Instrumentação Básica - Temperatura (Prof Marcos Lima), Notas de aula de Engenharia de Petróleo
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Instrumentação Básica - Temperatura (Prof Marcos Lima), Notas de aula de Engenharia de Petróleo

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Aula de Intrumentação do Eng Marcos Lima no curso CST petróleo e gás na Unp Natal. Conceito de temperatura, escalas termométricas, instrumentos de medição (bimetálico, por dilatação/expansão, termopar, termoresistência).
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Variável de processo

Instrumentação e Controle 1

Medição de Temperatura

• Introdução;

• Sensores de temperatura à dilatação;

• Sensores de temperatura à pressão;

• Termopares

• Termômetros de resistência

• Pirômetros de radiação

Instrumentação e Controle 2

Medição de Temperatura

• Introdução

– Conceitos;

– Escalas de temperatura.

Instrumentação e Controle 3

Conceitos

Temperatura

– é o grau de agitação térmica das moléculas.

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.

Instrumentação e Controle 4

Conceitos

Lei zero da termodinâmica

– Dois sistemas em equilíbrio térmico com um

terceiro, estão em equilíbrio térmico ente si.

Instrumentação e Controle 5

Conceitos

PIROMETRIA - Medição de altas temperaturas, na faixa onde

os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar.

CRIOMETRIA - Medição de baixas temperaturas, ou seja,

aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura.

TERMOMETRIA - Termo mais abrangente que incluiria tanto

a Pirometria, como a Criometria que seriam casos

particulares de medição.

Instrumentação e Controle 6

Transmissão de Calor

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.

Instrumentação e Controle 7

Transmissão de Calor

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.

Instrumentação e Controle 8

Transmissão de Calor

A convecção Natural ou livre Quando o movimento se dá em função

exclusivamente pelo resultado da diferenças de densidade causadas pelos gradientes de temperatura.

Instrumentação e Controle 9

Transmissão de Calor

A convecção Forçada Quando o movimento se dá, não

somente em função do resultado da diferenças de densidade, mas sim do uso de algum mecanismo que sirva para ativar a circulação do fluido (ex. ventilador, moto- bomba, etc).

Instrumentação e Controle 10

Transmissão de Calor

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.

Instrumentação e Controle 11

Escala Termométrica

• Mais usadas:

– Fahrenheit;

– Reaumur

– Celsius;

– Rankine;

– Kelvin;

Instrumentação e Controle 12

Fahrenheit • Escala de temperatura proposta por Gabriel Fahrenheit em 1724.

• Na escala Fahrenheit, o ponto de fusão da água é de 32 graus, e o ponto

de ebulição é de 212 graus.

• Esta escala está atualmente confinada aos países anglo-saxões,

especialmente Estados Unidos. Os demais países anglo-saxões, no

entanto, estão adaptando-se ao uso da escala Celsius.

• Para uso científico, tem uma companheira, a escala de Rankine, que leva

o 0 da escala ao zero absoluto, de forma similar ao que ocorre entre as

escalas Kelvin e Celsius.

Escala Termométrica

Instrumentação e Controle 13

Réaumur • é uma escala de temperatura concebida em 1731 pelo físico e inventor

francês René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757)

• Pontos fixos são o ponto de congelamento da água (zero) e seu ponto de

ebulição (80 graus).

• Seu símbolo é geralmente °Ré, apesar de °r às vezes ser usado.

Escala Termométrica

Instrumentação e Controle 14

Celsius • Homenagem ao astrônomo sueco Anders Celsius (1701–1744).

• Em 1742 a escala de temperatura Celsius foi concebida

• Ponto de congelamento da água corresponde a 0 grau, e o ponto de

evaporação corresponde a 100 graus observados a uma pressão

atmosférica padrão.

• Como existem cem graduações entre esses dois pontos de referência, o

termo original para este sistema foi centígrado (100 partes) ou

centésimos. Em 1948, o nome do sistema foi oficialmente modificado

para Celsius durante a 9° Conferência Geral de Pesos e Medidas, tanto em

reconhecimento a Celsius como para eliminar a confusão causada pelo

conflito de uso do prefixos centi do SI. Portanto, não é conveniente dizer

"graus centígrados" e sim "graus Celsius".

