada par a est e t ipo de t ermopar é de Cu (58 %) e Ni (42 %). Car act eríst icas: Faix a de ut ilização: - 200 °C a 370 °C F.e.m. produzida: - 5,603 mVMa 19,027 mV
21
Aplicações: Cr iomet r ia (baixas t emper at ur as), I ndúst r ias r ef r iger ação, Pesquisas agr onômicas e ambient ais, Química e Pet r oquímica.
de
TI PO J
Nomenclat ur as: J - Adot ada pela Norma ANSI I C - Adot ada pela Norma J I S Fe-Co Ferr o - Const ant an Liga: (+) Ferro - (99,5 %) (- ) Const antan - Cu (58 %) e Ni (42 %), nor malment e se pr oduz o f err o a par t ir de sua car act eríst ica casa-se o constant an adequado. Car act eríst icas: Faix a de ut ilização: -40 °C a 760 °C f .e.m. pr oduzida: - 1,960 mV a 42,922 mV Aplicações: Cent r ais de energia, Met alúr gica, Química, Pet r oquímica, indúst r ias em geral. TI PO E
Nomenclat ur a: E - Adot ada pela Norma ANSI CE - Adot ada pela Nor ma J I S NiCr-Co Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % ) ( - ) Const ant an - Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ) Car act eríst icas: 22
Faix a de ut ilização: -20 0 °C a 870 °C f .e.m. pr oduzida: - 8,824 mV a 66,473 mV Aplicações: Química e Pet r oquímica TI PO K
Nomenclat ur as: K - Adot ada pela Norma ANSI CA - Adot ada pela Norma J I S Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % ) ( - ) Alumel - Ni ( 95,4 % ), Mn( 1,8 % ), Si( 1,6 % ), Al( 1,2 % ) Car act eríst icas: Faixa de ut ilização: - 20 0 °C a 1260 °C f .e.m. pr oduzida: - 5,891 mV a 50,99 mV Aplicações: Met alúr gicas, Sider úrgicas, Fundição, Usina de Ciment o e Cal, Vidr os, Cerâmica, I ndúst r ias em ger al. Termopares nobres São aqueles que os par es são const it uídos de plat ina. Embora possuam cust o elevado e exij am inst r ument os r ecept ores de alt a sensibilidade, devido à baixa pot ência t ermoelét r ica, apresent am uma alt íssima pr ecisão, dada a homogeneidade e pureza dos f ios dos t ermopares. TI PO S
Nomenclat ur as: S - Adot ada pela Norma ANSI Pt Rh 10 % - Pt Liga: ( + ) Plat ina 90% Rhodio 10 % 23
( - ) Plat ina 100 % Car act eríst icas: Faixa de ut ili zação: 0 °C a 1600 °C f .e.m. produzida: 0 mV a 16,771 mV Aplicações: Sider úrgica, Fundição, Met alúr gica, Usina de Ciment o, Cer âmica, Vidr o e Pesquisa Cient íf ica. Observação: É ut ilizado em sensores descar t áveis na f aixa de 1200 a 1768 °C, par a medição de met ais líquidos em Sider úrgicas e Fundições TI PO R
Nomenclat uras: R - Adot ada pela Norma ANSI Pt Rh 13 % - Pt Liga: ( + ) Plat ina 87 % Rhodio 13 % ( - ) Plat ina 100 % Car act eríst icas: Faixa de ut ili zação: 0 °C a 1600 °C f .e.m. produzida: 0 mV a 18,842 mV Aplicações: As mesmas do t ipo S TI PO B
Nomenclat ur as: B - Adot ada pela Norma ANSI Pt Rh 30 % - Pt Rh 6 % Liga: ( + ) Plat ina 70 % Rhodio 30 %
24
( - ) Plat ina 94 % Rhodio 6 % Car act eríst icas: Faix a de ut ilização: 600 a 1700 °C f .e.m. produzida: 1,791 mV a 12,426 mV Aplicações: Vidr o, Siderúr gica, alt a t emper at ur a em ger al. Termopares especiais Ao longo dos anos, os t ipos de t ermopar es pr oduzidos of erecem, uma car act eríst ica especial por ém, apr esent am rest r ições de aplicação, que devem ser consideradas. Novos t ipos de t ermopar es f oram desenvolvidos par a at ender condições de processo onde os t ermopar es básicos não podem ser ut ilizados.
