Medição de temperatura

SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL

CENTRO TECNOLÓGICODE ELETROELETRÔNICA“CÉSAR RODRIGUES”

CENATEC

MEDIÇÃO DETEMPERATURA

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Medição de Pressão SENAI-CETEL

______________________________________________________________________________ 1

SUMÁRIO

1.INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 4

1.1.CONCEITO DE TEMPERATURA .............................................................................. 4

1.2.HISTÓRICO .............................................................................................................. 6

2.ESCALAS DE TEMPERATURA ..................................................................................... 7

2.1.CONVERSÃO DE ESCALAS .................................................................................... 8

2.2.PONTOS FIXOS DE TEMPERATURA .................................................................... 11

2.3.ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA .............................................................. 13

2.4.ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA .................................................... 13

3.MEDIDORES DE TEMPERATURA - TIPOS E CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS .... 14

3.1.TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO OU BIMETÁLICO ............................. 19

3.1.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 19

3.2.O BIMETAL E O TERMÔMETRO BIMETÁLICO .................................................... 21

3.2.1.O TERMÔMETRO BIMETÁLICO ................................................................ 21

3.2.2.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO: FAIXA DE TRABALHO E PRECISÃO .... 22

3.3.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA ............................................... 23


3.3.2.TIPOS DE CONSTRUÇÃO. ........................................................................ 23

3.3.3.TIPO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE .................................................. 24

3.3.4.TIPO DE RECIPIENTE METÁLICO ............................................................ 24

3.4.TERMÔMETRO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE ............................................. 24

3.4.1.DESCRIÇÃO ............................................................................................... 24

3.4.2.TIPOS DE LÍQUIDOS UTILIZADOS ............................................................ 25

3.4.3.TIPOS DE RECIPIENTE USADO ................................................................ 25

3.4.4.PRECISÃO DOS TERMÔMETROS DE VIDRO .......................................... 26

3.4.5.SENSIBILIDADE DOS TERMÔMETROS DE VIDRO .................................. 27

3.5.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE LÍQUIDO DE RECIPIENTE METÁLICO ...... 30


3.5.2.TIPOS DE LÍQUIDO DE ENCHIMENTO ..................................................... 31

3.5.3.TÉCNICAS E MATERIAL DE CONSTRUÇÃO DO TERMÔMETRO ........... 31

3.6.TERMÔMETRO DE DILATAÇÃO DE GÁS ............................................................. 32


3.6.2.TIPOS DE GÁS DE ENCHIMENTO ............................................................ 33

3.6.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO .................................................................. 34

3.6.4.ERRO DE MEDIÇÃO .................................................................................. 34

3.7.TERMÔMETRO À TENSÃO DE VAPOR ................................................................ 34


______________________________________________________________________________ 2


3.7.2.TIPOS DE LÍQUIDO DE ENCHIMENTO ..................................................... 34

3.7.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO .................................................................. 35

3.7.4.CLASSIFICAÇÃO DOS TERMÔMETROS À TENSÃO DE VAPOR ............ 36

3.7.5.TIPO DE DUPLO ENCHIMENTO ................................................................ 36

3.7.6.TIPO DE ENCHIMENTO SIMPLES ............................................................. 36

4.TERMOPAR ................................................................................................................. 38

4.1.EFEITOS TERMOELÉTRICOS ............................................................................... 38

4.2.EXPERIÊNCIA DE SEEBECK ................................................................................. 38

4.3.EXPERIÊNCIA DE PELTIER ................................................................................... 38

4.4.EFEITO VOLTA ...................................................................................................... 39

4.5.EFEITO THOMSON ................................................................................................ 39

4.6.LEIS DA TERMOELETRICIDADE ........................................................................... 39

4.7.TIPOS DE TERMOPARES ...................................................................................... 43

4.7.1.TERMOPARES TIPO T ( COBRE CONSTANTAN) ................................... 43

4.7.2.TERMOPARES TIPO J (FERRO CONSTANTAN) ..................................... 44

4.7.3.TERMOPARES TIPO E (CROMEL CONSTANTAN) .................................. 44

4.7.4.TERMOPARES TIPO K (CROMEL ALUMEL) ............................................ 45

4.7.5.TERMOPARES TIPO N (NICROSIL/NISIL) ............................................... 46

4.7.6.TERMOPARES DE PLATINA TIPOS S E R 10% DE RÓDIO E PLATINA PT

13% RH E PT .............................................................................................. 46

4.7.7.TERMOPARES TIPO B ............................................................................... 47

4.7.8.OUTROS TIPOS DE TERMOPARES .......................................................... 47

4.8.PRINCIPAIS QUALIDADES REQUERIDAS POR UM TERMOPAR ....................... 48

4.9.PREPARAÇÃO, SOLDAGEM E MONTAGEM ........................................................ 49

4.10.PROTEÇÃO ENVELHECIMENTO E CONTROLE ................................................ 56

4.11.FIOS DE COMPENSAÇÃO, FIOS DE EXTENSÃO ............................................... 63

5.TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ........................................................................... 64

5.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ........................................................................ 64

5.2.TIPOS DE TIPOS DE BULBO DE RESISTÊNCIA-CARACTERÍSTICAS

DESEJÁVEIS ......................................................................................................... 65

5.3.TIPOS DE METAIS UTILIZADOS E FAIXA DE UTILIZAÇÃO ................................. 65

5.4.TIPOS DE CONSTRUÇÃO ..................................................................................... 66

5.5.TEMPO DE RESPOSTA, PRECISÃO E PADRONIZAÇÃO DAS

TERMORESISTÊNCIAS ........................................................................................ 67

5.6.TERMISTORES ...................................................................................................... 67

