instrumentação - Industrial

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(Parte 4 de 7)

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A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau centígrado" utilizada anteriormente no lugar de "Grau Celsius", não é mais recomendada, devendo ser evitado o seu uso.

Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit, são relativas, ou seja, os seus valores numéricos de referência são totalmente arbitrários.

Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substância, atingimos um ponto limite além do qual é impossível ultrapassar, pela própria definição de temperatura. Este ponto, onde cessa praticamente todo movimento atômico, é o zero absoluto de temperatura.

Através da extrapolação das leituras do termômetro à gás, pois os gases se liqüefazem antes de atingir o zero absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto na escala Celsius em -273,15°C.

Existem escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no zero absoluto de temperatura.

Existem duas escalas absolutas atualmente em uso: a Escala Kelvin e a Rankine. A Escala Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual à um grau Celsius, porém o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível, 273,15 graus abaixo do zero da Escala Celsius.

A Escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão é idêntica à da Escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga às escalas relativas:- Kelvin ==> 400K (sem o símbolo de grau " ° "). Rankine ==> 785R.

A Escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos da América, porém seu uso tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitação universal.

A Escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit.

Existe uma outra escala relativa a Reamur, hoje já praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o ponto de fusão do gelo e 80 o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido em oitenta partes iguais. (Representação - °Re).

Conversão de escalas

A figura à seguir, compara as escalas de temperaturas existentes

Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas:

59 5 9
Outras relações podem ser obtidas combinando as apresentadas entre siExemplo:
O ponto de ebulição do oxigênio é -182,86°C. Exprimir esta temperaturaem:

°C = °F – 32 = K – 273 = R - 491 a) °C p/ K : K = 273 + (-182,86) = 90,14 K b) °C p/ °F :

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59
59

- 182,86 = R – 491 = 161,85 R

Escala Internacional de Temperatura

Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala 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.

Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prática Internacional de Temperatura. A primeira escala prática internacional de temperatura surgiu em 1927 modificada em 1948 (IPTS-48). Em 1960 mais modificações foram feitas e em 1968 uma nova Escala Prática Internacional de Temperatura foi publicada (IPTS-68).

A mudança de estado de substâncias puras (fusão, ebulição) é normalmente desenvolvida sem alteração na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substância é utilizado pelo mecanismo de mudança de estado.

Os pontos fixos utilizados pela IPTS-68 são dados na tabela abaixo:

ESTADO DE EQUILÍBRIOTEMPERATURA (°C) Ponto triplo do hidrogênio-259,34 Ponto de ebulição do hidrogênio-252,87 Ponto de ebulição do neônio-246,048 Ponto triplo do oxigênio-218,789 Ponto de ebulição do oxigênio-182,962 Ponto triplo da água0,01 Ponto de ebulição da água10,0 Ponto de solidificação do zinco419,58 Ponto de solidificação da prata916,93 Ponto de solidificação do ouro1064,43

Observação: Curso de Instrumentação Industrial PÁG. 023 DE 0115

Ponto triplo é o ponto em que as fases sólida, líquida e gasosa encontram-se em equilíbrio.

A ainda atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34°C, baseada em pontos de fusão, ebulição e pontos triplos de certas substâncias puras como por exemplo o ponto de fusão de alguns metais puros.

Hoje já existe a ITS-90 Escala Internacional de Temperatura, definida em fenômenos determinísticos de temperatura e que definiu alguns pontos fixos de temperatura.

Com o desenvolvimento tecnológico diferente em diversos países, criou-se uma série de normas e padronizações, cada uma atendendo uma dada região. As mais importantes são:

Para atender as diferentes especificações técnicas na área da termometria, cada vez mais se somam os esforços com o objetivo de unificar estas normas. Para tanto, a Comissão Internacional Eletrotécnica - IEC, vem desenvolvendo um trabalho junto aos países 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 a termopares.

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.

TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO Características

Os termômetros de dilatação de líquidos, baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado.

A equação que rege esta relação é:

onde:

t = Temperatura do líquido em OC Vo = Volume do líquido à temperatura inicial de referência to Vt = Volume do líquido à temperatura t β1, β2, β3 = Coeficiente de expansão do líquido oC-1

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Teoricamente esta relação não é linear, porém como os termos de segunda e terceira ordem são desprezíveis, na prática consideramos linear. E daí:

Vt = Vo.( 1 + β.∆t)

Os tipos podem variar conforme sua construção:

- Recipiente de vidro transparente - Recipiente metálico

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 de um 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.

Os líquidos mais usados são: 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.

SOLIDIFICAÇÃO(oC) PONTO DE

EBULIÇÃO(oC) FAIXA DE USO(oC)

No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550OC injetando-se gás inerte sob pressão, evitando a vaporização do mercúrio.

