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AULA 5 SENSORES DE TEMPERATURA Disciplina: Materiais Elétricos e Eletromagnéticos Prof. Douglas de Castro Karnikowski douglasdecastrok@san.uri.br 11/04/2018 Sensores de Temperatura 1 Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões (URI) Curso de Engenharia Elétrica 1.1. Introdução TEMPERATURA: Temperatura é a medida da energia cinética das partículas de uma determinada substância, ou seja, o grau de agitação térmica das moléculas. Quanto maior o seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 2 1. Medição de Temperatura 1.1. Introdução TERMOMETRIA: PIROMETRIA: medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica visíveis passam a se manifestar. CRIOMETRIA: medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas do zero absoluto. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 3 1. Medição de Temperatura 1.1. Introdução CALOR: Calor é a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 4 1. Medição de Temperatura 1.1. Introdução MODOS DE TRANSFERÊNCIA DA ENERGIA TÉRMICA: A energia térmica é transferida de um sistema para outro de 3 formas: Condução: processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa (contato direto). Radiação: processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando estão separados no espaço. Convecção: processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento da mistura. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 5 1. Medição de Temperatura 1.1. Introdução ESCALAS DE TEMPERATURA: A temperatura é quantificada através de escalas padronizadas, as mais utilizadas são a escala Celsius [°C] e a Fahrenheit [°F]. No Sistema Internacional (S.I.) utiliza-se à escala absoluta Kelvin. Relação entre as escalas: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 6 1. Medição de Temperatura 5 15,273K 9 32F 5 C 1.2. Aplicação PROCESSOS INDUSTRIAIS: Tratamento térmico do aço e outros materiais. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 7 1. Medição de Temperatura 1.2. Aplicação PROTEÇÃO DE SOBRETEMPERATURA: Proteção de sobretemperatura de peças e dispositivos. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 8 1. Medição de Temperatura Temperatura do Mancal Temperatura dos enrolamentos do estator 11/04/2018 Sensores de Temperatura 9 2. Termômetros Instrumentos de transferência de calor por condução Expansão Termômetros à Dilatação de Líquidos Termômetros à Pressão de Vapor Termômetros à Pressão de Gás Termômetros Bimetálicos Elétricos Termopar Termômetro com resistência elétrica Termômetro com semicondutores. Instrumentos de transferência de calor por radiação Pirômetros óptico Pirômetros de radiação 2.1. Termômetros à Dilatação de Líquidos Os materiais líquidos se dilatam com o aquecimento e contraem-se com o esfriamento, segundo uma lei de expansão volumétrica a qual relaciona seu volume com a temperatura e um coeficiente de expansão que é próprio de cada material. Os termômetros usam esse fenômeno para mostrar, por meio de uma escala, o nível de temperatura. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 10 2. Termômetros 2.1. Termômetros à Dilatação de Líquidos A equação que rege essa relação é: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 11 2. Termômetros 𝑽𝑻 = 𝑽𝑶 ∙ 𝟏 + 𝜷𝟏 ∙ ∆𝑻 + 𝜷𝟐 ∙ ∆𝑻 𝟐 + 𝜷𝟑 ∙ ∆𝑻 𝟑 Onde: T – temperatura do líquido em °C V0 – Volume do líquido a temperatura inicial de referência T0 VT – Volume do líquido a temperatura T ΔT – (T – T0) β1, β2, β3 – Coeficiente de expansão do líquido °C -1 2.1. Termômetros à Dilatação de Líquidos Na equação anterior, a relação não é linear, porém os termos de segunda e terceira ordem, dependendo do processo, podem ser desprezados em função de seus valores serem relativamente pequenos, na prática a consideramos linear: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 12 2. Termômetros 𝑽𝑻 = 𝑽𝑶 ∙ 𝟏 + 𝜷 ∙ ∆𝑻 2.1. Termômetros à Dilatação de Líquidos Os tipos de termômetro de líquido podem variar conforme sua construção: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 13 2. Termômetros Recipiente de vidro transparente Recipiente metálico 2.1. Termômetros à Dilatação de Líquidos TERMÔMETROS DE VIDRO TRANSPARENTE: São compostos por um recipiente (bulbo) contendo o líquido de dilatação e um capilar de vidro, acoplado ao recipiente. Com o aumento da temperatura o líquido sofre uma dilatação, fazendo com que suba dentro do capilar. O inverso do processo ocorre quando acontece o resfriamento. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 14 2. Termômetros 2.1. Termômetros à Dilatação de Líquidos TERMÔMETROS DE VIDRO TRANSPARENTE: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 15 2. Termômetros Termômetro de vidro transparente indicado para uso industrial. 2.1. Termômetros à Dilatação de Líquidos TERMÔMETROS DE VIDRO TRANSPARENTE: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 16 2. Termômetros Líquido Ponto de solidificação [°C] Ponto de ebulição[°C] Faixa de uso [°C] Mercúrio -39 +357 -38 a +550 Álcool etílico -115 +78 -100 a +70 Tolueno -92 +110 -80 a +100 Líquidos utilizados em termômetros de vidro. Obs: No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550°C, injetando gás inerte sob pressão, evitando a vaporização do mercúrio. 2.1. Termômetros à Dilatação de Líquidos TERMÔMETROS DE RECIPIENTE METÁLICOS: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 17 2. Termômetros Nesse termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico). Bulbo: Suas dimensões variam de acordo com o tipo de liquido e principalmente a sensibilidade desejada. 2.1. Termômetros à Dilatação de Líquidos TERMÔMETROS DE RECIPIENTE METÁLICOS: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 18 2. Termômetros Tubo Capilar: Suas dimensões são variáveis. O diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de evitar a influência da temperatura ambiente, todavia não deve oferecer resistência à passagem do líquido em expansão. 2.1. Termômetros à Dilatação de Líquidos TERMÔMETROS DE RECIPIENTE METÁLICOS: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 19 2. Termômetros Elemento de Medição: é utilizado o Tubo de Bourdon que pode ser: A. Tipo C B. Tipo Helicoidal C. Tipo Espiral 2.1. Termômetros à Dilatação de Líquidos TERMÔMETROS DE RECIPIENTE METÁLICOS: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 20 2. Termômetros APLICAÇÃO: Esse tipo de termômetro é geralmente aplicado na indústria para indicação e registro, pois permite leituras remotas e por ser o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de temperatura. Entretanto, por ter um tempo de resposta relativamente grande, não é recomendável para controle (mesmo usando fluido trocador de calor entre bulbo e poço de proteção para diminuir o atraso). O poço de proteção permite manutenção do termômetro com o processo em operação. 2.2. Termômetros à Pressão de Gás 11/04/2018 Sensores de Temperatura 21 2. Termômetros Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, sendo composto de um bulbo, elemento de medição e capilarde ligação entre os dois elementos. Nesse termômetro o volume do conjunto é constante e preenchido com um gás de alta pressão. Com a variação da temperatura o gás sofre uma expansão ou contração térmica, resultando assim em uma variação da pressão. 2.2. Termômetros à Pressão de Gás 11/04/2018 Sensores de Temperatura 22 2. Termômetros O elemento de medição opera como medidor de pressão, porém sendo a escala calibrada para a temperatura. Sendo o volume constante, a variação de pressão é linearmente dependente da temperatura. A Lei de Gay-Lussac expressa matematicamente o conceito: 𝑷𝟏 𝑻𝟏 = 𝑷𝟐 𝑻𝟐 = ⋯ = 𝐏𝟑 𝑻𝟑 = 𝑪𝒕𝒆 2.2. Termômetros à Pressão de Gás 11/04/2018 Sensores de Temperatura 23 2. Termômetros O gás mais utilizado é o nitrogênio e geralmente é confinado no termômetro a uma pressão de 20 a 50 atmosferas. A utilização do nitrogênio permite medir uma faixa de temperatura de -100°C a 600°C. Os gases Hélio, Hidrogênio e o Dióxido de Carbono também são utilizados nesses termômetros. 2.3. Termômetros à Pressão de Vapor 11/04/2018 Sensores de Temperatura 24 2. Termômetros Esse termômetro possui uma construção semelhante ao termômetro de dilatação de líquidos. Para qualquer variação de temperatura haverá uma variação na pressão de vapor do gás liquefeito colocado no bulbo do termômetro e, em consequência disso, uma variação na pressão dentro do capilar. 