modulo 4 - temperatura_utilizado

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA

CAMPUS ARACAJU

DISCIPLINA: INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

Prof. BUZINARO

Temperatura

Prof.: Marco Buzinaro 2

1. TEMPERATURA

A temperatura é uma quantidade de base do SI, conceitualmente

diferente na natureza do comprimento, tempo e massa. Quando dois corpos de

mesmo comprimento são combinados, tem-se o comprimento total igual ao dobro do

original. O mesmo vale para dois intervalos de tempo ou para duas massas. Assim,

os padrões de massa, comprimento e tempo podem ser indefinidamente divididos e

multiplicados para gerar tamanhos arbitrários.

O comprimento, massa e tempo são grandezas extensivas.

A temperatura é uma grandeza intensiva. A combinação de dois corpos à

mesma temperatura resulta exatamente na mesma temperatura.

1.1. UNIDADES

Em 1967 foi adotado o kelvin no lugar do grau kelvin. Atualmente, kelvin

é a unidade SI base da temperatura termodinâmica e o seu símbolo é K. O correto é

falar simplesmente kelvin e não, grau kelvin. Na prática, usa-se o grau Celsius e o

kelvin é limitado ao uso científico ou a cálculos que envolvam a temperatura

absoluta.

A temperatura Celsius (Tc) está relacionada com a temperatura kelvin (Tk)

pela equação: Tc = Tk - 273,15. A constante numérica na equação (273,15)

representa o ponto tríplice da água 273,16 menos 0,01.

Temperatura


1.2. ESCALAS

Figura 2 Figura 1. 1 - Escalas Celsius, Kelvin e Fahrenheit.

1.3. MEDIÇÃO DA TEMPERATURA

1.3.1. Introdução

Os sensores de temperatura podem ser classificados, de um modo geral,

em mecânicos e eletrônicos.

Os sensores mecânicos mais usados são:

Bimetal;

Sistema de enchimento termal e;

Haste de vidro.

Já os sensores elétricos são:

Termopar;

Resistência metálica;

Temperatura


Termistores ou resistência a semicondutor.

Há ainda os pirômetros ópticos e de radiação, para medição de

temperatura sem contato direto.

Tabela 2: Faixas e métodos de medição

1.3.2. Seleção do Elemento Sensor

A seleção do elemento sensor de temperatura mais adequada é parecida

com a escolha dos elementos de pressão. É uma tarefa mais simples, pois não

envolve necessariamente as características do fluido do processo, como ocorre na

medição de nível e vazão. Um método de medição de vazão ou nível pode não

funcionar, o que também é diferente do meio de medição de temperatura.

Geralmente, o meio de medição de temperatura escolhido funciona e, na escolha,

deve-se preocupar mais com os aspectos de custo, precisão, tempo de resposta,

faixa de medição, preferência e vantagens de manutenção. Os parâmetros da

escolha para os elementos sensores são:

Função requerida indicação, registro ou controle;

Local de montagem e display;

Faixa de medição, com os valores de trabalho, máximo e mínimo

da faixa. Obs.: As medições de temperaturas muito baixas (< -50

oC) e elevadas (>150 oC), requerem cuidados especiais.

Temperatura


1.4. TIPOS DE TERMOMÊTROS

1.4.1. Termômetros de vidro

Em um termômetro com haste de vidro, a variação volumétrica resultante

da expansão termal é interpretada como temperatura. Este termômetro foi o

primeiro sistema de expansão termal fechado e foi conhecido desde o século XVIII,

quando Gabriel Daniel Fahrenheit investigava a expansão do mercúrio. O termômetro

de vidro é constituído de:

Bulbo sensor;

Haste de vidro com escala graduada e tubo capilar interno e;

Fluido de enchimento.

O bulbo sensor é a parte sensível do termômetro e deve ser colocado no

local onde se quer medir a temperatura. A maioria do fluido fica no bulbo.

A haste de vidro possui um tubo capilar interno, onde o fluido irá se

expandir. Embora o bulbo e o tubo capilar possam ser do mesmo material, é mais

conveniente usar um vidro para o bulbo com um bom fator de estabilidade e para o

capilar usa-se um vidro fácil de ser trabalhado.

