2 - Aula Termometria

8/19/2019 2 - Aula Termometria

1/34

Departamento de Engenharia MecânicaLaboratório de Engenharia Térmica IProf. Rogério Ramos

2 – Aula de termometria:

‐ Definição de Temperatura e Calor‐ Escalas de Temperatura

‐ Tipos

de

Sensores

de

Temperatura

‐ Termopares


2/34




‐ Tipos

de

Sensores

de

Temperatura

‐ Termopares


3/34


4/34


1.2 Escalas da Tem eratura

A primeira escala de temperatura foi a de Farenheit em 1714, queconvencionou 32ºF para a temperatura de congelamento de uma

mistura entre gelo e amônia e 212ºF para a temperatura de ebulição da

á ua. A diferen a entre estes ontos foi dividida em 180 artes i uais a

qual se deu o nome de grau Farenheit.

a s tar e, e s us toman o tam m o s pontos e re er nc a,

convencionou 0ºC para o congelamento da água pura e 100ºC para a

ebulição da água pura, ambas à pressão atmosférica, a qual se deu onome de graus Celsius ou Centrígrados.


5/34


No princípio de 1800, Thonsom (Lord Kelvin) desenvolveu uma escala

termodinâmica universal, baseada no coeficiente de expansão de um gás ideal.

e v n es a e eceu o conce o e ero so u o e a sua esca a permanece como

padrão para a termometria moderna. A escala de Kelvin não é baseada em

pontos de referência,mas em princípios termodinâmicos.

Zero absoluto ou Zero Kelvin é a menor temperatura que um corpo pode

alcançar, 0 K equivale a -273,15ºC.

As equações de conversão das unidades mais usadas na termometria moderna

ºC = ( ºF - 32 ).5/9 ºF = 9/5.ºC + 32

K = ºC + 273,15 ºC = K - 273,15

Existem outras escalas como a Rankine e a Réamur, porém são de pouco uso.

º º º º , .


6/34


1.3 Escala Internacional de Temperaturas (ITS - 90)

Para melhor melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada

em fenômeno de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em

condições únicas de temperatura e pressão. São chamados de pontos fixos de

temperatura.

Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prática Internacional de Temperatura. Aprimeira escala prática internacional de temperatura surgiu em 1922, modificada em

- .

Prática Internacional de Temperatura foi publicada (IPTS-68).

A ainda atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34ºC baseada em pontos de

fusão, ebuliçao e pontos triplos de certas substâncias puras como por exemplo, o ponto

de fusão de alguns metais puros.


7/34


- ,

determinísticos de temperatura e que definiu alguns novos pontos fixos de temperatura

Pontos Fixos IPTS‐68 IPTS‐90

‐ º ‐ º , ,

Ponto Triplo

da

Água +0,010ºC +0,010ºC

Solidificação do Estanho +231,968ºC +231,928ºC

Solidificação do Zinco +419,580ºC +419,527ºC

Solidificação do Prata +961,930ºC +961,780ºC

, ,


8/34


1.4 Normas e Padrões Internacionais

Com o desenvolvimento tecnológico diferente em diversos paises, criou-se uma série de normas e

padronizações, cada um atendendo a uma dada região.

As mais importantes são:

ISA ‐ AMERICANA

DIN – ALEMÃ

JIS ‐ JAPONESA

BS ‐ INGLESA

–

Para atender as diferentes especificações técnicas na área da termometria, cada vez mais se

. ,

Internacional Eletrotécnica-IEC, vem desenvolvendo um trabalho junto aos paises envolvidos neste

processo normativo, não somente para obter normas mais completas e aperfeiçoadas mas

também de prover meios para a internacionalização do mercado de instrumentação relativo atermopares.

Como um dos participantes desta comissão, o Brasil, através da Associação Brasileira de Normas

Técnicas - ABNT, está também diretamente interessado no desdobramento deste assunto e vem

adotando tais especificações como Normas Técnicas Brasileiras


9/34




‐ Tipos

de

Sensores

de

Temperatura

‐ Termopares


10/34


.

Sensores, detectores

ou

elementos

primários

de

temperatura

são

transdutores

que alteram algumas de suas características físicas ao se equalizar com o meio

a ser determinada a temperatura.

Como

exemplo

poderíamos

citar

a

dilatação

do

mercúrio

num

termômetro

de

vidro, a geração de tensão num termopar, a variação de resistência ôhmica

num erm s or en re ou ras.

