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Automação Industrial: Sensores de temperatura

15-04-2023 Por : Luís Timóteo 1

Sensores

Temperatura

Não concordo com o acordo ortográficoÉ uma aberração



Sensores de Temperatura

· O que é a temperatura?- A temperatura de um objecto é uma medida de quão quente ou frio ele

está. Unidade do S.I.: Kelvin (K).- No entanto, determinar a temperatura pode ser muito subjectivo, diferentes

pessoas têm diferentes percepções do que é quente e do que é frio. Em termos simples, a temperatura é dito ser o "grau de calor '.

- Mais cientificamente, é o potencial de transferência de calor, por condução, convecção ou radiação.

- A diferença de temperatura faz com que o calor flua, assim como uma tensão provoca um fluxo de corrente num fio. Se dois objectos são colocados em contacto, o calor irá fluir a partir do mais quente para o mais frio.

Objectos quentes e frios que alcançam o equilíbrio térmico. Quando não houver fluxo de calor, podemos dizer que ambos os ablectos estão à mesma temperatura.




· O que é a temperatura?- “Temperatura é a propriedade da matéria que reflecte a média da energia

cinética dos átomos de um corpo”. Esta é a propriedade que podemos confiar quando medimos a temperatura. Quando colocamos um termómetro em contacto com um objecto, e o calor pára de fluir, a leitura do termómetro, diz-nos a temperatura do objecto.

· Não confunda temperatura, com calor

A aplicação de calor faz com que a temperatura suba - excepto quando um sólido se funde ou um líquido ferve, em que a temperatura permanece constante!

A temperatura está relacionada com o calor, mas é diferente dele. O Calor é a energia que se transfere de um corpo para o outro por diferença de temperatura.O calor é a energia associada com o movimento dos átomos ou moléculas de que tudo

é feito. Quanto mais energia os átomos têm, mais rápido se movem (num gás ou líquido) ou mais vigorosamente vibram (num sólido).

- O calor é a quantidade de energia térmica contida num objecto, medida em joules (J).

· A temperatura é medida por um termómetro que é um dispositivo baseado em princípios termodinâmicos no qual uma propriedade é alterada com a temperatura que é medida e usada para indicar o valor da temperatura…

A Energia Térmica de um corpo é a somatória das energias cinéticas dos seus átomos, e além de depender da temperatura, depende também da massa e do tipo de substância.



Não confunda temperatura, com calor

Mesma temperatura

Diferentes quantidades de calor

· Calor e temperatura são diferentes porque a energia calorífica de um objecto grande é maior do que a de um pequeno objecto, mesmo quando as suas temperaturas são as mesmas.


· O que é a temperatura?



Métodos de Transferência de Calor


· O que é a temperatura?

Condução - Processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso ou entre meio diferentes em contacto físico directo.

ConduçãoConvecção – Processo de

transporte de energia pela acção combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento da mistura.

Convecção

Radiação – Processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre eles.

Radiação




· O que é a temperatura?Escalas de TemperaturaA temperatura da matéria é expressa por um número que corresponde ao grau de

calor numa escala escolhida: Celsius (° C), Fahrenheit (° F) ou Kelvin (K) e é medida quantitativamente por termómetros.

Os Estados Unidos usam a escala Fahrenheit para expressar as temperaturas. Nesta escala, o valor de 32 é atribuído ao ponto de congelação da água e 212 ao seu ponto de ebulição. A conversão da escala Fahrenheit para a Celsius é através da fórmula: graus Celsius = 5/9 (graus Fahrenheit - 32).

Os cientistas também utilizaram a escala de kelvin, em homenagem ao cientista britânico Lord Kelvin (William Thomson). Nesta escala, o zero é atribuído a zero absoluto - a temperatura mais baixa possível. No zero absoluto, uma substância não tem energia cinética. O zero absoluto corresponde a -273 ° na escala Celsius

Existem ainda outras escalas de temperatura pouco utilizadas, que são as escalas de Rankine e a escala Réaumur…




· O que é a temperatura?Escalas de TemperaturaA escala de temperatura absoluta, ao contrário das outras escalas de temperatura, não é

arbitrária; é definida como um motor de calor reversível ideal trabalhando num ciclo de Carnot entre duas temperaturas T1 e T2. Se Q1 é o calor recebido pelo valor mais elevado da temperatura T1, T2 e o calor perdido a uma temperatura inferior T2, o T1 / T2 é definida igual a Q1 / Q2. Tal temperatura absoluta é independente das propriedades particulares das substâncias, e é uma função termodinâmica básica…

Thomson teorizou com base em princípios termodinâmicos que a temperatura mais baixa que pode ser atingida é de -273 ° C.

As medições das variações de pressão e volume com alterações na temperatura podem ser feitas e representadas graficamente. A parcela de volume vs temperatura (a uma pressão constante) e de pressão vs temperatura (a volume constante) reflectem a mesma conclusão - o volume e a pressão de um gás é reduzida a zero a uma temperatura de -273 ° C.

· Uma vez que estes são os mais baixos valores de volume e de pressão que são possíveis, é razoável concluir que -273 ° C era a temperatura mais baixa que era possível conseguir.

· Pode-se fazer um gráfico de “Volume VS Temperatura” e de “Pressão VS temperatura“ cada um terá intersecção com o eixo x a -2730C. O Volume e a Pressão de um gás parecem reduzir-se a 0 a uma temperatura muito específica (assumindo que o gás continua a ser um gás).



· Kelvin(°K) = Celsius(°C)+ 273.15

· Celsius(°C) = Kelvin(K) – 273.15

· Celsius (°C) = 5/9(F – 32)

· Fahrenheit (°F) = 9/5C + 32

Kelvin Celsius Fahrenheit

281.15°K

283.15°K 20°C

10°C

68°F

50°F

50°C

60°C

70°C

80°C

90°C


· O que é a temperatura?Escalas de Temperatura

Podemos facilmente converter a temperatura de uma escala para outra por meio de alguns cálculos que são dados a seguir.

Zero absoluto

Temperatura Ambiente

Temperatura do corpo humano

323.15°K

333.15°K

343.15°K

353.15°K

363.15°K

122°F

140°F

158°F

178°F

194°F

Congelação da água 491,67 Ra 0,00 ºRé

Água ferve 80,00 ºRé671,67 Ra373.15°K

0°K

273.15°K

298.15°K

310.15°K

-273.15°C

25°C

37°C

100°C

0°C

-459.58°F

32°F

77°F

98°F

212°F



A escala Rankine (símbolo °R, °Ra) é uma escala de temperatura assim chamada em homenagem ao engenheiro e físico escocês William John Macquorn Rankine, que a propôs em 1859.

· Assim como a escala kelvin, o 0°Ra é o zero absoluto, porém o grau Rankine é definido como sendo igual a um grau Fahrenheit. Assim, a variação de um grau °Ra equivale á variação de um grau °F. Então a temperatura de -459,67°F é exactamente igual a 0°Ra.


· O que é a temperatura?Outras escalas de Temperatura

Apesar de não ser tão popular, a escala Rankine é usada em alguns campos da engenharia nos Estados Unidos.

A escala Réaumur (símbolo: °Ré, °Re, °R) é uma escala de temperatura proposta em 1730 pelo físico e inventor francês René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) cujos pontos fixos são o ponto de congelamento da água (0°Ré) e seu ponto de ebulição (80°Ré).

Assim, a unidade desta escala, o grau Réaumur, vale 4/5 de 1 grau Celsius e tem o mesmo zero que o grau Celsius.




· O que é a temperatura?Outras escalas de Temperatura

· Rankine (°Ra) = (°F + 460) · Réaumur (°Re) = (4.°C)/5

= °C(9/5)+491.67



· Podemos dividir os medidores de temperatura em dois grandes grupos:

A temperatura não pode ser determinada directamente, mas deve ser deduzida a partir dos seus efeitos eléctricos ou físicos produzidos sobre uma substância, cujas características são conhecidas. Os medidores de temperatura são construídos baseados nesses efeitos e são chamados de Termómetros.


· Termómetros

− Termómetro a expansão:−de líquidos.−de sólido.− Termómetro a pressão a

gás:−de gás.−de vapor.

−Pirómetro óptico−Pirómetro fotoeléctrico−Pirómetro de radiação−Câmara de imagem térmica

Contacto directo: Sem contacto:

− Termómetro a par termoeléctrico.− Termómetro a resistência eléctrica.(RTDs/Termistores− Termómetro de semicondutor.− Termómetro de cristais-líquidos

Expansão

Instrumentos de transferência de calor por condução

Eléctricos

Instrumentos de transferência de calor por radiação



Termómetros de Contacto· Termómetro de expansão de líquido

Baseados na lei de expansão volumétrica de um líquido em recipiente fechado.

]Δt3Δt2Δt1[1VoVt 32 ).().().(. ]Δt1[1VoVt ).(.

· Vo = Volume aparente à temperatura 0ºC. · V t= Volume aparente à temperatura t.

· 1, 2, 3. = Coeficiente de expansão do líquido.

·Um gás inerte é normalmente utilizado para preencher o espaço acima do mercúrio. Para temperaturas mais baixas outros líquidos podem ser usados, como álcool (até - 62°C), pentano (até -200°C) e mistura de propano (até -217°C).

Trata-se do instrumento mais utilizado na medição da temperatura, devido à facilidade de operação, baixo custo, e grande variedade de aplicações. O princípio de funcionamento está baseado na expansão de um líquido em função da temperatura. O líquido é contido num bolbo, expandindo-se num tubo capilar. O Mercúrio é o líquido mais utilizado, usando-se também Álcool Etílico, e Tolueno.

O termómetro líquido-em-vidro é destinado para medição da temperatura utilizando a expansão térmica de um líquido como uma propriedade satisfatória. É empregado em tecnologia, práticas de laboratório e medicina para medir temperaturas de -200 a 750 ° C.



Em tubo de vidro

É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção a mais uniforme possível fechado na parte superior.

·O reservatório e parte do capilar são preenchidos de um líquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termómetro no caso da temp. ultrapassar seu limite máximo.

Termómetros de Contacto

· Termómetro de expansão de líquido



Em tubo de vidro



Simples e estável

Vantagens

Portátil Barato

· Os termómetros de líquido em vidro, em particular termómetros de mercúrio, são usados há quase 300 anos.Baseia-se na expansão de um líquido com temperatura.

O líquido está contido numa ampola de vidro selada e expande-se por um furo fino na haste termómetro. A temperatura é lida utilizando uma escala gravada ao longo do caule.

· Precisão e gama de temperatura limitadas.· Requer leitura visual.· Não é fácil de automatizar.

Desvantagens





Em recipiente metálico : Diagrama

Escala

Tubo Boudon

Fim de Curso

Zero

Encaixe

Armadura Capilares

Ajuste

Ponteira

MercúrioÁlcool etílico

Ponteiro

CremalheiraPinhão

Espiral

Helicoidal

LÍQUIDOS: Faixa de utilização Mercúrio –35 a +550oCXileno –40 a +400oCTolueno –80 a +100oCÁlcool 50 a +150oC

Tipo C




Em recipiente metálico


Neste termómetro, o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico). · Bolbo- reservatório As dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e principalmente com a sensibilidade desejada.

· CapilaresAs dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de evitar a influencia da temperatura ambiente, porém não deve oferecer resistência a passagem do líquido em expansão.

·Elemento de MediçãoO elemento usado é o Tubo de Bourdon usado em termómetros de expansão, Líquido/Gás/vapor, podendo ser: Tipo C o mais usual, espiral e Helicoidal

São aplicados nas indústrias em geral, para indicação e registo, pois permitem leituras remotas e são os mais precisos dos sistemas mecânicos de medição de temperatura. Porém, não são recomendáveis para controlo devido ao facto do seu tempo de resposta ser relativamente grande. O poço de protecção permite manutenção do termómetro com o processo em operação.

Bolbo embutido em poço de protecção

Capilares

Elemento de medição



· Termómetro de expansão de sólidos (bimetálicos)


Características de construção

Baseia-se no fenómeno da expansão linear dos metais com a temperatura. Sendo:

Lt = Lo. (1 + α.Δt)Onde:

· t= Temperatura do metal em oC · Lo = comprimento do metal à temp. de referência to .· Lt = comprimento do metal á temp. t .· α= coeficiente de expansão linear. · Δt= t - to .

O termómetro bimetálico consiste em duas lâminas de metais com coeficientes de expansão diferentes sobrepostas, formando uma só peça.

Baixo coeficiente de expansão

Alto coeficiente de expansão

Extremidade fixa Extremidade livre

Calor

·Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional a temperatura.





·Na prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade.

O movimento de flexão é linear com a variação da temperatura e a deflexão da extremidade livre pode ser lida se se anexar um ponteiro ...

Extremidade fixa

Espiral Helicoidal

Extremidade fixa



Frio


· Termómetro de expansão de sólidos (bimetálicos)Enrolamento Helicoidal

Calor

Lâmina bimetálica que consiste de dois metais, tais como latão e ferro niquelado (invar), soldadas em conjunto para formar um braço de suporte, fixa numa das extremidade, e acoplada a um ponteiro na outra extremidade. Quando aquecida, ambos os metais se expandem, mas o bronze expande muito mais do que o ferro-níquel. O resultado é um movimento rotativo da tira bimetálica helicoidal, proporcional á temperatura.

Funcionamento

· O termómetro mais usado é o de lâmina helicoidal. A faixa de trabalho dos termómetros bimetálicos vai aproximadamente de -50 a 800 oC, sendo a sua escala bastante linear. Possui uma exactidão na ordem de +/- 1% .




Enrolamento Espiral





· Termómetro de expansão de sólidos (bimetálicos)calibração:Calibrar um elemento bimetálico através de comparações de temperaturas conhecidas e ajustando o comprimento de modo que, para uma dada alteração da temperatura, o ponteiro terá a deflexão angular adequada. Esta calibração precisa ser feito apenas entre duas temperaturas para obter linearidade sobre a escala inteira. Se o ajuste de um termómetro bimetal altera, redefina o ponteiro em apenas um ponto na escala. O termómetro será então preciso através da escala inteira.Temperaturas: Os termómetros bimetálicos são fabricados para operaram em intervalos de temperaturas de – 200°C …-180°C até 500°C. No entanto, a baixas temperaturas a taxa de deflexão cai bastante rapidamente. Os termómetros bimetálicos são feitos para intervalos até 500°C, sendo que a sua estabilidade a mais altas temperaturas, não é fiável. Normalmente os termómetros bimetálicos não são recomendados para uso contínuo acima de 425°C.Precisão:Os bons termómetros bimetálicos irão manter a sua precisão indefinidamente. Normalmente os termómetros bimetálicos industriais são garantidos a 1% do intervalo da escala em qualquer ponto da mesma. Os tipos de laboratório ou de uso geral mais pequenos são garantidos 0,5% do intervalo da escala. Melhor precisão pode ser obtida se cada escala for desenhada à mão, mas o alto custo torna isso impraticável. Para obter a precisão máxima, a secção da haste que contém o elemento deve ser completamente imersa.





Overranging: Os termómetros bimetálicos, em geral, podem suportar temperaturas superiores ao de seu intervalo de temperaturas, sem danos. Em geral, os fabricantes até 120°C garantem 100% , 50% até 250°C e 10% até 400°C.

Hastes:A haste ou um bolbo de um termómetro bimetálico usando um elemento helicoidal pode ser tão curto como o elemento que contém, tanto como uma polegada. No outro extremo, os termómetros desse tipo pode ser feitos com hastes até 6 pés (2m) de comprimento, e diâmetro de uma polegada a 6 polegadas ou maior.

Tipos de termómetros bimetálicos: Em geral, estão divididos em duas classes: os de tamanhos maiores, com conexões de rosca, para uso industrial, e os de tamanhos menores, com hastes menores e sem conexões de rosca, para teste e trabalhos de laboratório. Todos os tamanhos, no entanto, podem ser obtidos com ou sem roscas.Também estão disponíveis com hastes em parafuso e hastes de pontas salientes de substâncias duras. Estas extremidades são integrais com a haste regular e estão em contacto com o elemento bimetálico, o que permite a transferência de calor rápida.




· Sensores de Temperatura de expansão de sólidos (bimetálicos)Comutadores térmicos, termostatos, relés térmicos etc.

Baseados nos mesmos princípios de funcionamento de lâminas bimetálicas, existe um panóplia muito variada de dispositivos de controlo de temperatura, temperatura máxima, temperatura mínima, protecção de sobreaquecimento, normalmente aberto ou normalmente fechado, para temperaturas específicas, etc, que são usados nos mais variados electrodomésticos, desde fornos eléctricos, maquinas de café expresso, ferros de engomar, sistemas de ar condicionado….

Alguns exemplos….

Lâmina bimetálica

Regulador

Comutador de Mercúrio

· Os termostatos convencionais ( Ar condicionado): A bobina bimetálica contrai com "frio" e se expande com calor. O movimento de extensão/retracção, pode fazer accionar um interruptor para "On" ou "Off“ de Mercúrio ou de outra espécie….





· Os termostatos ferros de engomar Lâmina bimetálica

Ponto de Contacto

Posição a Frio

Fixação suporte

Posição a quente

· Interruptores térmicos: Microondas, esquentadores maquinas de café expresso, fervedores, motores, etc….

Terminais

Base

Pino Móvel

Guia

Disco Bimetálico

CoberturaZona de contacto

Contacto Móvel

Contacto fixo

Placa de contacto

Placa de pressão

Rebite grandeRebite pequeno

Disco Bimetálico

TerminalOFF





· Industriais




· Termómetro de expansão de Gás

Fisicamente idêntico ao termómetro de expansão de líquido, consta de um bolbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos.