A haste é frequentemente projetada e construída com uma escala

amplificadora, para melhorar a leitura.

Como fluídos de enchimento, podemos ter:

1. Mercúrio, cujo fator de expansão é linear. Assim, o volume do bulbo

deve ser cerca de 10 000 vezes o volume do capilar;

2. Álcool;

3. Pentano ou;

4. Éter.

O termômetro de mercúrio pode ser usado entre –39 oC (ponto de

solidificação) e 538 oC (ponto de ebulição). A desvantagem do mercúrio é sua

toxidez.

Os termômetros com álcool e éter são usados em temperaturas mais

baixas. Geralmente adiciona-se tinta colorida (azul, verde, vermelha) para aumentar

a visibilidade.

Temperatura


Figura 1. 2 - Termômetro de haste de vidro.

O termômetro de haste de vidro pode medir faixas estreitas de

temperatura. Por exemplo, o termômetro clínico tem:

1. Comprimento útil de 100 mm;

2. Faixa de medição de 35,0 e 42,0 oC;

3. Volume do bulbo de 0,5 cm3;

4. Diâmetro do capilar de 0,025 mm.

Vantagens e Desvantagens

Como vantagens do termômetro de vidro, pode ser citado:

1. Baixo custo;

2. Simplicidade e;

3. Grande duração, se manipulado corretamente.

E como desvantagens, pode ser citado:

1. Leitura difícil;

2. Confinamento ao local de medição;

3. Não adaptável para transmissão, registro ou controle automático;

4. Susceptível de quebra, pois é de vidro frágil.

Temperatura


1.4.2. Bimetal

O termômetro a bimetal possui todos os componentes de medição –

sensor, condicionador e indicador – em um único invólucro.

O princípio de funcionamento é simples dois metais com coeficientes de

dilatação térmicas diferentes são soldados a uma única haste. A uma determinada

temperatura, a haste dos dois metais está numa posição, quando a temperatura

varia, a haste modifica a sua posição produzindo uma força ou um movimento.

As partes do termômetro a bimetal são:

O sensor, em contato direto com a temperatura;

Os elos mecânicos, para amplificar mecanicamente os movimentos

gerados pela variação da temperatura, detectada pelo bimetal;

A escala acoplada diretamente aos elos mecânicos, para a

indicação da temperatura medida e;

Opcionalmente, pode-se usar o sistema de transmissão.

Figura 1. 3 – Bimetal.



1. Baixo custo;

2. Simplicidade do funcionamento;

3. Facilidade de instalação e de manutenção;

Temperatura


4. Largas faixas de medição e;

5. Possibilidade de ser usado com os mecanismos de transmissão.


1. Precisão ruim;

2. Não linearidade de indicação;

3. Grande histerese;

4. Presença de peças móveis que se desgastam e;

5. Facilidade de perder calibração.

A principal aplicação para o termômetro a bimetal é em indicação local de

temperaturas de processo industrial. É muito usado para controle comercial e

residencial de temperatura associado ao ar condicionado e refrigeração.

O sensor a bimetal integral ao instrumento não pode ser calibrado

isoladamente, mas somente pode ser inspecionado visualmente, para verificar

corrosão ou danos físicos evidentes. O que se faz é calibrar o sistema de indicação,

colocando-se o termômetro em um banho de temperatura e comparando as

indicações do termômetro com as indicações de um termômetro padrão colocado

junto. O termômetro a bimetal pode ser calibrado e, se necessário, ajustado nos

pontos de zero e de amplitude de faixa.

1.4.3. Enchimento Termal

O sistema termal de enchimento mecânico foi um dos métodos mais

usados no início da instrumentação, para a medição de temperatura. O método foi e

ainda, um meio satisfatório de medição da temperatura para a indicação, registro e

controle locais. Seu uso não é limitado a leitura local ou controle, mas é utilizado

para a transmissão pneumática para leitura ou controle remoto.

Os componentes básicos do sistema termal de enchimento mecânico são:

Bulbo sensor, em contato com o processo;

Elemento de pressão, montado no interior do instrumento

receptor, que pode ser um transmissor pneumático, um indicador,

um registrador ou um controlador, todos montados próximos ao

processo;

Temperatura


Tubo capilar, ligando o bulbo ao elemento de pressão do

instrumento;

Opcionalmente pode haver o sistema de compensação da

temperatura ambiente.