Dos inúmeros tipos de sensores de temperatura existentes, como termômetros

, , , ,

termômetros de quartzo, termopares, termoresistências e outros.

.


11/34




‐ Tipos

de

Sensores

de

Temperatura

‐ Termopares


12/34


Os Termopares são sensores de maior uso industrial para medição de temperatura.Eles cobrem uma faixa bastante extensa de temperatura que vai de ‐200 a 2300ºC aprox ma amen e, com uma oa prec s o e repe a a e ace ve , u o s o a um cus o que se comparado com outros tipos de sensores de temperatura são mais econômicos.

.

O fenômeno da temoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado formado por dois condutores metálicos e distintos A e

, ,

corrente elétrica

( i ).

A existência de uma força eletro‐motriz (F.E.M.)EAB no circuito é conhecida como Efeito Seebeck, e este se produz pelo fato de que a densidade de elétrons livres num metal, difere de um condutor para outro e depende da temperatura.


13/34


Quando este circuito é interrompido, a tensão do cirucuito aberto (Tensão de Seebeck ) torna‐se uma função das temperaturas das junções e da composição dos dois metais.

enom namos a unç o na qua es su me a empera ura a ser me a e unç o

de Medição

(ou

junta

quente)

e a outra

extremidade

que

vais

se

ligar

no

instrumento

medidor de junção de referência (ou junta fria).

Quando a temperatura da junção de referência Tr é mantida constante, verifica‐se que a F.E.M. térmica (EAB) é uma função da temperatura da junção de medição (T1).

Isto

permite

utilizar

este

cirucuito como

um

medidor

de

temperatura,

pois

con ecen o‐se a r e a . . . gera a, e erm na‐se a .


14/34


Curva de Correlação F.E.M. x Temperatura dos Termopares


15/34


:

2.2 Conversão

de

Tensão

para

Temperatura

Com rela ão a F.E.M. x tem eratura de um termo ar não é linear o instrumento indicador deve de algum modo linearizar o sinal gerado pelo sensor.

No caso

de

alguns

instrumentos

analógicos

(como

registradores),

a escala

gráfica

do

; digitais usa‐se ou a tabela de correlação F.E.M. x temperatura, armazenada em memória ou uma equação matemática que descreve a curva do sensor.

Esta

equação

é

um

polinômio,

que

a

depender

da

precisão

requerida

pode

alcançar

uma

ordem de até 9º grau.


16/34


Listamos abaixo os coeficientes de vários tipos de


17/34


2.3 Tipos e Características dos Termopares

Foram desenvo vidas diversas com inações de pares de igas met icas com o intuito de

se obter uma alta potência termoelétrica (mV/ºC) para que seja detectável pelos

instrumentos de medi ão aliando‐se ainda às características de homo enidade dos fios

resistência à corrosão, relação razoavelmente linear entre temperatura e tensão entre

outros, para que se tenha uma maior vida útil do mesmo.

Podemos dividir os termopares em três grupos:

‐Termo ares de Base Metálica ou Básicos

‐ Termopares Nobres ou a Base de Platina

‐ Termopares Novos

Os termopares de base metálica ou básicos são os termopares de maior uso industrial,

em ue os fios são de custo relativamente baixo e sua a lica ão admite um limite de

erro

maior.


18/34


As nomenclaturas adotadas estão de acordo com as normas IEC 584‐2 de julho de 1982.

‐ Composição: Cobre (+) / Cobre ‐ Níquel (‐)O

fio

negativo

cobre

‐ níquel

é conhecido

comercialmente

como

Constantan.

‐ Faixa de Utilização: ‐200 a 350ºC

‐

Estes termopares

são

resistentes

a corrosão

em

atmosferas

úmidas

e são

adequados

para

medidas

de temperaturas abaixo de zero. Seu uso no ar ou em ambientes oxidantes é limitado a um máximo de 350ºC devido a oxidação do fio de cobre. Podem ser usados em atmosferas oxidantes (excesso de oxigênio), redutoras (rica em hidrogênio, monóxido de carbono) e no vácuo; na faixa de ‐200 a 350ºC.

‐

O cobre (+) é avermelhado e o cobre ‐ níquel (‐) não.

‐ Aplicação:

Sua maior aplicação está em indústrias de refrigeração e ar condicionado e baixas temperaturas em

geral.


19/34


Tipo J

‐Composição: Ferro (+) / Cobre ‐ Níquel (‐)O fio negativo cobre ‐ níquel é conhecido comercialmente como constantan.

