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18/05/2016 Variável temperatura CARACTERÍSTICAS: Temperatura é uma propriedade da matéria relacionada com o movimento de vibração e/ou deslocamento dos átomos de um corpo. Está associada à energia cinética adquirida pelos átomos de um corpo. O procedimento de medição de temperatura é denominado Termometria. Além da medição de temperatura em faixas médias, temos: PIROMETRIA Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. CRIOMETRIA Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura. Variável temperatura PONTO FIXO DE TEMPERATURA. Seja o procedimento de aquecimento da água ao receber calor, dado a seguir. Calor sensível: É a quantidade de calor necessária para que uma substância mude a sua temperatura até que comece sua mudança de estado, onde teremos o calor latente. Calor latente: É a quantidade de calor que uma substância troca durante a mudança de estado. A mistura de duas ou três fases (vapor, líquido e sólido) em equilíbrio, corresponde ao que se convencionou chamar de "Ponto Fixo de Temperatura".

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18/05/2016

Variável temperatura

CARACTERÍSTICAS:

Temperatura é uma propriedade da matéria relacionada com o movimento de vibração e/ou deslocamentodos átomos de um corpo.

Está associada à energia cinética adquirida pelos átomos de um corpo. O procedimento de medição de temperatura é denominado Termometria. Além da medição de temperatura em faixas médias, temos:

PIROMETRIA

Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar.

CRIOMETRIA

Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura.

Variável temperatura

PONTO FIXO DE TEMPERATURA.

Seja o procedimento de aquecimento da água ao receber calor, dado a seguir.

Calor sensível:

É a quantidade de calor necessária para queuma substância mude a sua temperatura até quecomece sua mudança de estado, onde teremos o calorlatente.

Calor latente:

É a quantidade de calor que uma substânciatroca durante a mudança de estado.

A mistura de duas ou três fases (vapor, líquido esólido) em equilíbrio, corresponde ao que seconvencionou chamar de "Ponto Fixo de Temperatura".

18/05/2016

Variável temperatura

PONTO FIXO DE TEMPERATURA.

Alguns pontos fixos de temperatura (ITS90 – Escala internacional de temperatura)

Variável temperatura

ESCALAS DE TEMPERATURA.

Escalas e unidades: Graus Celsius (OC) , Kelvin (K), Fahrenheit (OF), Rankine (R)

18/05/2016

Variável temperatura

MEDIDORES DE TEMPERATURA.

Existem duas classes:

1ª Classe:

Aqueles em que o elemento sensível estáem contato com o corpo cuja temperatura se desejamedir.

a) Termômetros à dilatação de sólido.b) Termômetros à par termoelétrico.c) Termômetros à resistência elétrica.d) Termômetros à dilatação de líquido.e) Termômetros à dilatação de gás.f) Termômetros à tensão de vapor saturante.g) Pirâmides fusíveis e "crayons" coloridos.

2ª Classe:

Aqueles em que o elemento sensível nãoestá em contato com o corpo cuja temperatura sedeseja medir.

a) Pirômetros à radiação total.b) Pirômetros à radiação parcial

(monocromáticos).

Variável temperaturaVariável nível

TERMÔMETRO DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA

São baseados no fenômeno de dilatação aparente de um líquido dentro de um recipiente fechado.

Dois tipos: o com recipiente transparente e o com recipiente metálico:

Tipo com recipiente transparente

Obs. O líquido se dilata ao longo do tubo

capilar. O volume do reservatório depende

da sensibilidade desejada. A graduação (escala) pode estar no

tubo capilar ou no suporte dotermômetro.

Reservatório

Tubo capilar

Escala

Líquido

18/05/2016

Variável temperatura

Alguns tipos de líquidos utilizados:

Variável temperatura

Tipo com recipiente metálico

Nesse tipo, o líquido preenche todo o instrumento e sob o efeito de um aumento detemperatura se dilata, deformando um elemento elástico (sensor volumétrico).

Partes: bulbo, capilar e elemento sensor.

Tipos de líquidos:

Mercúrio - temperaturas entre -35 e +550ºC.Álcool - temperaturas entre -50 e +150ºC.Xileno - temperaturas entre -40 e +400ºC.

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Variável temperatura

TERMÔMETRO DE DILATAÇÃO A GÁS

Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido. Partes: bulbo, elemento de medição e capilar de ligação. O volume do conjunto é constante e é preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação de temperatura o gás varia sua pressão (lei os gases perfeitos). O elemento de medição neste caso opera como medidor de pressão.

