05 Temperatura rev 2015

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QUI-08-09536 – Instrumentação de Processo
QUI-08-00995 – Instrumentação Industrial
5 – TEMPERATURA
Professor: MARCO GAYA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
CTC – Centro de Tecnologia e Ciências / QUI – Instituto de Química
DOPI – Departamento de Operações e Projetos Industriais
5 – TEMPERATURA
5.1 - INDICADORES DE TEMPERATURA
5.2 - MEDIDORES TRADICIONAIS
5.3 - TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA
5.4 - TERMOPARES
UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
CTC – Centro de Tecnologia e Ciências / QUI – Instituto de Química
DOPI – Departamento de Operações e Projetos Industriais
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INTRODUÇÃO
-- TEMPERATURA: medida que quantifica o calor (forma de energia associada à atividade molecular de uma substância). Quanto maior a agitação molecular, maior a quantidade de calor e maior será a temperatura de uma substância;
DQ = m . C . DT
DQ = variação da quantidade de calor;
m = massa da substância envolvida;
c = calor específico (característica da substância);
DT = variação de temperatura.
O calor (forma de energia) não pode ser criado nem destruído.
	Toda medição de temperatura é indireta, baseada na alteração de alguma propriedade física de um material (comprimento, volume, resistência elétrica, etc.)
Meios de transmissão de temperatura
1. Condução
A condução é um.processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso ou entre meios diferentes em contato físico
direto.
2 - Radiação
A radiação é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista um vácuo entre eles.
.3 - Convecção
A convecção é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento da mistura. A convecção é mais importante como mecanismo de transferência de energia (calor) entre uma superfície sólida e um líquido ou gás.
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INTRODUÇÃO
-- ESCALAS TERMOMÉTRICAS:
	Escala Celsius (°C): tende a ser tornar a escala técnica internacional;
	Escala Fahrenheit (°F): ainda em uso em países de língua inglesa;
	Escala Kelvin (K): também chamada absoluta ou termodinâmica, empregada nas expressões físicas termodinâmicas.
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INTRODUÇÃO
- ESCALAS TERMOMÉTRICAS (CONTINUAÇÃO):
		Os padrões de temperatura são baseados em pontos fixos ou primários estabelecidos.
Especificação do sistema
 Faixa de temperatura: Ampla, da criogenia (- 200C) a elevadíssimas temperaturas 
Precisão e Repetibilidade: variam em função do sensor. Estes parâmetros devem atender sempre as especificações do processo
Proteção: Os sensores de temperatura são mecanicamente delicados e incapazes de resistir quando expostos a situações agressivas.
Tempo de resposta: Tempo que o sensor demora para reagir a uma variação de temperatura . Define-se constante de tempo (τ) com sendo o tempo que ele leva para atingir 63,2% da variação total, quando submetido a um degrau de variação de temperatura
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5.1 – INDICADORES DE TEMPERATURA
- APESAR DE SUA IMPORTÂNCIA NA INDÚSTRIA, NÃO SÃO INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO.
5.1.1 – INDICADORES CROMÁTICOS
	
	- Produtos químicos (geralmente sais de níquel, cobalto e cromo) que sofrem alterações marcantes na sua coloração quando atingem uma determinada temperatura;
	- Aplicáveis somente em corpos sólidos a partir da incorporação em crayons ou tintas;
	- A mudança de cor é dependente do tempo e, por isso, requer prática operacional;
	- Aplicação entre 50°C e 1300°C com erro menor do que +/- 10°C;
	- Utilizados em equipamentos onde exista a necessidade de maior segurança operacional;
	- Passíveis de contaminação pelo ambiente.
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5.1 – INDICADORES DE TEMPERATURA
5.1.2 – INDICADORES PIROMÉTRICOS
	
	- Pequenos dispositivos termomecânicos descartáveis que indicam a temperatura pela sua deformação;
	- Empregados na indústria cerâmica e em alguns processos de tratamento térmico.
	- A “leitura” é efetuada quando o vértice do cone atinge o nível da base;
	- Disponíveis para temperaturas na faixa de 600°C a 2000°C. O erro pode ser menor do que +/- 3%. Exemplo (www.inforgel.com.br):
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5.2 – MEDIDORES TRADICIONAIS
5.2.1 – TERMÔMETROS BIMETÁLICOS
	
	- Uma lâmina metálica quando aquecida sofre uma dilatação e, consequentemente, um aumento em seu comprimento. Se forem unidas duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação lineares muito diferentes formarem uma única lâmina, os diferentes alongamentos/contrações provocarão uma deformação nesta lâmina.
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Coeficiente de dilatação menor
Coeficiente de dilatação maior 
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5.2 – MEDIDORES TRADICIONAIS
5.2.1 – TERMÔMETROS BIMETÁLICOS (CONTINUAÇÃO)
	
