Cola Instrumentação

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Elementos climáticos são grandezas meteorológicas que comunicam ao meio atmosférico suas
características e propriedades pecualiares como a temperatura, umidade, chuva, vento, nebulosidade, etc, e
variam no tempo e no espaço e são influenciados por certos fatores, chamados fatores climáticos.
Fatores climáticos são fenômenos que influem de maneira direta ou indireta nos elementos
climáticos, como por exemplo: flutuações na quantidade de energia solar emitida, variações na órbita terrestre e
na rotação do eixo, teor de poluente no ar, etc. Em escala regional ou local, outros fatores podem ser
acrescentados: altitude, relevo, presença do mar, latitude, tipo de solo, vegetação, estações do ano, etc.
O meio ambiente (ou simplesmente ambiente) de um ser vivo é composto pela interação de diversos
fatores e elementos climáticos. Todos os seres vivos têm limites no que se refere aos componentes climáticos,
dentre os quais, um de fundamental importância é a temperatura.
Clima é o conjunto de condições meteorológicas (temperatura, pressão, vento, umidade e chuva) que
caracteriza o estado médio da atmosfera nos diversos pontos da superfície terrestre, em um dado período de
tempo.
Os climas da terra são classificados levando-se em consideração vários fatores, onde os principais de
ordem climática são:
- Astronomia: movimento da terra ao redor do sol e em torno de seu eixo.
- Meteorologia: massas de ar, camadas da atmosfera, limites da disponibilidade solar para produção de
alimentos.
- Geografia: continentalidade e oceanalidade.
A classificação dos climas é baseada em controladores do clima como:
- Latitude: a zona tórrida, tropical e a temperada e frígida (são zonas latitudinais).
- Oceanos: climas marinhos ou continentais.
- Altitude: climas de planície, de montanha, etc.
Existem várias classificações do clima que levam o nome de seus autores, sendo as mais usadas as de
Koppen, Thornthwaite, Blair, onde cada classificação se baseia em certos fatores climáticos ou geográficos.
Fórmulas de trocas de calor
- Condução: q” =  . T onde: q = fluxo (W/m2); = W/m . oC; e (esp.)= m; T = oC.
e
- Convecção: q” = h . (Ts - T) onde: h = coef. transf. de calor por conveção (W/m2.oC); Ts - T = oC.
- Radiação: q” =  .  . (Ts4 – Tviz4) onde:  = emissividade do corpo em relação ao corpo negro;
 = constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2.K4); Ts - Tviz = K.
- Resistência térmica: Rt = e/   Rt = (m2.oC/W).
- Condutância térmica: U = 1/Rt  U = (W/ m2.oC).
- Resistência de superfície (devido a imperfeições de superfície não será considerada): para fechamentos horizontais
com fluxo descendente 
hi = 6,3 W/ m2.oC Rsi = 1/hi = 0,16 m2.oC/W; he = 25 W/ m2.oC Rse = 1/he = 0,04 m2.oC/W
- Com radiação incidente: q”=  . I . U
he
-  = coeficiente de absorção para onda curta: telha cerâmica = 0,70; pintura branca nova = 0,12; pintura branca
velha = 0,25; pintura negra = 0,90.
Pelas suas dimensões e pelos processos físico-químicos e biológicos que se desenvolveram, o planeta
terra possui hoje uma camada gasosa que o envolve, denominada ar atmosférico. Essa massa gasosa
constitui a atmosfera da terra e é essencial às formas de vida que nela se encontram. O ar atmosférico é
constituído de uma mistura de gases, vapor d'água e uma mistura de contaminantes como fumaça, poeira e
outros poluentes gasosos não presentes, normalmente em locais distantes de fontes poluidoras.
Por definição, o ar seco existe quando todo o vapor da água e os contaminantes são removidos do ar
atmosférico. A composição do ar seco é relativamente constante, mas pequenas variações na quantidade de
componentes ocorrem com o tempo, localização geográfica e altitude.
