AULA _Termometria Disciplina INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO ACA 221 Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag /

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1 AULA _Termometria Disciplina INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO ACA 221 Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP Responsável: Prof. Humberto Ribeiro da Rocha Material apresentado exclusivamente aos alunos da disciplina, com conteúdo referenciado da literatura e disponível na www – NÃO CIRCULAR Temperatura

2 O TERMÔMETRO Grego : therme = calor Latim :metrum = medida instrumento que mede a temperatura de um sistema.

3 São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP T ar (°C) Média diária (ex S.L. Paraitinga, SP) 3

4 São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP T ar (°C) Média diária (ex S.L. Paraitinga, SP) 30/01 a 03/02/2008 Média horária T ar (°C) Temperatura máxima e mínima diária 4

5 São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
Exemplo de Temperatura do ar (em oC) em diferentes escalas São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP Média diária (ex S.L. Paraitinga, SP) 30/01 a 03/02/2008 Média horária 19/12/2009 Medidas a cada 1 s (sensor rápido) 5

6 Primeiros registros históricos de medir temperatura
~150 DC Galeno (médico grego): oito níveis de “temperamento” ou estado de saúde dos pacientes 4 o de calor (acima do neutro): água fervendo Neutro (resultante da mistura água fervente + gelo) 4 o de calor (abaixo do neutro) : água na fase gelo ~ Harme de Berna (médico) : base nas latitudes 4 o de calor: latitude equatorial 4 o de frio : latitude dos polos

7 1592 Galileo Galilei (Itália) inventa o termômetro rudimentar de água
Século 16 1592 Galileo Galilei (Itália) inventa o termômetro rudimentar de água Termoscópio de Galileo esfera conectada a tubo de vidro oco com escala submergidos sobre um reservatório aberto (alcool colorido) (aberto, sensível à pressão atmosférica) a esfera é aquecida, o ar borbulha no álcool e escapa; ao resfriar a esfera, a água sobe pelo tubo

8 Século 17 1612 Santorio Santorio (Italia) Primeiro termômetro: termoscópio com uma escala de medida. pioneiro em métodos quantitativos à medicina Torricelli (1641) : primeiro termômetro lacrado (não se altera com pressão atmosférica) com álcool Ferdinando II (Itália) : monta 1a rede de termômetros nas cidades da Itália (1654)

9 Escalas de temperatura e Conversão
Seculo 18 Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) inventor do termômetro científico 1714 termômetro de mercúrio 1724 escala de temperatura Fahrenheit Anders Celsius ( ) 1742 proposta de escala de temperatura centígrada 1948 escala Celsius oficialmente adotada Escalas de temperatura e Conversão

10 Classes de Termômetros
1. de expansão térmica de bulbo (líquido) bimetálico 2. elétricos resistência termistor termopar 3. de radiação infravermelho Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

11 Termômetro de bulbo Tubo de vidro
de líquido em vidro (ex. mercúrio, álcool) estações meteorológicas convencionais medicina princípio de calibração : a temperatura verdadeira resulta da expansão relativa entre a coluna de mercúrio e a coluna do tubo de vidro imersão parcial : aferido com bulbo e parte da coluna no fluido Imersão total : aferidos com bulbo e toda coluna imersos no fluido (a maioria dos termômetros são de imersão total) - Erros frequentes (notas de aula) Tubo de vidro Tubo capilar Escala bulbo

12 escalas Celsius e Fahrenheit
temperatura de ebulição da água (212 oF) 212 – 32 = 180 unidades ! 1. mistura em equilibrio de gelo + água líquida + sal (cloreto de amônia) (0 oF) 2. água líquida com gelo iminente (32 oF) 3. temperatura do corpo humano (boca, axila) (96 oF) Conversão de Fahrenheit para Celsius C = (F − 32) × 5⁄9 variação de 1 oC = variação 1 K ≈ variação 2 oF Dica: 16º C ≈ 61º F

13 Termômetro de expansão térmica bimetálico
2 lâminas de metal justapostas, numa só peça de forma helicoidal (uma extremidade fixa, e outra livre ligada a um ponteiro que gira sobre escala circular graduada) - Ex : termômetro bimetalico com haste horizontal (ponteiro e caixa de aço) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

14 Termômetro bimetálico
com monitor digital ex: Termohigrógrafo

15 Termômetros elétricos 1. de resistência
(RTD = resistance temperature detector) 2. semi-condutor (termistor) 3. termopar Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

16 Termômetros elétricos de resistência
ou RTD = resistance temperature detector Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

17 Termômetros elétricos de resistência
ou RTD = resistance temperature detector Resistencia (ordem 100 Ω) aumenta com T RT = Ro (1 + aT + bT2) (aproximada/e linear) Fio material condutor diâmetro 0,1 a 0,05 mm encapsulado com resina Materiais : tungstênio, niquel, cobre, platina (mais comum) fios de cobre nas ligações podem alterar sua medida Fig: fonte (Brock 2001) Eixo resistencia Eixo ddp (V) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

18 cabos Bainha protetora O sensor : fio de platina em espiral Corpo de ceramica

19 Termômetros elétricos
Termistor = thermal resistor material semi-condutor Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

20 Termistor Resistencia varia com T exponencialmente
NTC = negativo coeficiente (R reduz com T) PTC = positivo coeficiente (R aumenta com T) RT = exp (a0 + a1/T + a3/T3), T(oC) variação exponencial Material semicondutor (sólidos de condutividade elétrica intermediária entre condutor e isolante, uma subclasse das cerâmicas) Termistor = óxidos de manganês, níquel e cobalto misturados ) Resistência alta (~100 k Ω) menos sensível às ligações de cobre. Fonte : Brock (2001) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

21 Termistores NTC : cerâmica com encapsulamentos
           Os tipos miniaturas, de menor capacidade termica e maior prontidão são usados na medidas de temperatura ambiente (onde há maior sensibilidade com a resistencia) PTC Resistencia aumenta com temperatura após certa temperatura de transição Pela resistência alta, tem variação grande e previsível quando um equipamento aquece ou resfria, por isso são controladores de modo térmico. operam abaixo de -100 ° e acima +600 ° F. PTC para surto de corrente : c/ curto-circuito ou corrente elevada, transita para estado de alta resistencia, limitando a corrente no circuito e mantendo-a em nivel normal. -PTC de proteção de motores ou termostato

22 Termômetros elétricos
Termopar Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

23 contínuo fluxo termoeletrico
metal A sob gradiente de temperatura (T1 > T2) gera ddp e corrente efeito termoelétrico (difusão dos e- livres superficiais) i T1 T2 Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP para medir a ddp (V) requer outro metal B V=? Thomas Seebeck (1822) Se T1 ≠ T2 : surge uma ddp diferencial entre A e B contínuo fluxo termoeletrico ddp : função da temperatura (efeito Seebeck) ~ 1 a 70 microV / oC e é proporcional à diferença poder termoelétrico de A relação B V

24 chamada de referência (precisa ser medida independentemente)
Junta ou junção fria chamada de referência (precisa ser medida independentemente) Junta quente incógnita Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

25 Fonte: Brock (2001) Eixo de saída em mV ~linear Eixo de erro, em oC
Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

26 Termopar : poder termoelétrico varia não-linearmente com material
temperatura das junções Tipo de Termopar Faixa de Temperatura Limites de Erro Padrão Especial T 0 a 370ºC ±1ºC ou ±0,75% ±0,5ºC ou 0,4% J 0 a 760ºC ±2,2ºC ou ±0,75% ±1,1ºC ou ±0,4% E 0 a 870ºC ±1,7ºC ou ±0,5% ±1ºC ou ±0,4% K 0 a 1260ºC S e R 0 a 1480ºC ±1,5ºC ou ±0,25% ±0,6ºC ou ±0,1% B 870 a 1700ºC ±0,5% ± 0,25% -200 a 0ºC ±1ºC ou ±1,5% - ±1,7ºC ou ±1% ±2,2ºC ou ±2% Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

27 Termômetro de radiação (infravermelho)
chamados Pirômetros (piro = fogo) objetos em movimento, altas temperaturas requer focalização no objeto (definir bem e não misturar alvos) Sensor passivo (recebe o fluxo da energia radiante, ou radiação, na banda do infravermelho termal) Lei de Stefan-Boltzmann: irradiância = σ ε T4 mede o fluxo de energia no infravermelho (irradiância) em W/m2; σ = 5, W m-2 K-4 Prescrever ε; estima-se T Acurácia (entre 0 a 50º C): ±1,5º C Mira: laterais Imagem: lente superior IV: lente inferior maior Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP

28 Corpo cinza (na prática todos são) Tabela de emissividade (prescrição)
Corpo negro supõe ε = 1; Corpo cinza (na prática todos são) Tabela de emissividade (prescrição) Razão Distância:Alvo (distance:spot) = D:S [D:S] = 24:1 = 48/2 = 72/3 maior a distância do alvo, maior a área integrada ótima

29 R = 0 (Lei de Kirchhof: energia absorvida
Teoria - Qualquer matéria com temperatura acima de zero absoluto emite infravermelho - Emissividade: depende do tipo de material e características da superfície do objeto (0 <= E <= 1) Para um corpo negro: T = 0 R = 0 (Lei de Kirchhof: energia absorvida que eleva a temperatura do corpo é retransmitida, portanto R = 0) A = E Fonte de calor Alvo Irradiâncias I incidente R refletida T transmitida E emitida A absorvida Para um corpo cinza (E < 1): A E = 1 -R CORPO NEGRO CORPO CINZA CORPO NÃO CINZA (E varia com o comprimento de onda

30 Emissividades Referências: -Flir TG165 – Guia do Usuário
-Principles of Non-Contact Temperature Measurement - Raytek