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Medição de Temperatura

• Curso: Eng. de Controle e Automação / Elétrica

• Disciplina: Instrumentação

• Professor: Leandro Morais

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Definição de Temperatura

• Temperatura é uma grandeza física que indica a intensidade de calor ou frio de um corpo, de um objeto ou do ambiente.

• Relacionado ao grau de agitação molecular.


Definição de Temperatura

• Influi nas propriedades físicas de uma substância.


Relação:

Temperatura, Volume e Pressão

• É possível escolher materiais ou substâncias nos quais uma dessas grandezas seja muito mais sensível à temperatura do que as demais, isto é, varie muito mais do que as outras, e esta grandeza pode ser eleita como grandeza termométrica.

• Desta forma é possível associar a cada valor de temperatura um valor da grandeza termométrica.

𝑃𝑥𝑉

𝑇= 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒


Relação:

Temperatura, Volume e Pressão

• Um termômetro ou sensor de temperatura nada mais é do que um equipamento, material ou substância que tem uma grandeza termométrica conhecida.

• Toda medição de temperatura é indireta, baseada na alteração de alguma propriedade física de um material, como seu comprimento, volume, resistência elétrica, etc.


Relação

Temperatura ≠ Calor

• Calor é a energia em trânsito em virtude da diferença de temperatura.


Tipos de transmissão de calor

• Condução Sólidos

• Convecção Líquidos e Gases

• Irradiação Sem contato físico


Condução

• Ocorre por contato físico direto.


Convecção

• Transferência de calor de um lugar para o outro pelo deslocamento de material.


Irradiação

• Ondas de calor propagadas por um corpo de energia irradiante.


Tipos de Transmissão de Calor


Termometria

• Termo dado à medição/estudo da temperatura.

• A medição é baseada no equilíbrio térmico, ou seja, é necessário esperar um certo tempo para que o termômetro atinja a mesma temperatura do corpo.


Temperatura

Grandeza física representada pelas seguintes unidades de medidas:

• Escalas Relativas: Celsius e Fahrenheit

• Escalas Absolutas: Kelvin e Rankine


Escalas Relativas

• Baseadas nos pontos de fusão e ebulição da água.

Ebulição

Sólido Líquido Gasoso

Fusão 0°C 32°F

100°C 212°F


Escalas Absolutas

• Baseada no zero absoluto de temperatura.

0 K - 273,15 °C

0 R - 459,67 °F


Principais Escalas de Temperatura


Conversão de Escalas

°𝐶

5=°𝐹 − 32

9=𝐾 − 273

5=𝑅 − 491

9


Exercício

• O ponto de ebulição do oxigênio é -182,86 °C.

• A temperatura média do corpo humano é 36°C.

• Represente essas temperaturas em:

K, °F e R.


Tipos e Características dos medidores de temperatura

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

• Por exemplo: - Quando aquecemos um líquido, o volume deste aumenta.

- Quando aquecemos uma barra de metal, o comprimento dela aumenta.

- Quando aquecemos um fio elétrico, a resistência deste aumenta.

- Quando aquecemos um gás confinado, a pressão deste gás aumenta.

• Os medidores são divididos em dois grupos: contato direto e indireto.



1° Grupo: Contato Direto

• Termômetro à dilatação:

- de líquido;

- de sólido.

• Termômetro à pressão:

- de líquido;

- de gás;

- de vapor.

• Termômetro a par termoelétrico.

• Termômetro à resistência elétrica.

São os mais utilizados nas indústrias de processo contínuo.



2° Grupo: Contato Indireto

• Pirômetro Óptico / Fotoelétrico

• Pirômetro de Radiação


Comparativo entre os tipos medidores de temperatura

DIRETO INDIRETO

Condição necessária para medir com

precisão:

- Estar em contato com o objeto a

ser medido.

- Praticamente não mudar a

temperatura do objeto devido ao

contato do detector.

- A radiação do objeto medido tem

que chegar até o detector.

Características: - Difícil medir a temperatura de

objetos pequenos, pois tem

tendência a mudança de

temperatura quando em contato

com outro objeto cuja temperatura é

diferente.

- É difícil medir o objeto que está em

movimento.

- Não muda a temperatura do objeto

porque o detector não está em

contato direto com o mesmo.

- Pode medir o objeto que está em

movimento.

