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TM362 - Sistemas de Medição 2

Prof. Alessandro Marques

www.metrologia.ufpr.br

O tipo de metal utilizado na confecção dos sensores de temperatura, deve possuir características apropriadas, como:

Maior coeficiente de variação de resistência com a temperatura (α1, α2, ... αn),

quanto maior o coeficiente, maior será a variação da resistência para uma mesma variação de temperatura,

tornando mais fácil e precisa a sua medição.

Termômetros de resistência elétrica Termômetros metálicos – RTDs - Resistance Temperature Detectors

Estabilidade do metal para as variações de temperatura e condições do meio (resistência à corrosão, baixa histerese, etc.).

Linearidade entre a variação de resistência e a temperatura, produzindo escalas de leitura de maior precisão e com maior comodidade de leitura.


Platina :

-180 oC 980 oC

Com incerteza expandida de 0,1 oC

Alta repetibilidade. Linear. Sensor pode ser usado até 1500m para leitura

Niquel :

-180 oC 260 oC

Alta repetibilidade. Não linear. Sensor pode ser usado até 1500m para

leitura.


Termômetros de resistência elétrica

Bobina bifilar metálica enrolada sobre um substrato de cerâmica e encapsulada em cerâmica

Termômetros metálicos - RTDs


Detalhe de um sensor de temperatura de platina depositada sobre substrato cerâmico



Fotografia da parte externa de um sensor de temperatura de platina depositado sobre substrato cerâmico.



Detalhe da construção de um RTD de platina em uma bainha de aço inoxidável.



Calibração de termômetros de resistências metálicas

Existe dois métodos comumente utilizados para calibração dos RTDs:

O método de ponto fixo;

O método de comparação.


Termômetros de resistência elétrica Calibração de termômetros de resistências metálicas

O método de ponto fixo.

É utilizado para calibrações de alta precisão (0,0001 ⁰C)

Consiste na utilização de temperaturas de fusão ou solidificação de substancias como:

água, zinco e argônio

para gerar os pontos fixos e repetitivos de temperatura.

Em geral, é lento e caro !

Método usado em ambiente industrial é o banho de gelo

acomoda vários sensores

precisão de até 0,005 ⁰C


Utiliza um banho isotérmico estabilizado e aquecido eletricamente, onde são colocados os sensores a calibrar e um sensor padrão que servirá de referência.



Qualquer que seja o método de calibração deve-se seguir o rigor das normas.

Para executar uma calibração em condições em que erros muito pequenos são exigidos, justifica-se a escolha de métodos complexos e de equipamentos caros.



Para situações que é suficiente uma incerteza maior ou igual a 0,1 ⁰C, é possível utilizar técnicas mais simples de interpolação !

Para termômetros de resistência de platina é utilizada a Equação

de Callendar-Van Dusen (1925) :

R(t) = R0 (1 + At + Bt2)

sendo

R(t) a resistência do termômetro de platina a temperatura t;

t a temperatura em ⁰C;

R0 a resistência do sensor a 0 ⁰C;

A, B, C coeficientes de calibração que depende do material e é determinado usando a resistência para a temperatura de 0 ⁰C e 100 ⁰C


Montagem com RTDs

Uma das maneiras mais populares de utilização de RTDs é

por meio de fontes de corrente para excitar o sensor e medir a tensão sobre ele.

Outra maneira de implementar um termômetro com RTDs é a utilização de um circuito em ponte de Wheatstone.

Como alternativa, na indústria, pode-se utilizar MMQ, podendo alcançar incertezas de 0,05 ⁰C

Termômetros de resistência elétrica Montagem com RTDs - Ponte de Wheatstone

Montagem a 2 fios

RC – Resistência do cabo


Montagem a 3 fios:

haverá uma compensação da resistência elétrica pelo terceiro fio.

Montagem a 3 fios


Montagem a 4 fios:

existe duas ligações para cada lado da ponte também, anulando o efeito das resistências dos cabos.

Montagem a 4 fios


2

Os termistores são

semicondutores cerâmicos

que também tem sua resistência alterada com o efeito da temperatura,

mais geralmente possuem um coeficiente de variação maior que os RTDs.


