seminário instrumentação para calibração de temperatura

Transcrição

SEMINÁRIO
INSTRUMENTAÇÃO PARA
CALIBRAÇÃO DE TEMPERATURA
F d
Fundamentos
t Teóricos
T ói
e Soluções
S l õ
Oeiras / Porto, 25 e 26 de Maio de 2011
PROGRAMA
1. Fundamentos Teóricos
2. Equipamentos
q p
necessários à Calibração
ç
3. Apresentação ISOTECH
4. Soluções Isotech
5. Humidade Relativa
1
O que é a TEMPERATURA?
•O parâmetro físico mais “medido” na
industria.
•A TEMPERATURA é a propriedade física de um
sistema que determina se o dito sistema estará
ou não em equilíbrio térmico com outros
sistemas.
sistemas
•A TEMPERATURA é também a propriedade
física que mede o nível de “nervosismo” das
moléculas que compõem a matéria (Energia
Cinética).
2
•A Temperatura não se mede : realmente
compara-se com “algum corpo com uma
escala” e que fazemos entrar em equilibrio
térmico com aquele cujo “nivel de Calor”
queremos saber.
• Definida pela Lei dos Gases
Perfeitos:
3
Escala de Temperatura:
Pontos Fixos / Calibração Absoluta
Elemento utilizado em Metrologia Primária baseado
f d
fundamentalmente
l
em Temperaturas
T
definidas
d fi id em termos de
d
fases de transição de estado de SUBSTÂNCIAS PURAS
Os Metais PUROS solidificam sempre à mesma Temperatura
Água PURA em estado triplo está sempre à mesma Temperatura
Os Gases PUROS liquidificam ou estão em estado triplo
à mesma Temperatura
ITS – 90 International Temperature Scale
4
Escalas de Temperatura - História
Unidades de Temperatura
• Unidade de Base do Sistema Internacional da Grandeza
Temperatura (T ):
kelvin (K) definido como sendo:
A fracção 1 / 273,16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo
da água.
• Unidade Derivada do Sistema Internacional da Grandeza
Temperatura (t ):
grau Celsius (ºC) definido pela equação:
t = T - T0 , onde T0 = 273,15 K é o ponto de congelação da água. A
unidade de temperatura Celsius é por definição igual à unidade
kelvin.
5
Unidades de Temperatura
Kelvin está para Grau Celsius como Rankin está para Grau Fahrenheit
CONV E RS ÕE S
Gra us Celsius ( ºC)
Kelvin ( K)
F a hrenheit ( ºF )
Ra nkin ( R)
Gra us Celsius ( ºC)
1
ºC = K –273.15
ºC = 5/9 * (ºF – 32)
ºC = 5/9 * (R –491.67)
Kelvin ( K)
K = ºC +273.15
1
K = 273.15 + 5/9 *(ºF – 32)
K = 5/9 * R
F a hrenheit ( ºF )
F = 9/5 ºC + 32
F = 9/5 * (K-273.15) + 32
1
ºF = R – 459.67
Ra nkin ( R)
R = 9/5 * ºC + 491.67
R = 9/5 * K
R = ºF + 459.67
1
Tipos de Sensores
•Expansão Térmica:
– Sensores bimetálicas.
– Termómetro de Coluna de Líquido.
– Termómetro de gas.
•Efeito Termoeléctrico:
– Termopares.
– Termopilhas.
– Termopar Continuo.
•Variação de Resistencia:
– Termorresistências (RTD).
– Termistores.
•Radiação de Calor:
– Termografia.
– Pirómetro Óptico.
•Termómetros de Fibra óptica.
•Variação de Frequência de Ressonância: Termómetros de Quartzo.
•Termometria Acústica.