• O símbolo é °C

Escala Termométrica

Instrumentação e Controle 15

Celsius • Enquanto que os valores de congelamento e evaporação da água são

aproximadamente corretos, a definição original não é apropriada como

um padrão formal: ela depende da definição de pressão atmosférica

padrão, que por sua vez depende da própria definição de temperatura. A

definição oficial atual de Celsius define 0.01 °C como o ponto triplo da

água, e 1 grau como sendo 1/273.15 da diferença de temperatura entre o

ponto triplo da água e o zero absoluto. Esta definição garante que 1 grau

Celsius representa a mesma diferença de temperatura que 1 Kelvin.

Escala Termométrica

Instrumentação e Controle 16

Rankine • É uma homenagem ao engenheiro e físico escocês William John

Macquorn Rankine;

• Escala proposta em 1859.

• Como a escala kelvin, o 0ºR (Rankine) é o zero absoluto, mas as

variações em graus Fahrenheit são utilizadas. Assim, a variação de

um grau R equivale a variação de um grau F.

Escala Termométrica

Instrumentação e Controle 17

Kelvin • O kelvin recebeu este nome em honra do físico e engenheiro William

Thomson, que se tornou Lorde Kelvin;

• Em 1954 na 10ª CGPM (resolução 3) foi definida a unidade de

temperatura termodinâmica que recebeu o nome de grau Kelvin e o

símbolo ºK;

• É uma das sete unidades-base do SI.

• É definida por dois fatores: zero kelvin é o zero absoluto (quando param

os movimentos moleculares), e um kelvin é a fração 1/273.15 da

temperatura termodinâmica do ponto triplo da água (0.01°C);

Escala Termométrica

Instrumentação e Controle 18

Kelvin • Em 1967 (13ª CGPM, Resolução 3) ficou definido que o kelvin deveria

ser escrito com um k minúsculo (excepto, claro, no princípio das frases) e

não deve ser precedido pelas palavras grau ou graus ou o símbolo °,

como os graus Celsius ou Fahrenheit. Isto acontece porque estas são

escalas de medição, enquanto que o kelvin é uma unidade de medição;

• O "grau" foi removido. Note que o símbolo (não a abreviatura) para o

kelvin é sempre um K maiúsculo e nunca é escrito em itálico.

• Há um espaço entre o número e o K, como em todas as unidades restantes

do SI.

Escala Termométrica

Instrumentação e Controle 19

Escala Termométrica

CoF oK

49

67,491

5

15,273

9

32

5

RéRKFC oooo

 

 

 

Zero

absoluto

Ponto de

fusão do gelo

Ponto de ebulição

da água

0 0

032

212 100 80

0

671,67

491,67

373,15

273,15

-273,15-459,67 -218,52

Ro Réo

absolutas relativas

Instrumentação e Controle 20

IPTS - Escala Internacional Prática de Temperatura

Na 7a Conferência Geral de Pesos e Medidas em 1927 com 31 nações representadas, foi adotada uma escala prática internacional de temperaturas baseada em fenômenos de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas de temperatura e pressão. São chamados de pontos fixos de temperatura.

Exemplos de pontos fixos primários na pressão da atmosfera padrão de 101325 N/m²:

Ponto de solidificação do Ouro = 1064,43 oC

Ponto de ebulição da água = 100,00 oC

Escala Termométrica

Instrumentação e Controle 21

Medição de Temperatura

• Sensores de tempertaura à dilatação

– Termômetros bimetálicos;

– Termômetros de haste de vidro;

Instrumentação e Controle 22

Termômetro Bimetálico

ti

tf

• Princípio:

Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a

temperatura.

Li

Lf ).(.

).(. ..

: temos, e Se

ifiif

ifiifi

ifif

ttLLL

ttLLLtLL

tttLLL









)].(1[ ifif ttLL  

L

Instrumentação e Controle 23

Construção:

O termômetro bimetálico consiste em duas laminas de metais com

coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só peça.

Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que

é proporcional a temperatura.

Termômetro Bimetálico

16

var

16

107,0

1019





Cx

Cx

o

in

o

latão

Latão = liga de Cobre (67%) e Zinco (33%)

Invar = liga de Ferro (64%) e Níquel (36%)

Instrumentação e Controle 24

Na prática a lamina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o

que aumenta bastante a sensibilidade.

