TH1 Issue 13 Apostila Prática 01 - Medição de temperatura e Calibração

TH1 Issue 13 Apostila Prática 01 - Medição de temperatura e Calibração

(Parte 1 de 5)

Apostila Prática 01 BAC014

APARELHO TH1

Professores:

Prof. Rafael Augusto Costa Silva Prof. Rogério Fernandes Brito Prof. Paulo Mohallem Guimarães

Índice

Visão geral
Diagramas dos equipamentos
Descrição
Visão geral
Operação
Operação do software
Operação do euipamento
Exercícios de aprendizagem no laboratório
Índice dos exercícios
Nomenclatura
Introdução à medição de temperaturas
Teoria dos termopares
Medição dos efeitos termo-resistivos
Introdução às escalas de temperatura
Ponto de ebulição da água
Relações de resistência dos termômetros de resistência de platina
Exercício A – Propriedades termométricas

Índice Exercício D – Escalas de temperaturas e equações de referência ....................................................

General Overview

A linha TH é projetada para apresentar os princípios fundamentais da termodinâmica ao aluno. A linha de equipamentos parte de conceitos básicos, como a medição de temperatura e pressão e avança na apresentação dos relacionamentos entre esses fundamentos, primeira e segunda leis da termodinâmica, princípios de reversibilidade, entropia, entalpia, etc.

O equipamento permite que o aluno obtenha um entendimento real desses princípios.A pequena escala do equipamento permite a execução de exercícios de aprendizagem pertinentes em um período de tempo relativamente curto.

Esse manual de instruções descreve a operação do aparelho de ‘Medição de Temperatura e Calibração‘ TH1, que foi projetado pela Armfield para apresentar aos alunos o conceito de temperatura e como é possível empregar técnicas diferentes na medição dessa variável.

Pontos fixos precisos são gerados utilizando-se um hipsômetro (ponto de condensação da água) e um frasco isolado contendo gelo em fusão (ponto de congelamento da água) para fins de calibração em conformidade com a escala ITS90, utilizando água como um fluido seguro. Um banho de água agitada de temperatura variável permite o exame das propriedades termométricas de diferentes sensores antes da conversão para unidades de temperatura mais convenientes.

Um termômetro de resistência de platina é fornecido completo com certificado de calibração de 5 pontos (NAMAS) para proporcionar uma referência precisa. Os outros termômetros poderão ser comparados ao termômetro de referência para determinar suas características e precisões individuais nas temperaturas entre os pontos fixados. O hipsômetro pode ser utilizado para calibrar outros termômetros além daqueles fornecidos como parte integrante do TH1 na faixa de 0 a 100oC.

Todas as medições estão disponíveis como sinais de tensão elétrica para conexão direta em um PC via dispositivo de interface opcional (uma interface de PC e o Software Educacional com base em Windows estão disponíveis para suporte ao aparelho de Medição de Temperatura e Calibração TH1.

General Overview

4 Medição de Temperatura e Calibração TH1

Diagramas do equipamento

Figura 1: Vista em plano do aparelho de Medição de Temperatura e Calibração TH1

Figura 2: Vista frontal do aparelho de Medição de Temperatura e Calibração TH1

Vista inferior Termômetro de vidro PT100 Ind PT100 Ref

Termopar de esfera exposta 90º Termistor

Termopar de esfera exposta reto

Vista frontal do TH1

Vista lateral da ampola de vácuo e suporte

Diagramas do equipamento

6 Figure 3: Vistas frontal e traseira do Console de Medição de Temperatura e Calibração TH1

Descrição Onde necessário, consulte os desenhos na seção Diagramas do Equipamento.

Visão geral

O equipamento compreende um recipiente em aço inoxidável isolado (2), um frasco isolado (4) e um console (10) contendo componentes elétricos/instrumentos apropriados, todos eles montados sobre uma placa de base plástica comum (1). Uma variedade de diferentes sensores de temperatura e termômetros (48) também é fornecida para permitir um exame completo da temperatura, como ela é medida e os erros típicos que podem afetar a precisão da medição de temperaturas.

Frasco isolado:

O frasco isolado (4) consiste de uma ampola de vácuo com boca larga e aberturas na tampa para acomodar as sondas de temperatura e os termômetros de calibração. A tampa da ampola também acomoda um único termopar tipo K permanente (14) para as aplicações que exigem uma referência de termopar de ponto de gelo. O frasco isolado se localiza em um anel na placa de base para evitar sua inclinação durante o uso.

Na utilização, o frasco isolado é preenchido com gelo raspado feito de água pura, que foi aerado totalmente para proporcionar uma solução de gelo consistente. A mistura formada de gelo, líquido e vapor em equilíbrio assegura que os sensores de calibração sejam mantidos a uma temperatura de 0,01oC, conhecida como o ponto triplo da água. A ponta de cada sensor é imersa suficientemente abaixo da superfície da solução de gelo para minimizar erros de condução.

O frasco isolado também é utilizado para minimizar o efeito da temperatura ambiente durante a realização dos exercícios /demonstrações envolvendo medição de temperaturas.

