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Departamento de Engenharia MecânicaLaboratório de Engenharia Térmica IProf. Rogério Ramos
2 – Aula de termometria:
‐ Definição de Temperatura e Calor‐ Escalas de Temperatura
‐ Tipos
de
Sensores
de
Temperatura
‐ Termopares
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2 – Aula de termometria:
‐ Definição de Temperatura e Calor‐ Escalas de Temperatura
‐ Tipos
de
Sensores
de
Temperatura
‐ Termopares
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1.2 Escalas da Tem eratura
A primeira escala de temperatura foi a de Farenheit em 1714, queconvencionou 32ºF para a temperatura de congelamento de uma
mistura entre gelo e amônia e 212ºF para a temperatura de ebulição da
á ua. A diferen a entre estes ontos foi dividida em 180 artes i uais a
qual se deu o nome de grau Farenheit.
a s tar e, e s us toman o tam m o s pontos e re er nc a,
convencionou 0ºC para o congelamento da água pura e 100ºC para a
ebulição da água pura, ambas à pressão atmosférica, a qual se deu onome de graus Celsius ou Centrígrados.
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No princípio de 1800, Thonsom (Lord Kelvin) desenvolveu uma escala
termodinâmica universal, baseada no coeficiente de expansão de um gás ideal.
e v n es a e eceu o conce o e ero so u o e a sua esca a permanece como
padrão para a termometria moderna. A escala de Kelvin não é baseada em
pontos de referência,mas em princípios termodinâmicos.
Zero absoluto ou Zero Kelvin é a menor temperatura que um corpo pode
alcançar, 0 K equivale a -273,15ºC.
As equações de conversão das unidades mais usadas na termometria moderna
ºC = ( ºF - 32 ).5/9 ºF = 9/5.ºC + 32
K = ºC + 273,15 ºC = K - 273,15
Existem outras escalas como a Rankine e a Réamur, porém são de pouco uso.
º º º º , .
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1.3 Escala Internacional de Temperaturas (ITS - 90)
Para melhor melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada
em fenômeno de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em
condições únicas de temperatura e pressão. São chamados de pontos fixos de
temperatura.
Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prática Internacional de Temperatura. Aprimeira escala prática internacional de temperatura surgiu em 1922, modificada em
- .
Prática Internacional de Temperatura foi publicada (IPTS-68).
A ainda atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34ºC baseada em pontos de
fusão, ebuliçao e pontos triplos de certas substâncias puras como por exemplo, o ponto
de fusão de alguns metais puros.
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determinísticos de temperatura e que definiu alguns novos pontos fixos de temperatura
Pontos Fixos IPTS‐68 IPTS‐90
‐ º ‐ º , ,
Ponto Triplo
da
Água +0,010ºC +0,010ºC
Solidificação do Estanho +231,968ºC +231,928ºC
Solidificação do Zinco +419,580ºC +419,527ºC
Solidificação do Prata +961,930ºC +961,780ºC
, ,
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1.4 Normas e Padrões Internacionais
Com o desenvolvimento tecnológico diferente em diversos paises, criou-se uma série de normas e
padronizações, cada um atendendo a uma dada região.
As mais importantes são:
ISA ‐ AMERICANA
DIN – ALEMÃ
JIS ‐ JAPONESA
BS ‐ INGLESA
–
Para atender as diferentes especificações técnicas na área da termometria, cada vez mais se
. ,
Internacional Eletrotécnica-IEC, vem desenvolvendo um trabalho junto aos paises envolvidos neste
processo normativo, não somente para obter normas mais completas e aperfeiçoadas mas
também de prover meios para a internacionalização do mercado de instrumentação relativo atermopares.
Como um dos participantes desta comissão, o Brasil, através da Associação Brasileira de Normas
Técnicas - ABNT, está também diretamente interessado no desdobramento deste assunto e vem
adotando tais especificações como Normas Técnicas Brasileiras
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‐ Definição de Temperatura e Calor‐ Escalas de Temperatura
‐ Tipos
de
Sensores
de
Temperatura
‐ Termopares
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.
