Temperatura e calor, Notas de estudo de Eletrônica

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faculdade de cariacica

bacharelado em engenharia elétrica

Supervisão e controle de processo

Medição de temperatura

Diego boarato

Cariacica Março de 2016

Nesse trabalho tento abordar seus instrumentos e principais meios de medição de temperatura; obtendo assim o produto final com melhores custo e com maior qualidadecompativeis com a necessidade do mercado consumidor.

Temperatura e calor

Todas as substâncias são constituídas de moléculas, que se encontram em contínuo movimento. Quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente apresenta-se o corpo e quanto, mais lento o movimento das moléculas, mais frio apresenta-se o corpo.

Então define-se temperatura como o grau de agitação térmica das moléculas. Na prática, a temperatura é representada em uma escala numérica, onde quanto maior o seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão. Outros conceitos que se confundem às vezes com o de temperatura são energia térmica e calor.

A energia térmica de um corpo 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 energia em trânsito ou a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura.

A literatura, geralmente, reconhece três meios distintos de transmissão de calor: condução, radiação e convecção.

Até o final do século XVI, quando foi desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliar temperatura, os sentidos do nosso corpo foram os únicos elementos de que dispunham os homens para dizer se um certo corpo estava mais quente ou frio do que um outro, apesar da inadequação destes sentidos sob o ponto de vista científico.

Termômetros de dilatação de líquido em recipiente metálico.

Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura dilata-se, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico).

O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes, sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a

A escolha e a especificação de um termopar pode não é uma tarefa tão simples como pode inicialmente parecer. Ela deve levar em conta os diversos requisitos da aplicação e as características do sensor intrínsecas e extrínsecas do sensor. Os aspectos a serem considerados são muitos e devem ser criteriosamente analisados. A seguir são mencionados apenas aspectos primários da análise, sem a pretensão de aprofundar nos temas.

• A compatibilidade com a faixa de temperatura de uso. Nesse aspecto, pode ser que diversos termopares sem eletivos, levando a melhor escolha a ser definida por outros aspectos.
• Maior potência termelétrica do termopar (mV/˚C). A princípio, quanto maior for esta relação, melhor será a relação sinal/ruído, o que facilita o processo de medição.
• Avaliação da precisão e da exatidão apresentada pelo tipo do termopar. Esses aspectos são definidas por normas nacionais e internacionais aplicadas. Deve- se confrontar o desempenho do termopar com o atendimento à tolerância admitida para o processo.
• A compatibilidade entre as propriedades físico-químicas do termopar com as do meio de uso. Por exemplo, termopares dos tipos R, S, E, K, N são resistentes à oxidação, mas ruins em atmosferas redutoras. Já os tipos J e T são bons em atmosferas redutoras e ruins nas oxidantes.
• Homogeneidade típica dos termoelementos. Há, comumente, poucas fontes de informações sobre essa característica. Porém, termopares compostos por termoelementos com elementos químicos mais voláteis, como o magnésio e manganês, são mais susceptíveis as alterações de composição. Elementos puros ou ligas binárias são mais estáveis. Vele destacar que a tendência a heterogeneidade pode resultar periodicidade menor de substituição de sensores.
• Tempo de resposta do termopar. Definido como o tempo necessário para o termopar reagir às variações da temperatura. Tipicamente é dado em termos da “constante de tempo” para uma resposta de 63,2% da variação.

• Custo inicial de instalação. Define o custo de aquisição do sensor e de seus acessórios de instalação. Por exemplo, os termopar nobres tendem exigir componentes diferentes dos aplicados para os não nobres.
• Custo operacional. Define os custo operacional de longo prazo do sensor, levando em conta seu desempenho e expectativa de vida.
• Facilidade de aquisição. Deve levar em conta a logística de compra e reposição.
• Compatibilidade com outros instrumentos do processo. Esse é um importante aspecto, que deve considerar o termopar e os demais componentes da instrumentação, como os cabeamentos existentes ou a ser lançados, os transmissores de sinais, indicadores e controladores de processo.
• Atendimento a padronizações internas e externas. A escolha de um termopar deve considerar aspectos relacionados às normas internas e externas aplicadas pela organização; deve buscar a diminuição do número de itens reposição; deve estar ajustada ao conhecimentos técnicos do usuário e do pessoal da instrumentação e deve atender a muitos outros aspectos relacionados à gestão dos processos relacionados à instrumentação.

de temperatura, os elétrons de um metal tendem a migrar de um condutor para o outro, gerando uma diferença de potencial elétrico num efeito semelhante a uma pilha eletroquímica. Através da condução térmica esse efeito é capaz de transformar energia térmica em energia elétrica com base numa fonte de calor mediante propriedades físicas dos metais.