	- Muito utilizado para leituras no campo;
	- O movimento provocado pela dilatação desigual das lâminas é transmitido a um ponteiro;
	- Indicadores locais desprovidos de facilidades de transmissão de sinal;
	- Baixo custo;
	- Aplicáveis na faixa de -50°C a +500°C com precisões de +/- 1%;
	- Utilizados na construção de termostatos (dispositivos que ligam ou desligam um circuito elétrico em função da temperatura).
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5.2 – MEDIDORES TRADICIONAIS
5.2.2 – TERMÔMETROS DE HASTE DE VIDRO
	
	- Também conhecidos como termômetro clínicos ou de laboratório, nos quais o líquido contido em um bulbo, ao se dilatar com o calor, sobe em um tubo capilar graduado;
	- Também fabricados para uso industrial com as devidas proteções mecânicas;
	- Fluidos utilizados: mercúrio (com restrições) e produtos orgânicos (álcoois + corante);
	- Limites práticos de -150°C a +350°C com precisão de +/- 0,5%;
	- São apenas medidores locais.
TERMOMETROS POR DILATAÇÃO DE LIQUIDOS
O termômetro comum, de líquido em vidro, é um dos instrumentos mais simples de medida, largamente utilizado na indústria. Estes dispositivos de indicação de temperatura operam baseados no princípio de expansão volumétrica
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5.2 – MEDIDORES TRADICIONAIS
5.2.3 – SISTEMAS
BULBO-CAPILAR
	
	- Também chamados de sistemas de bulbo cheio, contém um pequeno reservatório metálico (bulbo) conectado por meio de um capilar a um indicador, usualmente um tubo Bourdon similar ao dos manômetros;
	- Como a deformação do Bourdon é proporcional à diferença entre as pressões interna e externa, a alteração da pressão barométrica pode alterar ligeiramente a resposta dos sistemas.
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5.3 – TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA
		Quase todos os materiais condutores elétricos apresentam uma dependência entre a resistência e a temperatura.
5.3.1 – BULBOS DE RESISTÊNCIA DE FIO METÁLICO
	
- Também conhecidos como R.T.D. (Resistance Temperature Detectors);
- Uso industrial: sensores com fios de platina, níquel, cobre e “Balco” (liga 70% Ni e 30% Fe);
- Pt 100: elemento de platina e resistência padronizada de 100 a 0°C, é o termo resistor mais empregado em todo o mundo (estabilidade, repetibilidade, precisão e ampla faixa de aplicação).
O erro do PT 100 corresponde a aproximadamente +/- =0,24%, numa faixa de operação de -250C ate 850C. O Pt 100 trabalha associado a circuitos que convertem sua variação de resistência em leitura 4- 20 Ma
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5.3 – TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA
5.3.1 – BULBOS DE RESISTÊNCIA DE FIO METÁLICO (CONTINUAÇÃO)
	
	- A variação da resistência com a temperatura é regida pelas equações de Callendar e Van Dusen:
	-200°C a 0°C: Rt = R0 [1 + AT + BT2 + CT3 (T-100)]
	0°C a 630°C: Rt = R0 [1 + AT + BT2]
	Rt = resistência (em ohms) na temperatura T (°C);
	R0 = resistência (em ohms) na temperatura de referência;
	A, B, C = constantes do material;
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5.3 – TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA
5.3.2 – TERMISTORES
	
	- Confeccionados com materiais semicondutores, usualmente óxidos de níquel, manganês, cobalto e outros, os quais apresentam grande variação da resistência elétrica com a temperatura, numa faixa entre -100°C a +300°C;
	
Os termistores são de coeficiente térmico negativo (NTC – Negative Thermal Coeficient.) ou seja a resistência decresce com o aumento da temperatura
	- São relativamente caros;
	- Medidores de baixa (5 a 10%) e alta precisão (0,05°C); 
	- Grande não linearidade exige o uso de circuitos adequados;
Coeficiente Térmico
Negativo (NTC)
5.4. TERMOPARES
1 – PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO
	Efeito Seebeck: A corrente será diretamente proporcional à diferença de temperaturas.
Efeito Peltier (complementar ao efeito Seebeck): quando um circuito contendo duas junções, inicialmente à mesma temperatura, é percorrido por uma corrente proveniente de uma fonte externa, ocorre o aquecimento da uma junção e o resfriamento da outra.
Efeito Thompson: Ao longo dos fios de um termopar, na ausência de corrente, a condução do calor causa um gradiente uniforme de temperatura
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5.4 – TERMOPARES
5.4.2 – LEIS BÁSICAS
	I – Lei do Circuito Homogêneo: a força eletromotriz (f.e.m.) que se desenvolve em um circuito com juntas quente (T1) e fria (T2) depende somente da composição dos condutores e das temperaturas T1 e T2. Durante a medição de temperatura, não há preocupação com a temperatura ao longo dos fios dos termopares.
	
