Temperatura

Temperatura

ConceitosTemperatura: Grandeza física que mede o estado de agitação das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico.

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

Calor: É a energia que é transferida entre um sistema e seu ambiente, devido a uma diferença de temperatura que existem Calor: É a energia que é transferida entre um sistema e seu ambiente, devido a uma diferença de temperatura que existem entre eles.

Termometria: “Medição de Temperatura”, é o termo mais abrangente que inclui tanto a pirometria como a criometria.

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

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

Formas de Transferência de Calor

Condução (sólidos): Transferência de calor por contato físico.

Convecção (líquidos e gases): Transmissão ou transferência de calor de um lugar para outro deslocamento de material.

Temperatura

deslocamento de material.

Radiação (sem contato físico): Emissão contínua de energia de uma corpo para outro, através do vácuo ou do ar.

A escala Celsius, que divide a medição de temperatura em 100 partes iguais, denominadas graus Celsius é de uso universal, e a Fahrenheit, que é dividida em 180 partes iguais denominados graus Fahrenheit, é usada em muitos paises de língua inglesa. Tanto Celsius como Fahrenheit, são escalas relativas.

Escalas Relativas e Absolutas

Temperatura

relativas.

O físico irlandês William Thomson (lorde Kelvin) chegou à conclusão de que, se a temperatura mede a agitação das moléculas, então a menor temperatura possível aconteceria quando as moléculas estivessem em repouso absoluto. A esse estado de repouso térmico chamamos zero absoluto. Baseado no conceito de temperatura, ele criou a Escala Absoluta, conhecida como Escala Kelvin.

Escalas Relativas e Absolutas Temperatura

Medidores de Temperatura

1ª Classe: Elemento sensível está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir.

-Termômetros à dilatação de líquido.-Termômetros à dilatação de gás;-Termômetros à dilatação de sólido;-Termômetros à par termo elétrico;

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-Termômetros à par termo elétrico;-Termômetros à resistência elétrica;

2ª Classe: Elemento sensível não está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir.

-Pirômetros à radiação total;-Pirômetros à radiação parcial.

Termômetro de Dilatação Volumétrica

Dilatação volumétrica de um líquido dentro de um recipiente fechado, com o aumento da temperatura.

Temperatura

Termômetros

Instrumento de indicação, alarme, monitoração e controle de temperatura para qualquer tipo de aplicação industrial, com precisão , robustez, e confiança

Características•Robusto e resistente à vibração

Temperatura

•Robusto e resistente à vibração•Alta precisão (Classe 1)• Resposta rápida •Não requer alimentação elétrica

A ponta sensora é preenchida com Nitrogênio. Mudanças de temperatura causa mudança de pressão no gás que se expande, provocando um curvamento num bourdon que movimenta o ponteiro .

Temperatura

Termômetro de Dilatação Volumétrica

Termômetro de Vidro de Mercúrio – amplamente usado em laboratórios, oficinas e quando protegidos na área industrial.

Termômetro Metálico de Mercúrio – bastante usado em áreas industriais como indicador local.

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Termômetro de expansão

Temperatura

Termômetro “Capela”

Proteção de alumínio anodizado e haste de latão de 25 a 1000 mm, rosca opcional, capilar redondo branco ou amarelo, conforme norma DIN.

Termômetro de Expansão de Gás

A alteração da temperatura varia a pressão do gás conforme a Lei dos gases perfeitos (Gay-Lussac), sendo o volume constante.

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Elemento de Medição

Bulbo

Capilar

O elemento de medição pode ser do tipo Bourdon, Espiral ou Helicoidal.

Aplicação : Para processos químicos e petroquímicos, alimentícios, papel e celulose.

Termômetro de Expansão de Gás

Temperatura

Tipos de Gás de Enchimento:-Hélio (He);-Hidrogênio (H2);-Nitrogênio (N ) (Faixa: -100 a 600ºC);-Nitrogênio (N2) (Faixa: -100 a 600ºC);-Dióxido de Carbono (CO2).Material de Construção do bulbo e capilar:-Aço, Aço inox, Cobre, Latão e Monel.

Material de Construção do Elemento de Medição:Cobre-Berílio, bronze fosforoso, aço e aço inox.

