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Instrumentação em Ciências Térmicas

Laboratório de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas de Materiais

Departamento de Engenharia Mecânica

Fax: (5) 48 234-1519Tel: (5) 48 331-9851

Saulo Güths Vicente de Paulo

Instrumentação em Ciências Térmicas

1 - TEMPERATURA5
1.1 - TERMÔMETROS DE LÍQUIDO EM VIDRO5
1.2 - TERMÔMETROS DE PRESSÃO6
1.3 - TERMOPARES7
1.3.1 - Definição teórica7
1.3.2 - Lei dos metais intermediários8
1.3.3 - Junção de referência9
1.3.4 - Associação dos termopares10
1.3.5 - Dependência da temperatura1
1.3.6 - Característica dos termopares13
1.3.7 - Limites de erro14
1.3.8 - Fios de extensão14
1.3.9 - Método de fabricação14
1.3.10 - Termopares a eletrodo depositado (Esse item pode ser excluído sem perda de continuidade)15
1.4 - TERMORESISTÊNCIAS19
1.4.1 - Introdução19
1.4.2 - Termoresistências metálicas19
1.4.3 - Termistores20
1.4.4 - Métodos de medição21
1.4.5 - Auto-aquecimento23
1.5 - PIRÔMETROS24
1.5.1 - Introdução24
1.5.2 - Pirômetros óticos24
1.5.3 - Pirômetros de radiação25
2 - UMIDADE27
2.1 - INTRODUÇÃO27
2.2 - INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO28
2.2.1 - Psicrômetro de bulbo úmido e seco28
2.2.2 - Higrômetro Capacitivo28
2.2.3 - Higrômetro de espelho29
2.3 - MÉTODOS DE CALIBRAÇÃO29
2.3.1 - Soluções Salinas29
2.3.2 - O Sistema Saturador-Reaquecedor30

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3.1 - INTRODUÇÃO31
3.2 - TRANSDUTORES DE FLUXO DE CALOR A GRADIENTE TRANSVERSAL31
3.2.1 - Transdutor a Termopilha Soldada31
3.2.2 - Transdutor a termopar depositado32
3.2.3 - Transdutor a furo metalizado32
3.3 - TRANSDUTORES DE FLUXO DE CALOR A GRADIENTE TANGENCIAL32
3.4 - MÉTODOS DE CALIBRAÇÃO DE TRANSDUTORES DE FLUXO DE CALOR34
3.4.1 - Método Simultâneo34
3.4.2 - Método a Transdutor Auxiliar35

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Após um período de latência durante os anos 70, onde a explosão dos métodos numéricos prometia a solução da maioria dos problemas de engenharia, as técnicas experimentais ressurgem assegurando sua posição não só na própria validação desses métodos, mas como ferramentas indispensáveis na pesquisa de base ou aplicada. No meio industrial a automatização de processos passou a requerer um maior conhecimento das variáveis envolvidas, exigindo uma instrumentação mais ampla e confiável.

No domínio de Ciências Térmicas a medição da temperatura tem papel fundamental. Visando uma melhor formação do engenheiro, e do pesquisador, esse material foi preparado sem a ambição de esgotar o assunto relativo à instrumentação, mas apresentar os princípios básicos dos instrumentos mais empregados no campo da engenharia. Alguns dos itens foram adaptados e condensados a partir da obra de Kamal, 1986, "Técnicas de Medidas e Instrumentação em Engenharia".

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1 -- TEMPERATURA

1..1 -- Termômetros de líquido em vidro

Trata-se do instrumento mais utilizado na medição da temperatura, devido a facilidade de operação, baixo custo e grande variedade de aplicação. Seu princípio de funcionamento está baseado na expansão de um líquido em função da temperatura. O líquido é contido em um bulbo, expandindo em um tubo capilar. O mercúrio é o líquido mais comumente utilizado no intervalo de -38oC a 540oC, sendo que o intervalo inferior é limitado pelo ponto de congelamento do mercúrio e o ponto superior pela resistência do vidro. Um gás inerte é normalmente utilizado para preencher o espaço acima do mercúrio. Para temperaturas mais baixas outros líquidos podem ser usados, como álcool (até -62 oC), pentano (até -200 oC) e mistura de propano (até -217 oC).

Basicamente existem dois tipos de termômetros:

Termômetros de imersão total - Nesse tipo de termômetro a coluna do líquido deve ser totalmente submersa no fluido medido. Afim de facilitar a leitura, permite-se que uma pequena porção da coluna sobressaia, apesar de gerar um pequeno erro.

Termômetros de imersão parcial - Os termômetros de imersão parcial são calibrados para leitura correta quando imersos numa quantidade definida com a porção exposta numa temperatura definida. Se a parte exposta estiver a uma temperatura diferente da temperatura de calibração, uma correção deve ser aplicada. Eles são menos precisos que o tipo de imersão completa, contudo mais fáceis de operar.

imersão total imersão parcial

A precisão obtida depende ainda da qualidade do instrumento e do intervalo de temperatura, chegando a 0.02oC para termômetros operando entre 0oC a 100oC.