	II – Lei dos Condutores (metais) Intermediários: a soma algébrica das f.e.m. em um circuito composto por um número n qualquer de condutores de materiais diferentes é zero se todas as junções estiverem à mesma temperatura. Assim, pode ser inserido um terceiro metal, desde que suas junções sejam mantidas a mesma temperatura.
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5.4 – TERMOPARES
5.4.2 – LEIS BÁSICAS (CONTINUAÇÃO)
	III – Lei da Soma das f.e.m. (lei das temperaturas intermediárias):
		Se dois metais homogêneos diferentes produzem uma f.e.m. E2 quando as junções estão às temperaturas T1 e T2, e uma f.e.m. E3 quando as junções estão a T2 e T3, a f.e.m. gerada quando as junções estão a T1 e T3 será E1 + E2.
Associação de termopares
Este tipo de associação proporciona maior sensibilidade (usado em detector de energia radiante)
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Associação em oposição: Neste caso E = E1 – E2
Esta associação é útil para medir diferença de temperatura entre dois pontos ou para, associada a um controle, manter duas temperaturas iguais, ou com um diferencial constante
E
Associação em paralelo: Sendo os termopares iguais teremos: 
 
 E = (E1+E2+E3)/3
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CORRELAÇÃO DA F.E.M. EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA
Visto que a f.e.m. gerada .em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas temos uma correlação entre a temperatura e a FEM
TIPOS E CARACTERÍSTICAS DOS TERMOPARES
 Termopares Básicos / Termopares Nobres / Termopares Especiais
 Termopares básicos (uso frequente)
Tipo T : Faixa de utilização: - 184 °C a 370 °C (F.e.m. produzida: - 6,258 mVa 20,810 mV)
Tipo J: Faixa de utilização: O°C a 760 °C ( F.e.m. produzida: - 8,095 mV a 43,559 mV)
Tipo E : Faixa de utilização:O°C a 870 °C (F.e.m. produzida: - 9,835 mVa 76,298 mV)
TipoK : Faixa de utilização:O°C a 1260 °C (f.e.m. produzida: - 6,458 mV a 54,852 mV)
Termopares Nobres (ALTISSIMA PRECISÃO)
Tipo S : 0 A 1480 °C (f.e.m 0,236 mV a 18,693 Mv
Tipo R: O °C a 1480 °C (F.e.m. produzida: - 0,226 mV a 21,101 mV)
Tipo B : 870a 1705 DC (f.e.m. produzida: O mV a 13,809 mV)
Termopares Especiais
TUNGSTÊNIO – RHÊNIO ( usados continuamente até 2300 C e por curto periodo até 2750 C)
IRÍDIO- 4O % - RHODIO/IRÍDIO ( USO por períodos limitados até 2000C.)
PLATINA- 40% RHODIO / PLATINA-2 O% R H O D I O
Podem ser usados continuamente até 1600 D e por curto período até 1800 C ou 1850 C.
OURO-FERRO / CHROMEL (temperaturas criogênicas).
NICROSIL I NISIL (é um substituto para o par tipo K).
Cabeçote e Bloco terminal
Cabeçote, elemento de interligação do termopar aos cabos de transmissão. 
No interior do cabeçote encontra-se o bloco terminal ou bloco de ligação
As juntas frias ou de referencia correspondem aos pontos onde os termopares são conectados aos terminais dos respectivos instrumentos
TERMOPAR DE ISOLAÇÃO MINERAL
O termopar de isolação mineral é constituído. de um ou dois pares termoelétricos, envolvidos por um pó isolante de óxido de magnésio, altamente compactado em uma bainha externa metálica. Devido a esta construção, os condutores do par termoelétrico ficam totalmente protegidos contra a atmosfera exterior, consequentemente a durabilidade do termopar depende da resistência à corrosão da sua bainha e não da resistência à corrosão dos condutores. Em função desta característica, a escolha do material da bainha é fator importante na especificação destes.
Vantagens
dimensão reduzida (D=> até 1 mm)
Maleável – fácil instalação
Resposta rápida
Resistente a corrosão
PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO
São instrumentos dedicados à medição de temperatura, sem contato direto com o corpo ou meio cuja temperatura está sendo medida. Princípio:
Lei de Stefan-Bltzmam e o corpo negro que estabelece a relação entre a temperatura de um corpo e a energia térmica irradiada
Pirômetros óticos: operam em temperaturas acima de 500/600C, nas quais o material começa a emitir radiações no espectro visível (incandescência) , até temperaturas da ordem de 5.000C (uso em aciaria)
Pirômetros infravermelhos. Cobrem a faixa aproximada de 0C até 4000C captando a energia radiante no espectro infravermelho
Pirômetros óticos
Pirômetros infravermelhos. 
Folha de especificação de transmissor de temperatura