b.1- Pressão de vapor de saturação
Pvs = exp ( 31.9602 – 6270,3605 – 0,46057 Ln T ) eq. 2
T
para 255,38  T  273,16 K
Pvs = exp ( 60,433 – 6834,271 - 5,16923 Ln T ) eq. 3
T
para 273,16  T  366,5 K
Ln Pvs = b1 + b2 T + b3 T2 + b4 T3 + b5 T4 eq. 4
b8 b6 T - b7 T2
para 273,16  T  533,16 K
b1 = -27405,526
b2 = 97,5413
b3 = -0,146244
b4 = 0,12558 x 10-3
b5 = -0,48502 x 10-7
b6 = 4,34903
b7 = 0,39381 x 10-2
b8 = 22105649,25
b.2- Umidade Relativa, UR
UR = Pv eq. 5
Pvs
b.3- Razão de Umidade, W
W = 0,62198 Pv eq. 6
P - Pv
para 255,38  T  533,16 K
Pv  P
b.4- Volume específico, Ve
Ve = 287,05 T eq. 7
P - Pv
para 255,38  T  533,16 K
Pv  P
b.5- Entalpia, h
h = 1006,92540 (T - 273,16) + 4186,8 W (Tpo - 273,16) + h1g” W + 1875,6864 W (T-Tpo) eq. 8
para 273,16  Tpo  373,16 K
em que:
h1g” = entalpia de vaporização da água à temperatura de ponto de orvalho dado por:
h1g“ = 2502535,259 – 2385,75424 (T - 273,16) eq.9
para 273,16  T  338,72 K
h1g“ = ( 7329155978000 – 15995964,08 T2 )1/2 eq. 10
para 338,72  T  533,16 K
b.6- Temperatura de ponto de orvalho, Tpo
Tpo = c1 ( 10-3 Pv )C2 + c3 Ln ( 10-3 Pv ) + C4 eq. 11
 para 0,16  Pv  610,74 N . m-2
c1 = 82,44543
c2 = 0,1164067
c3 = 3,056448
C4 = 196,814270
 para 610,74  Pv  101340 N . m-2:
c1 = 33,38269
c2 = 0,2226162
c3 = 7,156019
C4 = 246,764110
 para 101340  Pv  4688500 N m-2:
c1 = 13,85606
c2 = 0,2949901
c3 = 12,10512
C4 = 263,128720
1. Efeito Joule
Def. 1: Quando um condutor é aquecido ao ser percorrido por uma corrente elétrica, ocorre uma
transformação de Energia Elétrica em Energia Térmica. Este fenômeno é conhecido como Efeito Joule, em
homenagem ao Físico Britânico James Prescott Joule (1818-1889). Esse fenômeno ocorre devido o encontro
dos elétrons da corrente elétrica com as partículas do condutor. Os elétrons sofrem colisões com átomos do
condutor, parte da energia cinética (energia de movimento) do elétron é transferida para o átomo aumentando
seu estado de agitação, conseqüentemente sua temperatura. Assim, a energia elétrica é transformada em energia
térmica (calor).
Def. 2: Quando portadores de carga elétrica atravessam um meio condutor, haverá choques (interações) entre
esses portadores e partículas do próprio condutor. Dessas interações, parte da energia elétrica associada aos
portadores transfere-se para as partículas do meio condutor, as quais passam a vibrar mais intensamente - o
que caracteriza, em parte, o aquecimento do condutor. A lei de Joule permite equacionar quanto de energia
elétrica é convertida em térmica e, dessa energia térmica produzida, uma parte eleva a temperatura do
condutor e outra parte é trocada com o meio ambiente sob a forma de calor.
Muitos aparelhos e instrumentos que utilizamos no nosso dia-a-dia têm seus funcionamentos baseados
no Efeito Joule, alguns exemplos são:
Lâmpada: um filamento de tungstênio no interior da lâmpada é aquecido com a passagem da corrente elétrica
tornando-se incandescente, emitindo luz.
Chuveiro: um resistor aquece por Efeito Joule a água que o envolve.
Outros aparelhos que possuem resistores e trabalham por Efeito Joule, como o secador de cabelo, o
ferro elétrico e a torradeira.
P = Q/Δt
P = R.i2
P = R.i2 ou P = V.i ou P = V2/R
E = P. Δt = R.i2. Δt
A resistência (R) de um condutor depende de suas dimensões (comprimento e área de seção
transversal) e de sua resistividade, sendo expressa por:
A
R=ρ onde: ρs - resistividade do sensor (Ω.m); L -
Comprimento do sensor (m) e A - Área de seção transversal do sensor (m2).
A maioria dos metais possui coeficiente de resistência elétrica positivo com a temperatura, para
faixas de temperaturas não muito largas. A resistência elétrica em função do coeficiente de resistividade de
temperatura dos metais é dada por: Rs = Ro [1 + o (Ts -To) + α1 (Ts - To)2 +...)]
onde: Ts - Temperatura do sensor aquecido (αC); Rs - Resistência do sensor aquecido (α); To - Temperatura de
referência, (αC); Ro - Resistência do sensor à temperatura de referência. Como exemplo pode-se citar o
tungstênio com αo = 5,20x10-3 (C)-1 e α1 = 7,00x10-7 (αC)-1. Como αo << α1, o termo quadrático torna-se
desprezível.