A densidade de corrente é dada por:

Na qual é a tensão e é a condutividade elétrica. De maneira geral, o efeito Seebeck é descrito pela criação de campo eletromotriz dado por

Na qual é o Coeficiente Seebeck que depende das características do material, e é o gradiente térmico de.

O coeficiente Seebeck geralmente varia de acordo com a temperatura e fortemente com a composição do condutor. Para os materiais comuns a temperatura ambiente, o coeficiente Seebeck fica no intervalo de -100 μV/K a +1000 μV/K.

Efeito termoelétrico Peltier O 'efeito Peltier' foi observado em 1834 por Jean Charles Athanase Peltier, 13 anos após o físico Thomas Johann Seebeck ter descoberto o 'efeito Seebeck' em 1821.

O efeito Peltier consiste na produção de um gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma tensão elétrica em um circuito fechado.

Esse efeito também é conhecido como Força eletromotriz de Peltier e é o reverso do efeito Seebeck em que ocorre produção de diferença de potencial devido à diferença de temperatura neste mesmo tipo de circuito. Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só e denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termelétrico. Isto é, são dois efeitos que podem ser considerados como diferentes manifestações do mesmo fenômeno físico.

Quando uma corrente elétrica fluir no circuito e passar pelas junções dos metais, haverá uma variação na temperatura dessas soldagens, numa das junções libera-se calor e na outra, é absorvido calor.

O calor Peltier gerado nas junções por unidade de tempo, , é dado por

Na qual () é o coeficiente Peltier do condutor A e (B), e a corrente elétrica do circuito. Observamos também que os coeficientes de Peltier representam quanto calor é gerado por unidade de carga. A relação direta entre os efeitos Perlier e Seebeck pode ser observada na conexão entre seus coeficientes:.

Note que o total de calor gerado não é determinado somente pelo efeito Peltier, mas também é influenciado pelo efeito Joule. De fato, o calor liberado, chamado de calor de Peltier, é proporcional a corrente elétrica , enquanto que a outra parte, conhecido como calor liberado devido ao efeito Joule, é proporcional ao quadrado da corrente elétrica ().

Efeito termoelétrico de Thomson Em 1854, William Thomson (mais tarde Lord Kelvin, em 1851) mostrou que se as forças eletromotrizes de Peltier fossem as únicas fontes de energia nas soldagens do circuito fechado, então, a força eletromotriz resultante, aquela que chamamos de força eletromotriz de Seebeck deveria depender linearmente da temperatura.

Em muitos materiais, o coeficiente de Seebeck não é constante de acordo com a variação da temperatura. Desse modo, uma dada variação de temperatura pode resultar numa mudança no coeficiente de Seebeck, e a isso podemos denominar de gradiente do coeficiente Seebeck. Se a corrente é conduzida na direção deste gradiente, ocorrerá, então, uma versão contínua do efeito Peltier. Ele descreve o aquecimento ou arrefecimento de um condutor, percorrido por uma corrente, de acordo com um gradiente de temperatura.

Em outras palavras, o efeito Thomsom compreende a relação entre a taxa de produção de calor, que pode ser maior ou menor que , de acordo com a grandeza e direção da corrente, da temperatura e do material.

“A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes,

com suas junções expostas às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios”. Em outras palavras, a f.e.m. medida parece função única e exclusiva da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções.

Um exemplo de aplicação prática desta lei é que podemos ter uma grande variação de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, que esta não influirá na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura entre as juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante, é a diferença de temperaturas entre as juntas.

Lei dos Metais

“A soma algébrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver a mesma temperatura”. Deduz-se daí que um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.

Termoresistores Eletrônicos São resistores dependentes de temperatura que são feitos com materiais semicondutores como os óxidos de ferro, magnésio e cromo. O NTC (Negative Temperature Coeficient), tem comportamento em que sua resistência é inversamente proporcional à temperatura. Já o PTC (Positive Temperature Coeficient) tem comportamento contrário ao NTC e sua resistência é diretamente proporcional à temperatura.

