apostila temperatura naka

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Temperatura Rev. 00 Pág 1 de 40 Rua Arlindo Marchetti, 209 São Caetano do Sul CEP: 09560-410 São Paulo Tel.: +55(11) 4220 – 1177 FAX : +55(11) 4220 - 1500 / 2224 E-mail: [email protected] ÍNDICE I – METROLOGIA EM TEMPERATURA......................................................................................... 3 1 – Padronização em temperatura – A Escala Termodinâmica de Temperatura ........................................ 3 2 – A necessidade de uma escala internacional de temperatura ................................................................ 4 II – A ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA DE 1990 ................................................ 5 1 – Definição da escala prática de temperatura de 1990............................................................................. 6 2 – Rastreabilidade....................................................................................................................................... 6 III – MEDIÇÕES PRÁTICAS DE TEMPERATURA ......................................................................... 7 1 – Termômetros de haste de vidro ............................................................................................................. 7 2 – Termômetros Bimetálicos...................................................................................................................... 8 3 – Sistemas de bulbo – capilar ................................................................................................................... 8 IV - TERMORESISTÊNCIA ........................................................................................................... 10 1 - Limites de Erros .................................................................................................................................... 10 2 - Resistência de Isolação a Temperatura Ambiente ............................................................................... 11 3 - Resistência de Isolação a Máxima Temperatura .................................................................................. 11 4 - Auto Aquecimento ................................................................................................................................. 12 5 - Tipos de Montagens .............................................................................................................................. 12 6 - Recomendações para Instalação de Termoresistência ........................................................................ 12 7 - Vantagens e Desvantagens da Termoresistência x Termopar ............................................................. 13 V – TERMOPARES ....................................................................................................................... 14 1 - Tipos e Características dos Termopares .............................................................................................. 14 2 - Limites de Erros dos Termopares ......................................................................................................... 19 3 - Termopares de Classe Especial ........................................................................................................... 21 4 - Relação Temperatura Máxima x Bitola do Fio ...................................................................................... 21 5 - Relação Resistência ôhmica x Bitola do Fio ......................................................................................... 22 6 - União da Junção de medição................................................................................................................ 22 7 - Calibração de Termopares.................................................................................................................... 23 VI - TERMOPARES ISOLAÇÃO MINERAL .................................................................................. 25 1 - Construção do cabo isolação mineral ................................................................................................... 25 2 - Isolação Elétrica do Cabo Isolação Mineral .......................................................................................... 26 3 - Montagem do Termopar Isolação Mineral ............................................................................................ 26 4 - Vantagens do Termopar Isolação Mineral ............................................................................................ 27 5 - Características Técnicas ....................................................................................................................... 28 6 - Tipos e Números de Sensores.............................................................................................................. 28 7 - Características da Bainha Metálica....................................................................................................... 28 8 - Calibração ............................................................................................................................................. 29 9 - Isolação ................................................................................................................................................. 29 10 - Diâmetros ............................................................................................................................................ 29 11 - Tipos de Junções de Medições........................................................................................................... 29 12 - Relação Temperatura x Diâmetro ....................................................................................................... 30 13 - Relação Resistência ôhmicas x Diâmetro........................................................................................... 30 14 - Tempos de Resposta .......................................................................................................................... 31 VII – CONDIÇÕES GERAIS SOBRE OS TERMOPARES E CABOS COMPENSADOS ............. 31

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ÍNDICE I – METROLOGIA EM TEMPERATURA.........................................................................................3

1 – Padronização em temperatura – A Escala Termodinâmica de Temperatura ........................................ 3 2 – A necessidade de uma escala internacional de temperatura ................................................................ 4

II – A ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA DE 1990 ................................................5 1 – Definição da escala prática de temperatura de 1990............................................................................. 6 2 – Rastreabilidade....................................................................................................................................... 6

III – MEDIÇÕES PRÁTICAS DE TEMPERATURA.........................................................................7 1 – Termômetros de haste de vidro ............................................................................................................. 7 2 – Termômetros Bimetálicos...................................................................................................................... 8 3 – Sistemas de bulbo – capilar ................................................................................................................... 8

IV - TERMORESISTÊNCIA ...........................................................................................................10 1 - Limites de Erros .................................................................................................................................... 10 2 - Resistência de Isolação a Temperatura Ambiente ............................................................................... 11 3 - Resistência de Isolação a Máxima Temperatura.................................................................................. 11 4 - Auto Aquecimento................................................................................................................................. 12 5 - Tipos de Montagens.............................................................................................................................. 12 6 - Recomendações para Instalação de Termoresistência........................................................................ 12 7 - Vantagens e Desvantagens da Termoresistência x Termopar............................................................. 13

V – TERMOPARES .......................................................................................................................14 1 - Tipos e Características dos Termopares .............................................................................................. 14 2 - Limites de Erros dos Termopares ......................................................................................................... 19 3 - Termopares de Classe Especial ........................................................................................................... 21 4 - Relação Temperatura Máxima x Bitola do Fio...................................................................................... 21 5 - Relação Resistência ôhmica x Bitola do Fio......................................................................................... 22 6 - União da Junção de medição................................................................................................................ 22 7 - Calibração de Termopares.................................................................................................................... 23

VI - TERMOPARES ISOLAÇÃO MINERAL..................................................................................25 1 - Construção do cabo isolação mineral ................................................................................................... 25 2 - Isolação Elétrica do Cabo Isolação Mineral.......................................................................................... 26 3 - Montagem do Termopar Isolação Mineral ............................................................................................ 26 4 - Vantagens do Termopar Isolação Mineral ............................................................................................ 27 5 - Características Técnicas....................................................................................................................... 28 6 - Tipos e Números de Sensores.............................................................................................................. 28 7 - Características da Bainha Metálica....................................................................................................... 28 8 - Calibração ............................................................................................................................................. 29 9 - Isolação ................................................................................................................................................. 29 10 - Diâmetros ............................................................................................................................................ 29 11 - Tipos de Junções de Medições........................................................................................................... 29 12 - Relação Temperatura x Diâmetro ....................................................................................................... 30 13 - Relação Resistência ôhmicas x Diâmetro........................................................................................... 30 14 - Tempos de Resposta .......................................................................................................................... 31

VII – CONDIÇÕES GERAIS SOBRE OS TERMOPARES E CABOS COMPENSADOS.............31

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1 - Envelhecimento e Inércia dos Termopares .......................................................................................... 32 2 - Exatidão do Sistema de Medição de Temperatura a Termopar ........................................................... 33

VIII – PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO ...........................................................................................33 1 – Princípios.............................................................................................................................................. 34 2 – Pirômetros ópticos................................................................................................................................ 36 3 – Pirômetros infra vermelhos .................................................................................................................. 36 4 – Termografia .......................................................................................................................................... 37 5 – Transmissores e conversores de temperatura..................................................................................... 37

IX – BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................40

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I – METROLOGIA EM TEMPERATURA 1 – Padronização em temperatura – A Escala Termodinâmica de Temperatura Padronizar consiste em estabelecer um sistema de referências (protótipos, métodos, constantes físicas, materiais metrológicos, etc), que seja internacionalmente concordante, de forma a gerar medidas físicas reprodutíveis, mundialmente uniformes e, portanto aceitas, segundo seu grau de exatidão. Por decisão da 10ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM), em 1954, esta escala passou a ser definida por meio de um único ponto fixo de definição primário ou fundamental, o ponto triplo da água (*), ao qual foi atribuído o valor de temperatura de 273,16 Kelvins. A 18ª Conferência Geral de Pesos e Medidas de 1987, na sua 7ª resolução, ratificou a unidade de temperatura, o Kelvin (símbolo K) como sendo a fração 1/273,16 de temperatura termodinâmica do ponto triplo da água. Desse modo, as medições de temperatura devem estar, em última análise, relacionadas a esta escala e os termômetros primários são aqueles que medem a temperatura termodinâmica diretamente. Exemplos de termômetros usados em medições de temperaturas termodinâmicas são: termômetro de ruído (noise thermometer), termômetro acústico, termômetro de radiação total e termômetro de gás. (*) ponto triplo da água – estado de equilíbrio térmico entre as fases líquida-sólida- vapor da água.

Quartzo Vapor

Sólido

Líquido

Temperatura no interior da célula igual a

0,01 °C

Modelos de células do ponto triplo da água

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Tabela 1 – Pontos fixos de definição da EIT – 90 TEMPERATURA NÚMERO

t90/K T90/°C SUBSTÂNCIA

(a) ESTADO

(b) Wr T90

1 3 a 5 -270.15 a –268.15 He V 2 13.8033 -259.3467 e-H2 T 0.001190073 ≈17 ≈-256.15 e-H2 (ou He) V (ou G) 4 ≈20.3 ≈-252.85 e-H2 (ou He) V (ou G) 5 24.5561 -248.5939 Ne T 0.008449746 54.3584 -218.7916 O2 T 0.091718047 83.8058 -189.3442 Ar T 0.215859758 234.3156 -38.8344 Hg T 0.844142119 273.16 0.01 H2O T 1.00000000

10 302.9146 29.7646 Ga F 1.1181388911 429.7485 156.5985 In S 1.6098017512 505.078 231.928 Sn S 1.8927976813 692.677 419.527 Zn S 2.5689173014 933.473 660.323 Al S 3.3760086015 1234.93 961.78 Ag S 4.2864205316 1337.33 1064.18 Au S 17 1357.77 1084.62 Cu S

(a) Todas as substâncias, exceto ªHe, são de composição isotópica natural. e-H2 é o

hidrogênio, na concentração de equilíbrio das formas moleculares orto e para. (b) Os símbolos de estado físico têm o seguinte valor:

V: ponto de pressão de vapor. T: ponto triplo (temperatura em que as fases sólida, líquida e gasosa permanecem em equilíbrio). G: ponto de termômetro de gás. F, S: ponto de fusão, ponto de solidificação (temperatura, à pressão de 101325 Pa, na qual as fases sólida e líquida permanecem em equilíbrio).