as
Tungst ênio – Rhênio
Esses t er mopares podem ser usados cont inuament e at é 2300 °C e por cur t o per íodo at é 2750 °C. I r ídio 4 0 % -
Rhodio / I r ídio
Esses t ermopar es podem ser ut ilizados por per íodos limit ados at é 2000 °C. Plat ina - 40% Rhodio / Plat ina - 20 % Rhodio
Esses t ermopares são ut ilizados em subst it uição ao t ipo B onde t emperat uras um pouco mais elevadas são requeridas. Podem ser usados cont inuament e at é 1600 °C e por curt o per íodo at é 1800 °C ou 1850 °C. Our o- Fer r o / Chromel
Esses t ermopar es são desenvolvidos par a t r abalhar criogênicas.
25
em t emper at uras
Nicr osil / Nisil
Basicament e, est e novo par t ermoelét r ico é um subst it ut o par a o par t ipo K, apresent ando uma f orça elet r omot r iz um pouco menor em r elação ao t ipo K. ü
Cor r eção da Junt a de Ref erência
As t abelas exist ent es da f .e.m. ger ada em f unção da t emper at ur a par a os t ermopar es, t êm f ixado a j unt a de ref erência a 0°C (pont o de solidif icação da água), por ém nas aplicações pr át icas dos t ermopar es j unt a de ref erência é consider ada nos t erminais do inst r ument o r ecept or e est a se encontr a a t emperat ura ambient e que é normalment e dif erent e de 0 °C e variável com o t empo, t ornando assim necessár io que se f aça uma cor r eção da junt a de r ef erência, podendo est a ser aut omát ica ou manual Os inst r ument os ut ilizados par a medição de t emper at ura com t ermopar es cost umam f azer a cor r eção da j unt a de ref erência aut omat icament e, sendo um dos mét odos ut ilizados, a medição da t emperat ura nos t erminais do inst r ument o, at r avés de circuit o elet r ônico, sendo que est e cir cuit o adiciona a milivolt agem que chega aos t erminais, uma milivolt agem corr espondent e a dif erença de t emper at ur a de 0°C à t emper at ura ambient e. Exist em t ambém alguns instr ument os em que a compensação da t emperat ura é f ixa em 20 °C ou 25 °C. Nest e caso, se a t emperat ura ambient e f or dif erent e do valor f ixo, o inst r ument o indicar á a t emperat ur a com um err o que ser á t ant o maior quant o maior f or a dif erença de t emper at ur a ambient e e do valor f ixo.
É import ant e não esquecer que o t ermopar mede realment e a dif erença ent r e as t emper at ur as das j unções. Então par a medir mos a t emper at ur a do pont o desej ado pr ecisamos mant er a t emper at ura da j unção de ref erência invariável.
26
FEM = J M - J R FEM = 2,25 - 1,22 FEM = 1,03 mV
è
20 °C
Est a t emper at ur a obt ida pelo cálculo est á er r ada pois o valor da t emper at ura corr et a que o meu t ermômet r o t em que medir é de 50 °C. FEM = J M - J R FEM = 2,25 - 1,22 FEM = 1,03 mV + a mV cor r espondent e a t emperat ura ambient e para f azer a compensação aut omát ica, por t ant o: FEM= mV J M – mV JR + mV CA (Compensação aut omát ica) FEM = 2,25 - 1,22 + 1,22 FEM = 2,25 mV
è
50 °C
A leit ura agor a est á cor r et a, pois 2,25 mV corr esponde a 50 °C que é a t emper at ura do pr ocesso. Hoj e em dia a maior ia dos inst r ument os f azem a compensação da j unt a de r ef erência automat icament e. A compensação da j unt a de ref erência pode ser f eit a manualment e. Pega-se o valor da mV na t abela corr espondent e a t emper at ur a ambiente e acrescent a-se ao valor de mV lido por um milivolt ímet r o.
