(Parte 1 de 5)

3.3

Temperatura

1. Conceitos Básicos

1.1. Definições

A temperatura é uma quantidade de base do SI, conceitualmente diferente na natureza do comprimento, tempo e massa. Quando dois corpos de mesmo comprimento são combinados, tem-se o comprimento total igual ao dobro do original. O mesmo vale para dois intervalos de tempo ou para duas massas. Assim, os padrões de massa, comprimento e tempo podem ser indefinidamente divididos e multiplicados para gerar tamanhos arbitrários. O comprimento, massa e tempo são grandezas extensivas. A temperatura é uma grandeza intensiva. A combinação de dois corpos à mesma temperatura resulta exatamente na mesma temperatura.

A maioria das grandezas mecânicas, como massa, comprimento, volume e peso, pode ser medida diretamente. A temperatura é uma propriedade da energia e a energia não pode ser medida diretamente. A temperatura pode ser medida através dos efeitos da energia calorífica em um corpo. Infelizmente estes efeitos são diferentes nos diferentes materiais. Por exemplo, a expansão termal dos materiais depende do tipo do material. Porém, é possível obter a mesma temperatura de dois materiais diferentes, se eles forem calibrados. Esta calibração consiste em se tomar dois materiais diferentes e aquecê-los a uma determinada temperatura, que possa ser repetida. Coloca-se uma marca em algum material de referência que não tenha se expandido ou contraído. Depois, aqueça os materiais em outra temperatura determinada e repetível e coloque uma nova marca, como antes. Agora, se iguais divisões são feitas entre estes dois pontos, a leitura da temperatura determinada ao longo da região calibrada deve ser igual, mesmo se as divisões reais nos comprimentos dos materiais sejam diferentes.

Um aspecto interessante da medição de temperatura é que a calibração é consistente através de diferentes tipos de fenômenos físicos. Assim, uma vez se tenha calibrado dois ou mais pontos determinados para temperaturas específicas, os vários fenômenos físicos de expansão, resistência elétrica, força eletromotriz e outras propriedades físicas termais, irá dar a mesma leitura da temperatura.

A lei zero da termodinâmica estabelece que dois corpos tendo a mesma temperatura devem estar em equilíbrio termal. Quando há comunicação termal entre eles, não há troca de coordenadas termodinâmicas entre eles. A mesma lei ainda estabelece que dois corpos em equilíbrio termal com um terceiro corpo, estão em equilíbrio termal entre si. Por definição, os três corpos estão à mesma temperatura. Assim, pode-se construir um meio reprodutível de estabelecer uma faixa de temperaturas, onde temperaturas desconhecidas de outros corpos podem ser comparadas com o padrão, colocando-se qualquer tipo de termômetro sucessivamente no padrão e nas temperaturas desconhecidas e permitindo a ocorrência do equilíbrio em cada caso. Isto é, o termômetro é calibrado contra um padrão e depois pode ser usado para ler temperaturas desconhecidas. Não se quer dizer que todas estas técnicas de medição de temperatura sejam lineares mas que conhecidas as variações, elas podem ser consideradas e calibradas.

Escolhendo-se os meios de definir a escala padrão de temperatura, pode-se empregar qualquer uma das muitas propriedades físicas dos materiais que variam de modo reprodutível com a temperatura. Por exemplo, o comprimento de uma barra metálica, a resistência elétrica de um fio fino, a militensão gerada por uma junção com dois materiais distintos, a temperatura de fusão do sólido e de vaporização do liquido.

1.2. Unidades

A 9a CGPM (1948) escolheu o ponto tríplice da água como ponto fixo de referência, em lugar do ponto de gelo usado anteriormente, atribuindo-lhe a temperatura termodinâmica de 273,16 K. Foi escolhido o grau kelvin (posteriormente passaria para kelvin) como unidade base SI de temperatura e se permitiu o uso do grau Celsius (oC), escolhido entre as opções de grau centígrado, grau centesimal e grau Celsius para expressar intervalos e diferenças de temperatura e também para indicar temperaturas em uso prático.

Em 1960, houve pequenas alterações na escala Celsius, quando foram estabelecidos dois novos pontos de referência: zero absoluto e ponto tríplice da água substituindo os pontos de congelamento e ebulição da água.

A 13a CGPM (1967) adotou o kelvin no lugar do grau kelvin e decidiu que o kelvin fosse usado para expressar intervalo e diferença de temperaturas.

Atualmente, kelvin é a unidade SI base da temperatura termodinâmica e o seu símbolo é K. O correto é falar simplesmente kelvin e não, grau kelvin. O kelvin é a fração de 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto tríplice da água.

Na prática, usa-se o grau Celsius e o kelvin é limitado ao uso científico ou a cálculos que envolvam a temperatura absoluta. Um grau Celsius é igual a um kelvin, porem as escalas estão defasadas de 273,15. A temperatura Celsius (Tc) está relacionada com a temperatura kelvin (Tk) pela equação:

Tc = Tk - 273,15

A constante numérica na equação (273,15) representa o ponto tríplice da água 273,16 menos 0,01. O ponto de 0 oC tem um desvio de 0,01 da escala Kelvin, ou seja, o ponto tríplice da água ocorre a 0,01 oC ou a 0,00 K.

Os intervalos de temperatura das duas escalas são iguais, isto é, 1 oC é exatamente igual a 1 K.

O símbolo do grau Celsius é oC. A letra maiúscula do grau Celsius é, às vezes, questionada como uma violação da lei de estilo para unidades com nomes de pessoas. A justificativa para usar letra maiúscula é que a unidade é o grau e Celsius (C) é o modificador.