5.7.MEDIDORES DE TEMPERATURA POR TERMORESISTÊNCIA ........................... 69


______________________________________________________________________________ 3

5.7.1.PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO BÁSICO ............................................................ 69

5.7.2.TIPOS DE CIRCUITO DE MEDIÇÃO UTILIZADOS .................................... 69

5.7.3.CIRCUITO EM PONTE ............................................................................... 69

6.PIROMETRIA DE RADIAÇÃO ..................................................................................... 72

6.1.INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 72

6.2.HISTÓRICO ............................................................................................................ 73

6.3.RADIAÇÃO TOTAL - EMITÂNCIA - LEI DE STEFAN-BOLTZMANN ...................... 73

6.4.CORPO NEGRO ..................................................................................................... 73

6.5.LEI DE STEFAN-BOLTZMANN ............................................................................... 74

6.6.MEDIÇÃO DE TEMPERATURA .............................................................................. 75

6.6.1.PRINCÍPIO .................................................................................................. 75

6.6.2.CRÍTICA ...................................................................................................... 76

6.7. OTICA DOS PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO TOTAL ............................................. 78

6.7.1.MONTAGEM COM LENTE .......................................................................... 78

6.7.2.MONTAGEM COM ESPELHO .................................................................... 79

6.7.3.MONTAGEM COM DUPLO ESPELHO ....................................................... 80

6.7.4.DISTÂNCIA E DIMENSÕES DO ALVO ....................................................... 81

6.7.5.RE-RADIAÇÃO DE ENERGIA PELAS LENTES, ESPELHOS, JANELAS ... 81

6.7.6.CAUSAS DO ERRO - PRECAUÇÕES DE USO .......................................... 81

6.7.7.TEMPO DE RESPOSTA ............................................................................. 81

6.7.8.TOLERÂNCIA ............................................................................................. 82

7.PIROMETRIA ÓPTICA ................................................................................................. 82

7.1.INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 82

7.2.LEI DE RADIAÇÃO DE PLANCK - LEI DE WIEN .................................................... 82

7.3.FILTROS ABSORVENTES (SCREENS) ................................................................. 84

7.4.CAUSAS DE ERRO ................................................................................................ 84

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................... 85


______________________________________________________________________________ 4

1.INTRODUÇÃO

Termometria significa "Medição de Temperatura", é o termo mais abrangente que inclui

tanto a pirometria como a criometria que são casos particulares de medição.

PIROMETRIA - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica

passam a se manifestar.

CRIOMETRIA - Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de

temperatura.

Temperatura na Indústria

A temperatura é uma das variáveis mais importantes na indústria de processamento.

Praticamente todas características físico-químicas de qualquer substância alteram-se de uma forma

bem definida com a temperatura.

Exemplificando:-

• Dimensões (Comprimento, Volume).

• Estado Físico (Sólido, Líquido, Gás).

• Densidade.

• Viscosidade.

• Radiação Térmica.

• Reatividade Química.

• Condutividade.

• PH.

• Resistência Mecânica.

• Maleabilidade, Ductilidade.

Assim, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu

comportamento provocando por exemplo:-

- Uma aceleração ou desaceleração do ritmo de produção.

- Uma mudança na qualidade do produto.

- Um aumento ou diminuição na segurança do equipamento e/ou pessoal.

- Um maior ou menor consumo de energia.

1.1.CONCEITO DE TEMPERATURA

Temperatura é uma propriedade da matéria, relacionada com o movimento de vibração

e/ou deslocamento dos átomos de um corpo. Todas as substâncias são constituídas de átomos que

por sua vez, se compõe de um núcleo e um envoltório de elétrons. Normalmente estes átomos

possuem uma certa energia cinética que se traduz na forma de vibração ou mesmo deslocamento

como no caso de líquidos e gases.


______________________________________________________________________________ 5

A energia cinética de cada átomo em um corpo não são iguais e constantes, mudam de

valor constantemente, num processo de intercâmbio de energia interna própria.

Baseado nesta conceituação, pode-se definir a temperatura da seguinte forma:

"Temperatura é a propriedade da matéria que reflete a média da energia cinética dos átomos de

um corpo".

Na prática, a temperatura é representada em uma escala numérica, onde, quanto maior o

seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão.

Outros conceitos que se confundem às vezes com o de temperatura são:

• Energia Térmica.

• Calor.

A Energia Térmica de um corpo é a somatória das energias cinéticas dos seus átomos, e

além de depender da temperatura, depende também da massa e do tipo de substância.

O Calor é a energia que se transfere de um corpo para o outro por diferença de

temperatura.

A temperatura sob ponto de vista da experiência do homem no seu cotidiano, introduz o

uso dos termos quente e frio. A sensação de quente é o resultado do fluxo de calor de um corpo

qualquer para o nosso próprio, decorrente de uma maior temperatura daquele corpo.

A sensação de frio aparece quando o nosso corpo cede calor para outro qualquer. A

superfície do corpo humano está coberta de sensores de temperatura que nos informam a cada

instante do estado térmico do ambiente que nos cerca.

As sensações de quente e frio que sentimos são relativas, um corpo à mesma temperatura

pode nos transmitir sensações diversas dependendo das condições físicas e psicológicas do nosso

corpo.

Os nossos sentidos não são adequados para medir temperatura com segurança, além de

atuarem em uma faixa de temperatura bastante estreita, próxima à temperatura do próprio corpo,

devido ao aparecimento da dor.