• Termistores (Resistores termicamente sensíveis)

Os primeiros tipos de sensores de temperatura de resistência de semicondutores foram feitos de

óxido de manganês, níquel e cobalto,

moídos e misturados em proporções apropriadas e prensados numa forma desejada.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores (Resistores termicamente sensíveis)

Comparados com sensores de tipo condutor (que têm coeficiente de temperatura positivo e pequeno), os termistores têm um coeficiente muito grande, podendo ser

negativo (dito NTC, negative temperature coeficient)

ou

positivo (PTC – positive temperature coeficient).

Enquanto alguns condutores (cobre, platina) são bastante lineares, os termistores são altamente não lineares.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores (Resistores termicamente sensíveis)

Termômetros de resistência elétrica • Termistores

Símbolos padrões dos termistores que apresentam uma dependência não linear com a temperatura (a) positiva e (b) negativa.

• IEC – 117-6 (International Electrotechnical Commission)

Termômetros de resistência elétrica • Termistores

Esses dispositivos não são lineares e apresentam uma sensibilidade elevada (em geral, 3% a 5% por ⁰C)

Com faixa de operação típica de -100 ⁰C a +315 ⁰C.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores - PTC

Coeficiente de temperatura positiva

Os PTCs aumentam a sua resistência com o aumento da temperatura

Podem ser construídos de silício, e suas características dependem desse semicondutor dopado (que é a adição de impurezas químicas elementares em elemento químico semicondutor, com a finalidade de dotá-los de propriedades de semicondução controlada específica)

E nesse caso a dependência da resistência em relação a temperatura é quase linear.

Termômetros de resistência elétrica • Termistores – PTC - Coeficiente de temperatura positiva

Outros são construídos de titanatos de bário, chumbo e estrôncio.

Curva típica R x T de um termistor do tipo chave

Pode-se variar a temperatura na qual ocorre a conversão do coeficiente e depende da composição do termistor (entre 80 ⁰C e 240 ⁰C)

Termômetros de resistência elétrica • Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa


Características gerais dos termistores NTC de uso mais frequente

• Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa


Os termistores são geralmente usados quando é requerida :

alta sensibilidade;

robustez

ou tempo de resposta rápida.

Eles são normalmente encapsulados em vidro, podendo utilizar em ambiente corrosivo e abrasivo.

A alta resistência de um termistor comparada com a de um RTD, elimina os problemas de compensação de resistência da fiação elétrica.

• Termistores

Termômetros de resistência elétrica • Termistores – NTC - Coeficiente de temperatura negativa

Termopares Sensores self-generating ou sensores ativos !

Exemplos:

Piezoelétricos;

Termopares;

Piroelétricos;

Fotovoltaicos ;

Eletroquímicos.

Geram um sinal elétrico a partir de um mensurando sem necessitar de alimentação.

Usados nas medições de temperatura, de força , de pressão e de aceleração.

Termopares O método mais comum de medição de temperatura e

controle de temperatura utiliza um circuito elétrico chamado TERMOPAR.

Um termopar consiste: Dois condutores elétricos feitos de metais diferentes e que possuem

pelo menos uma conexão elétrica.

Essa conexão é chamada de junção ou junta.

Junção pode ser criada por soldagem ou qualquer método que proporcione um bom contato elétrico entre os dois condutores.

A saída é uma tensão, e existe uma relação definida entre essa tensão e as temperaturas das junções que formam o circuito do termopar.

Termopares Considere esse circuito básico de termopar.

Junção 1 está a temperatura T1

Junção 2 está a temperatura T2

Se T1 e T2 não são iguais, um potencial elétrico finito de circuito aberto, fem1, será medido.

Termopares Existem 3 fenômenos básicos que podem ocorrer em um circuito de termopar:

o efeito de Seebeck;

o efeito de Peltier;

o efeito Thomson.