2 – A necessidade de uma escala internacional de temperatura As medições de temperaturas termodinâmicas apresentam ainda problemas, tais como: custo, tempo de resposta, reprodutibilidade, realização difícil e demorada. Tais problemas aliados à necessidade de uma base comum para as medições de temperatura científica e industriais que se sobrepusessem aos problemas encontrados nas medições de temperaturas termodinâmicas levaram à adoção, sob a diretriz da Conferência Internacional de Pesos e Medidas (CIPM), de uma Escala Internacional de Temperatura, a qual é periodicamente revisada no intuito de torná-la mais concordante com a Escala de Temperatura Termodinâmica. Essa necessidade de uma escala Internacional de Temperatura continuará a existir até que os termômetros primários sejam tão reprodutíveis quanto os melhores termômetros secundários. A Escala Internacional de Temperatura atualmente em vigor é a Escala Internacional de Temperatura de 1990 – EIT (ou ITS-90). Ela é a base comum para todas as medições de temperatura, a qual todos os termômetros devem ser rastreados.

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II – A ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA DE 1990 A Primeira Escala de Temperatura data de 1927 (International Temperature Scale of 1927 – ITS-27). A essa sucedeu a Escala Prática Internacional de Temperatura de 1948 (EPIT-48), a qual foi substituída pela EPIT-68, cuja edição foi emendada em 1975. Por fim, chegou-se á Escala Internacional de Temperatura de 1990, adotada pelo Comitê Internacional de Pesos e Medidas em sua reunião de 1989. A EIT-90 estende-se desde 0.65K até a temperatura mais alta mensurável praticamente, em função da lei de Plank da radiação, usando-se uma radiação monocromática. A EIT-90 baseia-se em 17pontos fixos de definição (estados de equilíbrio entre fases de uma mesma substância pura), altamente reprodutíveis e em instrumentos padrões calibrados nestes pontos fixos. O ponto coincidente entre a Escala International e a Escala Termodinâmica é o ponto triplo da água. A interpolação de valores de temperatura dos pontos fixos é realizada através de equações especificadas no texto da escala e que estabelecem a relação entre as indicações dos instrumentos padrões e os valores de temperatura internacionais. A EIT-90 compreende várias faixas ao longo das quais as temperaturas T90 são definidas. Várias destas faixas e sub-faixas sobrepõe-se e, portanto, onde ocorre esta sobreposição existem definições diferentes de T90. Estas definições diferentes têm o mesmo status. Nas medições da mais alta exatidão podem existir diferenças numéricas detectáveis entre medições realizadas na mesma temperatura, porém, de acordo com definições diferentes. Em todos os casos, virtualmente, essas diferenças são de importância prática desprezível. A EIT-90 foi construída de forma que, para qualquer valor de temperatura, ao longo de sua faixa, o valor numérico de T90 é uma aproximação rigorosa do valor de T (temperatura termodinâmica), de acordo com as melhores estimativas da época em que a escala foi adotada. Em comparação com medições de temperaturas termodinâmicas, as medições de T90 são realizadas mais facilmente, são mais exatas e são altamente reprodutíveis. Devido à maneira como forma definidas as escalas de temperaturas anteriores, continua válida a prática usual de expressar uma temperatura em termos de sua diferença de 273,15K, o ponto do gelo. Uma temperatura termodinâmica, T, expressa deste modo é conhecida como uma temperatura termodinâmica, T, expressa deste modo é conhecida como uma temperatura Celsius, símbolo t, definida por:

t° / C = T / K – 273.15

A unidade de temperatura Celsius é o grau Celsius, símbolo °C, que é, por definição, igual em módulo ao Kelvin. Uma diferença de temperatura pode ser expressa em kelvin ou em graus Celsius. A EIT-90 define tanto as Temperaturas Internacionais Kelvin, símbolo T90, como as Temperaturas Internacionais Celsius, símbolo t90. A relação entre T90 e t90 é a mesma que entre T e t, isto é:

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t90 / °C = T90 / K – 273.15

Observação: Em alguns países, a escala de temperatura adotada é a escala Fahrenheit, simbolizada por tF, cuja unidade é o grau Fahrenheit (°F). Nesta escala, se designa o valor de 32 °F ao ponto de fusão do gelo e de 212 °F para temperatura de ebulição da água pura. Entre a temperatura Fahrenheit (tF) e a temperatura Celsius (tC), existe a seguinte relação:

tC= 5 (tF – 32) ou tF= 9 tC + 32

1 – Definição da escala prática de temperatura de 1990 Entre 0,65 K e 5,0 K, T90 é definida em função das relações entre temperatura e pressão de vapor do 3He e 4He. Entre 3,0 K e o ponto triplo do neônio (24,5561 K), T90 é definida através de um termômetro de gás hélio calibrado em três temperaturas realizáveis experimentalmente para as quais foram atribuídas valores numéricos (pontos fixos de definição), e utilização de procedimentos especificados. Entre o ponto triplo do hidrogênio em equilíbrio (13,8033 K) e o ponto de solidificação da prata (961,78 °C), T90 é definida através de termômetros de resistência de platina calibrados em conjuntos de pontos fixos de definição e da utilização de procedimentos de interpolação especificados. Acima do ponto de solidificação da prata (961,78 °C), T90 é definida através de um ponto de definição e da lei de Planck da radiação. 2 – Rastreabilidade A função precípua das várias instituições nacionais de padronização é tornar disponível aos usuários a EIT-90. Esses laboratórios de padronização devem manter instrumentos padrões contra os quais qualquer outro instrumento possa ser calibrado sem a necessidade de recorrer diretamente aos procedimentos da EIT-90. Desse modo, um usuário ao invés de adquirir os pontos fixos designados por esta escala, submete seu termômetro a uma calibração realizada por um laboratório de padronização, usando portanto, uma transferência da Escala Internacional. Assegura-se assim, que todas as medições de temperatura estejam rastreadas à EIT-90. A cadeia de rastreabilidade de um termômetro qualquer pode ser esquematicamente representada pelo diagrama.

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Cadeia de rastreabilidade de um termômetro

III – MEDIÇÕES PRÁTICAS DE TEMPERATURA 1 – Termômetros de haste de vidro São bem conhecidos os termômetros clínicos e de laboratório, nos quais o líquido contido em um bulbo, ao se dilata, sobe em um tubo capilar graduado. Eles são também fabricados para uso industrial, sendo neste caso o bulbo protegido por um poço, usualmente de inox, provido de rosca ou flange para conexão ao processo. O capilar é encerrado em uma caixa com um visor. Ainda é usado o mercúrio, embora cada vez mais sujeito a restrições, além de alguns produtos orgânicos com os álcoois, aos quais se adiciona um corante para melhor visibilidade. Os limites práticos de utilização são da ordem de –150 °C a +350 °C, podendo atingir precisão de ± 0,5%. Os termômetros de haste são apenas indicadores locais, e como os bimetálicos não permitem leitura remota, nem fornecem sinal para sistemas de controle.

Pontos fixos de definição

Padrões de interpolação da IST-90

Padrões de referência

Padrões de transferência

Instrumentos de trabalho

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No passado chegaram a ser fabricados tipos com contatos móveis ou sistemas de captação fotoelétricos ou indutivos para ligação com controles, mas devido à fragilidade e complexidade e ao custo elevado eles foram substituídos por outros tipos de sensores. 2 – Termômetros Bimetálicos Quando uma lâmina de metal é aquecida, a dilatação provoca o aumento de seu comprimento. Conjugando-se mecanicamente duas lâminas de metais ou ligas de diferentes coeficientes de dilatação, o conjunto sofrerá uma deformação diretamente proporcional ao quadrado do comprimento e a temperatura, e inversamente proporcional à espessura das lâminas. A maior sensibilidade é conseguida com lâminas de coeficientes de dilatação bem diversas. É comum o uso do invar, liga ferro/níquel de baixíssimo coeficiente, em conjunto com uma liga de alto coeficiente de dilatação. O termômetro bimetálico é muito usado para medição de temperatura no campo. O sensor é enrolado na forma de espiral e acondicionado em um tubo protetor ou poço acoplado ao processo por meio de rosca ou flange. O movimento provocado pela dilatação desigual das lâminas é transmitido a um ponteiro que se desloca sobre uma escala. Estes termômetros são apenas indicadores locais, desprovidos de facilidades para transmissão de sinal, e portanto não permitem leitura remota ou fechamento de malhas de controle. De baixo custo, são fabricados cobrindo faixas diferentes, dentro dos limites aproximados de -50ºC a +500ºC, com precisão que atingem ± 1%. Os termômetros bimetálicos são normalmente instalados no ambiente, sendo a escala o ponteiro e o mecanismo de acoplamento do mesmo protegidos por um invólucro hermético denominado caixa do termômetro. O visor é vedado por uma gaxeta. Para montagem em ambientes agressivos encontram se disponíveis caixas em inox. A fim de facilitar a visualização, dependendo da posição de instalação, existem modelos de haste angular, e outros que permitem a inclinação variável da caixa em relação à haste. Além das aplicações na medição, os elementos bimetálicos ainda são muito usados na construção de termostatos, dispositivos que ligam ou desligam um circuito elétrico em função da temperatura. Encontram se termostatos em muitos aparelhos eletrodomésticos,e na proteção térmica de motores, embora venham sendo gradativamente substituídos pelos termistores, associados a circuitos eletrônicos de baixo custo. 3 – Sistemas de bulbo – capilar Também chamados sistemas de bulbo cheio, constam de um pequeno reservatório metálico, o bulbo, conectado por meio de um capilar a um indicador, usualmente um tubo Bourbon similar ao dos manômetros.