Princípio de funcionamento

O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia a sua pressão, conforme aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão.

A Lei de Gay - Lussac, expressa matematicamente este conceito:

· Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante.

P1T1 = P2

T2= Pn

Tn




· Termómetro de expansão de GásLei de Gay-Lussac

· No âmbito da química e da física, a Lei de Gay-Lussac é uma lei dos gases perfeitos que estabelece que sob um volume e quantidade de gás constantes, a pressão é diretamente proporcional à temperatura.

P1T1 = P2

T2= Pn

Tn





Tubo de Bourdon Tubo Capilar

Reservatório Gás

Fisicamente idêntico ao termómetro de expansão de líquido… sendo o bolbo ligeiramente maior.





Gás Temperatura Crítica

Hélio ( He ) - 267,8 oC

Hidrogénio ( H2 ) - 239,9oC

Nitrogénio ( N2 ) - 147,1oC

Dióxido de Carbono ( CO2 ) - 31,1 oC




· Termómetro de expansão de Vapor

A sua construção é bastante semelhante ao de expansão de líquidos, baseando o seu funcionamento na Lei de Dalton:

VAPOR

LÍQUIDO VOLÁTIL

LÍQUIDO INERTE

· "A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume“.

Com vapor ou líquido

· A relação existente entre tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmica e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura em:

log P1 /P 2 = H e . ( 1/T 1 - 1/T2 ) / 4,58 onde: · P1 e P 2 = Pressões absolutas relativas as temperaturas.

· T1 e T2 = Temperaturas absolutas.·H e = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão.




· Termómetro de expansão de VaporLei de Dalton

onde:P = Pressões absolutas relativas à temperatura.T = Temperaturas absolutas.Ce = Calor latente de evaporação do líquido.

· Semelhante ao de expansão de líquidos, a lei de Dalton diz:

4,58T2T1

Ce

P2

P1

11

ConstanteT

pV

"A pressão de vapor saturado depende somente da sua temperatura e não do seu volume“.




· Termómetro de Pressão a Vapor




· Medição da Temperatura por Termopar

Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogéneas. Os fios são soldados num extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força electromotriz), fechando um circuito eléctrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.



Tipos de termopares



· Tipo T: Cu - Co(+) Cobre (99%), (-)Constantan (Cu 58%-Ni42%). Intervalo de temperaturas –200 / 370ºC.

Aplicações – criometria, industria de refrigeração, química, petroquímica.· Tipo J: Fe - Co

(+) Ferro (99,5%) (-)Constantan (Cu 58%-Ni42%). Intervalo de

temperaturas –40 / 760ºC.

· Tipo E: NiCr - Co(+) Crómio-Níquel (Cr10%,Ni 90%) (-) Constantan (Cu58%-Ni42%). Intervalo de temperaturas –200 / 870ºC.

· Tipo K: NiCr - NiAl(+) Crómio-Níquel (Cr10%, Ni90%) (-) Alumel (Ni 95,4% - Mn1,8% - Si1,6% - Al 1,2%).Intervalo de temperaturas –200 / 1260ºC.

Aplicações – Centrais de energia, metalúrgica, química, industria em geral.

Aplicações – Química, petroquímica.

Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento ….



Tipos de termopares



· Tipo S: PtRh 10% - Pt(+) Platina-Ródio (Pt 90%, Rh 10%), - Platina (Pt 100%).Intervalo de temperaturas 0 / 1600ºC.Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento ….

· Tipo R: PtRh 13%- Pt(+) Platina-Ródio (Pt 87%, Rh 13%), (-) Platina (Pt 100%).Intervalo de temperaturas 0 / 1600ºC.Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento ….

· Tipo B: PtRh 30%- PtRh 6%(+) Platina-Ródio (Pt 70%, Rh 30%), - Platina-Ródio (Pt 94%, Rh 6%). Intervalo de temperaturas 600 / 1700ºC.Aplicações – Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Fabrico de Cimento ….



Uma confusão bem organizada… não há estandardização!....

Tipos de termopares



Conectores



A tensão do Termopar: Efeito de Thompson



· Na junção de dois metais diferentes, ocorre uma diferença de potencial.· Isto é devido a diferentes concentrações de electrões, isto é, os metais em diferentes

níveis de Fermi.·As concentrações tendem a igualar por difusão de electrões.

A diferença de potencial final é:

eV 21

ΔV – Diferença de Potencial

η1 – Nível de Fermi do metal…

e – Carga do electrão

ηrez – Nível de Fermi de equilíbrio

T,η1 T+ΔT,η2

T,ηrez

Corrente de ElectrõesNão-equilíbrio

Diferença de potencial

Equilíbrio T+ΔT,ηrez

η1, η2 – Níveis de Fermi iniciais



· Thomson concluiu, que a condução de calor ao longo dos fios metálicos de um termopar, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio e, quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição da temperatura numa quantidade não somente devido ao efeito Joule. A essa variação adicional na distribuição da temperatura denominou-se efeito Thomson.



Efeito de Peltier· Peltier descobriu que, dado um par termoeléctrico com ambas as junções à mesma

temperatura, se, mediante uma fonte externa, produzir-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junções variam numa quantidade não inteiramente devido ao efeito Joule. A esse acréscimo de temperatura foi denominado efeito Peltier.

O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção e não depende da temperatura de outra junção. O efeito Peltier não tem aplicação prática nos termopares e sim na área de refrigeração com a utilização de semicondutores especiais.Efeito termoeléctrico de Volta

A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta enunciado a seguir:"Quando dois metais estão em contacto a um equilíbrio térmico e eléctrico, existe entre eles uma diferença de potencial que pode ser da ordem de Volts“. Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida directamente.

A tensão do Termopar: Efeito de Thompson





A tensão no termopar é: dTSdV AB· dV – Diferença de voltagem · SAB - ˝coeficiente Seebeck ˝ do par de metais

TSS ABAB BAAB SSS · SA, SB – Coeficiente Seebeck de cada metal simples (em comparação com

um metal de referência).· dT – Diferença de temperatura das uniões.

Os coeficientes de Seebeck podem ser determinados considerando o efeito deThompson.

e

TkS A

0

22

6

k – Constante de Boltzmann.

T – Temperatura do metal.

η0 – Nível de Fermi a 0o K.

e – Carga do electrão.

ABABAB TTbTTaV 2 a, b – Constantes.

TA, TB –Temperaturas das junções.

A tensão do Termopar: Efeito de Seebeck





· A experiência mostra que um circuito constituído por dois materiais diferentes A e B é percorrido por uma corrente eléctrica –i+ desde que os contactos nas junções T1 e T2 entre os dois materiais estejam a temperaturas diferentes T . Este fenómeno é denominado Efeito Seebeck. Na realidade ocorrem mais três efeitos: o efeito Thomson, o Peltier e o de Joule.

· Quando dois condutores metálicos A e B de diferentes naturezas são acoplados mediante um gradiente de temperatura, os electrões de um metal tendem a migrar de um condutor para o outro, gerando uma diferença de potencial eléctrico num efeito semelhante a uma pilha electroquímica.

A tensão do Termopar: Efeito de Seebeck

· Este efeito é conhecido como Efeito Seebeck sendo capaz de transformar energia térmica em energia eléctrica com base numa fonte de calor mediante propriedades físicas dos metais.





A magnitude da fem térmica, depende dos materiais dos fios usados na diferença de temperatura entre as junções.

A tensão no termopar: Simplificando…

· A fem eficaz de termopar é dada por:

)()(2

2

2

121 TTkTTcE Onde:

c e k = Constantes dos materiais do termopar.

T1 = Temperatura da junção quente, "hot“.

T2 = Temperatura da junção fria "cold" ou Junção de "referência“.Exemplo:

Durante as experiências com um termopar de cobre-constantan, verificou-se que c = 3,75 x 10-2 mV / °C, e K = 4.50x10-5 mV / °C2. Se T1 = 100 °C e a junção T2 frio é mantida em gelo, calcular as forças electromotrizes resultantes.

Solução: )()(2

2

2

121 TTkTTcE

2222

5 )( C0100C

mV104.50 o

o

)(2 C0C100C

mV103.75 oo

o

mV4.20mV0.45mV3.75



Como ler a tensão gerada pelo Termopar



Como fio de cobre está ligado a ambos J2 e J3, não haverá tensão adicional a contribuir para a diferença de temperatura entre as junções J2 / J3, ponto em que a tensão é medido pelo dispositivo de aquisição de dados. Para determinar a temperatura em J1, você deve saber as temperaturas de junções J2 e J3. Você pode então usar a tensão medida e a temperatura conhecida da junção J2 / J3 para aferir a temperatura em J1.

· A figura mostra um termopar tipo-J (J1), numa chama de uma vela que tem uma temperatura que você quer medir. Os dois fios termopares estão ligados aos condutores de cobre de um dispositivo de aquisição de dados (voltímetro ou outro).

· Visto desta forma, o circuito contém três junções metálicas dissimilares: J1, J2, J3 e. Isto resulta numa tensão de Seebeck entre J3 J2 e que é proporcional à diferença de temperatura entre J1, que é detectar a temperatura da chama da vela, e J2 e J3 (junção fria).

· As temperaturas em J2 e J3 devem ser suficientemente próximas de modo que possam ser assumidas como sendo a mesma temperatura.



Como ler a tensão gerada pelo Termopar: Leis básicas dos circuitos termopares



A base da teoria termoeléctrica nas medições de temperatura com termopares está fundamentada em três leis que garantem a compreensão dos fenómenos que ocorrem ao se utilizar os sensores tipo termopares na obtenção de valores instantâneos de temperatura em um processo industrial específico.

· Lei do Circuito HomogéneoA força electromotriz (f.e.m.) termal desenvolvida em um circuito termoeléctrico formado por dois metais homogéneos mas de naturezas diferentes, depende única e exclusivamente da diferença de temperatura entre as junções e de suas composições químicas, não sendo assim interferida pelo gradiente de temperatura e nem de sua distribuição ao longo dos fios.

T1 T2

A(+)

B(-)

f.e.m= E T1 T2

A(+)

B(-)

f.e.m= E

T3

T4

Um exemplo de aplicação prática desta lei, é que podemos ter uma grande variação de temperatura num ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, que esta não influirá na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura entre as juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas.

f.e.m= E f.e.m= E





· Lei dos metais intermediários

T1 T2

A(+)

B(-)

f.e.m= E T1 T2

A(+)

B(-)

f.e.m= E

T3

Deduz-se daí que o circuito termoeléctrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais. T4

C

Um exemplo de aplicação prática desta lei, é a utilização de contactos de latão ou cobre, para a interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.

Terceiro metal inserido


" A Se entre dois metais diferentes que fazem um termopar, se for introduzido no circuito um terceiro metal diferente , enquanto a temperatura ao longo de todo o comprimento do terceiro metal é mantida uniforme, a tensão de saída não será afectada".

A(+)





· Lei das temperaturas intermediários

“Se um termopar com duas junções com temperaturas T1 e T2 produz uma tensão de diferença V1 e uma tensão diferença V2 entre as temperaturas T2 e T3, então a voltagem gerada quando as temperaturas são T1 e T3 será V1 + V2”.

· Esta lei é muito importante para entender como medir a temperatura a partir de um termopar. Normalmente, a tensão característica de um termopar é dada para a temperatura de referência de 0ºC (32ºF).

O termopar é um termopar tipo K, e o voltímetro utiliza fios de cobre. No ponto em que está ligado o voltímetro para medir a tensão, duas novas junções do par termoeléctrico são criadas! Este é um grande problema dos termopares …. Neste circuito, estas novas junções são mantidas em 0ºC (32ºF).

Vejamos:

Desta forma, a voltagem medida pode ser directamente convertida em temperatura, uma vez que a tabela de conversão é geralmente para a temperatura de referência de 0 °C.







Mas na vida real, a temperatura de referência não é 0oC. Olhando para o circuito à direita você pode ver um exemplo mais realista. A temperatura de referência agora é 20oC.

Esta tensão VREF é a tensão que iria ser criada pelo termopar, se a tensão de referência diferente de zero fosse medida por um termopar em que essa junção estivesse à temperatura de referência de 0 °C.

A temperatura de referência agora é 20oC. A tensão não pode ser directamente convertida em temperatura, pois a junção de referência (onde o voltímetro ligado) não está a 0 oC.

· De acordo com a Lei das temperaturas intermediárias, se soubermos qual a temperatura de referência, então podemos calcular a temperatura medida, adicionando à tensão medida uma outra voltagem chamada VREF.

…Eu sei que parece complicado….. Mas talvez não seja!







Vejamos:

O termopar é um termopar tipo K, e o voltímetro utiliza fios de cobre à temperatura de 0oC e a temperatura T2 é de 100oC. Conversão directa tirada das tabelas 4.095mV

2º Caso:

No termopar a temperatura T2 é na mesma 100oC mas a temperatura das junções criadas pelo voltímetro estão a 20oC …..O voltímetro não mede 4.095mV mas sim 3.297 mV

Neste caso temos que adicionar a tensão VREF que será a tensão que o termopar mediria se as junções do voltímetro estivessem a 0oC e o termopar a 20oC, que seriam :0.798 mV

Então, nós adicionamos este valor para a tensão medida e a tensão total é de 0,798 + 3,297 = 4,095 mV, o que corresponde a 100oC!






· Consequências

Num termopar se uma das junções, é mantida a uma temperatura fixa, de referência, T2, a força electromotriz E, do termopar é unicamente função da temperatura T1 da outra junção.

Se as duas junções estiverem á mesma temperatura a f.e.m., por elas gerada será zero.

· Assim, a f.e.m. de um termopar não será afectada se em qualquer ponto do seu circuito for inserido um metal genérico desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.

A diferença de potencial que aparece nos terminais de um termopar é independe do ponto escolhido para se abrir o circuito do par.

· Assim, na prática, frequentemente se utiliza este facto fazendo-se a abertura coincidir com uma das junções do termopar.




J



Correcção da fem em função da temperaturaE

T

K

N

RSB

As tabelas existentes da f.e.m. gerada em função da temperatura para os termopares, têm fixado a junta de referência a 0°C (ponto de solidificação da água), porém nas aplicações práticas dos termopares a junta de referência é considerada nos terminais do instrumento de medida e este se encontra-se à temperatura ambiente que é normalmente diferente de 0°C e variável com o tempo, tornando assim necessário que se faça uma correcção da junta de referência, podendo esta ser automática ou manual.

· Existem também alguns instrumentos em que a compensação da temperatura é fixa em 20°C ou 25°C. Neste caso, se a temperatura ambiente for diferente do valor fixo, o instrumento indicará a temperatura com um erro que será tanto maior quanto maior for a diferença de temperatura ambiente e do valor fixo.

· Os instrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer a correcção da junta de referência automaticamente, sendo um dos métodos utilizados, a medição da temperatura nos terminais do instrumento, através de circuito electrónico, sendo que este circuito adiciona à milvoltagem que chega aos seus terminais, uma milvoltagem correspondente à diferença de temperatura de 0°C á temperatura ambiente.





Erros de ligação : Usando fios de cobre

·Tal, procedimento é executado sem problemas desde que, o cabeçote onde estão os terminais do termopar e o aparelho de medição, estejam à mesma temperatura de medição.

Geralmente nas aplicações industriais, é necessário que o termopar e o instrumento de medida se encontrem relativamente afastados, por não convir que o aparelho esteja demasiadamente próximo do local onde se mede a temperatura. Nestas circunstâncias deve-se, processar a ligação entre os terminais do cabeçote e o aparelho, através de fios de extensão ou compensação.

Vejamos o que acontece quando esta norma não é seguida.





Erros de ligação : Inserção de fios de compensação

·Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invés de cobre usamos um fio compensado. A figura mostra de que maneira se processa a instalação.

Uma solução simples que é normalmente usada na prática, será a inserção de fios de compensação entre o cabeçote e o registador ( aparelho de medida). Estes fios de compensação em síntese, nada mais são que outros termopares cuja função é compensar a queda da FEM que aconteceu no caso anterior, ocasionada pela diferença de temperatura entre o cabeçote e o registador.

· A vantagem desta técnica provém do facto de que os fios de compensação, além de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, também são mais resistentes. Inversão simples.





Compensações :Junta de referência a 0°C

Na ilustração a maior parte da tensão é gerada onde os fios passam através da parede do forno, e, idealmente, não há gradientes de temperatura próximo da junção quente.

As tensões não são grandes, tipicamente apenas cerca de 40 mV para cada 1 ° C de diferença de temperatura, mas os instrumentos mais usados exibem leituras com resolução de 0,1 ° C.





Compensações: com cabo apropriado





Outras Compensações….

O banho de gelo como Referência

Qualquer par termoeléctrico, quando a 0 °C, não gera nenhuma EMF! Assim, ligando simplesmente os fios dentro de um banho de gelo, as leituras da junção-K , T1, não são alteradas!

Duplo Forno de Referência

Dois fornos são usados para simular o ponto de referência de gelo. Os fios do termopar são unidos na polarização oposta dentro de um forno, e, em seguida, estão ligados com os fios de cobre para o outro forno. Por terem diferentes temperaturas dentro dos fornos, a referência do ponto de gelo pode ser simulada.

compensação por hardwareEste é um método muito comum para compensar a temperatura na junção do termopar de cobre, também chamado "ponto de referência de gelo electrónico". De acordo com este método, um termístor é colocado no interior do bloco isotérmico. A resistência do termístor mudará de acordo com a temperatura no interior do bloco isotérmico. Utilizando uma voltagem de DC e um par de resistências para controlar o ganho, o circuito irá adicionar a tensão necessária para a temperatura específica dentro do bloco isotérmico!