Efeito de Seebeck

Em 1821 e 1822 o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou o circuito para um termômetro termopar, como o ilustrado na figura. Ambas as junções, de medição e de referência estão em ambientes isotérmicos (de temperatura constante), cada uma numa temperatura diferente.

A tensão de circuito através da junção de referência é a chamada tensão de Seebeck e aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as junções aumenta.

Ocorre a geração de eletricidade a partir da diferença de temperaturas.

Termopares

•

Termopares

Efeito de Peltier

Jean Peltier descobriu que, quando existe um fluxo de corrente na junção de dois metais diferentes,

há liberação ou absorção de calor .

Ocorre a geração de diferença de temperatura a partir de eletricidade.

Termopares

Esse comportamento foi descoberto durante experimento com o termopar de Seebeck.

Ele observou que a passagem de uma corrente elétrica através de um circuito de termopar de duas junções.

Termopares - Efeito de Peltier

Faz aumentar a temperatura em uma junção ao mesmo tempo em que causa a diminuição de temperatura na outra junção.

Efeito de Thomson

Existe um terceiro fenômeno que ocorre em circuitos termoelétricos.

Que está sujeito a um gradiente longitudinal de temperatura, e também a uma diferença de potencial de modo que existe um fluxo de corrente e de calor no condutor .

Termopares

Esse energia foi primeiramente observada por William Thomson em 1851

Leis fundamentais dos termopares A utilização de circuitos de termopar para medir temperatura é

baseada nos comportamentos de materiais e circuitos de termopares cuidadosamente controlados.

As seguintes leis fornecem a base necessária para a medição de temperatura com termopares:

1. Lei dos materiais homogêneos

2. Lei dos materiais intermediários

3. Lei das temperaturas sucessivas ou intermediárias.

Termopares

Leis fundamentais dos termopares

1. Lei dos materiais homogêneos

Uma corrente termoelétrica não pode ser sustentada em um circuito de um único material homogêneo apenas pela aplicação do calor, independentemente de como a seção transversal do material possa variar.

Portanto 2 materiais diferentes devem ser usados na construção de termopares.

Termopares


2. Lei dos materiais intermediários.

A soma algébrica das forças termoelétricas em um circuito composto por qualquer número de materiais diferentes é zero se todo o circuito está a um mesma temperatura.

Essa lei permite que um material diferente dos materiais do termopar possa ser inserido no circuito sem variação na fem de saída do circuito.

Termopares



Ex: Bloco de Ligação

Termopares

Borne de latão niquelado



Ex: É possível o uso de um conector comum

Termopares



Ex: Solda feita na junção de medição

Termopares


3. Lei das temperaturas sucessivas ou intermediárias.

Se dois materiais homogêneos diferentes que formam um circuito de termopar produzem fem1 quando as junções estão a T1 e T2 e produzem fem2 quando as junções estão a T2 e T3, então a fem gerada quando as junções estão a T1 e T3 será fem1 + fem2.

Essa lei possibilita que um termopar calibrado para um temperatura de referência seja utilizado em outra temperatura de referência.

Termopares

Medição básica de temperatura com termopares Esse circuito de termopar básico pode ser utilizado para medir a

diferença entre as duas temperaturas T1 e T2

Termopares

Medição básica de temperatura com termopares Para medições práticas da temperatura, uma dessas junções torna-se uma junta de referência, e é mantida a uma temperatura constante de referência.

A outra junção torna-se então a junta de medição e a fem existente no circuito para qualquer temperatura T1 é uma indicação direta da temperatura na junta de medição .

Termopares

Cromel é uma liga de 90% Ni (Niquel) e 10% Cr (Cromo)

Multímetro

Circuito de termopar básico, utilizando um termopar de cromel-constantan e um banho de gelo para criar a temperatura de referência.

Os fios do termopar são conectados diretamente a um multímetro para medir a fem.

Termopares - Medição básica de temperatura com termopares

Multímetro

Fios de extensão de cobre, criando duas junções de referência.

A lei dos materiais intermediários assegura que nem o multímetro nem os fios de extensão modificarão a fem do circuito, desde que as junções de conexão no multímetro e as duas no banho de gelo não apresentem diferenças de temperatura.