2.3. Termômetros à Pressão de Vapor 11/04/2018 Sensores de Temperatura 25 2. Termômetros A relação existente entre pressão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmica e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura em: 𝑷𝟏 𝑷𝟐 = 𝑪𝒆 ∙ 𝟏 𝑻𝟏 − 𝟏 𝑻𝟐 𝟒, 𝟓𝟖 Onde: P1 e P2 – pressão absolutas referentes a temperatura T1 e T2 – temperaturas absolutas Ce – calor latente de evaporação do liquido em questão 2.3. Termômetros à Pressão de Vapor 11/04/2018 Sensores de Temperatura 26 2. Termômetros 2.4. Termômetros Bimetálicos 11/04/2018 Sensores de Temperatura 27 2. Termômetros Esse tipo de termômetro é baseado no efeito da flexão por temperatura. Uma flexão por temperatura ocorre sempre que se justapõem duas lâminas metálicas de materiais diferentes, portanto de coeficientes de dilatação de temperatura diferentes, fixadas uma na outra, como é mostrado na figura ao lado. 2.4. Termômetros Bimetálicos 11/04/2018 Sensores de Temperatura 28 2. Termômetros 2.4. Termômetros Bimetálicos 11/04/2018 Sensores de Temperatura 29 2. Termômetros A flexão dar-se-á para o lado do metal que tiver o menor coeficiente de dilatação. Chamando a “flexão térmica especifica” de ft, teremos seu valor dado por: 𝒇𝒕 = α𝒕 ∙ 𝑳 𝟐 ∙ ∆𝑻 𝒔 Onde: ft– flecha (flexão por temperatura) α1– coeficiente de flexão térmica do par metálico L – comprimento do par bimetálico ΔT – diferencial de temperatura s – espessura do par bimetálico 2.4. Termômetros Bimetálicos 11/04/2018 Sensores de Temperatura 30 2. Termômetros Na prática o par bimetálico é enrolado em forma de espiral ou hélice, o que aumenta a sensibilidade (figura ao lado). Sua extremidade superior é fixa a um eixo o qual possui na ponta um ponteiro que gira sobre a escala de temperatura. 2.4. Termômetros Bimetálicos 11/04/2018 Sensores de Temperatura 31 2. Termômetros Normalmente usa-se o invar (aço com 64% de Fe e 36% de Ni) com baixo coeficiente de dilatação e o latão como metal de alto coeficiente de dilatação. A faixa de trabalho vai aproximadamente de -50 a 800 °C, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/-1% 11/04/2018 Sensores de Temperatura 32 Exemplo 1 Sabendo que o mercúrio tem um coeficiente de expansão volumétrica (β=0,00018 1/K) a temperatura T1 = 15°C, e dentro de um termômetro ocupa a essa temperatura um volume de V0=193 mm 3. Qual será a temperatura acusada pelo termômetro quando a coluna de mercúrio tiver se elevado mais 50mm (considerar o diâmetro do capilar como sendo 1mm)? 11/04/2018 Sensores de Temperatura 33 Exemplo 2 Considere o par bimetálico apresentado na figura abaixo e suponha que as variáveis que ft = 3mm, L=100mm, s=1mm e αt = 1,5x10-6 1/°C. Calcule o diferencial de temperatura ΔT em °C. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 34 Exemplo 3 Em um termômetro à pressão de gás é correto afirmar que: a) A variação da temperatura causa uma expansão ou contração do gás, variando assim seu volume b) A variação da pressão causa uma variação do volume do gás. c) A razão entre pressão e a temperatura não é uma constante. d) A temperatura e a pressão variam enquanto o volume permanece constante. 2.5. Termopares 11/04/2018 Sensores de Temperatura 35 2. Termômetros Consiste de dois condutores metálicos, de natureza distintas. Os fios são soldados em um extremo (junta quente ou junta de medição). Assim, quando os dois metais diferentes são unidos de modo a formar uma junção, propriedades elétricas se manifestam em função da temperatura. 2.5. Termopares 11/04/2018 Sensores de Temperatura 36 2. Termômetros Ligando o dispositivo formado por dois metais (x e y) unidos da forma indicada na figura abaixo observamos por meio de um milivoltímetro o aparecimento de uma tensão, que é explicada pelo efeito Seebeck. 2.5. Termopares 11/04/2018 Sensores de Temperatura 37 2. Termômetros O efeito Seebeck é a produção de uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre duas junções de condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando elas estão a diferentes temperaturas (força eletromotriz térmica). EFEITO SEEBECK 2.5. Termopares 11/04/2018 Sensores de Temperatura 38 2. Termômetros Na prática, para medição de temperaturas, interligam-se os fios em um dos extremos (ponto de medição – a), levam-se os outros dois extremos a uma temperatura constante (ponto de referência – b) e fecha-se o circuito por meio de um aparelho indicador. A tensão medida é relacionada com a diferença de temperatura entre o ponto de medição e o de referência. 