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1..2 -- Termômetros de presão

O principio de funcionamento desse tipo de instrumento também está baseado na expansão de um fluido em função da temperatura, mas nesse caso em um ambiente confinado, tendo como resultado um aumento da pressão. O sistema é geralmente composto de um bulbo, um tubo capilar para transmitir as pressões, um sensor de pressão (tubo de Bourdon, fole, etc.) junto com um sistema de indicação adequado. Muitos podem apresentar complexos sistemas de compensação de temperatura.

Eles podem ser classificados em 4 classes, segundo o fluido que preenche o sistema:

Classe I - Sistemas de líquidos (excluindo mercúrio) - O sistema é totalmente preenchido com líquido. O tolueno é normalmente utilizado, dado seu alto coeficiente de expansão, operando entre -40 oC e 400 oC . Éter e álcool também são usados.

Classe I - Sistema de vapor - O sistema é parcialmente preenchido com líquido, onde a pressão de vapor, segundo a lei de Dalton, é somente dependente da temperatura. A interface líquido/vapor deve obrigatoriamente localizar-se no bulbo, que é o ponto onde deseja-se medir a temperatura. O tubo capilar e o tubo de Bourdon devem estar completamente preenchidos de líquido, caso operem a uma temperatura mais baixa que o bulbo a fim de evitar a condensação. Caso operem a uma temperatura mais alta, devem estar preenchidos somente com vapor, a fim de garantir a interface líquido/vapor no bulbo. Um artifício utilizado para eliminar possíveis erros de operação consiste em introduzir um diafragma separador no bulbo. O tubo capilar e o de Bourdon são então preenchidos com um líquido não volátil.

O sistema de vapor é o mais usado de todos os sistemas de pressão dado seu baixo custo e sua confiabilidade. A faixa de operação vai de -30 a 120 oC para sistemas a dióxido de enxofre, e de 65 a 200oC para sistemas preenchido com álcool.

Classe I - Sistemas a gás - Nesse sistema a operação é controlada pela lei de Boyle e Charles para gases ideais, ou seja, a pressão absoluta do gás é proporcional à temperatura absoluta quando o volume é mantido constante. Erros por causa da mudança da temperatura ambiental são graves e devem ser corrigidos. A faixa de utilização vai de -240 a 550 oC para um gás inerte sob pressão moderada.

Classe IV - Sistemas de mercúrio - É idêntico à classe I, sendo que o sistema é preenchido com mercúrio. É um sistema que apresenta resultados bastante satisfatórios, sendo comum a sua utilização. A faixa de operação vai de -38 a 550 oC.

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Figura 3 - Difusão de elétrons do material A para B à mesma temperatura

1..3 -- Termopares

1.3.1 - Definição teórica

Nos metais e semicondutores, os processos de transporte de carga (corrente elétrica) e de energia, estão intimamente relacionados e se devem ao deslocamento de portadores de corrente (elétrons de condução) Quando os elétrons externos da eletrosfera encontram-se fracamente ligados a seus respectivos núcleos constituintes de um material, absorvem então energia suficiente de fontes externas, podendo tornar-se livres de seu núcleo (Hannay,.1959).

À temperatura constante, energia e densidades de elétrons livres em materiais diferentes não são necessariamente as mesmas. Então quando dois materiais diferentes em equilíbrio térmico entre si são colocados em contato, existirá a tendência da difusão de elétrons através da interface (

O potencial elétrico do material receptor poderá tornar-se mais negativo na interface, enquanto que o material emissor de elétrons poderá tornar-se mais positivo. Quando a diferença no potencial através

da interface balancear a força termoelétrica (difusão), o equilíbrio em relação a transferência de elétrons poderá ser estabelecido (

Se dois materiais homogêneos diferentes estão formando um circuito fechado e as duas junções mantidas a mesma temperatura, os campos elétricos resultantes serão opostos e não existirá fluxo de elétrons Figura 5.

Figura 5 - Circuito fechado a mesma temperatura

Figura 4 - Potencial elétrico em oposição ao processo de difusão

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Contudo, se as duas junções são mantidas a diferentes temperaturas, uma corrente de difusão líquida poderá ser induzida, conforme mostrado na Figura 6. Se o circuito é interrompido em um ponto qualquer, pode-se medir, através de um voltímetro, uma diferença de potencial (V) que é função da diferença de temperatura das duas junções e do tipo de material dos fios.

ondeaAB é a diferença de poder termoelétrico dos dois materiais.

Essa tensão é dita "tensão ou f.e.m Seebeck", em homenagem a Thomas Seebeck que em 1821 descobriu esse fenômeno (chamado

"Efeito Seebeck"). A medição da f.e.m Seebeck é medida a corrente nula.

Dessa forma o voltímetro deve ter baixa impedância (alta resistência interna) a fim de assegurar essa condição.

1.3.2 - Lei dos metais intermediários

" A soma algébrica das forças termoeletromotivas em um circuito composto de qualquer quantidade de diferentes materiais é zero, se todo o circuito estiver a uma temperatura uniforme"

Assim, um terceiro material homogêneo sempre pode ser adicionado em um circuito, não afetando a f.e.m do mesmo, desde que suas extremidades estejam a uma mesma temperatura. Ou seja, o termopar formado pelos materiais A e B não

Figura 8 - Termopar com 3 metais diferentes

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1.3.3 - Junção de referência

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