2a. Efeito Seebeck
É o efeito que permite a utilização dos termos elementos (par termelétrico). Seebeckfoi o primeiro a
eletromotriz (e conseqüentemente a causa da corrente elétrica num circuito fechado), quando as junções desses
metais estiverem a temperaturas diferentes.
Pode-se verificar isso facilmente e até utilizar desse efeito para, p.ex., examinar as diferentes
temperaturas nas típicas regiões da chama de um bico de Bunsen.
constatar que um circuito formado pela conexão de dois metais diferentes, passa a ser fonte de força
2b. Efeito Peltier
Comumente é confundido com o efeito de termo-elemento, porque de fato está presente na ação de um
par-termelétrico. O efeito Peltier ocorre quando passamos uma corrente elétrica pela junção de dois metais
diferentes e, na junção ocorrerá aquecimento ou resfriamento, dependendo do sentido da corrente elétrica.
Encontra aplicação prática na construção de anemômetros de termopilhas; na construção de
termômetros, etc.
3. Efeito Piezelétrico
Para maioria dos sólidos a aplicação de uma tensão mecânica causa uma deformação, que está
relacionada com o módulo de elasticidade do material. Para os sólidos piezelétricos a aplicação de uma tensão
mecânica além de gerar uma deformação produz um aparecimento de cargas elétricas na superfície. Em outras
palavras, a deformação do sólido produz um campo elétrico que é proporcional à força aplicada, sendo ainda a
recíproca verdadeira, ou seja, a aplicação de um campo elétrico pode gerar uma deformação no sólido. O efeito
de deformação seja ele compressão ou tensão dependerá do sentido com que o campo elétrico for aplicado no
cristal, da mesma forma o sinal do campo elétrico será definido pela ação de compressão ou tensão.
A explicação para o aparecimento de um campo elétrico pela aplicação de uma força é devida à
diferença de centro de cargas positivas e negativas dentro do sólido, resultando em um dipolo elétrico. Esses
dipolos podem existir espontaneamente no sólido, no caso dos ferroelétricos, ou surgirem somente quando uma
força externa é aplicada
ρ = ρo [1 + α(θ - θo)]
R = Ro[1 + α(θ -θo)].
Os termistores são excelentes sensores para
aplicações que seja necessário uma alta sensibilidade com
as mudanças de temperatura. As aplicações de termistores
estão mais voltadas à área média e na biologia. 
A resistência elétrica dos termistores pode variar tanto de
forma proporcional ou inversa com o aumento de temperatura
ao qual o sensor for exposto. Por essa característica é feita
uma classificação do termistores, sendo NTC(negative
temperature coeficiente) e PTC(positive temperature
coeficiente).
Os RTDs são formados por materiais como o níquel, a
platina ou uma liga niquel-platina. Já os termistores são
fabricados de material semicondutor, tais como óxido de
níquel, cobalto ou magnésio e sulfeto de ferro. Os óxidos
semicondutores reagem de forma diferente do que os metais
que formam os RTDs, para o NTC a resistência descresce
exponencialmente com o aumento da temperatura
 
Comportamento do termistor NTC
O diferencial do NTC é ser muito mais sensível a variações
de temperatura, comparado com outros sensores de resistência
variável com a temperatura, como os RTDs e os termopares.
Porém, o fato de ser mais sensível faz com que se comporte
de forma não linear. A curva que define o comportamento da
temperatura pela temperatura tem um comportamento
exponencial.
Características dos termistores
Os temistores possuem uma constante de tempo, que
considera o tempo levado para que se atinja 63% do valor da
próxima temperatura. A constante de tempo do sensor depende
diretamente da sua massa e do acoplamento térmico da
amostra.
No caso de consumo de potência, a corrente necessária para
que o termistor comece a atuar é da ordem de 100mA, o que
representará uma dissipação de potência de aproximadamente
2mW/°C. A estabilidade do termistor NTC abrange
temperaturas de -50°C até 150°C, os temistores são sensores
muito estáveis e sensíveis a variações pequenas de
temperatura. Devido a essas características é utilizado
massivamente na área militar.
Em eletrônica basicamente existem três grandezas a serem medidas: tensão (U), corrente (I) e
potência (P) e, os instrumentos usados para medi-las são chamados respectivamente de voltímetro,
amperímetro e wattímetro.