Termopares - Medição básica de temperatura com termopares

Multímetro

Padrões de termopares

O NIST (National Institute of Standards and Technology) fornece

especificações para materiais e construção de circuitos padrões de termopares para medição de temperatura.

Existe muitas combinações de materiais para termopares.

São identificadas por tipo de termopar e designada por letras.

A escolha depende da faixa de temperatura a ser medida, da aplicação em particular e do nível de incerteza desejado.

Termopares

Termopares - Padrões de termopares

Figliola, pg 266

designação de letras

polaridade

aplicação

Alumel (94% Níquel com 3% manganês, 2% Alumínio e 1% silício


Para determinar a fem de saída de uma combinação específica de um material, um termopar é formado de um material candidato e de uma liga padrão de platina para formar um circuito de termopar com temperatura de referência de 0 ⁰C.

A figura mostra a fem de saída para varias combinações de materiais com a platina-67.

A letra em cada curva indicam o tipo de termopar.


A lei das temperaturas intermediárias permite então a determinação da fem de dois materiais quaisquer cujas fems relativas a platina sejam conhecidas.

O gráfico mostra a fem como uma função da temperatura para alguma combinação de materiais comuns em termopares.

Tensão Padrão do termopar Termopares A tabela fornece a composição padrão de materiais de termopares, juntamente com os limites padrões de erro para varias combinações de materiais.

Esses limites são os erros máximos esperados

Tensão Padrão do termopar Termopares O NIST utiliza materiais de alta pureza para estabelecer o valor padrão da tensão de saída para um termopar composto de dois materiais específicos.

Isso resulta em tabelas padrões ou equações utilizadas para determinar a temperatura medida a partir do valor de fem medido.

Tabela para termopar de ferro/constantan, termopar tipo J

Tensão Padrão do termopar Termopares Essa tabela apresenta equações que relacionam a fem e a temperatura para termopares padrões.

Tensão Padrão do termopar Termopares

Por causa da ampla necessidade de se medir temperatura, surgiram indústrias especializadas na produção de fios de termopares de alta qualidade.

Os fabricantes podem fornecer, também, termopares com limites de tolerância especiais relativas as tensões padrões do NIST variando de ±1,0 ⁰C até cerca de ±0,1 ⁰C.

Os termopares construídos de fios de termopar padrão não necessitam de calibração para fornecer medidas de temperatura dentro dos limites de tolerância dados na tabela 8.5 (pagina 266 –Figliola)

Tipos de termopares

Os vários tipos de metais ou ligas comumente empregados na constituição de termopares dependem em primeiro lugar da temperatura a medir.

Existe uma série de termopares padronizados segundo uma determinada faixa de aplicação levando em conta também outros fatores, tais como ambiente e tipo de material que se deseja medir.

Termopares

Termopares Exemplo 1:

O circuito do termopar mostrado na figura é utilizado para medir a temperatura T1. A junção de termopar marcado com 2 está a temperatura de 0 ⁰C, mantido por um banho de gelo fundente. A tensão de saída é medida como 9,669 mV utilizado um multímetro. Qual é o valor de T1 ?

fem do multímetro

= 9,669 mV


Qual é o valor de T1 ?

Se o termopar segue o padrão da NIST, temos

Olhando a tabela que é referenciada a 0 ⁰C.

Pode-se dizer que a temperatura nesse caso é de 180 ⁰C

fem do multímetro

= 9,669 mV

Termopares

Exemplo 2:

Suponha que o circuito de termopar no exemplo anterior tem agora a junção 2 mantida a temperatura de 30 ⁰C e produz uma tensão de saída de 6,859 mV. Qual a temperatura da junção de medição ?


Suponha que o circuito de termopar no exemplo anterior tem agora a junção 2 mantida a temperatura de 30 ⁰C e produz uma tensão de saída de 6,859mV. Qual a temperatura da junção de medição ?