A temperatura pode ser realizada através do uso de células de ponto tríplice da água, com precisão de 1 parte em 104. Medições práticas tem precisão de 2 partes em 103. A escala e os pontos fixos são definidos em convenções internacionais que ocorrem periodicamente.

1.3. Escalas

Para definir numericamente uma escala de temperatura, deve-se escolher uma temperatura de referência e estabelecer uma regra para definir a diferença entre a referência e outras temperaturas. As medições de massa, comprimento e tempo não requerem concordância universal de um ponto de referência em que cada quantidade é assumida ter um valor numérico particular. Cada milímetro em um metro, por exemplo, é o mesmo que qualquer outro milímetro. Escalas de temperatura baseadas em pontos notáveis de propriedades de substâncias dependem da substância escolhida. Ou seja, a dilatação termal do cobre é diferente da dilatação da prata. A dependência da resistência elétrica com a temperatura do cobre é diferente da prata.

Assim, é desejável que a escala de temperatura seja independente de qualquer substância. A escala termodinâmica proposta pelo barão Kelvin, em 1848, fornece uma base teórica para a escala de temperatura independente de qualquer propriedade de material e se baseia no ciclo de Carnot.

1.4. Escala Prática Internacional de Temperatura

O estabelecimento ou fixação de pontos para as escalas de temperatura é feito para que qualquer pessoa, em qualquer lugar ou tempo possa replicar uma temperatura específica para criar ou verificar um termômetro. Os pontos específicos de temperatura se tornam efetivamente nos protótipos internacionais de calor. A Conferência Geral de Pesos e Medidas aceitou esta EPIT, em 1948, emendou-a em 1960, e estabeleceu uma nova em 1968 (com 13 pontos) e em 1990 (com 17 pontos).

A Escala Prática Internacional de Temperatura (EPIT) foi estabelecida para ficar de conformidade, de modo aproximado e prático, com a escala termodinâmica. No ponto tríplice da água, as duas escalas coincidem exatamente, por definição. A EPIT é baseada em pontos fixos, que cobrem a faixa de temperatura de -270,15 a 1084,62 oC. Muitos destes pontos correspondem ao estado de equilíbrio durante a transformação de fase de determinado material. Os pontos fixos associados com o ponto de solidificação ou fusão dos material são determinados à pressão de uma atmosfera padrão (101,325 Pa)

Além destes pontos de referência primários, foram estabelecidos outros pontos secundários de referência, que são mais facilmente obtidos e usados, pois requerem menos equipamentos. Porém, alguns pontos secundários da EPIT 1968 se tornaram primários na EPIT 1990.

Fig. 3.3.1. – Escalas Celsius, Kelvin, Farenheit e Rankine

Há dois motivos para se ter tantos pontos para fixar uma escala de temperatura:

  1. poucos materiais afetados pelo calor mudam o comprimento linearmente ou uniformemente. Tendo-se vários pontos, a escala pode ser calibrada em faixas estreitas, onde os efeitos não linearidade podem ser desprezados.

  2. nenhum termômetro pode ler todas as temperaturas. Muitos pontos fixos permite um sistema robusto de calibração.

Tab. 3.1 - Pontos Fixos da Escala Prática Internacional de Temperatura (1990)

Ponto

Material

Estado

Temperatura

1

He

Vapor

-270,15 a -268,15

2

e-H2a

Ponto triplob

-259,346 7

3

e-H2

Vapor

~-256,16

4

e-H2

Vapor

~-252,85

5

Ne

Ponto triplo

-248,593 9

6

O2

Ponto triplo

-218,791 6

7

Ar

Ponto triplo

-189,344 2

8

Hg

Ponto triplo

-38,834 4

9

H20

Ponto triplo

0,01

10

Ga

Fusão

27,764 6

11

In

Fusão

156,598 5

12

Sn

Fusão

231,928

13

Zn

Fusão

419,527

14

Al

Fusão

660,323

15

Ag

Fusão

961,78

16

Au

Fusão

1064,18

17

Cu

Fusão

1084,62

Notas:

a - eH2 hidrogênio em concentração de equilíbrio das formas ortomolecular e paramolecular,

b - Ponto triplo: temperatura em que as fases sólida, líquida e gasosa estão em equilíbrio.

Entre os pontos fixos selecionados, a temperatura é definida pela resposta de sensores específicos com equações experimentais para fornecer a interpolação da temperatura. Várias definições diferentes são fornecidas, na EPIT de 1990 para temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto. Nestas temperaturas, usa-se um termômetro de gás He para medir a pressão e a temperatura é inferida desta pressão. Na faixa de 13,8033 K e 961,78 oC a temperatura é definida por um termômetro de resistência de platina, que é calibrado em conjuntos específicos de pontos fixos com equações de interpolação cuidadosamente definidas.

Acima de 1064,18 oC, a temperatura é definida por pirômetro óptico de radiação, onde a lei de Planck relaciona esta radiação com a temperatura.

A EPIT é continuamente revista e uma nova versão pode estender a faixa para o extremo inferior de 0,5 K, substituindo o instrumento de interpolação a termopar com uma resistência de platina especial e atribuir valores com proximidade termodinâmica para os pontos fixos. Atualmente o mínimo valor definido na EPIT é 13,81 K.

A calibração de um dado instrumento medidor de temperatura é geralmente feita submetendo-o a algum ponto fixo estabelecido ou comparando suas leituras com outros padrões secundários mais precisos, que tenham sido rastreados com padrões primários. A calibração com outro instrumento padrão é feita através do seguinte procedimento:

  1. colocam-se os sensores dos dois instrumentos em contato íntimo, ambos em um banho de temperatura,

  2. varia a temperatura do banho na faixa desejada,

  3. permite que haja equilíbrio em cada ponto e

  4. determinam-se as correções necessárias.

Termômetros com sensores de resistência de platina e termopares geralmente são usados como padrões secundários.

Fig. 3.3.2. Indicador de temperatura com enchimento termal

2. Medição da Temperatura

2.1. Introdução

A medição pode ser medida por sensores mecânicos e elétricos. Os principais sensores mecânicos são o bimetal e o sistema de enchimento termal. Os principais sensores elétricos são o termopar e o detetor de temperatura e resistência (RTD).

O sensor bimetal funciona baseando-se na dilatação diferente para metais diferentes. A variação da temperatura medida causa variação no comprimento e no formato da barra bimetal, que pode ser usada para posicionar o ponteiro na escala de indicação de temperatura.

O sistema de enchimento termal é formado por um bulbo sensível, um sensor de pressão, um tubo capilar de interligação e um fluido de enchimento. O fluido pode ser gás (tipicamente nitrogênio), fluido não volátil (glicerina ou óleo de silicone) ou um fluido volátil (éter etílico). A temperatura é medida através da variação da pressão do gás ou da pressão de dilatação do fluido não volátil ou da pressão de vapor do fluido volátil.

A medição de temperatura por termopar se baseia na militensão gerada pela diferença de temperatura entre as duas junções de dois metais diferentes.

A medição de temperatura por resistência elétrica se baseia na variação da resistência elétrica de metais ou termistores depender da variação da temperatura medida.

2.2. Sensores

Existem vários modos de se determinar a temperatura, incluindo o termômetro a gás, o termômetro paramagnético, o termômetro de radiação de Planck. Porém, são métodos para a determinação termodinâmica da temperatura e só possuem interesse científico e teórico e por isso, são restritos a laboratórios de pesquisa.

Em siderurgia e metalurgia, quando se tem altas temperaturas, são utilizados medidores de temperatura tipo radiação de energia. Alguns que utilizam o olho humano como detector e todos servem para medir temperaturas entre 1 200 e 3 000 oC. Há ainda pirômetros com detetores de infravermelho e com padrões de referência objetivos.

Em laboratórios, é comum o uso de termômetros de hastes de vidro. São tubos de vidro transparente, contendo um fluido no seu interior capilar. A dilatação do fluido é proporcional à temperatura sentida no bulbo. São simples e baratos, porém são frágeis e fornecem apenas leitura local. São aplicados em laboratórios, oficina de instrumentação e para medição clínica da temperatura do corpo humano.

Os sensores de temperatura podem ser classificados, de um modo geral, em mecânicos e eletrônicos. Os sensores mecânicos mais usados são os seguintes:

1. bimetal

2. enchimento termal

3. haste de vidro

Os sensores elétricos mais usados são:

1. termopar

2. resistência metálica

3. termistores ou resistência a semicondutor

Há ainda os pirômetros ópticos e de radicao, para medição de temperatura sem contato direto.

Tab. 3.2 - Faixas e métodos de medição

Método

Faixa de Medição

oC

Termopares

-200 a 1700

Enchimento Termal

-195 a 760

Resistência Detectora

-250 a 650

Termistores

-195 a 450

Pirômetros Radiação

-40 a 3000

A seleção do elemento sensor de temperatura mais adequada é parecida com a escolha dos elementos de pressão. É uma tarefa mais simples pois não envolve necessariamente as características do fluido do processo, como ocorre na do medição de nível e vazão. Um método de medição de vazão ou nível pode não funcionar, o que também é diferente do meio de medição de temperatura. Geralmente, o meio de medição de temperatura escolhido funciona e, na escolha, deve-se preocupar mais com os aspectos de custo, precisão, tempo de resposta, faixa de medição, preferência e vantagens de manutenção.

Os parâmetros da escolha são

  1. função requerida indicação, registro ou controle.

  2. local de montagem e display

  3. a faixa de medição, com os valores de trabalho, máximo e mínimo da faixa. As medições de temperaturas muito baixas (< -50 oC) e elevadas (>150 oC), requerem cuidados especiais.

2.3. Termômetros de vidro

Em um termômetro com haste de vidro, a variação volumétrica resultante da expansão termal é interpretada como temperatura. Este termômetro foi o primeiro sistema de expansão termal fechado e foi conhecido desde o século XVIII, quando Gabriel Daniel Farenheit investigava a expansão do mercúrio.

O termômetro de vidro é constituído de:

  1. bulbo sensor

  2. haste de vidro com escala graduada e com um tubo capilar interno

  3. fluido de enchimento

O bulbo sensor é a parte sensível do termômetro e deve ser colocado no local onde se quer medir a temperatura. A maioria do fluido fica no bulbo.

A haste de vidro possui um tubo capilar interno, onde o fluido irá se expandir. Embora o bulbo e o tubo capilar possam ser do mesmo material, é mais conveniente usar um vidro para o bulbo com um bom fator de estabilidade e para o capilar usa-se um vidro fácil de ser trabalhado.

Para garantir a precisão do termômetro de vidro, o tubo capilar deve ter uma área anelar uniforme ou então, o termômetro deve ser calibrado em muitos pontos.

Fig. 3.3.3. Termômetro de haste de vidro

O termômetro de haste de vidro pode medir faixas estreitas de temperatura. Por exemplo, o termômetro clínico tem

  1. comprimento útil de 100 mm,

  2. faixa de medição de 35,0 e 42,0 oC

  3. volume do bulbo de 0,5 cm3

  4. diâmetro do capilar de 0,025 mm

A haste é freqüentemente projetada e construída com uma escala amplificadora, para melhorar a leitura.

O fluido de enchimento pode ser líquido ou gás. Os líquidos mais usados são:

  1. mercúrio, cujo fator de expansão é de 0,005%/oC e é linear. Assim, o volume do bulbo deve ser cerca de 10 000 vezes o volume do capilar entre duas marcações separadas por 0,5 oC.

  2. alcool

  3. pentano

  4. éter

O termômetro de mercúrio pode ser usado entre –39 oC (ponto de solidificação) e 538 oC (ponto de ebulição). A desvantagem do mercúrio é sua toxidez.

Os termômetros com álcool e éter são usados em temperaturas mais baixas. Geralmente adiciona-se tinta colorida (azul, verde, vermelha) para aumentar a visibilidade.

O espaço acima da coluna de mercúrio até o topo selado da escala é evacuado, mas pode ser preenchido com gás inerte seco, como nitrogênio, para aumentar a faixa de medição de temperatura.

Outra característica importante do termômetro de haste, principalmente do clínico, é uma restrição colocada no tubo capilar, que evita a volta do fluido para o bulbo, quando a temperatura baixa. Esta restrição torna o termômetro um indicador de máximo. Assim, para possibilitar a leitura de qualquer temperatura, deve-se zerar ou resetar o termômetro, sacudindo-o antes do uso.

Para minimizar a quebra acidental do bulbo de vidro, é comum se usar um poço termal metálico para proteger o bulbo.

As vantagens do termômetro de vidro são:

  1. baixo custo

  2. simplicidade

  3. grande duração, se manipulado corretamente

As desvantagens são:

  1. leitura difícil

  2. confinamento ao local de medição

  3. não adaptável para transmissão, registro ou controle automático

  4. susceptível de quebra, pois é de vidro frágil

Mesmo um termômetro de haste de vidro deve ser calibrado periodicamente, onde se inspecionam visualmente e verificam as dimensões, permanência do pigmento, estabilidade do bulbo e precisão da escala. Depois da calibração, podem ser feitas correções, aplicados fatores de correção ou o termômetro pode ser descartado.

Norma de referência: ASTM E 77 – 92: Standard Test Method for Inspeciton and Verification of Thermometers. Várias normas ASTM cobrem os termômetros clínicos.

2.4. Bimetal

O termômetro a bimetal possui todos os componentes de medição – sensor, condicionador e indicador – em um único invólucro.

O princípio de funcionamento é simples dois metais com coeficientes de dilatação térmica diferentes são soldados formando uma única haste. à uma determinada temperatura, a haste dos dois metais está numa posição; quando a temperatura varia, a haste modifica a sua posição produzindo uma força ou um movimento.

As partes do termômetro a bimetal são

  1. o sensor, em contato direto com a temperatura

  2. os elos mecânicos, para amplificar mecanicamente os movimentos gerados pela variação da temperatura, detectada pelo bimetal.

  3. a escala acoplada diretamente aos elos mecânicos, para a indicação da temperatura medida.

  4. opcionalmente, pode-se usar o sistema de transmissão.

As vantagens do bimetal são:

  1. baixo custo,

  2. simplicidade do funcionamento

  3. facilidade de instalação e de manutenção

  4. largas faixas de medição

  5. possibilidade de ser usado com os mecanismos de transmissão.

Fig. 3.3.4. Bimetal

As desvantagens são

  1. precisão ruim

  2. não linearidade de indicação

  3. grande histerese

  4. presença de peças moveis que se desgastam

  5. facilidade de perder calibração

A principal aplicação para o termômetro a bimetal é em indicação local de temperaturas de processo industrial. É muito usado para controle comercial e residencial de temperatura associado a ar condicionado e refrigeração.

O sensor a bimetal integral ao instrumento não pode ser calibrado isoladamente mas somente pode ser inspecionado visualmente, para verificar corrosão ou danos físicos evidentes.

O que se faz é calibrar o sistema de indicação, colocando-se o termômetro em um banho de temperatura e comparando as indicações do termômetro com as indicações de um termômetro padrão colocado junto. O termômetro a bimetal pode ser calibrado e, se necessário, ajustado nos pontos de zero e de amplitude de faixa.

2.5. Enchimento Termal

O sistema termal de enchimento mecânico foi um dos métodos mais usados no início da instrumentação, para a medição de temperatura. O método foi e ainda é, um meio satisfatório de medição da temperatura para a indicação, o registro e o controle locais. Seu uso não é limitado a leitura local ou controle, mas é utilizado para a transmissão pneumática para leitura ou controle remoto.

Os componentes básicos do sistema termal de enchimento mecânico são

  1. o bulbo sensor, em contato com o processo.

  2. o elemento de pressão, montado no interior do instrumento receptor, que pode ser um transmissor pneumático, um indicador, um registrador ou um controlador, todos montados próximos ao processo .

  3. o tubo capilar, ligando o bulbo ao elemento de pressão do instrumento.

  4. opcionalmente pode haver o sistema de compensação da temperatura ambiente.

O sistema termal é ligado a um dispositivo de display, para apresentação do valor da temperatura.

(a) Esquema simplificado do sistema termal

(b) Elemento e compensação da temperatura ambiente

Fig. 3.3.5. Sistema de enchimento termal

O conjunto bulbo + capilar + elemento receptor é cheio de um fluido. O tipo do fluido determina a classe ou o grupo do sistema termal. A classificação estabelecida pela Scientific Apparatus Manufacturer Association (SAMA) é a seguinte:

A Classe I usa como enchimento líquido não volátil geralmente a glicerina. O princípio de funcionamento é a dilatação do líquido. A variação da temperatura medida faz o fluido se dilatar, variando a pressão interna do sistema. A pressão e suas variações são sentidas pelo elemento receptor de pressão.

A classe II é cheia de um líquido volátil, como o álcool ou o éter. Seu princípio de funcionamento é a característica temperatura x pressão de vapor da fase líquido-vapor. Como não há dilatação, não há influência da temperatura ambiente e portanto não há necessidade de compensação da temperatura ambiente. Porém, são definidas quatro subclasses

Classe IIa - assumindo que o capilar e a caixa do instrumento estejam à temperatura ambiente, a temperatura do bulbo está sempre acima da temperatura ambiente.

Classe IIb - a temperatura do bulbo sensor é sempre menor que a temperatura ambiente.

Classe IIc - a temperatura do bulbo e a medida podem assumir valores acima e abaixo da pressão ambiente.

Classe IId - introduz-se no sistema um líquido não-volátil, para ser tampão do líquido volátil, com a finalidade de eliminar a descontinuidade no ponto da temperatura ambiente.

Fig. 3.3.6. Transmissor com sensor de enchimento termal (Foxboro)

O enchimento da classe III é com gás, geralmente o Nitrogênio. Baseia-se também na dilatação volumétrica do gás de enchimento e portanto requer compensação das variações da temperatura ambiente. Porém, na prática, basta a compensação parcial da caixa raramente se usa a compensação total.

Os sistemas de enchimento termal possuem as seguintes vantagens

  1. é um método simples e de uso comprovado,

  2. não requer nenhuma fonte de alimentação, a não ser que haja transmissão,

  3. possuem construção robusta e insensível às vibrações e aos choques mecânicos

  4. há uma boa seleção de faixas calibradas e larguras de faixas de medição estreitas,

  5. são mecânicos, portanto seguros em qualquer atmosfera perigosa

As desvantagens são

  1. tempo de resposta lento

  2. falha no bulbo requer a substituição do elemento completo, constituído de bulbo + capilar + elemento sensor de pressão.

O sistema termal de enchimento é usado para a indicação, registro e controle local. É também usado como sensor do transmissor pneumático. É o método de medição de temperatura de natureza mecânica mais utilizado. Atualmente, por causa do alto custo é substituído por elementos sensores elétricos.

2.6. Termopar

Princípio de funcionamento

Os termopares transformam calor em eletricidade. As duas extremidades de dois fios de metais diferentes (e.g., ferro e constantant), são trançadas juntas para formar duas junções: uma de medição e outra de referência. Um voltímetro ligado em paralelo irá mostrar uma tensão termelétrica gerada pelo calor. Esta tensão é função da

  1. diferença de temperatura entre a junção de medição e a junção de referência, que é o princípio da medição da temperatura.

  2. tipo do termopar usado. Pesquisas são desenvolvidas para se encontrar pares de metais que tenham a capacidade de gerar a máxima militensão quando submetidos a temperaturas diferentes.

  3. homogeneidade dos metais. As instalações de termopar requerem calibrações e inspeções periódicas para verificação do estado dos fios termopares. A degradação do termopar introduz erros na medição.

Circuito de medição

O circuito de medição completo deve possuir os seguintes componentes básicos

  1. o termopar, que está em contato com o processo. O ponto de junção dos dois metais distintos é chamado de junta quente ou junta de medição.

  2. a junta de referência ou junta fria ou junta de compensação, localizada no instrumento receptor. Como a militensão é proporcional à diferença de temperatura entre as duas junções, a junta de referência deve ser constante. Como nos primeiros circuitos havia um recipiente com água + gelo, para manter a junta de referência em 0 oC, a junta de referência é também chamada de junta fria. Mesmo quando se mede temperatura abaixo de 0 oC, portanto quando a junta quente é mais fria que a junta fria, os nomes permanecem, por questões históricas. Atualmente, em vez de se colocar um pouco prático balde com água + gelo, utiliza-se o circuito de compensação com termistores e resistências.

  3. circuito de detecção do sinal de militensão, geralmente a clássica ponte de Wheaststone, com as quatro resistências de balanço. Na prática o circuito é mais complexo, colocando-se potenciômetros ajustáveis no lugar de resistências fixas. Os ajustes correspondem aos ajustes de zero e de largura de faixa.

  4. a fonte de alimentação elétrica, de corrente contínua, para a polarização dos circuitos elétricos de detecção, amplificação e condicionamento do sinais.

Configurações

As configurações de ligações podem ser de três tipos básicos

  1. o termopar é ligado diretamente do processo para o instrumento receptor remoto. Os fios de ligação devem ser de termopar, do mesmo tipo que a junta de medição, a fim de não introduzir erros de medição. Atualmente, são desenvolvidos fios de extensão feitas de ligas com características termelétricas iguais as do termopar e de menor custo.

  1. o termopar é ligado ao transmissor eletrônico de temperatura. A entrada do transmissor é o termopar, ligado ao processo e a saída é o sinal padrão de corrente, de 4 a 20 mA cc. A vantagem dessa ligação é que o fio de transmissão é de cobre comum mais econômico que o fio de termopar.

Fig. 3.3.7. Transmissor inteligente de temperatura (Rosemount)

  1. O termopar é ligado ao transmissor pneumático de temperatura. A entrada do transmissor é o termopar, em contato com o processo e a saída do transmissor é o sinal pneumático padrão, de 20 a 100 kPa. Essa configuração é adequada quando se tem o instrumento receptor de natureza pneumática.

Tipos de termopares

Existem vários tipos de termopares, designados por letras; cada tipo apresentando maior linearidade em determinada faixa de medição. Essa variedade de tipos facilita a escolha, principalmente porque há muita superposição de faixa, havendo uma mesma faixa possível de ser medida por vários termopares.

(a) Sistema completo: bulbo, sensor e poço

(b) Sensor termopar

Fig. 3.3.8. Conjunto do termopar

A militensão gerada é de corrente contínua. O termopar é polarizado e cada metal corresponde a uma polaridade. Convenciona-se que o primeiro nome do termo corresponde ao polo (+).

Os tipos mais utilizados são

  1. tipo J, de Ferro (+) e Constantant (-), com faixa de medição até 900 oC. Para a identificação, o Fe é o fio magnético.

  2. tipo K, de Cromel (+) e Alume1 (-), para a faixa de medição até 1.200 oC, sendo o Cromel levemente magnético.

  3. tipo T, de Cobre (+) e Constantant (-), para faixa até 300 oC. É fácil a identificação do cobre por causa de sua cor característica.

  4. tipo S, com a liga (+) de Platina (90%) + Ródio (10%) e Platina pura (-). Atinge até medição de 1.500 oC e para identificação, platina pura é a mais maleável.

  5. tipo R, também liga (+) de Platina (87%) + Ródio (13%) e Platina (-), com a mesma faixa de medição até 1.500 oC e identificando-se a platina pura pela maior maleabilidade.

Cada curva de termopar é diferente entre si e todas possuem regiões não-lineares. As curvas são necessárias e úteis para a calibração do receptor de termopar. Quando se quer calibrar um instrumento indicador-registrador de temperatura a termopar, em vez de se ter um banho de temperatura, simula-se diretamente um sinal de militensão substituindo-se o termopar.

Fig. 3.3.9. Curvas dos vários tipos de termopar

Vantagens e limitações

O termopar apresenta todas as vantagens inerentes ao sistema elétrico. Por isso, quando comparado ao sistema mecânico de enchimento termal tem-se

  1. menor tempo de atraso,

  2. maiores distâncias de transmissão,

  3. maior flexibilidade para alterar as faixas de medição,

  4. maior facilidade para reposição do elemento sensor, quando danificado

  5. maior precisão.

Quando comparado com a resistência detectora de temperatura, tem-se

  1. o custo do elemento termopar é menor,

  2. o tamanho do elemento sensor é menor, portanto com tempo de resposta menor e mais conveniente para montagem.

  3. os meios de calibração são mais fáceis

  4. verificações de calibração mais fáceis. Aliás, a medição de temperatura com termopar é auto-verificável, quando se tem o dispositivo de proteção de queima (burnout) do termopar. Incorpora-se no circuito de medição, um sistema para levar a indicação da leitura para o fim ou para o início da escala, quando ocorrer o rompimento da junta de medição.

  5. flexibilidade para modificação do circuito, para medição de soma ou subtração de temperaturas.

  6. as larguras de faixas medidas são maiores que as conseguidas no sistema mecânico e com o bulbo de resistência.

Fig. 3.3.10. Termopares dentro do bulbo protetor

Porém, ele apresenta desvantagens, com relação ao sistema de enchimento mecânico e com relação ao bulbo de resistência elétrica

  1. a característica temperatura x militensão não é linear totalmente.

  2. o sinal de militensão pode captar ruídos na linha de transmissão.

  3. o circuito de medição é polarizado, quando o da resistência não o é.

  4. requer circuito de compensação das variações da temperatura ambiente.

  5. a junta de medição pode se deteriorar, se oxidar e envelhecer com o tempo.

Fig. 3.3.11. Esquema de ligação do termopar ao registrador de temperatura

Fig. 3.3.12. Registrador multiponto de temperatura

Os termopares são aplicados em medições de temperaturas em um ponto e não em uma região média) onde se requer pequenos atrasos. Ele é conveniente em sistemas que envolvem muitos pontos de medição, sendo selecionado instantaneamente um único ponto para indicação ou registro.

Calibração do termopar

Como a homogeneidade dos fios componentes do termopar pode se modificar, o termopar e os fios de extensão de termopar devem ser periodicamente calibrados. A calibração consiste em verificar se as suas características se afastaram dentro da tolerância (termopar bom) ou além da tolerância (termopar deve ser descartado).

As técnicas de calibração do termopar tem sido melhoradas constantemente em velocidade e confiabilidade, por causa do uso do microprocessador. A técnica antiga consistia em ligar o instrumento receptor do termopar aos terminais de um potenciômetro portátil de militensão, medir a temperatura destes terminais com um termômetro padrão, ajustar a saída do potenciômetro para dar a indicação teórica no receptor e anotar o ajuste do potenciômetro. Finalmente, se procurava a temperatura correspondente em tabelas padrão. Este processo consumia muito tempo e era susceptível a erros potenciais.

A medição de temperatura nos terminais é necessária porque um termopar contem inerentemente duas junções de metais diferentes e não apenas uma. A saída de tensão deste sistema de termopar é afetada pelas temperaturas de ambas as junções. A medição da temperatura da junção de medição, deste modo, requer o conhecimento da temperatura da junção de referência. Em muitos instrumentos, a junção de referência ocorre nos terminais de ligação neste instrumento receptor.

O microprocessador simplificou muito a calibração do termopar. Sua memória pode conter as curvas de temperatura (tensão x temperatura) para os diferentes termopares. Estas curvas são geradas usando-se equações publicadas pelo National Institute of Standards and Technology. Um instrumento a microprocessador também faz a medição da temperatura da junção de referência, incorporando-a em um resultado compensado corretamente. Quando a calibração do instrumento baseado em microprocessador recebe uma tensão, ele imediatamente translada para a unidade de temperatura (oC), de acordo com tabelas contidas na sua memória e indica digitalmente estes valores.

Para calibrar instrumentos com termopar, a técnica básica é fornecer um sinal conhecido para o instrumento receptor para garantir que ele está dando uma indicação precisa e exata. O calibrador fornece este sinal de uma fonte estável e monitora, ao mesmo tempo, o sinal com o sistema de medição do próprio calibrador. A curva temperatura vs tensão armazenada no sistema do microprocessador do calibrador é o ponto de referência para gerar uma saída correta. Assim, o calibrador simula o termopar, gerando uma tensão correspondente à temperatura e indicando temperatura (e não tensão).

Além de calibrar e ajustar o instrumento receptor (registrador, indicador, controlador), deve-se calibrar o sensor em si. O sensor pode ser substituído por um sensor novo calibrado ou pode ser removido e calibrado em um laboratório de temperatura. Ele também pode ser calibrado no local se um sensor padrão de referência puder ser instalado temporariamente próximo do termopar de trabalho. Este caso nem sempre é possível, mas quando possível, ele deve ser preferido. Sua vantagem é que o sensor instalado é aferido em sua condição real de operação. Um calibrador tendo dois canais de entrada torna este método prático.

Tab.3.3. Características dos Termopares Padrão ISA

Tipo

Material

+/-

Sensitividade

mV/K

Temperatura

K

Incerteza

% v.m.

F.e.m.

(mV)

T

Cobre/Constantant

0,05

3 a 675

0,5

-6,258 a 20,869

J

Ferro/Constantant

0,05

63 a 1475

1,0

-8,096 a 42,922

K

Cromel/Alumel

0,04

3 a 1645

1,0

-6,458 a 54,875

E

Cromel/Constantant

0,08

3 a 1275

1,0

-9,835 a 76,358

R

Pt + 10% Rh/Pt

0,01

224 a 2035

0,5

-0,226 a 21,108

S

Pt + 13%Rh/Pt

0,01

224 a 2035

0,5

-0,236 a 18,698

B

Pt + 30%Rh/Pt + 6%Rh

273 a 2000

0,5

0 a 13,814

Notas:

  1. Conforme Norma ISA MC 96.1, Temperature Measurement Thermocouples, 1975.

  2. Cromel® e Alumel® são marcas registradas de Hoskins Co.

  3. A militensão se refere à junção de referência a 0 oC.

2.7. Resistência detectora de temperatura (RTD)

Princípio de funcionamento

A resistência elétrica dos metais depende da temperatura; este é o princípio de operação do sensor de temperatura a resistência elétrica (RTD - Resistance Temperature Detector). Quando se conhece a característica temperatura x resistência e se quer a medição da temperatura, basta medir a resistência elétrica. Essa medição é fácil e prática.

Normalmente, a resistência metálica possui o coeficiente térmico positivo, ou seja, o aumento da temperatura implica no aumento da resistência elétrica. A resistência de material semicondutor (Si e Ge) e as soluções eletrolíticas possuem coeficientes térmicos negativos, onde o aumento da temperatura provoca a diminuição da resistência. A resistência elétrica a semicondutor, com coeficientes negativos, é chamada de termistor e é usada também como sensor de temperatura e nos circuitos de compensação de temperatura ambiente das juntas de referência do termopar.

Os tipos mais comuns de resistência metálica são a platina, níquel e cobre.

Fig. 3.3.13. Curvas de resistência x temperatura .

Materiais da RTD

Teoricamente, qualquer metal pode ser usado como sensor de temperatura, porém, na prática industrial, são usados apenas aqueles que apresentam propriedades convenientes, tais como:

  1. linearidade entre variação da resistência termal e temperatura

  2. estabilidade termal

  3. ductilidade (propriedade de ser transformado em fio fino)

  4. disponibilidade comercial

  5. preço acessível

Os metais mais usados são: platina, níquel e cobre. Também é usado material semicondutor.

Platina

A platina (Pt) é usada para medição de faixas entre 0 e 650 oC. A característica resistência x temperatura é linear nesta faixa e apresenta grande coeficiente de temperatura. O sensor Pt 100 tem resistência de 100  à 0 oC e de aproximadamente 139  à 100 oC.

Embora a mais cara, a platina possui as seguintes vantagens

  1. é disponível em elevado grau de pureza,

  2. é resistente à oxidação, mesmo à alta temperatura,

  3. é capaz de se transformar em fio (dúctil).

Níquel

O níquel (Ni) é o segundo metal mais utilizado para a medição de temperatura. É também encontrado em forma quase pura, entre 0 oC a 100 oC apresenta um grande coeficiente termal. Porém, a sua sensibilidade decresce bruscamente em temperaturas acima de 300 oC. A sua curva resistência x temperatura é não linear.

Cobre

O cobre (Cu) é outra resistência utilizada, porém em menor freqüência que as resistências de Platina e de Níquel.

Quando comparada com o termopar, a resistência detectora de temperatura apresenta as seguintes vantagens

  1. altíssima precisão. Provavelmente a medição de temperatura através da platina é a mais precisa em todo o campo da instrumentação.

  2. não apresenta polaridade (+) e (-).

  3. apropriada para medição de temperatura média enquanto o termopar é adequado para medição de temperaturas em um ponto.

  4. capaz de medir largura de faixa estreita; de até 5 oC

  5. mantém-se estável, precisa e calibrada durante muitos anos.

As desvantagens são

  1. o alto custo,

  2. os bulbos maiores,

  3. o tempo de resposta é mais demorado,

  4. o auto-aquecimento da resistência constitui um problema

  5. a exigência de fiação com 3 ou 4 fios para a compensação da temperatura ambiente.

A resistência detectora de temperatura é aplicado quando se quer uma medição com altíssima precisão e estabilidade e quando a largura de faixa de medição é estreita.

Fig. 3.3.14. Resistências dentro de bulbos, com os cabeçotes de acesso

Termistor

O termistor é considerado um detetor de temperatura a resistência (RTD). As diferenças básicas entre o termistor e uma resistência convencional são as seguintes

  1. o coeficiente de temperatura é negativo,

  2. sua resposta é mais rápida e seu tamanho é menor,

  3. seu custo é muito menor que o da resistência de Pt ou Ni,

A sua desvantagem é a limitação da máxima temperatura medida, cerca de -50 a 300 oC.

A maior aplicação do termistor é em circuitos de compensação de temperatura ambiente na junta de termopar.

Configurações

As configurações de ligações são as seguintes

  1. O RTD é ligado diretamente ao receptor. A ligação pode ser feita através de 2, 3 ou 4 fios. O terceiro e o quarto fio são usados para compensar as variações da resistência dos fios de transmissão do sinal provocadas pela temperatura ambiente variável.

(a) 2 fios (b) 3 fios

Fig. 3.3.15. Ligações da RTD ao receptor

  1. O RTD é elemento sensor do transmissor eletrônico de temperatura. A entrada do transmissor é a resistência e sua saída é o sinal padronizado de corrente, entre 4 a 20 mA cc. A vantagem dessa fiação é que o fio de transmissão é comum e não requer compensação.

  2. O RTD é também o elemento sensor do transmissor pneumático de temperatura. A entrada do transmissor é a resistência e a saída é o sinal pneumático padrão de 20 a 100 kPa. Esta instalação é típica para instrumentação pneumática de painel e medição de temperatura com detetor de temperatura a resistência.

Fig. 3.3.16. Transmissor descartável de temperatura

Fig. 3.3.17. Transmissores com termopar ou resistência detectora de temperatura (Foxboro)

Fig. 3.3.18. Transmissor pneumático de temperatura

2.8. Pirômetros de radiação

Introdução

Os métodos convencionais de medição de temperatura vistos até agora requerem que o sensor seja levado ao contato físico com o corpo cuja temperatura se quer medir. Também, o sensor de temperatura geralmente deve assumir a mesma temperatura que a do corpo sendo medida. Isto significa que o sensor deve ser capaz de suportar esta temperatura, que no caso de corpos muito quentes, é um problema prático, pois o sensor pode derreter na alta temperatura de medição. Para corpos que estão se movendo, é praticamente impossível usar um sensor com contato. Mais ainda, quando se quer determinar as variações de temperatura sobre a superfície de um objeto, um sensor fixo de contato não pode varrer toda a superfície.

Os termômetros ou pirômetros de radiação são medidores de temperatura sem contato, muito usados industrialmente. Eles são disponíveis com vários tipos diferentes de sensores de radiação e podem ter vários nomes diferentes: pirômetro de radiação, termômetro de radiação, pirômetro óptico ou termômetro infravermelho. Como os nomes não são padronizados e nem rigorosos, sempre deve-se analisar o principio de funcionamento do equipamento e não confiar somente no nome.

Definições

Absorvância (A)

Relação da energia radiante absorvida por um corpo para a absorção correspondente de um corpo negro, à mesma temperatura. Absorvância é igual à emitância sobre corpos cuja temperatura não esteja variando

A = 1 – R – T

onde

A é absorvância

R é refletância

T é transmitância

Bolômetro

Detector termal que varia sua resistência elétrica como uma função da energia radiante incidindo nele.

Corpo cinza

Objeto tendo uma emitância menor que 1, mas constante em todos os comprimentos de onda ou sobre a parte do espectro onde ocorrem as medições. Isto significa que as curvas de radiação do corpo cinza são idênticas entre si

Corpo negro

O absorvedor perfeito de toda energia radiante que incide nele. O corpo negro é também um emissor perfeito. Assim, tanto a absorvância (A) como emissividade (E) são iguais a 1. O corpo negro radia energia em distribuições e intensidades espectrais previsíveis que são função da temperatura absoluta do corpo negro.

Detector

Um dispositivo que mede a quantidade de energia radiada por um objeto. Pode ser um detector termal ou um fotodetector. O detector termal responde à radiação variando seu volume, capacitância ou gerando militensão. Eles podem ser termopares, termopilhas, detectores pneumáticos ou bolômetro. Fotodetectores são semicondutores que produzem um sinal proporcional ao fluxo de fótons incidentes.

Emissividade ou emitância (E)

A emissividade de um objeto é a relação da energia radiante emitida por este objeto dividida pela energia radiante que um corpo negro emitiria à esta mesma temperatura. Se a emitância é a mesma em todos os comprimentos de onda, o objeto é chamado de corpo cinza. Alguns materiais industriais variam sua emitância com a temperatura e às vezes, também com outras variáveis. A emissividade é sempre igual à absorção e é também igual a 1 menos a soma da refletância e transmitância.

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