· A sensibilidade para a maioria dos sensores, exige ampliação adequada para detectar e ler correctamente o sinal, sendo que sensores diferentes podem requer diferentes circuitos electrónicos para alcançarem o seu propósito.



Outras Compensações….Interfaces Electrónicos

· O termopar abaixo, utiliza série de amplificadores diferenciais que permitem referenciar e sensorear pontos, afim de permitir compensação e ajustamentos.



· Medição da Temperatura por TermoparTermopares de isolamento mineral


É constituído de um ou dois pares termoeléctricos, que são isolados entre si e da bainha metálica, pelo pó de óxido de magnésio, que possui excelente condutibilidade térmica e alta compactação.

Vantagens Estabilidade.Resposta Rápida.Grande Resistência Mecânica e Flexibilidade. Facilidade de Instalação.Resistência a Corrosão.Blindagem Electrostática.

Rabicho

Pote

Pó óxido de Magnésio

BainhaPlug

Junta de Medida



· Medição da Temperatura por TermoparTermopar industrial tipo J:Termopares de isolamento mineral

Ferro

Constantan

Fios Termopar “J”

Capa metalizadaÓxidoMagnésio Junção Termopar

Capa metalizada

Encaixe de compressão ajustável

armadura de aço inoxidáveltrança de aço inoxidável ou simplesfios de ligação também disponíveis

Exposta Isolada Aterrada

O termopar tipo 'J' é o mais usado, seguido do do tipo 'K‘.





· Medição da Temperatura por TermoparTermopares industriais (ANSI)

Tipo K

Tipo J

Tipo J




· Medição da Temperatura por TermoparTermómetros a termopares

Wireless Thermocouple Temperature Data Logger Supports TC types J, K, N, and T

Portáteis

Industriais



Thermocouple Terminal Blocks


· Medição da Temperatura por TermoparTermómetros a termopares




· Medição da Temperatura por TermoparMonitorização de termopares via USB

Termopar

Cabo USB

LBUSB16485B

485+

485-DATA+

DATA-

I-70188 canais

LBCSP-142-025-24

+_

24 VDC Software EZ data Logger

Rede AC




· Medição da Temperatura por TermoparMonitorização e controlo local da temperatura

Termopares

LBCSP-142-050-24

Bus Interno

Bus Interno

24 VDC

RS-485

FBs-CB5

FBs-20MCTU

FBs-TC6




Termopares

Vantagens

· Simples, robusto

· Operação em alta temperatura

· Baixo custo

· Sem problemas resistência dos cabos

· Sensor de temperatura

· Resposta mais rápida às mudanças de

temperatura.

Desvantagens

· Menos estável, menos repetível.

·Baixa sensibilidade para pequenas variações de temperatura.

·Fio de extensão devem ser do mesmo tipo do termopar.

·Fio pode pegar ruídos eléctricos irradiados, se não for blindado.

·Menor precisão.



termoresistências

metálicas

semicondutoras

metais ou ligas metálicas

semicondutores em forma cristalina ou amorfa

maior estabilidademaior precisãomaior linearidade

maior sensibilidade


· Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs)

Resistência de um fio (ou filme metálico):

A

lR

R – Resistência eléctricar – Resistividadel – ComprimentoA – Área da secção transversal

nq1 m – Mobilidade

n – Concentração de electrõesq – Carga do electrão

Resistividade das resistências metálicas, à temperatura: TTT 0

20 1 TT

· r0 – resistividade à temperatura de referência T0.


15-04-2023 Por : Luís Timóteo 65©Helena SarmentoCap1-65

Metal a

( / /W W ºC) b

( / /W W ºC2)

Platina 0,0039 -8,7510-7

Cobre 0,0043 6,2510-8

Tungsténio 0,0046 8,8010-7

Níquel 0,0068 5,1210-6

· RTD de platina é das mais lineares.

Ni

W

Cu

Pt

0

100

200

300

400

500

600

-100 100 300 500 700

R (W)

T (ºC)100R C0 º

semicondutor

· Os Fabricantes especificam R com tabelas:


· Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs)Termoresistências metálicas




· Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs)O Princípio é que a resistência eléctrica dos sensores é fortemente dependente da temperatura, e muda com a temperatura de uma forma previsível.

· Os Termómetros Padrão de Resistência de Platina (Standard Platinum Resistance Thermometers (SPRTs) são os mais precisos.

· Na indústria são usados, termómetros de resistência de platina mais robustos conhecidos também como IPRTs, Pt100s, RTDs (detectores de temperatura de resistência).

· No entanto, eles só são adequados para uso em laboratório.

Os sensores de elementos de Resistência de Platina geralmente são fabricados em quatro configurações:

· Wire-Wound (fio bobinado).· Film (película fina).· Coil (Bobine)· Hollow Annulus (bobinado em anel oco)

Temperature (oC)

Re

sist

ên

cia

(Oh

ms)

RTD Curva Resistência Vs. Temp. (TCR)

TCR = Temperature coefficient of resistance





Wire-Wound (fio bobinado)O elemento sensor de fio bobinado é construído por enrolamento de um fio detector de platina de de pequeno diâmetro em torno de um mandril não condutor.

Film (película fina)

TerminaisFio de Platina de pequena secção

Revestimento protector

Mandril não condutor

Terminais

Substrato de cerâmica

Película fina de Platina

O elemento sensor do tipo de película, é feito por deposição de uma fina camada de platina num padrão de resistência sobre um substrato de cerâmica. Uma camada de vidro é aplicada para a protecção.

Coil (Bobine espiral)

Tubo de vidro protector

Fio de Platina de pequena secção

Powder Packing

Terminais

O sensor de elemento em espiral, feito através da inserção dos fios de detecção helicoidais num mandril de isolamento cheio de pó, que proporciona um elemento sensor livre de tensão.

Hollow Annulus (bobinado em anel oco)

Terminais intermédios

Bainha exterior

Fio sensor de Platina

Mandril de Metal

Isolante

O elemento do tipo anel oco é feito enrolando fio de detector de platina em torno de um mandril de metal oco resistente à corrosão. A unidade inteira é revestida com um material isolante.





Efeito do fio dos terminais

· Alteração da leitura devido à resistência do fio dos terminais.Duas abordagens:

> Determinação da resistência do condutor e compensação através do controlador.

> Ligar um fio de ligação adicional a uma extremidade da RTD.

> … Ou ligar um transmissor, com conversão resistência a sinal de baixa tensão e envia-lo para controlador de temperatura.

3-wire RTD

1 2 3

RTD

4-wire RTD

1 3 42

RTD





Efeito do fio dos terminais: RTD de fio de Platina

· Mais Comum: DIN 43760

Standard temp. coeficiente (alpha =0.00385)> Para fio de 100 ohms +0.385 ohms/OC a partir de 0oC.> alpha = declive médio de 0oC – 100oC .

Uma impedância de 10 dos terminais, implica 10 / 3,85 = 26oC erro na medição.

Terminal

Terminal R=5

100RTD

R=5






· Correcção do Problema: Ponte Wheatstone: 3 fios

>Fios C actua como terminal sensor e não transporta nenhuma corrente.

>Fios A & B estão perfeitamente emparelhados, pelo que os efeitos das impedâncias será cancelado devido a estarem em pernas opostas da RTD.

Equação adicional necessária para converter a tensão de saída da ponte para impedância equivalente da RDT.

>Relação não-linear entre a variação da RTD e a tensão de saída da ponte.

A

C

B

DVM

RTD

R3

R1

R2

Vo

Vs






· Correcção do Problema: Ponte Wheatstone: 3 fios – Equações

)2/1(3

3sso V

RTDR

RVV

Se Vs & Vo conhecidas, RTD pode ser encontrada.

Vo da ponte desbalanceado com R1 = R2:

Se RTD = R3 Vo = 0 & ponte está equilibrada.

Para determinar RTD assumindo a resistência dos terminais iguais a zero:

os

os

VV

VVRRTD

2

23






· Correcção do Problema: Ponte Wheatstone: 3 fios – Equações

Se a RTD localizada a alguma distância da configuração de 3 fios RL aparece em série com RTD e R3.

A

C

B

DVM

R3

R1

R2

Vo

Vs

RTD

RL

RL

os

oL

os

os

VV

VR

VV

VVRRTD

2

4

2

23






· Correcção do Problema: Outra abordagem- 4-Fios Ohms

100 RTD

DVM

+

-

i = 0

i = 0

Fonte de corrente

DVM é directamente proporcional à resistência do RTD .Equação de conversão requerida.

Insensível ao comprimento dos fios.

Precisão superior a 3 fios.

Desvantagem: É necessário mais um fio.

- +

Vo

RTD

Vs+-

· Compensação electrónica:





Conversão Resistência /TemperaturaA RTD é mais linear do que o termopar, mas inda é necessário seguir a curva

característica.· Equação Callendar-Van Dusen

3

1001

100)1001

100

TTTTTRR oT

· RT = Resistência à Temperatura T.

· Ro = Resistência a T=0oC.

· = Coeficiente deTemperatura a T=0oC.

· = 1.49 (valor típico para platina 0.00392).

· = 0 T>0, 0.11 (típico) T<0.

)1(0 TRRT Exemplo:

Um termómetro de resistência de platina: tem uma resistência de 150 a 20oC. Calcule a resistência em 50oC (20 = 0,00392).

Solução:

)(0 T1RR ])([ C20500.003921150 o

167.64





Identificação

RTD de 2 fios usa a mesma cor de fio para ambos os terminais.

RTD de 3 fios tem dois fios vermelhos e um branco.

RTD de 4 fios tem dois fios vermelhos e 2 fios brancos.

Mediçãoponta – a – ponta

Medida á temperatura ambiente

1 a 2; 3 a 4.Menos de 1 ohm a um máximo de alguns ohms.

1 a 3; 1 a 42 a 3; 2 a 4 107 a 110 ohms

1 3 42

RTD 4-wire





· Normalmente estão inseridas num tubo de aço inoxidável com uma graxa condutora de calor (que também amortece as vibrações). Tubos de diâmetros de padrão de 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 e 15 mm, e comprimentos de tubos padrão de 250, 300, 500, 750 e 1000 mm.

· Geralmente as RTs não podem ser usadas com o elemento sensor na sua forma básica, pois são muito delicadas. Elas são geralmente construídas em algum tipo de montagem, que permitirá suportar as várias exigências ambientais a que estarão expostas quando usadas.




· Termómetros a resistência : Também chamados detectores de temperatura a resistência (RTDs)Tipos de RTDs

RTDs de PlatinaA Platina é de longe o material mais comum em RTDs, principalmente por causa da sua estabilidade a longo prazo no ar. Existem dois tipos de sensores de Platina, cada um com um nível diferente de doping "impurezas". Há já algum tempo que tem havido convergência nas normas de RTDs com platina, tendo a maioria dos países adoptado a norma internacional IEC751-1983, com a alteração 1, em 1986, e a alteração 2 em 1995. Os EUA continuam a manter o seu próprio padrão.





Os sensores de níquel são preferidos em aplicações sensíveis ao custo, tais como ar condicionado e bens de consumo. Porque o custo é um problema, eles são geralmente fabricados com valores de resistência mais elevados de 1k ou 2k ohms de modo que uma única conexão de dois fios pode ser utilizada (em vez de 3 ou 4 conexões de fios comuns nos tipos com Platina).RTDs de níquel – ferroDe menor custo do que a RTD de níquel puro, a RTD níquel-ferro encontra aplicações em HVAC e outras e aplicações sensíveis ao custo. O alfa = 0,00518.RTDs de cobreO cobre é raramente utilizado como um elemento de detecção, sendo usado muitas vezes, quando uma bobina de cobre existe para outros fins. Por exemplo, num sensor de vibração onde a bobine faz de sistema de detecção da frequência de vibração. A mesma bobina pode ser usada para detectar as leituras da temperatura dos sensores, mas de modo que possam ser compensadas por variações de temperatura induzida. Uma outra aplicação é na medição da temperatura dos enrolamentos de motores e de transformadores eléctricos.

Tipos de RTDs: RTDs de Níquel

RTDs de MolibdénioO Molibdénio tem um coeficiente expansão de temperatura que combina quase perfeitamente com a alumina, tornando-se um material ideal para sensores tipo pelicula. A faixa útil de temperatura é normalmente -200 ° C a + 200 ° C e alfa de materiais = 0,00300 ohm / ohm / ° C.



RTDs (Resistance Temperature Detector)



RTD

Aplicações

Ar condicionado e sistemas de refrigeração.Controlo de Fornalhas. Serviços de processamento de alimentos.Pesquisa em Medicina.Produção têxtil.Industria de plásticos.Petroquímica.Microelectrónica. Medidas de temperatura em Ar, gás e líquidos.

De Platina, Cobre, Níquel na faixa de –270 / 660 ºC.



· Vantagens das RTDs Estabilidade. Repetibilidade. Precisão. Resistente a contaminação/corrosão.

· Desvantagens das RTDs Custo: Platina = $$$, 2x mais caras. Gama de temperaturas limitada. Sensível a vibrações. Frágil… Tempo de resposta mais baixo, 2 a 4 vezes mais lentas.

· O calor deve de ser transferido através de epóxi ou revestimento de vidro.· Todo o corpo da RTD deve de estar a uma temperatura uniforme antes de uma

medição precisa ser tomada.



RTDs Vs Termopares

Os Termopares são de longe os sensores de temperatura mais comuns de uso industrial.

RTD Probes & Assemblies



termistências semicondutoras

silício

cerâmicasPTC

NTC

ni – Concentração de portadores intrínsecos.Eg – Altura da banda proibida.k – Constante de Boltzman.s – Condutividade.m – Mobilidade.


· Termómetros a resistência : Termístores

Thermal Resistors: Materiais semicondutores

Resistividade dos semicondutores pniqn

1

kT

E

i

g

eTTn 22

3

2

5

2

3

TT



Sensor Valor nominal ( ) Gama de temperaturas (ºC) // ºC) // ºC 2 KTY81-1 990-1050 - 55 a 150 7,87E-03 1,87E-05KTY81-2 1980-2100 - 55 a 150 7,87E-03 1,87E-05KTY83-1 990-1050 - 55 a 150 7,64E-03 1,73E-05KTY84-1 970-1050 0 a 300 6,12E-03 1,03E-05

R (

kW)

-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 3500.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

KTY81-2

KTY83-1

KTY84-1

KTY81-1

T (ºC)

· Os Fabricantes especificam a Rs com tabelas:



Termoresistências semicondutoras



RsensorRL

RP Temperatura T A T B T C

R sensor R A R B RC

LPBPCPAPB RRRRR

· Menos lineares que termoresistências metálicas.

· Linearização dos sensores KTY (numa determinada gama de temperaturas).



Termoresistências semicondutoras



PTCB

NTCB

0

0

NTC PTC NTC

NTC Negative Temperature CoeficientPTC Positive Temperature Coeficient



Termoresistências cerâmicas semicondutoras· Misturas de óxidos metálicos (ferro, níquel, cobre, magnésio, cobalto, titânio e

urânio) cozidas a altas temperaturas.

TC temperatura de Curie

C

AB

D

TC

T

B

e

0

CTeTT TTB

º250

11

00

2

0

1

T

B

TT





Uma vez que o valor da resistências é elevado, geralmente vários kilohms, as conexões geralmente são de 2 fios, podendo assim serem usadas sem erro significativo. As Termístores não estão normalizadas, deve-se ter em contas as especificações do fabricante.

Thermal Resistors: Materiais semicondutores, como as termístores são muito sensíveis à temperatura e a resistência aumenta/diminui muito fortemente, quando a temperatura varia. Bem adequado para uso em pequenas sondas com resposta rápida, por exemplo, como limitadores de corrente em circuitos electrónicos e em termometria médica, onde é alcançada boa sensibilidade sobre faixas de temperatura limitadas.

· As mais comuns são de coeficiente de temperatura negativo - (NTC).

· As de coeficiente de temperatura positivo - (PTC).

Gama de temperaturas: -100 / 300ºC.

Extremamente sensíveis: Erros -/+ 0.01ºC




· Termómetros a resistência : TermístoresUm semicondutor utilizado como um sensor de temperatura. Mistura de óxidos de

metais á pressão na forma grânulos, pastilha ou outras formas…Grânulos podem ser muito pequenos, inferior a 1 mm em alguns casos, são depois encapsulados em vidro /epóxi…

· A resistência diminui à medida que a temperatura aumenta, coeficiente de temperatura (NTC) termístor negativo.

Temperature (oC)

Re

sist

ên

cia

(Oh

ms)

· A sensibilidade típica de um termístor é de aproximadamente 3 mV / ° C a 200 ° .

Pode-se ver que a curva de resistência / temperatura não é linear ao longo de um intervalo de temperatura, embora as unidades que estão disponíveis hoje com uma linearidade melhor do que 0,2% ao longo de um intervalo de temperatura de 100 ° C

O modelo matemático básico utilizado para termístores é a equação Steinhart-Hart, descoberta pelos oceanógrafos IS S. R. Steinhart e Hart, que sua forma mais simples é:1/T = A + B(ln R) +C(ln R)3

Em que T é a temperatura em Kelvin, A, B, e C são coeficientes do termístor, ln é o logaritmo natural, e R é a resistência em ohms..