2.5. Termopares 11/04/2018 Sensores de Temperatura 39 2. Termômetros Na maioria dos casos é necessário que o instrumento seja ligado ao termopar por cabos que sejam capazes de compensar as possíveis perdas em função da distância do ponto de leitura até o ponto de medição, bem como a ação da temperatura e interferências eletromagnéticas. 2.5. Termopares 11/04/2018 Sensores de Temperatura 40 2. Termômetros Circuito equivalente do termopar. 2.5. Termopares 11/04/2018 Sensores de Temperatura 41 2. Termômetros Classificação dos Termopares 2.5. Termopares 11/04/2018 Sensores de Temperatura 42 2. Termômetros Tipo T Tipo K 2.6. Termômetros de Resistência Elétrica O principio de medição de temperatura utilizando termômetros de resistência se baseia na variação do valor da resistência elétrica de um condutor metálico em função da temperatura. A equação abaixo representa com excelente aproximação a variação da resistência elétrica em função da temperatura. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 43 2. Termômetros 𝑹𝑻 = 𝑹𝟎(𝟏 + α ∙ 𝑻) Onde: RT – Resistência elétrica a temperatura T (°C) R0 – Resistência elétrica a temperatura de 0°C α – Coeficiente de variação da resistência em função da temperaturamedida em °C 2.6. Termômetros de Resistência Elétrica Dentre os metais, aqueles que se mostram mais adequados para utilização na termometria de resistência são: Cobre: utilizado para medição de temperatura na faixa de - 80°C a 260°C. Níquel: para medições de temperatura na faixa -60°C a 180°C. Platina: para medições de temperatura na faixa de -248°C a 962°C. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 44 2. Termômetros 2.6. Termômetros de Resistência Elétrica TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA DE PLATINA PADRÃO: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 45 2. Termômetros A platina é o metal mais utilizado na construção de termômetros de resistência, pois possui: Ampla faixa de utilização; Boa linearidade; Boa resistência a oxidação; Grande estabilidade química; Relativamente fácil de se obter na forma pura; 2.6. Termômetros de Resistência Elétrica TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA DE PLATINA PADRÃO: O comportamento da variação da resistência em função da temperatura é dado pelas seguintes equações. Faixa de -248 a 0°C: Faixa de 0 a 962°C: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 46 2. Termômetros 𝑹𝑻 = 𝑹𝟎 𝟏 + 𝑨 ∙ 𝑻 + 𝑩 ∙ 𝑻 𝟐 + (𝟏𝟎𝟎 − 𝑻) ∙ 𝑻𝟑 𝑹𝑻 = 𝑹𝟎 𝟏 + 𝑨 ∙ 𝑻 + 𝑩 ∙ 𝑻 𝟐 Valores Típicos: R0 = 25,5 ohms – A = 3,983x10 -3 °C-1 – B = -5,85x10-7 °C-2 – C = 4,2735x10-12 °C-4 2.6. Termômetros de Resistência Elétrica TERMÔRESISTÊNCIAS PT-100: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 47 2. Termômetros É uma termorresistência de platina que a 0°C apresenta uma resistência de 100Ω. As termorresistências PT-100 são as mais utilizadas industrialmente. Padrão de Temperatura: -270 à 660°C; Alta estabilidade e repetibilidade; Rápido tempo de resposta; Alta precisão; 2.6. Termômetros de Resistência Elétrica TERMÔRESISTÊNCIAS PT-100: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 48 2. Termômetros 2.6. Termômetros de Resistência Elétrica TERMÔRESISTÊNCIAS PT-100: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 49 2. Termômetros 2.6. Termômetros de Resistência Elétrica 11/04/2018 Sensores de Temperatura 50 2. Termômetros 1) Mais precisa que o termopar na sua faixa de uso; 2) Pode ser usadas a grandes distâncias; 3) Podem ser usados cabos de cobre comum nas ligações; 4) São mais estáveis que os termopares; 5) Sua curva de resistência elétrica em função da temperatura é mais linear que os termopares; 6) Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão e ótima repetibilidade de leitura. VANTAGENS DO PT-100 EM RELAÇÃO AO TERMOPAR 2.7. Sensores Semicondutores TERMISTOR TIPO NTC E PTC 11/04/2018 Sensores de Temperatura 51 2. Termômetros Termístor (ou termistor) são semicondutores (óxidos de ferro, magnésio, cromo, etc) sensíveis à temperatura Existem basicamente dois tipos de termístores: NTC (do inglês Negative Temperature Coefficient) - termístores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é negativo: a resistência diminui com o aumento da temperatura. PTC (do inglês Positive Temperature Coefficient) - termístores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é positivo: a resistência aumenta com o aumento da temperatura. 