Termômetro Bimetálico

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

O termômetro bimetálico consiste em duas laminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando

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com coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional a temperatura.

Temperatura

Termômetro Bimetálico

Normalmente usa-se o Invar (aço c/ 36% de níquel) com baixo coeficiente de dilatação e o latão de alto coeficiente de dilatação.

Faixa de Trabalho: -50 a 800ºC

Termômetros Bimetálicos - NBR 13881

Temperatura

Temperatura

NBR 13881 – Termômetros bimetálicos – Recomendações d e fabricação e uso – Terminologia, segurança e calibra ção

Faixas de indicação (Recomendadas):

Para aplicações industriais e

Para laboratório, termômetros frigoríficos e de Para aplicações industriais e

comerciais:

•- 30°C a 70°C

• 0°C a 60°C

• 0°C a 100°C

• 0°C a 160°C

• 0°C a 250°C

• 0°C a 400°C

frigoríficos e de bolso:

•- 50°C a 50°C

• 0°C a 60°C

• 0°C a 100°C

• 0°C a 160°C

• 0°C a 250°C

• 0°C a 400°C

Temperatura

Efeitos Termoelétricos

Experiência de Seebeck: Num circuito fechado, formado por dois fios de metais diferentes, se colocamos 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.temperatura entre as duas junções.

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Efeitos Termoelétricos

Experiência de Peltier: Passando uma corrente elétrica, por um par termoelétrico, uma das junções se aquece enquanto a outra se resfria.

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Efeitos Termoelétricos

Efeito Volta: Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencial, que depende da temperatura e não pode ser medida diretamente.

Efeito Thomson: Quando colocamos as extremidades de Efeito Thomson: Quando colocamos as extremidades de um condutor homogêneo à temperaturas diferentes, uma força eletromotriz aparecerá entre estas duas extremidades, sendo esta, chamada de F.E.M. Thomson, que depende do material e da diferença da temperatura, não pode ser medida diretamente.

Temperatura

Leis da Termoeletricidade

Lei do Circuito Homogêneo: A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico tendo duas junções em temperaturas diferentes não depende do gradiente da temperatura ou da distribuição de temperatura ao longo dos fios.

As únicas temperaturas relacionadas com a F.E.M. são as das As únicas temperaturas relacionadas com a F.E.M. são as das junções (JQ e JF). Todas as temperaturas intermediárias não interferem na F.E.M. resultante.

Temperatura

Leis da TermoeletricidadeLei das Temperaturas Intermediárias: Se a F.E.M. de vários metais versus um metal de referência, por exemplo, platina, é conhecida, então a F.E.M., de qualquer combinação dos metais pode ser obtida por uma soma algébrica.

A temperatura da junta de referência pode estar em qualquer valor conveniente, e a temperatura da junta de medição pode valor conveniente, e a temperatura da junta de medição pode ser encontrada, por simples diferença, baseando-se em uma tabela relacionada a uma temperatura padrão, por exemplo 0ºC.

Temperatura

Leis da Termoeletricidade

Lei do Metal Intermediário: A F.E.M. do termopar não será afetada se em qualquer ponto de seu circuito for inserido um metal qualquer, diferente do já existente, desde que as novas junções sejam mantidas temperaturas iguais.

Em virtude desta lei, pode-se inserir o instrumento de medição da F.E.M. (voltímetro) com seus fios de ligação em qualquer da F.E.M. (voltímetro) com seus fios de ligação em qualquer ponto do circuito termoelétrico sem alterar a F.E.M. original.

Temperatura

Termopares (thermocouples)

Teoria Termoelétrica

O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 porT. J. Seebeck , quando ele notou que em um circuito fechadoformado por dois condutores metálicos e distintos A e B,quando submetidos a um diferencial entre as suas junções,ocorre uma circulação de corrente elétrica ( i ).ocorre uma circulação de corrente elétrica ( i ).

A existência de uma força eletro-motriz (F.E.M.)EAB no circuito éconhecida como Efeito Seebeck, e este se produz pelo fato deque a densidade de elétrons livres num metal, difere de umcondutor para outro e depende da temperatura.Quando este circuito é interrompido, a tensão do circuitoaberto (Tensão de Seebeck ) torna-se uma função dastemperaturas das junções e da composição dos dois metais.