Tipos de gases normalmente utilizados:

Hélio (He) - temperatura crítica = 267,8ºC; Hidrogênio (H2) - temperatura crítica = 239,9ºC; Nitrogênio (N2) - temperatura crítica = 147,1ºC Dióxido de Carbono (CO2) - temperatura crítica = 31,1ºC.

Observações:

O gás mais utilizado é o N2 e geralmente é enchido com uma pressão de 20 a 50atm, na temperatura mínima a medir. Sua faixa de medição vai de -100ºC à600ºC.

Temperatura crítica é aquela acima da qual a substância pode existir somente naforma de gás.

Um gás, acima dessa temperatura, não pode ser liquefeito, por mais que apressão do sistema seja elevada.

Variável temperatura

TERMÔMETRO À TENSÃO DE VAPOR

Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido. Partes: bulbo, elemento de medição e capilar de ligação. O bulbo é parcialmente cheio de um líquido volátil em equilíbrio com o seu vapor. A pressão do vapor é função exclusiva do tipo de líquido e da temperatura.

Tipos de líquidos mais utilizados:

18/05/2016

Variável temperatura

TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO E TERMÔMETRO BIMETÁLICO

Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura.

Variação do comprimento de uma barra metálica (dilatação) em função da temperatura

)1(0 TLL α+=

Onde:

L = comprimento da barra à temperatura T.Lo = comprimento da barra à 0ºC.T = temperatura da barra.α = coeficiente de dilatação linear do metal utilizado

Variável temperatura

Exemplos de medidores:

A variação do comprimento experimentada pela barra é muito pequena, necessitando deuma grande amplificação mecânica até o dispositivo de indicação. Medição da diferença de dilatação entre um tubo

feito de material de alto coeficiente de dilatação e uma haste interna de material de baixo coeficiente de dilatação.

São lentos devido à grande massa. A variação do comprimento sofrida pela barra é muito pequena, necessitando de uma grande amplificação

mecânica até o dispositivo de indicação.

18/05/2016

Variável temperatura

Termômetro baseado no efeito bimetálico

Fixam-se duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação diferentes. Submete-se o conjunto a uma variação de temperatura. Observa-se um encurvamento que é proporcional à temperatura. O encurvamento (circular) é devido aos diferentes coeficientes de dilatação dos dois metais.

Mais sensível que o dois anteriores. Quanto maior o comprimento das lâminas, maior a sensibilidade. Quanto maior a diferença entre os dois coeficientes de dilatação linear, maior a sensibilidade.

Variável temperatura

Para maior sensibilidade, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ouhélice.

Tem-se um tubo bom condutor de calor e no interior tem-se fixado um eixo que recebe um ponteiro que sedesloca sobre uma escala.

O eixo gira de um ângulo de 270º para uma variação detemperatura que cubra toda a faixa do termômetro.

A faixa de indicação dos termômetros bimetálicos vai deaproximadamente -50ºC a 800ºC, sendo a escala bemlinear.

O tipo mais usado é o de lâmina bimetálica helicoidal.

Tubo

18/05/2016

Variável temperatura

TERMÔMETRO RESISTOR (termoresistência RTD - Resistance Temperature Detector)

Feito com material metálico. A resistividade do material e consequentemente a resistência do dispositivo varia com a temperatura.

Coeficiente de temperatura positivo (T ↑ → R ↑)

RT = f(T) → geralmente uma série de potências

RT = R0(1+αT+βT2+γT3+...)

T = 0oC → RT = R0 (Ω)

Geralmente α, β, γ (coeficientes) são pequenos

Variável temperatura

Platina: quimicamente inerte, comportamento aprox. linear e boa repetibilidade, mas de custo mais alto.

18/05/2016

Variável temperatura

Faixa de utilização aproximada dos três metais:

PLATINA - 200 à 600ºC (excepcionalmente 1200ºC) - Ponto de Fusão 1774ºC.NÍQUEL - 200 à 300ºC - Ponto de Fusão 1455ºC.COBRE - 200 à 120ºC - Ponto de Fusão 1023ºC.

Construção:

Variável temperatura

Termoresistências de Platina mais usuais são:

PT-25,5PT-100PT-120PT-130 / PT-500

TP-100 apresenta uma resistência de 100 Ω à temperatura de 0oC.

Outro exemplo: Termoresistência de Níquel.

NI-500 apresenta uma resistência de 500 Ω à temperatura de 0oC.

18/05/2016

Variável temperatura

TERMISTOR

Feito com material semicondutor. A resistividade do material e consequentemente a resistênciado dispositivo varia com a temperatura.