Bead(glass-coated) 8.8 k 3.1 k 1.3 k 300 C

Disk 283 100 40.7 127 C

Type R at 0C R at 25C R at 50C Maximum





Exemplo:

O circuito da Figura é para ser usado para a medição de temperatura. O termístor é um tipo de 4 k. O medidor é um amperímetro de 50 mA com uma resistência de 3, Rc está ajustada para 17, e VT, a tensão de alimentação é de 15 V. Quais serão as leituras do amperímetro para 25 °C e para 65oC?

15V

3

4K

17

A

Termístor

VT

Rc

mA3.733174000

15V

R

VI

T

T

·Os termístores têm o seu valor padrão á temperatura ambiente de 25oC, para temperaturas abaixo deste valor, a resistência aumenta.

·Para 65oC temos que consultar o valor na tabela do termístor para essa temperatura, supunhamos que mede 950…

mA15.5317950

15V

R

VI

T

T



Thermistors Probes & Assemblies







Controlo




Medições de Temperatura com Termístores

Termómetros de ContactoSímbolo





Vantagens

Alta sensibilidade a pequenas variações de temperaturaMedições mais estáveis com o uso.Podem usar fios extensores de cobre ou níquel.

DesvantagensGama de temperaturas limitada.Sensor frágil.“Drift” inicial de precisão.Descalibração se usado para além da gama específica de temperaturas.Poucos standards de substituição.



· Termómetros de semicondutores


Um diodo de silício (junção PN) polarizado inversamente apresenta uma tensão proporcional à temperatura da sua junção. Nos equipamentos electrónicos, inclusive industriais, é muito comum usar uma junção PN polarizada inversamente para medir a temperatura ambiente.

São pequenos e resultam do facto dos diodos semicondutores terem características de tensão-corrente que são sensíveis à temperatura.

Faixas de medição de temperatura são pequenas em comparação com os termopares e RTDs, mas podem ser bastante precisos e baratos.




· Uma junção entre um semiconductor dopado-N e um semicondutor dopado-P. Normalmente silício dopado-N (também germânio, gálio-arsenieto, etc.). A junção é um simples diodo polarizado directamente.

PN

Cátodo (K) Ânodo (A)

Sentido convencional da corrente

-I (A)Corrente inversa

+I (mA) Corrente Directa

+V

-V

Voltagem Directa

Voltagem Inversa

Polarização Directa

Polarização Inversa

0,7V Silício0,3V Germânio

“Joelho”

Voltagem inversaruptura

Silício -20 mAGermânio -50 mA Zener Breakdown

ou região de avalanche

Corrente directa é dependente da temperatura. Qualquer diodo semicondutor funcionará. Normalmente é detectada, a tensão através do díodo…


Sensores de Temperatura à base da junção P-N



PN · Corrente directa através do diodo: I = I0eqV/2kT

· Tensão aos terminais do diodo: Vf = Egq - 2kT

q ln CII0 – Corrente de saturação.

Eg – Energia da Band-gap.

q – Carga do electrão.

k – Constante de Boltzman.

C – Constante independente da temp.

T – Temperatura (K).

· Se C e I são constantes, Vf é linear com a temperatura.· O diodo é um dispositivo NTC.· Sensibilidade: 1-10mV / oC (corrente dependente).

-2.0 mV/oC

Si, 1 mA-2.3 mV/oC

Si, 10 A









· Os sensores de temperatura de semiconductores podem ser classificados em cinco tipos principais seguintes:

Sensores de Temperatura de saída de tensão

Estes tipos de sensores geralmente precisam de uma fonte de alimentação eléctrica para a sua excitação. Eles dão uma saída linear eficaz sob a forma de sinais de tensão. Além disso, eles oferecem bastante baixa impedância de saída…

Sensores de Temperatura de saída de corrente

Em oposição aos sensores de temperatura de saída de tensão, a impedância de saída destes sensores é muito alta. Eles geralmente funcionam como reguladores de corrente constantes que são projectados para passar um microamperes por grau Kelvin. Eles também precisam de uma tensão de entrada que pode variar entre 4 e 30 V.






Sensores de Temperatura de Saída Digital

Estes são os principais sensores concebidos para a integração de um sensor e um conversor de analógico para digital, numa placa de circuitos integrados. Estes sensores não oferecem interfaces digitais padrão. Por isso, eles não podem ser utilizados para a medição com dispositivos de medição convencionais. Alguns deles são especialmente fabricados para permitir o seu uso com microprocessadores para a gestão térmica.

Sensores de Temperatura Silício com saída de Resistência

Estes são sensores de temperatura simples, projectados com a ajuda de equipamentos de fabricação de semicondutores típico. As características de resistência/temperatura habituais dos materiais semicondutores tornam a sua utilização mais simples. Além disso, estes sensores oferecem alta tolerância para a migração do iões, por conseguinte, são adicionalmente mais estáveis em relação a outros sensores de temperatura de semicondutores. No entanto, cuidado extra deve ser exercido ao empregar esses sensores devido às suas outras características…






· Entretanto, os modernos sensores de temperatura baseados em semicondutor são fornecidos na forma de um circuito integrado. Muitas vezes eles incluem funções que os tornam verdadeiros termómetros digitais numa única pastilha. Podem oferecer grande precisão e estabilidade, mas a faixa de temperatura é bastante limitada, variando de –50 a + 300 oC.

1,63068 centímetros

6,35 milímetros

Termómetros de Semicondutores-Características dos materiais semicondutores são dependentes da temperatura.

-Gama de temperaturas: -230 / 150ºC.-Alta sensibilidade-Boa linearidade.-Grande precisão.





Sensores de Temperatura à base da junção P-N: LM35 · O circuito é baseado em sensor de temperatura LM35 analógico, ADC0804 e

AT89S51 microcontrolador. LM35 é um IC sensor de temperatura analógico que se pode medir um intervalo de temperatura de -55 a 150 ° C. A sua tensão de saída varia 10mV por ° C .





Sensores de Temperatura à base da junção P-N: TMP100/101

Aplicações Controlo temperatura fonte alimentação.Protecção térmica periféricos de

computador. Portáteis.Telemóveis.Maquinaria de escritórios. Controlo de termostatos.Monitorização sistemas HVAC.Dispositivos electromecânicos e digitais

de controlo de temperatura…

·Os ICsTMP100 TMP101 e são ideais para medição de temperatura numa extensa variedade de aparelhos de comunicações, computadores, instrumentos de consumo, meio ambiente, aplicações industriais e instrumentação. Gama de temperatura dos –55°C aos +125°C, alta resolução, interface I2C, baixo consumo, alimentação de 2,7 a 5,5V…





Termómetros de cristais líquidos

·Contêm cristais líquidos que mudam de cor ao longo de um determinado intervalo de temperaturas.

·Os cristais líquidos, como toda a matéria, são feitas de átomos. Quando aquecem, os átomos movem-se mais rapidamente. À medida que os átomos se movem de forma suficientemente rápida, a substância vai progredindo alterando o estado de sólido para líquido ou para gás.

·O mesmo tipo de explicação funciona para cristais líquidos. Se estiverem frios, os cristais estão mais ordenados e mais unidos, com o aumento da temperatura o espaçamento entre cristais aumenta. As moléculas que são muito sensíveis à temperatura mudam de posição / torção em relação às mudanças de temperatura. Esta mudança na estrutura molecular afecta os comprimentos de onda de luz que são absorvidos e reflectidas pelos cristais líquidos, o que resulta numa mudança aparente na cor de cada evento temperatura.





Termómetros de cristais líquidos

·Várias misturas de cristais líquidos são usadas, cada mistura num recipiente separado e cada luz de cor para uma temperatura específica

·Nos de tipo digital, cada recipiente é coberto com uma matriz de um número que corresponde à temperatura à qual a mistura do recipiente torna-se mais brilhante (acende).

·Termómetros destinados a ser colocados na testa e a maioria dos termómetros digitais interiores são deste tipo.

·Sem aplicações industriais.




Vantagens:Vasta gama de aplicações.

Precisão relativa.

Uso simples.

Económicos.

· Estão em contacto físico com a substância ou objecto.

Desvantagens:Requerem contacto físico.

Resposta lenta.

Sujeito a detioração / contaminação.

Temperatura (oC)

Vo

ltag

em

V

Temperatura(oC)

Re

sist

ên

cia

Temperatura(oC)

Re

sist

ên

cia

Temperatura(oC)

Vo

ltag

em

ou

Co

rre

nte

V/A

Termopar RTD Termístor IC semicondutor



O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)

Termómetros sem Contacto

Com nossos olhos, vemos o mundo em luz visível. Considerando que a luz visível preenche apenas uma pequena porção do espectro de radiação, a luz invisível cobre a maior parte da gama espectral restante. A radiação de luz invisível transporta muito mais informação adicional.

A descoberta da radiação infravermelha

William Herschel descobriu por acaso a radiação infravermelha em 1800. Através de um prisma de vidro, projectou as diversas cores da luz solar sobre uma mesa, e usando sensíveis termómetros de mercúrio, mediu a temperatura de cada cor. Com isto, ele testou o aquecimento das diferentes cores do espectro. Ele notou que a temperatura aumentava no sentido do violeta para o vermelho. No entanto notou que a temperatura subia ainda mais na área para lá da extremidade vermelha do espectro. Finalmente ele encontrou a temperatura máxima muito para trás a área vermelha. Hoje em dia, esta área é chamada de "área de comprimento de onda de infravermelhos".



Infravermelhos(IV)

Ultravioletas(UV)

Luz VisívelInfravermelhos(IV)

103

Rádio

10-2

Microondas

10-5

Infravermelhos

10-8

Ultravioletas

10-10

Raios-X

10-12

Raios-Gama

780nm3m8m15m25m50m1000mIV-próximo

(NIR)IV-Médio

(MIR)IV- Longínquo

(FIR)



Espectro electromagnético infravermelhos (IV)

1.5x10-6

Comprimentos de ondas

IV-Térmico

InfravermelhosA radiação infravermelha cobre uma parte muito limitada em toda a gama do espectro electromagnético: Inicia-se no intervalo visível de cerca de 0,78 m e termina em comprimentos de onda de cerca de 1000 m.





Princípios Básicos: Radiação Térmica

Toda a forma de matéria, com temperatura acima do zero absoluto, emite energia térmica.

Radiação térmica ou transmissão de calor por radiação, é a taxa de emissão de energia de um dado material, dada a sua temperatura. A radiação térmica está relacionada com a energia libertada devido às oscilações ou transições dos electrões, átomos, iões ou moléculas mantidos unidos pela energia interna do material.

Nos gases ou outros materiais transparentes (materiais com absorção interna desprezível), a energia térmica irradia-se através de seu volume. Para materiais com alta absorção interna, como os metais, apenas algumas centenas de camadas atómicas mais externas contribuem para a emissão de energia térmica.





Princípios Básicos: Radiação Térmica

· A zona do visível abrange comprimentos de onda entre 0,4 μm e 0,7 μm, e os IV entre 0,7μm e 1000 μm. Os pirómetros de IV usam a banda entre 5 μm e 20 μm.

Os comprimentos de onda utilizados para a medição de temperatura compõem o chamando espectro electromagnético, onde está o espectro IV.

· As ondas longas têm comprimentos desde 3 a 100 μm com uma temperatura de 700°C.

· As ondas médias vão desde 1,4 a 3 μm, e temperaturas típicas de 950°C a 1600°C.

· As ondas curtas 0,78 a 1,4 μm, com temperatura de 2200°C.

· As ondas longas são mais ou menos sensíveis à cor e são absorvidas pela água.

· As ondas médias são insensíveis à cor e são absorvidas prontamente pela água, por muitos plásticos e pinturas.

· As ondas curtas são mais penetrantes do que as ondas longas e são boas para metais quentes.





Princípios Básicos: Radiação Térmica-Lei da radiação de Planck· Cada corpo com uma temperatura acima do zero absoluto (-273,15 ° C = 0

Kelvin) emite uma radiação electromagnética a partir da sua superfície, que é proporcional à sua temperatura intrínseca. Uma parte desta chamada radiação intrínseca é a radiação infravermelha, que pode ser utilizada para medir a temperatura de um corpo (Lei de Planck da radiação).

1125

2

,

1

12,

msrWm

e

hcTI

kT

hcb

Esta lei regula a intensidade da radiação emitida por unidade de área superficial numa direcção fixa (ângulo sólido) do corpo negro em função do comprimento de onda para uma temperatura fixa.

Onde:

h = 6.625 X 10-27 erg/sec (Constante de Planck).

K = 1.38 X 10-16 erg/K (Constante de Boltzmann )

C = Velocidade da luz no vácuo.Relação da distribuição espectral da radiação térmica com a temperatura





Princípios Básicos: Radiação Térmica-Lei da radiação de Planck

Curva de Planck (radiação característica de um corpo negro)Fonte: Raytek

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1500°C 1000°C 542°C

260°C

20°C

Relação entre Temperatura e Energia

Em

itan

cia

rad

ian

te r

ela

tiva

Comprimento de Onda (microns)

102

101

1

10-1

10-2

10-3

10-4

0

Porém, a lei de Panck aplica-se apenas a radiadores perfeitos, que teoricamente emitem a uma taxa de 100% da energia armazenada em forma de calor.

A lei de Planck descreve, matematicamente, a quantidade de energia emitida por um material numa dada temperatura, para cada comprimento de onda .





Os corpos emitem radiação a qualquer temperatura (…), mas para cada temperatura há um comprimento de onda em que a emissão de radiação é máxima.

O comprimento de onda a que corresponde a intensidade máxima da radiação varia inversamente com a temperatura absoluta.

0.1 1 10 1001.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

Wavelength[µm]

Sp

ec

tra

l ra

dia

nc

e [

W /

cm

³ µ

m]

1500K(1226°C)

3000K(2726°C)

500K(226°C)

200K(- 73°C)

5500K(5326°C)

800K(526°C)

A relação exprime-se por:

máx

B

T

Com B= 2,898×10-3 mK, a constante de proporcionalidade.

A radiação com λmax ≈ 1×10-5m , localiza-se na zona infravermelho do espectro electromagnético.

Princípios Básicos: Radiação Térmica - Lei Wien





Princípios Básicos: Lei de Stefan-Boltzmann

A radiação total emitida por um corpo em condições ideais, é função única da temperatura.

4Twb Wb = Potencia radiante [W/m2]

σ = Constante de Stefan-Boltzmann [5,7x10-8 W/K4m2]T = Temperatura absoluta [K].

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

1

2

3

4

5

6

7

8

WAVELENGHT (m)

SP

EC

TR

AL

RA

DIA

NT

EM

ITA

NC

E(

w/c

m2

x10

3 (

m))

Obtém-se integrando a fórmula de Planck ao longo dos comprimentos de onda.

800 k

900 k

Representam a área por baixo da curva de Planck para uma determinada temperatura.

A potência radiada por um ser humano, supondo uma temperatura 300K (27oC) e uma área de 2 m2, é de 1 kW.





Princípios Básicos: : Lei de Stefan-Boltzmann - Emissividade


Corpo Negro: Um objecto capaz de absorver toda a radiação que incide sobre ele em qualquer comprimento de onda.

· Nenhuma superfície emite mais radiação infravermelha que um corpo negro à mesma temperatura.

Corpo Real: As superfícies só são capazes de emitir uma determinada porção da energia que emitiria um corpo negro.

·O parâmetro que determina a capacidade de emissão é a emissividade .

Um corpo real tem uma emissão dada pela Lei de Stefan-Boltzmann.wb= s e T4

A emissividade representa a capacidade de emissão dos corpos reais (0 < < 1)· É igual a 0 para um corpo reflector perfeito (não absorve nenhuma

radiação;

· É igual a 1 para um corpo negro (absorvedor perfeito).



O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Princípios Básicos: : Lei de Stefan-Boltzmann - Emissividade


Para um objecto opaco a Emissividade e a Reflectividade são complementares.

· Alta Emissividade significa baixa reflectividade e vice-versa. A lei da conservação da energia mostra que :

+e +=1Onde: e - Emissividade

- Reflectividade - Transmissividade· Para alvos opacos =0, e a equação fica reduzida a:

+e =1

Até agora, discutimos emissividade como uma propriedade de superfície do material. É isso e muito mais!

· A forma de um objecto afecta a sua emissividade.· Para os materiais semi-transparente, a espessura vai afectar a emissividade.

Outros factores que afectam a emissividade incluem:· Ângulo de visão, temperatura e comprimento de onda.



ê 2,̂

ê 3

ê 1,^



4TeI b

b

A radiação emitida por um corpo está espacialmente distribuída: ),,( rfIb Os perigos da radiação infravermelha não são realmente consideradas "perigos", mas "avisos". Porque os "perigos" não são extremamente graves. Mas, ainda assim podem causar danos. A exposição prolongada a níveis elevados de IV vai resultar em queimaduras e sobreaquecimento…

A emissividade de um corpo é definida como sendo a razão da radiação emitida por este corpo em relação à radiação emitida por um corpo negro.

Princípios Básicos: Emissividade






Deve-se ter em conta que é função de , de T e do ângulo de incidência.

Variação com : A emissividade toma valores muito distintos em função da região espectral considerada

Variação com T: diminui com o aumento de T nos “Não – Metais”.

· aumenta com o aumento de T nos “Metais”.

Variação com ângulo de incidência:·A partir de certo ângulo, a emissividade baixa rapidamente sendo nula para um ângulo de incidência de 90º.