Até o final do século XVI, quando foi desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliar

temperatura, os sentidos do nosso corpo foram os únicos elementos de que dispunham os homens

para dizer se um certo corpo estava mais quente ou frio do que um outro, apesar da

inadequadamente destes sentidos sob o ponto de vista científico.

Formas de transferência de calor

Condução (sólidos):

Transferência de calor por contato físico. Um exemplo típico é o aquecimento de uma barra de

metal.

Convecção (líquidos e gases):


______________________________________________________________________________ 6

Transmissão ou transferência de calor de um lugar para o outro pelo deslocamento de material.

Quando o material aquecido é forçado a se mover, existe uma convecção forçada. Quando o

material aquecido se move por diferença de densidade, existe uma convecção natural ou livre.

Radiação (sem contato físico):

Emissão contínua de energia de um corpo para outro, através do vácuo ou do ar (melhor no vácuo

que no ar, pois no ar é parcialmente absorvida). A energia radiante possui a forma de ondas

eletromagnéticas e propagam-se com a velocidade da luz.

1.2.HISTÓRICO

O primeiro instrumento desenvolvido para avaliar temperaturas foi um termoscópio

fabricado por Galileu Galilei, sábio italiano, em 1592. Este instrumento permitia comparar as

temperaturas de dois ambientes, sem atribuir valores numéricos às mesmas, donde provém o seu

nome. Hoje sabe-se que a pressão atmosférica afetava as indicações deste termoscópio, limitando

a precisão das indicações.

Em 1654, Ferdinand II, Duque de Toscânia, fabricou termômetros na forma usual, ou seja,

um bulbo e capilar de vidro, cheios parcialmente de álcool e totalmente selado da pressão

atmosférica. Neste instrumento, a propriedade usada para detectar variações de temperatura é a

dilatação do álcool.

Robert Hooke em 1664 estabeleceu o primeiro ponto de referência em termômetro,

atribuindo o valor zero ao ponto onde se estabilizava a coluna de álcool, quando o termômetro era

colocado no gelo fundente.

Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro,

sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas

reproduzíveis, como existia na época, para Peso, Distância, Tempo. Era um dilema, que foi sendo

resolvido gradativamente ao longo de muitos anos de evolução técnica. Por exemplo em 1665 o

cientista e matemático holandês Christian Huygens escreveu:- "... Seria bom existir um padrão

universal e determinado de calor e frio, fixando uma proporção definida entre a capacidade do bulbo

e do tubo, e então tomando para o começo o grau de frio no qual a água começa a congelar, ou

melhor, a temperatura da água em ebulição..."

Foi somente em 1694 que Carlo Renaldini, ocupava a mesma cadeira de matemática na

Universidade de Pádua que ocupava Galileu, sugeriu tomar o ponto de fusão do gelo e de ebulição

da água como dois pontos fixos de temperatura em uma escala de termômetro. Ele dividiu o espaço

entre eles, em 12 partes iguais. Infelizmente esta importante contribuição para a Termometria foi

esquecida.


______________________________________________________________________________ 7

Newton, em 1701, definiu uma escala de temperatura baseada em dois pontos fixos

reprodutíveis. Para um ponto fixo escolheu o ponto de fusão do gelo, e o chamou de zero. Para o

outro ponto fixo ele escolheu o número 12 a este ponto.

Baseado no que Newton chamava de "Partes iguais de calor", a água fervia no número 34 desta

escala.

Em 1706 Daniel Gabriel Fahrenheit, fabricante de termômetros de Amsterdã, definiu uma

escala de temperatura, possuía 3 pontos de referência 0, 48 e 96. Números que representavam nas

suas palavras o seguinte:- "... 48 no meu termômetro é o meio entre o frio mais intenso produzido

artificialmente por uma mistura de água, gelo e sal-amoníaco, ou mesmo sal comum, e aquela

(Temperatura) que é encontrada no sangue de um homem saudável..."

Fahrenheit encontrou que na sua escala o ponto de fusão do gelo valia 32 e o de ebulição

da água 212 aproximadamente. Estes pontos, posteriormente forma considerados mais

reprodutíveis e foram definidos como exatos e adotados como referência.

Em 1742, Anders Celsius, professor de Astronomia na Suécia, propôs uma escala com o

zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água, no ano seguinte Christian de

Lyons, independentemente sugeriu a familiar escala centígrada (atualmente chamada escala

Celsius).

2.ESCALAS DE TEMPERATURA

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.

Toda temperatura na escala Fahrenheit é identificada com o símbolo "ºF" colocado após o

número (Ex. 250ºF)

A escala Celsius é definida atualmente com 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 denominação "grau centígrado" utilizada anteriormente no lugar de

"Grau Celsius", não é mais recomendada.

A identificação de uma temperatura na escala Celsius é feita com o símbolo "ºC" colocado

após o número (Ex.: 160ºC).

Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit, são relativas, ou seja, os seus valores

numéricos de referência são totalmente arbitrários. Existe entretanto escalas absolutas de

temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no ponto teórico onde a temperatura

atinge o seu valor mínimo, no ponto onde a energia cinética dos átomos se anula.


______________________________________________________________________________ 8

Existem duas escalas absolutas atualmente em uso; a Escala Kelvin e Rankine. A Escala

Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual à um grau Celsius, porém o

seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível, 273,15 graus abaixo do zero da

Escala Celsius. A Escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua

divisão é idêntica à da Escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga às

escalas relativas:- Kelvin → 400K (sem o símbolo de grau "º"). Rankine → 785 R.

A Escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos da América,

porém seu uso tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitação universal. O sistema

internacional de unidades adota (ºC) graus Celsius.

A Escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a

escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit.

Existe uma outra escala relativa, a Reaumur, hoje já praticamente em desuso. Esta escala

adota como zero o ponto de fusão do gelo e 80 o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido

em oitenta partes iguais. (Representação - ºRe).

2.1.CONVERSÃO DE ESCALAS

A figura 1 compara as escalas de temperatura existentes.

100

50

0

212

122

32

Co Fo

373

323

273

K672

582

492

R

Co K Fo R

fig.1

Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas:

• CELSIUS X FAHRENHEIT →

•CELSIUS X KELVIN →

º C

5 =

º F - 32

9

K = 273,15 + º C


______________________________________________________________________________ 9

• FAHRENHEIT X RANKINE → R = 459,67 + ºF

• KELVIN X RANKINE →

Outras relações podem ser obtidas combinando as apresentadas entre si. É importante observar a

diferença entre, por exemplo, 1ºC e 1 grau Celsius.

O primeiro significa uma determinada temperatura e o segundo significa um intervalo de

temperatura.

Se pretendermos passar para a escala Fahrenheit, teremos:-

• 1º caso:- 1ºC → → 1ºC = 33,8ºF (Fórmula 1)

• 2º caso:- = 1,8 Grau Fahrenheit →

(Utilizando a relação entre as dimensões do grau Celsius e o Grau Fahrenheit)

Exercícios Resolvidos

1. Qual a temperatura em ºC do zero original da escala Fahrenheit? E a temperatura do homem

saudável?

Resp.: 1º) 0ºF → ºC: -

O C

5 =

0 - 32

9

→ -17,78ºC

2º) 96ºF → ºC:-

C

5 =

96 - 32

9

O

→ 35,55ºC

2. O ponto de ebulição do oxigênio é -182,86ºC. Exprimir esta temperatura em:

a) K; b) ºF; c) R.

a) ºC → K :- K = 273,15 + (-182,86) = 90,29K

b) ºC → ºF :-

-182,86

5 =

º F - 32

9

= -297,15ºF

K = º R . 5

9

1º C

5 =

º F - 32

9

1 grau Celsius = 9 º F

5


______________________________________________________________________________ 10

c) ºC → R :- ou melhor, ºC → K → R:- 90,29 =

R. 5

9 = 162,52R

3. O ponto de ebulição do Tungstênio é 5900ºC. Calcular esta temperatura em:

a) K; b) ºF.

a) ºC → K:- K = 273,15 + 5900 = 6173,15K

b) ºC → ºF:-

5900

5 =

º F - 32

9

= 10652ºF

Obs.:- Dependendo da precisão do cálculo, pode-se arredondar 273,15 para somente 273 sem

cometer um erro muito grande. Também o fator 459,67, de conversão R para ºF, pode ser

arredondado para 460.

Assim as fórmulas ficariam:-

K = 273 + ºC e R = 460 + ºF

4. No interior do sol a temperatura é cerca de 107K. Qual a temperatura:

a) Na escala Celsius; b) Na escala Rankine; c) Na escala Fahrenheit?

a) K ºC:- 107 = 273 +ºC ~ 107ºC

b) K ºR:- 107 =

R . 5

9

~ 1,8 . 107ºR

c) K ºF:- A diferença neste caso de R e ºF é desprezível

1,8 . 10 º F7≅

5. Transformar a unidade de calor "Caloria” em "BTU". Sabendo-se que 1 caloria é a quantidade de

calor necessária para aquecer de 1 grau Celsius, 1 grama de água, e BTU é a quantidade de calor

para aquecer de 1 grau Fahrenheit, 1 libra de água.

Dado:- 1 libra = 453,6 gramas

1Caloria = 1 grama . 1 OC1BTU = 1 libra. 1 OF

1Caloria =

1

453 61 8

,,• O F

= 3,968 . 10-3BTU


______________________________________________________________________________ 11

1 BTU = 453,6 g o,5555 FO• = 252 Calorias

1 Caloria = 3,968 . 10-3BTU ou 1 BTU = 252 Calorias

Obs.: Notar que foi utilizada a relação entre os valores do grau Celsius e Fahrenheit.

6. Supondo que a escala de Carlo Renaldini tivesse sido adotada, qual seria:- a) A fórmula de

correspondência com a escala Celsius? b) Qual seria o valor do zero absoluto nesta escala?

Ponto Fusão Ponto Ebulição

Gelo água

0 100

0 12

a) CELSIUS (ºC)

RENALDINI (ºRn)

O OC

100 =

Rn

12

ou

C

25 =

Rn

3

O O

b) -273,15

25 =

Rn

3

→ -32,78ºRn

2.2.PONTOS FIXOS DE TEMPERATURA

A temperatura interna do corpo humano pode ser considerada como um ponto fixo de

temperatura. Entretanto esta temperatura é afetada por vários fatores que diminuem a precisão

deste padrão.

A mudança de estado de substâncias puras (fusão, ebulição) é normalmente desenvolvida

sem alteração na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substância é utilizado pelo

mecanismo de mudança de estado.


______________________________________________________________________________ 12

-273,15

0

100

374

1000

Co

CALOR SENSÍVEL

CALOR LATENTE

T1 T2PONTO TRIPLO H O

2(0,01 C)o

L+S

L+G

TEMPERATURA CRÍTICAVAPOR + GÁS

DECOMPOSIÇÃO DAH O

(H + 0 )2

2

2

PRESSÃO = 1 Atm

(LÍQUIDO, SÓLIDO, GASOSO)

Fig.2

Calor sensível: - é a quantidade de calor necessária para que uma substância mude a sua

temperatura até que comece a sua mudança de estado, onde teremos o calor latente.

