Sensor Temperatura Termopar

Sensor Temperatura Termopar

DEFINIÇÃO

Sensores de temperatura são transdutores que alteram uma ou mais de suas características físicas ao se equalizar com o meio a ser determinada a temperatura e sem dúvida os instrumentos mais importantes medidas controladas na indústrias. A maioria dos sensores se utiliza a transmissão de calor por contato, para assimilar a energia do meio.

Entre os instrumentos baseados nesse princípio e assim os mais importantes em medição de temperatura incluem-se os que utilizam alterações:

a) Físicas: como volume, pressão, dilatação;
b) Elétricas: como resistência ôhmica, geração de f.e.m.
c) Temos os Óticos e de Radiação que utilizam a radiação emitida por um corpo. Neste caso, o elemento de medição assumirá uma temperatura diferente daquela do corpo cuja temperatura se deseja determinar, todavia uma proporcionalidade é mantida.

Termopar

Sensor que possui como grandeza física a f.e.m. e como transdutor a União de fios metálicos e diferentes e sua faixa de medição é de -253°C à +2400°C e sua principal utilização é em Laboratórios e Industria. É assim considerado o mais importante em medições de temperatura na industria.

a vapor

Sensor que possui como grandeza física a pressão e como transdutor o Bulbo metálico com Capilar e vapor saturado e sua faixa de medição é de -269°C à +100°C.

Definição de Sensor Temperatura Termômetro Acústico

Sensor que possui como grandeza física a velocidade do som e como transdutor a cavidade acústica de ressonância Sua faixa de medição é de -273°C à -223°C e sua principal utilização é em Laboratórios.

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Termistor

Sensor que possui como grandeza física a resistência Elétrica e como transdutor o Diodo Semi condutor de óxido metálico e sua faixa de medição é de -269°C à +200°C e sua principal utilização é em Laboratórios, Industria e controle de ambiente e ar.

Destacamos os seguintes tipos de termômetros utilizados principalmente em Laboratórios, Industria e controle de ambiente e ar

Germânio

Sensor que possui como grandeza física associada a resistência Elétrica e como transdutor a cápsula quadripolar de “Ge” e sua faixa de medição é de -271°C à -173°C.

Gás

Sensor que possui como grandeza física a pressão (geral/ Volume, etc.)e como transdutor o bulbo metálico com Capilar com gás e sua faixa de medição é de -269°C à +1064°C.

Quartzo

Sensor que possui como grandeza física a Frequência de Oscilação mecânica e como transdutor o Cristal de Quartzo Corte em Y e sua faixa de medição é de +262°C à +250°C.

Resistência

Sensor que possui como grandeza física a resistência Elétrica e como transdutor o Bulbo de platina Cu Ni e sua faixa de medição é de -173°C à +1064°C. E assim também considerado o mais importante em medições de temperatura.

Pulso Acústico

Sensor que possui como grandeza física a velocidade do Som e como transdutor a Haste metálica (AI, W, Mo) e sua faixa de medição é de -243°C à +3100°C.

Líquido em Haste de Vidro

Sensor que possui como grandeza física a expansão Térmica e como transdutor o Bulbo de vidro com Capilar e com mercúrio e sua faixa de medição é de -200°C à +500°C.

Bimetálico

Sensor que possui como grandeza física a expansão Térmica Diferencial e como transdutor o Duas Lâminas ou Hastes aderentes e sua faixa de medição é de -148°C à +400°C.

Destacamos os seguintes tipos de pirômetros, que cima de tudo é a melhor hoje em uso nos processos da indústria e laboratórios.

Radiação Total

Sensor que possui como grandeza física a Radiação Eletro Magnética

e como transdutor o detector de radiação (termo pilha) e sua faixa de medição é de 0°C à +5000°C.

Radiação Seletiva

Sensor que possui como grandeza física a f.e.m. (força eletro motriz) ou Resistência e como transdutor o Foto-Diodo ou Sensor de Radiação e sua faixa de medição é de 0°C à +5000°C.

Ótico Automático

Sensor que possui como grandeza física a Concentração de espectro de Radiação e como transdutor o Detector foto Elétrico e sua faixa de medição é de +750°C à +5000°C.

Ótico Manual

Sensor que possui como grandeza física a concentração Espectral de Luminosidade e como transdutor o Olho Humano e sua faixa de medição é de +750°C à +5000°C.

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TERMOPARES

Dentre os mais de 100 elementos químicos existentes na natureza, cerca de setenta se distinguem por propriedades físico químicas bem características, apesar das diferenças físicas existentes entro si. Tais elementos são os metais.

TEORIA TERMOELÉTRICA

As propriedades se fazem notar principalmente, no estado sólido e são: densidade elevada (decorrente do arranjo muito compacto dos átomos); elevado poder refletor (de onde advém o brilho dito metálico); boa condução térmica e excelente condução elétrica (essas três últimas decorrentes da existência de “elétrons livres” em abundância).