Os instrumentos podem dar uma indicação analógica ou digital. No caso dos instrumentos analógicos
a base de seu funcionamento é um medidor de correntes muito baixas chamados de Galvanômetro de bobina
móvel ou Galvanômetro de D'Arsonval, o qual consiste de uma bobina que pode ser movimentada e que
está colocada entre os pólos de um imã. Quando circula corrente pela bobina haverá uma interação entre o
campo do imã fixo e do eletroímã fazendo aparecer forças que provocarão um deslocamento da bobina
móvel, deslocando junto um ponteiro o qual dará uma indicação. O ângulo deslocado será proporcional à
intensidade da corrente através da bobina. Se calibrarmos a escala poderá efetuar uma medida de corrente.
Como se pode ver pela figura, os principais elementos construtivos de um galvanômetro de bobina
móvel são: a) O mostrador (escala) e o ponteiro; b) O imã permanente; c) A bobina móvel; d) sistema de
suspensão.
As principais características de tal aparelho são: resistência interna (Ri) e corrente de fundo
de escala (IGM) ou ainda sensibilidade (S) definida como sendo S = 1/IGM sendo especificada em
KV. Assim é que um instrumento que possui fim de escala de 50A, terá uma sensibilidade
de 1 /50A = 20KV.
Amperímetro
Um amperímetro é um Galvanômetro com a escala ampliada, p. ex., se dispomos de um
Galvanômetro com 100mA de fim de escala e desejamos construir um outro instrumento que meça até
1mA, deveremos colocar em paralelo com o Galvanômetro uma resistência chamada de shunt que desvie o
excesso (no caso 9,9mA).
Projetar um Amperímetro com fim de escala 5mA a partir de um Galvanômetro que tem
RiG = 500 e sensibilidade de 5K/V. Qual o valor da sua resistência interna?
- Primeiro deve-se calcular o fim de escala do Galvanômetro.
Como S = 1/IGM ↔ IGM = 1/S = 1/5.103 = 0,2mA = 200A. Como a bobina do galvanômetro
(simbolizada pela resistência interna 500) paralelo com o shunt (Rs), a tensão nos dois é a mesma,
portanto pode-se escrever: RS. 4,8mA = 500. 0,2mA
Circuito com as correntes limites:
 
Qual o significado do circuito acima? Quando entrar 5mA na associação paralelo (esta é a corrente
que está sendo medida), o ponteiro do galvanômetro irá até o fim da escala, pois pela bobina está passando
0,2mA (500 que é a corrente que faz o ponteiro ir até o fim da escala. A diferença (4,8mA) passa pelo
"Shunt". Se estivesse entrando 2,5mA? neste caso pelo galvanômetro passaria 0,1mA, o que levaria o
ponteiro até a metade da escala.
Observe que a resistência interna do instrumento assim construído (amperímetro) vale:
RiA=RiG//Rs, no nosso exemplo 20,83Qual a conseqüência do nosso instrumento ter uma
resistência interna de Consideremos um exemplo de medida usando o instrumento acima. Na figura a
seguir temos um circuito onde a corrente vale 5mA. O que acontecerá se inserirmos o nosso amperímetro
para medir essa corrente? Estaremos adicionando uma resistência de 20que não existia antes. O valor que
será realmente medido será outro, portanto existirá um erro, o qual será maior ou menor dependendo da
qualidade do amperímetro.
I(calculado ) = 1V / 2005mA I(medida) = 1V/2204,54mA
Conclusão importante: Um amperímetro ideal deverá ter resistência interna NULA!!
O que é uma "resistência shunt"?
O amperímetro é um instrumento utilizado para fazer a medida da intensidade no fluxo da
corrente elétrica que passa através da sessão transversal de um condutor. A unidade usada é o Ampère.
Como a corrente elétrica passa através dos condutores e dispositivos ligados a eles, para aferir a
corrente que passa por alguma região de algum circuito, deve-se colocar o amperímetro em série com
esta, sendo necessário abrir o circuito no localda medida. Por isso, para as medições serem precisas, é
esperado que o amperímetro tenha uma resistência muito pequena comparada às do circuito.
Amperímetros podem medir correntes contínuas ou alternadas e, dependendo da qualidade do
aparelho, pode possuir várias escalas que permitem seu ajuste para medidas com a máxima precisão
possível.
Na medição de corrente contínua, deve-se ligar o instrumento com o pólo positivo no ponto de
entrada da corrente convencional, para que a deflexão do ponteiro seja para a direita.
O amperímetro analógico nada mais é do que um galvanômetro adaptado para medir correntes
de fundo de escala maiores que a sua corrente de fundo de escala, do galvanômetro, IGM. Por isso, é
necessário desviar a sobrecorrente, formando um divisor de corrente com o galvanômetro em paralelo
com uma resistência denominada shunt (desvio) RS. Sendo ainda:
* A corrente de fundo de escala do amperímetro IA;
* A sobrecorrente IS;
* A resistência interna do galvanômetro RG;
* A resistência interna do amperímetro RIA.