6
TERMOPARES
• Tipo de Sensor mais usado
– Disponíveis numa ampla gama de :
• Tipos
• Construções
• Gamas de temperatura
– Podem ser:
• De baixo custo
• Robustos
TERMOPARES
• Produzem uma voltagem dependendo de uma
diferença de temperatura entre as junções:
– de dois metais diferentes
– para medir a temperatura uma das junções tem que
ser mantida a uma temperatura conhecida (de
referência)
– Esta junção designa-se por “junção fria”
Volts
7
TERMOPARES
TERMOPARES
• Medem Sempre uma
Diferença
– Mesmo que não
vejamos uma junção
fria!
Junção
“Fria”
• Aqui
– Junção Fria “Simulada”
– Um sensor mede a
temperatura na ligação
para compensar
Junção
“Quente”
8
TERMOPARES
• Termopar Padrão
– Junção
ç Fria
“exterior”
– Introduzida em
sistema
automático
– Ou em banho de
gelo
TERMOPARES
9
TERMOPARES - TIPOS
• Metais Base
– E.g Tipo K – Ligas de Níquel Crómio e Níquel Alumínio
• Metais Nobres
– E.g Tipo R – Ligas de Platina e Platina / Ródão
TERMOPARES - TIPOS
10
TERMOPARES – TIPOS
TERMOPARES - TIPOS
• Metais Base:
– Baixo Custo
– Compromisso de Performance
– Tipo K – Histerese
• “O que sobe não desce”
• Tipo N melhor alternativa
11
TERMOPARES - TIPOS
• Metais Nobres (Tipos R e S):
– Maior Custo
– Maior Reproductibilidade
– Menor Output
TERMOPARES
• MIMS ou MI
– “Mineral insulated metal sheathed” – Isolamento bainha
metálica
– Tipicamente para intervalo de medição até1300°C
até1300 C
• Fio Isolado
– Teflon / Kapton / PTFE / PVC / Fibre Glass / Ceramica
• -200°C / 70°C / 350°C / 1800°C
12
TERMORRESISTÊNCIAS
• RTD: Resistance Temperature Detector
• PRT: Platinum Resistance Thermometer
• SPRT: Standard Platinum Resistance Thermometer
• PT100: Termorresistência de Platina de 100 Ohm
TERMORRESISTÊNCIAS
•Teoria e Principio de Funcionamento:
•A variação de resistência de um condutor metálico de
comprimento
e
secção
conhecidas
é
directamente
proporcional à variação da Temperatura a que está submetido
o condutor.
– Basicamente:
RT = R0 * ( 1 + α*∆T)
– Mais Complexo: equação Callendar-Van Dussen
13
TERMORRESISTÊNCIAS
TERMORRESISTÊNCIAS
•Modo de Leitura:
– Faz-se circular pelo elemento sensor uma corrente o mais
estável possível (0.5 mA ou 1 mA normalmente) e realiza-se
uma leitura nos seus extremos em ohm ou mediante ponte de
resistências em equilíbrio.
•Modelos de Medida a 2, 3 e 4 fios:
14
TERMORRESISTÊNCIAS
•Diversos Tipos Construtivos
e
•Diversos Encapsulados Industriais
TERMORRESISTÊNCIAS
15
COMPARAÇÃO
COMPARAÇÃO
16
PROGRAMA
2. Equipamentos
q p
ç
Equipamentos Necessários
Calibração por Comparação
GERAÇÃO TEMPERATURA
(UNIFORME E ESTÁVEL)
+
INDICADOR
PADRÃO CALIBRADO
17
Calibração por Comparação
9 FONTE ISOTÉRMICA
9 SENSOR PADRÃO
9SENSOR A CALIBRAR
LEI ZERO
DA TERMODINÁMICA
CALIBRAÇÃO POR
COMPARAÇÃO
18
KO vs OK!
Fonte Isotérmica: Considerações
Uniformidade
E t bilid d
Estabilidade
O que devemos ter
em conta ao eleger uma
Fonte Isotérmica ?
Intervalo de Temperatura de utilização
Rapidez
Robustez / Peso = Portabilidade
Versatilidade
O que procuramos numa
Fonte Isotérmica
para Calibração In-Situ?