Figura 1. 4 – Indicador de temperatura com enchimento termal.

O sistema termal é ligado a um dispositivo de display, para apresentação

do valor da temperatura. O conjunto bulbo + capilar + elemento receptor é cheio de

um fluido. O tipo do fluido determina a classe ou o grupo do sistema termal. A

classificação estabelecida pela Scientific Apparatus Manufacturer Association (SAMA)

é a seguinte:

A Classe I usa como enchimento líquido não volátil geralmente a

glicerina. O princípio de funcionamento é a dilatação do líquido. A variação da

temperatura medida faz o fluido se dilata, variando a pressão interna do sistema. A

pressão e suas variações são sentidas pelo elemento receptor de pressão.

A classe II é cheia de um líquido volátil, como o álcool ou o éter. Seu

princípio de funcionamento é a característica temperatura x pressão de vapor da fase

líquido-vapor. Como não há dilatação, não há influência da temperatura ambiente e,

portanto não há necessidade de compensação da temperatura ambiente. Porém, são

definidas quatro subclasses:

Temperatura


Classe IIa - assumindo que o capilar e a caixa do instrumento estejam à

temperatura ambiente, a temperatura do bulbo está sempre acima da temperatura

ambiente.

Classe IIb - a temperatura do bulbo sensor é sempre menor que a

temperatura ambiente.

Classe IIc - a temperatura do bulbo e a medida podem assumir valores

acima e abaixo da pressão ambiente.

Classe IId - introduz-se no sistema um líquido não-volátil, para ser

tampão do líquido volátil, com a finalidade de eliminar a descontinuidade no ponto

da temperatura ambiente.

O enchimento da classe III é com gás, geralmente o Nitrogênio. Baseia-se

também na dilatação volumétrica do gás de enchimento e, portanto requer

compensação das variações da temperatura ambiente.

Figura 1. 5 – Sistema de enchimento termal.

Temperatura




1. É um método simples e de uso comprovado;

2. Não requer nenhuma fonte de alimentação, a não ser que haja

transmissão;

3. Possuem construção robusta e insensível às vibrações e aos choques

mecânicos;

4. Há uma boa seleção de faixas calibradas e larguras de faixas de

medição estreitas e;

5. São mecânicos, portanto seguros em qualquer atmosfera perigosa.


1. Tempo de resposta lento;

2. Falha no bulbo requer a substituição do elemento completo, constituído

de bulbo + capilar + elemento sensor de pressão.

O sistema termal de enchimento é usado para a indicação, registro e

controle local. É também usado como sensor do transmissor pneumático. É o método

de medição de temperatura de natureza mecânica mais utilizado. Atualmente, por

causa do alto custo é substituído por elementos sensores elétrico.

1.4.4. TERMOPAR

Os termopares transformam calor em eletricidade. As duas extremidades

de dois fios de metais diferentes (por exemplo: ferro e constantant), são trançadas

juntas para formar duas junções: uma de medição e outra de referência. Um

voltímetro ligado em paralelo irá mostrar uma tensão termelétrica gerada pelo calor.

Esta tensão é função da:

1. Diferença de temperatura entre a junção de medição e a junção de

referência, que é o princípio da medição da temperatura;

2. Tipo do termopar usado. Pesquisas são desenvolvidas para se

encontrar pares de metais que tenham a capacidade de gerar a máxima militensão

quando submetidos a temperaturas diferentes.

Temperatura


3. Homogeneidade dos metais. As instalações de termopar requerem

calibrações e inspeções periódicas para verificação do estado dos fios termopares. A

degradação do termopar introduz erros na medição.

Circuito de medição

O circuito de medição completo deve possuir os seguintes componentes

básicos:

1) O termopar, que está em contato com o processo. O ponto de junção dos dois

metais distintos é chamado de junta quente ou junta de medição;

2) A junta de referência ou junta fria ou junta de compensação localizada no

instrumento receptor. Como a militensão é proporcional à diferença de

temperatura entre as duas junções, a junta de referência deve ser constante.