Dois tipos:

NTC → Coeficiente de temperatura negativo (T ↑ → R ↓). É o tipo mais usado.PTC → Coeficiente de temperatura positivo (T ↑ → R ↑).

Altamente não linear:

RT = resistência para a temperatura T (Kelvin), com K e β constantes

Alternativamente:

RT1 = resistência com T=T1 Kelvin

Normalmente T1 = 298K (25oC)

= T

T KeRβ

= 1

1

11TT

TT eRRβ

Variável temperatura

SONDA NTC (Modelo 103AT-II)Tipo: NTCResistência: 10kOhmsTolerância: 1%Faixa de temperatura operacional: –50 C a +105 C

18/05/2016

Variável temperatura

Exemplo de curva de transferência Algumas geometrias

TERMOPAR (Sensor termoelétrico)

Efeitos termoelétricos: Seebeck, Peltier, Volta e Thomson.

Variável temperatura

Efeito Seebeck

Num circuito fechado, formado por dois fios de metais diferentes, se colocarmos os dois pontos de junção a temperaturas diferentes, se cria uma corrente elétrica cuja intensidade é determinada pela natureza dos dois metais utilizados e da diferença de temperatura entre as duas junções.

Condutor

Condutor

Junção 1 Junção 2

Corrente

Corrente

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Variável temperatura

Efeito Peltier

Ao se fazer passar uma corrente elétrica, por um par termoelétrico (duas junções bimetálicas), uma das junções se aquece enquanto a outra se resfria.

As duas ampolas interligadas, funcionam como um termômetro diferencial.

Junção 1 Junção 2

i

Variável temperatura

Efeito Volta

Se dois metais estiverem em contato, a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencial. Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente.

Efeito Thomson

Se forem colocadas as extremidades de um condutor homogêneo a temperaturas diferentes, uma força eletromotriz (FEM) aparecerá entre estas duas extremidades.

Esta FEM depende do material e da diferença entre as temperaturas, e não pode ser medida diretamente.

18/05/2016

Variável temperatura

É um sensor ativo. A FEM desenvolvida por um par termoelétrico é resultante dos efeitos termoelétricos tomadosem conjunto.

V

Condutor metálico A

Condutor metálico B

Junção bimetálica

Voltímetro(“mede” o potencial

de contato)

A B

+ -

Desequilíbrio de cargas

Junção

Variável temperatura

Modelo por série de potências:

ETAB = a1T + a2T

2 + a3T3 + ...

onde os ai´s dependem dos tipos de metais A e B

Obs. Constantan → liga cobre-níquel

T → oC

Ex. Metais: Ferro e Constantan (termopar tipo J)

a tensão em µV será:

18/05/2016

Variável temperatura

Circuito termopar prático (2 sensores)

Temperatura conhecida

Estabelece-se uma temperatura de referência tal que se T1 ≥ T2 →

EABT1,T2 ≥ 0 e se T1 < T2 → EAB

T1,T2 < 0

A

B B

Variável temperatura

Correlação da FEM em função da temperatura.

As curva são pouco não lineares

A letras indicam os tipos de termopares (tipos de metais)

A temperatura de referência vale 0oC

18/05/2016

Variável temperatura

Uma montagem não prática (industrialmente) para se ter a junta fria a uma temperatura de 0oC

Variável temperatura

Para maior precisão (menor influência de entradas ambientais) T2 será umatemperatura controlada

Como a tensão gerada é da ordem de µV e mV é necessário como elementocondicionador de sinais um amplificador de tensão de alto ganho e alta impedânciade entrada

Se a junção não estiver encapsulada (protegida) a constante de tempo térmica épequena (na ordem de poucos ms). Se estiver encapsulada, a resposta será maislenta.

18/05/2016

Variável temperatura

Variável temperatura

JUNÇÕES SEMICONDUTORAS (junção PN).

Se o diodo for excitado por uma corrente constante ID, tal que ID>>IST

DnV

v

SD eII =⇒

Logo a tensão entre anodo e catodo

=⇒

S

DTD I

InVv ln

Diodo – Relação entre corrente iD e tensão vD

+ -vD

iD

−= 1T

DnV

v

SD eIianodo catodo

Tanto VT (de forma linear) como IS (de forma não linear) dependem da temperatura. CmV

dT

dv OD /2−≈

q

kTVT =

elétron do carga

(Kelvin) ra temperatu

Boltzmann de constante

TV

n

k 1,38064852 × 10-23 m2 kg s-2 K-1

ambiente) temp.à 25mV (aprox. térmica tensão

2) e 1 (entre idealidade defator

pequena) (muito reversa saturação de corrente

T

S

V

n

I

(ordem de 10-15A)

18/05/2016

Variável temperatura

Circuitos Integrados para medição de temperatura.