Sensores, detectores
ou
elementos
primários
de
temperatura
são
transdutores
que alteram algumas de suas características físicas ao se equalizar com o meio
a ser determinada a temperatura.
Como
exemplo
poderíamos
citar
a
dilatação
do
mercúrio
num
termômetro
de
vidro, a geração de tensão num termopar, a variação de resistência ôhmica
num erm s or en re ou ras.
Dos inúmeros tipos de sensores de temperatura existentes, como termômetros
, , , ,
termômetros de quartzo, termopares, termoresistências e outros.
.
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‐ Tipos
de
Sensores
de
Temperatura
‐ Termopares
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Os Termopares são sensores de maior uso industrial para medição de temperatura.Eles cobrem uma faixa bastante extensa de temperatura que vai de ‐200 a 2300ºC aprox ma amen e, com uma oa prec s o e repe a a e ace ve , u o s o a um cus o que se comparado com outros tipos de sensores de temperatura são mais econômicos.
.
O fenômeno da temoeletricidade 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
, ,
corrente elétrica
( i ).
A existência de uma força eletro‐motriz (F.E.M.)EAB 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.
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Quando este circuito é interrompido, a tensão do cirucuito aberto (Tensão de Seebeck ) torna‐se uma função das temperaturas das junções e da composição dos dois metais.
enom namos a unç o na qua es su me a empera ura a ser me a e unç o
de Medição
(ou
junta
quente)
e a outra
extremidade
que
vais
se
ligar
no
instrumento
medidor de junção de referência (ou junta fria).
Quando a temperatura da junção de referência Tr é mantida constante, verifica‐se que a F.E.M. térmica (EAB) é uma função da temperatura da junção de medição (T1).
Isto
permite
utilizar
este
cirucuito como
um
medidor
de
temperatura,
pois
con ecen o‐se a r e a . . . gera a, e erm na‐se a .
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Curva de Correlação F.E.M. x Temperatura dos Termopares
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:
2.2 Conversão
de
Tensão
para
Temperatura
Com rela ão a F.E.M. x tem eratura de um termo ar não é linear o instrumento indicador deve de algum modo linearizar o sinal gerado pelo sensor.
No caso
de
alguns
instrumentos
analógicos
(como
registradores),
a escala
gráfica
do
; digitais usa‐se ou a tabela de correlação F.E.M. x temperatura, armazenada em memória ou uma equação matemática que descreve a curva do sensor.
Esta
equação
é
um
polinômio,
que
a
depender
da
precisão
requerida
pode
alcançar
uma
ordem de até 9º grau.
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Listamos abaixo os coeficientes de vários tipos de
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2.3 Tipos e Características dos Termopares
Foram desenvo vidas diversas com inações de pares de igas met icas com o intuito de
se obter uma alta potência termoelétrica (mV/ºC) para que seja detectável pelos
instrumentos de medi ão aliando‐se ainda às características de homo enidade dos fios
resistência à corrosão, relação razoavelmente linear entre temperatura e tensão entre
outros, para que se tenha uma maior vida útil do mesmo.
Podemos dividir os termopares em três grupos:
‐Termo ares de Base Metálica ou Básicos
‐ Termopares Nobres ou a Base de Platina
‐ Termopares Novos
Os termopares de base metálica ou básicos são os termopares de maior uso industrial,
em ue os fios são de custo relativamente baixo e sua a lica ão admite um limite de
erro
maior.
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As nomenclaturas adotadas estão de acordo com as normas IEC 584‐2 de julho de 1982.
‐ Composição: Cobre (+) / Cobre ‐ Níquel (‐)O
fio
negativo
cobre
‐ níquel
é conhecido
comercialmente
como
Constantan.
‐ Faixa de Utilização: ‐200 a 350ºC
‐
Estes termopares
são
resistentes
a corrosão
em
atmosferas
úmidas
e são
adequados
para
medidas
de temperaturas abaixo de zero. Seu uso no ar ou em ambientes oxidantes é limitado a um máximo de 350ºC devido a oxidação do fio de cobre. Podem ser usados em atmosferas oxidantes (excesso de oxigênio), redutoras (rica em hidrogênio, monóxido de carbono) e no vácuo; na faixa de ‐200 a 350ºC.