Calibração simultânea de múltiplos sensores
…
19
Fonte Isotérmica: Consideracões
Estabilidade
Nivel máximo de oscilação
ç da fonte de calor / frio
em torno do ponto de referência (set point)
Uniformidade
Diferença máxima de Temperatura entre dois pontos
quaisquer do Meio Isotérmico uma vez estabilizado
Fontes Isotérmicas
Erros
CONDUCÇÃO
ATRAVÉS DA BAÍNHA
FONTE DE ERRO EM
CALIBRAÇÃO DE PRT
PROFUNDIDADE
DE IMERSÃO
20
Fontes Isotérmicas
Erros
Fontes Isotérmicas
Erros
PROFUNDIDADE
DE IMERSÃO?
COMPRIMENTO DO ELEMENTO SENSÍVEL
+ 10 VEZES O SEU DIÂMETRO
= 15 + ((10 X 6)=
) 75 mm
EA-10-13: 15 VEZES O SEU DIÂMETRO
= 15 X 6= 90 mm
(FAST CAL = 148mm)
21
Fontes Isotérmicas
FORNOS SECO
BANHOS
Grande portabilidade
Grande versatilidade
Mais rapidez
Maior Uniformidade e Estabilidade
Maior limpeza Æ Sem derrames
Sem inserções perfuradas
Gama de trabalho mais ampla
Alta capacidade
Fontes Isotérmicas
FORNO SECO
COM MÓDULOS
PELTIER
FORNOS DE ALTA
TEMPERATURA
BLOCOS METÁLICOS
AQUECIDOS
-40…140ºC
até 1200ºC
30…700ºC
22
BANHOS - SELECÇÃO DO FLUIDO
Temperatura de ebulição do fluido
Gama de Temperatura
Temperatura de congelação fluido
Viscosidade
Conductividade Eléctrica
Toxicidade / Gases
Segurança Æ Flashpoint
Expansão do fluido
Custo
Contaminação do sensor
23
PROGRAMA
2. Equipamentos
q p
ç
www.isotech.co.uk
24
Apresentação ISOTECH
•
Companhia Inglesa:
– Cerca de 50 pessoas
– Estabelecida em 1980
– Fabricante de referência de Equipamento
de Temperatura – Fornece Maioria dos
Laboratórios Nacionais
– Principal Laboratório UKAS de Calibração
de Temperatura
– Importante fonte de Artigos e Formação
http://www.ukas.org/calibration/lab_detail.asp?lab_id=885&loc
ation_id=&vMenuOption=1
25
Gama Completa
•Equipamento Calibração Industrial: •Equipamento para Laboratórios de
Calibração Acreditados e Primários:
– Blocos Secos
- Pontos Fixos ITS-90
– Banhos Líquidos
- Banhos Líquidos
– Sensores Padrão, Indicadores e
- Fluidized Furnace
Software
- Fornos de Alta Temperatura
- Termómetros / Indicadores
Padrão
- Software
Recursos www.isotech.co.uk
26
Recursos www.isotech.co.uk
PROGRAMA
2. Equipamentos
q p
ç
27
Soluções Industriais Isotech
Soluções Ind. Isotech – “Testers”
Quick Cal
• Gama: -12°C a 350°C
(-12a140ºC)(30a350ºC)
• Inserções Substituíveis
• Rápidos
• Muito Compactos
• Aplicações de menor
exactidão
• Exactidão: ±0.1 a ±0.4°C
Estabilidade: ±0.05°C
Hot Plate
• Gama: 50°C a 350°C,
• Sensores Superficie
• Estabilidade: +/-0.1°C
• Incerteza: 1°C tipico
28
Soluções Ind. Isotech – Fast Cal
• Gama de -35°C a 650°C em três modelos:
Low: -35°C a 140°C
Medium: 30°C a 350°C
High: 35°C 650°C
• Estabilidade: 0.02°C / 0.03°C / 0.03 a 0.05°C
• Exactidão “Complete”: ±0.15°C/±0.2°C/±0.5°C
• Exactidão “Basic”: ±0.2°C/±0.3°C/±1°C (500°C) ±2°C
(650°C)
• Ideal para Calibração Industrial Rápida – Em campo
• Leve
• Robusto
• Excelente relação preço / qualidade
Soluções Ind. Isotech – ISIS - Novidade
•
•
•
•
Primeiro Bloco Seco do mundo até -100°C
Gama: -100°C a 40ºC
Evita uso de fluidos dispendiosos
Transportável
• Estabilidade Absoluta
a 0°C: ±0.03°C (30 minutes)
a -90°C
90°C ±0.02°C
0 02°C (30 minutes)
i t )
• Homogeneidade Radial: 0.01°C (inserções
similares)
• Gradientes Verticais 0°C: 0.1°C
(over bottom 40mm) -90°C: 0.2°C
29
Soluções Ind. Isotech – Pegasus 1200
• Calibra Termopares até1200°C
• Gama: 150 a 1200°C
• Estabilidade Absoluta a 150°C: ±0.1°C
(30 minutos)
a 1200°C: ±0.2°C
• Opção Corpo Negro: ±0.3°C
Soluções Ind. Isotech – Gama Isocal 6
Banho de fluidos
Bloco Seco
Corpo negro
Banho de gelo
Pontos fixos ITS-90
Sensores de superficie
30
Europa
Venus
Calisto
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Gama: -45°C a 140°C
Exactidão: ±0.15ºC
Uniformidade Radial
Bloco Seco <0.008°C
Uniformidade Radial
Banho Liquid <0.02°C
Uniformidade Axial
Uniformidade Axial
Banho Liquido
<0.026°C
Gama: -35°C a 140°C
Uniformidade Radial
Uniformidade Radial
Banho Liquid <0.02°C
Uniformidade Axial
Uniformidade Axial
Banho Liquido
<0.026°C
Gama: 30°C a 250°C
Uniformidade Radial
Bloco Seco <0.02°C
•
• Uniformidade Radial
Banho Liquid
<0.011°C
•
• Uniformidade Axial
Bloco Seco <0.25°C
•
• Uniformidade Axial
Banho Liquido
<0.02°C
Estabilidade: Dry Block: ±0.03°C, Blackbody: ±0.3°C, Surface Sensor:±0.5°C,
Liquid Bath: +/0.025°C, ITS-90 Cells: ±0.0005°C, Ice Bath: ±0.001°C (not Calisto)
31
Hyperion
Drago
•
•
Gama: -35°C a 140°C
Gama: 30°C a 250°C
Maior volume de Calibração: 65 x 160 mm
Soluções Laboratório Isotech
32
Soluções Lab. Isotech - Banhos
BANHOS DE FLUIDO
BANHOS DE LÍQUIDO
AGITADO TIPO TANQUE
BANHOS DE TUBOS
PARALELOS
BANHOS DE TUBOS
CONCÊNTRICOS
BANHOS TIPO TANQUE
DESENHO SIMPLES
MAIOR VOLUME / CAPACIDADE
ZONAS FRIAS Æ BAIXA Uniformidade
33
DESENHO DE TUBOS
PARALELOS
EXCELENTE Uniformidade
TUBO 1Æ VOLUME DE CALIBRAÇÃO
TUBO 2 Æ ZONA DE AGITAÇÃO
/CONDICIONAMENTO FLUIDO
DESENHO DE TUBOS
CONCÊNTRICOS
EXCELENTE Uniformidade
TUBO INTERIOR Æ VOLUME DE CALIBRAÇÃO
TUBO EXTERIOR Æ ZONA DE AGITAÇÃO
/CONDICIONAMENTO FLUIDO
34
$$$$$$$$$
$$$$$$$$$
$$$$$$$$$
$
Período de vida do óleo limitado
Custo de enchimento!!!