27
ü
Fios de Compensação e Ext ensão
Na maior ia das aplicações indust r iais de medição de t emper at ura, at r avés de t ermopar es, o element o sensor não se encontr a j unt o ao inst r ument o receptor. Nest as condições t orna-se necessár io que o inst r ument o sej a ligado ao t ermopar , at r avés de f ios que possuam uma cur va de f orça elet r omot r iz em f unção da t emper at ur a similar aquela do t ermopar , af im de que no inst r ument o possa ser ef et uada a cor r eção na j unt a de ref erência. Def inições: 1- Convenciona-se chamar de f ios aqueles condut ores const it uídos por um eixo sólido e de cabos aqueles f ormados por um f eixe de condut ores de bit ola menor, f ormando um condut or f lexível. 2- Chama-se de f ios ou cabos de ext ensão aqueles f abricados com as mesmas ligas dos t ermopares a que se dest inam. Exemplo: Tipo TX, JX, EX e KX. 3- Chama-se de f ios ou cabos de compensação aqueles f abricados com ligas dif erent es das dos t ermopar es a que se destinam, por ém que f orneçam, na f aixa de ut ilização r ecomendada, uma cur va da f orça elet r omot r iz em f unção da t emper at ura equivalent e à desses t ermopar es. Exemplo : Tipo SX e BX. Os f ios e cabos de ext ensão e compensação são r ecomendados na maior ia dos casos par a ut ilização desde a t emper at ura ambient e at é um limit e máximo de 200 °C. Erros De Ligação Usando f ios de cobre Geralment e na aplicação indust r ial, é necessár io que o t ermopar e o inst r ument o encont r em-se relat ivament e af ast ados, por não convir que o apar elho est ej a demasiadament e próximo ao local onde se mede a t emper at ura
28
.Nest as cir cunst âncias deve-se, processar a ligação ent r e os t erminais do cabeçote e o aparelho, at r avés de f ios de ext ensão ou compensação. Tal, procediment o é execut ado sem problemas desde que, o cabeçot e onde est ão os t erminais do t ermopar e o r egist r ador, est ej am a mesma t emper at ura de medição. Vej amos o que acont ece quando est a norma não é obedecida.
Uma solução simples é que normalment e é usada na pr át ica, será a inserção de f ios de compensação ent r e o cabeçot e e o r egist r ador . Est es f ios de compensação em sínt ese, nada mais são que out r os t ermopares cuja f unção é compensar a queda da FEM que acont eceu no caso est udado, ocasionada pela dif erença de t emper at ur a ent r e o cabeçot e e o r egist r ador . Vej amos o que acont ece se, no exemplo ant erior , ao invés de cobr e usamos um f io compensado. A f igura mostr a de que maneir a se processa a inst alação.
29
Como no caso acima, a FEM ef et iva no cabeçot e é de 20,74 mV. Dela , at é o r egist r ador , são ut ilizados f ios de ext ensão compensados, os quais adicionam à FEM uma par cela igual a 0,57 mV, f azendo assim com que chegue ao regist r ador uma FEM ef et iva de 22,26 mV. Est e valor cor r esponderá a t emper at ura real dent r o do f orno (538 °C). A vant agem dest a t écnica é que os f ios de compensação, além de t erem cust o menor que os f ios do t ermopar propr iament e dit o, t ambém são mais r esist ent es. I nver são simples Conf orme o esquema a seguir , os f ios de compensação f oram invert idos. Assume- se que o f orno est ej a a 538 °C, o cabeçot e a 38 °C e o r egist r ador a 24 °C. Devido a dif erença de t emper at ur a ent r e o cabeçot e e o regist r ador , será ger ada uma FEM de 0,57 mV. Porém em vir t ude da simples inversão, o f io posit ivo est á ligado no bor ne negat ivo do r egist r ador e vicever sa. I st o f ar á com que a FEM produzida ao longo do cir cuit o se oponha àquela do cir cuit o de compensação aut omát ica do r egist r ador. I st o f ar á com que o regist r ador indique uma t emper at ura negat iva.