Termômetro Bimetálico

HÉLICE

Instrumentação e Controle 25

Termômetro Bimetálico

RECOMENDAÇÕES DE USO:

1. Faixa de especificação: -40 a 535 °C;

2. O latão é útil até aproximadamente 150 °C;

3. Acima de 150 °C, deve-se usar liga de Níquel-Cromo;

4. Calibração por comparação.

Instrumentação e Controle 26

NBR 13881 – Recomendações de fabricação e uso – Terminologia, segurança

e calibração

Objetivos: Fixa as condições exigíveis do termômetro bimetálico para uso industrial, no que

concerne aos aspectos de terminologia, recomendações gerais dimensionais e construtivas,

especificações de segurança e de utilização e procedimentos de ensaio.

Promover a intercambialidade, estabelecendo uma série de hastes dom dimensões

padronizadas preferenciais, tais como comprimento e diâmetros.

NBR 13881 - Termômetro Bimetálico

Instrumentação e Controle 27

Faixas de indicação

(Recomendadas):

Para aplicações industriais e

comerciais:

•- 30°C a 70°C

• 0°C a 60°C

• 0°C a 100°C

• 0°C a 160°C

• 0°C a 250°C

• 0°C a 400°C

Para laboratório,

termômetros

frigoríficos e de

bolso:

•- 50°C a 50°C

• 0°C a 60°C

• 0°C a 100°C

• 0°C a 160°C

• 0°C a 250°C

• 0°C a 400°C

NBR 13881 - Termômetro Bimetálico

Instrumentação e Controle 28

Calibração:

Conceito de exatidão: grau de concordância verificada na comparação de indicadores de temperatura

entre o valor observado no instrumento e um valor aceito como verdadeiro. Considera-se o erro máximo

admissível aquele resultado desta comparação, expresso em porcentagem da faixa de indicação do

instrumento. O erro de exatidão inclui histerese e repetibilidade, mas não o erro causado por atrito ou

paralaxe.

Procedimento: do começo ao fim da calibração, a temperatura do banho deverá ser medida usando-se

um padrão de referência calibrado com uma exatidão quatro vezes melhor que o termômetro a ser

calibrado. Imergir a haste do termômetro até a profundidade recomendada pelo fabricante. Antes de

iniciar a calibração efetuar um pré-ciclo de imersão da haste em banhos quente e frio com

temperaturas perto dos valores máximo e mínimo da faixa nominal. As leituras devem ser tomadas

aproximadamente a :

a) 10% da faixa de indicação

b) 50% da faixa de indicação

c)100% da faixa nominal de indicação

de forma crescente e decrescente em pelo menos dois ciclos de ensaios para verificação de histerese e

repetibilidade. O termômetro pode ser levemente batido antes de cada leitura, de modo a minimizar os

erros de atrito.

NBR 13881 - Termômetro Bimetálico

Instrumentação e Controle 29

Termômetro Bimetálico

Temp range -35.0 to 200.0°C

Display accuracy ± 0.025°C

Stability ± 0.01°C

Display resolution 0.1, 0.01 °C

$7320.00 (USD)

Temp range 35 to 375°C

Accuracy ±0.25°C at 100°C; ±0.5°C at 375°C

Stability ±0.1°C at 100°C; ±0.3°C at 375°C

$1720.00 (USD)

Calibradores:

1. Bloco seco;

2. Banho Maria.

Instrumentação e Controle 30

Termômetro Bimetálico

Caixa:

Caixa e anel de engate tipo baioneta em aço inoxidável AISI-304.

Acabamento polido. Diâmetros nominais de 66mm e 114mm para

o modelo BIA-IN; e 114mm somente para os modelos BIR-IN e

BIE-IN. Opcionalmente versão cheia de silicone (somente nos

modelos BIA-IN e BIE-IN no diâmetro 114mm). Grau de

proteção IP 65;

Mostrador: Alumínio, fundo branco e marcação preta;

Ponteiro:Alumínio, balanceado, com ajuste tipo fricção;

Precisão: 1%;

Sistema sensor: Bimetal helicoidal;

Montagem: Local;

Instrumentação e Controle 31

Termômetro Bimetálico

Conexão de processo:

Fixa 1/2" NPT ou BSP, ou deslizante 1/2" ou 3/4" NPT

ou BSP;

Faixas de temperatura:

Desde -50°C até 500°C (veja seleção de escalas);

Aplicações:

Medição de temperatura local em processos químicos,

petroquímicos, alimentícios, usinas geradoras de

energia, papel e celulose e indústrias em geral, que

trabalhem em condições de agressividade do ambiente

e/ou do fluido de processo compatíveis ao aço

inoxidável.