Denominamos a junção na qual está submetida à temperatura a ser medida de Junção de Medição (ou junta quente) e a outra extremidade que vais se ligar no instrumento medidor de junção de referência (ou junta fria).

Temperatura

Termopares (thermocouples)

O elemento termopar consiste em dois fios de diferentes ligas metálicas, emendados juntos num ponto onde será medida a temperatura. Esta junção gera uma pequena tensão quando aquecida. Esta tensão é em função da temperatura da junção.

A relação entre a temperatura da junção e a tensão de saída varia para diferentes tipos de termopares.varia para diferentes tipos de termopares.

No instrumento de medição, a tensão do termopar na junta de referência depende do material do fio do termopar a da diferença de temperatura entre a junção sensora e a junção de referência.

A temperatura da junção de referência deve ser mantida constante. Se isto não for possível, a conexão do termopar ao instrumento de medição deve ser feita usando um cabo de compensação . Por este método, o sinal de saída do termopar pode ser transmitido, para temperatura acima de 200°C , sem perda significantes de precisão.

Temperatura

Compensação da Temperatura Ambiente( Tr )

Para se usar o termopar como medidor detemperatura, é necessário conhecer aF.E.M. gerada e a temperatura da junçãode referência Tr

O sinal total que será convertido emtemperatura pelo instrumento será asomatória do sinal do termopar e dacompensação, resultando na indicaçãocorreta da temperatura na qual otermopar está submetido (independendoda variação da temperatura ambiente).

Termopar Tipo K sujeito a 100°C na junção de medição e 25°C na borneira do instrumento.

Temperatura

NBR 12771- Tabela de referência de Termopares

Objetivo: Esta norma estabelece as tabelas de referência usadas na conversão de força eletromotriz térmica gerada pelo termopar em função da temperatura .

Tipos de Termopares:

Termopar tipo R (0 a 1600°C): Composto de platina pura(-) e uma liga de platina(+) contendo um teor de ródio o mais próximo possível de 13% em peso.

Termopar tipo S (0 a 1600 °C): : Compostos de platina pura(-) e uma liga de platina(+) contendo um Termopar tipo S (0 a 1600 °C): : Compostos de platina pura(-) e uma liga de platina(+) contendo um teor de ródio o mais próximo possível de 10% em peso

Termopar tipo B (600 a 1700°C): : Feito de ligas cujas composições nominais em peso são platina -30% ródio(+) e platina - 6% ródio(-).

Termopar tipo J (-40 a 750°C): : Compostos de ferro comercialmente puro(+) e uma liga de níquel(-) contendo 45% a 60% de cobre em peso, conhecida com constantan.

Termopar tipo T (-200 a 350°C): : Compostos de cobre comercialmente puro(+) e uma liga de níquel(-) contendo 45% a 60% de cobre em peso.

Termopar tipo E (-200 a 900°C): : Compostos de ligas comerciais do tipo níquel-cromo(+) e níquel-cobre(-).

Termopar tipo K (-200 a 1200°C): : Compostos de ligas comerciais do tipo níquel-cromo(+) e níquel-manganês-silício-alumínio(-).

Termopar tipo N (-200 a 1200°C): : Compostos de ligas níquel-cromo-silício(+) e níquel-silício(-).

Temperatura

NBR 12771- Tabela de referência de Termopares

Classes de tolerância para os termopares (junção d e referência a 0°C

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Curvas características de Termopares

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Fios e cabos de extensão e compensação

Fios e cabos de extensão e compensação (ou fios e cabos compensados), nada mais sãoque outros termopares, cuja função além de conduzir o sinal gerado pelo sensor, é a decompensar os gradientes de temperatura existentes entre a junção de referência(cabeçote) do sensor e os bornes do instrumento, gerando um sinal proporcional demilivoltagem a este gradiente.

Fios e Cabos de Extensão são condutores fabricados com as mesmas ligas dos termoparesa que se destinam; portanto apresentam a mesma curva F.E.M. x temperatura. Os fios ecabos de extensão são usados com os termopares de base metálica ou básicos tipo T, J, Ee K. Apesar de possuírem as mesmas ligas dos termopares, apresentam um custo menordevido a limitação de temperatura que podem ser submetido, pois sua composição químicanão é tão homogênea quanto a do termopar.