30
I nver são dupla Consider amos o caso da exist ência de uma dupla inversão, ist o acont ece com f r eqüência pois, quando uma simples inver são é const at ada, é comum pensar -se que uma nova t r oca de ligação dos t erminais compensar á o err o. Porém ist o não acont ece, e a única maneir a de solucionar o pr oblema ser á ef et uar uma ligação cor r et a.
ü
Ter mopar De I solação Miner al
O t er mopar de isolação miner al é const it uído de um ou dois par es t ermoelét r icos, envolvidos por um pó isolant e de óxido de magnésio, alt ament e compact ado em uma bainha ext erna met álica. Devido a est a const r ução, os condut or es do par t ermoelét r ico f icam t ot alment e prot egidos cont r a a
31
at mosf era ext erior, consequent ement e a durabilidade do t ermopar depende da resist ência a corr osão da sua bainha e não da resist ência a corr osão dos condut ores. Em f unção dest a car act eríst ica, a escolha do mat erial da bainha é f at or impor t ant e na especif icação dest es.
Vant agens dos t er mopar es de isolação miner al A. Est abilidade N a For ça Elet r omot r iz A est abilidade da FEM do t ermopar é car act erizada em f unção dos condut ores est ar em complet ament e prot egidos contr a a ação de gases e out r as condições ambient ais, que nor malment e causam oxidação e conseqüent ement e per da da FEM ger ada. B. Resist ência Mecânica O pó muit o bem compact ado, cont ido dent r o da bainha met álica, mant ém os condut ores unif ormement e posicionados, per mit indo que o cabo sej a dobrado achat ado, t orcido ou est ir ado, supor t e pressões ext ernas e choque t érmico, sem qualquer per da das pr opr iedades t ermoelét r icas. C. Dimensão Reduzida O processo de f abr icação permit e a produção de t ermopar es de isolação mineral, com bainhas de diâmet r o ext erno at é 1,0 mm, per mit indo a medida de t emper atura em locais que não er am ant erior ment e possíveis com t ermopar es convencionais.
32
D. I mper meabilidade A Água , Óleo E Gás A bainha met álica assegura a impermeabilidade do t ermopar a água, óleo e gás. E. Facilidade De I nst alação A maleabilidade do cabo, a sua pequena dimensão, longo compriment o grande r esist ência mecânica, assegur am f acilidade de inst alação, mesmo nas sit uações mais dif íceis. F. Adapt abilidade A const r ução do t ermopar de isolação mineral per mit e que o mesmo sej a t r at ado como se f osse um condut or sólido. Em sua capa met álica podem ser mont ados acessór ios, por soldagem ou br asagem e quando necessár io, sua seção pode ser r eduzida ou alt er ada em sua conf iguração. G. Respost a Mais Rápida A pequena massa e a alt a condut ividade t érmica do pó de óxido de magnésio, proporcionam ao t ermopar de isolação mineral um t empo de respost a que é vir t ualment e igual ao de um t ermopar descober t o de dimensão equivalent e. H. Resist ência A Corr osão As bainhas podem ser selecionadas adequadament e par a resist ir ao ambient e corr osivo. I . Resist ência De I solação Elevada O t er mopar de isolação miner al t em uma r esist ência de isolação elevada, numa vast a gama de t emperat uras, a qual pode ser mant ida sob condições mais úmidas. J . Blindagem Elet r ost át ica A bainha do t ermopar de isolação mineral, devidament e at err ada, of erece uma perf eit a blindagem elet r ost át ica ao par t ermoelét r ico. 33
ü
Associação De Ter mopar es
Associação série Podemos ligar os t ermopares em série simples par a obt er a soma das mV individuais. É a chamada t ermopilha. Est e t ipo de ligação é muit o ut ilizada em pir ômet r os de radiação t ot al, ou sej a, par a soma de pequenas mV.
O inst r umento de medição pode ou não compensar a mV da j unt a de r ef erência. Se compensar deverá compensar uma mV cor r espondent e ao no. de t er mopares aplicados na associação. Exemplo.: 3 t ermopar es è mVJ R = 1 mV è compensa 3 mV Associação sér ie – opost a Par a medir a dif erença de t emper at ura ent r e 2 pont os ligamos os t ermopares em série opost a. O que mede maior t emper at ura vai ligado ao posit ivo do inst r ument o. Os t ermopares sempre são do mesmo t ipo. Exemplo: Os t ermopares est ão medindo 56 °C e 50 °C r espect ivament e, e a dif erença ser á medida pelo milivolt ímet r o.