Chama-se “elétrons livres”, os elétrons que se distinguem pelo grande fluxo que exibem no interior e na superfície dos metais. São elétrons que possuem ligação fraca aos átomos de origem, sendo que a própria agitação térmica natural da molécula, os desprende de suas órbitas atômicas. Estes elétrons livres constituem um verdadeiro “gás eletrônico”, que ocupa o espaço vazio entre os átomos.

Em nível elementar, admite se uma teoria clássica que encontra de modo experimental satisfatória: metais são condutores eletrônicos, admite se que, em média, cada átomo contribua com um elétron livre (elétrons de condução, que migra de um átomo para outro, através do condutor).

Fórmulas – Teoria Termoelétrica

Seja dado um condutor homogêneo, em forma de fio, com secção transversal invariável “S” e comprimento “I”. Aplicando a este condutor uma tensão “U”, o campo elétrico “E” que se estabelece dentro dele tem intensidade:

Por efeito desse campo, os elétrons livres do condutor ficam sujeitos a forças que os impulsionam através do condutor. A força de campo que age em cada elétron é:

E ou, em valor absoluto:

Os elétrons

Se os elétrons se movessem em amplo espaço vazio, eles adquiririam velocidade cada vez maior, no entanto, o espaço disponível entre os átomos e este espaço é exíguo, mesmo em confronto com as dimensões atômicas.

Por exemplo, um elétron qualquer que acaba de ser liberado do por um átomo: ele é acelerado pelo campo a adquire energia cinética até chocar se com outro átomo. Temos duas alternativas: o átomo captura o elétron e pode, liberar outro, ou então, o átomo reflete o elétron.

Em qualquer caso, o átomo retém grande parte da energia cinética do elétron e o processo recomeça: o elétron é acelerado pelo campo e no choque com outro átomo perde energia cinética. Como resultado desse processo, os elétrons livres não adquirem velocidades elevadas e a agitação térmica dos átomos aumenta se o condutor não ceder calor ao ambiente (efeito Joule).

Como acontece em um termopar tipo J (FeCo)

Consideremos dois corpos constituídos por isolantes distintos (1) e (2) e em contato um com o outro. Via de regra, substâncias diferentes manifestam diferentes “afinidades” por elétrons; isto explica a formação de uma dupla película elétrica na superfície de contato.

Passagem dos elétrons entre dois condutores

Na figura, temos o caso em que elétrons passam mais facilmente de (1) para (2) do que, de (2) para (1).

A substância (1) cede elétrons à substância (2), junto á superfície de contato forma-se uma película positiva no meio (1), uma película elétrica negativa no meio (2).

Estas películas originam um campo elétrico dirigido de (1) para (2); nos elétrons da região limítrofe deste campo exercem forças dirigidas de (2) para (1) e que terminam por sustar a transferência de elétrons de (1) para (2).

Estabelece desta forma um estado de equilíbrio no qual a diferença do potencial entre os meios (1) e (2) é função do campo elétrico. Dentre dois isolantes postos, em contato, eletriza se com carga positiva aquele que apresenta permitividade mais elevada; liberta elétrons com maior facilidade o isolante mais polarizável. A tensão de contato é U12= V1- V2 entre os, corpos (1) e (2), e é U21 = V2 V1 entre os corpos (2) e (1); portanto U12 = U21.

De modo geral, concluímos: salvo exceções, quando temos em contato corpos distintos quaisquer (isolantes, metais, eletrólitos), surgem entre eles uma diferença de potencial, o efeito é chamado efeito Volta (1973).

Tensão de Contato é também chamada tensão de Volta ou tensão voltaica, depende da natureza das substâncias em contato e da temperatura deles. A tensão de contato entre dois metais é influenciada por impurezas.

A figura abaixo mostra a seção de um cilindro por um plano que passa pelo seu eixo.

Os pontos S1 e S2 são intersecções de seções transversais com o plano que passa pelo eixo do cilindro. Aquecendo‑se a seção S1 até a temperatura T1 e resfriando‑se a seção S2 até a temperatura T2 < T1, cria‑se um fluxo de calor de S1 para S2 devido à diferença de temperatura T2 ‑ T1. O fluxo é na direção da temperatura decrescente:

Este fluxo de calor dá‑se em parte por condução térmica, e, em parte, devido ao movimento de elétrons livres.

No início do fenômeno, o número de elétrons que atravessa uma secção genérica “S” da esquerda para a direita é maior do que o número dos que atravessam no sentido contrário.

Verifica‑se, efetivamente, que o extremo “S2” fica carregado negativamente em consequência do excesso de elétrons, ao passo que o extremo “S1” fica com carga positiva, em consequência da falta de elétrons. Surgem assim, um campo elétrico Ē e uma diferença de potencial (V1 ‑ V2) de origem termoelétrica.

Esse fenômeno recebe o nome de Efeito Thomson.

O campo elétrico Ē e a diferença de potencial V1- V2 crescem até que o campo, que se opõe à difusão de elétrons de S1 para S2, seja suficientemente intenso para que a corrente de difusão se anule. Quando isto ocorre, tem‑se estabelecido um campo eletrostático sendo “I” a distância entre S1 a S2.