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É empregada a classificação SAMA (Scientific Apparatus Makers Association – U.S.A), resumida na tabela que segue, na qual também são apresentados os limites de temperatura aplicáveis, a linearidade e a precisão. Classificação

SAMA Fluído de

preenchimento Limites de

operação aprox.Linearidade Precisão típica

(fim de escala) I Líquido -100 a +300 °C Boa exc. baixas temp. 1 % II Vapor -200 a +300 °C Não Linear 1 % III Gás -260 a +760 °C Boa exc. baixas temp. 1 % V Mercúrio* +40 a +600 °C Boa 1 %

* O mercúrio sofre restrições devido à sua elevada toxidade A classe IV não existe A classificação SAMA inclui ainda uma letra que sucede o número romano, e indica a faixa de operação em relação à faixa da temperatura ambiente. A tabela abaixo apresenta esta codificação

Letra Faixa de operação A Apenas temperaturas acima da faixa ambiente B Apenas temperaturas abaixo da faixa ambiente C Temperaturas acima e abaixo da faixa ambiente D Temperaturas acima e abaixo da faixa ambiente, e incluindo a mesma

A compensação do efeito da temperatura ambiente sobre o tubo Bourdon (contido na caixa) e sobre o capilar pode ser necessária. Esta compensação é dita plena quando realizada sobre ambos. Os sensores classe II não requerem compensação. Os de classe IA, IIIA e V A necessitam compensação plena. Os de classe IB, IIIB e VB operam apenas com compensação da caixa. A compensação da caixa (Bourdon) é normalmente feita inserindo se um elemento bimetálico no acoplamento com o ponteiro do transmissor. A compensação do capilar emprega um segundo Bourdon ligado a um capilar sem bulbo, sendo o movimento resultante o diferencial mecânico entre os Bourdons. Por questões construtivas o comprimento máximo do capilar é da ordem de 30 metros na maioria dos sistemas. Em alguns casos a elevação do sensor em relação à caixa (Head effect) poderá afetar a medição. Este efeito é inexistente na classe III e é geralmente desprezível na classe V até uns 10 metros de desnível, mas pode ser significativo nas classes I e II.

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Como a deformação do Bourdon é proporcional à diferença entre as pressões interna e externa, a alteração da pressão barométrica pode alterar ligeiramente a resposta dos sistemas. isto ocorre nas classes II e III, sobretudo quando operam com faixas muito expandidas. Este efeito normalmente não é compensado automaticamente. Os sistemas de bulbo-capilar são ainda bastante empregados em alguns setores industriais devido à sua simplicidade, robustez e custo relativamente baixo, sendo facilmente acoplados a transmissores eletrônicos ou pneumáticos. A tendência porém é a sua substituição gradativa por sensores eletrônicos. O bulbo-capilar é também usado em termostatos, para acionamento de sistemas de aquecimento e refrigeração.

IV - TERMORESISTÊNCIA 1 - Limites de Erros Apresentamos os limites de erros para as classes A e B segundo a norma DIN-IEC 751/85: Classe B: ±0,30 + (0,005.t)°C Classe A: ±0,15 + (0,002.t)°C Numérica e graficamente temos:

Tolerância Classe A Classe B

Temperatura (°C)

(±°C) (± Ω) (±°C) (± Ω) -200 0,55 0,24 1,3 0,56

-100 0,35 0,14 0,8 0,32

0 0,15 0,06 0,3 0,12

100 0,35 0,13 0,8 0,30

200 0,55 0,20 1,3 0,48

300 0,75 0,27 1,8 0,64

400 0,95 0,33 2,3 0,79

500 1,15 0,38 2,8 0,93

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600 1,35 0,43 3,3 1,06

650 1,45 0,46 3,55 1,13

700 - - 3,8 1,17

800 - - 4,3 1,28

850 - - 4,55 1,34

2 - Resistência de Isolação a Temperatura Ambiente

A resistência entre cada terminal do sensor e a bainha deve ser testada com uma voltagem entre 10V a 100 Vdc, sob temperatura ambiente entre 15°C a 35°C e uma umidade relativa não excedendo a 80%. A polaridade deve ser trocada em todos os terminais. Em todos os casos, a resistência de isolação mínima é 100MΩ. 3 - Resistência de Isolação a Máxima Temperatura Com voltagem não excedendo a 10 Vdc, a resistência de isolação entre cada terminal e a bainha não deve ser menor que mostrada na tabela:

Temperatura Máxima (°C)

Mínima Resistência de Isolação (MΩ)

100 a 300

301 a 500

501 a 850

10

2

0,5 Segundo ASTM E-1137 , temos:

Voltagem Aplicada (VOLTS DC)

Temperatura (°C)

Resistência de Isolação Mínima (MΩ)

10 A 50

10 A 50

10 A 50

25 ± 5

300 ± 10

650 ± 15

100

10

2

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4 - Auto Aquecimento

O auto-aquecimento é causado pela corrente que passa pela resistência, oriunda do instrumento de leitura. Por efeito Joule, há a geração de calor, quando uma corrente elétrica atravessa uma resistência. ( P = R.i2 ) Para uma medição de temperatura com termoresistência, este aquecimento pode levar a erros que comportam esta medição; então este aquecimento tem que ser limitado a pequenos valores para que possa ser desprezado. Para isto deve-se limitar a corrente de excitação do sensor. Pela norma DIN-IEC 751/85, a potência máxima desenvolvida numa termoresistência não pode ser maior que 0,1mW , o que na faixa de atuação do sensor dá uma corrente máxima de 3mA. Valores típicos recomendados são da ordem de 1 a 2mA. A elevação da temperatura equivalente ao aumento da dissipação de calor na termoresistência não deve exceder a 0,3°C. 5 - Tipos de Montagens Na montagem convencional com bainha preenchida, tem-se o sensor montado em um tubo metálico com uma extremidade fechada e todos os espaços preenchidos com óxido de magnésio, permitindo uma boa troca térmica e protegendo o sensor de choques mecânicos. A ligação do bulbo é feita com fios de cobre, prata ou níquel isolados entre si; sendo a extremidade aberta, selada com resina epóxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar. Ainda assim neste tipo de montagem, a termoresistência não apresenta muita resistência mecânica e não dispõe de condições para efetuar curvas, bem como tem limitações relativas ao diâmetro externo e comprimento total. Para suprir esse problema dimensional, foi desenvolvida a termoresistência isolação mineral, na qual o bulbo sensor é interligado a um cabo isolação mineral com fios de cobre comuns. Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro, não limita o comprimento, apresenta rápida velocidade de resposta e dá uma maior flexibilidade permitindo dobres e curvas do cabo que antes era impossível, podendo ser utilizada onde o acesso não era possível. Obs: As montagens com termoresistências são feitas de maneira similar aos termopares quanto ao emprego de acessórios como cabeçotes, tubos e poços, bucins, niples, entre outros. 6 - Recomendações para Instalação de Termoresistência Para que se tenha um perfeito funcionamento do sensor, são necessários certos cuidados de instalação bem como armazenagem e manutenção. Deve-se especificar os materiais da proteção e ligações, capazes de operar na temperatura de operação requerida. O sensor deve ser imerso completamente no processo, para se evitar a perda de calor por condução pelos fios e bainha. Para tal, um comprimento mínimo de imersão e o uso de materiais de proteção com baixa condutibilidade térmica também são recomendados.

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Deve-se evitar choques mecânicos nas peças, pois estes podem danificar o sensor. Deve-se utilizar fios de cobre de mesmo comprimento e diâmetro para interligação da termoresistência. Zonas de estagnação ou com baixas velocidades do fluido em contato com o sensor, não devem ser utilizadas devido ao retardo e os erros causados à medição. Na ligação a 3 fios, se for necessário a troca de um dos fios de interligação; recomenda-se trocar os 3 fios para que se tenha igualdade em seus valores ôhmicos. - Em locais sujeitos a ruídos intensos, recomenda-se o uso de cabos blindados e torcidos.

7 - Vantagens e Desvantagens da Termoresistência x Termopar

Vantagens:

1. Possuem maior exatidão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores. 2.Tem características de estabilidade e repetibilidade melhores do que os termopares. 3. Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação. 4. Dispensa o uso de fios e cabos de extensão e compensação para ligação, sendo necessário somente fios de cobre comuns. 5. Se adequadamente protegido (poços e tubos de proteção), permite a utilização em qualquer ambiente. 6. Curva de Resistência x Temperatura mais linear 7. Menos influenciada por ruídos elétricos. Desvantagens: 1. São mais caras do que os sensores utilizados nesta mesma faixa 2. Range de temperatura menor do que os termopares. 3. Deteriora-se com mais facilidade, caso haja se ultrapasse a temperatura máxima de utilização. 4. É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação. 5. Possui um tempo de resposta mais alto que os termopares. 6. Mais frágil mecanicamente. 7. Auto-aquecimento, exigindo instrumentação sofisticada.

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V – TERMOPARES 1 - Tipos e Características dos Termopares Foram desenvolvidas diversas combinações de pares de ligas metálicas com o intuito de se obter uma alta potência termoelétrica (mV/°C) para que seja detectável pelos instrumentos de medição, aliando-se ainda às características de homogeneidade dos fios, resistência à corrosão, relação razoavelmente linear entre temperatura e tensão entre outros, para que se tenha uma maior vida útil do mesmo. Podemos dividir os termopares em 3 grupos:

• Termopares de Base Metálica ou Básicos • Termopares Nobres ou a Base de Platina • Termopares Novos

Os termopares de base metálica ou básicos são os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior. As nomenclaturas adotadas estão de acordo com as normas IEC 584-2 de julho de 1982. *Tipo T

• Composição. Cobre (+) / Cobre – Níquel (-) • O fio negativo cobre – níquel é conhecido comercialmente como Constantan. • Faixa de Utilização: - 200 a 350°C

Características: Estes termopares são resistentes a corrosão em atmosferas úmidas e são adequadas para medidas de temperaturas abaixo de zero. Seu uso no ar ou em ambientes oxidantes (excesso de oxigênio), redutora (rica em hidrogênio, monóxido de carbono), inerte (neutra) e no vácuo, na faixa de – 200 a 350°C. Identificação da Polaridade: O cobre (+) é avermelhado e o cobre – níquel (-) não. Aplicação: Sua maior aplicação está em indústrias de refrigeração e ar condicionado e baixas temperaturas em geral. * Tipo J

• Composição: Ferro (+) /Cobre – Níquel (-) • O fio negativo cobre – níquel é conhecido comercialmente como Constantan. • Faixa de Utilização : - 40 a 750°C

Características:

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Estes termopares são adequados para uso no vácuo, em atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. A taxa de oxidação do fio de ferro é rápida acima de 540°C e o uso em tubos de proteção é recomendado para dar uma maior vida útil em altas temperaturas. O termopar do tipo J não deve ser usado em atmosferas sulfurosas (contém enxofre) acima de 540°C. O uso em temperaturas abaixo de 0°C não é muito recomendado devido à rápida ferrugem e quebra do fio de ferro, o que torna seu uso em temperaturas negativas menor que o tipo T. Devido à dificuldade de obtenção de fios de ferro com alto teor de pureza, o termopar tipo J tem custo baixo e é um dos mais utilizados industrialmente. Identificação da Polaridade: O ferro (+) é magnético e o cobre -níquel (-) não. Aplicação: Indústrias em geral em até 750°C.