34
FEM T = FEM2 – FEM1 FEM T = 2,27 - 2,022
56 °C = 2,27 mV 50 °C = 2,022 mV
FEM T = 0,248 mV = 6 °C Não é necessár io compensar a t emper atura ambient e desde que as j unt as de ref erência est ejam a mesma temper at ur a. Associação em paralelo Ligando 2 ou mais t ermopares em par alelo a um mesmo inst r ument o, t eremos a média das mV geradas nos diversos t ermopares se as resist ências int ernas f or am iguais.
Ter mor esist ências Os mét odos de ut ilização de resist ências par a medição de t emper at ura iniciaram-se ao redor de 1835, com Faraday, porém só houve condições de se elabor ar as mesmas par a ut ilização em processos indust r iais a par t ir de 1925. As t ermoresist ências são sensor es de temper at ur a muit o usados nos processos indust r iais e em labor at órios, por suas condições de alt a est abilidade, r esist ência a cont aminação, t empo, menor inf luência de r uídos e alt íssima precisão de leit ura. Por est as car act eríst icas, est e sensor é padr ão
35
int ernacional par a medição de t emper at ur a na f aixa de -259,3º C a 961,8º C, segundo a I TS- 90. Pr incípio de Funcionament o As t ermoresist ências, bulbos de r esist ência, t ermômet r os de r esist ência ou RTD, são sensor es que se baseiam no pr incípio da variação da r esist ência ôhmica em f unção da t emper at ura. Elas aument am a resist ência com o aument o da t emperatura. Seu elemento sensor consist e de uma r esist ência em f orma de f io de plat ina de alt a pur eza, de níquel ou de cobr e (menos usado) encapsulado num bulbo de cer âmica ou vidr o. Ent r e esses mat eriais, o mais ut ilizado é a plat ina pois apresent a uma ampla escala de t emperat ura, uma alta r esist ividade permit indo assim uma maior sensibilidade, um alt o coef icient e de var iação de resist ência com a t emper at ura, uma boa linear idade r esist ência x t emper at ura e t ambém t er r igidez e duct ibilidade par a ser t r ansf ormada em f ios f inos, além de ser obt ida em f orma puríssima. Padr onizou-se ent ão a t ermoresist ência de plat ina.
36
Obser vação: Exi st e um valor de alf a dif erent e do ant er ior que ainda hoj e é usado nos USA e J apão, é conhecido como "Cur va Amer icana" ou a ant iga J I S 1604- 1981.
Const r ução f ísica do sensor O bulbo de resist ência se compõe de um f ilament o, ou r esist ência de Pt , Cu ou Ni, com diversos revest iment os, de acordo com cada t ipo e ut ilização. As t ermor esist ências de Ni e Cu t êm sua isolação normalment e em esmalt e, seda, algodão ou f ibr a de vidr o. Não exist e necessidade de prot eções
37
mais resist ent es a t emperat ura, pois acima de 300°C o níquel perde suas propr iedades car act eríst icas de f uncionament o como t ermor esist ência e o cobr e sof r e pr oblemas de oxidação em t emperat uras acima de 310 °C. Os sensor es de plat ina, devido a suas caract eríst icas, permit em um f uncionament o até t emperat uras mais elevadas, têm seu encapsulamento nor malmente em cerâmica ou vidr o. A est e sensor são dispensados maiores cuidados de f abr icação pois, apesar da plat ina não rest r ingir o limit e de t emper at ur a de ut ilização, quando a mesma é ut ilizada em t emper at uras elevadas, exist e o risco de cont aminação dos f ios. Para ut ilização como t ermômet r o padr ão, os sensor es de plat ina são complet ament e desapoiados do corpo de prot eção. A separ ação é f eit a por isoladores, espaçador es de mica, conf orme desenho abaixo. Est a mont agem não t em problemas relat ivos a dilat ação, por ém é ext r emament e f r ágil.