Distribuição espectral de diferentes Emissividades

Comprimento de onda(m)

En

erg

ia r

ela

tiva

=1.0 (corpo negro “blackbody”

=0.9 (corpo cinza “graybody”

varia c/ comprimento de onda

(non-graybody”)

A dependência do comprimento de onda da Emissividade, significa que diferentes câmaras de infravermelho podem obter valores diferentes para o mesmo objecto. E os dois estarem correctos!





· A origem do nome é do grego “pyro”, que significa fogo, e metros, que significa medida/medição. O termo foi cunhado para descrever equipamentos capazes de medir temperaturas acima da incandescência - com brilho perceptível pelo olho humano.

· O impulso que motivou o desenvolvimento de pirómetros foi a necessidade de medir a temperatura de objectos muito quentes, que impossibilitavam contacto directo, como metais fundidos, cerâmicas e outros processos industriais, estrelas e também a temperatura em câmaras, como as de vácuo. Hoje em dia os pirómetros são métodos eficazes (com erros próximos de 2% e que diminuem conforme a temperatura aumenta) para medição de temperatura inclusive negativas.

· O pirómetro é um tipo de termómetro. É um equipamento que mede a irradiação térmica da superfície de um objecto e informa a temperatura. Diferentes tipos de pirómetros foram desenvolvidos pelo homem – hoje trata-se de um dispositivo que não necessita de contacto, contrastando com outros meios de obter informação sobre a temperatura de um objecto, como o termopar ou como a termorresistência.

Pirómetro: Princípio de funcionamento






· Cada material a ser medido apresenta uma resposta espectral própria (emissividade). Temperaturas baixas (< 500ºC) apresentam radiação IV na área não visível, porém a partir de 600ºC a radiação IV começa a entrar no espectro visível.

· A Emissividade é o termo usado para quantificar as características de emissão de energia de diferentes materiais e superfícies.

· Por exemplo, um sensor com uma resposta espectral de 3,43 microns é optimizado para medir a temperatura superficial de polietileno e derivados. Um sensor de 5 microns é usado para medir a superfície do vidro, e um sensor de 1 micron, para metais e lâminas metálicas.

· Portanto, para uma medição correcta, torna-se necessário conhecer o material a ser medido para o ajuste manual no equipamento da emissividade, que, normalmente, varia entre 0,1 e 1 micron.



Alvo

Fonte de Calor

I

A

R

T

E

I - Radiação Incidente.R - Radiação reflectida.T - Radiação Transmitida.A - Radiação absorvida.E - Radiação emitida.

Fonte de Calor Ambiente

Sensor

· A energia emitida pelo objeto atinge o sistema óptico do instrumento, que conduz a energia para um ou mais detectores fotossensíveis.




· O detector converte a energia IV num sinal eléctrico que, por sua vez é convertido num valor de temperatura, que se baseia na equação de calibração do sensor e na emissividade do alvo.



Objecto Atmosfera Electrónica, Displayou outras saídas

Janela e Óptica

453¡C

SP1 470¡C

EMS ¯.85

Detector




· Um sensor foto sensível sintonizado para detectar uma banda específica do espectro IV, recebe energia radiante do alvo através do sistema óptico.

· A energia radiada é proporcional a emissividade a dada temperatura e comprimento de onda, de forma que para obter um valor preciso e coerente de temperatura para uma superfície o operador precisa conhecer a emissividade do material que ele está medindo.

· Qualquer que seja o equipamento, ele indicará sempre a temperatura média da área delimitada pelo campo de visão do aparelho.






· Ele captura a energia infravermelha invisível emitida a partir de todos os objectos acima do zero absoluto. A energia é então convertida para um sinal eléctrico que depois de processado indica num visor as unidades de temperatura.

· A física por detrás do pirómetro por radiação está na relação entre a radiação térmica e a temperatura através da lei de Stefan-Boltzmann e Lei de deslocamento de Wien.

· São compostos de dois mecanismos que actuam em conjunto na informação da temperatura da superfície de um objecto:Um sistema óptico.

Um sistema de detecção. O sistema óptico focaliza a radiação térmica do objecto sobre um detector, permitindo que o

mesmo adquira radiação de uma forma constante e eficiente, e selecciona os diferentes comprimentos de onda através de filtros.

O sistema de detecção utiliza basicamente dois processos para informar a temperatura:

Um processo quântico. A corrente depende da temperatura.Um processo térmico. A tensão gerada depende da temperatura.

Os pirómetros estão divididos em dois grandes grupos: ópticos e de radiação.




Pirómetro: Princípio de funcionamento - Óptica


· O sistema óptico determina o diâmetro da área circular ou campo de visão do aparelho.

· O objecto deve preencher o Campo de Visão.

Objecto maior que área de

leitura

Objecto igual à área de leitura

Objecto menor que área de leitura

Ideal Bom

Errado

SensorFonte: Raytek



· O diâmetro do ponto focal em relação à energia radiante recebida…

d(90%)

d(95%)

· O diâmetro do ponto focal é expresso como uma percentagem da energia radiante emitida.




d (95%) 3 x d (90%)






· A resolução óptica é definida como a relação entre a distância do dispositivo de medição do alvo, e o diâmetro do ponto alvo (D: S) (distance – to - Spot Ratio).

· Definição: D/S = distância (D)

Diâmetro do alvo (S)

· O rácio da distância ao ponto alvo (D: S), indica o tamanho do campo de medição que um termómetro de infravermelhos sem contacto usa, para fornecer uma leitura de temperatura. Quanto maior for a relação, maior a resolução, e menor é a área que pode ser medida.

· Por exemplo, um D:S de 8: 1 significa que o campo de medição é de cerca de 1“ de diâmetro, quando o alvo está a cerca de 8" de distância.

D

s



· Para além desta distância, não só é o alvo a ser medido, mas o que mais se enquadra no "spot" está a ser medido também. Isto significa que se um objecto muito quente é o alvo, e existem ambientes mais frios à sua volta, as medidas tomadas para além da distância máxima incluirá elementos mais frios, reduzindo a "média" do que está no "ponto alvo”.


Pirómetro: Princípio de funcionamento – Óptica- Relação D/S


· A relação D / S - Distância em relação ao ponto de medição, refere-se a uma característica muito importante do seu termómetro IV . Esta razão é o tamanho da área a ser avaliada pelo termómetro e tem em conta a distância. Por outras palavras, a área a ser medida torna-se maior à medida que a distância aumenta. Isto tem um impacto profundo sobre a exactidão ou a precisão da leitura. Se o alvo que você está medindo é de 6 polegadas de tamanho, e seu termómetro IV tem uma relação de D/S de 8: 1, a distância máxima que você pode medir de forma confiável a temperatura do alvo é de 48 polegadas.

D/S Ratio x Target Size 8:1 x 6 = máxima distância de medição - 48 “.



1”2”

3”1”


Pirómetro: Princípio de funcionamento – Óptica- Relação D/S


12” 24” 36” 12”

D/S Ratio x Target Size 12:1 x 3 = máxima distância de medição - 36“.

Distância de Medição D

Spot

· Este índice e faixa de temperatura, são os dois maiores factores a considerar ao comprar um termómetro infravermelho. O exemplo que se segue explica a razão D / S.




Pirómetros de radiação: características


· O equipamento é construído com uma lente que focaliza a radiação emitida num sensor, que é sensível à luminosidade, e gera uma voltagem que é proporcional à radiação focalizada.

· É vantajoso pois é independe da capacidade de interpretação das cores do operador e pode ser utilizado para diversas aplicações através da implementação de filtros permissivos para apenas a faixa do espectro electromagnético desejada. Todavia, sofre impacto de toda radiação do local que chega ao detector - radiação que pode ser muito mais intensa do que a do objecto que se deseja medir a temperatura - dificultando o processo de medição. …

· Os sensores de temperatura de radiação operam com radiação electromagnética cujo comprimento de onda esteja na faixa visível e no infravermelho que vai de 0,3 a 0,72 m e são baseados na lei da radiação segundo Planck.

· O Intervalo de comprimentos de onda deve ser escolhido para se adequar à temperatura. Deve ser tão curto quanto possível, para conseguir a melhor sensibilidade e menores erros. Excepção principal é quando o alvo tiver exposto à radiação a partir de aquecedores dum alto forno.

· A luz infravermelha embora invisível ao olho humano, funciona do mesmo modo que a luz visível, e pode ser focada, reflectida ou absorvida.

· Este dispositivo é usado em lugares onde sensores de temperatura de contacto físico como termopares, RTD, e Termístores falhariam por causa da alta temperatura da fonte.



Pirómetros de radiação: Características do design



· O sistema de base de medição para um termómetro de radiação compreende os seguintes elementos:

Alvo de medição.

Um sistema óptico que recolhe e direcciona a radiação.

Os elementos do sistema óptico também podem ser usados para modificar a resposta espectral do termómetro.

Um sensor que gera um sinal, geralmente eléctrico, relacionado com o fluxo de energia incidente.

Uma fonte de referência que pode ser fisicamente situada no próprio instrumento ou localizada num laboratório de calibração.

Um meio de processamento e exibição do sinal de leitura.




Pirómetros de radiação: Diagrama


· Um pirómetro de radiação é um termómetro de radiação, que em termos muito simples, consiste de um sistema óptico e detector que dá informação num display.

· Os Termómetros de radiação funcionam como câmaras, com um sistema óptico (lentes ou espelhos) e um filtro que selecciona a gama de comprimento de onda (banda de frequências) sobre a qual é sensível a termómetro e concentra-se em um detector de radiação, cuja saída indica a intensidade de radiação e, consequentemente, a temperatura .




Pirómetros de radiação: Diagrama


Fonte de Calor

Fonte de Calor

I

A

R

T

E

I - Radiação Incidente..

R - Radiação reflectida.

T - Radiação Transmitida.

A - Radiação absorvida..

E - Radiação emitida..

· Além da radiação emitida a partir do alvo, o sensor também recebe a radiação reflectida…




Pirómetros de radiação: Funcionamento


O emissividade, ou emitância, do objecto é uma variável importante na conversão da saída do detector para um sinal preciso da temperatura.

· Um termómetro de radiação, em termos muito simples, consiste de um sistema óptico e detector.

· O sistema óptico foca a energia emitida por um objecto sobre o detector, o qual é sensível à radiação. A saída do detector é proporcional à quantidade de energia irradiada pelo objecto-alvo (menos a quantidade absorvida pelo sistema óptico), e a resposta do detector para os comprimentos de onda de radiação específicos. Esta saída pode ser usada para aferir a temperatura dos objectos.

Detector de radiação térmica· O sensor térmico aproveita a energia que a radiação transporta e que corresponde ao calor.

Este sensor detecta então o calor que a radiação transporta. · De modo geral, existem dois tipos de sensores conhecidos pela sua capacidade de

resposta espectral: próxima à região de infravermelho, e afastada da região de infravermelho, aproximadamente de 0,8 a 40µm. O primeiro tipo é conhecido como detector quântico, e o segundo tipo, como detector térmico.




Pirómetros de radiação: Funcionamento – Detectores Térmicos


1)De alta sensibilidade (sinal de saída / potência radiação incidente).2) Propriedades estáveis com o tempo.3) Alta resistência a choques e vibrações.4) Baixa inércia térmica.5)O sinal de saída independente da posição pirómetro.6)Saída de alta relação sinal-ruído.7)alta emissividade.8)Sensibilidade independente do comprimento de onda.

· Utilizado em pirómetros de radiação :O detector é aquecido pela radiação incidente. Detector deve ser ....

Detectores de radiação térmica podem ser:

Termopilha Fotocélula Piroeléctricos Bolómetro de metal

· Neste caso, a energia electromagnética absorvida provoca o aquecimento do dispositivo. Isto provoca a alteração de alguma propriedade do material que é função da temperatura e pode ser medida por uma das seguintes formas:

- Medida directa da temperatura (calorimetria).- Mudança na resistência eléctrica do material.- Um sinal de corrente ou tensão termoeléctrica.- Alteração da Carga ou Capacitância do dispositivo.






Termopilha · Termopilha - Consiste de vários termopares ligados em série. Um termopar consiste na

junção de dois materiais com coeficientes termoeléctricos diferentes. Quando as duas junções estão a diferentes temperaturas, surge uma corrente proporcional à diferença de temperatura entre as duas junções.

· São dispositivos de geração de tensão, o que pode ser pensado uma matriz de termopares em miniatura.

· Esta corrente deve-se à diferenças no nível de Fermi nos metais e a dependência com a temperatura do nível de Fermi. Se uma terceira e quarta junção com um terceiro metal condutor (geralmente cobre) for introduzida e mantida ambas na mesma temperatura, o efeito dessas duas últimas se cancelam e a tensão medida corresponde à tensão efectiva entre as duas junções originais.

· A termopilha mais sensível (detecção superior) é feita a partir de bismuto-antimónio (BiSb) em vez de silício.

· A energia térmica líquida radiactiva é equilibrada pelas perdas por condução e convecção. Um procedimento de calibração relaciona a temperatura de equilíbrio do alvo com a temperatura desejada da fonte emissora. Este tipo de instrumento é normalmente utilizado para temperaturas superiores a 550ºC.






Termopilha

Peltier cells

T1 T2

Termopares






Termopilha: TP337 x

Pin 2 termístor pinPin 4 termístor pin (GND)Pin 1 saída (+) termopilhaPin 3 saída (-) termopilha

·O sensor de termopilha é composto por uma série de 116 termoelementos, formando uma região sensível de tamanho 545 m (diâmetro). O sensor está hermeticamente selado num invólucro de metal TO-5, com um filtro óptico. Este filtro padrão permite que as medições sejam efectuadas na faixa espectral de comprimento de onda superior a 5 m. O sensor térmico apresenta um ruído quase branco, comparável a uma resistência óhmica. Ele tem um sinal constante em função da frequência até ao seu limite de frequência, e é directamente proporcional à radiação incidente.






Fotocélula· As células fotoeléctricas são pequenos dispositivos que produzem uma variação eléctrica em

resposta a uma alteração na intensidade da luz. As fotocélulas podem ser classificadas como fotovoltaicas ou fotocondutoras.

· A célula fotocondutora é um dispositivo passivo, não é capaz de produzir energia; sua resistência varia em relação à intensidade da luz, na sua superfície.

· Uma célula fotovoltaica é uma fonte de energia, cuja tensão de saída varia em relação à intensidade da luz, na sua superfície.

· Pirómetros com fotocélulas não estão limitados a temperaturas elevadas da fonte, podendo operar em faixas de -40º a 4600ºC.






Piroeléctricos · Detector Piroeléctrico - Certos cristais dieléctricos

apresentam polarização dieléctrica espontânea. Quando o momento de dipolo eléctrico for dependente da temperatura o material pode ser usado como um sensor. O detector é construído na forma de um condensador e as cargas induzidas nas duas faces do cristal pelos dipolos internos estabelecem uma corrente ou diferença de potencial que pode ser medida por um circuito externo.

Metal

Metal

+

_

+

_

+

_

+

_

+

_

+

_

Radiação incidente

· Os sensores piroeléctricos permitem obter uma “visão infravermelha”. No entanto, eles precisam de elementos adicionais para operar e um deles é a lente de Fresnel para concentração da radiação IV.

· Os sensores piroelétricos têm como elemento básico um material que liberta cargas eléctricas quando recebe radiação IV.



· Os sensores piroeléctricos operam com a radiação infravermelha muito fraca que é emitida por qualquer corpo que se encontre a uma temperatura acima do zero absoluto.




Piroeléctricos: Chips






Bolómetro de metal:

· Um bolómetro é um dispositivo que muda a temperatura quando absorve a energia de uma partícula. Trata-se basicamente de uma termoresistência , isto é, de um dispositivo cuja resistência eléctrica varia com a temperatura.

O bolómetro foi inventado pelo astrónomo Samuel P. Langley em ~ 1880.

· A operação de um bolómetro é relativamente simples, requerendo entretanto um circuito de polarização e uma resistência de carga como mostrado na Figura. A tensão de saída do circuito deve ser através de um condensador para desacoplar o nível DC da polarização. O sinal de saída pode ser expresso por:

Resposta rápida. Sensível. Caro.

· Pode ser construído tanto a partir de metais (dispositivos clássicos) quanto com semicondutores (dispositivos modernos) que apresentem dependência significativa da resistência eléctrica com a temperatura. Os modernos microbolómetros utilizam materiais absorventes como o óxido de vanádio (VOX) ou silício amorfo.



· São componentes fotocondutivos ou fotovoltaicos, (fotodiodo) cujo funcionamento baseia-se na interacção de fotões com a rede cristalina dos materiais semicondutores. É o princípio do efeito fotoeléctrico descoberto por Einstein.


Pirómetros de radiação: Funcionamento – Detectores Quânticos


· Basicamente, Einstein partiu do princípio de que a luz, pelo menos em certas circunstâncias, poderia ser modelada por pacotes de energia denominados fotões. A energia de um único fotão podia ser calculada por:

E= h.v

· Fotocondutor ou Fotoresistor - Neste caso, os fotões absorvidos acarretam um aumento na população de portadores de carga (electrões ou lacunas) fazendo com que a resistência eléctrica do dispositivo diminua.

-Tempo de resposta menor.- Precisam ser resfriados (semicondutores de “gap” estreito).


15-04-2023 Por : Luís Timóteo 1414/11/2006BAE 5413 141

Comportamento A difusão na junção PN de P e N em N em P

provoca uma região de deplexão não condutora. A região de deplexão é reforçada pela polarização

inversa. A deplexão é quebrada por polarização directa. Quando polarizado, alta corrente flui através da

junção. Muito pouca corrente polarizado inversamente, mas

acima da tensão de pico inversa (PIV) (normalmente destrói o diodo de rectificação), mas OK para os zeners).