Calor latente: - a quantidade de calor que uma substância troca por grama durante a mudança de

estado.

Apesar do calor cedido a água ser constante durante toda a experiência, nota-se que

durante a fusão do gelo, entre t1 e t2, e ebulição da água, entre t3 e t4 a temperatura permanece

constante. Se mantivermos uma mistura de água e gelo em equilíbrio, a temperatura permanecerá

constante apesar de existir fluxo de calor entre a mistura e o ambiente.

Esta mistura de duas ou três fases (Vapor, Líquido e Sólido) em equilíbrio, gera o que se

convencionou chamar de "Ponto Fixo de Temperatura". Visando uma simplificação nos processos

de calibração, a Comissão Internacional de Pesos e Medidas, relacionou uma série de pontos fixos

secundários de temperatura, conforme mostrado na Tabela abaixo.

PONTOS FIXOS TEMPERATURA(ºC)

Ponto de Ebulição do Nitrogênio -195,798

Ponto triplo do Hélio -259,3467

Ponto triplo da água 0,010

Ponto de Solidificação do Estanho 231,928

Ponto de Solidificação do Alumínio 660,323


______________________________________________________________________________ 13

Ponto de Ebulição do Oxigênio -182,954

Ponto de Solidificação da Prata 961,78

Ponto de Solidificação do Cobre 1084.62

Ponto de Solidificação da Platina 1064,180

2.3.ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA

Não existe limite superior para a temperatura de uma substância qualquer. À medida que

sobe a temperatura, ocorre uma série de transformações físico-químicas na substância, por

exemplo:- Fusão, Evaporação, Decomposição Molecular, Ionização, Reações Nucleares, etc...

Se usarmos a substância água como exemplo, teríamos as seguintes temperaturas na

escala Celsius, associados a estas transformações:-

Fusão - 0ºC (por definição).

Evaporação - 100ºC (por definição).

Decomposição (H2O em H2 e O2) entre 1000 e 3000ºC.

Ionização - (perda de elétrons) - acima de 2000ºC.

Reações nucleares (fusão de hidrogênio) - acima de 15.000.000ºC.

Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substância, atingimos um ponto

limite além do qual é impossível ultrapassar, pela própria definição de temperatura. Este ponto,

onde cessa praticamente o movimento atômico, é o zero absoluto de temperatura.

Zero absoluto: - é o estado em que praticamente cessa o movimento atômico.

As escalas absolutas (Kelvin e Rankine) atribuem o valor zero à temperatura mais baixa

possível.

A escala Kelvin possui a graduação igual a da Celsius, portanto:-

0 K = -273,15ºC e 0 R = 273,15ºC

A escala Rankine possui a graduação igual a da Fahrenheit, portanto:-

0 K = -459,67ºF e 0 R = 459,67ºF.

É evidente que uma escala absoluta não pode ter temperaturas negativas.

2.4.ESCALA INTERNACIONAL TEMPERATURA (ITS90)

Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada em

fenômenos de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas

de temperatura e pressão, determinando os pontos fixos de temperatura.

A IPTS- Escala prática Internacional de temperatura, foi a primeira escala prática

internacional de temperatura e surgiu em 1927. Foi modificada em 1948(IPTS-48), em 1960 mais

modificações foram feitas e em 1968 uma nova IPTS foi publicada (IPTS-68).


______________________________________________________________________________ 14

Em 1990, a Comissão Internacional de Pesos e Medidas, homologou uma nova escala de

temperatura, a ITS-90, definida a partir de vários pontos fixos de temperatura e com auxílio de

instrumentos padrão de interpolação.

A ITS-90 foi definida através de fenômenos determinísticos de temperatura, isto é, pontos

fixos de determinadas temperaturas.

Pontos fixos IPTS-68 (graus Celsius) ITS-90 (graus Celsius)

Ebulição do Oxigênio -182,962 -182,954

Ponto triplo da água 0,01 0,01

Solidificação do Estanho 231,968 231,928

Solidificação do Zinco 419,58 419,527

Solidificação da Prata 961,93 961,78

Solidificação do Ouro 1064,43 1064,18

Os valores numéricos dos pontos fixos de temperatura, são determinados pela termometria

à gás, e os instrumentos de interpolação são:

- Na faixa de -259,34ºC a 630,74ºC é termômetro de resistência de platina.

- Na faixa de 630,74ºC a 1064,43ºC é o termopar de platina com 10% de ródio e platina.

- Acima de 1064,43ºC é o pirômetro óptico.

Existem várias equações que relacionam a temperatura e a propriedade termométrica

utilizada nestes instrumentos (resistência elétrica, FEM termoelétrica e energia radiante). Através do

uso destas equações pode-se determinar com precisão a temperatura em que se encontra um

determinado corpo de prova.

Esta escala de temperatura é transferida para outros instrumentos de utilização mais

simples, mantendo-se o erro de faixas bastante estreitas. Em princípio, de uma forma indireta, todo

termômetro usado na prática tem a sua calibração relacionada à Escala Internacional de

Temperatura.

3.MEDIDORES DE TEMPERATURA - TIPOS E CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

Os instrumentos de medida da temperatura podem ser divididos em duas grandes classes:

1ª Classe

Compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensível está em contato com o

corpo cuja temperatura se quer medir. São eles:

A)Termômetros à dilatação de sólido.

