4.2- Medição De Temperatura

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA Escola Politécnica Departamento de Engenharia Mecânica

Instrumentação e Controle Noções básicas de automação e controle de processos ENG 233 – Ter. e Qui. - 19:00-21:00 – Sala 07.03.02

Professor

Geraldo Natanael Salvador-Ba 2010.2

Sumário Plano de Curso – Conteúdo Programático 1. Conceito básicos. 2. Controle de Processo.

3. Pressão. 4. Temperatura. 5. Nível. 6. Vazão. 7. Controle.

8. Transmissão. 9. Noções de projeto.

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Medição de Temperatura

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Medição de temperatura - Conceitos  Medidores de temperatura: os mais comuns são os sensores do tipo termopares, os termômetros baseados em bimetal e as termorresistências, que servem para a transmissão do sinal de temperatura através dos sistemas de controle de processos. Podemos classificar os instrumentos de medição de temperatura em dois níveis:  1º nível: são instrumentos em que o sensor está em contato com o meio a ser medido.  Termômetros à dilatação de sólido.  Termômetros à par termo elétrico.  Termômetros à resistência elétrica.  Termômetros à dilatação de líquido ou gás  2º nível: o elemento sensível não está em contato com o meio a ser medido.  Pirômetros de radiação total.

 Pirômetros de radiação parcial (monocromáticos).

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Sensores e Medidores - Bimetálicos  Sensores e medidores baseados no princípio bimetálico.  Princípio de funcionamento: é a dilatação linear dos metais quando esses submetidos ao calor,cada metal possui um determinado coeficiente de dilatação linear.  É formado por uma lâmina composta de dois metais diferentes.  Os coeficientes de dilatação linear dos dois metais são diferentes e quando ocorre o aquecimento da barra, a dilatação linear dos metais não sendo iguais, faz com que a lâmina se curve.  O encurvamento da lâmina é proporcional à temperatura aplicada na barra.

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Sensores e Medidores - Bimetálicos  Alarme contra incêndio:  Uso de lâminas bimetálicas em aparelhos que efetuam automaticamente a abertura e o fechamento de um circuito elétrico onde a comutação pode ocorrer para valores preestabelecidos de temperatura.

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Sensores e Medidores - Bimetálicos  Interruptores de pulsação automática (intermitentes):  O ligar e desligar de uma ou mais lâmpadas são comandados por uma lâmina bimetálica aquecida por um resistor de resistência R em série com a lâmpada. Exemplo: nas decorações de natal mediações de árvores ante pequenas lâmpadas, uma das lâmpadas usa o próprio calor dissipado em seu funcionamento para acionar um interruptor bimetálico, em série.

Exemplo: os termo-reguladores ou termostatos e os interruptores automáticos de sobrecarga funcionam sob este princípio básico das lâminas bimetálicas.

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Sensores e Medidores - Bimetálicos  Termômetro: o mais usado é o de lamina helicoidal, e consiste em um tubo bom condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala.  Normalmente usa-se o invar (aço com 64% Fe e 36% Ni) com baixo coeficiente de dilatação e o latão como metal de alto coeficiente de dilatação.  A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -50 a 800 oC, sendo sua escala bastante linear.  Possui exatidão na ordem de +/- 1%.

Na prática a lamina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade.

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Sensores e Medidores - Bimetálicos

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Sensor de temperatura - Termopar  Sensor baseado em termopar.  Termopar: se baseiam na propriedade onde dois metais dissimilares unidos em uma junção, chamada de junta quente, geram uma força eletromotriz, de alguns milivolts, na outra extremidade submetida a uma temperatura diferente da primeira junção.  A medição de temperatura é feita pela obtenção de uma força eletromotriz gerada quando dois metais de natureza diferente tem suas extremidades unidas e submetidas à temperaturas distintas.

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Sensor de temperatura - Termopar Isto ocorre devido aos metais distintos possuírem densidades de elétrons livres específicos e quando unidos em suas extremidades provocar migração desses elétrons do lado de maior densidade para o de menor densidade ocasionando uma diferença de potencial entre os dois fios metálicos.  A diferença de potencial não depende nem da área de contato e nem de sua forma, mas sim da diferença de temperatura entre as extremidades denominadas junção quente e fria. Esses sensores são chamados de termopares.