Por ser frágil e impossível registrar sua indicação ou transmiti-la à distância, o uso deste termômetro é mais comum em laboratórios ou em indústrias, com a utilização de uma proteção metálica.

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Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico.

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

Características dos elementos básicos deste termômetro:

Bulbo

Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e principalmente com a sensibilidade desejada. A tabela abaixo, mostra os líquidos mais usados e sua faixa de utilização:

LÍQUIDOFAIXA DE UTILIZAÇÃO (oC) Mercúrio-35 à +550 Xileno-40 à +400 Tolueno-80 à +100 Álcool50 à +150

Capilar

Suas 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.

Elemento de Medição O elemento usado é o Tubo de Bourdon, podendo ser :

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Os materiais mais usados são: bronze fosforoso, cobre - berílio , aço - inox e aço - carbono.

Pelo fato deste sistema utilizar líquido inserido num recipiente e da distância entre o elemento sensor e o bulbo ser considerável, as variações na temperatura ambiente afetam não somente o líquido no bulbo, mas em todo o sistema (bulbo, capilar e sensor) causando erro de indicação ou registro. Este efeito da temperatura ambiente é compensado de duas maneiras que são denominadas classe 1A e classe 1B.

Na classe 1B a compensação é feita somente no sensor, através de uma lamina bimetálica. Este sistema é normalmente preferido por ser mais simples, porém o comprimento máximo do capilar para este sistema de compensação é de aproximadamente 6 metros.

Quando esta distância for maior o instrumento deve possuir sistema de compensação classe 1A, onde a compensação é feita no sensor e no capilar, por meio de um segundo capilar ligado a um elemento de compensação idêntico ao de medição, sendo os dois ligados em oposição.

O segundo capilar tem comprimento idêntico ao capilar de medição, porém não está ligado a um bulbo.

A aplicação destes termômetros, se encontra na indústria em geral para indicação e registro, pois permite leituras remotas e por ser o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de temperatura, porém não é recomendável para controle por causa de seu tempo de resposta ser relativamente grande (mesmo usando fluido trocador de calor entre bulbo e poço de proteção para diminuir este atraso conforme figura abaixo). O poço de proteção, permite manutenção do termômetro com o processo em operação.

Recomenda-se não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se forme restrições que prejudicariam o movimento do líquido em seu interior, causando problemas de medição.

TERMÔMETROS À PRESSÃO DE GÁS Princípio de funcionamento

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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:

P1 = P2 == Pn
T1T2 Tn

Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante. Características

O gás mais utilizado é o N 2 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 a 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

TERMÔMETRO À PRESSÃO DE VAPOR Principio de funcionamento

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" Curso de Instrumentação Industrial PÁG. 028 DE 0115

Portanto para qualquer variação de temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás liqüefeito 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:

P1 /P 2 = H e . ( 1/T 1 - 1/T2 ) / 4,58 onde:

P1 e P 2 = Pressões absolutas relativas as temperaturas T1 e T2 = Temperaturas absolutas H e = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão

A tabela a seguir, mostra os líquidos mais utilizados e seus pontos de fusão e ebulição:

LíquidoPonto de Fusão ( oC )Ponto de ebulição ( oC )

Cloreto de Metila- 139- 24

Butano- 135- 0,5

TERMÔMETROS À DILATAÇÃO DE SÓLIDOS (TERMÔMETROS BIMETÁLICOS) Princípio de funcionamento

Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. Sendo:

Lt = Lo. ( 1 + α.∆t) onde: t= temperatura do metal em oC Lo = comprimento do metal à temperatura inicial de referência t o Lt = comprimento do metal á temperatura final t α = coeficiente de dilatação linear

∆t= t - t o Características de 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. Curso de Instrumentação Industrial PÁG. 029 DE 0115

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

O termômetro 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%.

Medição de temperatura com Termopar

Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, 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.

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O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m.. Este princípio conhecido por efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura. Nas aplicações práticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura acima .

O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura ( ∆T ) existente entre as juntas quente e fria, será de um modo geral indicado, registrado ou transmitido.

Efeitos Termoelétricos

Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junções mantidas a diferentes temperaturas, quatro fenômenos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta.

A aplicação científica e tecnológica dos efeitos termoelétricos é muito importante e sua utilização no futuro é cada vez mais promissora. Os estudos das propriedades termoelétricas dos semicondutores e dos metais levam, na prática, à aplicação dos processo de medições na geração de energia elétrica ( bateria solar ) e na produção de calor e frio. O controle de temperatura feito por pares termoelétricos é uma das importantes aplicações do efeito Seebeck.

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