Instrumentação e Controle 32

TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO

Termômetro por Dilatação/Expansão

Instrumentação e Controle 33

TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO:

Os termômetros de dilatação de líquidos, baseiam-

se na lei de expansão volumétrica de um líquido

com a temperatura dentro de um recipiente fechado.

Vt = Vo.[ 1 +1.(t) + 2.(t)2 + 3.(t)3 ]

Termômetro por Dilatação/Expansão

Vt = Vo.[ 1 +1.(t) ]

β1, β2, e β3 = coeficiente de expansão do líquido

Instrumentação e Controle 34

TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO

• Construção:

– É formado por um bulbo de vidro ligado a um tubo capilar, também de vidro,

de seção uniforme e fechado na parte superior. O bulbo e parte do capilar

são preenchidos por um líquido sendo que na parte superior do capilar

existe uma câmara de expansão para proteger o termômetro no caso da

temperatura exceder o seu limite máximo.

– Sua escala é linear e normalmente fixada no tubo capilar no invólucro

metálico.

– Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço

metálico e o tubo capilar pelo invólucro metálico.

Termômetro por Dilatação/Expansão

Instrumentação e Controle 35

TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE

DE VIDRO

Os líquidos mais usados são:

1. Mercúrio;

2. Álcool;

3. Tolueno;

4. Acetona.

Termômetro por Dilatação/Expansão

Líquido Ponto de Solidificação Ponto de ebulição Faixa de Utilização

Mercúrio -39 °C 357 °C -38 a 550 °C

Álcool etílico -115 °C 78 °C -100 a 70 °C

Tolueno -92 °C 110 °C -80 a 100 °C

Obs.: Para o caso do mercúrio, cuja faixa normal é de - 38 a

350ºC, pode-se elevar este limite até 550ºC mediante

emprego de vidro adequado e injeção de um gás inerte sob

pressão, pois isto faz com que se evite a vaporização do

mercúrio.

Instrumentação e Controle 36

TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO

• Utilização dos termômetros de vidro industrial

– Um medidor barato;

– Indicação de temperatura de pequena flutuação;

– leitura da temperatura no próprio local não se constitui problema;

– Precisão baixa

– Resposta rápida não se fizerem necessárias.

Termômetro por Dilatação/Expansão

Instrumentação e Controle 37

RECOMENDAÇÕES NA INSTALAÇÃO DE TERMÔMETRO A

DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO :

1. Não utilizar nos pontos em que haja mudanças bruscas de

temperatura, pois poderia trincar o capilar de vidro;

2. Para evitar erros devido a temperatura ambiente, o bulbo deverá

estar completamente imerso;

3. Instalar o bulbo dentro de um poço metálico para proteção

mecânica, resistência à corrosão e permitir retirada em

operação;

4. O bulbo do termômetro deve ser instalado na mesma direção e

sentido oposto ao do fluxo, a fim de que a vazão média do fluido

seja suficiente para dar uma rápida transferência de calor.

Termômetro por Dilatação/Expansão

Instrumentação e Controle 38

TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO :

Termômetro por Dilatação/Expansão

Características:

Capela: Alumínio laminado. Faixas: Desde -40 até 600ºC. Líquido: Éter vermelho ou mercúrio. Haste: Aço inoxidável AISI 304. Ligação: Vertical ou angular. Precisão: 1% F.E. Números: Pretos em baixo relevo. Vidro: Opalino. Conexões: Industriais e sanitárias.

Instrumentação e Controle 39

TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO :

Termômetro por Dilatação/Expansão

Como especificar:

Instrumentação e Controle 40

TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE METÁLICO

Os líquidos mais usados são:

Mercúrio;

Tolueno;

Álcool.

Termômetro por Dilatação/Expansão

Instrumentação e Controle 41

TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE METÁLICO

Elemento de Medição (Sensor):

Termômetro por Dilatação/Expansão

Instrumentação e Controle 42

TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS

• A Lei de Gay-Lussac:

– “A pressão de um gás é proporcional à temperatura, mantendo-se

constante o volume do gás”.

n

n

T

P

T

P

T

P 

2

2

1

1

Termômetro por Dilatação/Expansão

gás do absoluta pressão P ; ... ;P ;P

gás do absoluta ra temperatu ; ... ; ;

21

21

n

nTTT

Obs.: Pressão e temperatura são linearmente dependentes, sendo o volume constante.