Os medidor es par cialment e apoiados t êm seus f ios int r oduzidos numa peça de alumina de alt a pur eza com f ixador vít r eo. É um meio t ermo ent r e r esist ência a vibr ação e dilat ação t érmica. A ver são complet ament e apoiada pode supor t ar vibr ações muit o mais f or t es, por ém sua f aixa de ut ilização f ica limit ada a t emper at ur as mais baixas, devido a dilat ação dos component es.
38
O f io de plat ina ou níquel é enrolado na f orma helicoidal e encapsulada hermet icament e em um bulbo de cerâmica ou vidr o. Os bulbos de vidr o geralment e são usados em laboratórios, onde se desej a um t empo de r espost a baix o, j á os bulbos cer âmicos são mais recomendados par a aplicações indust r iais, pois resist em a t emperaturas mais alt as e t em uma maior r esist ência mecânica. Out r o método é deposit ar plat ina sobr e um subst r at o f ino (t hin-f ilm) par a subst it uir o f io convencional. Dest a f orma, o element o pode ser ligado a uma superf ície plana ou cilíndr ica.
Est es sensores são colocados em poços ou t ubos de pr ot eção par a uma maior r esist ência e int erligados por f ios de cobre, níquel ou prat a at é o cabeçot e. Os acessór ios ut ilizados nos t ermopar es também são usados par a as t ermor esist ências. CARACTERÍ STI CAS GERA I S DA TERMORESI STÊNCI A DE PLATI NA As t ermoresist ências Pt 100 são as mais ut ilizadas indust r ialment e, devido a sua gr ande est abilidade, larga f aixa de ut ilização e alt a pr ecisão. Devido a alt a est abilidade das t ermoresist ências de plat ina, as mesmas são ut ilizadas como padr ão de
t emper at ura na f aixa de -27 0°C a 660°C. A
39
est abilidade é um f at or de gr ande impor t ância na indúst r ia, pois é a capacidade do sensor mant er e r epr oduzir suas car act eríst icas (r esist ência t emper at ur a ) dent r o da f aixa especif icada de oper ação. Out r o f at or impor t ant e num sensor Pt 100 é a repet ibilidade, que é a car act eríst ica de conf iabilidade da t ermoresist ência. Repet ibilidade deve ser medida com leit ur a de t emper at ur as consecut ivas, verif icando-se a var iação encont r ada quando de medição novamente na mesma t emperatura. O t empo de respost a é impor t ant e em aplicações onde a t emper at ura do meio em que se r ealiza a medição est á suj eit o a mudanças br uscas. Consider a-se const ant e de t empo como t empo necessár io par a o sensor r eagir a uma mudança de t emper at ura e at ingir 63,2 % da var iação da
t emperat ur a. Na mont agem t ipo isolação mineral, t em-se o sensor mont ado em um t ubo met álico com uma ext r emidade f echada e preenchido t odos os espaços com óxido de magnésio, per mit indo uma boa t r oca t érmica e pr ot egendo o sensor de choques mecânicos. A ligação do bulbo é f eit a com f ios de cobr e, prat a ou níquel isolados ent r e si, sendo a ext r emidade aber t a ,selada com r esina epóxi, vedando o sensor do ambient e em que vai at uar .
40
Ainda assim neste t ipo de mont agem, a t ermoresist ência não apresent a muit a r esist ência mecânica e não dispõe de condições par a ef et uar curvas, bem como t em limit ações r elat ivas ao diâmet r o ext erno e compriment o t ot al. Para
supr ir
est e
problema
dimensional,
f oi
desenvolvida
a
t ermoresist ência isolação mineral, na qual o bulbo sensor é int erligado a um cabo isolação mineral com f ios de cobr e comuns. Est e t ipo de mont agem per mit e a r edução do diâmet r o, não limit a o compriment o, apresent a r ápida velocidade de respost a é dá uma maior f lexibilidade permit indo dobras e curvas do cabo que ant es era impossível, podendo ser ut ilizada onde o acesso não er a possível.
