Temperatura

O objetivo de se medirem e controlarem as diversas variáveis físicas em processos industriais é obter produtos de alta qualidade, com melhores condições de rendimento e segurança, a custos compatíveis com as necessidades do mercado consumidor. Nos diversos segmentos de mercado, seja químico, petroquímico, siderúrgico, cerâmico, farmacêutico, vidreiro, alimentício, papel e celulose, hidrelétrico, nuclear entre outros, a monitoração da variável temperatura é fundamental para a obtenção do produto final específico.

A literatura geralmente reconhece três meios distintos de transmissão de calor: condução, radiação e convecção.

As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram a Fahrenheit e a Celsius. A escala Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180 partes iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit. A escala Celsius é definida atualmente como o valor zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius.

A escala Celsius, que divide a medição de temperatura em 100 partes iguais, denominadas graus Celsius é de uso universal, e a Fahrenheit, que é dividida em 180 partes iguais denominados graus Fahrenheit, é usada em muitos paises de língua inglesa. Tanto Celsius como Fahrenheit, são escalas relativas.

O físico irlandês William Thomson (lorde Kelvin) chegou à conclusão de que, se a temperatura mede a agitação das moléculas, então a menor temperatura possível aconteceria quando as moléculas estivessem em repouso absoluto. A esse estado de repouso térmico chamamos zero absoluto. Baseado no conceito de temperatura, ele criou a Escala Absoluta, conhecida como Escala Kelvin.

Escalas Relativas e Absolutas

Medidores de temperatura por dilatação/expansão

Termômetro à dilatação de líquidoOs termômetros à dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura, dentro de um recipiente fechado.Os tipos podem ser de vidro transparente ou de recipiente metálico.

Termômetros à dilatação de líquido em recipiente de vidroÉ constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção, mais uniforme possível, fechado na parte superior. O reservatório e parte do capilar são preenchidos por um líquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termômetro no caso de a temperatura ultrapassar seu limite máximo.

Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona.

TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE METÁLICONeste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e, sob o efeito de um aumento de temperatura, se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico).

Bulbo

Capilar

Elemento de Medição

O elemento usado é o tubo de Bourdon.Recomenda-se não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se formem restrições que prejudicariam o movimento do líquido em seu interior, causando problemas de medição.

Termômetros à pressão de gás Princípio de funcionamentoFisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos.O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão, conforme aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão. Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante.

Medição de temperatura com termoparUm termopar consiste em dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo, ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de FEM (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma FEM. Este princípio, conhecido por efeito Seebeck, propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura

Experiência de Seebeck: Num circuito fechado, formado por dois fios de metais diferentes, se colocamos os dois pontos de junção a temperaturas diferentes, se cria uma corrente elétrica cuja intensidade é determinada pela natureza dos dois metais utilizados e da diferença de temperatura entre as duas junções.

Experiência de Peltier: Passando uma corrente elétrica, por um par termoelétrico, uma das junções se aquece enquanto a outra se resfria.

Efeito Volta: Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencial, que depende da temperatura e não pode ser medida diretamente.

Efeito Thomson: Quando colocamos as extremidades de um condutor homogêneo à temperaturas diferentes, uma força eletromotriz aparecerá entre estas duas extremidades, sendo esta, chamada de F.E.M. Thomson, que depende do material e da diferença da temperatura, não pode ser medida diretamente.

A FEM termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com suas junções às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios. Em outras palavras, a FEM medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções

•Correlação da FEM em função da temperatura

Visto que a FEM gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura podemos observar uma variação da FEM gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir um gráfico, de correlação entre a temperatura e a FEM . Por uma questão prática, padronizou- se o levantamento destas curvas com a junta de referência à temperatura de 0ºC.

NBR 12771- Tabela de referência de Termopares

Objetivo: Esta norma estabelece as tabelas de referência usadas na conversão de força eletromotriz térmica gerada pelo termopar em função da temperatura .

Tipos de Termopares:

Termopar tipo R (0 a 1600°C): Composto de platina pura(-) e uma liga de platina(+) contendo um teor de ródio o mais próximo possível de 13% em peso.

Termopar tipo S (0 a 1600°C): : Compostos de platina pura(-) e uma liga de platina(+) contendo um teor de ródio o mais próximo possível de 10% em peso

Termopar tipo B (600 a 1700°C): : Feito de ligas cujas composições nominais em peso são platina - 30% ródio(+) e platina - 6% ródio(-).

Termopar tipo J (-40 a 750°C): : Compostos de ferro comercialmente puro(+) e uma liga de níquel(-) contendo 45% a 60% de cobre em peso, conhecida com constantan.

Termopar tipo T (-200 a 350°C): : Compostos de cobre comercialmente puro(+) e uma liga de níquel(-) contendo 45% a 60% de cobre em peso.

Termopar tipo E (-200 a 900°C): : Compostos de ligas comerciais do tipo níquel-cromo(+) e níquel-cobre(-).

Termopar tipo K (-200 a 1200°C): : Compostos de ligas comerciais do tipo níquel-cromo(+) e níquel-manganês-silício-alumínio(-).

Termopar tipo N (-200 a 1200°C): : Compostos de ligas níquel-cromo-silício(+) e níquel-silício(-).