- Geralmente mede a temperatura

da superfície.

- Depende da emissividade.

Faixa de Temperatura: Indicado para medir temperaturas

menores que 1600°C.

É adequado para medir

temperaturas elevadas.

(> - 50°C)

Precisão: Geralmente, ± 1 % da faixa. Geralmente 3 a 10°C.

Tempo de Resposta: Geralmente Alto (> 5 min.) Geralmente Baixo (0,3 a 3 s)


Medidores de Temperatura do Tipo Contato Direto


Termômetro de dilatação de líquidos

• Lei da expansão volumétrica de um líquido dentro de um recipiente fechado.

• Líquidos mais utilizados:

- Mercúrio

- Álcool Etílico

- Tolueno

• Medição na faixa de – 150°C a + 350°C com precisão de ± 0,5%.


Termômetro de dilatação de líquidos

• Em recipiente de vidro:

- A medição se faz pela leitura da escala no topo da coluna líquida.

• Em recipiente metálico:

- A dilatação do líquido provoca a deformação do tubo de Bourdon. (Utilizados em termômetros de dilatação de gases e a pressão de vapor.)


Termômetros Bimetálicos

Princípio de Funcionamento:

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

• O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de metais diferentes, justapostas , formando uma só peça.

• Quando ocorre o aquecimento da peça, a dilatação do material provoca um aumento de seu comprimento sendo esta deformação proporcional à temperatura.




• A equação básica que rege esta relação é:

Lt = L˳ .( 1 + α . ∆t ) onde:

∆t = t - t˳

t = temperatura do metal em °C

t˳ = temperatura de referência do metal em °C (normalmente 0°)

L˳ = comprimento do metal à temperatura de referência.

Lt = comprimento do metal à temperatura t em °C.

α = coeficiente de dilatação linear



• São utilizados para medir temperaturas na faixa de - 50 até 800°C, onde respostas rápidas não são exigidas.

• São mais utilizados no campo, como indicadores, já que são desprovidos de facilidade de transmissão de sinal, e portanto, não permitindo leitura remota.


Termômetros de Resistência

• Quase todos os materiais condutores elétricos apresentam uma dependência entre a resistência e a temperatura.

• Este fenômeno permite seu emprego como sensores.



Sensores por Bulbo de Resistência • As termoresistências ou bulbo de resistência ou ainda RTD

(Detector de temperatura a resistência) são sensores que se baseiam no princípio da variação da resistência ôhmica em função da temperatura.

• Para uso industrial são usados sensores com fios de platina,

níquel, cobre e uma liga de 70% Ni – 30% Fe. Dentre eles o mais utilizado é a platina, pois ela apresenta alto nível de pureza possibilitando maior sensibilidade, boa relação resistência x temperatura e também por ter rigidez e ductibilidade para ser transformada em fios finos.

Medição de Temperatura Termômetros de Resistência

Sensores por Bulbo de Resistência

• A faixa de trabalho varia de acordo com o material utilizado (Pt, Ni, Cu) e pelo tipo de elemento isolante.

• Os sensores de platina, devido às suas características, permitem um funcionamento até temperaturas mais elevadas e têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro.

• Na utilização de elemento isolante tipo vidro de selagem a faixa de trabalho é de – 269,15°C a 450°C.

• Já na utilização de elemento isolante do tipo cerâmica a faixa de trabalho varia até 850°C.



O SENSOR PT 100

• Assim chamado por ser composto de platina e resistência padronizada de 100 Ω a 0°C.

• É o termoresistor mais utilizado no mundo, devido à sua estabilidade, repetibilidade, precisão e ampla faixa de operação.

• Seu custo é praticamente igual ou até inferior ao dos sensores de metais menos nobres.

• Encontram-se sensores PT 100 para operar na faixa de -250°C até 850°C.


O sensor PT 100


• A medição da temperatura é feita medindo-se a variação da resistência elétrica do elemento sensor, através de técnicas que garantem alta precisão nos valores obtidos.

• Dentre elas, a mais utilizada é a Ponte de Weatstone. O circuito inicialmente é posto em equilíbrio e desta forma não circula corrente entre os pontos A e B que se encontram com potenciais idênticos.

A

B


O sensor PT 100


• Quando ocorre variação de temperatura a resistência do sensor varia, desequilibrando o circuito de forma proporcional à temperatura.