Se o termopar segue o comportamento de fem padrão da NIST, temos:

Pela lei das temperaturas intermediárias, a fem de saída para um circuito de termopar que possui 2 junções, uma a 0 ⁰C e a outra a T1, seria a soma das fems para o circuito de termopar entre 0 ⁰C e 30 ⁰C e entre 30 ⁰C e T1. Portanto,

fem0-30 + fem30-T1 = fem0-T1

1,537 + 6,859 = 8,396 mV

Portanto, o termopar está captando a temperatura de 157⁰C.

Tipo Liga Faixa de

Operação (ºC) e (mV) Características Genéricas

T Cobre/Constantan

Cu/CuNi -200 +350

-6,258 a

20,872

Pode apresentar problemas de oxidação. Bom na presença de

umidade. Recomendável para baixas temperaturas e meios

criogênicos.

J Ferro/Constantan

Fe/CuNi -150 +1000

-8,095

a

69,553

Atmosferas redutoras, inertes e com condições de vácuo.

Limitações em atmosferas oxidantes a elevadas temperaturas.

Não recomendado para baixas temperaturas.

K Cromel/Alumel

NiCr/NiAl -200 +1300

-6,458 a

54,886

Atmosferas oxidantes e inertes. Limitações na utilização em

vácuo ou em atmosferas redutoras.

S Platina-10% Ródio /

Platina

Pt10%Rh / Pt

0 1500 -0,236 a

18,693

Atmosferas oxidantes ou inertes. Não deve ser inserido em

tubos metálicos. Utilizado a altas temperaturas. Sensível a

contaminações.

R Platina-13% Ródio /

Platina

Pt13%Rh/Pt

0 1500 0,226

a 21,101 Semelhante ao termopar tipo S

B Platina-30% Ródio /

Platina-6% Ródio

Pt30%Rh/Pt6%Rh

0 1820 0

a 13,820

Atmosferas oxidantes ou inertes. Não deve ser inserido em

tubos metálicos. Utilizado a altas temperaturas. Sensível a

contaminações. Muito habitual na indústria do vidro.

E Cromel/Constantan

NiCr/CuNi -270 1000

-9,835 a

76,373

Atmosferas oxidantes ou inertes. Uso limitado em atmosferas

redutoras e , entre todos, a mais elevada f.e.m.

Termopares

Termopar-isolação mineral

Este tipo de montagem é de extrema utilidade pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos, que podem causar a completa deterioração dos termoelementos, além da grande resistência mecânica o que faz com que o termopar isolação mineral possa ser usado em um número quase infinito de aplicações.

Termopares

Os principais termopares comerciais Pode-se simplificadamente citar os requisitos gerais e simultâneos desejados na escolha dos metais para formação de um par termoelétrico: Resistência à oxidação e à corrosão consequentes do meio e de

altas temperaturas. Linearidade dentro do possível; Ponto de fusão maior que a maior temperatura à qual o

termopar é utilizado; Sua fem deve aumentar continuamente com aumento da

temperatura. Os metais devem ser homogêneos; Sua resistência elétrica não devem apresentar valores que

limitem seu uso; Sua fem deve ser estável durante a calibração e o uso dentro de

limites aceitáveis; Sua fem não deve ser alterada consideravelmente por mudanças

químicas, físicas ou pela contaminação do ambiente; Deve ser facilmente soldado pelo usuário.

Termopares

Termopar tipo Arruela para Montagem com Parafuso

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Termopar com Isolamento em Fibra Cerâmica e

Sobrerrevestimento em Malha de Inconel® para Alta Temperatura

• Isolamento para temperaturas

altas com malha externa de

Inconel.

• Flexível e resistente à abrasão

• Suporta temperaturas de até

1038°C (1990°F)

• Calibrações de termopar J, K, E

ou N


Sonda Termopar Reforçada tipo Plugue para Tubulação


Bibliografia

• BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J.; Instrumentação e fundamentos de medidas, volume 1, 2010.

• FIGLIOLA, R.S.; BEASLEY D.E., Teoria e Projeto para Medições Mecânicas, 4a Edição, LTC, 2007.

• Notas de aula Prof. Hélio Padilha e Prof. Marcos Campos

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