*Tipo E

• Composição : Níquel – Cromo (+) / Cobre – Níquel (-) • O fio positivo níquel – cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo

cobre – níquel é conhecido como Constantan. • Faixa de Utilização : -200 a 900°C

Características: Estes termopares podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras, alternadamente oxidante e redutora e no vácuo, não devem ser utilizados pois perdem suas características termoelétricas. É adequado para uso em temperaturas abaixo de zero, desde que não esteja sujeito a corrosão em atmosferas úmidas. O Termopar tipo E é o que apresenta maior geração de mV/°C do que todos os outros termopares, o que o torna útil na detecção de pequenas alterações de temperatura. Identificação da Polaridade: O níquel – cromo (+) é mais duro que o cobre – níquel (-) Aplicação: Uso geral até 900°C

Nota: Os termopares tipo T, J e E tem como fio negativo a liga constantan, composto de cobre e níquel, porém a razão entre dois elementos varia de acordo com as características do fio positivo (cobre, ferro e níquel – cromo). Portanto o constantan do fio negativo não deve se intercambiado entre os três tipos de termopares.

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*Tipo K

• Composição: Níquel – Cromo (+) / Níquel – Alumínio (-) • O fio positivo níquel – cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo

níquel – alumínio é conhecido como Alumel. O alumel é uma liga de níquel, alumínio, manganês e silício.

• Faixa de Utilização: - 200 a 1200 °C Características: Os termopares tipo K são recomendáveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. Por causa de sua resistência à oxidação, são melhores que os tipos T, J e E e por isso são largamente usados em temperaturas superiores a 540°C. Podem ser usados ocasionalmente em temperaturas abaixo de zero grau. O termopar de Níquel – Cromo (ou Cromel) / Níquel – Alumínio (ou Alumel) como também é conhecido, não deve ser utilizado em:

1. Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora. 2. Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rápida ferrugem e

quebra do termopar. 3. Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o cromo do elemento positivo pode

vaporizar causando descalibração do sensor. 4. Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de “Green – Root” . Green-Root, ou

oxidação verde, ocorre quando a atmosfera ao redor do termopar contém pouco oxigênio, como por exemplo dentro de um tubo de proteção longo, de pequeno diâmetro e não ventilado.

Quando isto acontece os fios ficam esverdeados e quebradiços, ficando o fio positivo (cromel) magnético e causando total descalibração e perdas de suas características. O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio através do uso de um tubo de proteção de maior diâmetro ou usando um tubo ventilado. Outro modo é de diminuir a porcentagem de oxigênio para um valor abaixo da qual proporcionará a corrosão. Isto é feito inserindo-se dentro do tubo um “getter” ou elemento que absorve oxigênio e vedando-se o tubo. O “getter” pode ser por exemplo uma pequena barra de titânio. Identificação da Polaridade: O níquel – cromo (+) não atrai ímã e o níquel – alumínio (-) é levemente magnético. Aplicação: É o termopar mais utilizado na indústria em geral devido a grande faixa de atuação até 1200°C. Os termopares nobres são aqueles cujas ligas são constituídas de platina. Possuem um custo elevado devido ao preço do material nobre, baixa potência termoelétrica e uma altíssima precisão dada a grande homogeneidade e pureza dos fios. *Tipo S

• Composição: Platina 90% - Ródio 10% (+) / Platina (-)

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* Tipo R

• Composição: Platina 87% - Ródio 13% (+) / Platina (-) • Faixa de Utilização: 0 a 1600°C

Características: Os termopares tipo S e R são recomendados para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. O uso contínuo em altas temperaturas causa excessivo crescimento de grão, o qual podem resultar numa falha mecânica do fio de platina (quebra do fio) e também tornar os fios susceptíveis à contaminação, o que causa a redução da F.E.M. gerada. Mudanças na calibração também são causadas pela difusão ou volatilização do ródio do elemento positivo para o fio de platina pura do elemento negativo. Todos estes efeitos tendem a causar heterogeneidades, que tira o sensor de sua curva característica. Os termopares tipo S e R não devem ser usados no vácuo, em atmosferas redutoras ou atmosferas com vapores metálicos a menos que bem protegidos com tubos protetores e isoladores cerâmicos de alumina. A exceção é o uso de tudo de proteção de platina (tubete) que por ser do mesmo material não contamina os fios e dá a proteção necessária aos termoelementos. Estes sensores apresentam grande precisão e estabilidade em altas temperaturas, sendo usados como sensor padrão na aferição de outros termopares. Não deve ser utilizado em temperaturas abaixo de zero, pois sua curva F.E.M x temperatura varia irregularmente. A diferença entre os termopares do tipo S e R está somente na potência termoelétrica gerada. O tipo R gera um sinal aproximadamente 11% maior que o tipo S. Identificação da Polaridade: Os fios positivos PtRh 13% são mais duros que o fio da platina pura (fio negativo). Aplicação: Seu uso está em processos com temperaturas elevadas ou onde é exigida grande precisão como indústrias de vidro, cerâmicas, siderúrgicas entre outras. * Tipo B

• Composição : Platina 70% - Ródio 30% (+) / Platina 94% - Ródio 6% (-) • Faixa de Utilização: 600 a 1700°C

Características : O termopar tipo B é recomendado para uso em atmosferas oxidantes ou inertes. É também adequado para curtos períodos no vácuo. Não deve ser aplicado em atmosferas redutoras nem aquelas contendo vapores metálicos, requerendo tubo de proteção cerâmico como os tipos S e R. Sua potência termoelétrica é muitíssima baixa, o que torna sua saída, em temperaturas de até 50°C, quase nula.

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É o único termopar que não necessita de cabo compensado para sua interligação com o instrumento receptor, fazendo-se o uso de cabos de cobre comuns (até 50°C). Identificação da Polaridade: O fio de platina 70% - Ródio 30% (+) é mais duro que o platina 94% - Ródio 6% (-). Aplicação: Seu uso é em altas temperaturas como indústria vidreira e outras. Termopares Novos: Ao longo dos anos, novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender às condições de processo onde os termopares vistos até aqui não atendiam a contento. A maioria destes termopares ainda não estão normalizados e nem são fabricados no Brasil. * Platina 60% - Ródio 40% (+) / Platina 80% - Ródio 20% (-) É usado continuamente até 1800 °C ou ocasionalmente a 1850 °C, em substituição ao tipo B. Não recomendado para atmosferas redutoras. Existem também o Pt 80% - Rh 20% / Pt 95% - Rh 5% , Pt 87% - Rh 13% / Pt 99% - Rh 1% , Pt 95% - Mo 5% / Pt 99,9% - Mo 0,15 e o Pt 85% - Ir 15% / Pd. * Irídio 60 % - Ródio 40% (+) / Irídio (-) Termopares feitos com proporções variáveis destes dois elementos. Podem ser utilizados até 2000°C em atmosferas inertes ou no vácuo. Não recomendado para atmosferas redutoras ou oxidantes. * Platinel l Paládio 83% - Platina 14% - Ouro 3% (+) / Ouro 65% - Paládio 35% (-). Atuando em uma faixa até 1250 , se aproxima bastante do tipo K. Por sua composição conter somente metais nobres, apresenta excelente estabilidade em atmosfera oxidante, porém não recomendável em atmosfera redutora ou vácuo. * Tungstênio 95% - Rhênio 5% (+) / Tungstênio 74% - Rhênio 26% (-) Seu símbolo não normalizado é C. Este termopar pode ser utilizado continuamente até 2300 °C e por curtos períodos até 2700 °C vácuo, na presença de hidrogênio ou gás inerte. Não recomendado em atmosfera oxidante. Sua principal aplicação é em reatores nucleares. Variações na composição das ligas também existem como: Tungstênio (+) / Tungstênio 74% - Rhênio 26 % (-) Símbolo G (não oficial) Tungstênio 97% - Rhênio 3% (+) / Tungstênio 75% - Rhênio 25% (-) Símbolo D (não oficial). Níquel – Cromo (+) / Ouro – Ferro (-) Usado em temperaturas criogênicas até –268,15°C.

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Tipo N (Nicrosil / Nisil) Níquel – cromo – silício (+) / níquel – silício (-) Este termopar desenvolvido na Austrália tem sido aceito e aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado pela ASTM , NIST (NBS) e ABNT. Este novo par termoelétrico é um substituto ao termopar tipo K, apresentando um range de – 200 a 1200 °C, uma menor potência termoelétrica em relação ao Tipo K, porém uma maior estabilidade, menor drift x tempo, excelente resistência à corrosão e maior vida útil. Resiste também ao “green-root.” Seu uso recomendado no vácuo. 2 - Limites de Erros dos Termopares Estende-se por erro de um termopar, o máximo desvio que este pode apresentar em relação a um padrão, que é adotado como padrão absoluto. Este erro pode se expresso em graus Celsius ou em porcentagem da temperatura medida, adotar sempre o que der maior. A tabela abaixo fornece os limites de erros dos termopares, conforme recomendação da norma ANSI MC 96.1 – 1982 , segundo a IPTS-68

Limites de Erro Tipo de

Termopar Faixa de

Temperatura Standard (Escolher o maior)

Especial (Escolher o maior)

T 0 a 350°C ± 1°C ou ± 0,75 % ± 0,5 °C ou ± 0,4% J 0 a 750°C ±2,2°C ou ± 0,75% ± 1,1°C ou ± 0,4% E 0 a 900°C ± 1,7 °C ou ± 0,5% ± 1°C ou ± 0,4 % K 0 a 1250°C ±2,2°C ou ± 0,75% ± 1,1°C ou ± 0,4%

S e R 0 a 1450°C ±1,5°C ou ± 0,25% ± 0,6°C ou ± 0,1% B 800 a 1700°C ± 0,25 % - T -200 a 0°C ±1°C ou ± 1,5 % - E -200 a 0°C ± 1,7 °C ou ± 1% - K -200 a 0°C ± 2,2 °C ou ± 2% -

Notas: - Estes limites atendem as normas ASTM-E-230/77 – USA, UNI 7938 – ITÁLIA, BS –

4937 – INGLATERRA, JIS C1602 – JAPÃO E IEC 584-2 DE 1982 para termopares convencionais e de isolação mineral.