Soluções Lab. Isotech – Banhos
TUBOS
PARALELOS
Hydra
• Gama : -80°C a 300°C
L: -80a125ºC
M: -40 a 125ºC
H: 30 a 200ºC
EHT: 30 a 300ºC
• Estabilidade: até ± 0.015°C
• Uniformidade Vert.: até
±0.002°C
• Profundidade: 300mm (5L)
Orion
• Gama : -40°C a 300°C
M: -40 a 125ºC
H: 30 a 300ºC
• Estabilidade: até ± 0.006°C
±0.005°C
• Profundidade: 470mm (8,5L)
35
BANHOS SERIE
HYDRA 798
TUBOS
PARALELOS
915
• Gama : -65°C a 300°C
LW: -65 a 40ºC
MWE: -30 a 40ºC
H: 30 a 300ºC
• Estabilidade: até ± 0.00006
0 00006°C
C
±0.0002°C
• Incerteza: até ±0.0005°C
• Profundidade: 400mm (7L)
36
GRANDE
VOLUME
820
• Gama : 30°C a 300°C
•
•
•
•
Estabilidade: até ± 0.003°C
Uniformidade : até ±0.005
±0 005°C
C
Profundidade: 300mm (15L)
Abertura: 185 x140 mm
Limitações Banhos de Fluido
Temperatura máxima
de Operação do Óleo
Temperatura de
Inflamação do Óleo
Ó
Producção de fumos
Mistura ignífuga em
contacto com o ar
Sistemas de Extracção
LIMITAÇÃO DO USO
DO ÓLEO
A TEMPERATURAS
MÁXIMAS DE 300ºC
37
BANHOS FLUIDIZADOS
Gama: 50 a 700ºC
SÓLIDO INERTE PULVERIZADO: ALUMINA
FORNECIMENTO DE AR Æ FLUIDIZAÇÃO
9
ISOTECHÆ BANHO SELADO
DE TUBOS CONCÊNTRICOS
Soluções Lab. Isotech Forno Cerâmico Altas Temperaturas
FORNO CERÂMICO
SATURNO:
- Exactidão de 0.25°C a 1000°C
- Gama:100°C a 1300°C
- Central Zone of Zero Heat flux
38
Soluções Lab. Isotech Fornos Cerâmicos Altas Temperaturas
DESENHO ESFÉRICO
ZONA CENTRALÆ GRANDE Uniformidade
TERMOPARES COLOCADOS CONCENTRICAMENTE
UNIÕES DE MEDIÇÃO DOS TC A POUCOS MILÍMETROS
Soluções Isotech - Termómetros
39
Soluções Isotech - Indicadores
Incorporados
Externos
Grande pportabilidade
Melhores exactidões
Sistema numa única unidade
Possibilidade de leitura de
vários sensores simultaneamente
Mais económico
Facilidade de utilização
Calibração PRT: Eliminação Erros
FEM e Auto aquecimento
Calibração
C
lib ã TC:
TC Compensação
C
ã União
U iã
Fria Interna ou Externa
Scanner de canais; memoria interna;
Cálculos Estatísticos
TTI-7 Plus
• Suporta: SPRTs de 25 e 100
Oh C
Ohm,
Coeficientes
fi i t ITS
ITS-90
90 e IEC
751 (CvD), todos os tipos de
Termopar.
• Dois canais independentes +
Scanner Opcional
• Datalogger
• Exactidão até 0.01°C
• Resolução 0.001°C
• Elimina Thermal EMFs com
corrente reversível
40
Mili K
NOVIDADE!!!
• Suporta: SPRTs de 25 e 100
Ohm, Coeficientes ITS-90 e IEC
Termopar, 4-20mA.
• Dois canais independentes +
Scanner Opcional
• Datalogger, USB, Ethernet
• Controla Banhos Isotech
TTI-22
• Suporta:
S
t SPRTs
SPRT de
d 25 e 100
Ohm, Coeficientes ITS-90 e IEC
Termopar.