‐
O cobre (+) é avermelhado e o cobre ‐ níquel (‐) não.
‐ Aplicação:
Sua maior aplicação está em indústrias de refrigeração e ar condicionado e baixas temperaturas em
geral.
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Tipo J
‐Composição: Ferro (+) / Cobre ‐ Níquel (‐)O fio negativo cobre ‐ níquel é conhecido comercialmente como constantan.
‐ Faixa de utilização: ‐40 a 750ºC
‐ Características:
Estes termopares são adequados par uso no v cuo, em atmos eras oxidantes, redutoras e
inertes.
A taxa de oxidação do ferro é rápida acima de 540ºC e o uso em tubos de proteção é recomen a o para ar uma ma or v a em a as empera uras.O termopar do tipo J não deve ser usado em atmosferas sulfurosas (contém enxofre) acima de 540ºC.
, quebra do fio de ferro, o torna seu uso em temperaturas negativas menor que o tipo T.Devido a dificuldade de obtenção de fios de ferro com alto teor de pureza, o termopar tipo J
.
‐ Aplicação: Indústrias em geral em até 750ºC.
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Tipo E‐Composição: Níquel ‐ Cromo (+) / Cobre ‐ Níquel (‐)
‐ ‐
é conhecido como Constantan.
‐Faixa de utilização: ‐200 a 900ºC
‐
Estes termopares podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras, alternadamente oxidante e redutora e no vácuo, não devem ser utilizados pois perdem suas características termoelétricas.É adequado para uso em temperaturas abaixo de zero, desde que não esteja sujeito a corrosão em atmosferas
úmidas.
O termopar tipo E é o que apresenta maior maior geração de V/ºC do que todos os outros , .
‐Identificação da Polaridade: O níquel ‐ cromo (+) é mais duro que o cobre ‐ níquel (‐).
‐
Aplicação:
Uso
geral
até
900ºC.
Nota: Os termopares tipo T , J e E tem como fio negativo a liga constantan, composto de cobre e
níquel, porém a razão entre estes dois elementos varia de acordo com as características do fio
pos t vo co re, erro e n que ‐ cromo . Portanto a constantan o o negat vo n o eve ser
intercambiado entre os
três
tipos
de
termopares
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Tipo K
‐ Composição: Níquel ‐ Cromo (+) / Níquel ‐ Alumínio (‐)O fio positivo níquel ‐ cromo é conhecido conhecido comercialmente como Cromel e o negativo níquel ‐
. , , .‐ Faixa de utilização: ‐200 a 1200ºC‐ Características:
Os termopares
tipo
K são
recomendáveis
para
uso
em
atmosferas
oxidantes
ou
inertes
no
seu
range
de
trabalho. Por causa de sua resistência em oxidação, são melhores que os tipos T, J e E e por isso são largamente usados em temperaturas superiores a 540ºc.Podem ser usados ocasionalmente em temperaturas abaixo de zero graus.
‐ ,
1. Atmosferas
redutoras
ou
alternadamente
oxidante
e redutora.
2. Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rígida ferrugem e quebra do termopar.3. Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o cromo do elemento positivo pode vaporizar causando descalibração do sensor.4. Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de "Green‐Root", ou oxidante verde, ocorre quando a
, proteção longo, de pequeno diâmetro e não ventilado.Quando isto acontece os fios ficam esverdeados e quabradiços, ficando o fio posiotivo (cromel) magnético e causando total descalibração e perdas de suas características.O green‐root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio através do uso de um tubo
de proteção
de
maior
diâmetro
ou
usado
um
tubo
ventilado.