- Temperatura da junção e de referência a 0°C. - Quando o limite de erro é expresso em % este se aplica à temperatura que está sendo

medida.

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- Estes erros não incluem os erros devido à instalação. Apesar destes limites de erros atenderem a norma, IEC 584-2 DE 1982 e ainda serem utilizados, apresentamos a revisão feita em junho de 1989 da IEC 584-2. Segundo esta norma internacional IEC 584-2 de 1989, foi adotado em diversos países do globo, inclusive adotado pela ABNT, tornando-se uma NBR, as seguintes tolerâncias e faixas de trabalho para os termopares, todos eles referenciados a zero grau Celsius. Limites de erros para Termopares convencionais e minerais segundo a norma IEC 584 – 2 (Revisão junho de 1989)

Tipos de Termopares

Classe 1 (Especial)

Classe 2 (Standard)

Classe 3 (Standard)

Tipo T Range

Tolerância Range

Tolerância

-40 a 125°C

± 0,5 °C 125 a 350 °C

± 0,4%

-40 a 133°C

± 1,0°C 133 a 350°C

± 0,75%

-67 a 40°C

± 1,0°C -200 a –67°C

± 1,5 % Tipo E Range

Tolerância Range

Tolerância

-40 a 375°C

± 1,5°C 375 a 800°C

± 0,4%

-40 a 333°C

±2,5 °C 333 a 900°C

± 0,75%

-167 a 40°C

± 2,5°C -200 a –167°C

± 1,5% Tipo J Range

Tolerância Range

Tolerância

-40 a 375°C

± 1,5°C 375 a 750°C

± 0,4%

-40 a 333°C

± 2,5°C 333 a 750 °C

± 0,75%

- - - -

Tipos K / N Range

Tolerância Range

Tolerância

-40 a 375°C

±1,5°C 375 a 1000°C

± 0,4 %

-40 a 333°C

± 2,5 °C 333 a 1200°C

± 0,75 %

-167 a +40°C

± 2,5°C -200 a -167°C

± 1,5% Tipos S/R

Range Tolerância

Range Tolerância

0 a 1100°C

±1,0°C 110 a 1600°C

±[1 + 0,003 (t-1100)]°C

0 a 600°C

± 1,5°C 110 a 1600°C

± 0,25%

- - - -

Tipo B Range

Tolerância Range

Tolerância

- - - -

- -

600 a 1700°C ± 0,25 %

600 a 800°C

± 4,0°C 800 a 1700°C

± 0,5 % Notas: a) A nomenclatura dos termopares segundo a IEC 584 – 2:

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- Tipo T: Cobre / Cobre – Níquel - Tipo J: Ferro / Cobre – Níquel - Tipo E: Níquel – Cromo / Cobre – Níquel - Tipo K : Níquel – Cromo / Níquel – Alumínio - Tipo S : Platina – 10% Ródio / Platina - Tipo B : Platina – 30% Ródio / Platina – 6% Ródio - Tipo N: Níquel – Cromo – Silício / Níquel – Silício

b) Existem, segundo a norma DIN 43710 , 2 designações importantes para os termopares que são o tipo U (cobre / cobre – níquel) e o tipo L (ferro / cobre – níquel). Os termopares são analógicos aos tipos T e J da ANSI e IEC , só que com composições químicas diferentes. 3 - Termopares de Classe Especial Conforme verificado nas tabelas anteriores, existem 2 classes de exatidão para termopares; a Classe Standard que é a mais comum e mais utilizada e a classe Especial também chamada de “Premium Grade”. Estes termopares são fornecidos na forma de pares casados; ou seja; com características de ligas com graus de pureza superiores ao Standard. Além disso, há também todo um trabalho laboratorial para adequar num lote de fios, aqueles que melhor se adaptam (casam entre si), conseguindo com isso uma melhor exatidão na medição de temperatura. 4 - Relação Temperatura Máxima x Bitola do Fio Os termopares têm limites máximos e mínimos de aplicação que são funções das características dos fios. Os limites mínimos segundo a ANSI MC 96.1 são –200°C para os tipos T, E, e K, 0°C para os tipos S e R e 800°C para o tipo B. Os limites superiores dependem do diâmetro do fio utilizado na construção dos termopares. Na tabela abaixo temos os limites máximos de temperatura em função dos diâmetros dos fios, segundo a ANSI MC 96.1 –1982:

Tipo de

Termopar

Bitola 8 AWG

(∅ 3,26 mm)

Bitola 14 AWG

(∅ 1,63 mm)

Bitola 20 AWG

(∅ 0,81 mm)

Bitola 24 AWG

(∅ 0,51 mm) T - 370°C 260°C 200°C J 760°C 590°C 480°C 370°C E 870°C 650°C 540°C 430°C K 1260°C 1090°C 980°C 870°C

S e R - - - 1480°C B - - - 1700°C

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Nota: Estes limites se aplicam para termopares convencionais em uso contínuo, com poços ou tubos de proteção com a extremidade fechada; portanto não sendo válida para os termopares isolação mineral. 5 - Relação Resistência ôhmica x Bitola do Fio Apresentamos a seguir a tabela de resistência ôhmica, dos termopares em relação ao diâmetro do fio, segundo a ASTM – STP 470 B , em ohms por metro a 20°C.

Bitola Tipo do Termopar (AWG) J K T E R S B

8 0,07 0,12 0,06 0,14 - - - 14 0,29 0,48 0,24 0,58 - - - 16 0,46 0,76 0,38 0,91 - - - 20 1,17 1,93 0,97 2,30 - - - 24 - - - - 1,49 1,45 1,81

Nota: Todos os valores informados nas tabelas anexas são um guia de consultas para o usuário e não devem ser tomados como valores absolutos e nem como garantia de vida e desempenho satisfatórios. Estes tipos e dimensões são usados algumas vezes acima dos limites citados, mas geralmente a custa de estabilidade, vida útil ou ambos, em outras circunstâncias é necessário reduzir os limites supra, a fim de alcançar uma aplicação desejada. 6 - União da Junção de medição A junção de medição (junta quente) de um termopar pode ser obtida por qualquer método que dê a solidez necessária e um bom contato elétrico entre os dois fios, sem, contudo alterar as características termoelétricas dos mesmos, podendo estes serem torcidos ao redor do outro antes da solda (junção torcida) ou simplesmente serem encostados um no outro para ser soldado depois (junção de topo). Para os termopares de base metálica como os tipos E, T, J, e K, deve-se inicialmente lixar as pontas da solda. Já para os termopares nobres, não há necessidade de se preparar a superfície, entretanto deve-se tomar muito cuidado na manipulação dos fios, evitando a contaminação por óleo, suor ou poeira. Entre as diferentes maneiras de se realizar um bom contato elétrico na junção de medição do termopar, a solda é a mais utilizada, porque assegura uma ligação perfeita dos fios por fusão dos metais do termopar. Com exceção da solda prata, não é colocado nenhum outro material metálico para se realizar a solda, tendo somente a fusão dos metais. O único inconveniente da soldagem é, se a chama do maçarico não estiver bem regulada, de contaminar os fios criando heterogeneidades; o que pode tirar o termopar da sua curva de calibração.

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Lembrar que numa solda feita a maçarico oxi-acetileno, se a porcentagem de oxigênio for muito pequena, tem-se uma chama com características redutoras, o que é prejudicial aos termopares do tipo E, K, S, R e B. O ajuste do tipo de chama adequado é muitas vezes dado pela coloração da chama. Além do maçarico, pode-se usar solda TIG, resistência (caldeamento) ou arco plasma.

7 - Calibração de Termopares Todos os termopares em serviço estão sujeitos a desvios de calibração, particularmente sob condições de alta temperatura e contaminação atmosférica. Um termopar descalibrado, envelhecido ou contaminado está fora das especificações admitidas por norma, ou seja, apresentam erros positivos ou negativos que podem ir desde décimos até centenas de graus centígrados, Outras fontes de erros em termopares são:

- Não homogeneidade das ligas - Tensões mecânicas nos fios - Choques Térmicos - Fios de Pequenos Diâmetros - Altas Temperaturas - Ambientes Agressivos

A importância da verificação do termopar vária de acordo com a aplicação e o grau de exatidão requerido, mas a maioria tem por objetivo maior exatidão, maior segurança operacional, aumento da eficiência, melhor qualidade, redução nos índices de refugo, aumento do período entre paradas, diminuição da manutenção corretiva, menor desgaste de equipamentos, menor periodicidade de troca de refratários e menores custos de produção. Métodos de Calibração: Existem 2 técnicas de se aferir sensores de temperatura que são:

1. A calibração absoluta ou por pontos fixos 2. Por comparação 3. Veremos a seguir os dois métodos: 4. A calibração Absoluta ou por Pontos fixos baseia-se na verificação do sinal gerado por um

termopar em vários pontos fixos de temperatura como pontos de solidificação, ebulição e pontos triplos de substâncias puras, padronizadas atualmente pela ITS-90.