B) Termômetros à par termo elétrico.

C) Termômetros à resistência elétrica.

D) Termômetros à dilatação de líquido.

E) Termômetros à dilatação de gás.

F) Termômetros à tensão de vapor saturante.


______________________________________________________________________________ 15

G) Pirâmides fusíveis e "crayons" coloridos.

2ª Classe

Compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensível não está em contato

com o corpo cuja temperatura se quer medir. São eles:

A) Pirômetros à radiação total.

B) Pirômetros à radiação parcial (monocromáticos).

A aplicação dos diversos tipos apresentados depende em cada caso de fatores técnicos e

econômicos. Como fatores técnicos podemos citar faixa de medição, tempo de respostas, precisão,

robustez, etc. A relação abaixo mostra a aplicação de cada tipo de medidor na indústria.

1ª Classe:

Termômetro à Dilatação de Sólido

Sob a forma de termômetro bimetálico é atualmente o indicador de temperatura local mais

usado na área industrial devendo isto a sua simplicidade, robustez e baixo preço.

Termômetro à Par Termoelétrico

É atualmente o sistema de medição de temperatura mais utilizado na indústria para monitoria

de processos nas salas de controle centrais.

É preciso, robusto, cobre uma ampla gama de temperaturas e possui normalmente preço inferior ao

de resistência.

Termômetro de resistência elétrica

Pertence à categoria de instrumentos elétricos. Tem uso bastante difundido na indústria,

sendo ao contrário dos termômetros anteriores útil na transmissão à distância da temperatura medida.

Seu uso deve-se ao fato de possuir boa precisão e ampla faixa de temperatura, apesar de ser de

preço elevado.

Termômetros à Dilatação de Líquido

Termômetros de vidro de mercúrio - amplamente usado em laboratórios, oficinas e quando

protegido, na área industrial.

Termômetro metálico de mercúrio - bastante usado em áreas industriais como indicador local de

temperatura.

Termômetro à dilatação de gás

Não encontra muita aplicação na indústria. Normalmente é encontrado em aplicações como

indicador local de temperatura.

Termômetro à Tensão de Vapor

Tem uso bastante difundido na indústria e como monitor de temperatura em instrumentos

industriais.

Pirâmides Fusíveis e "Crayons" coloridos


______________________________________________________________________________ 16

Aplicação bastante limitada nas indústrias, restringindo seu emprego a algumas indústrias

cerâmicas. "Crayons" coloridos, uso esporádico em testes nas indústrias e oficinas, sendo anualmente

substituído por termômetros elétricos de contato.

2ª Classe

Pirômetro de Radiação Total

Grande aplicação na indústria nos casos de medição de altas temperaturas ou de objetos

móveis, continuamente. Não possui concorrentes na sua faixa de aplicação.

Pirômetro Óptico Monocromático (Radiação Parcial)

Bastante usado na indústria para medir esporadicamente altas temperaturas. É utilizado para

calibração eventual do pirômetro de radiação total. Preço elevado.

Características Principais dos Instrumentos de Medição de Temperatura

Faixa de Medida ( Range )

Conjunto de valores da variável medida, que estão compreendidos dentro do limite superior e

inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Expressa-se determinando os

valores extremos.

EX.: 100 - 500ºC

0 - 20 PSI

Alcance ( Span )

É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Ex.:

Em instrumento com range de 100 a 500ºC.

Erro

É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor real da

variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático, que

poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento, o qual poderá estar

indicando a mais ou a menos.

Quando tivermos a variável variando, teremos um atraso na transferência de energia do meio

para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta

diferença entre o valor real e o valor medido é chamado de ERRO DINÂMICO.

- Quando a variável não estiver variando, podemos ter somente o ERRO ESTÁTICO.

- Quando a variável estiver variando, poderemos ter o ERRO DINÂMICO e o ERRO ESTÁTICO.

Como qualquer outro tipo de medidor os medidores de temperatura apresentam

características físicas que definem o seu comportamento, tais como: precisão, sensibilidade,

fidelidade, entre as mais importantes. Estas três características são definidas como segue:

Precisão (erro relativo)


______________________________________________________________________________ 17

Erro apresentado pelo instrumento em relação a uma curva ideal.

valor indicado

valor medido

curva ideal

erro

Fig.3

Um instrumento de medição é tão mais preciso quando o erro relativo máximo que ele pode

cometer seja o menor possível. É normalmente expresso em termos de porcentagem do valor medido

ou do valor máximo da escala. O erro em questão é o estático. Podemos expressar precisão de

diversas maneiras:

- Em porcentagem do alcance ( Span )

80ºC; sua precisão é de 0,5%

Sabemos que a temperatura estará entre 79,5ºC e 80,5ºC.

- Em unidades da variável (unidades de engenharia).

Ex.: Precisão de +- 2ºC.

- Em porcentagem do valor medido

Ex.: Precisão de +- 1%. Para 80ºC teremos uma margem de +- 0,8ºC.

- Em porcentagem do valor máximo da escala do instrumento.

Ex.: Precisão de 1%. Range de 50 a 150ºC.

A precisão será de +- 1,5ºC.

- Em porcentagem do comprimento da escala.

Ex.: Se o comprimento da escala de um instrumento fosse de 30cm, com range de 50 a 150ºC e

precisão de 1%, teríamos uma tolerância de +- 0,3cm na escala do instrumento.

Podemos ter a precisão variando ao longo da escala de um instrumento, podendo o fabricante

indicar seu valor em algumas faixas da escala do instrumento.