• R1 = R2 = Resistência fixa.

• R3 = Resistência variável.

• R4 = Resistência de Medição


O sensor PT 100

Medição de Temperatura Termistores

• São termoresistências compostas de materiais semicondutores, usualmente óxido de níquel, manganês, cobalto e outros.

• Apresentam grande variação da resistência elétrica com a temperatura. Sua faixa de medição varia entre – 100°C a + 300°C.

Medição de Temperatura Termistores

• Na prática, existem dois tipos de termistores: O primeiro compreende tipos de baixa precisão (5 a 10%) e baixo custo, robustos, empregados em medições grosseiras e na proteção térmica. Por exemplo, na indicação de alarme de temperatura em veículos.

• No segundo estão os termistores de precisão (até 0,05°C) usados na medição de contato direto, principalmente em laboratórios e como sensores auxiliares de compensação de temperatura em instrumentos diversos.

• Relativamente caros, e sua não linearidade exige o uso de circuitos adequados , limitando a sua aplicação em faixas estreitas de temperatura.

Medição de Temperatura Termopares

• Apesar da crescente aplicação do PT 100 nas medições de temperatura, os termopares continuam sendo um dos sensores mais empregados nas aplicações industriais.

• Sua confiabilidade, baixo custo e padronização, aliados à precisão, estabilidade e repetibilidade satisfatórias, na maioria dos casos, justifica essa preferência. Além disso, abrangem uma grande faixa de temperaturas.


Princípio de Funcionamento

• Os fenômenos termoelétricos compreendem três efeitos: Seebeck, Peltier e Thompson.

• Em um circuito formado por dois fios condutores de metais diferentes circula corrente se as duas junções forem mantidas à temperaturas diferentes, T1 e T2, e que esta corrente será diretamente proporcional à diferença entre as temperaturas.


Princípio de Funcionamento

• Esta diferença de potencial não depende nem da área de contato e nem de sua forma, mas sim da diferença de temperatura entre as extremidades denominadas junção quente e fria.

• A ddp vai variar de acordo com a natureza dos metais.


Tipos e Características

• Existem várias combinações de dois metais condutores operando como termopares.

• Podemos dividir os termopares em dois grupos:

- Termopares Básicos

- Termopares Nobres


Termopares Básicos

• São assim chamados os termopares de uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior.

Exemplos:

Tipo T

• Liga de Cobre – Constantan (Cu-Co)

• Faixa de Utilização: - 184°C a 370°C

• Boa precisão devido a homogeneidade do cobre

• Aplicações: Criometria, Indústrias de Refrigeração.


Tipo J • Liga de Ferro – Constantan (Fe-Co)

• Faixa de Utilização: 0°C a 760°C

• Baixo custo, um dos mais utilizados na indústria.

• Aplicações: Centrais de Energia, Metalúrgica, Industrias em geral.

Tipo E • Liga de Chromel (Ni90-Cr10) – Constantan (NiCr-Co)


• Possui maior potência elétrica entre os termopares.

• Utilizados em pirômetros de radiação.

• Aplicações: Química, Petroquímica.


Tipo K

• Liga de Chromel (Ni90-Cr10) – Aiumel (Ni95) (NiCr-Ni)


• Utilizado mais na faixa entre 700 e 1260°C.

• Em altas temperaturas é mais resistente que os do tipo S e R,

tendo uma vida útil maior que o tipo J.

• Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de

Cimento e Cal, Vidros, Cerâmica, Industrias em geral.


Termopares Nobres

• São pares constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão devido a pureza dos fios.

Exemplos:

Tipo S • Liga de Platina-Rhodio (Pt90-Rh10) – Platina (100%)


• Boa precisão em altas temperaturas, usado como Padrão.

• Na faixa entre 1200 a 1768°C é utilizado em “Sensores descartáveis” para medição de metais líquidos em Siderúrgicas e Fundição. Aplicações: Indústrias e pesquisa.


Tipo R

• Liga de Platina-Rhodio (Pt87-Rh13) – Platina (100%)

• Faixa de Utilização: 0°C a 1480°C.

• Mesmas características do tipo S, porém menos utilizado.

• Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e Cal, Vidros, Cerâmica, Industrias em geral.