D1

Cátodo-

Ânodo+

+ -

Região de deplexão

1N412

Diodo

Símbolo

Elementos semiconductores

Aparência típica do componente

P -doped

N -doped

Breakdown voltage (PIV)

V

I

JunctionVoltage

0.7 - silicon0.3 - germanium

Forward bias

current

Reverse bias

current




Diodo






Fotodiodo - Consiste em uma junção p-n, conforme, onde ocorre a formação de uma zona de transição entre uma região de material semicondutor cuja condutividade eléctrica é dominada por portadores de carga tipo-n (electrões) e uma região cuja condutividade é dominada por portadores de carga tipo-p (lacunas).

Um fotodiodo é um tipo de célula fotoeléctrica capaz de converter a luz em corrente ou tensão, dependendo do modo de operação. A célula solar comum, tradicional usado para gerar energia solar eléctrico é um grande fotodiodo área.

Fotodiodos são basicamente diodos polarizados inversamente, com janelas ópticas que permitem lhe seja “iluminada” a junção PN. Como qualquer diodo, a corrente de fuga (também conhecida como ‘dark current‘ de um fotodiodo) aumenta exponencialmente com a temperatura de acordo com a equação do diodo de William Shockley. Isto é conhecido como a eficiência quântica do fotodiodo. A eficiência quântica de um fotodiodo irá aumentar com a temperatura, de modo, bem como o ruído induzido termicamente.

Um fotodiodo foi projectado para operar em polarização inversa…Símbolo

Fotodiodo



Banda de Condução

Energy gap

Banda de Valência

Nível de

Energia

+

-

Fotão (hv)

Lacuna

Electrão




Fotodiodo· A absorção de um fotão de energia suficiente, eleva um electrão para a banda de condução e

deixa uma lacuna na banda de valência. A absorção de fotões na região de deplexão induz fluxo de corrente .

· A Condutividade do semicondutor é aumentada.

· O fluxo de corrente no semicondutor é induzido.

· A camada de deplexão deve ser exposta opticamente à fonte de luz e de espessura suficiente para interagir com a luz.



Isc (light level dependent)

Current

Vo

ltag

e

Increasing Light level

Dark current




Fotodiodo

região -n

Área Activa p+Isolamento

Região de deplexão

Metalização

Difusão n+

Terminal

Terminal

A absorção na camada de deplexão tem como consequência o fluir de corrente através do fotodiodo e se o diodo estiver polarizado inversamente, será induzido um fluxo considerável de corrente.

Estrutura Corrente



Infrared receiver diode

16 InGaAs PIN photodiode

Near Infrared (NIR) spectrophotometers InGaAs PIN photodiode

MLX90614 chip


Pirómetros de radiação: Funcionamento – Detectores Quânticos· Sensores de Temperatura à base semicondutores sensíveis ao espectro IV.


Detectores QuânticosConversão directa de fotões em sinal eléctrico. Detectores fotocondutores: a absorção de fotões resulta num aumento da condutividade do material.




Pirómetros de radiação: Alinhamento


· Pirómetros são muitas vezes equipados com um telescópio de alinhamento ou com lasers que, ou são incorporados ou inseridos na parte frontal do dispositivo. O feixe de laser permite ao utilizador apontar para o ponto de medição ainda mais rapidamente e com precisão, o que favorece consideravelmente as aplicações do dispositivo de medição de IV. Em particular, é muito útil a vista sobre a zona de medida com um laser para a medição de objectos em movimento e em condições pouca luz.

· Podemos distinguir entre as seguintes configurações de apontadores laser:

1. Feixe laser com um “offset” em relação ao eixo óptico

Este é o modelo mais simples, especialmente para dispositivos com baixa resolução óptica (para medição grandes de objectos). O ponto de laser visa aproximadamente o centro do objecto de medição, mas há um erro perceptível a pequenas distâncias.

2. Feixe laser coaxial

Este feixe de laser sai do centro da óptica e mantém-se ao longo do eixo óptico. O centro do ponto de medição é precisamente marcado em qualquer distância de medição.

3. Laser Duplo / Twin

Laser com dois pontos de mira pode ser utilizado para mostrar o diâmetro do ponto de medição ao longo de uma longa distância. Com isso, o utilizador não necessita de adivinhar o tamanho do diâmetro ou calcular previamente…






4. Mira laser Circular com offset

Este dispositivo é a solução mais simples para não só mostrar a localização da área de medição, mas também o tamanho e forma exterior do mesmo. A superfície de medição está dentro do círculo laser a partir de uma certa distância mínima em diante. O fabricante calcula o círculo laser a ser maior do que o ponto de medição real, a fim de reduzir o erro de paralaxe. Consequentemente, o utilizador tem de garantir que o círculo laser é preenchido pelo objecto para ter uma medição correcta. A mira laser circular com offset, tem uma marca circular que é maior do que o ponto de

medição real, o qual é, em seguida, situado no interior do círculo a laser a partir de uma certa distância de medição…



5. Mira laser coaxial de 3 pontos de precisão (Dimension True)

Um feixe de laser é dividido para projectar três pontos laser brilhantes numa linha que permite ao utilizador marcar claramente as dimensões do local de medição de todas as distâncias e ângulos de medição. O ponto laser do meio, sempre mostra o centro do alvo, enquanto que os dois outros pontos marcam o diâmetro do ponto de medição.Além disso, a posição dos pontos exteriores pode ser usada para indicar a distância para o menor tamanho de ponto possível. Quando os pontos exteriores alinharem na vertical ou na horizontal, é indicada a distância para o ponto menor tamanho (focal).




Ponto Focal

Elemento difractivo

Anel com prismas

No ponto focal os três pontos mostram o menor tamanho do “spot”




Pirómetros de radiação: Detectores de radiação térmica


Vantagens: O dispositivo pode ser usado para medir a temperaturas muito elevadas, sem contacto

directo com a fonte de calor (metal fundido)..

A maior vantagem é que a lente óptica pode ser ajustada para medir a temperatura de objectos que são menores 1/15 polegada de diâmetro, e que são mantidos a uma distância relativamente longa do dispositivo de medição..

O campo de “visão” do dispositivo é mantido com a construção dos componentes do instrumento, tais como as lentes e espelhos curvos.

Medição de temperaturas de -32ºC até 3000ºC.

Erro do 1% ou 2%.

Desvantagens: Custo elevado.

Necessita conhecer emissividade do corpo.

Pode ter interferências do meio ambiente.




Pirómetros de radiação





Pirómetro Óptico: Principio de funcionamento


· É um método mais barato que pode ser utilizado, todavia, como o sistema funciona utilizando o olho humano, as radiações do espectro que podem ser comparadas são bastante limitadas, compreendendo somente a faixa do visível, de forma que o corpo precisa estar quente o suficiente para emitir com comprimentos de onda entre 400 e 700 nanómetros.

· Tem como princípio básico utilizar o olho do operador para comparar o brilho de um objecto quente com o brilho de um filamento de lâmpada dentro do instrumento. Pode também ser utilizada uma chama para comparação. O operador modifica a corrente no filamento até que este tenha o mesmo brilho que o objecto e então usa uma escala graduada e calibrada para medir a temperatura.

Amperímetro

VisorLâmpada padrão

Lente ObjectivaLente

Filtro Vermelho(0.65m)

Tela de Absorção

Reóstato

Bateria




Pirómetro Óptico: Principio de funcionamento - ajustamento


O filamento está escuro, o que indica que está mais frio que a fonte de calor.

O filamento está brilhante, o que indica que está mais quente que a fonte de calor.

O filamento desaparece, o que indica há igualdade entre o filamento e a fonte de calor.




Pirómetro Óptico: Funcionamento e características


· O pirómetro óptico é portátil e opera como uma câmara de filmagem. Um foco ajustável permite ao operar focalizar a imagem na fonte cuja temperatura se quer medir. O filamento da lâmpada padrão é colocado no mesmo plano da imagem, de modo que os dois aparecem sobrepostos quando vistos através do olho.

· É usado o balanço nulo, com um reóstato, movendo um dial de calibração, para variar a corrente através da do filamento da lâmpada padrão até que ela desapareça no campo da temperatura desconhecida.

· A faixa de aplicação do pirómetro óptico manual é limitada inferiormente a 760oC, pois há emissão insuficiente de luz visível para uma comparação precisa abaixo deste valor. À temperatura de 1320oC a imagem torna-se brilhante demais para se olhar, porém os filtros permitem a medição de temperaturas até de 3500oC.

· O uso do olho humano como detector restringe a precisão, pois o olho responde simultaneamente à cor e ao brilho e não responde directamente à energia, sendo a decisão subjectiva pois os dois olhos não são absolutamente iguais e não se pode calibrar o olho humano…




Pirómetro Óptico:





Pirómetro Óptico:


Vantagens: Leve.

Portátil.

Precisão razoável.

Desvantagens: Requer o ajuste manual pelo operador.

Não se aplica a alarmes, registo ou controlo.

Só pode ser usado em temperaturas relativamente altas, onde se tem muita energia visível.

Está sujeito a erros de emissividade inerentes ao pirómetro e do observador.

Deve ser conhecida a relação entre tamanho do alvo e distância do pirómetro.



O grupo de sensores conhecidos como termómetros de fibra óptica geralmente refere-se aos dispositivos de medição temperaturas mais elevadas, em que é utilizada a física radiação de corpo negro. Os termómetros de fibra óptica ou sensores de temperatura de fibra óptica são basicamente tubos de luz que são utilizados principalmente para a medição da temperatura em situações complexas.

Os sensores são construídos exclusivamente por finas fibras de vidro. Fazem uso do mesmo tipo de fibra que é usado em sistemas de comunicação, e que também são usadas como meio de comunicação entre o sensor e a unidade de processamento de sinal noutros tipos de termómetros.

Existem basicamente duas abordagens por meio do qual se pode facilmente medir a temperatura. Eles são:

Usando Interferência de Fase.

Usando deformação da fibra .


Pirómetro de fibra óptica:





O material utilizado para a detecção da temperatura é aplicado directamente na parte clivada da fibra óptica. A camada transparente sensível à temperatura também está lá presente. Assim, a luz de entrada será reflectida de volta em duas partes. Ao medir a diferença de fase entre os dois feixes de luz reflectidos, pode-se facilmente determinar a temperatura.




Diferença de fase entre dois feixes reflectidos

MetalFibra Óptica Camada transparente sensível à temperatura

· A Medição de temperatura com fibra óptica usando esta técnica está mostrada na figura seguinte.







A construção da sonda de fibra óptica típica é mostrada na páginas anterior. Ao estimular uma variedade de materiais como sensores de fósforos, semicondutores ou cristais líquidos através das ligações de fibra óptica, pode-se facilmente medir temperaturas alvo na gama de 100 °C a 400 °C.

O sistema de medição de temperatura activo envolve a cabeça de detecção contendo fósforo luminescente ligado na ponta de uma fibra óptica. Uma fonte de luz pulsada a partir do conjunto de instrumentos excita a substância fluorescente de luminescência e a velocidade de decaimento da luminescência é dependente da temperatura.

Este tipo de arranjo permite executar adequadamente medições de temperatura em alvos com superfícies aquecidas não-brilhantes com a temperatura a mais de 400 °C.






Usando deformação da fibra .

Fibra óptica

Tira bimetálica

Grampos

Suportes rígidos

Fibra deformada

· Nesta técnica emprega-se um mecanismo de detecção de temperatura convencional com tira bimetálica, como mostrado na figura, para a deformação da fibra óptica. Esta deformação ou flexão da fibra, deve ser suficiente para produzir uma diferença considerável.

Como o custo dos sensores de temperatura de fibra óptica é muito alto, eles só são utilizados em situações em que a sua utilização é de inegável interesse e que vale a pena o investimento.






· Os Pirómetro de fibra óptica são usados em aplicações que envolvem interferência de fortes campos eléctricos ou magnéticos. Isto faz com que seja possível colocar o sistema electrónico sensível, fora da zona de perigo. Típico destas aplicações são de aquecimento por indução e soldadura por indução.

· Uma vez que as próprias fibras ópticas não contêm componentes electrónicos, a temperatura de funcionamento pode ser significativamente aumentada sem a necessidade de refrigeração. A temperatura padrão de uso é de 200 °C, com a temperatura mais alta possível até 300 °C. Os custos de instalação e de operação contínua por ponto de medição são baixos, uma vez que não é necessária nenhuma refrigeração a água.

· Nos dispositivos modernos, é possível substituir o cabo fibra óptica e óptica sem necessidade de recalibração. Basta introduzir um número de calibração de fábrica com vários dígitos. Fibras ópticas estão disponíveis para comprimentos de onda de 1 m e 1,6 m.






A cabeça óptica possui apenas a óptica e nada de electrónica. Oconversor é o detector estão na unidade de processamento de sinal. A fibra óptica faz a ligação.

Um pirómetro fibra óptica consiste em 3 partes: 1 cabeça óptica.1 fibra de vidro.1 unidade de processamento de sinal.

Pirómetros de fibra óptica podem ser classificados como dispositivos de banda larga, banda estreita, ou de razão.

· Estes dispositivos utilizam uma fibra óptica (guia de luz) para dirigir a radiação até ao detector.

· É basicamente usado onde o campo de visão para o alvo não é claro (câmara de pressão).

· A resposta espectral das fibras é de cerca de 2 mícrons, e por isso é útil para medir as temperaturas de objectos a partir de 100 °C.






· Em fibra óptica, a radiação captada é transmitida pela reflexão interna total. A camada interna é chamada de núcleo e a camada externa é revestimento. Por conseguinte, o sinal pode ser transmitido sem qualquer perda. A fibra óptica pode ser de uma única fibra (monofibra) ou multifibra.

A comparação entre uma fibra única e multifibras é a seguinte:

Quebra na fibra mono, pode ser imediatamente detectada, diferente no caso de multifibras.

Não há desgaste no revestimento para fibra mono mas em multifibras o revestimento individual de cada fibra pode ficar danificado devido ao atrito entre eles.

A fibra óptica multifibra é relativamente menos cara e também o seu raio de curvatura é menor, torna-a útil em muitas aplicações.




Pirómetro de fibra óptica: Pirómetro de relação de 2 cores


Neste aparelho existem dois sensores que recebem radiação de diferentes comprimentos de onda (de cor diferente, portanto). A radiação proveniente do corpo é focada por uma lente objectiva, sendo depois dividida para os dois sensores por um espelho quente (ou frio). Um espelho quente é um espelho que reflecte a radiação de comprimento de onda maior e transmite a radiação de comprimento de onda menor; o espelho frio funciona ao contrário. A ilustração esquemática deste pirómetro. É a seguinte:

Alvo

Lente objectiva

Filtro 1

Filtro 2 Sensor 1

Sensor 2

Espelho

O rácio de energia medido entre os dois comprimentos de onda é, em seguida, convertido num valor de temperatura. Este método de medição permite aos pirómetros de relação compensarem a variação de emissividade em campos de visão parcialmente com obstruções ópticas.




Pirómetro de fibra óptica: Pirómetro de relação de 2 cores - Características


Os Pirómetros de relação (ou de 2 cores) podem medir a temperatura quando:

1. O alvo é menor do que o “spot” ou está em constante mudança no tamanho (mais frio do que o fundo-alvo).

2. O alvo move-se através do “spot” dentro do tempo de resposta.

3. A linha de visão para o alvo é restrita (poeira ou outras partículas, vapor ou fumaça).

4. Alterações de emissividade durante a medição.

5. O factor de atenuação fornece informações adicionais sobre a processo tecnológico, ou pode ser usado como um alarme no caso de maior contaminação das lentes ou visores.

A tecnologia de dois comprimentos de onda usa um único detector com dois comprimentos de onda únicos e seleccionáveis, que permite todos os benefícios de um pirómetro de duas cores, além de alguns recursos adicionais significativos.

Existem dois tipos de tecnologias de pirómetros de relação, a tecnologia de duas cores utiliza um detector de sanduíche para um conjunto fixo de comprimentos de onda.



Pirómetros de 2 cores· Comprimento de onda de uso geral ;

· Compensa emissividade variável e obstrução óptica ou desalinhamento modestos;

· Usado quando há um caminho claro entre a óptica do pirómetro e alvo;

· Para medir temperaturas acima de 1100ºF / 600ºC.

· Ideal para materiais ferrosos uniformemente aquecidos e sem escala.

Pirómetros de 2 comprimentos de onda· Comprimentos de onda devidamente seleccionados ;

· Compensa emissividade variável, temperatura gradiente e obstrução óptica ou desalinhamento severos;

· Comprimento de onda pode ser seleccionado para visualizar através de água, vapor, chamas, plasma, etc.