Ex.: Um manômetro pode ter uma precisão de +- 1% em todo seu range e ter na faixa central de sua

escala uma precisão de 0,5%.

Sensibilidade


______________________________________________________________________________ 18

É a razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a variação

da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Pode ser dada em porcentagem

do alcance de medida. Um instrumento com range de 0 - 500ºC e com uma sensibilidade +- de 0,05%.

Terá valor será de 0,005 x

1

0 10kgf/cm2 0

270O

0O

0O 270

O

2

S1 =

S1 =

270O

270O

1kgf/cm 2

1kgf/cm 2

10kgf/cm 2

270O

27O

kgf/cm 2

kgf/cm 2

/

/

=

=

fig4

Repetibilidade

É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotando

sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento. O

termo repetibilidade não inclui a histeresis.

valorindicado

valormedido

curva ideal

asce

nden

te

desc

ende

nte

MÁX

MÍN

Fig.5

Fidelidade

Um instrumento de medição é tanto mais fiel, quando fornece para um valor determinado de

temperatura a medir indicações concordantes entre elas com a melhor aproximação. É uma das

qualidades essenciais de um termômetro.

Histeresis

É o erro máximo apresentado por um instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto

da faixa de trabalho, quando a variável percorra toda a escala nos sentidos ascendente e

descendente. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento.


______________________________________________________________________________ 19

Ex.: Num instrumento com range de - 50ºC a 100ºC e histeresis de +- 0,3%. o erro será de 0,3% de

150ºC = +- 0,45ºC. Devemos destacar que o termo "zona morta" está incluído na histeresis.

valorindicado

valormedido

curva ideal

asce

nden

te

desc

ende

nte

MÁX

MÍN

Fig.6

3.1.TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO OU TERMÔMETRO BIMETÁLICO

3.1.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

A operação deste tipo de termômetro se baseia no fenômeno da dilatação linear dos metais

com a temperatura. É sabido que o comprimento de uma barra metálica varia com a temperatura

segundo a fórmula aproximada:

L = Lo (1 + αααα t)

Onde: L = comprimento da barra à temperatura t.

Lo = comprimento da barra à 0ºC.

t = temperatura da barra.

αααα = coeficiente de dilatação linear do metal utilizado

Deste modo poder-se-ia construir um termômetro baseado medição das variações de

comprimento de uma barra metálica. A figura mostra dois tipos de termômetros baseados diretamente

neste fenômeno:

-O primeiro tipo consiste em uma barra metálica sustentada horizontalmente e um sistema mecânico

para amplificação das pequenas variações de comprimento da barra.

-O segundo tipo baseia-se na medição da diferença de dilatação entre um tubo feito de material de

coeficiente de dilatação e uma haste interna de material de baixo coeficiente de dilatação.


______________________________________________________________________________ 20

PONTEIRO

AMPLIFICAÇÃOMECÂNICA

TUBO DE DILATAÇÃO

(LATÃO)

HASTE DETRANSMISSÃO

(INVAR)

PONTEIROAMPLIFICAÇÃOMECÂNICA

BARRA DE DILATAÇÃO

AJUSTE DEZERO

fig.7Estes termômetros apresentam dois graves inconvenientes:

-O elemento sensor possui uma grande massa, o que torna a resposta do termômetro lenta.

-A variação do comprimento experimentada pela barra é muito pequena, necessitando de uma grande

amplificação mecânica até o dispositivo de indicação.

Este último fator pode ser evidenciado no seguinte exercício:

- Calcular a variação de comprimento sofrida por uma barra de ferro cujo comprimento a 0ºC é de

300mm. Quando ela for submetida a uma temperatura de 100ºC.

Dado:

Coeficiente de dilatação linear de ferro→ αFe = 12.10-6.ºC-1

L = 10.(1 + α.t)

L = 300.(1 + 12 . 10-6 . 100)

L = 300.(1 + 0,0012)

L = 300. (1,0012) = 300,36mm

Onde: L = comprimento à 100ºC.

Lo = comprimento à 0ºC.

t = 100ºC.

Variação de comprimento:

∆L = L - Lo

∆L = 300,36 - 300,00

∆L = 0,36mm

Portanto uma variação de 100ºC em uma barra de ferro de 300mm, provoca uma variação de

apenas 0,36 em seu comprimento.


______________________________________________________________________________ 21

3.2.O BIMETAL E O TERMÔMETRO BIMETÁLICO

Fixando-se duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação diferentes de maneira

indicada na figura, e submetendo o conjunto assim formado a uma variação de temperatura, observa-

se um encurvamento que é proporcional à temperatura. O encurvamento é devido as diferentes

coeficientes de dilatação dos dois metais, sendo o segmento de círculo a forma geométrica que

comporta as duas lâminas com comprimentos diferentes.

Evidentemente, fixando-se uma extremidade da lâmina bimetálica, o movimento da outra

ponta representará a temperatura da mesma. A sensibilidade deste sistema é bem superior à do

apresentado na figura anterior, sendo tanto maior quanto for o comprimento da lâmina e a diferença

entre os dois coeficientes de dilatação dos metais.

Um termômetro elementar baseado no efeito bimetálico é apresentado na figura a seguir.

MATERIAL A

MATERIAL B

ααααA > α > α > α > αB

Fig.8

3.2.1.O TERMÔMETRO BIMETÁLICO

Na prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta mais

ainda a sensibilidade do sistema conforme a figura.