O erro introduzido pelo fato do gás não ser ideal é desprezível.

Instrumentação e Controle 43

TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS

• Construção:

– “Sua construção é praticamente idêntica à dos termômetros de

líquido com capilares metálicos, porém o bulbo é geralmente

grande, a fim de obter maior força”.

Termômetro por Dilatação/Expansão

Bulbo e capilar: aço, aço inoxidável, cobre, latão e monel.

Elemento de medição: cobre berílio, bronze fosforoso e aço inoxidável.

Instrumentação e Controle 44

TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS

• Construção - Tipos de gás de enchimento

– Utilizam-se normalmente Nitrogênio, Hélio, Neônio ou Dióxido de

Carbono (CO2). Porém, por ser inerte e mais barato, o Nitrogênio é

o gás mais utilizado.

– A faixa de medição varia de acordo com o gás de enchimento:

» O limite inferior determinado pela temperatura crítica do gás;

» O limite superior pelo tipo de capilar.

Termômetro por Dilatação/Expansão

Gás de enchimento Temp. Crítica Faixa de Utilização

Nitrogênio -147,1 °C -130 a 550 °C

Hélio -267,8 °C -260 a 550 °C

Dióxido de Carbono 31,1 °C 30 a 550 °C

Instrumentação e Controle 45

TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS

• Construção - Sistema de compensação da temperatura ambiente.

– Devido ao grande volume do bulbo, a relação entre o seu volume e a do

capilar é considerável, sendo então as variações de pressão com a

temperatura desprezíveis.

– Por isso não é necessário efetuarmos a compensação total. Porém a

compensação na caixa às vezes se faz necessária; quando isto ocorre, é

feita por um bimetal fixada na espiral e o instrumento é denominado de

classe ΙΙΙ.

Termômetro por Dilatação/Expansão

Instrumentação e Controle 46

TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS

• Utilização de termômetro à pressão de gás

– É ainda utilizado nas indústrias para indicação, registro e controle, pois

permite leituras remotas e por apresentar um tempo de resposta

pequeno;

– É o sistema mecânico de medição de temperatura que apresenta

resposta mais rápida.

Termômetro por Dilatação/Expansão

Instrumentação e Controle 47

TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS

– Recomendações:

1) Instalar o bulbo dentro de um poço protetor para permitir

manutenção com o processo em operação;

2) Não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se

formem restrições que prejudicariam o movimento do gás no seu

interior, causando falha no funcionamento do termômetro.

3) Instalar o bulbo de modo que o comprimento máximo do capilar

seja de até 30m;

4) Quando usar poço protetor, preencher o espaço entre o bulbo e o

poço com glicerina, óleo, etc., a fim de reduzir o atraso na

resposta.

Termômetro por Dilatação/Expansão

Instrumentação e Controle 48

TERMÔMETRO A PRESSÃO DE GÁS Modelo TMS-P (Willy)

Termômetro por Dilatação/Expansão

Caixa:

Caixa frente aberta tipo torre em fenol preto

com anel de expansão em inox. Diâmetro

nominal de 114mm.

Mostrador:

Alumínio, fundo branco e marcação preta.

Ponteiro:

Alumínio, balanceado, com ajuste tipo fricção.

Opcionalmente equipado com ponteiro de

máxima (XEP).

Sistema sensor:

Sistema fechado composto de tubo Bourdon ligado

por meio de tubo capilar a um bulbo cheio de

gás inerte.

Movimento:

Em aço inoxidável.

Conexão de processo:

Sempre do mesmo material da haste. Ajustável na

haste ou no capilar com roscas de 1/2" ou 3/4"

NPT ou BSP, macho ou fêmea.

Faixas de temperatura:

Desde -60°C até 600°C para hastes de aço inox,

-60°C até 150°C para hastes de latão.

Precisão:

1%.

Limite de temperatura ambiente:

Leitura imune à variação de temperatura ambiente

na faixa de 7°C até 65°C.

Instrumentação e Controle 49

Termopar

• Definição;

• Efeitos termoelétricos;

• Leis básicas;

• Tipos de termopares;

• Código de cores;

• Associação de termopares;

• Recomendações;

Instrumentação e Controle 50

Definição

O elemento termopar consiste em dois condutores metálicos, de

natureza distintas, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas.

Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta

quente ou junta de medição.

A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de

f.e.m. ( força eletromotriz ), fechando um circuito elétrico por onde flui

a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se

conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de

referência.

Instrumentação e Controle 51

Efeitos termoelétricos

Efeito Seebeck

O fenômeno da termoeletricidade 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 B, quando submetidos a um diferencial de temperatura entre as suas junções, ocorre uma circulação de corrente elétrica ( i ).

Instrumentação e Controle 52

Efeitos termoelétricos

Efeito Seebeck

A existência de uma força eletro-motriz (F.E.M.) térmica 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. Quando este circuito é interrompido, a tensão do circuito aberto (Tensão de Seebeck ) torna-se uma função das temperaturas das junções e da composição dos dois metais.

Instrumentação e Controle 53

Termopar: Leis Básicas

1. Lei do circuito homogêneo:

a) A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com suas junções 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 depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções;

b) As temperaturas intermediárias não alteram a f.e.m.

T3T1 T2

A (-)

B (+)

T4

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

temperatura entre as juntas.

Instrumentação e Controle 54

Termopar: Leis Básicas

2. Lei dos condutores intermediários:

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.

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.

T1 T2

T3 T4

T5 T6 A (-)

B (+)

C (+)

D (-)

Um exemplo prático da aplicação desta lei, é a

compensação ou correção da temperatura ambiente

pelo instrumento receptor de milivoltagem.

Instrumentação e Controle 55

Termopar: Leis Básicas

T1 T2

T3 T4

A (-)

B (+)C (-)

2143

2143

02431

EETT

EETT

EEEE







2. Lei dos condutores intermediários:

Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão ou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.

Instrumentação e Controle 56

3. Lei das temperaturas intermediárias

" A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e

diferentes entre si, com as suas junções as temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a

soma algébrica da f.e.m. deste circuito, com as junções as temperaturas T1 e T2 e

a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e T3”.

Um exemplo prático da aplicação desta lei, é a compensação ou correção da

temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.

570.0960.0530.1)(

735.20530.1265.22)(

305.21960.0265.22)(

24383

385382

245381







EEmVE

EEmVE

EEmVE

305.2157.0735.20)()()( 321  mVEmVEmVE

Exemplo com termopar tipo “K”:

Termopar: Leis Básicas

Instrumentação e Controle 57

3. Lei das temperaturas intermediárias

433

322

211

)(

)(

)(

TT

TT

TT

EEmVE

EEmVE

EEmVE







T1 T4

T2 T3 A (-)

B (+)

T1 T2mV=E1

A (-)

B (+)

T2 T3mV=E2

A (-)

B (+)

T3 T4mV=E3

A (-)

B (+) 321)( EEEmVE 

Termopar: Leis Básicas

Instrumentação e Controle 58

Correção da junta de referência:

538 °C 24 °C

A (-)

B (+)

960.00960.0)(

305.21960.0265.22)(

0242

245381





EEmVE

EEmVE

0 °C

A (-)

B (+)

538 C

A (-)

B (+) 24 °C

Compensação da Temperatura Ambiente ( Tr ) pelo instrumento

Termopar: Leis Básicas

Instrumentação e Controle 59

Termopar

Cabo de Extensão e Cabo de Compensação:

Chama-se de fios ou cabos de extensão aqueles fabricados com as

mesmas ligas dos termopares a que se destinam. Exemplo: Tipo TX, JX,

EX e KX.

Chama-se de fios ou cabos de compensação aqueles fabricados com

ligas diferentes das dos termopares a que se destinam, porém que

forneçam, na faixa de utilização recomendada, uma curva da força

eletromotriz em função da temperatura equivalente à desses termopares.

Exemplo : Tipo SX e BX.

Instrumentação e Controle 60

Tipos de Termopares

- Termopares Básicos

– Maior uso industrial;

– Custo relativamente baixo;

– Admite um limite de erro maior.

- Termopares Nobres

– Constituídos de platina;

– Custo elevado;

– Exijem instrumentos receptores de alta sensibilidade.