Exemplo: o C.I. LM35

Saída de tensão

alimentaçãoCircuito interno

2°C a 150°C

Variável temperatura

Compensação de junta fria de termopar.

Compensação

Divisor de tensão

O circuito utiliza o CI LM35 que mede a temperatura da junção e automaticamente fornece uma tensão proporcional a 10 mV/°C. Como o termopar fornece uma tensão de aproximadamente 50,2 µV/°C, é necessário a utilização de um circuito divisor para corrigir a saída do LM35. É utilizado um resistor de 100 kΩ em série com a saída em um resistor de 505 Ω. A junção deve ter um bloco isolante isotérmico nas junções dos fios do termopar com os fios de cobre.

50,2 µV/°C

À temperatura ambiente

18/05/2016

Variável temperatura

PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO.

A medição de temperatura ocorre sem a necessidade de contato direto com o corpo ou meio cujatemperatura esteja sendo medida.

São utilizados quando a temperatura é alta tal que termopares não podem ser utilizados ou amedição remota é conveniente.

Podem ser fixos ou portáteis. Dois tipos: Ópticos e de Infravermelho.

Princípio de operação: Lei de Stefan-Boltzmann e corpo negro

Relação entre temperatura de um corpo e energia térmica irradiada.

4.. TKW ε=

)(W/m área de unidadepor irradianda Energia

nal)(adimensio corpo do deEmissivida

Boltzman-Stefan de Constante

Kelvin em aTemperatur

:Onde

2→

W

ε

K

T

K = 5,6705x10-8W.m-2.K-4

Variável temperatura

Emissividade ε

Relação entre a energia irradiada pelo corpo a uma certa temperatura, em um certo comprimento de onda, e a energia irradiada por um corpo negro, a essa mesma temperatura e comprimento de onda. Depende da temperatura e do comprimento de onda (λ) da radiação.

nWW=ε

Corpo negro – Aquele que apresenta ε=1, e corresponde ao emissor padrão (ideal). O refletor ideal possui ε=0.

O corpo negro absorve toda a radiação eletromagnética que nele incide: nenhuma luz é refletida.

Exemplos:

Asfalto à temperatura de 4oC tem emissividade de valor 0,97.Alumínio polido à temperatura de 230oC tem emissividade de valor 0,04.

18/05/2016

Variável temperatura

Curvas de emissão espectral para um dado corpo.

λ para luz visível: entre 0,35 e 0,75µm

)(λfW =

A energia total emitida por um corpo a uma certa temperatura T pode ser obtida a partir da integral de f(λ), ou seja, a área abaixo da curva de emissão espectral.

Variável temperatura

Refletância e transmitância

Além da energia emitida pelo corpo quente, a medição de temperatura pode ser influenciada pelas propriedades de refletância e transmitância do corpo.

A temperatura medida é maior que a real

Radiação a ser medida(emitida +

transmitida)

T1 T2

T2 > T1

Radiação transmitida

Corpo de interesse

T1

T2

T2

T2 > T1

Radiação refletica

Radiação a ser medida(emitida + refletida)

18/05/2016

Variável temperatura

Pirômetros ópticos (700 a 4000oC)

Medem a temperatura a partir da emissão do corpo no espectro visível. A energia radiante emitidapelo corpo é focada por meio de uma objetiva sobre o filamento de uma lâmpada incandescente, depois defiltrada é observada na ocular. O filtro de absorção destina-se a estender a utilização do pirômetro atemperaturas elevadas. O filtro vermelho permite a análise espectral numa banda de frequências estreita dafaixa visível, correspondente à banda associada à faixa de indicação do pirômetro. A imagem observada pelaocular contém o filamento e o corpo quente sobrepostos.

Todo esse procedimento manual pode serautomatizado eletronicamente.

Três situações possíveis(Tf = temperatura do filamento, To = temperatura do objeto).

Variável temperatura

Pirômetros ópticos

18/05/2016

Variável temperatura

Pirômetros infravermelhos (-50 a 4000oC)

Pode operar fazendo a radiação incidir sobre uma superfície preta (“corpo negro”) queabsorve o calor e o converte em temperatura. Essa temperatura da superfície pode sermedida utilizando-se diversos termopares em série (maior sensibilidade).

Também podem operar utilizando-se de sensores feitos a partir de dispositivossemicondutores que respondem a radiação na faixa do infravermelho.