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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".
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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)
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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
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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:
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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:
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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
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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.
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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)
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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
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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.
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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)
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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
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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.