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Níquel ‐Cromo/Níquel
‐ Alumínio
ASTM‐E ‐230 Temperatura em graus Celsius (ITS‐90)
Força eletromotriz térmica em milivolts
ºC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
‐50 ‐1,889 ‐1,925 ‐1,961 ‐1,996 ‐2,032 ‐2,067 ‐2,103 ‐2,138 ‐2,173 ‐2,208 ‐2,243‐40 ‐1,527 ‐1,564 ‐1,600 ‐1,637 ‐1,673 ‐1,709 ‐1,745 ‐1,782 ‐1,818 ‐1,854 ‐1,889‐30 ‐1,156 ‐1,194 ‐1,231 ‐1,268 ‐1,305 ‐1,343 ‐1,380 ‐1,417 ‐1,453 ‐1,490 ‐1,527‐20 ‐0,778 ‐0,816 ‐0,854 ‐0,892 ‐0,930 ‐0,968 ‐1,006 ‐1,043 ‐1,081 ‐1,119 ‐1,156
‐10 ‐0,392 ‐0,431 ‐0,470 ‐0,508 ‐0,547 ‐0,586 ‐0,624 ‐0,663 ‐0,701 ‐0,739 ‐0,778
, , , , , , , , , , ,10 0,397 0,437 0,477 0,517 0,557 0,597 0,637 0,677 0,718 0,758 0,798
20 0,798 0,838 0,879 0,919 0,960 1,000 1,041 1,081 1,122 1,163 1,203
30 1,203 1,244 1,285 1,326 1,366 1,407 1,448 1,489 1,530 1,571 1,612
40 1,612 1,653 1,694 1,735 1,776 1,817 1,858 1,899 1,941 1,982 2,023
50 2,023 2,064 2,106 2,147 2,188 2,230 2,271 2,312 2,354 2,395 2,43660 2,436 2,478 2,519 2,561 2,602 2,644 2,685 2,727 2,768 2,810 2,85170 2,851 2,893 2,934 2,976 3,017 3,059 3,100 3,142 3,184 3,225 3,267
80 3,267 3,308 3,350 3,391 3,433 3,474 3,516 3,557 3,599 3,640 3,682, , , , , , , , , , ,
100 4,096 4,138 4,179 4,220 4,262 4,303 4,344 4,385 4,427 4,468 4,509
110 4,509 4,550 4,591 4,633 4,674 4,715 4,756 4,797 4,838 4,879 4,920120 4,920 4,961 5,002 5,043 5,084 5,124 5,165 5,206 5,247 5,288 5,328130 5 328 5 369 5 410 5 450 5 491 5 532 5 572 5 613 5 653 5 694 5 735
140 5,735 5,775 5,815 5,856 5,896 5,937 5,977 6,017 6,058 6,098 6,138
150 6,138 6,179 6,219 6,259 6,299 6,339 6,380 6,420 6,460 6,500 6,540
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2.4 Definição de Termopar
O aquecimento de dois metais diferentes com temperaturas diferentes em suas
extremidades, gera o aparecimento de uma F.E.M. (da ordem de mV). Este princípio
temperatura.
Um termopar ou par termom trico consiste de dois condutores met icos de
natureza distinta, na forma de metais puros ou ligas homogêneas. Os fios são
soldados em
um
extremo
ao
qual
se
dá
o nome
de
junção
de
medição;
a outra
extremidade, junção de referência é levada ao instrumento medidor por onde flui a
corrente gerada.
onvenc onou‐se zer que o meta pos t vo e negat vo, po s a tens o e
corrente geradas
são
na
forma
contínua
(cc).
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2.5 Leis do Circuito Termoelétrico
a) Lei do Circuito Homogêneo
. . .
química dos dois metais e das temperaturas entre as duas junções; ou seja, a tensão
gerada independe do gradiente de temperatura ao longo dos fios.
Uma aplicação desta lei é que podemos medir temperaturas em pontos bem definidos
com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as suas
unções.
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b) Lei dos Metais Intermediários
A F.E.M. gerada por um par termoelétrico não será alterada se inserirmos e qualquer
onto do circuito um metal enérico diferente dos ue com õem o sensor desde ue
as novas junções formadas sejam mantidas na mesma temperatura.
Uma aplicação prática desta lei é o uso dos contatos de latão ou cobre no bloco
de ligação, para a interligação do termopar ao seu cabo.