Fios e Cabos de Compensação são os condutores fabricados com ligas diferentes dos termopares a que se destinam, mas também apresentando a mesma curva F.E.M. x temperatura dos termopares. São usados principalmente com os termopares nobres (feitos a base de platina) tipos S e R, porém pode-se utilizá-lo em alguns termopares básicos e com os novos tipos que ainda não estão normalizados.

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Cores de Termopares

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Cores de Termopares

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Cores de Termopares

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Cabeçotes

A função do cabeçote é a de proteger os contatos do bloco de ligação, facilitar a conexão do tubo de proteção e do conduíte, além de manter uma temperatura estável nos contatos do bloco de ligação, para que os contatos feitos de materiais diferentes do termopar não interfiram no sinal gerado por ele .

- O Cabeçote a Prova de Tempo, é umcabeçote mais robusto, indicadoambientes onde é necessário a proteçãocontra os efeitos do meio ambiente comoumidade, gases não inflamáveis, poeiras,vapores e vedação (gaxetas), que fazema vedação contra o tempo, vapor, gasese pó. Seu corpo é feito de alumínio ouferro fundido com sua tampa rosqueadapara maior proteção.

Temperatura

Poços Termométricos

O poço termométrico tem a função deproteger os termoelementos contra aação do processo (ambientesagressivos, esforços mecânicos entreoutros).

É fornecido com meio para ligaçãoÉ fornecido com meio para ligaçãoestanque do processo, ou seja, veda oprocesso contra vazamentos, perdasde pressão, contaminações e outros.

Genericamente usa-se o poço onde ascondições do processo requisitam altasegurança e são críticas tais comoaltas temperaturas e pressões, fluidosmuito corrosivos, vibrações e altavelocidade de fluxo.

Termômetro de Resistência

As termoresistências ou bulbos de resistência ou termômetros de resistência ou RTD, são sensores que se baseiam no princípio da variação da resistência ôhmica em função da temperatura. Elas aumentam a resistência com o aumento da temperatura. Seu elemento sensor consiste de uma resistência em forma de fio de platina de alta pureza, de níquel ou de cobre (menos usado) encapsulado num bulbo de

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níquel ou de cobre (menos usado) encapsulado num bulbo de cerâmica ou vidro.

Termoresistência de Platina Pt100

Temperatura

A mais utilizada é a platina pois apresenta uma ampla escala de temperatura, uma alta resistividade permitindo assim uma maior sensibilidade, um alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura, uma boa linearidade resistência por temperatura e também ter rigidez e ductibilidade para ser transformada em fios finos, além de ser obtida em forma puríssima. Faixa de trabalho finos, além de ser obtida em forma puríssima. Faixa de trabalho de -200 a 600ºC. Aplicações típicas:-Processos industriais-Plantas -Aquecedores d’água (Boilers) -Sistemas de aquecimento -Sistemas de ar condicionado-Sistemas de ventilação -Fogões

Ponte de WheatstoneA ponte de Wheatstone, quando apresenta uma relação de resistência R1 . R3 = R2 . R4 , esta se encontra balanceada ou em equilíbrio e desta forma não circula corrente pelo galvanômetro pois os potenciais nos pontos A e B são idênticos.

Temperatura

Pt100 Ligação a dois fiosTemperatura

Pt100 Ligação a três fiosTemperatura

Vantagens e Desvantagens de Termoresistência x Termopar

Vantagens:

a) Possuem maior exatidão dentro da faixa de utilização do queos outros tipos de sensores.

b) Tem características de estabilidade e repetibilidade melhoresdo que os termopares.

c) Com ligação adequada, não existe limitação para distância de

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c) Com ligação adequada, não existe limitação para distância deoperação.

d) Dispensa o uso de fios e cabos de extensão e compensaçãopara ligação, sendo necessário somente fios de cobre comuns.

e) Se adequadamente protegido ( poços e tubos de proteção ),permite a utilização em qualquer ambiente.

f) Curva de Resistência x Temperatura mais linear.

g) Menos influenciada por ruídos elétricos.