Escala de Temperatura Padronizada pela ITS-90: Zero absoluto....................................................................-273,15°C Ponto Triplo do Hélio........................................................-259,3467°C Ponto Triplo do Neon........................................................-248,5939°C Ponto de Ebulição do Nitrogênio......................................-195,7980°C Ponto Triplo do Argônio....................................................-189,3442°C Ponto de Ebulição do Oxigênio........................................-182,9540°C Ponto Triplo do Mercúrio..................................................-38,8344°C Ponto Triplo da Água.......................................................-+0,01°C Ponto de Fusão do Gálio.................................................+29,7646°C Ponto de Solidificação do índio........................................+156,5985°C

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Ponto de Solidificação do Estanho..................................+231,9280°C Ponto de Solidificação do Zinco.......................................+419,5270°C Ponto de Solidificação do Alumínio..................................+660,3230°C Ponto de Solidificação da Prata.......................................+961,7800°C Ponto de Solidificação do Ouro........................................+1064,1800°C Ponto de Solidificação do Cobre......................................+1084,6200°C Para a realização da calibração, coloca-se o sensor a ser calibrado nestes pontos fixos e faz-se a leitura do sinal gerado com um instrumento padrão. O sinal lido é comparado com o valor conhecido do ponto fixo, verificando-se qual é o erro ou desvio do sensor em relação ao ponto fixo. Isto é feito em várias temperaturas diferentes para cobrir toda a faixa de trabalho do sensor. Este é um método de extrema exatidão porém de dificuldade de realização, pois exige um laboratório altamente sofisticado assim como instrumentos padrões para a leitura. Devido ao grau de exatidão e repetibilidade alcançados (algumas vezes até de 0,0001°C) é usado para a determinação de sensores padrão. O método da comparação baseia-se na comparação do sinal gerado por um sensor padrão (referência) com o sensor a ser calibrado, ambos no mesmo meio termostato. O sensor padrão (para termopares usa-se normalmente os tipos S, ou R) possui um certificado de calibração em várias temperaturas, levantado contra um padrão hierarquicamente superior a ele (padrão, primário, secundário) ; e garantindo sua exatidão, estabilidade e repetibilidade devido ao seu uso não contínuo, além de todos os cuidados na sua manipulação. Como meio termostato ou ambiente com temperatura controlada e estabilizada, usam-se diferentes tipos de banhos e fornos (para trabalhar em toda a faixa de temperatura), que garantem estabilidade e uniformidade, fundamentais para uma boa calibração. Usa-se Banho de Líquido Agitado para temperaturas negativas até aproximadamente 630°C, garantindo excelente homogeneidade e estabilidade. Para temperaturas de –70 a 980°C utiliza-se Banhos de Leito Fluidizado. Para valores superiores a 620°C usam-se Fornos Elétricos Tubulares. Os procedimentos de calibração são: Coloca-se o forno numa temperatura desejada, com os termopares que se deseja calibrar na mesma posição que o sensor padrão. Isto é fundamental para que tenhamos a mesma temperatura nos dois sensores. Espera-se um tempo de estabilização para a completa homogeneização do forno com os sensores a serem calibrados. Para a compensação da junção de referência, utiliza-se um banho de gelo ou zero eletrônico, caso o instrumento de leitura não o faça; ou ligando diretamente os termopares no instrumento se este tiver o circuito compensador da junção de referência. Um tempo para estabilização também é requerido. Faz-se a leitura dos sinais gerados tanto do padrão como dos sensores em teste. Corrigido o desvio do padrão (com seu respectivo certificado), faz-se a conversão dos sinais para unidades de engenharia (°C ser maior que os valores máximos admitidos por norma). Após estes procedimentos, eleva-se a temperatura do banho ou forno para um outro valor estabelecido e repete-se os itens anteriores, fazendo isto para diversas temperaturas.

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Segundo a ASTM E-220/86 , o número de pontos de temperatura para se fazer uma calibração por comparação, depende muito do tipo do termopar e do grau de exatidão requerido. Esta norma recomenda cobrir a faixa toda de trabalho do termopar de 100 em 100°C, porém esta taxa de variação pode aumentar, usando-se a interpolação matemática para os valores não cobertos. A calibração por comparação é um método suficientemente preciso e de relativa facilidade de obtenção, não exigindo laboratórios sofisticados como no caso da calibração por pontos fixos.

VI - TERMOPARES ISOLAÇÃO MINERAL O desenvolvimento dos termopares isolação mineral partiu da necessidade de satisfazer as severas exigências do setor nuclear. Desde então, os benefícios deste trabalho puderam ser transmitidos à indústria em geral, que os utiliza numa grande variedade de aplicações devido à série de vantagens que oferecem, tais como grande estabilidade, resistência mecânica entre outras. O termopar isolação mineral consiste de 3 partes básicas: um ou mais pares de fios isolados entre si por um material cerâmico compactador em uma bainha metálica externa. Este tipo de montagem é de extrema utilidade pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos, que podem causar a completa deterioração dos termoelementos, além da grande resistência mecânica o que faz com o termopar isolação mineral possa ser usado em um número quase infinito de aplicações. 1 - Construção do cabo isolação mineral O processo de fabricação dos termopares isolação mineral começa com os termoelementos de diâmetros definidos, inseridos num tubo metálico e isolado entre si e o tubo por um material cerâmico (pó de óxido de magnésio). Através de um processo mecânico de estiramento (trefilação), o tubo e os termoelementos são reduzidos em seus diâmetros (aumentando seu comprimento) e o óxido de magnésio fica altamente compactado, isolando e posicionando os fios em relação à bainha metálica. O óxido de magnésio é um excelente isolante elétrico e um bom condutor térmico, de maneira que quando compactado, ocupa todos os espaços internos, isolando eletricamente os fios entre si e a bainha além de dar alta resistência mecânica ao conjunto e proporcionar boa troca térmica. Como este processo de trefilação ou estiramento (redução do diâmetro e aumento do comprimento proporcionalmente), cria tensões moleculares intensas no material, torna-se necessário tratar termicamente o conjunto. Este tratamento térmico alivia estas tensões e recoloca o termopar em sua curva característica; obtendo assim um produto final na forma de cabos compactados, muito reduzidos em seus diâmetros (desde 0,4 mm até 8,0 de diâmetro externo), porém mantendo proporcionalmente as dimensões e isolação da forma primitiva.

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Existe uma relação entre diâmetro externo da bainha para o diâmetro dos fios termopares e espessura da parede da bainha, oferecendo uma razão para a espessura da bainha (para proteção do termopar) e o espaçamento interno (para garantir a elevada isolação elétrica em altas temperaturas). Onde: df é o diâmetro dos fios termopares, e B é a espessura da parede da bainha e é o espaçamento entre os fios e a bainha. Na tabela abaixo damos alguns valores de diâmetro dos fios (df) e espessura da bainha (eB) em função do diâmetro externo (D) para termopar isolação mineral simples:

D (mm) 0,5 1,0 1,5 2,0 3,0 4,5 6,0 8,0 Eb (mm) 0,08 0,16 0,24 0,32 0,48 0,72 0,96 1,28 Df (mm) 0,10 0,19 0,29 0,38 0,57 0,86 1,14 1,52 e (mm) 0,05 0,10 0,15 0,20 0,30 0,45 0,60 0,80

Nota: Dados segundo a STM – STP 470B Além do óxido de magnésio, usa-se também como isolante a alumina, óxido de berílio e óxido de tório, porém o óxido de magnésio é mais barato, compatível com os termoelementos e mais comum de ser encontrado. Uma grande atenção deve ser tomada com a pureza química e metalúrgica dos componentes envolvidos na fabricação do termopar isolação mineral. 2 - Isolação Elétrica do Cabo Isolação Mineral Devido à tendência natural do óxido de magnésio em absorver umidade (higroscópico) e outras substâncias que podem vir a contaminar os termoelementos, uma isolação elétrica mínima admitida entre os condutores e bainha é de no mínimo 100 MΩ em temperatura ambiente (20°C). Várias precauções devem ser mantidas para a fabricação do termopar isolação mineral, tais como:

- Não deixar o cabo aberto exposto no ambiente por mais de 1 minuto. Imediatamente sele a ponta aberta com resina, depois de aquecê-la para retirar a umidade.

- O armazenamento deve ser em local aquecido e seco (aproximadamente 38°C e 25% de umidade relativa do ar).

3 - Montagem do Termopar Isolação Mineral

Depois de concluídas as etapas de trefilação, tratamento térmico e alguns testes como inspeção visual, continuidade, isolação e inspeção dimensional inicia-se a montagem do termopar.

a) Montagem da junção de medição - Corte do cabo no comprimento desejado - Remoção do óxido de magnésio da ponta - Solda dos termoelementos usando a solda TIG com atmosfera inerte - Preenchimento do espaço vazio com óxido de magnésio (esta etapa não é feita se a

junção de medição for alterada) - Solda do plug de fechamento

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- Verificação da integridade da solda - Testes de continuidade, polaridade e isolação

b) Montagem da junção de referência

- Decapamento da bainha - Solda dos rabichos (cabos compensados) - Colocação do pote da adaptação ou conector compensado - Selagem da junção de referência com resina epóxi - Testes para verificação da integridade da junção de referência, garantindo total vedação

ao meio - Testes finais para aprovação no Controle de Qualidade - Calibração

4 - Vantagens do Termopar Isolação Mineral

a) Estabilidade na F.E.M Esta estabilidade é caracterizada pelos condutores estarem totalmente protegidos de ambientes agressivos que normalmente causam oxidação e envelhecimento dos termopares b) Resposta Rápida O pequeno volume e alta condutividade térmica do óxido de magnésio, promovem uma rápida transferência de calor, superior aos termopares com montagem convencional.

c) Grande resistência Mecânica e Flexibilidade Devido à alta compactação do óxido de magnésio dentro da bainha metálica mantendo os termoelementos uniformemente posicionados, permite que o cabo seja dobrado, achatado, torcido ou estirado, suportando pressões externas e “choques térmicos” sem qualquer perda de suas propriedades termoelétricas. d) Facilidade de Instalação A dimensão reduzida, a grande maleabilidade a alta resistência mecânica do cabo isolação mineral, asseguram uma facilidade de instalação mesmo em locais de difícil acesso. e) Resistência a Corrosão Os termopares isolação mineral são disponíveis com diversos tipos de capas metálicas, para garantir sua integridade em qualquer tipo de ambiente corrosivo, qualquer que seja o termopar. f) Resistência de Isolação (a frio) A resistência de isolação entre condutores e bainha é sempre superior a 100 MQ (a 20°C) qualquer que seja o diâmetro, em qualquer condição de umidade. Valores segundo norma ASTM E-608/84. g) Blindagem Eletrostática A bainha metálica devidamente aterrada, oferece excelente blindagem contra interferências eletrostáticas (ruídos).