Obs.: As mont agens com t er moresist ências são f eit as de maneir a similar aos t er mopares quant o ao empr ego de acessór ios com cabeçot es, t ubos, poços, niples ent r e out r os.
Apr esent a-se um gráf ico ilust r at ivo de t empo de respost a de uma t ermoresist ência isolação mineral.
41
Est e t ipo de mont agem per mit e a r edução do diâmet r o e apresent a r ápida velocidade de respost a. Aut o- Aqueciment o O aut o-aqueciment o é causado pela corr ent e que passa pela r esist ência, oriunda do inst r ument o de leit ur a. Por ef eit o Joule, há a geração de calor , quando uma corr ent e elét r ica at r avessa uma resist ência. ( P = R.i² ) Par a uma medição de t emper at ura com t ermoresist ência, est e aqueciment o pode levar a err os que compromet em est a medição; ent ão est e aqueciment o t em que ser limit ado a pequenos valor es par a que possa ser despr ezado. Par a isso deve-se limit ar a corr ent e de excit ação do sensor . Pela norma DI N- I EC 751/ 85, a pot ência máxima desenvolvida numa t ermoresist ência não pode ser maior que 1,0 mW, o que na f aix a de at uação do sensor dá uma corr ent e máxima de 3mA. Valor es t ípicos recomendados são da ordem de 1 a 2 mA.
42
A elevação da t emperat ura equivalent e ao aument o da dissipação de calor na t ermoresist ência não deve exceder a 0,3ºC. Princípio de medição As t ermoresist ências são nor malment e ligadas a um cir cuit o de medição t ipo Pont e de Wheat st one, sendo que o cir cuit o encont r a-se balanceado quando é r espeit ada a r elação R4.R2 = R3.R1 e dest a f orma não cir cula cor r ent e pelo det ect or de nulo, pois se est a r elação é verdadeir a, os pot enciais nos pont os A e B são idênt icos. Par a ut ilização dest e cir cuit o como inst r ument o
de
medida
de
Ter moresist ência,
teremos
as
seguint es
conf igur ações:
Ligação à 2 f ios Como se vê na f igur a, dois condut or es de resist ência relat ivament e baix a RL1 e RL2 são usados par a ligar o sensor Pt -100 (R4) à pont e do inst r ument o de medição. Nest a disposição, a r esist ência R4 compreende a r esist ência da Pt -100 mais a resist ência dos condut ores RL1 e RL2. I st o signif ica que os f ios RL1 e
43
RL2 a menos que sej am de muit o baixa resist ência, podem aument ar apr eciavelment e a r esist ência do sensor .
Tal disposição, result ar á em err o na leit ura da t emper at ur a, a menos que algum t ipo de compensação ou ajust e dos f ios do sensor de modo a equilibr ar est a dif erença de resist ência. Deve-se not ar que, embor a a r esist ência dos f ios não se alt ere em f unção do t amanho dos f ios uma vez j á inst alado, os mesmos est ão sujeit os às var iações da t emper atura ambient e, o que int r oduz uma out r a possível f ont e de err o na medição. O método de ligação a dois f ios, soment e deve ser usado quando o sensor estiver á uma dist ância de aproximadament e 3 met r os. Concluindo, nest e t ipo de medição a 2 f ios, sempre que a t emperat ura ambient e ao longo dos f ios de ligação var iar , a leit ura de t emper at ura do medidor int r oduzir á um er r o, devido a var iação da r esist ência de linha . Ligação à 3 f ios Est e é o mét odo mais ut ilizado par a t ermoresist ências na indúst r ia. Nest e cir cuit o a conf iguração elét r ica é um pouco dif erent e, fazendo com que a aliment ação f ique o mais pr óximo possível do sensor, permit indo que a RL1 44
passe par a o out r o braço da pont e, balanceando o cir cuit o. Na ligação a 2 f ios, as r esist ências de linha est avam em série com o sensor, agora na ligação a 3 f ios elas est ão separ adas.
Nest a sit uação, t em-se a t ensão EAB, var iando linearment e em f unção da t emper at ura da PT- 100 e independent e da var iação da t emper at ura ambient e ao longo dos f ios de ligação . Est e t ipo de ligação, gar ant e r elat iva precisão mesmo com gr andes dist âncias ent r e element o sensor e cir cuit o de medição. Port ant o uma t écnica mais precisa par a medição de t emperat ura com t ermoresist ência é a ligação a 4 f ios.