‐ Faixa de utilização: ‐40 a 750ºC

‐ Características:

Estes termopares são adequados par uso no v cuo, em atmos eras oxidantes, redutoras e

inertes.

A taxa de oxidação do ferro é rápida acima de 540ºC e o uso em tubos de proteção é recomen a o para ar uma ma or v a em a as empera uras.O termopar do tipo J não deve ser usado em atmosferas sulfurosas (contém enxofre) acima de 540ºC.

, quebra do fio de ferro, o torna seu uso em temperaturas negativas menor que o tipo T.Devido a dificuldade de obtenção de fios de ferro com alto teor de pureza, o termopar tipo J

.

‐ Aplicação: Indústrias em geral em até 750ºC.


20/34


Tipo E‐Composição: Níquel ‐ Cromo (+) / Cobre ‐ Níquel (‐)

‐ ‐

é conhecido como Constantan.

‐Faixa de utilização: ‐200 a 900ºC

‐

Estes termopares podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras, alternadamente oxidante e redutora e no vácuo, não devem ser utilizados pois perdem suas características termoelétricas.É adequado para uso em temperaturas abaixo de zero, desde que não esteja sujeito a corrosão em atmosferas

úmidas.

O termopar tipo E é o que apresenta maior maior geração de V/ºC do que todos os outros , .

‐Identificação da Polaridade: O níquel ‐ cromo (+) é mais duro que o cobre ‐ níquel (‐).

‐

Aplicação:

Uso

geral

até

900ºC.

Nota: Os termopares tipo T , J e E tem como fio negativo a liga constantan, composto de cobre e

níquel, porém a razão entre estes dois elementos varia de acordo com as características do fio

pos t vo co re, erro e n que ‐ cromo . Portanto a constantan o o negat vo n o eve ser

intercambiado entre os

três

tipos

de

termopares


21/34


Tipo K

‐ Composição: Níquel ‐ Cromo (+) / Níquel ‐ Alumínio (‐)O fio positivo níquel ‐ cromo é conhecido conhecido comercialmente como Cromel e o negativo níquel ‐

. , , .‐ Faixa de utilização: ‐200 a 1200ºC‐ Características:

Os termopares

tipo

K são

recomendáveis

para

uso

em

atmosferas

oxidantes

ou

inertes

no

seu

range

de

trabalho. Por causa de sua resistência em oxidação, são melhores que os tipos T, J e E e por isso são largamente usados em temperaturas superiores a 540ºc.Podem ser usados ocasionalmente em temperaturas abaixo de zero graus.

‐ ,

1. Atmosferas

redutoras

ou

alternadamente

oxidante

e redutora.

2. Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rígida ferrugem e quebra do termopar.3. Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o cromo do elemento positivo pode vaporizar causando descalibração do sensor.4. Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de "Green‐Root", ou oxidante verde, ocorre quando a

, proteção longo, de pequeno diâmetro e não ventilado.Quando isto acontece os fios ficam esverdeados e quabradiços, ficando o fio posiotivo (cromel) magnético e causando total descalibração e perdas de suas características.O green‐root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio através do uso de um tubo

de proteção

de

maior

diâmetro

ou

usado

um

tubo

ventilado.


22/34


Níquel ‐Cromo/Níquel

‐ Alumínio

ASTM‐E ‐230 Temperatura em graus Celsius (ITS‐90)

Força eletromotriz térmica em milivolts

ºC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

‐50 ‐1,889 ‐1,925 ‐1,961 ‐1,996 ‐2,032 ‐2,067 ‐2,103 ‐2,138 ‐2,173 ‐2,208 ‐2,243‐40 ‐1,527 ‐1,564 ‐1,600 ‐1,637 ‐1,673 ‐1,709 ‐1,745 ‐1,782 ‐1,818 ‐1,854 ‐1,889‐30 ‐1,156 ‐1,194 ‐1,231 ‐1,268 ‐1,305 ‐1,343 ‐1,380 ‐1,417 ‐1,453 ‐1,490 ‐1,527‐20 ‐0,778 ‐0,816 ‐0,854 ‐0,892 ‐0,930 ‐0,968 ‐1,006 ‐1,043 ‐1,081 ‐1,119 ‐1,156

‐10 ‐0,392 ‐0,431 ‐0,470 ‐0,508 ‐0,547 ‐0,586 ‐0,624 ‐0,663 ‐0,701 ‐0,739 ‐0,778

, , , , , , , , , , ,10 0,397 0,437 0,477 0,517 0,557 0,597 0,637 0,677 0,718 0,758 0,798