 A origem deste campo está na diferença de temperatura e se mantém às custas do calor empregado em se manter constantes T1 e T2 com corrente elétrica nula. Este exemplo mostra como a energia do movimento de “agitação térmica” dos elétrons a dos átomos do cristal metálico pode ser transformado em energia elétrica, criando‑se uma f.e.m. termoelétrica associada ao efeito Thomson.

Definição de Temperatura

A definição de qualquer grandeza deve começar pela definição de grandezas iguais. Após as noções que acabamos de dar é desejável, em primeiro lugar, precisar as condições em que dois corpos terão a mesma temperatura, ou ainda, estarão em equilíbrio térmico.

A observação corrente mostra que, estando um corpo “Quente” e um “Frio” em presença um do outro (em íntimo contato), o primeiro se resfria e o segundo se aquece, ou ainda, que a diferença de temperatura entre os dois corpos diminui com o tempo, como se houvesse tendência para a equalização das temperaturas.

Podemos afirmar que a “temperatura de um sistema é o ponto onde se determina se um sistema está ou não em equilíbrio térmico com outros sistemas”.

Assim, todos os sistemas em equilíbrio térmico pode ser representada por um número em uma escala empírica de temperatura.

Baseados neste princípio são construídos os sensores, os quais, em equilíbrio térmico com o meio ou com o corpo que se quer medir, fornecem a indicação da temperatura.

Calor

“O Calor consiste no movimento das partículas de um corpo” – Isaac Newton

É a energia cinética das moléculas, energia em trânsito.

Equilíbrio Térmico

Do maior potencial ao menor. Ausência de troca de energia entre os corpos.

Quanto maior a temperatura de um corpo, as moléculas irão vibrar mais.

Estrutura do Sólido

Nos sólidos, as moléculas vibram em torno de posições fixas.

Estrutura do Líquido

Nos líquidos as moléculas vibram, mas mudam constantemente de posições.

Estrutura do gás

No gás, as moléculas movem-se livremente a grande velocidade e sem nenhuma ordem.

MODOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR

É DEFINIDO COMO A ENERGIA DE UMA REGIÃO A OUTRA, SENDO A DIFERENÇA DE POTENCIAL TÉRMICO ENTRE ELAS.

Se um bloco quente de cobre é colocado num recipiente com água fria, observa‑se que o cobre esfria e a água se aquece, até que seja atingido o equilíbrio de temperatura.

Os aumentos da temperatura da água e a queda observada no cobre são devidos a passagem de uma forma de energia do cobre para a água. Dessa energia chega‑se ao conceito de calor.

Definição de calor

“O CALOR é definido como sendo a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema, em virtude da diferença de temperatura”.

A transmissão de calor pode ser definida como a transmissão de energia de uma região a outra, como resultado da diferença de temperatura entre elas.

Como existem diferenças de temperaturas em todo o universo, os fenômenos de fluxo de calor são tão universais quanto os associados às atrações da força da gravidade.

Ao contrário da gravidade, entretanto, o fluxo de calor não é governado por uma única relação, mas por uma combinação de várias leis da física.

Temos três modos distintos de transmissão de calor: CONDUÇÃO, RADIAÇÃO e CONVECÇÃO.

ESCALA INTERNACIONAL PRÁTICA DE TEMPERATURA

Na reunião da 7ª Conferência Geral de Pesos e Medidas em 1927 onde 31 nações estavam representadas, foi adotada uma escala prática de temperatura, associadas “aos fenômenos de mudança de estado físico dos materiais”, que ocorrem em condições de temperatura e pressão únicas, portanto, ideal para calibração de instrumentos científicos e industriais. Em reuniões efetuadas em 1948 (IPTS 48) a 1968 (IPTS 68) vários aperfeiçoamentos foram feitos.
Nessa escala estão demarcados os “pontos fixos” de temperatura para mudança de estado físico de várias substâncias puras na pressão da atmosfera padrão de 101325 N/m² (1 Kg/cm² = 98067 N/m²).

SENSORES DE TEMPERATURA

Sensores de temperatura são transdutores que alteram uma ou mais de suas características físicas ao se equalizar com o meio a ser determinada a temperatura. A maioria dos sensores se utiliza a transmissão de calor por contato, para assimilar a energia do meio.

Entre os instrumentos baseados nesse princípio, incluem-se os que utilizam:

1. Alterações Físicas: como volume, pressão, dilatação;            
2. Alterações Elétricas: como resistência ôhmica, geração de f.e.m.

Alguns instrumentos (Pirômetros Óticos e de Radiação) utilizam a radiação emitida por um corpo. Neste caso, o elemento de medição assumirá uma temperatura diferente daquela do corpo cuja temperatura se deseja determinar, todavia uma proporcionalidade é mantida.

A importância da teoria e dos conceitos – Sensor Temperatura Termopar

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Termopares são fios metálicos de materiais diferentes que quando soldados e aquecidos neste ponto, observa-se uma carga em milivolts que se apresenta de modo proporcional a temperatura, e assim são elementos que se assemelham a termo pilhas.

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