Recipiente isolado:

O recipiente de aço inoxidável isolado (2) desempenha duas funções diferentes dependendo da quantidade de água inicialmente colocada no recipiente;

Quando parcialmente preenchido com água pura, um hipsômetro é criado para gerar um segundo ponto fixo (ponto de condensação da água) para fins de calibração. As sondas de temperatura inseridas através da parte superior do recipiente ficam acima da água em ebulição e circundadas por vapor de condensação.

Quando totalmente cheio de água de modo que as sondas de temperatura fiquem totalmente imersas, um banho de água quente é criado para permitir que as sondas experimentem temperaturas variando entre a temperatura ambiente e o ponto de ebulição da água, permitindo o exame das diferentes características dos sensores.

Independentemente da função, a água no recipiente tem sua temperatura aumentada por um aquecedor que consiste de um par de elementos de aquecimento elétrico de 1 kW (13) montados horizontalmente na base do recipiente. O controle de potência do aquecedor (15) no console permite a variação contínua da potência de zero até o valor máximo. A temperatura de cada elemento de aquecimento é monitorada por um termopar integral para evitar superaquecimento. Um agitador (8) pode ser ligado para circular a água dentro do recipiente.

Para minimizar erros de medição, uma blindagem de irradiação (7) dentro do recipiente envolve as sondas de temperatura /termômetros para evitar a troca de calor por irradiação para a parede do recipiente do resfriador ou dos elementos de aquecimento. A isolação no recipiente minimiza as perdas de calor e protege o operador contra queimaduras da parede do recipiente quando quente.

Uma válvula de dreno é fornecida na parte traseira para permitir a drenagem da água após a operação.

Nota: Para fins de segurança, um tubo flexível deverá ser conectado a partir da válvula de dreno para um ralo de drenagem apropriado e a água dentro do recipiente deverá esfriar antes da abertura da válvula de dreno.

Aberturas na parte superior do recipiente permitem que as sondas de temperatura /termômetros sejam inseridos dentro do recipiente, no interior da blindagem de irradiação. A ponta de cada sensor se projeta de modo suficiente dentro do vapor /água para minimizar erros de condução.

Os sensores são mantidos verticalmente nos prensa-cabos em um suporte rígido da sonda (6) que pode ser simplesmente levantado e removido do recipiente isolado sobre o frasco isolado, conforme a necessidade. Um cavalete (5) localizado atrás do frasco isolado também acomoda o suporte da sonda e permite a permanência do grupo de sondas na temperatura ambiente quando necessário no exercício de treinamento apropriado.

Antes da utilização, o recipiente é preenchido com água pura via gargalo de enchimento/respiro (8), com a remoção do tubo de exaustão com fendas (9) puxando-o para cima. O visor de vidro (16) na frente do recipiente permite o monitoramento do nível da água dentro do recipiente. O tubo de exaustão com fendas permite o escape de vapor para mistura com o ar antes da liberação para a atmosfera, reduzindo sua temperatura e minimizando o risco de escaldamento.

Nota: Para fins de segurança, o tubo de exaustão deverá sempre estar em sua posição com o aparelho em uso e deverá ser instalado imediatamente após a operação de enchimento.

Uso do recipiente isolado como um hipsômetro:

Quando houver necessidade de gerar um ponto fixo preciso para fins de calibração das várias sondas de temperatura /termômetros, o recipiente isolado é operado como um hipsômetro. Isso significa que as sondas de temperatura /termômetros são rodeadas por vapor de água de condensação a uma temperatura fixa de aproximadamente 100oC, a temperatura real depende da pressão barométrica local.

As duas marcas inferiores no visor de vidro (16) indicam os níveis máximo e mínimo de água quando o recipiente isolado é utilizado como um hipsômetro. O nível de água não deverá variar fora desses limites em operação. Antes do uso, o hipsômetro deverá ser preenchido até a marca superior utilizando água pura. O hipsômetro não deverá ser preenchido em demasia, pois isso submergirá as pontas dos sensores na água em ebulição. Quando o nível de água cair até a marca mínima, o aquecedor deverá ser desligado e o hipsômetro deverá ser reenchido com água pura.

Quando em uso, o controle de potência do aquecedor (15) no console é colocado no máximo até que a água entre em ebulição. O controle é então ajustado para fornecer um pequeno, mas constante, gotejamento de vapor no respiro/tubo de exaustão (9) na parte superior do hipsômetro. Isso assegura a eliminação do ar do hipsômetro para precisão durante a calibração. A temperatura real do vapor de água de condensação poderá ser determinada com alto grau de precisão utilizando tabelas de vapor (incluídas no manual de aprendizagem e no software educacional), desde que exista um barômetro preciso (não fornecido) disponível para medição da pressão barométrica local.

Uso do recipiente isolado como um banho de água quente agitada:

Quando existe a necessidade de fornecer temperaturas variáveis, para fins de comparação das diferentes características dos sensores de temperatura, a profundidade da água no recipiente do hipsômetro poderá ser aumentada para criar um banho de água quente. As pontas dos sensores serão então imersas 100 m abaixo da superfície da água de modo a eliminar erros de condução.