· Para medir temperaturas acima de 200ºF / 95ºC;

· Melhores escalas de tolerância a gradientes de temperatura e de interferência não-cinza (20x menos erros), devido a uma maior separação entre os comprimentos de onda…


Pirómetro de fibra óptica: Pirómetro de relação





Pirómetros de fibra óptica:







Características principais das fibras ópticas:

· Exibem micro flexão e efeitos interferometria;

· Submetem-se a mudança no índice de refracção e comprimento da fibra;

· Demonstram mudança na polarização e efeitos de difracção de grelha;

· Também sofrem o efeito de Sagnac quando a luz viaja geralmente em torno de um circuito em direcções diferentes, que pode ser utilizado para detectar a rotação e alteração do índice de refracção e comprimento de fibra;

· Não é afectada por interferência electromagnética (EMI) de grandes motores, transformadores, máquinas de soldar e semelhantes;

· Não é afectada por interferências de rádio frequência (RFI) de comunicações sem fio e actividade de relâmpagos;

· Pode ser focada para medir locais pequenos ou precisos:

· Não conduz ou conduzirá corrente eléctrica (ideal para locais com perigo de explosão);

· O cabos de fibra podem ser instalados em condutas existentes, esteiras, ou tubagens, alguns podendo suportar temperaturas até mais de 300oC…






Aplicações dos pirómetros de fibras ópticas:· Sensor de temperatura em regiões perigosas e inseguras, onde o uso de sensores de

temperatura convencionais não é viável;

· Medições de temperatura em caso á base de metais de e produção de vidro;

· Medição de temperatura em queimadores de caldeiras com chamas , tubos e áreas vitais de turbinas.

· Indústrias de semicondutores para as actividades envolvendo fusão, pulverização catódica, e crescimento de cristais;

· Todos os tipos de fornos;

· Processos de sinterização;

· Operações automatizadas de soldagem;

· Ações de processamento na indústrias de cimento, refractários e químicas que envolvem altas temperaturas;

· Processamento de plásticos, fabricação de papel e actividades de processamento de alimentos que envolvam baixas temperaturas;

· Medicina, terapia laser….etc



·Segurança - Localização de incêndios Materiais perigosos .Defeito em transformadores .Busca e salvamento.Foco de calor em Cinzas (durante o rescaldo).Manutenção de equipamentos.

·Alimentos - Temperaturas nas áreas de armazenamento e serviço Temperaturas de refrigeração, cozimento e lavadoras.Transporte de alimentos.

·Processos de fabricaçãoMetais e tratamento térmico.Impressão, papel e recuperação de cal.Vidro.Cura e secagem de pinturas.Alimentos.



Aplicações

Pirómetros



·Aquecimento, Ventilação, Ar - Condicionado e Refrigeração (HVAC/R) Vazamento de dutos.Termostatos.Temperatura ambiente.Sistemas de distribuição de vapor.Linhas de compressores.Balanceamento de temperatura.

·Manutenção de Fábricas e InstalaçõesManutenção preventiva e preditiva.Auditorias de energia.Programas de manutenção de veículos e frotas.Conexões eléctricas.Áreas classificadas.Motores, bombas e mancais .



Aplicações

Pirómetros



·Transporte terrestre e aéreo

Vazamento de dutos.Falhas de cilindros.Sistemas de refrigeração de motores.Freios e mancais.Conversores catalíticos.Sistemas hidráulicos



Aplicações

·…..E muito…. Muito mais!

Pirómetros

·Automação e Controlo

·Combate a incêndios

·Redes de distribuição de energia electrica….





Vantagens:

Não é necessário qualquer contacto com o produto;

Os tempos de resposta tanto ou mais rápidos que termopares;

Sem a corrosão ou oxidação para afectar a precisão do sensor;

Boa estabilidade ao longo do tempo;

Alta repetibilidade.

Desvantagens:

Custo inicial elevado;

Maior complexidade – é necessária electrónica de apoio ;

Variações de emissividade podem afectar a precisão da medição de temperatura;

Campo de visão e tamanho de ponto podem restringir a aplicação do sensor;

A precisão de medição pode ser afectada por poeira, fumaça, radiação no meio ambiente.




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Imagem térmica sem contacto e Termografia

O calor é uma forma de energia. A energia térmica é armazenada na matéria (tudo à nossa volta), assim como a energia eléctrica é armazenada numa bateria. Um objecto que não contém nenhuma energia de calor é muito frio, e diz-se que está á temperatura de zero absoluto (-460 F ou -273 oC). Esta é a temperatura mais fria que pode estar qualquer coisa, porque contém absolutamente zero de energia térmica. Como o calor é adicionado ao objecto, a sua temperatura sobe. Quanto mais energia de calor um objecto contém, mais quente fica!...

Como vimos anteriormente, a energia infravermelha é emitida como resultado da vibração atómica e molecular. Quando o objecto está frio estas vibrações são relativamente lentas e a quantidade de energia libertada é relativamente pequena. Quando um objecto fica mais quente, a frequência das vibrações aumenta e a quantidade total de energia infravermelha aumenta significativamente. A frequência das vibrações está relacionada com o comprimento de onda da energia produzida. Quanto mais elevada for a frequência, mais curto é o seu comprimento de onda.

Em geral, para a maioria dos materiais, a energia de infravermelhos não é emitida numa única frequência ou comprimento de onda, mas ao longo de uma gama de comprimentos de onda pertencentes a um padrão de distribuição similar a uma curva de forma de sino desequilibrada.




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Termografia…Espectro infravermelho (IV)

Próx.

O espectro de infravermelho é dividido em infravermelho próximo, infravermelho curto, infravermelho médio e infravermelho distante ou longos.infravermelho próximo (NIR)- (0.75-3 μm), infravermelho médio(3-6 μm), infravermelho distante(6-15 μm), infravermelho extreme (15-100 μm).




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Termografia

Como pode ser visto na figura ao lado, em qualquer comprimento de onda aumenta a quantidade de energia infravermelha com um aumento da temperatura; No entanto, o comprimento de onda do pico de emissão é maior para os objectos de temperatura mais baixa e mais curto para os objectos de maior temperatura.

1300oC

1200

1100

1000

900800

700

Comprimento de onda (m)

Ra

diâ

nci

a e

spe

ctra

l (W

/cm

2/ m

)

Em termos gerais, a quantidade total de energia infravermelha emitida por um objecto é proporcional à temperatura elevada à quarta potência. Portanto, uma alteração relativamente pequena na temperatura pode representar uma mudança relativamente grande na energia infravermelha. Por esta razão, os termómetros de infravermelhos podem ser altamente precisos…




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Termografia…Princípios

Radiação térmica:- Lei da distribuição espectral de Planck:

1e

1hcTI

kThc

/5

.8

),(Lei de Wien para a máxima emissão:

T

umax

Todos os objectos emitem radiação infravermelha de acordo com a temperatura à qual eles estão. Quanto mais quente estiver um objecto, maior será a intensidade da radiação e o comprimento de onda emitido na qual a radiação é emitida ao máximo, irá tornar-se cada vez mais pequeno (que é descrito pelas leis de Planck e Wien).

A figura à direita mostra um exemplo que esclarece isto. Uma haste de metal aquecido por um indutor em espiral. A parte da barra que está fora do indutor, está fora efeito de aquecimento, e por isso tem a cor do metal. Quando nos aproximamos da parte da barra que está sendo aquecida a cor da barra muda para vermelho e depois para amarelo, ou seja, o seu comprimento de onda diminui. A barra não muda de cor, ela ainda tem a cor do metal, mas começa a emitir radiação de calor, parte da qual cai no espectro visível.




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Termografia…Princípios

Uma chávena de café quente emite radiação térmica. Essa radiação não podem ser detectada com os nossos olhos porque tem um comprimento menor do que o comprimento de onda do espectro visível, no entanto, se sente com a mão, mesmo sem tocar na chávena.

O espectro de infravermelho é dividido em infravermelho próximo, infravermelho curto, infravermelho médio e infravermelho distante. Uma dessas subdivisões, que é usado em câmaras térmicas de combate a incêndios é o infravermelho distante. Isto é assim por duas razões principais: em primeiro lugar, a maioria das emissões de objectos com temperaturas entre 20 e 2000oC queda dentro do infravermelho distante, e as outras subdivisões não podem penetrar tão facilmente o fumo.

Se colocássemos a chávena num forno e elevássemos a temperatura a uns mil graus, então veríamos que se tornava vermelha ou amarela (assumindo que o material chávena suportasse essas temperaturas, o café claramente seria vaporizado).





Termometria – é a parte da física que estuda as medidas de temperaturas e os efeitos provocados pela sua variação.

A Termometria de radiação pode ser estendida para medir não apenas a temperatura num pequeno ponto numa superfície, mas sim construir uma imagem bidimensional de uma grande área da superfície ou mesmo completa.

Termografia: é uma técnica que permite mapear um corpo ou uma região com o intento de distinguir áreas de diferentes temperaturas, sendo portanto uma técnica que permite a visualização artificial da luz dentro do espectro infravermelho.

Termografia…Princípios

Imagem infravermelha:- É um tipo de imagem que utiliza a luz de comprimento de onda do espectro acima do visível. O infravermelho activo envia um feixe de luz infravermelha e reúne as ondas reflectidas para formar uma imagem numa tela ou num par de óculos. O filme IV é sensível aos infravermelho (IV) de radiação na imagem térmica de 250 °C a 500 °C

imagem térmicas: - É um tipo de imagem que determina a imagem com base na temperatura absoluta do objecto. A imagem é formada com base na assinatura de calor do objecto, dispositivos térmicos gravam as assinaturas térmicas atuais dos dispositivos com base em seu padrão de calor e não precisam de um feixe como os dispositivos de IV activos. A faixa do termovisor é de aproximadamente -50 °C a mais de 2.000 °C.



Processamento de imagem: É qualquer forma de processamento de sinal para o qual a entrada é uma imagem, como uma fotografia ou frame de vídeo e a saída pode ser tanto uma imagem ou um conjunto de características ou parâmetros relacionados com a imagem.



As cores para a ciência da comunicação, estão divididas em dois modelos de cores principais que são RGB e CMYK.

· CMYK - modelo de cores subtractivo refere-se ás quatro tintas usadas na impressão a cores: ciano, magenta, amarelo e chave (preto) o modelo CMYK é chamado subtractivo porque as tintas "subtraem" o brilho do branco.

· RGB - Um modelo de cores aditivas em que vermelho, verde e azul são combinadas em diversas maneiras para reproduzir uma variedade de cores. O branco é a combinação "aditiva" de todas as luzes coloridas preliminares

CMYK

Termografia…Princípios




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Termografia…Condicionantes Físicas e Tecnológicas

Emissividade espectral: Conveniente usar a banda onde a emissividade é mais elevada – onda larga.

Contraste térmico: A onda curta tem uma sensibilidade 2,2 vezes superior à onda larga.

Reflexão: A onda curta capta melhor as reflexões solares enquanto que a onda larga é mais sensível a radiações de baixa temperatura.

Absorção atmosférica: Pouca influência a distâncias curtas. Para distâncias longas é melhor a transmissão na onda larga. Para atmosferas muito húmidas e quentes a transmissão é superior em onda curta.

Detectividade: Precisão de medida:- Os sensores de onda curta têm uma detectividade 7 vezes superior aos dos utilizados em onda larga.

Precisão de medida: Os sensores de onda curta têm uma detectividade 7 vezes superior aos dos utilizados em onda larga. Ambos têm alta precisão, mas as onda curtas são menos sensíveis a variações de , distância e temperatura ambiente, proporcionando maior precisão nestas situações.




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Termografia… Caracterização de um sistema de termografia

Sensibilidade: Representa a menor diferença de temperatura que pode ser medida ou detectada, sendo especificada por:

NETD (Noise Equivalent Temperature Difference). MDT (Minimum Detectable Temperature).

Resolução geométrica: Indica a dimensão do objecto mais pequeno que o sistema é capaz de reconhecer, sendo especificada por:

SRF (Slit Response Function).MRTD (Minimum Resolvable Temperature Difference)

Os Termómetros infravermelhos vs Câmaras de imagem térmica

· A FLIR (Forward Looking Infra-Red), câmara de imagem térmica pode digitalizar prédios inteiros, aquecimento e instalações de climatização. Ela nunca perde uma área de problema potencial não importa quão pequeno seja.

· Os Termómetros Infravermelhos (IV) são fiáveis e muito úteis para leituras de temperatura num único ponto, mas, para a digitalização de grandes áreas, é fácil perder partes críticas como fugas de ar, áreas com isolamento insuficiente, ou intrusão de água.



O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Termografia… Caracterização de um sistema de termografia


AtmosferaObjecto

Factores que influenciam a medição da temperaturaFactores externos:

Nestas condições a energia, I, que alcança o “scanner” é dada por:

atap I1I1II )()(

Ip – Energia que seria emitida pela superfície considerada como um corpo negro.Ia – Energia emitida pelo meio envolvente.Iat – Energia emitida pela atmosfera.

- Factor de emissividade da superfície.

- Coeficiente de transmissividade da atmosfera.

Ambiente

I

(1-)Iat

Ip

(1-)Ia





A imagem térmica é a técnica de usar o calor emitido por um objecto para produzir uma imagem dele ou para localizá-lo em ambientes sem luz ambiente e pode penetrar obscurantistas, tais como fumaça, nevoeiro e neblina. Esta tecnologia, primeiro desenvolvida para fins militares no final dos anos 1950 e 1960 pela Texas Instruments, Hughes Aircraft e Honeywell em tecnologias de misseis antiaéreos, reconhecimento aéreo e de satélites, depois visão nocturna e miras infravermelhas…

O primeiro sistema de termografia por infravermelhos, disponível no mercado, capaz de produzir uma imagem térmica em tempo real, ocorreu em 1966.

… foi, nos últimos anos, cedida para aplicações civis e comerciais, sendo usada no combate ao fogo, sistemas de vigilância, aplicações industriais de manutenção, segurança, transporte, médico, e muitas outras indústrias!...

Termografia…História





No início, a maior parte dos equipamento utilizados, precisava de ser arrefecido a temperaturas muito baixas, para melhorar a sua sensibilidade uma vez que o seu próprio calor poderia interferir ma medição e daí que a sua portabilidade era muito limitada.

Termografia…História

Na década de 1980 foram desenvolvidos novos sensores de estado sólido, como Bário Titanato de Estrôncio (BST chamado por sua sigla em Inglês) e os microbolómetros. Estes detectores foram os primeiros que não exigirem refrigeração criogénica para boa sensibilidade, o que abriu possibilidades para o seu uso portátil.

Após 1992, parte da tecnologia desenvolvida até então no domínio militar foi libertada e assim começou a corrida para oferecer câmaras que atendam às necessidades das actividades, tais como combate a incêndios e combate ao crime, e aplicações industriais…




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Imagem Térmica …

Muito antes do ser humano descobrir … já a natureza evoluíra… Algumas serpentes podem perceber diferentes intensidades de calor provenientes de corpos de “sangue quente” e a distância da emissão, por meio de um sistema termossensível existente em ambos os lados das suas cabeças, entre a narina e o olho, conhecido como fosseta loreal. Trata-se de um sistema de visão sem usar os olhos (já que de visão propriamente dita as serpentes são quase cegas). Desconhece-se o alcance deste sistema térmico para criar imagens no cérebro destas serpentes… mas … funciona!

Membrana censora de calorObjecto á esquerda estimula o pit do lado esquerdo.

Objecto á direita estimula o pit do lado direito.





Normalmente a natureza é em escala cinza, objectos negros são frios, objectos brancos são quentes e a profundidade da cinza indica variações entre os dois. Algumas câmaras térmicas, no entanto, adicionam cor às imagens para ajudar os utilizadores a identificar os objectos em diferentes temperaturas. … mas graduada por intensidades!

Então, uma câmara térmica é um dispositivo capaz de detectar a radiação térmica a partir de uma cena e, em seguida, converter os diferentes valores para uma imagem.

Câmara Térmica…Funcionamento

Funciona em ambientes sem luz ambiente e pode penetrar em meios obscurantistas, tais como fumaça, nevoeiro e neblina.

As câmaras termográficas usam um detector chamado de microbolómetro para sentir a energia térmica. Os microbolómetros são compostos de uma matriz de pixels que são feitas de uma variedade de diferentes materiais, mais comuns, como o silicone amorfo e o óxido de vanádio. Quando a energia térmica emitida por um objecto que atinge o material, o material é aquecido, mudando a sua resistência eléctrica. Esta resistência pode então ser medida e traduzida em um valor de temperatura. Um termograma é então produzido pela atribuição das cores ou tons de cada um desses valores de temperatura.




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Câmara Térmica…Funcionamento - Diagrama




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Câmara Térmica…Funcionamento - Diagrama

Detectando a diferença de temperatura entre o fundo e os objectos em primeiro plano.

A luz focalizada é varrida por elementos detectores infravermelhos.

Uma lente especial (óptica) focaliza a luz infravermelha.

Os elementos detectores criam um padrão de temperatura muito detalhado chamado termograma (traduzido em impulsos eléctricos e enviam para o processador de sinais).

No processador de sinais os impulsos são traduzidos em informação a partir dos elementos em dados para o display.

A unidade de processamento de sinal envia a informação para o ecrã.

Cena

Energia IV

Ópticas

Detector IV(uncooled)

Processadorde sinal

Vídeo MonitorDigital display



O chip tem um filtro óptico de banda estreita para cada pixel .


O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Câmara Térmica…Modernos detectores: - Thermal Light Valve pixel

Luz laser de 0.8 m

Radiação IV de longo comprimento de onda (~10 m) vinda da cena

A Radiação IV de longo comprimento de onda é absorvida pela válvula de luz térmica do pixel

O pixel está termicamente isolado e aquece em resultado da absorção da radiação.

O comprimento de onda ressonante NIR, altera em função do aumento de temperatura.

A quantidade de luz NIR reflectida pala traseira do pixel para o gerador CMOS de termograma altera-se…

http://www.photonics.com




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Câmara Térmica…Funcionamento

· Uma lente especial focaliza a luz infravermelha emitida por todos os objectos em vista.

· A luz focalizada é varrida por uma matriz de elementos detectores de infravermelhos. Os elementos detectores criam um padrão de temperatura muito detalhado chamado termograma. Leva apenas cerca de um trigésimo de segundo para a matriz obter a informação de temperatura e fazer o termograma. Esta informação é obtida a partir de vários milhares de pontos no campo de visão do conjunto de detectores.