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5 - Características Técnicas

Para a perfeita seleção de um termopar isolação mineral, devem ser levados em consideração todas as possíveis características e normas exigidas pelo processo. Estamos fornecendo algumas características técnicas, fundamentais para a escolha do mesmo:

6 - Tipos e Números de Sensores

Os termopares isolação mineral podem ser dos tipos T, E, J e K, podendo ser simples (1 par de fios), duplo (2 pares de fios) ou mesmo até triplo (6 termoelementos dentro de uma única bainha).

Obs: Existem termopares isolação mineral de platina dos tipos S, R e B. Sua isolação pode ser óxido de magnésio, óxido de berílio, alumina e o material da bainha de molibdênio, tântalo ou titânio. A escolha destes materiais vai depender da temperatura e do meio em que for colocado o termopar, mas sua aplicação é muito pequena.

7 - Características da Bainha Metálica

A escolha do material da bainha é fundamental para vida útil do termopar isolação mineral, pois se a bainha resistir às condições do ambiente agressivo, o termoelemento também resistirá.

Material da Bainha Temperatura Max. Recomendada °C Considerações gerais

Inox 304 900

Boa resistência à corrosão, podendo ser usada em atmosfera oxidante, redutora, neutra e no vácuo. Não recomendável o uso na presença de enxofre ou chamas redutoras

Inox 310 1100

Boas propriedades de resistência à oxidação em altas temperaturas, utilizável em atmosfera oxidante, redutora, neutra ou no vácuo. Bom para uso em atmosfera sulfurosa.

Inox 316 900 Maior resistência à corrosão do que o Inox 304, boa resistência a ácidos e álcalis.

Alloy 600 1150

Excelente resistência à oxidação em altas temperaturas. Seu uso em atmosferas com enxofre deve ser evitado.

Aço cromo 446 1100 Excelente resistência à corrosão e oxidação em alta temperatura. Boa resistência em atmosferas sulfurosas.

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Nota: Nesta tabela estão listados os materiais normalmente utilizados, porém existe a disponibilidade de outros materiais. 8 - Calibração Os termopares isolação mineral apresentam os mesmos limites de erros que os termopares convencionais, tendo também as classes standard e especial (que apresenta maior exatidão). Estes erros são normalizados segundo a ANSI MC 96.1 – 1982 e atualmente pela IEC 584-2 DE 1989. (Vide as tabelas de limites de erros no item 2.7) 9 - Isolação Os termopares isolação mineral apresentam uma resistência de isolação elétrica mínima à temperatura ambiente (23°C±3°C) entre condutores e bainha segundo as normas ASTM E-608/84 e apresentam os seguintes valores:

Diâmetro (mm)

Tensão Aplicada V dc

Isolação Mínima MΩ

D < 0,8 50 100 0,8 < D < 1,5 50 500

D > 1,5 500 1000 Isolação a Quente: Conforme recomendação da Petrobrás, a introdução do termopar em 80% num forno a 600°C, após uma hora deve apresentar uma isolação entre condutor e bainha de 20MΩ, aplicando-lhe uma tensão de 500 Vdc. 10 - Diâmetros Os mais variados diâmetros podem ser obtidos com termopares isolação mineral, pois é só variar os diâmetros durante a trefilação do cabo. Os diâmetros mais comuns são os de 0,5 / 1,0 / 2,0 / 3,0 / 4,5 / 6,0 e 8,0 mm. Estes diâmetros são da bainha metálica externa. 11 - Tipos de Junções de Medições Podemos classificar os termopares isolação mineral com relação à posição da junção de medição em relação à bainha metálica, em três tipos: a) Junção exposta: neste tipo de montagem, parte da bainha e da isolação é removida, expondo os termoelementos ao ambiente.

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Tem como característica um tempo de resposta extremamente pequeno e grande sensibilidade a pequenas variações na temperatura, mas apresenta como desvantagem o rápido envelhecimento dos termoelementos devido ao contato com o ambiente agressivo, altas temperaturas e pressões b) Junção Aterrada: neste, os termoelementos e a bainha são soldados juntos para formar a junção de medição. Assim os fios são aterrados na bainha. Este tipo de montagem apresenta um tempo de resposta um pouco maior que a junção exposta, mas ainda sim menor que a junção isolada; podendo ser usado em ambientes agressivos devido à isolação dos termoelementos. Não é recomendável para ambientes ruidosos devido à captação destes ruídos, podendo transmiti-los para o instrumento indicador gerando erros e instabilidade na leitura. c) Junção Isolada: é quando a junção de medição é isolada eletricamente da bainha. Este tipo de montagem é o mais utilizado. Suas características são: 1. Um tempo de resposta maior que as montagens anteriores. 2. Os termoelementos ficam totalmente protegidos do meio externo garantindo maior vida útil e podendo ser usado em ambientes sujeitos a campos elétricos, pois sendo isolado da bainha, fica mais imune a interferências eletrostáticas.

12 - Relação Temperatura x Diâmetro

Esta tabela sugere os limites superiores de temperatura para vários tipos de termopares simples isolação mineral com relação aos seus diâmetros externos, segundo a norma ASTM E-608/84.

Temperaturas em °C Diâmetro da

bainha (mm) T J E K 0,5 260 260 300 700 1,0 260 260 300 700 1,6 260 440 510 920 3,2 315 520 650 1070 6,3 315 720 820 1150

13 - Relação Resistência ôhmicas x Diâmetro

Esta tabela sugere as resistências ôhmicas com relação ao seu diâmetro externo para vários tipos de termopares isolação mineral em ohms por metro a 20°C.

Valores em Ω / metro Número de Condutores

Diâmetro Externo (mm) T J E K

0,5 79,6 106,3 191,9 152,5 1,0 22,2 26,4 48,6 38,6

02

1,6 9,1 10,7 19,6 15,5

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3,2 2,3 2,7 5,5 3,9 6,4 0,5 0,6 1,3 1,1 1,6 12,3 14,1 28,7 21,0 3,2 2,8 3,8 7,2 5,9 04 6,4 0,7 0,7 1,7 1,6

14 - Tempos de Resposta As constantes de tempo apresentadas na tabela abaixo, são típicas para termopares isolação mineral submetidos a um gradiente de temperatura de aproximadamente 20°C para 100°C.

Diâmetro da Bainha (mm) Tipo de Junção de Medição

Tempo de Resposta em Segundos

0,5 Aterrada 0,05 0,5 Isolada 0,15 1,0 Aterrada 0,10 1,0 Isolada 0,30 1,5 Aterrada 0,20 1,5 Isolada 0,50 3,2 Aterrada 0,70 3,2 Isolada 1,30 6,3 Aterrada 2,00 6,3 Isolada 4,50 6,3 *exposta* 0,10

VII – CONDIÇÕES GERAIS SOBRE OS TERMOPARES E CABOS COMPENSADOS Se o campo magnético gerado passa através do sistema de medição de temperatura a termopar, este campo pode se acoplar e induzir uma corrente espúria no sistema. O método para a minimização dos ruídos magnéticos é a torção dos fios ou cabos de extensão e compensação. A torção dos cabos, faz com que a corrente induzida se cancele, atenuando este tipo de interferência. Quando maior for o número de torções, mais eficiente será contra os ruídos. Para uma melhor proteção, os fios ou cabos de extensão e compensação devem ser torcidos e blindados. Além de todos estes métodos de se minimizar as interferências nos sinais gerados nos pares termoelétricos, a instrumentação também deve Ter circuitos de entrada e saída isolados galvânica ou opticamente, ou técnicas de software para uma melhor performance no sistema de medição de temperatura a termopar.

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Todas estas técnicas de hardware ou software para filtrar as entradas de informações, combatem de diferentes maneiras, o ruído já introduzido na linha de sinal. No entanto é muito melhor limitar a quantidade de ruído que pode se infiltrar na linha. Um modo de se conseguir este objetivo é através do uso de Transmissores de Sinais para carregar a linha com um sinal de tensão ou corrente contínua de alto nível (1 a 5Vcc ou 4 a 20mA). O uso dos transmissores de sinal, possibilita além de tornar o circuito termoelétrico quase imune aos problemas de ruídos espúrios, há também algumas vantagens como a de se utilizar fios e cabos de cobre comuns, não precisar de blindagens e aterramentos, não necessitar de instalação especial (bandejas e conduites comuns), transmissão de sinais a grandes distâncias, padronização de sinais e custos de instalação reduzidos caso as distâncias forem grandes entre sensor e instrumento. Dependendo do Span de trabalho consegue-se também uma maior exatidão do que a montagem convencional com fios e cabos de extensão e compensação. 1 - Envelhecimento e Inércia dos Termopares Existe uma relação entre diâmetro dos fios termopares e vida útil. Termopares de fio de grande diâmetro, envelhecem mais lentamente do que aqueles constituídos por fios de pequeno diâmetro. Com relação à atmosfera, este é um fator que influi grandemente no envelhecimento e conseqüentemente perda de calibração. Por exemplo, em altas temperaturas os termopares nobres se modificam se forem introduzidos em um meio redutor e o tipo K se altera totalmente se o meio em contato com ele for redutor, alternadamente redutor/oxidante ou uma atmosfera pobre de oxigênio. Quanto à temperatura, se o termoelemento for sempre submetido a valores médios ou inferiores àqueles recomendados pelos limites de erros, o envelhecimento será muito lento. O envelhecimento será tanto mais rápido quanto mais alta for a temperatura. Com relação à inércia dos termopares, os fatores que influenciam nos tempos de respostas são:

- Capacidade Térmica do fluido e do termopar - Condutividade Térmica do fluido e do termopar - Relação massa / superfície do termopar - Velocidade do Fluído ao redor do termopar - Tipo e posição da Junção de medição do termopar - Profundidade insuficiente de imersão - Espaçamento interno entre o poço ou tubo e o sensor

Todos estes fatores influenciam na velocidade de resposta numa medição de temperatura a termopar. Para aumentar a velocidade ou diminuir o tempo de resposta deve-se: Aumentar a velocidade do fluido ou usar junção de topo e aterrada, reduzir o espaçamento entre o poço e o sensor, aumentar o comprimento de inserção e outras alterações na instalação, para tornar o tempo de resposta do termopar o menor possível.