Principio de Funcionamento As termoresistências, os bulbos de resistência, os termômetros de resistência ou RTD são sensores que se baseiam no principio de 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 cerâmica ou vidro.

Vantagens e Desvantagens. As termorresistências têm como principais vantagens: a sua elevada exatidão, uma vasta gama de medida, uma curva de resistência x temperatura mais linear que outros tipos de sensores, dispensa a utilização de fios especiais e não possuem limitação para distância de operação.

Quanto a desvantagens podemos referir a sua fragilidade, seu elevado tempo de resposta se comparado ao termopar, bem como o fato de a sua utilização requerer alguns cuidados para evitar o aparecimento de efeitos indesejados. Os efeitos referidos são a contaminação da medida:

• devido ao autoaquecimento (devido à dissipação de calor na termorresistência quando esta é atravessada por corrente elétrica), o qual pode ser minorado se a tensão de alimentação for reduzida; devido à resistência dos condutores, a qual é eliminada quer pela montagem a 3 fios quer pela montagem a 4 fios.

• devido à toda a extensão do bulbo estar em temperatura não homogênea, isso pode acarretar imprecisão nas medições.

Aplicações Os termoresistores são usados principalmente para refrigeração de alimentos e compostos químicos, fornos de fusão (produção de metais e ligas, destilação fracionada (produção de bebidas e derivados de petróleo), usinas nucleares e aquecedores e refrigeradores domésticos (fornos elétricos e microondas, freezers e geladeiras).

Instalação Os termoresistores são instalados ou em imersão, ou montados na superfície do recipiente:

Na instalação por imersão todo a parte sensitiva do resistor é colocada em contato direto com o fluido de que deseja-se obter a temperatura. Por estar em contato direto com o fluido, essa modalidade de instalação tem maior precisão de medida. É usada geralmente em aplicações onde as características do fluido permitem o seu contato com o sensor e onde o recipiente que armazena o fluido pode ser modificado para receber o sensor.

Na montagem na superfície o sensor não fica em contato com o fluido, mas sim com a superfície do duto que o conduz. Por essa razão a qualidade da medição é reduzida. É usada em aplicações onde o contato direto do fluido com o sensor provocaria atrito, ou quando não é possível o acesso do sensor na parte interna do duto.[

Características da termoresistência de platina As termorresistências Pt – 100 são as mais utilizadas industrialmente, devido à sua grande estabilidade, larga faixa de utilização e alta precisão. Devido à alta estabilidade das termorresistências de platina, as mesmas são utilizadas como padrão de temperatura na faixa de –270°C a 660°C.

Desvantagens: a) São mais caras do que os sensores utilizados nessa mesma faixa;

b) Deterioram-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização;

c) Temperatura máxima de utilização 630°C;

d) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para indicar corretamente;

e) Alto tempo de resposta.

Radiômetro ou Pirômetro de radiação Os radiômetros (ou pirômetros de radia- ção) operam, essencialmente, segundo a lei de Stefan-Boltzmann. São os sistemas mais simples, pois neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detetor do tipo termopilha (associação em série – ver figura abaixo) ou do tipo semicondutor nos mais modernos, onde gera um sinal elétrico no caso da termopilha ou altera o sinal elétrico no caso do semicondutor.

Como não possuem mecanismo de varredura próprio, o deslocamento do campo de visão instantâneo é realizado pela movimentação do instrumento como um todo. Os radiômetros são, em geral, portáteis, mas podem ser empregados também no controle de processos a partir de montagens mecânicas, fixas ou móveis.

Graças à utilização de microprocessadores, os resultados das medições podem ser memorizadas para o cálculo de temperatura e seleção de valores.

A apresentação dos resultados é, normalmente, feita través de mostradores analógicos e digitais, podendo ainda ser impressa em papel ou gravada em fita magnética para posterior análise. Alguns radiômetros são diretamente conectados com unidades de controle ou registradores através de interface analógica/ digital.

Conclusão

Foi possível ver suscintamente a importância da medição e controle de temperatura, seus instrumentos, características e funcionamento dos instrumentos nos processos industriais de modo simples e objetivo; obtendo noção de como influencia diretamente esse controle sobre a qualidade produto e o valor da produção, assim podendo otimizar recursos e cortar gastos.