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c) Lei
das
Temperaturas
Intermediárias
A F.E.M. gerada em um circuito termoelétrico com suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica de F.E.M. gerada com as junções às temperaturas T1 e T2 e a F.E.M. do mesmo circuito com as junções às temperaturas de T2 e T3.
Uma consequência desta lei é o uso dos cabos compensados, que tendo custo mais baixo mas
mantendo as
mesmas
características
termoelétricas
do
termopar,
podem
ser
introduzidos
no
circuito
sem causar erros no sinal gerado.
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;
Exemplo:
Termopar tipo K sujeito a 100ºC na junção de medição e 25ºC na borneira do
instrumento (junção de referência)
Assim,
o
sinal
de
3,095V
é
transformado
em
indicação
de
temperatura
pelo
instrumento e corresponde a aproximadamente 76ºC; bem diferente dos 100ºC ao
qual o termopar está submetido (erro de ‐24ºC).
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2.6 Compensação da Temperatura Ambiente ( Tr )
Como to anter ormente, para se usar o termopar como me or e temperatura, necessário conhecer a F.E.M. gerada e a temperatura da junção de referência Tr, para
sabermos a temperatura
da
junção
de
medição
T1.
E = ET1 ‐ ETr
a temperatura
Tr.Uma maneira de se determinar a temperatura Tr (ponto de conexão do termopar ao
instrumento de medida é for a‐la ara um valor conhecido como or exem lo 0ºC.
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Ao colocarmos as extremidades do termopar a zero graus (banho de gelo), o sinal gerado pelo sensor só dependerá da temperatura T1 do meio a ser medido, pois a tensão gerada a 0º é zero em
.
Então a F.E.M. lida no instrumento será diretamente proporcional à temperatura T1 (junção de medição).
O banho de gelo ainda é muito usado em laboratórios e indústrias, pois consiste num método relativamente simples e de grande precisão.
Hoje
dispositivos
alternativos
foram
desenvolvidos
para
simular
automaticamente
uma
temperatura
de
, c ama a e compensaç o autom t ca a unç o e re er nc a ou a temperatura am ente.
Nestes instrumentos encontra‐se um sensor de temperatura que pode ser um resistor, uma termoresistência, termistor, diodo, transistor ou mesmo um circuito integrado que mede continuamente a
, correspondente à diferença da temperatura ambiente para a temperatura de 0ºC.
â
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;
Então, o instrumento medidor deve estar incorporado a um sistema de compensação
da temperatura ambiente capaz de gerar um sinal como se fosse um outro termopar
que chamamos de E1:
...
A compensação da temperatura ambiente fica:
D t t d E h i M â i
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O sinal total que deve ser convertido em temperatura pelo instrumento será a soma do
sinal do termopar e da compensação, resultando na indicação correta da temperatura
ambiente).
,
(junção de medição do termopar).
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Níquel ‐Cromo/Níquel
‐ Alumínio
ASTM‐E ‐230 Temperatura em graus Celsius (ITS‐90)
Força eletromotriz térmica em milivolts
ºC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
‐50
‐1,889
‐1,925
‐1,961
‐1,996
‐2,032
‐2,067
‐2,103
‐2,138
‐2,173
‐2,208
‐2,243
‐40 ‐1,527 ‐1,564 ‐1,600 ‐1,637 ‐1,673 ‐1,709 ‐1,745 ‐1,782 ‐1,818 ‐1,854 ‐1,889‐30 ‐1,156 ‐1,194 ‐1,231 ‐1,268 ‐1,305 ‐1,343 ‐1,380 ‐1,417 ‐1,453 ‐1,490 ‐1,527‐20 ‐0,778 ‐0,816 ‐0,854 ‐0,892 ‐0,930 ‐0,968 ‐1,006 ‐1,043 ‐1,081 ‐1,119 ‐1,156
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, , , , , , , , , , ,10 0,397 0,437 0,477 0,517 0,557 0,597 0,637 0,677 0,718 0,758 0,798
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, , , , , , , , , , ,
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