20 0,798 0,838 0,879 0,919 0,960 1,000 1,041 1,081 1,122 1,163 1,203

30 1,203 1,244 1,285 1,326 1,366 1,407 1,448 1,489 1,530 1,571 1,612

40 1,612 1,653 1,694 1,735 1,776 1,817 1,858 1,899 1,941 1,982 2,023

50 2,023 2,064 2,106 2,147 2,188 2,230 2,271 2,312 2,354 2,395 2,43660 2,436 2,478 2,519 2,561 2,602 2,644 2,685 2,727 2,768 2,810 2,85170 2,851 2,893 2,934 2,976 3,017 3,059 3,100 3,142 3,184 3,225 3,267

80 3,267 3,308 3,350 3,391 3,433 3,474 3,516 3,557 3,599 3,640 3,682, , , , , , , , , , ,

100 4,096 4,138 4,179 4,220 4,262 4,303 4,344 4,385 4,427 4,468 4,509

110 4,509 4,550 4,591 4,633 4,674 4,715 4,756 4,797 4,838 4,879 4,920120 4,920 4,961 5,002 5,043 5,084 5,124 5,165 5,206 5,247 5,288 5,328130 5 328 5 369 5 410 5 450 5 491 5 532 5 572 5 613 5 653 5 694 5 735

140 5,735 5,775 5,815 5,856 5,896 5,937 5,977 6,017 6,058 6,098 6,138

150 6,138 6,179 6,219 6,259 6,299 6,339 6,380 6,420 6,460 6,500 6,540


23/34


2.4 Definição de Termopar

O aquecimento de dois metais diferentes com temperaturas diferentes em suas

extremidades, gera o aparecimento de uma F.E.M. (da ordem de mV). Este princípio

temperatura.

Um termopar ou par termom trico consiste de dois condutores met icos de

natureza distinta, na forma de metais puros ou ligas homogêneas. Os fios são

soldados em

um

extremo

ao

qual

se

dá

o nome

de

junção

de

medição;

a outra

extremidade, junção de referência é levada ao instrumento medidor por onde flui a

corrente gerada.

onvenc onou‐se zer que o meta pos t vo e negat vo, po s a tens o e

corrente geradas

são

na

forma

contínua

(cc).


24/34


2.5 Leis do Circuito Termoelétrico

a) Lei do Circuito Homogêneo

. . .

química dos dois metais e das temperaturas entre as duas junções; ou seja, a tensão

gerada independe do gradiente de temperatura ao longo dos fios.

Uma aplicação desta lei é que podemos medir temperaturas em pontos bem definidos

com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as suas

unções.


25/34


b) Lei dos Metais Intermediários

A F.E.M. gerada por um par termoelétrico não será alterada se inserirmos e qualquer

onto do circuito um metal enérico diferente dos ue com õem o sensor desde ue

as novas junções formadas sejam mantidas na mesma temperatura.

Uma aplicação prática desta lei é o uso dos contatos de latão ou cobre no bloco

de ligação, para a interligação do termopar ao seu cabo.


26/34



27/34


c) Lei

das

Temperaturas

Intermediárias

A F.E.M. gerada em um circuito termoelétrico com suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica de F.E.M. gerada com as junções às temperaturas T1 e T2 e a F.E.M. do mesmo circuito com as junções às temperaturas de T2 e T3.

Uma consequência desta lei é o uso dos cabos compensados, que tendo custo mais baixo mas

mantendo as

mesmas

características

termoelétricas

do

termopar,

podem

ser

introduzidos

no

circuito

sem causar erros no sinal gerado.


28/34


;

Exemplo:

Termopar tipo K sujeito a 100ºC na junção de medição e 25ºC na borneira do

instrumento (junção de referência)

Assim,

o

sinal

de

3,095V

é

transformado

em

indicação

de

temperatura

pelo

instrumento e corresponde a aproximadamente 76ºC; bem diferente dos 100ºC ao

qual o termopar está submetido (erro de ‐24ºC).


29/34


2.6 Compensação da Temperatura Ambiente ( Tr )

Como to anter ormente, para se usar o termopar como me or e temperatura, necessário conhecer a F.E.M. gerada e a temperatura da junção de referência Tr, para

sabermos a temperatura

da

junção

de

medição

T1.

E = ET1 ‐ ETr

a temperatura

Tr.Uma maneira de se determinar a temperatura Tr (ponto de conexão do termopar ao

instrumento de medida é for a‐la ara um valor conhecido como or exem lo 0ºC.