• Dois canais independentes
• Simples de usar
41
MicroK
• Exactidão: até 0.1 PPM (toda
a gama):
• Exactidão(a 0.01C) até 0.025
mk
• Três canais independentes
• Resolução até 0.001 mk
• Estabilidade: 0 (zero)
• Expansível até 90 canais
• PRT, Termopares e
Termistores
Soluções Isotech – Sensores Padrão
PRT Semi-Standard
• Cobertura de -200°C a 670°C
• Ideais para aplicações Industriais
• Boa estabilidade, baixa deriva:
0.01°C/ano a 0°C tipico
• Incertezas tipicas de 10 a 50 mK
• Bobine de Platina de Alta
Estabilidade
42
Termopares Semi-Standard
• Cobertura de 0°C a 1300°C
• Ideais para aplicações Industriais
de Alta Temperatura
• Metais Nobres (R e S) e Tipo N
para melhor duração, estabilidade
e reprodutibilidade
• Incertezas típicas de 0
0,25
25 a 2
2,2K
2K
909
•
•
•
•
•
Gama: -196°C a 670°C
25.5Ω ou 100Ω
Incertezas típicas de 1 a 10mK
SPRT de trabalho económica
Três comprimentos:
480mm
550mm
600mm
• Bainha de Metal ou Quartzo
43
Termopares Padrão 1600
•
•
•
•
•
Cobertura de 0°C a 1600°C
Metais Nobres (R e S)
Com ou sem junção fria
Sem junções intermédias
Dois comprimentos: 300 ou
600mm
• Calibração UKAS incluída
•
48 termopares calibrados no NPL
apresentaram
desvio
padrão
relativo ao valor nominal de tabela
no ponto do ouro (1064.18ºC)
equivalente a 0,5ºC.
670
•
•
•
•
Gama: -200°C a 670°C
25.5Ω ou 100 Ω
SPRT Primária
Super estável: deriva até +/0,001ºC/ano
• Dois comprimentos:
480mm
650mm
650
• Bainha de Metal ou Quartzo
44
96178
• Gama: -0°C a 1000°C
• 0,25Ω
• SPRT Primária para Ponto
Fixo da Prata
Termopar Platina - Ouro
• Gama: -0°C a 1000°C
• Alternativa económica a
HTSPRT’s.
• Incertezas:
Zinco 0.05°C
Aluminio 0.05°C
Prata 0.05°C
0-1000°C : 0.10°C
45
ITS – 90 International Temperature Scale
Soluções Isotech – ITS-90
0.01°C
(273.16 K )
46
Calibração Absoluta: Pontos Fixos
CÉLULA DE PONTO FIXO SELADA
Calibração Absoluta: Exemplo práctico
CÉLULA DE PONTO FIXO DO GÁLIO
47
ÎCélula a Temperatura Ambiente : 22ºC
Î Ponto
P t de
d fusão
f ã do
d Gálio:
Gáli 29.7646ºC
29 7646ºC
Î Equipamento eleva a sua Temperatura até 30.2ºC
ÎA Temperatura da Célula
começa a aumentar
48
ÎO metal começa a fundir-se a 29.7646ºC
CALOR LATENTE!!!
ÎQuando o metal está totalmente
em estado líquido Æ Temperatura aumenta
à Temperatura do equipamento (30.2ºC)
49
Automatização da Calibração
Longo Período
de realização!
Calibração de Temperatura
9
Controlo remoto
9
Redução de tempo
50
Soluções Isotech:
Calibração de Termómetros Ópticos
Outras Soluções
51
PROGRAMA
2. Equipamentos
q p
ç
Calibração Humidade Relativa
• Unidade Grandeza Humidade Relativa (UW ou r . h) em relação à
água:
símbolo (%) definido como sendo:
A relação entre a pressão parcial do vapor de água (e) e a pressão de
saturação (eW) sobre uma superfície plana de água (estado líquido) à
mesma temperatura t (ºC), expressa em percentagem.
52
Soluções Vaisala – HMK15
Soluções Kaymont - 2000
53
Soluções Thunder Scientific - 2500
Soluções MBW
54
55

seminário instrumentação para calibração de temperatura

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