Tipo B

• Liga de Platina-Rhodio (Pt70-Rh30) – Platina (Pt94-Rh6)

• Faixa de Utilização: 870°C a 1705°C.

• Usado acima de 1400°C. Mais estável que os tipos S e R.

• Aplicações: Siderúrgicas, Vidros, altas temperaturas em geral.


• Associação em Série: Ampliação do sinal elétrico.

• Associação em Paralelo: Temperatura média.

• A interligação dos termopares com os instrumentos de recepção deve obedecer critérios específicos já que na sua junção não pode ocorrer o “aparecimento” de novos termopares. Para isto, ou se utiliza cabos/fios do mesmo material ou por questões de custo, utiliza cabos de material diferente que não causem interferência nas medições.


• É muito comum a inversão de polaridade nas conexões, portanto devemos nos atentar na instalação do medidor para garantir a precisão nas medições.


Medidores de Temperatura do Tipo Contato Indireto


• Como realizar a medição de temperatura de metais incandescentes em fundição?


Irradiação

• Ondas de calor propagadas por um corpo de energia irradiante.


• Criometria:

- Medição de baixas temperaturas, próximas do zero absoluto.

• Pirometria:

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


Pirômetro

• Instrumento utilizado para medir altas temperaturas;

• Medição de temperatura sem contato com o corpo;


Pirômetro óptico

• Opera por comparação de cores: entre a cor de um filamento aquecido e a cor do corpo medido;

• A faixa de medição encontra-se em temperaturas acima de 500 / 600°C, nas quais o material começa a emitir radiação no espectro visível (incandescência), até temperaturas da ordem de 5000°C.

• Usado na medição da temperatura de metais incandescentes.


Pirômetro Óptico Princípios de Medição

• Olhando pelo visor do pirômetro observa-se o objeto metal que está focado no interior do pirômetro, ajusta-se depois manualmente a corrente elétrica que percorre um filamento (referência) que esquenta.

• A cor do filamento é definida pela corrente elétrica que circula pelo mesmo, a qual é medida por um miliamperímetro com uma escala relativa a temperatura do objeto.

• Quando a cor do filamento é idêntica à do metal, pode-se ler a temperatura numa escala disposta junto ao elemento de ajuste da cor do filamento.



• Este medidor apresenta pouca precisão por estar dependente da comparação feita pelo olho humano.


Pirômetro Infravermelho

• Conhecido também como termômetro infravermelho.

• Medição de temperatura da superfície do objeto.


Pirômetro Infravermelho Princípios de Medição

• Um objeto reflete, transmite e emite energia. Somente a energia emitida interessa para a medição de temperatura.

• O sistema óptico do sensor captura a energia emitida de um ponto de medição circular e focaliza no detector.

• A emissividade caracteriza o percentual de energia que é emitido pela superfície.


Pirômetro Infravermelho Características:

• A distância do medidor infravermelho em relação ao alvo, influencia na resposta conforme as especificações dos fabricantes.

• A medida é executada levando em conta a área enquadrada pelo instrumento, de acordo com a sua abertura.


Pirômetro Infravermelho Características:

• Cobrem a faixa aproximada de 0°C até 4000°C, captando a energia radiante no espectro infravermelho.


• Como realizar a medição de corpos em movimento?

• Como realizar a medição em objetos perigosos e fisicamente inacessíveis?


Zero Absoluto

- Toda forma de matéria com temperatura

acima do zero absoluto emite radiação

infravermelha de acordo com a

temperatura.


Termografia

• A vibração de campos elétricos e magnéticos que se propagam no espaço à velocidade da luz gera uma onda eletromagnética, e o conjunto de ondas eletromagnéticas forma o espectro eletromagnético.

• O Infravermelho é uma frequência eletromagnética naturalmente emitida por qualquer corpo, com intensidade proporcional a sua temperatura.

• As cores das imagens estão associadas à temperatura


Termografia • Utilizada na inspeção de temperatura em linhas de

transmissão, painéis elétricos, dentre outros;

• Manutenção Preventiva e Preditiva em diversos segmentos.

• Verificação de aquecimento ocasionado por mau contato, oxidação, desgastes ou sobrecarga do circuito.


Termografia


Termografia

• Utilizada na medicina na avaliação de detecção de doenças, luxações, etc..


Obrigado !

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