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Sensor de temperatura - Termopar  Efeito Seebeck: foi descoberto em 1821 pelo físico alemão T. J. Seebeck quando ele observou em suas experiências que em um circuito fechado formado por dois fios de metais diferentes ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura entre suas junções, e que sua intensidade é proporcional à diferença de temperatura e à natureza dos metais utilizados.  Em 1887, Le Chatelier (físico Francês), utilizou pela primeira vez na prática essa descoberta ao construir um termopar a partir de fios de platina e platina-rhodio a 10% para medir temperatura. Esse termopar é ainda hoje utilizado, em muitos laboratórios, como padrão de referência.

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Sensor de temperatura - Termopar  Efeito Peltier: em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura, se, mediante uma fonte externa, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junções variam em uma quantidade não inteiramente devido ao efeito Joule. A esse acréscimo de temperatura foi denominado efeito Peltier.  O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção e não depende da temperatura de outra junção.  O efeito Peltier não tem aplicação prática nos termopares e sim na área de refrigeração com a utilização de semicondutores especiais.

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Sensor de temperatura - Termopar  Efeito Thomson: em 1854, Thomson concluiu, que a condução de calor ao longo dos fios metálicos de um termopar, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio e, quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição da temperatura em uma quantidade não somente devido ao efeito Joule.  A essa variação adicional na distribuição da temperatura denominou-se efeito Thomson.  Termopar Convencional (Nu): é o tipo mais simples de termopar consiste em unir dois fios de diferentes naturezas por uma de suas extremidades.

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Sensor de temperatura - Termopar  Método de confecção dos termopares: onde “a, b e c” indicam a forma de junção de medição.

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Sensor de temperatura - Termopar  Termopar com Isolação Mineral: consiste de 3 partes básicas, sendo um ou mais pares de fios isolados entre si, um material cerâmico compactado para servir de isolante elétrico e uma bainha metálica externa. Garante maior estabilidade e resistência mecânica.

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Sensor de temperatura - Termopar

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Sensor de temperatura - Termopar

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Sensor de temperatura - Termopar

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Sensor de temperatura - Termopar

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Sensor de temperatura - Termopar

Poços: são recomendados para a proteção de sensores sujeitos a ambientes agressivos. Eles são usinados interna e externamente a partir de barras de metal, o que garante maior resistência e durabilidade.

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Sensor de temperatura - Termorresistência  Sensor baseado em termorresistência.  Termorresistências (RTD): usam o princípio da alteração da resistência elétrica dos metais com a temperatura.  Os metais mais usados são o fio de platina, Pt100, e o de níquel, Ni120, assim chamados por apresentarem resistências de 100 e 120 ohms, respectivamente, à temperatura de zero grau Celsius.  O Pt100 opera na faixa de -200 a 850ºC, enquanto o Ni120, -50 a 270ºC.

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Sensor de temperatura - Termômetro  Sensor baseado na dilatação de líquido (termômetro).  Termômetros de dilatação de líquidos: baseia-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado.

Termômetro – Líquido - vidro  Termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro: é constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção, mais uniforme possível fechado na parte superior.  O reservatório e parte do capilar são preenchidos com líquido.  Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar seu limite máximo.  Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações deste, a medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna líquida.  Líquidos mais usados: mercúrio, tolueno, álcool e acetona. Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico e o tubo capilar por um invólucro metálico.

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Termômetro – Líquido - vidro LÍQUIDO

PONTO DE SOLIDIFICAÇÃO (ºC)

PONTO DE EBULIÇÃO (ºC)

FAIXA DE USO (ºC)

Mercúrio

-39

+357

-38 a 550

Álcool Etílico

-115

+78

-100 a 70

Tolueno

-92

+110

-80 a 100

O termômetro de mercúrio é o mais comum de todos, que consiste basicamente num bulbo cheio de mercúrio ligado a um tubo capilar, ambos contidos num recipiente de vidro de forma tubular e graduado. Ao ser aquecido e dilatar-se, o mercúrio sobe pelo capilar. O contrário ocorre ao ser resfriado. É mais comum em laboratórios ou em indústrias, com a utilização de uma proteção metálica.