LI GAÇÃO A Q UATRO FI OS
45
A f ont e de cor r ent e S, f ornece uma cor r ent e est abilizada e conhecida at r avés da t ermoresist ência R e a t ensão gerada é medida com um volt ímet r o de alt a impedância ou pot enciômet r o. Dest a f orma a r esist ência dos condut ores exer ce um f eit o despr ezível sobr e a medição. Est e t ipo de medição a 4 f ios é pouco usado em indúst r ias, t endo sua maior aplicação em labor at órios e sendo usado em sensores padr ões. DI ÂMETRO (AWG) 14 16 18 20 22 24 26
DI STÂNCI A MÁXI MA (mm) 1,63 1,29 1,02 0,81 0,64 0,51 0,40
(met r os) 18,1 11,4 7,2 3,0 1,9 1,8 1,1
Af erição de t ermor esist ência Apesar
de ser
um sensor
de ext r ema precisão e alt íssima
r epet ibilidade, a af erição t ambém é necessár ia par a a ver if icação dos limit es de er r os do sensor . O t empo de uso, alt erações na est r ut ur a cr ist alina da plat ina ou mudanças químicas no f io podem t ir ar o sensor de sua cur va car act er íst ica. Para se realizar uma af er ição de t er moresist ência, assim como um t ermopar , usa-se o Mét odo dos Pont os Fixos ou Mét odo da Compar ação. - Mét odo dos Pont os Fixos
46
Os pont os f ixos mais ut ilizados segundo a I TS- 90 são: Pont o Tr iplo do Ar gônio ..........................-189,344 2º C Pont o Tr iplo da Água...............................+0,010º C Pont o de Solidif icação do Est anho............+231,928º C Pont o de Solidif icação do Zinco................+419,527ºC - Mét odo da Compar ação Par a realizar est e mét odo é necessár ia a ut ilização de um t ermômet r o de r esist ência padr ão com cer t if icado de af erição. Nor malment e est e padr ão é um sensor Pt -25,5 Ω a 0ºC. A compar ação é ef et uada em banhos de líquido agit ado num range de aproximadament e -100 a 300ºC com uma excelent e est abilidade e homogeneidade. A leit ura dos sinais é f eit a em uma ponte r esist iva de pr ecisão. Not a: Os procediment os de af er ição são quase idênt icos aos dos t er mopar es.
Recomendações par a a inst alação de t er moresist ências Para que se t enha um perf eit o f uncionamento do sensor , são necessár ios cer t os cuidados de inst alação bem como ar mazenagem e manut enção. - Deve-se especif icar os mat eriais de prot eção e ligações, capazes de operar na t emper at ura de oper ação r equer ida.
47
- O sensor deve ser imerso complet ament e no pr ocesso, para se evit ar a perda de calor por condução pelos f ios da bainha. Para t al, um compriment o mínimo de imersão e o uso de mat eriais de prot eção com baixa condut ibilidade t érmica t ambém são recomendados. - Deve-se evit ar choques mecânicos nas peças, pois est es podem danif icar o sensor . - Deve-se ut ilizar f ios de cobre de mesmo comprimento e diâmet r o par a a int erligação de t ermoresist ência. - Zonas de est agnação ou com baixas velocidades do f luido em cont at o com o sensor , não devem ser ut ilizadas. - Na ligação a 3 f ios, se f or necessár io a t r oca de um dos f ios de int erligação, r ecomenda-se t r ocar os 3 f ios par a que se t enha igualdade em seus valores ôhmicos. - Em locais suj eit os a r uídos int ensos, recomenda-se o uso de cabos blindados e t or cidos. Vant agens e desvant agens de Ter moresist ência x Ter mopar Vant agens: a) Possuem maior precisão dent r o da f aixa de ut ilização do que os out r os t ipos de sensor es. b) Tem car act eríst icas de est abilidade e repet ibilidade melhor es do que os t ermopares.
48