Temos que: R_S = R_G \cdot i_{gm} / ( I_A - I_{GM} )
E temos que: R_{IA} = R_G \cdot R_S / ( R_G + R_S )
O valor da resistência interna do amperímetro é um dos fatores importantes que está relacionado
ao erro de medida do instrumento. A medida de corrente é feita intercalando-se o amperímetro em série
com o circuito no qual se deseja medi-la. Portanto, o amperímetro ideal é aquele que possui
resistência interna nula. Como isso é impossível, ao se fazer uma medida de corrente, introduz-se um
erro devido à modificação causada no circuito pela resistência interna do amperímetro. A tolerância da
resistência shunt é outro fator que está relacionado ao erro de medida do instrumento. Em geral, os
instrumentos de medidas são construídos com resistores de precisão, com tolerâncias de 1%.
O galvanômetro é um aparelho que mede a corrente elétrica através de seu efeito magnético, e é o
"coração" dos aparelhos analógicos de medida de corrente e de tensão que se usa em laboratórios. Pode-se ver
como o galvanômetro pode ser associado a resistores de forma a ser usado como medidor de tensão (voltímetro) ou
de corrente (amperímetro), na escala desejada.
O galvanômetro indica o valor da corrente IG que o atravessa pela deflexão de uma agulha sobre uma escala
(Figura 1 acima). O valor máximo da corrente que um galvanômetro pode medir é chamado de corrente de fundo
de escala (IFE) e corresponde à deflexão máxima da agulha sobre a escala. Correntes menores do que IFE são
indicadas por posições intermediárias da agulha sobre a escala, entre a posição da agulha com corrente nula e a
posição do fundo de escala, como frações de IFE. A corrente de fundo de escala está relacionada à sensibilidade do
galvanômetro, que é a capacidade de distinguir pequenas correntes: em geral, quanto maior a corrente de fundo de
escala, menor a sensibilidade.
O galvanômetro é essencialmente um medidor de corrente e pode ser usado diretamente para medir
correntes que não ultrapassem a corrente máxima IFE (Figura 2a). Correntes maiores, além de não poderem ser
indicadas pelo aparelho, podem danificá-lo e, portanto não podem ser medidas diretamente. Correntes muito
menores do que IFE também não podem ser medidas por um aparelho de sensibilidade finita.
O galvanômetro também pode ser usado para medir tensão, se a sua resistência RG for conhecida (Figura
2b). Uma tensão UG aplicada sobre os terminais do galvanômetro gera uma corrente IG que é medida pela deflexão
da agulha sobre a escala. A medida de tensão é feita multiplicando-se a corrente medida pela resistência do
galvanômetro, UG = RGIG. A tensão máxima que pode ser medida, correspondente à posição da agulha no fundo da
escala, é UFE = RGIFE. A escala do medidor representa agora frações da tensão máxima.
A limitação das medidas que podem ser feitas no galvanômetro às suas escalas naturais pode ser facilmente
contornada associando-se o galvanômetro a resistores de resistências conhecidas.
Construção de um amperímetro
Um amperímetro é construído pela associação em paralelo de um
resistor (chamado de "shunt") com um galvanômetro (Figura 3a). A
corrente total IA que atravessa a associação se divide na corrente IG que
atravessa o galvanômetro, e é por ele medida, e na corrente IS que é
desviada atravessando o "shunt", na razão inversa de suas resistências. A
corrente IG que atravessa o galvanômetro é apenas uma fração da corrente
total IA; sabendo em que proporção a corrente total IA se divide entre IG e
IS pode-se determinar quanto vale a corrente total I medindo a parte dela
que atravessa o galvanômetro.
O número adimensional é o fator de amplificação da escala natural de medida de corrente do
galvanômetro conseguida com a associação em paralelo com o resistor RS. A partir dessa relação podemos calcular
o valor da resistência necessário para converter o galvanômetro num amperímetro na escala desejada.
A resistência do amperímetro na nova escala é RA enquanto a corrente máxima que se pode medir
A resistência do voltímetro na nova escala é RV enquanto a tensão máxima que se pode medir é igual a
RVIFE. A relação entre a resistência numa escala e a tensão máxima nessa escala é a sensibilidade do voltímetro,
uma "resistência específica" que é característica do galvanômetro utilizado, igual ao inverso da corrente de fundo
de escala: sensibilidade do voltímetro = IFE
-1 (em /V).