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Termômetro – Líquido - metálico

 Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico: o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico). Capilar: as dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de evitar a influencia da temperatura ambiente, porém não deve oferecer resistência a passagem do líquido em expansão.

LÍQUIDO

Bulbo: as dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e principalmente com a sensibilidade desejada.

FAIXA DE UTILIZAÇÃO (ºC)

Mercúrio

-35 à +550

Xileno

-40 à +400

Tolueno

-80 à +100

Álcool

50 à +150

Termômetro – Líquido - metálico  Capilar: o elemento usado é o Tubo de Bourdon.

Materiais mais usados: bronze fosforoso, cobre - berílio , aço inox e aço carbono.

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Termômetro – Gás  Sensor baseado na pressão de gás (termômetro).  Termômetros à pressão de gás: é fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos.

 O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão.  Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão conforme, aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão.  A Lei de Gay-Lussac, expressa matematicamente este conceito:

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Termômetro – Gás  As variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante, sendo expresso pela fórmula:  O gás mais utilizado é o N2 e geralmente é pressurizado com uma pressão de 20 a 50 atm, na temperatura mínima a medir.  Sua faixa de medição vai de -100 a 600 oC, sendo o limite inferior devido à própria temperatura crítica do gás e o superior proveniente do recipiente apresentar maior permeabilidade ao gás nesta temperatura , o que acarretaria sua perda inutilizando o termômetro.

Tipos de gás de enchimento

Gás

Temperatura Crítica

Hélio ( He )

- 267,8 oC

Hidrogênio ( H2 )

- 239,9 oC

Nitrogênio ( N2 )

- 147,1 oC

Dióxido de Carbono ( CO2 )

- 31,1 oC

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Termômetro – Vapor

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 Sensor baseado na pressão de vapor (termômetro).  Termômetros à pressão de vapor: sua construção é bastante semelhante ao de dilatação de líquidos, baseando o seu funcionamento na Lei de Dalton:  “A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume”.  Portanto para qualquer variação de temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás liquefeito colocado no bulbo do termômetro e, em conseqüência disto, uma variação na pressão dentro do capilar.

 A relação existente entre tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmica e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura em:

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Termômetro – Vapor

Líquidos mais utilizados e seus pontos de fusão e ebulição Líquido

Ponto de Fusão (oC)

Ponto de ebulição (oC)

Cloreto de Metila

- 139

- 24

Butano

- 135

- 0,5

Éter Etílico

- 119

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Tolueno

- 95

110

Dióxido de enxofre

- 73

- 10

Propano

- 190

- 42

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Referências Bibliográficas ALVES, José L., Instrumentação, Controle e Automação de Processos. Rio de Janeiro: LTC, 2006.  BEGA, E. A., “Instrumentação Industrial”, Editora Interciência, (2003);  FIALHO, A. B., “Intrumentação Industrial: Conceitos, Aplicações e Análises”, 2ª ed., Editora Erica, (2004);  MIYAGI, P. E., “Controle Programável - Fundamentos do Controle de Sistemas a Eventos Discretos”, Edgard Blücher, (1996); [629.89 M685C];  RIBEIR, Marco Antônio. Instrumentação - 8a Edição – 1999 Tek –Treinamentos Lta.  CAMPOS, Mario Cesar M. M. & TEIXEIRA, Herbert C. G., “Controles Típicos de Equipamentos e Processos Industriais”, São Paulo:Blucher, 2006.  CAPELLI, Alexandre. Automação Industrial - Controle do movimento e processos contínuos.  BALBINOT, Alexandre; BRUSAMARELLO, Valner João. Instrumentação e fundamentos de medidas VOL.1 Editora: LTC  BRUSAMARELLO, Valner João. Instrumentação E Fundamentos De Medidas. Editora: Ltc  SIGHIERI. L.; NISHIARI, A; Controle automático de processos industriais – Instrumentação

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Referências Bibliográficas  http://www.instrumentacao.com - 02.07.09  http://www.levelcontrol.com.br - 02.07.09  http://www.cepa.if.usp.br  http://www.feiradeciencias.com.br  http://www.instrumentacao.net    