- Termopares Especiais

• Atender a problema específicos

Instrumentação e Controle 61

Termopar Básico

• Nomenclaturas: T - Adotado pela Norma ANSI

• Cu - Co

• Cobre - Constantan

• Liga: ( + ) Cobre - ( 99,9 % )

• ( - ) Constantan - São as ligas de Cu-Ni compreendidos no intervalo

entre Cu ( 50 % ) e Cu ( 65 % ) Ni ( 35 % ). A composição mais utilizada para

este tipo de termopar é de Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ).

• Características:

• Faixa de utilização: - 200 °C a 370 °C

• F.e.m. produzida: - 5,603 mVMa 19,027 mV

• Aplicações: Criometria ( baixas temperaturas ), Indústrias de refrigeração,

Pesquisas agronômicas e ambientais, Química e Petroquímica.

Instrumentação e Controle 62

Termopar Básico

• Nomenclaturas: J - Adotada pela Norma ANSI

• Fe-Co

• Ferro - Constantan

• Liga: ( + ) Ferro - ( 99,5 % )

• ( - ) Constantan - Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ), normalmente se produz o

ferro a partir de sua característica casa-se o constantan adequado.

• Características:

• Faixa de utilização: -40 °C a 760 °C

• f.e.m. produzida: - 1,960 mV a 42,922 mV

• Aplicações: Centrais de energia, Metalúrgica, Química, Petroquímica,

indústrias em geral.

Instrumentação e Controle 63

Termopar Básico

• Nomenclaturas: K - Adotada pela Norma ANSI

• Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % )

• ( - ) Alumel - Ni( 95,4 % ), Mn( 1,8 % ), Si( 1,6 % ), Al( 1,2 % )

• Características:

• Faixa de utilização: - 200 °C a 1260 °C

• f.e.m. produzida: - 5,891 mV a 50,99 mV

• Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e Cal,

Vidros, Cerâmica, Indústrias em geral.

Instrumentação e Controle 64

A relação entre a temperatura da junção e a tensão de saída varia

para diferentes tipos de termopares.

Curvas caracteríticas

Instrumentação e Controle 65

Código de Cores de Termopares

Instrumentação e Controle 66

Código de Cores de cabo

Instrumentação e Controle 67

Código de Cores de cabo

Instrumentação e Controle 68

Associação de Termopares

1. Série:

Maior sensibilidade.

T1 T2 T3

E1- E2 E3+ - + - +

E = E1+E2+E3 - +

Instrumentação e Controle 69

Associação de Termopares

2. Oposição ou diferencial:

a) Usada para medir diferença de temperatura entre dois pontos;

b) Manter duas temperaturas iguais ou com diferencial constante.

T1 T2

E1- E2+ -+

E = E1-E2 - +

Instrumentação e Controle 70

Associação de Termopares

3. Paralelo:

a) Medir a temperatura média.

T1 T3

E1- E2 E3+ - + - +

E = (E1+E2+E3)/3

-

+

Instrumentação e Controle 71

Recomenda-se também uma distância mínima de 100mm do cabeçote à parede do

processo, para nunca exceder a temperatura máxima de utilização dos fios e cabos de

extensão e compensação.

Deve-se instalar os poços e tubos de proteção em locais onde o fluido a ser medido esteja

em constante movimento, pois zonas sem fluxo não indicam a temperatura real do

processo além de dar um atraso na resposta.

Em processos com temperaturas elevadas, deve-se em alguns casos montar o poço na

posição vertical, em cotovelo ou em ângulo para se conseguir um comprimento de

inserção mínimo e uma boa resistência mecânica.

Recomendações para instalação

Instrumentação e Controle 72

• Para a perfeita instalação e uso, deve-se atentar com vários detalhes de

montagem como por exemplo o comprimento de inserção:

• O comprimento da proteção e do sensor deve ser de tal forma que

acomode a junção de medição bem no meio do ambiente em que

se deseja medir a temperatura;

• Um comprimento de inserção mínimo recomendado por norma é

de no mínimo 10(dez) vezes o diâmetro externo da proteção

(bainha, tubo ou poço), para minimizar os erros causados pela

condução de calor ao longo da proteção.

Recomendações para instalação

Instrumentação e Controle 73

• A escolha de um termopar para uma determinada aplicação

deve ser feita considerando-se todas as características e

normas exigidas pelo processo, como:

• Faixa de Temperatura;

• Precisão;

• Estabilidade;

• Repetibilidade;

• Condições de Trabalho;

• Velocidade de Resposta;

• Potência Termoelétrica;

• Custo.