Um agitador acionado por motor e montado através da tampa do recipiente promove a mistura de modo a assegurar temperaturas constantes em todo o banho de água e melhorar a transferência de calor para os sensores. O agitador é operado pela chave (23) marcada como controle do agitador no console, na posição ligar (on) ou desligar (off).

As duas marcas superiores no visor de vidro (16) indicam os níveis mínimo e máximo de água quando o recipiente isolado é utilizado como um banho de água quente. O nível da água não poderá variar fora desses limites em operação.

Durante o uso, o controle de potência do aquecedor (15) no console é ajustado como necessário para se adequar ao exercício de aprendizagem. A potência poderá ser reduzida para manter a água em temperatura constante, se necessário (para deslocar perdas do recipiente).

Console:

Todas as fontes de alimentação, circuitos de condicionamento de sinais, etc. estão contidos em um console elétrico simples (10) com dispositivos de proteção de corrente apropriados e um RCD (41) para proteção do operador. O console é montado na placa de base comum juntamente com o frasco e o recipiente isolados.

Todos os circuitos dentro do console são operados por uma chave liga/desliga da rede (17) na parte frontal do console.

Os vários circuitos dentro do console são protegidos contra excesso de corrente por disjuntores tipo miniatura, como segue:

HEAT (42) Esse disjuntor protege a fonte de alimentação para os elementos de aquecimento dentro do recipiente isolado.

CONT (43) Esse disjuntor protege as fontes de alimentação e os circuitos dentro do console.

O/P (4) Esse disjuntor protege a saída elétrica marcada como OUTPUT (45) na parte traseira do console. O soquete não é normalmente necessário, mas pode ser utilizado para alimentar a instrumentação externa.

O controle de potência do aquecedor (15) opera um regulador de disparo (com cruzamento de zero para minimizar a interferência elétrica) dentro do console. Um circuito de proteção contra sobretemperatura monitora um termopar dentro de cada elemento de aquecimento e corta a alimentação elétrica em ambos os elementos em caso de uma temperatura anormal. Esse recurso protege os elementos contra danos caso o aparato seja ligado sem água em seu interior ou queda excessiva no nível da água. O indicador OVER TEMP (21) juntamente com o controle de potência do aquecedor pisca para mostrar a interrupção no fornecimento de alimentação elétrica. A alimentação é automaticamente restaurada quando a temperatura do aquecedor cai para um valor aceitável.

Todas as propriedades termométricas e temperaturas medidas são exibidas em um medidor digital comum (18) com um botão seletor rotativo (19). As medições são indicadas diretamente em unidades de engenharia apropriadas à demonstração. Todos os sinais são conectados simultaneamente a uma Porta de E/S (20) para conexão a um PC utilizando um dispositivo de interface opcional (TH-IFD) com um pacote de software educacional (TH1-303). Como alternativa, sinais apropriados podem ser conectados a um registrador gráfico fornecido pelo usuário, se necessário. As conexões elétricas ao conector da Porta de E/S estão listados em Conexão aos Serviços.

A ponta de cada sensor se projeta suficientemente no vapor, gelo ou água, como apropriado, para minimizar erros de condução.

Termômetro de referência

O termômetro de referência consiste de uma sonda de resistência de platina (1/10 DIN, 4 fios, PT100) fornecida completa com certificado de calibração de 5 pontos, compatível com as normas NAMAS. O sensor de referência é instalado dentro de uma capa protetora em aço inoxidável com diâmetro de 2 m para proporcionar uma resposta razoavelmente rápida a variações na temperatura. O circuito de condicionamento associado a essa sonda fornece leitura direta linearizada da temperatura no visor (18), em oC, quando o botão seletor (19) está colocado na posição marcada como PT100 REF. Essa sonda é permanentemente conectada ao console.

Uma variedade de sensores de temperatura/termômetros adicionais é fornecida para fins de demonstração/calibração, como segue:

Sonda de resistência de platina de classe industrial

Consiste de um elemento de resistência de platina (DIN, 3 fios, PT100) instalado em uma capa protetora em aço inoxidável com diâmetro de 6 m para permitir uma resposta mais lenta e uma menor precisão comparadas ao sensor de referência. Quando conectada ao soquete marcado como PT100 LOW CURRENT (24), o circuito de ponte de condicionamento associado a esta sonda fornece uma medição da resistência do elemento, em , quando o botão seletor estiver colocado na posição marcada como PT100 IND (LO). A variação linear aproximada da resistência com a temperatura poderá ser examinada.

Quando conectada ao soquete marcado como PT100 HIGH CURRENT (25), a sonda se conecta a um circuito de condicionamento alternativo que passa uma alta corrente através do elemento de resistência. Isso permite a demonstração do efeito de auto-aquecimento. O botão seletor deverá estar na posição PT100 IND (HI).

Sondas de termopares tipo K

Três sondas de termopares tipo K são fornecidas, cada qual com uma construção diferente de modo a possibilitar a demonstração da resposta térmica e dos erros de condução.

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