30/34


Ao colocarmos as extremidades do termopar a zero graus (banho de gelo), o sinal gerado pelo sensor só dependerá da temperatura T1 do meio a ser medido, pois a tensão gerada a 0º é zero em

.

Então a F.E.M. lida no instrumento será diretamente proporcional à temperatura T1 (junção de medição).

O banho de gelo ainda é muito usado em laboratórios e indústrias, pois consiste num método relativamente simples e de grande precisão.

Hoje

dispositivos

alternativos

foram

desenvolvidos

para

simular

automaticamente

uma

temperatura

de

, c ama a e compensaç o autom t ca a unç o e re er nc a ou a temperatura am ente.

Nestes instrumentos encontra‐se um sensor de temperatura que pode ser um resistor, uma termoresistência, termistor, diodo, transistor ou mesmo um circuito integrado que mede continuamente a

, correspondente à diferença da temperatura ambiente para a temperatura de 0ºC.

â


31/34


;

Então, o instrumento medidor deve estar incorporado a um sistema de compensação

da temperatura ambiente capaz de gerar um sinal como se fosse um outro termopar

que chamamos de E1:

...

A compensação da temperatura ambiente fica:

D t t d E h i M â i


32/34


O sinal total que deve ser convertido em temperatura pelo instrumento será a soma do

sinal do termopar e da compensação, resultando na indicação correta da temperatura

ambiente).

,

(junção de medição do termopar).

Departamento de Engenharia Mecânica


33/34


Departamento de Engenharia Mecânica


34/34


Níquel ‐Cromo/Níquel

‐ Alumínio

ASTM‐E ‐230 Temperatura em graus Celsius (ITS‐90)

Força eletromotriz térmica em milivolts

ºC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

‐50

‐1,889

‐1,925

‐1,961

‐1,996

‐2,032

‐2,067

‐2,103

‐2,138

‐2,173

‐2,208

‐2,243

‐40 ‐1,527 ‐1,564 ‐1,600 ‐1,637 ‐1,673 ‐1,709 ‐1,745 ‐1,782 ‐1,818 ‐1,854 ‐1,889‐30 ‐1,156 ‐1,194 ‐1,231 ‐1,268 ‐1,305 ‐1,343 ‐1,380 ‐1,417 ‐1,453 ‐1,490 ‐1,527‐20 ‐0,778 ‐0,816 ‐0,854 ‐0,892 ‐0,930 ‐0,968 ‐1,006 ‐1,043 ‐1,081 ‐1,119 ‐1,156

‐10 ‐0,392 ‐0,431 ‐0,470 ‐0,508 ‐0,547 ‐0,586 ‐0,624 ‐0,663 ‐0,701 ‐0,739 ‐0,778

, , , , , , , , , , ,10 0,397 0,437 0,477 0,517 0,557 0,597 0,637 0,677 0,718 0,758 0,798

20 0,798 0,838 0,879 0,919 0,960 1,000 1,041 1,081 1,122 1,163 1,20330 1,203 1,244 1,285 1,326 1,366 1,407 1,448 1,489 1,530 1,571 1,612

40 1,612 1,653 1,694 1,735 1,776 1,817 1,858 1,899 1,941 1,982 2,023

50 2,023 2,064 2,106 2,147 2,188 2,230 2,271 2,312 2,354 2,395 2,43660 2,436 2,478 2,519 2,561 2,602 2,644 2,685 2,727 2,768 2,810 2,85170 2,851 2,893 2,934 2,976 3,017 3,059 3,100 3,142 3,184 3,225 3,267

80 3,267 3,308 3,350 3,391 3,433 3,474 3,516 3,557 3,599 3,640 3,682

, , , , , , , , , , ,

100 4,096 4,138 4,179 4,220 4,262 4,303 4,344 4,385 4,427 4,468 4,509

110 4,509 4,550 4,591 4,633 4,674 4,715 4,756 4,797 4,838 4,879 4,920120 4,920 4,961 5,002 5,043 5,084 5,124 5,165 5,206 5,247 5,288 5,328130 5 328 5 369 5 410 5 450 5 491 5 532 5 572 5 613 5 653 5 694 5 735

140 5,735 5,775 5,815 5,856 5,896 5,937 5,977 6,017 6,058 6,098 6,138

150 6,138 6,179 6,219 6,259 6,299 6,339 6,380 6,420 6,460 6,500 6,540

Documents

2 - Aula Termometria