Recomendações para seleção

Instrumentação e Controle 74

Termopar

Erros de Ligação: Usando fio de cobre

Instrumentação e Controle 75

Termopar

Erros de Ligação: Usando fio de cobre (correção)

Instrumentação e Controle 76

Termopar

Erros de Ligação: Simples Inversão

Instrumentação e Controle 77

Termopar

Erros de Ligação: Dupla Inversão

Instrumentação e Controle 78

As termoresistências ou bulbos de resistência ou

termômetros de resistência ou RTD, são sensores

que se baseiam no princípio da 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.

Entre esses materiais, o mais utilizado é a platina

pois apresenta uma ampla escala de temperatura,

uma alta resistividade permitindo assim uma maior

sensibilidade, um alto coeficiente de variação de

resistência com a temperatura, uma boa linearidade

resistência x temperatura e também ter rigidez e

ductibilidade para ser transformada em fios finos,

além de ser obtida em forma puríssima.

Termoresistência

Instrumentação e Controle 79

Termoresistência de Platina

A termoressitência de platina é a mais usada industrialmente devido a

sua grande estabilidade e precisão.

Convencionou-se chamá-la de Pt-100, (fios de platina com 100a

0ºC).

Sua faixa de trabalho vai de -200 a 650ºC, porém a ITS-90

padronizou seu uso até 962ºC aproximadamente.

Aplicações típicas:

•Processos industriais

•Plantas

•Aquecedores dágua (Boilers)

•Sistemas de aquecimento

•Sistemas de ar condicionado

•Sistemas de ventilação

•Fogões

Termoresistência

Instrumentação e Controle 80

Termoresistência

Características

Alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura.

Rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos.

Para faixa de -200 a 0 oC:

Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T 2 + C . T3 . ( T – 100 ) ]

Para faixa de 0 a 850 oC:

Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T 2 ]

Instrumentação e Controle 81

Termoresistência

Instrumentação e Controle 82

Termoresistência Vantagens:

1. Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que os outros tipos de sensores;

2. Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação;

3. Dispensa utilização de fiação especial para ligação;

4. Se adequadamente protegido ( poços e tubos de proteção ), permite utilização em qualquer ambiente;

5. Tem características de estabilidade e repetibilidade melhores do que os termopares;

6. Curva de Resistência x Temperatura mais linear;

7. Menos influenciada por ruídos elétricos.

Instrumentação e Controle 83

Termoresistência Desvantagens:

1. São mais caras do que os sensores utilizados nessa mesma faixa;

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

3. Range de Temperatura menor que os termopares (máxima de utilização 630 °C);

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

5. Alto tempo de resposta mais alto que os termopares;

6. Mais frágil mecanicamente;

7. Autoaquecimento, exigindo instrumentação sofisticada.

Instrumentação e Controle 84

Ponte de Wheatstone

Existem normalmente dois instrumentos principais para determinar a resistência ôhmica das

termoresistências, que são pontes de medição (Ponte de Wheatstone) e os eletrônicos.

O circuito em ponte é bastante utilizado em laboratórios, devido a sua alta precisão e em alguns

sistemas industriais. A ponte de Wheatstone, quando apresenta uma relação de resistência R1 .

R3 = R2 . R4 , esta se encontra balanceada ou em equilíbrio e desta forma não circula corrente pelo

galvanômetro pois os potenciais nos pontos A e B são idênticos.

Portanto conhecendo-se os

valores de R1 e R2, e ajustando

a resistência R3 até que a

ponte fique em equilíbrio, tem-

se através de R3 o valor de R4 e portanto o valor ôhmico da

termoresistência.

R1 . R3 = R2 . R4

Termoresistência

Instrumentação e Controle 85

Termoresistência

Ligação a dois fios:

Instrumentação e Controle 86

Termoresistência

Ligação a três fios:

R3.R1R1.R4

R1.RL1R3.R1R1RL1R1.R4

: temosRL2,RL1 e R2R1 Supondo

RL1.R1R3.R1R2.RL2R2.R4 2

1

13

24





 

R

R

RLR

RLR

PT100=R4=R3

Instrumentação e Controle 87

Termoresistência

Recomendações para instalação de termoresistências

• Utilizar fios de mesma bitolas para interligar a termorresistência;

• Em locais sujeitos a vibração, deve-se usar sensor com isolação

mineral;

• O sensor deve ficar imerso completamente no processo;

• Deve-se evitar choques mecânicos.

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