3) Circuito de detecção do sinal de militensão, geralmente a clássica ponte de

Wheatstone, com as quatro resistências de balanço. Na prática o circuito é mais

complexo, colocando-se potenciômetros ajustáveis no lugar de resistências fixas.

Os ajustes correspondem aos ajustes de zero e de largura de faixa;

4) A fonte de alimentação elétrica, de corrente contínua, para a polarização dos

circuitos elétricos de detecção, amplificação e condicionamento dos sinais.

Tipos de termopares

Existem vários tipos de termopares, designados por letras; cada tipo

apresenta uma maior linearidade em determinada faixa de medição. Essa variedade

de tipos facilita a escolha, principalmente porque há muita superposição de faixa,

havendo uma mesma faixa possível de ser medida por vários termopares.

Os tipos mais utilizados são:

1) Tipo J, de Ferro (+) e Constantant (-), com faixa de medição até 900 oC. Para a

identificação, o Fe é o fio magnético;

2) Tipo K, de Cromel (+) e Alume1 (-), para a faixa de medição até 1.200 oC, sendo

o Cromel levemente magnético;

3) Tipo T, de Cobre (+) e Constantant (-), para faixa até 300 oC. É fácil a

identificação do cobre por causa de sua cor característica;

4) Tipo S, com a liga (+) de Platina (90%) + Ródio (10%) e Platina pura (-). Atinge

até medição de 1.500 oC e para identificação, platina pura é a mais maleável;

Temperatura


5) Tipo R, também liga (+) de Platina (87%) + Ródio (13%) e Platina (-), com a

mesma faixa de medição até 1.500 oC e identificando-se a platina pura pela

maior maleabilidade.


O termopar apresenta todas as vantagens inerentes ao sistema elétrico.

Por isso, quando comparado ao sistema mecânico de enchimento termal tem-se:

1. Menor tempo de atraso;

2. Maiores distâncias de transmissão;

3. Maior flexibilidade para alterar as faixas de medição;

4. Maior facilidade para reposição do elemento sensor, quando

danificado;

5. Maior precisão.

Quando comparado com a resistência detectora de temperatura, tem-se:

1. Custo do elemento termopar é menor;

2. Tamanho do elemento sensor é menor, portanto com tempo de

resposta menor e mais conveniente para montagem;

3. Meios de calibração são mais fáceis;

4. Verificações de calibração mais fáceis. Aliás, a medição de temperatura

com termopar é autoverificável, quando se tem o dispositivo de proteção de queima

(burnout) do termopar. Incorpora-se no circuito de medição, um sistema para levar a

indicação da leitura para o fim ou para o início da escala, quando ocorrer o

rompimento da junta de medição;

5. Flexibilidade para modificação do circuito, para medição de soma ou

subtração de temperaturas;

6. As larguras de faixas medidas são maiores que as conseguidas no

sistema mecânico e com o bulbo de resistência.

Porém, ele apresenta desvantagens, com relação ao sistema de

enchimento mecânico e com relação ao bulbo de resistência elétrica:

1. A característica temperatura x militensão não é linear totalmente;

2. O sinal de militensão pode captar ruídos na linha de transmissão;

3. O circuito de medição é polarizado, quando o da resistência não o é;

Temperatura


4. A junta de medição pode se deteriorar, se oxidar e envelhecer com o

tempo.

1.4.5. Resistência detectora de temperatura (RTD)

A resistência elétrica dos metais depende da temperatura; este é o

princípio de operação do sensor de temperatura a resistência elétrica (RTD -

Resistance Temperature Detector). Quando se conhece a característica temperatura

x resistência e se quer a medição da temperatura, basta medir a resistência elétrica.

Essa medição é fácil e prática. Normalmente, a resistência metálica possui o

coeficiente térmico positivo, ou seja, o aumento da temperatura implica no aumento

da resistência elétrica.

A resistência de material semicondutor (Si e Ge) e as soluções eletrolíticas

possuem coeficientes térmicos negativos, onde o aumento da temperatura provoca a

diminuição da resistência. A resistência elétrica a semicondutor, com coeficientes

negativos, é chamada de termistor e é usada também como sensor de temperatura e

nos circuitos de compensação de temperatura ambiente e das juntas de referência

do termopar.