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2 - Exatidão do Sistema de Medição de Temperatura a Termopar Os limites de erros vistos anteriormente (do termopar e cabo) são chamados erros individuais. Porém o erro total dos sistemas termopar mais cabo mais instrumento, tem que ser calculado para se conhecer o erro total numa instalação a termopar, e saber se este erro é maior ou menor do que o processo admite. O erro médio mais provável num sistema a termopar é igual à raiz quadrada da soma dos quadrados dos erros absolutos de cada componente deste sistema. Exemplo: Um processo a 1000°C , usando termopar e cabo tipo K, e um instrumento analógico para indicação, temos:

- Erro do termopar tipo K a 1000°C é de......................±7,5°C - Erro do cabo de extensão KX é de............................± 2,2°C - Erro do instrumento (0,5%.Span) é de .....................±5,0°C

O erro médio mais provável será: Em = ± (7,5)2 + (5,0)2 = ±9,3°C ou ±0,9% Pode-se diminuir este erro simplesmente colocando elementos mais precisos, como um termopar especial e um instrumento digital:

- Erro do termopar especial a 1000°C é de .....................±4,0°C - Erro do cabo de extensão KX é de................................±2,2°C - Erro do instrumento (0,1% Span) é de..........................±1,0°C

O erro mais provável será:

Em = ± (7,5)2 + (2,2)2 + (1,0)2 = ±4,7°C ou ±0,5%

Neste exemplo, conseguiu-se um incremento na exatidão do sistema de quase 100%, somente usando um sensor e um instrumento mais precisos.

Notas: Os limites de erros admitidos neste exemplo, estão de acordo com a norma ANSI MC 96.1 1982. Os erros citados anteriormente são para todos os elementos (termopar, cabo e instrumento) calibrados.

VIII – PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO São instrumentos dedicados à medição da temperatura sem contato direto com o corpo ou meio q está sendo medido.

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Aplicam se quando a temperatura ultrapassa o limite de utilização dos termopares ou quando outros fatores tornam a medição remota conveniente. Podem ser fixos, dedicados à medição de um processo, ou portáteis. Distinguem se dois tipos de pirômetros:

- Pirômetros ópticos Operam a temperaturas acima de 500 / 600 °C, nas quais o material começa a emitir radiação no espectro visível (incandescência), até uns 5000 °C

- Pirômetros infra vermelhos Cobrem a faixa aproximada de 0 °C até 4000 °C, captando a energia radiante no espectro infra vermelho. Eventualmente abrangem também o espectro visível e o início do espectro ultra violeta

1 – Princípios A lei de Stefan-Boltzman e o corpo negro Esta lei resulta dos experimentos de Josef Stefan e das deduções de Ludwig Boltzman, e estabelece a relação entre a temperatura de um corpo e a energia térmica irradiada. Sua expressão é W = ε . K .Texp.4 Onde: W = energia irradiada (ou emitida) por unidade de área ε = emissividade do corpo K = constante de Stefan-Boltzman T = temperatura em °K A emissividade é definida como a relação entre a energia irradiada pelo corpo num determinado comprimento de onda e a energia que seria irradiada por um corpo negro neste comprimento de onda, à mesma temperatura. ε = W / Wn portanto 0 ≤ ε ≤ 1 O corpo negro é aquele que apresenta ε = 1, e é considerado padrão de emissão. Na prática alguns corpos têm comportamento muito próximo ao do corpo negro. Quando isto não ocorre, as medições de temperatura baseadas na lei de Stefan-Boltzman devem ser corrigidas em função da emissividade.

Distribuição espectral da radiação

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A radiação térmica emitida pelos corpos é desprezível fora da faixa de 0,3 a 20 microns*, dentro da qual a radiação entre 0,35 e 0,75 microns corresponde ao espectro visível. Esta radiação não apresenta a mesma intensidade (I) em todos os comprimentos de onda (λ), o que pode ser observado nas curvas de emissão espectral. A energia total emitida, para fins de determinação da temperatura, é dada pela área delimitada pela curva. Refletância e transmitância Além do efeito da emissividade, a medição da temperatura de um corpo pode sofrer a influência da energia refletida pelo corpo, ou transmitida através dele. Se o corpo possuir alta refletância e estiver próximo ou circundado por um meio de temperatura superior à dele, o pirômetro indicará uma temperatura superior à real. *O micron é unidade usual de medida do comprimento de onda, correspondendo a 0,001mm ou a 10.000 angstrons (Å).

λ

I

Duas curvas de emissão espectral

Energia emitida

Energia refletida +

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2 – Pirômetros ópticos São instrumentos adotados para estabelecer pontos acima de 1064,43 °C na I.P.T.S. Baseiam se na comparação da radiação visível emitida por um corpo (fonte externa), com a radiação do filamento de uma lâmpada padrão. Igualam se os brilhos variando se a corrente que alimenta o filamento e/ou inserindo se filtros calibrados no percurso da radiação da fonte externa. Observamos o diagrama simplificado de um pirômetro óptico. 1 – objetiva; 2 – filtros; 3 – filamento; 4 – filtro; 5 – ocular No instrumento acima a comparação é visual, e a precisão depende em parte da prática do operador, sendo possível erro inferior a ± 5 °C. A comparação também pode ser eletrônica. Encontram se modelos sofisticados, nos quais o olho do operador é substituído por um detetor e a lâmpada padrão é empregada na calibração automática. O sistema incorpora um ajuste de emissividade e é comandado por um microprocessador. O foco pode ser automático e a objetiva pode permitir a variação do ângulo de captação. 3 – Pirômetros infra vermelhos Também chamados radiômetros, permitem a medição até de temperaturas um pouco abaixo de 0 °C, usando detetores a termopar ou semicondutores especiais cobrindo o espectro infravermelho. Podem apresentar todos os recursos descritos para os pirômetros ópticos, como foco automático, ângulo variável e comando microprocessador. A existência de modelos compactos, portáteis e de custo acessível abriu uma vasta gama de aplicações na manutenção, onde são usados para detetar maus contatos em instalações elétricas e sobre aquecimento de equipamentos elétricos e mecânicos, como mancais. Um exemplo de sua sensibilidade é a facilidade com que se localiza, à distância de alguns metros, a posição de um reator no interior da calha de uma lâmpada fluorescente.

5 4 3 2 1

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4 – Termografia Este termo abrange as técnicas de captação tratamento e recomposição de imagens, ou “imageamento”, no espectro infravermelho. Trata se de um campo que evoluiu muito em decorrência do aumento da sensibilidade e da resolução dos sistemas de captação (câmaras infravermelhas) e do aperfeiçoamento das técnicas digitais de tratamento de imagens. A termografia resulta numa imagem onde diferentes tons de cinza, ou diferentes tonalidades de cor, correspondem às diversas temperaturas dos elementos que a compõem. A varredura de grandes áreas é possível. Dentre as aplicações citamos:

- Deteção de temperaturas anormais para fins de manutenção. Todo o salão de máquinas de uma indústria têxtil, por exemplo, pode ser monitorado por um sistema termográfico, indicando pontos de sobre aquecimento.

- Verificação de perdas de energia devidas a falhas em isolações térmicas.

- Verificação de anormalidades em processos, pela alteração da distribuição das temperaturas nos equipamentos.

Enquanto os pirômetros portáteis fazem parte do equipamento normal dos departamentos de manutenção elétrica e mecânica, os trabalhos de termografia, por serem ocasionais e exigirem equipamento e pessoal especializado, são quase sempre terceirizados. O exemplo citado da indústria têxtil é uma exceção. 5 – Transmissores e conversores de temperatura Transmissor e conversor são termos práticos que muitas vezes se confundem. Entende se por transmissor o instrumento localizado no campo, dotado de invólucro adequado ás condições ambientes e á classificação da área. opcionalmente apresenta indicador local, analógico ou digital. O transmissor se conecta ao sensor e transmite um sinal linearmente proporcional à temperatura, na forma de corrente, na faixa de 4 a 20 mA. Modelos antigos eram alimentados pela tensão alternada da rede de energia. Os modernos a dois fios, de uso generalizado, são alimentados pela própria corrente de 4 a 20 mA. Os conversores são elétrica e funcionalmente similares aos transmissores, porém não apresentam indicador local e invólucro para montagem externa, sendo instalados em painel, geralmente junto à sala de controle. Podem também apresentar saída em tensão. As técnicas de miniaturização e encapsulamento permitem a fabricação de conversores que podem ser instalados no interior dos cabeçotes.

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neste caso é preciso que a temperatura do cabeço não ultrapasse a máxima temperatura permissível para o conversor, usualmente da ordem de 50 °C a 70 °C. Ocasionalmente ainda se encontram transmissores pneumáticos operando na faixa de 3 a 15 p.s.i. (libras por polegada quadrada). Transmissores / conversores digitais inteligentes sobrepões à corrente de 4 a 20 mA, pulsos que proporcionam comunicação bidirecional, apresentando facilidades como a configuração eletrônica local ou remota e o auto diagnóstico. A configuração abrange o tipo de sensor, o modo de conexão do mesmo (2, 3 ou 4 fios no caso de R.T.D.) a faixa de operação, filtragem e unidade de leitura / transmissão, além da identificação (TAG). o valor da variável, no caso a temperatura, pode ser obtido pelos 4 a 20 mA ou também pelos pulsos. Atualmente é mais comum o uso do protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer). quando da aquisição de instrumentos com protocolo HART, é interessante que o fabricante garanta a possibilidade de “upgrade” para Field Bus. O diagrama de blocos que segue é típico de um transmissor de temperatura inteligente. O micro processador executa as funções de linearização, acerto da faixa, filtragem, diagnóstico e conversão de unidades, além de supervisionar a comunicação.

Isolador

Conversor A/D

Referência

Compensação da junta fria

µ P

Memória

Conversor D/A

Comunic. Digit.

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A memória não volátil (retém informação na ausência de alimentação) armazena as configurações. A comunicação, local ou remota, pode ser efetuada por meio de um comunicador portátil (Hand Held), por um micro computador ou por um sistema digital de controle que suporte o protocolo utilizado.

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IX – BIBLIOGRAFIA

- Curso de Metrologia – Temperatura. INMETRO

- Curso Básico de Instrumentação – Medidas de Temperatura. Instituto Brasileiro de Petróleo e Gás