NBR 12771- Tabela de referência de Termopares

Classes de tolerância para os termopares (junção de referência a 0°C

Correção da junta de referênciaOs gráficos existentes da FEM gerada em função da temperatura para os termopares têm fixado a junta de referência a 0°C (ponto de solidificação da água). Porém, nas aplicações práticas dos termopares a junta de referência é considerada nos terminais do instrumento receptor, encontrando-se temperatura ambiente, que é normalmente diferente de 0°C e variável com o tempo. Isso torna necessário que se faça uma correção da junta de referência, podendo ela ser automática ou manual.

É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as temperaturas das junções. Então para medirmos a temperatura do ponto desejado, precisamos manter a temperatura da junção de referência invariável.

FEM = JM – JRFEM = 2,25 – 1,22FEM = 1,03mV 25°CEsta temperatura obtida pelo cálculo está errada, pois o valor corretoque o meu termômetro tem que medir é de 50°C.FEM = JM – JRFEM = 2,25 – 1,22FEM = 1,03mV + mV correspondente à temperatura ambiente para fazera compensação automática, portanto:FEM= mV JM – mV JR + mV CA (Compensação Automática)FEM = 2,25 – 1,22 + 1,22FEM = 2,25mV 50°C

A interligação dos termopares com os instrumentos de recepção (indicador,controlador, etc...) deve obedecer critérios específicos já que na sua junção não pode ocorrer o “aparecimento” de novos termopares. Para isto ou se usa cabos/fios do mesmo material ou por questões de custo se utiliza cabos que substituem os de mesmo material sem que haja interferência na medição

•Cabos de extensãoSão aqueles fabricados com o mesmo material do termopar devido ao seu baixocusto. Desse modo para os termopares tipo T, J, K e E são utilizados cabos domesmo material para sua interligação com o instrumento receptor.•Cabos de compensaçãoPara os cabos dos termopares nobres (R, S e B) não seria viável economicamente autilização de cabos de extensão. Assim, para tornar possível a utilização dessessensores, desenvolveu-se cabos de natureza diferente porém com a característicade produzirem a mesma curva de força eletromotriz desses termopares ou ainda,mesmo que não idênticas mas que se anulem.

•Codificação para fios e cabos de extensão e de compensação.Para facilitar a identificação do tipo e da polaridade dos condutores como cabos deextensão ou compensação na interligação de termopares é utilizado, por diversasnormas, o código de cores. A tabela a seguir mostra as normas mais seguidas quesão a DIN (Alemã) e ANSI (Americana).

•Ligação dos fios e cabos de extensão e de compensaçãoPara visualizar melhor a importância dos fios e cabos de extensão e compensação,daremos dois exemplos, sendo que no primeiro será utilizado cabo de extensão e nosegundo será utilizado cabo de cobre comum.Exemplo 1 - Ligação de um termopar com cabo de extensão

Medição de temperatura por termoresistência

As termoresistências ou bulbos de resistência ou termômetros de resistência ou RTD, são sensores que se baseiam no princípio da variação da resistência ôhmica em função da temperatura. Elas aumentam a resistência com o aumento da temperatura. Seu elemento sensor consiste de uma resistência em forma de fio de platina de alta pureza, de níquel ou de cobre (menos usado) encapsulado num bulbo de cerâmica ou vidro.

Princípio de funcionamentoOs bulbos de resistência são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência em função da temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, o cobre ou o níquel, metais com características de:

Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor Alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura Rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos

Vantagens•Possui maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores•Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação•Dispensa utilização de fiação especial para ligação•Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente•Tem boas características de reprodutibilidade•Em alguns casos, substitui o termopar com grande vantagemDesvantagens•É mais caro do que os sensores utilizados nessa mesma faixa•Deteriora-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização•Temperatura máxima de utilização de 630°C•É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para fazer a indicação corretamente

Termoresistência de Platina Pt100

A mais utilizada é a platina pois apresenta uma ampla escala de temperatura, uma alta resistividade permitindo assim uma maior sensibilidade, um alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura, uma boa linearidade resistência por temperatura e também ter rigidez e ductibilidade para ser transformada em fios finos, além de ser obtida em forma puríssima. Faixa de trabalho de -200 a 600ºC. Aplicações típicas:

-Processos industriais

-Plantas

-Aquecedores d’água (Boilers)

-Sistemas de aquecimento

-Sistemas de ar condicionado

-Sistemas de ventilação

-Fogões

Medidores de contato indiretoOs medidores de contato indireto podem ser classificados em três grupos:- Pirômetro Ótico- Pirômetro Fotoelétrico- Pirômetro de Radiação Pirômetro Ótico:Trabalham por comparação de cor, o operador do medidor faz uma comparação entre a

cor de um filamento aquecido ao rubro com a cor do objeto em medição. A cor do filamento é definida pela corrente elétrica que circula pelo mesmo, a qual é medida por um miliamperímetro com uma escala relativa a temperatura do objeto.Este medidor apresenta pouca precisão por estar dependente da comparação feita pelo olho humano. A faixa de medição normalmente começa em 600°C.

Pirômetro Radiamático:Este medidor utiliza a radiação térmica emitida pelo corpo que se deseja medir atemperatura. Por utilizar sensores eletro-eletrônicos este medidor possui uma altasensibilidade, com isto a faixa de medição normalmente começa em –50 °C.