· O termograma criado pelos elementos detectores é traduzido em impulsos eléctricos.

· Os impulsos são enviados para uma unidade de processamento de sinal, com um chip dedicado, que traduz a informação dos elementos dados, para exibição num display.

· A unidade de processamento de sinal envia a informação para o ecrã, onde ela aparece como várias cores, dependendo da intensidade de emissão de infravermelhos. A combinação de todos os impulsos a partir de todos os elementos cria a imagem térmica.

· Cada um dos milhares de elementos detectores (12.280 / 19.200 / 76.800 sensores), em cada pixel, contem um valor de temperatura específico. O gerador de imagens ou termograma, através da utilização de um conjunto de algoritmos complexos, atribui cores específicas que correspondem exactamente ao valor da temperatura encontrada nas coordenadas XY específicas do termograma.



· Algumas câmaras guardam uma imagem simples, que na verdade não contêm quaisquer medidas.


O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Câmara Térmica…Funcionamento

· As câmaras totalmente radiométricas armazenam as medidas reais de temperatura que podem ser analisadas posteriormente num PC.

YY

Y E

lements

120

XXX Elements160

· É como ter milhares de termómetros de infravermelhos num único instrumento.

· Os sensores podem detectar mudanças de temperatura tão pequenas como 0,2oC.

· A diferença de temperatura mínima que uma câmara termográfica pode medir é chamada de Sensibilidade Térmica ou Noise Equivalent Temperature Difference (NETD).



320/240 160/120

19.200 pixéis76.800 pixéis mostram detalhes

adicionais de pequenos pormenores



Câmara Térmica…Funcionamento – 320/240 vs 160/120 de resolução

· As câmaras com matrizes 320/240 têm quatro vezes mais pixéis e se elas têm as mesmas dimensões globais (display),e todas as outras coisas são iguais, terá quatro vezes mais detalhe.

· Câmaras de imagens feitas com matrizes de 160/120 são menos caras, mas são adequadas o suficiente para a maioria dos utilizadores / aplicações…



Local

Alteração da Emissividade

Ajuste da temperatura ambiente



Câmara Térmica…Funcionamento – Futura análise em PC

Ligar grade da temperatura

Insira as medições de precisas do ponto ou MIN / MAX / medições média da

área




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Câmara Térmica…Funcionamento - Blocos

http://www.thermoteknix.com/products/oem-thermal-imaging/miricle-thermal-imaging-modules/




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Câmara Térmica…Funcionamento – Blocos final

http://www.thermoteknix.com/products/oem-thermal-imaging/miricle-thermal-imaging-modules/

Com as modernas matrizes de detectores, é possível produzir um mapa de temperatura com uma resolução típica de 380 por 290 pixels. Normalmente a natureza é em escala cinza, objectos negros são frios, objectos brancos são quentes e a profundidade da cinza indica variações entre os dois. Algumas câmaras térmicas, no entanto, adicionam cor às imagens para ajudar os utilizadores a identificar os objectos em diferentes temperaturas. … mas graduada por intensidades!



Punho robusto ergonomicamente projectado

Botões de uso fácil

Botão de gravação rápida/playback

Menu de controlo simples Display de alta resolução


O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Câmara Térmica…Funcionamento – Portátil (de mão)




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Câmara Térmica…Funcionamento – imagem Térmica




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Tipos de Dispositivos de imagens térmicas

A maioria dos dispositivos de imagens térmicas digitalizar a uma taxa de 30 vezes por segundo (frames). Podem detectar temperaturas que variam entre -20oC a 2000oC), e podem normalmente detectar mudanças de temperatura de cerca de 0,2oC.

Existem dois tipos comuns de dispositivos de imagens térmicas:

Non-refrigerados - Este é o tipo mais comum de dispositivo de imagens térmicas. Os elementos detectores de infravermelhos estão contidos numa unidade que opera à temperatura ambiente. Este tipo de sistema é completamente silencioso, activa de imediato, e tem uma bateria interna.

Criogenicamente refrigerados - Mais caros e mais susceptíveis a danos causados por uso acidentado, estes sistemas têm os elementos selados dentro de um contêiner que está refrigerado a 0oC. A vantagem de um tal sistema é a resolução e sensibilidade incrível que resultam do arrefecimento dos elementos. Os sistemas refrigerados criogenicamente podem "ver" uma diferença tão pequena quanto 0,1oC a partir de mais de 300m de distância, que é o suficiente para dizer se uma pessoa está armada ou não, a essa distância!

· Ao contrário da maioria dos equipamentos de visão nocturna, que utilizam uma tecnologia de melhoramento de imagem, a imagem térmica é melhor para a detecção de pessoas ou trabalhos na escuridão quase absoluta com pouca ou nenhuma iluminação ambiente (ou seja, estrelas, luar, etc,)



Aumentam a sensibilidade do sensor.

Minimizam a emissão do próprio sensor

· Azoto líquido: método simples mas em desuso.

·Termoeléctrico (Efeito de Peltier): podem-se atingir temperaturas na ordem dos -

70 ºC.

· Ciclo de Stirling fechado: onde se alcançam temperaturas de cerca de -196 ºC.



Tipos de Dispositivos de imagens térmicas: Mecanismos de refrigeração

Outros tipos de sensores de elevada sensibilidade:

Microbolómetros (não refrigerados);

QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector)



201

Existem dois sistemas distintos para a formação da imagem:· Sistema de varrimento - constituído por um único sensor e por um sistema de

varrimento óptico.· Sistema FPA (Focal Plane Array) - em que o detector é constituído por uma

matriz bidimensional de sensores.



Tipos de Dispositivos de imagens térmicas: Sistemas de varrimento

Existem câmaras que trabalham em cada uma das bandas, com refrigeração dos detectores.

Sistema de varrimento Sistema FPA

A imagem é formada linha a linha por um conjunto de espelhos giratórios.

Um elevado número de sensores captam simultaneamente todos os pontos da imagem.

Tempo de integração bastante curto (5 s) Tempo de integração elevado (15 ms)

O varrimento óptico implica uma grande complexidade mecânica.

Os sistemas electrónicos substituem os sistemas mecânicos.

Sensores do tipo MCT (Mercúrio-Cádmio-telúrio).

Sensores compostos tipicamente por PtSi e InSb




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Camaras Térmicas: - Variáveis importantes na medição de temperatura

Emissividade da superfície,

Reflectividade térmica da superfície,

Temperatura de fundo,

Capacitância térmica,

Ângulo de visão,

Carga do sistema,

Distância do alvo,

Transferência de calor,

Condições solares e eólicas.

As definições da câmara….





Reflexão, absorção e transmissão

Quando a radiação IV atinge a superfície de um objecto, podem acontecer três coisas…

ρ

Alguns raios podem ser reflectidos ();Alguns raios podem ser absorvido como calor ();Alguns raios podem passar através do objecto ().

· Da 1ª Lei da Termodinâmica: + + = 1

Portanto:

· Da Lei de Kirchhoff temos: Emissividade () = Absorvidade ()

+ + = 1TransmissãoA maioria dos materiais são opacos (não transparentes).

=0

Alguns materiais são parcialmente transparente:· Atmosfera;· Material das lentes IV;· Películas finas de plástico.

Para materiais opacos = 0, = 1 - Esta relação é fundamental para a operação de

uma câmara termográfica.



204



Reflexão, absorção e transmissãoNum corpo não negro, uma parte da radiação total incidente é absorvida e, por

conservação de energia, o restante é reflectido () na superfície e transmitido () através do corpo.

1 Corpo negro: 01 , Corpo transparente: 01 ,

Espelho perfeito: 01 ,

No campo de aplicação da termografia as superfícies são na maioria das vezes opacas ao infravermelho =0 e a sua capacidade emissiva é constante (para T e considerados) e menor que 1, assim temos:

Corpo cinzento: 1





W

W

W

TT

TBMedição da Temperatura com câmara Térmica

Cada elemento detector único é focado num ponto do alvo, e recebe radiação emitida a partir alvo W, a radiação de fundo reflectida pelo alvo W e a radiação transmitida por trás alvo W.

Apenas a radiação emitida W nos diz a temperatura da superfície, e a câmara de imagens deve eliminar a radiação reflectida e a transmitida para medi-la.

O operador deve informar a câmara qual é a emissividade do alvo,e a temperatura de fundo. Em seguida, a câmara de imagens pode calcular a

temperatura do alvo.

WTotal = WEmitida + WReflectida

+ WTransmitida=T TT4+ T TB

4+ 0T= 1 - T

WTotal= T TT4 + (1 - T) TB

4





Maneiras de estimar a temperatura de fundoUse da temperatura ambiente;Faça imagens térmicas do fundo;Use uma cortina de folha de alumínio para a eliminar.

AlvoCâmara

Cortina de folha de alumínio amarrotada

· A folha amarrotada de alumínio de cozinha suavizada, age como um reflector difusoA temperatura do fundo é a temperatura da envolvente para trás e para os lados da

câmara, onde emana a radiação reflectida.

Muitas vezes a temperatura do fundo tem pouco efeito sobre a medição da temperatura alvo. Emissividade alvo é alta;

Quando a temperatura alvo é maior do que o fundo…

WTotal = T TT4 + (1 - T) TB

4

>



Aplicações das câmaras de imagens Térmicas:

· Monitoramento das condições térmicas de equipamentos e processos industriais.· Inspecções a envolvente dos edifícios e as perdas de energia.· Mapeamento térmico.· Imagens Térmicas Digitais a infravermelha na área da saúde.· Termografia aérea Arqueológica.· Veterinária de imagens térmicas.· Combate a incêndios.· Busca e salvamento.· Visão térmica nocturna.· Vigilância UAV.· Investigação.· Controlo de processos.· Ensaios Não Destrutivos.· Vigilância, segurança e defesa.· Química· Vulcanologia….. Meteorologia…. Etc…


O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Camaras Térmicas:




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Camaras Térmicas: Aplicações – Segurança em zonas de fronteiras

Se o terreno for montanhoso e não permitir visualizar uma distância de 20 km, podem também ser usadas câmaras de imagem térmica não refrigeradas na segurança das fronteiras.

Devido à sua capacidade de detectar alvos do tamanho de um homem em distâncias extremamente longas, na escuridão total e em condições climatéricas extremas, as câmaras de imagem térmica são extremamente adequadas para a vigilância das fronteiras.

Geralmente, são utilizadas câmaras refrigeradas em aplicações de segurança de fronteira porque proporcionam melhor desempenho e maior alcance do que um detector não refrigerado.

As câmaras de imagem térmica podem ser integradas nos sistemas de radar…




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Camaras Térmicas: Aplicações – Segurança em zonas de fronteiras




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Camaras Térmicas: Aplicações – Segurança, busca e salvamento

As câmaras de imagem térmica também são usados em operações de busca e salvamento, pois podem ser capazes de pesquisar até 500m em qualquer direcção.

Com uma câmara termográfica, pode-se parar e verificar a propriedade à distância, identificar qualquer pessoa ali presente.

O perímetro de vigilância é uma outra aplicação em que as imagens térmicas podem ser usadas para melhorar drasticamente os resultados e reduzir o tempo comprometido com uma determinada operação.

Imagem térmica de uma área de estacionamento em que uma pessoa está tentando se esconder atrás de

um carro.

Imagem térmica tomada durante uma operação de busca e salvamento




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Camaras Térmicas: Aplicações – Visão nocturna, defesa

As câmaras de imagem térmica são amplamente utilizadas para complementar as novas ou existentes redes de segurança, e também para visão nocturna em aviões, onde são mais conhecidas como " FLIR " (forward-looking infrared).

As Câmaras de imagem térmica são excelentes ferramentas para visão nocturna. Elas detectam radiação térmica e não precisam de uma fonte de iluminação.

Elas produzem uma imagem na mais escura das noites e podem ver através de nevoeiro, chuva e fumaça.

FLIR




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Camaras Térmicas: Aplicações – Medicina e veterinária

Digital Infrared Thermal Imaging (DITI) é uma técnica de diagnóstico não-invasivo e não envolve a exposição a radiações. As principais áreas em que esta técnica é utilizada são: · A detecção precoce do cancro do peito.· Monitoramento de processos de cura.· Monitoramento de Doenças e Vírus.· Rastreio de febres epidémicas (H1N1, SARS, MERS, EBOLA… etc).·Rastreio generalizado, em áreas como aeroportos, para monitorar a potencial propagação de vírus.

·Rastreio de uma determinada região do corpo para identificar e monitorar as condições localizadas…

Uso veterinárioDetecção precoce do cancroControlo de epidemias




O sistema de medição de temperatura por infravermelhos (IV)Camaras Térmicas: … e muitas outras aplicações!



Vantagens das imagens Térmicas:

· Método não-invasivo e não-destrutivo, portanto, pode ser aplicado, enquanto o equipamento está em pleno funcionamento operacional.

· Produzem medição de temperatura rápida, precisa e imediata na ajuda de detecção de falhas e avarias.

· As câmaras são fáceis de instalar e as pesquisas podem ser realizadas em qualquer momento conveniente.

· Capazes de capturar alvos em movimento em tempo real e em condições de pouca luz.

· Podem ser usadas para medir ou observar indivíduos em áreas inacessíveis ou perigosas para outros métodos.

· Podem ajudar a identificar fugas de ar, documentando a dispersão de calor irregular e identificação de possíveis irregularidades no isolamento.

· As câmaras podem passivamente observarem todos os objectos, independentemente da luz ambiente.





Limitações das câmaras de imagens Térmicas:

· As Câmaras de qualidade são caras (muitas vezes mais de 3.000 USD), as mais baratas são de resolução baixa de apenas 40x40 até 120x120 pixéis.

· As imagens podem ser difíceis de interpretar com precisão quando baseadas em certos objectos específicos com temperaturas irregulares.

· Medições de temperatura precisas são prejudicadas por diferentes emissividades e reflexões a partir de outras superfícies.

· A maioria das câmaras tem precisão de ± 2% ou pior, na medição da temperatura e não são tão precisas como os métodos de contacto.

· Só conseguem detectar as temperaturas directamente da superfície.

· As câmaras de imagem térmica não podem ser usadas para ver os objectos sob a água.

· Porque a energia térmica pode ser reflectida em superfícies brilhantes, as câmaras de imagem térmica não podem ver através do vidro

· Além disso, as câmaras de imagem térmica não podem ver através das paredes…





Conclusões:

· A Tecnologia de imagem térmica oferece a capacidade de ver e direccionar forças opostas através da escuridão da noite ou em um campo de batalha coberto de fumaça.

· As propriedades que fizeram a detecção de infravermelhos valiosas para os serviços militares em todo o mundo, também se tornaram mais valiosas, para a industria, medicina, ciência, investigação, segurança, busca e salvamento e combate a incêndios…

Camaras Térmicas:





Tenha um Bom Dia e … Sorria!



PELA ATENÇÃO !...

Obrigado



Bibliografias

http://labeee.ufsc.br/~luis/ecv4211/Apostilas/termopares.PDF

http://www.edtec.com.br/termopares.htm

http://in3.dem.ist.utl.pt/labcombustion/emeecourse/presentations/pres8.pps.

http://www.pcbheaven.com/wikipages/How_Thermocouples_Work/

http://www.electronics.teipir.gr/personalpages/papageorgas/download/2/shmeiwseis/ELECTRONIC_COMPONENTS/thermistors/ECE%20371JB%20Lecture%203.ppt.http://www.capgo.com/Resources/Temperature/RTDs/RTD.html

http://www.atncorp.com/hownightvisionworks

http://pt.wikipedia.org/wiki/Pir%C3%B4metro

http://in3.dem.ist.utl.pt/labcombustion/EMEEcourse/presentations/pres5.pps.

http://www.ebah.pt/content/ABAAAgNLQAA/temperatura?part=4

http://www.accuratesensors.com/pdf/news/finalhandbook.pdf.

http://www.deltat.com/pdf/Infrared%20Energy,%20Emissivity,%20Reflection%20%26%20Transmission.pdf.

http://electronics.howstuffworks.com/gadgets/high-tech-gadgets/nightvision2.htm

Fluke Thermal Imaging .ppt



http://in3.dem.ist.utl.pt/labcombustion/emeecourse/presentations/pres8.pps.

http://www.pcbheaven.com/wikipages/How_Thermocouples_Work/

http://www.electronics.teipir.gr/personalpages/papageorgas/download/2/shmeiwseis/ELECTRONIC_COMPONENTS/thermistors/ECE%20371JB%20Lecture%203.ppt

http://www.electronics.teipir.gr/personalpages/papageorgas/download/2/shmeiwseis/ELECTRONIC_COMPONENTS/thermistors/ECE%20371JB%20Lecture%203.ppt

http://www.atncorp.com/hownightvisionworks

http://pt.wikipedia.org/wiki/Pir%C3%B4metro

http://in3.dem.ist.utl.pt/labcombustion/EMEEcourse/presentations/pres5.pps

http://www.ebah.pt/content/ABAAAgNLQAA/temperatura?part=4

http://www.accuratesensors.com/pdf/news/finalhandbook.pdf

http://www.deltat.com/pdf/Infrared%20Energy,%20Emissivity,%20Reflection%20&%20Transmission.pdf

http://electronics.howstuffworks.com/gadgets/high-tech-gadgets/nightvision2.htm

http://labeee.ufsc.br/~luis/ecv4211/Apostilas/termopares.PDF

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