2.7. Sensores Semicondutores TERMISTOR TIPO NTC E PTC 11/04/2018 Sensores de Temperatura 52 2. Termômetros A curva de resposta de um termistor NTC não é linear e as constantes que determinam esta curva muitas vezes não são fornecidas quando compramos resistores no mercado local. Na figura ao lado é mostrado uma curva exemplo de Temperatura x Resistencia do NTC e do PTC. 2.7. Sensores Semicondutores TERMISTOR TIPO NTC E PTC 11/04/2018 Sensores de Temperatura 53 2. Termômetros Equação Steinhart e Hart É uma equação utilizada para modelar um NTC. É uma expressão empírica que mapeia o valor da resistência com a temperatura onde está o dispositivo. Onde: T é a temperatura (em Kelvins) R é a resistência elétrica na temperatura T (em ohms) A, B, e C são os coeficientes de Steinhart–Hart que dependem do tipo de construção, material e margem de temperatura. 2.7. Sensores Semicondutores TERMISTOR TIPO NTC E PTC 11/04/2018 Sensores de Temperatura 54 2. Termômetros Inversa da Equação Steinhart e Hart Para obter o valor da resistência do semicondutor em função da temperatura, deve-se usar o inverso da equação de Steinhart-Hart, com os mesmos coeficientes. 2.7. Sensores Semicondutores TERMISTOR TIPO NTC E PTC 11/04/2018 Sensores de Temperatura 55 2. Termômetros Coeficientes Os coeficientes de Steinhart-Hart podem ser obtidos a partir de um sistema de três equações e três incógnitas, onde são utilizados três pontos de resistência e temperatura conhecidos. 2.7. Sensores Semicondutores TERMISTOR TIPO NTC E PTC 11/04/2018 Sensores de Temperatura 56 2. Termômetros Coeficientes Com os valores de resistência de R1, R2 e R3 e as temperaturas T1, T2 e T3, pode-se expressar as constantes A, B e C como: Sendo: 2.7. Sensores Semicondutores TERMISTOR TIPO NTC E PTC 11/04/2018 Sensores de Temperatura 57 2. Termômetros Coeficientes Os coeficientes A, B e C são obtidos por: 11/04/2018 Sensores de Temperatura 58 Exemplo 4 Encontrar os coeficiente da Equação Steinhart e Hart para o NTC a partir da tabela abaixo. Temperatura Resistência 3 °C 2330 Ω 21,8 °C 1238 Ω 61 °C 380 Ω Medição obtidas de forma experimental 2.7. Sensores Semicondutores LM 35 11/04/2018 Sensores de Temperatura 59 2. Termômetros O sensor de temperatura mais popular com certeza é o LM35, ele é um circuito integrado que parece um transistor comum de encapsulamento TO-92 de 3 pinos, mas existe outras versões de encapsulamento, como a TO-220. O LM35 é um circuito integrado sensor de Temperatura de precisão para graus centígrados, ele é um termômetro preciso e sensível, além de ser barato e fácil de encontrar aqui no Brasil. 2.7. Sensores Semicondutores LM 35 11/04/2018 Sensores de Temperatura 60 2. Termômetros O LM35 é um sensor de temperatura com saída analógica em tensão, faixa de medição de -55 º C a +150 °C com uma precisão de ± 0,5 °C. A tensão de saída é de 10mV/°C. A sua saída pode ser conectado diretamente a uma porta de qualquer microcontrolador. Arduino 2.8. Pirômetros de Radiação e Ópticos 11/04/2018 Sensores de Temperatura 61 2. Termômetros 2.8. Pirômetros de Radiação e Ópticos 11/04/2018 Sensores de Temperatura 62 2. Termômetros 3. Referências Bibliográficas FIALHO, Arivelto Bustamante. Instrumentação Industrial: Conceitos, aplicações e análises. 6. ed. São Paulo: Érica, 2008. FIGLIOLA, Richard S.; BEASLEY, Donald E.. Teoria e projeto para medições mecânicas. 4.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007. BALBINOT, Alexandre; BRUSAMARELLO, Valner João. Instrumentação e fundamentos de medidas. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2011. Notas de Aula. Prof. Rodrigo Padilha Vieira. Medidas Elétricas e Eletrônicas. Engenharia Elétrica. Universidade Federal de Santa Maria. 2015. 11/04/2018 Sensores de Temperatura 63
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