Desvantagens:a) São mais caras do que os sensores utilizados nesta mesma faixa.b) Range de temperatura menor do que os termopares.c) Deterioram-se com mais facilidade, caso se ultrapasse a temperatura máxima de utilização.

Temperatura

Vantagens e Desvantagens de Termoresistência x Termopar

temperatura máxima de utilização.d) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação.e) Possui um tempo de resposta mais alto que os termopares.f) Mais frágil mecanicamente g) Autoaquecimento, exigindo instrumentação sofisticada.

Transmissor

Sensor de entrada programável: termopares tipos J,K,T,N,E,R,S e RTD Pt100. Saída 4-20mA a 2 fios. Alimentação: 12 to 30 Vdc. Saída de corrente linearizada e com compensação de junta-fria para termopares.

Temperatura

compensação de junta-fria para termopares. Pt100 a 2 ou 3 fios, com linearização. Exatidão: ±0.2% do fundo de escala para Pt100 e 0.3% do fundo de escala para os termopares. Temperatura de trabalho:-40 to +85ºC. Proteção para quebra de sensor programável para início ou fim da escala.

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Transmissor

Termômetros Portáteis

Temperatura

Temperatura

Medição por Infravermelho

A tecnologia infravermelha não é um fenômeno novo, ela tem sido utilizada com sucesso emsetores industriais e de pesquisa durante décadas, mas inovações tem reduzidos custos, ampliadoa confiabilidade, e resultou em sensores infravermelhos para medição de temperatura semcontato.

Quais as vantagens da medição de temperatura sem contato ?

• É rápida (na faixa de ms), permitindo mais medições e acumulação de dados

• Medições podem ser feitas em objetos perigosos ou fisicamente inacessíveis (partes com alta-• Medições podem ser feitas em objetos perigosos ou fisicamente inacessíveis (partes com alta-voltagem, medições a grande distância)

• Facilidade de medição quando o alvo está em movimento

• Medições de altas temperaturas(maiores que 1300°C) não apr esentam problemas. Em casossimilares, termômetros comuns não podem ser utilizados ou tem a sua vida útil reduzida

• Em casos de maus condutores de calor como plástico e madeira, medições sãoextremamente precisas sem distorções dos valores, se comparado com medições comtermômetros de contato

Não há risco de contaminação e efeito mecânico na superfície dos objetos

Temperatura

Em suma, as principais vantagens da medição de temperatura por infra-vermelho sãoa velocidade, ausência de interferência e possibilidade de medição de altastemperaturas até 3000°C. Lembrando que apenas temperatura s na superfície dosmateriais podem ser medidas.

Os termômetros de infra-vermelhos podem ser comparados ao olho humano. As lentesdo olho representa a parte ótica que faz com que a radiação(fluxo de fótons) vindosdos objetos pela atmosfera, alcancem a camada fotossensível (retina). Isto édos objetos pela atmosfera, alcancem a camada fotossensível (retina). Isto éconvertido em um sinal que é enviado ao cérebro.

A figura abaixo apresenta o processo de medição por infravermelho

Temperatura

O alvo

Toda forma de matéria com temperatura(T) acima do zero absoluto emite radiação infravermelha de acordocom a temperatura. Isto é chamado de radiação característica. A causa disto é o movimento mecânico internodas moléculas. A intensidade deste movimento depende da temperatura do objeto. Como o movimento dasmoléculas representa deslocamento de cargas, radiação eletromagnética(fótons) é emitida. Estes fótonsmovem-se coma velocidade da luz e comportam-se de acordo com os princípios óticos conhecidos.

Eles podem ser defletidos,Eles podem ser defletidos,focados por lentes, ourefletidos por superfíciesreflexivas. O espectrodesta radiação tem faixa de0,7 a 1000 µm decomprimento de onda. Poresta razão, a radiação nãopode ser normalmentevista a olho nu. Esta áreaencontra-se na área de luzvermelha da luz visível edesta forma tem sidochamada de infravermelha.

Temperatura

Medição por Infravermelho: -

Temperatura

Medição por Infravermelho: Algumas aplicações: