MEDIDAS DE TEMPERATURA (Aspectos Gerais) Helder Anibal Hermini

CONCEITOS BÁSICOS Temperatura Calor Grandeza física relacionada com o grau de vibração dos átomos e/ou moléculas que constituem o corpo. Temperatura Energia térmica em trânsito de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura. Calor

AS PRIMEIRAS MEDIÇÕES DE TEMPERATURA As primeiras medições de temperatura registradas que se tem conhecimento, foram realizadas por GALILEU, a partir de um termoscópio, termômetro cujo princípio físico era a expansão do ar; na ocasião, sua “escala” estava dividida em “graus de calor”, segundo seus registros.

PRINCÍPIO DE CONSTRUÇÃO DE UM TERMÔMETRO

PRINCÍPIO DE CONSTRUÇÃO DE UM TERMÔMETRO 1o PASSO: Escolher uma propriedade termométrica (sistema sensor) compatível ao sistema a ser medido. 2o PASSO: Definir uma “Escala de Temperatura”

ERRO ESTÁTICO/ERRO DINÂMICO/CONSTANTE DE TEMPO O erro estático é a diferença entre a leitura do sistema em uso em comparação com um padrão (ou seja, valor verdadeiro). Esse erro depende do tipo de sensor, cabos, sistema de leitura (analógico, digital, osciloscópio, registrador).

ERRO ESTÁTICO/ERRO DINÂMICO/CONSTANTE DE TEMPO Quando a temperatura está variando rapidamente num processo industrial, por exemplo, o sistema de medição poderá não conseguir acompanhar esta variação (principalmente pela inércia térmica do sensor). T E M P R A U Tempo Temperatura correta lida pelo sistema

ERRO ESTÁTICO/ERRO DINÂMICO/CONSTANTE DE TEMPO Mesmo quando se realiza uma medida estática de temperatura deve-se ter cuidado com a resposta do sensor, uma vez que ele leva um certo tempo para chegar a esse valor máximo. O tempo necessário para o sensor chegar a aproximadamente 63 % do valor máximo é chamado de constante de tempo, e a partir desse valor (geralmente fornecido pelo fabricante), é possível saber quanto se deve esperar para chegar ao valor máximo. T e m p r a t u Tmax. 63% de Tmax.  (constante de tempo)  T e m p o

TIPOS DE TERMÔMETROS

TERMÔMETRO BIMETÁLICO Este tipo de termômetro está baseado na dilatação de metais; como diferentes metais possuem diferentes coeficientes de dilatação, se esses metais estiverem dispostos em lâminas conjuntas, a dilatação diferenciada irá curvar esse conjunto de lâminas. A B Fig. 1 - Dilatação de dois metais com diferentes coeficientes de dilatação (A e B); o resultado é uma flexão lateral do conjunto de lâminas, que tem um ponteiro acoplado. A leitura é feita diretamente numa escala acoplada.

TERMÔMETRO BIMETÁLICO O raio de curvatura é dado por: A B onde: t = espessura total da placa A e B = coeficientes de dilatação T2 -T1 = variação de temperatura A combinação desta equação com relações apropriadas da resistência dos materiais permite o cálculo de deflexões de vários tipos de elementos em uso prático.

TERMÔMETRO BIMETÁLICO Aplicação Medidas de temperatura. Elemento sensor de controle de temperatura, principalmente do tipo liga-desliga. Sistema de chaveamento para desligar o sistema em casos de sobrecarga em aparelhos elétricos Ao fluir a corrente elétrica pelo bimetal há seu aquecimento e expansão, provocando a abertura da chave quando há uma corrente excessiva).

TERMÔMETRO BIMETÁLICO Aplicação Intervalo de temperatura de trabalho O intervalo de temperatura de trabalho é de -100oC a 1000oF. Grau de precisão de medida Imprecisões da ordem de 0,5 a 1% do intervalo de escala devem ser esperados em termômetros bimetálicos de alta qualidade.

TERMÔMETROS DE LÍQUIDO EM VIDRO Aspectos Gerais É adaptável a uma grande variedade de aplicações, variando-se o material de construção e/ou sua configuração, ou seja:

TERMÔMETROS DE LÍQUIDO EM VIDRO Aspectos Gerais Os termômetros são de dois tipos: Imersão Total - São calibrados para leitura correta quando a coluna de líquido está imersa completamente no fluído medido. Imersão Parcial - São calibrados para leitura correta quando imersos numa quantidade definida com a porção exposta numa temperatura definida.

TERMÔMETROS DE PRESSÃO ASPECTOS GERAIS Estes termômetros utilizam o princípio de expansão dos líquidos em espaço confinado para produzir pressão a ser utilizada para operar um tubo de Bourdon, fole ou diafragma mostrando a temperatura de atuação.

TERMÔMETROS DE PRESSÃO Classificação Termômetros de pressão podem ser classificados em 4 grupos: Classe 1 - Sistemas cheios com líquidos (excluindo mercúrio) Classe 2 - Sistemas com vapor Classe 3 - Sistemas cheios de gás Classe 4 - Sistemas cheios com mercúrio

TERMÔMETROS DE PRESSÃO Classificação Em todos os sistemas são possíveis fontes de erros: Submersão incorreta Mudanças na pressão barométrica Mudanças na temperatura ambiental

TERMÔMETRO A GÁS A VOLUME CONSTANTE O termômetro a gás volume constante, obtém-se a temperatura em função da pressão Pg no ponto do gelo e da pressão Pv no ponto de vapor, resultando uma equação LINEAR semelhante á equação dos termômetros líquidos, só que em termos da pressão versus temperatura.

TERMOELETRICIDADE

Figura 2 - Experimento de Seebeck TERMOELETRICIDADE TERMOPARES Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que, unindo as extremidades de dois metais diferentes “x” e “y” e submetendo as junções “a” e “b” a temperaturas diferentes T1 e T2, surge uma f.e.m. (força eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os pontos a e b, denominada “tensão termoelétrica”. Figura 2 - Experimento de Seebeck

TERMOELETRICIDADE TERMOPARES x y i T2=T. ambiente T1 “a” “b” Figura 2 - Dois metais diferentes, “x” e “y” com as extremidades unidas e mantidas a temperaturas diferentes Figura 3 - Abrindo o circuito em qualquer ponto e inserindo um instrumento adequado, tem-se o valor da f.e.m.

TERMOELETRICIDADE TERMOPARES Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao se conectar dois metais diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado na Figura 1, tem-se um circuito tal que, se as junções “a” e “b” forem mantidas em temperaturas diferentes T1 e T2, surgirá uma f.e.m. termoelétrica e uma corrente elétrica “i” circulará pelo chamado "par termoelétrico” ou "termopar". Qualquer ponto deste circuito poderá ser aberto e nele inserido o instrumento para medir a f.e.m. (Figura 3). Em 1826, o físico francês Antonie Becquerel sugeriu pela primeira vez a utilização do efeito Seebeck para medição de temperatura.

TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS 1a Lei Termoelétrica “A força eletromotriz "" de um termopar depende somente da natureza dos condutores e da diferença de temperatura entre as junções de contato”.

Algumas conseqüências importantes da 1a Lei TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Algumas conseqüências importantes da 1a Lei   Se as junções estiverem a mesma temperatura, a f.e.m. gerada pelo termopar é nula. b) A f.e.m. gerada pelo termopar independe do ponto escolhido para medir o sinal. Por isso, ao confeccionar o termopar, numa das junções não é realizada a solda, introduzindo-se alí o instrumento.

TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Algumas conseqüências importantes da 1a Lei c) A f.e.m. do termopar não será afetada se em qualquer ponto do circuito for inserido um terceiro metal, desde que suas junções sejam mantidas a mesma temperatura. Esta propriedade é chamada, por alguns autores, de "Lei dos Metais Intermediários”. 

TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS (Lei das Temperaturas Intermediárias) TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS 2a Lei Termoelétrica (Lei das Temperaturas Intermediárias) “Se dois metais homogêneos diferentes produzem uma f.e.m. E1 quando as junções estão às temperaturas T1 e T2, e uma f.e.m. E2, quando as junções estão a T2 e T3, a f.e.m. gerada quando as junções estão a T1 e T3 será E1 + E2”.

TERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M. TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M.   A Figura mostra um termopar usado para medir a temperatura T1; o instrumento indicara uma voltagem proporcional a diferença (T1 - T2 ) .T2 pode ser medida com um termômetro convencional.   x y a b T 1 2 Cu RT e Rv Figura 4 - Circuito equivalente, Rv é a resistência interna do voltímetro. RT é a resistência dos fios do termopar acrescido dos fios que levam o sinal ao instrumento.

TERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M. TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M.   x y a b T 1 2 Cu Rr e Rv   Analisando o circuito elétrico, pode-se notar que o voltímetro somente irá informar a f.e.m. () se Rv >> RT. Desta forma, a escolha do instrumento adequado, requer um grande cuidado!

TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – POTENCIA TERMOELÉTRICA Ao se medir a f.e.m. termoelétrica de um par termoelétrico em função da temperatura, obtém-se, em geral, uma relação do tipo mostrado no gráfico da figura 5. A curva mostrada no gráfico é denominada de curva de calibração do par termoelétrico. A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura, normalmente, não é linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada como se o fosse (veja a reta 1 da Figura 5). Figura 5 - Curva de calibração de um par termoelétrico

TERMOPARES – POTENCIA TERMOELÉTRICA TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – POTENCIA TERMOELÉTRICA A partir do gráfico pode-se definir uma grandeza denominada de potência termoelétrica do termopar, dada por:   P = d/dT ou para um intervalo de temperatura P = /T A potência termoelétrica representa a sensibilidade de resposta (e) do par termoelétrico com a variação de temperatura (T).

TERMOMETROS COMERCIAIS

TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – FIOS DE COMPENSAÇÃO y T 1 2 Fios de compensação 3 x Figura 6 - Termopar com fios de compensação Na maioria dos casos, sobretudo em aplicações industriais, o instrumento de medida e o termopar necessitam estar relativamente afastados. Desta forma, os terminais do termopar poderão ser conectados a uma espécie de cabeçote, e, a partir deste cabeçote são adaptados fios de compensação (praticamente com as mesmas características dos fios do termopar, porém mais baratos) até o instrumento, conforme mostra a Figuras 6.

TERMOPARES – FIOS DE COMPENSAÇÃO TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – FIOS DE COMPENSAÇÃO Termopar y T 1 2 Fios de compensação 3 x Na montagem apresentada na Figura 6, o sinal lido no instrumento é proporcional a (T1 - T3), já que os fios de compensação possuem as mesmas características do termopar (é como se existisse um único termopar). Note que, se os fios fossem de cobre (fios comuns) o sinal lido pelo instrumento seria proporcional a (T1 - T2).

TERMOELETRICIDADE ALGUNS TIPOS DE TERMOPARES   Figura 7 - Diversos termopares com finalidades aplicativas diferentes. Figura 8 - Terminais para termopares - conexão com cabos de compensação. Figura 9 - Termopares com proteção diversa (bainha de inox, tubo de inox). Figura 10 - Termopar especial com base magnética para fixação em dispositivos metálicos.

TERMOELETRICIDADE ALGUNS TIPOS DE TERMOPARES     Figura 11 - Termopar com indicador digital de temperatura. Figura 12 - Termopar com dispositivo especial para fixação com parafuso. Figura 13 - Termopar com sistema “auto-adesivo”, evitando necessidade de solda ou operação mecânica (furos,..).

TERMOELETRICIDADE O EFEITO PELTIER Em 1834, Jean Peltier, mostrou, através de experimentos, que quando se passa uma pequena corrente elétrica através da junção de dois fios diferentes, em uma direção, a junção se resfria, e assim absorve calor de sua vizinhança. Quando a direção de corrente é invertida, a junção se aquece. E assim libera calor para a vizinhança.

TERMOELETRICIDADE O EFEITO PELTIER Quando se introduz um gerador em um circuito formado por um par termoelétrico com ambas extremidades unidas e à mesma temperatura inicial, ao circular uma corrente elétrica "I" pelo circuito, observa-se que em uma das junções ocorre um resfriamento T, enquanto na outra junção ocorre um aquecimento de mesmo valor. Ao se inverter o sentido da corrente elétrica inverte-se também o efeito de aquecimento e resfriamento nas junções.

UMA APLICAÇÃO DO EFEITO PELTIER – COOLER DE MICROPROCESSADORES TERMOELETRICIDADE UMA APLICAÇÃO DO EFEITO PELTIER – COOLER DE MICROPROCESSADORES O efeito Peltier pode ser descrito como uma espécie de "bomba de calor", que "sulga" calor de um dos lados, e o dissipa do lado oposto. Isto significa que temos um lado frio e um lado quente. O lado frio, é o que sulga o calor, que naturalmente é o que ficará e contato com o processador, enquanto o lado quente em geral é fixado a um cooler convencional, que ajuda a dissipar o calor gerado, evitando que o peltier se superaqueça. Como o peltier deve cobrir toda a área de contato do processador, existem peltiers de vários tamanhos.

UMA APLICAÇÃO DO EFEITO PELTIER – COOLER DE MICROPROCESSADORES TERMOELETRICIDADE UMA APLICAÇÃO DO EFEITO PELTIER – COOLER DE MICROPROCESSADORES Os peltiers são bem mais eficientes que os coolers convencionais, mas naturalmente possuem suas desvantagens. Consomem uma quantidade absurda de eletricidade. Os modelos mais "econômicos" consomem por volta de 70 watts; Peltiers geram uma grande quantidade de calor durante seu funcionamento, que somado com o calor "sugado" é dissipado pela face quente. Apesar do processador ficar mais frio, a quantidade de calor irradiada para o restante do micro será maior. Condensa umidade devido ao processador demorar um certo tempo para esquentar e o Peltier começar a trabalhar imediatamente. Portanto, a sua face fria fica realmente gelada até que o processador esquente, causando um grande acumulo de umidade ou até mesmo “água em estado liquido”.

TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA TERMOELETRICIDADE TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA Os “termômetros de resistência” funcionam baseados no fato de que a resistência de uma grande gama de materiais varia com a temperatura; de um modo geral, os metais aumentam a resistência com a temperatura, ao passo que os semicondutores diminuem a resistência com a temperatura. Fig. 2 - Variação da resistência com a temperatura para vários materiais; observe-se que para uma mesma variação de temperatura, a variação de resistência do metal (Rm) é significativamente menor do que a no NTC (Rs).

TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão e ótima repetibilidade de leitura; Quando metais são usados, o elemento sensor é normalmente confeccionado de Platina com o mais alto grau de pureza e encapsulados em bulbos de cerâmica ou vidro.

TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA Atualmente, as termoresistências de Platina mais usuais são: Pt-25,5 PT-100 PT-120, PT-130/PT-500, sendo que o mais conhecido e usado industrialmente é o PT-100 (a 0C). Sua faixa de uso vai de -200 a 650 C, conforme a norma ASTM E1137; entretanto, a norma DIN IEC 751 padronizou sua faixa de -200 a 850 C.

TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA ASPECTOS CONSTRUTIVOS Normalmente, o bulbo de resistência é montado em uma bainha de aço inox, totalmente preenchida com óxido de magnésio, de tal maneira que haja uma ótima condução térmica e proteção do bulbo com relação a choques mecânicos. A isolação elétrica entre o bulbo e a bainha obedece a mesma norma ASTM E 1137.

TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA Para pequenas variações de temperatura a serem medidas é válida a equação RT = Ro[1 + (T-To)] onde Ro é a resistência a 0 C, RT é a resistência na temperatura T e  é o coeficiente de temperatura do metal.

TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA A leitura da resistência é feita diretamente num ohmímetro, de preferência digital. Os principais metais usados nestes termoresistores são a Platina (Pt) e o níquel (Ni); uma das famílias mais famosas é a do Pt100; este número indica que o resistor tem 10  a 0 C. Também os semicondutores podem ser usados como sensores de temperatura: são os sensores do tipo PTC e NTC.