Os tipos mais comuns de resistência metálica são a platina, níquel e

cobre.

Materiais da RTD

Os metais mais usados são: platina, níquel e cobre. Também é usado

material semicondutor (termistor).

Platina

A platina (Pt) é usada para medição de faixas entre 0 e 650 oC. A

característica resistência x temperatura é linear nesta faixa e apresenta grande

coeficiente de temperatura. O sensor Pt 100 tem resistência de 100 Ω à 0 oC e de

aproximadamente 139 Ω à 100 oC. Embora a mais cara, a platina possui as seguintes

vantagens:

1. Disponível em elevado grau de pureza;

2. Resistente à oxidação, mesmo à alta temperatura;

Temperatura


3. Capaz de se transformar em fio (dúctil).

Níquel

O níquel (Ni) é o segundo metal mais utilizado para a medição de

temperatura. É também encontrado em forma quase pura, entre 0 oC a 100 oC

apresenta um grande coeficiente termal. Porém, a sua sensibilidade decresce

bruscamente em temperaturas acima de 300 oC. A sua curva resistência x

temperatura é não linear.

Cobre

O cobre (Cu) é outra resistência utilizada, porém em menor frequência

que as resistências de Platina e de Níquel.


Quando comparada com o termopar, a resistência detectora de

temperatura de platina apresenta as seguintes vantagens:

1. Altíssima precisão. Provavelmente a medição de temperatura através

da platina é a mais precisa em todo o campo da instrumentação;

2. Não apresenta polaridade (+) e (-);

3. Apropriada para medição de temperatura média enquanto o termopar é

adequado para medição de temperaturas em um ponto;

4. Capaz de medir largura de faixa estreita, de até 5 oC.

5. Mantém-se estável, precisa e calibrada durante muitos anos.

Como desvantagens pode ser citado:

1. Alto custo;

2. Bulbos maiores;

3. Tempo de resposta é mais demorado;

4. Auto-aquecimento da resistência constitui um problema;

Temperatura


A resistência detectora de temperatura é aplicada quando se quer uma

medição com altíssima precisão e estabilidade e quando a largura de faixa de

medição é estreita.

Figura 1. 6 – Resistências dentro de bulbos, com os cabeçotes de acesso.

1.4.6. Termistor

O termistor é considerado um detector de temperatura a resistência

(RTD). As diferenças básicas entre o termistor e uma resistência convencional são as

seguintes:

1. O coeficiente de temperatura é negativo:

2. Sua resposta é mais rápida e seu tamanho é menor;

3. Seu custo é muito menor que o da resistência de Pt ou Ni.

As suas desvantagens são: a limitação das faixas de medição (-50 a 300

oC) e a menor precisão. A maior aplicação do termistor é em circuitos de

compensação de temperatura ambiente na junta de termopar.

1.4.7. Pirômetros de radiação

Os métodos convencionais de medição de temperatura vistos até agora

requerem que o sensor seja levado ao contato físico com o corpo cuja temperatura

se quer medir. Também, o sensor de temperatura geralmente deve assumir a

mesma temperatura que a do corpo sendo medida. Isto significa que o sensor deve

ser capaz de suportar esta temperatura, que no caso de corpos muito quentes, é um

Temperatura


problema prático, pois o sensor pode derreter na alta temperatura de medição. Para

corpos que estão se movendo, é praticamente impossível usar um sensor com

contato. Mais ainda, quando se quer determinar as variações de temperatura sobre a

superfície de um objeto, um sensor fixo de contato não pode varrer toda a

superfície.

Os termômetros ou pirômetros de radiação são medidores de temperatura

sem contato, muito usados industrialmente. Eles são disponíveis com vários tipos

diferentes de sensores de radiação e podem ter vários nomes diferentes: pirômetro

de radiação, termômetro de radiação, pirômetro óptico ou termômetro

infravermelho. Como os nomes não são padronizados e nem rigorosos, sempre deve-

se analisar o principio de funcionamento do equipamento e não confiar somente no

nome.

Figura 1. 7 – Pirômetro portátil.

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