ESPIRAL HELICOIDAL

Fig.9


______________________________________________________________________________ 22

O termômetro mais usado é o de lâmina bimetálica helicoidal. E consiste de um tubo bom

condutor de calor, do interior do qual é fixada um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se

desloca sobre uma escala.

APOIO

METALHELICOIDAL

HASTEDE

TRANSMISSÃO

APOIO

Fig.10

Normalmente o eixo gira de um ângulo de 270º para uma variação de temperatura que cubra

toda a faixa do termômetro.

3.2.2.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO:FAIXA DE TRABALHO E PRECISÃO

A sensibilidade do termômetro depende das dimensões de hélice bimetálica e de diferença

de coeficiente de dilatação dos dois metais. Normalmente usa-se 1 INVAR como metal de baixo

coeficiente de dilatação.

INVAR:- (Aço com aproximadamente 36% de níquel e que possui baixo coeficiente de dilatação,

aproximadamente 1/20 dos dois metais comuns).

O latão é utilizado como material de alto coeficiente de dilatação e para temperaturas mais

elevadas usa-se ligas de níquel.

A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -50ºC à 800ºC,

sendo a escala sensivelmente linear. A precisão normalmente garantida é de ± 2% do valor máximo

da escala.

Usualmente, as lâminas bimetálicas são submetidas a tratamentos térmicos e mecânicos

após a confecção, usando a estabilização do conjunto (repetibilidade).


______________________________________________________________________________ 23

3.3.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA


São baseados no fenômeno de dilatação aparente de um líquido dentro de um recipiente

fechado.

Descrição de Diversos Tipos de Medidores

A seguir será apresentado uma descrição detalhada de cada tipo de medidor de

temperatura com exceção do tipo (Pirâmides Fusíveis e "Crayons"), tendo em vista a sua limitada

aplicação na indústria de um modo geral. A lei que rege este fenômeno está representada

matematicamente da seguinte forma:

V = Vo ( 1 + γγγγat )

Onde: V = volume aparente à temperatura t.

Vo = volume aparente à temperatura 0º.

γa = coeficiente de dilatação aparente do líquido.

t = temperatura do líquido.

O coeficiente de dilatação aparente de um líquido é calculado como segue:

γa = γ1 - γv

Onde: γa = coeficiente de dilatação aparente do líquido.

γ1 = coeficiente de dilatação do líquido.

γv = coeficiente de dilatação do vidro.

Por exemplo:

- Para mercúrio γHG = 180 . 10-6ºC-1

- Para o vidro γv = 20 . 10-6ºC-1

Deste modo o coeficiente de dilatação aparente do mercúrio no vidro vale:

γa = γHG - γv

γa = 180. 10-6 - 20 . 10-6 = 160 . 10-6ºC-1

Para o álcool temos:

γálcool = 1.200 . 10-6

Portanto no vidro o coeficiente aparente será:

γa - 1.200 . 10-6 - 20 . 10-6 = 1.180 . 10-6ºC-1

3.3.2.TIPOS DE CONSTRUÇÃO

Podem ser:

- Tipo de Recipiente Transparente

- Tipo de Recipiente Metálico


______________________________________________________________________________ 24

3.3.3.TIPO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE

O órgão indicado é a própria coluna de líquido visível através do recipiente sendo seu

copo a referência usada contra a escala que a acompanha.

3.3.4.TIPO DE RECIPIENTE METÁLICO

O órgão de indicação à um medidor volumétrico (fole, bourdon , etc.) que aciona um

ponteiro sobre uma escala normalmente circular.

3.4.TERMÔMETRO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE

3.4.1.DESCRIÇÃO

Este tipo de termômetro é constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da

sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção a mais uniforme possível fechado na

parte superior. O reservatório e parte do capilar são preenchidos de um líquido. Na parte superior do

capilar existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar seu

limite máximo.

0 40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0 10

30

20

60

50

40

70

-10

-20

-30

80

90

100

0 10

30

20

60

50

40

70

80

90

100

Poço deproteção

fig.11

Após a calibração a parede do tubo capilar é graduado em graus ou frações deste. A

medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna

líquida. Em alguns casos ao invés de graduar o tubo capilar, fixa-se ao mesmo uma escala que

receberá a graduação.

3.4.2.TIPOS DE LÍQUIDOS UTILIZADOS


______________________________________________________________________________ 25

Entre os líquidos mais utilizados estão os abaixo relacionados:

Nota: Na tabela a seguir, cada letra corresponde às seguintes grandezas:

A - Tipo de líquido.

B - Calor Específico - Cal/GºC.

C - Ponto de Solidificação (ºC).

D - Ponto de Ebulição (ºC).

E - Coeficiente de dilatação (a 20ºC).

F - Faixa de Utilização (ºC).

A B C D E F

Mercúrio 0,033 -39º +357º 182 . 10-6 - 35 à 600º

Tolueno 0,421 -92º +110º 1224 . 10-6 - 80 à 100º

Álcool

Etílico

0,581 -115º +78º 1120 . 10-6 - 80 à 70º

Pentano 0,527 -131º +36º 1608 . 10-6 -120 à 30º

Acetona 0,528 -95º +567 1487 . 10-6 - 80 à 50º

Notas:

1º) Para temperaturas superiores a 200ºC no caso do mercúrio, a parte superior do

capilar é preenchida com um gás inerte, normalmente nitrogênio sob pressão. Esta precaução é

indispensável para evitar a vaporização do mercúrio que poderia ocasionar rupturas na coluna do

líquido. Esta pressão atinge valores de 1,20 a 70atm., para termômetros graduados

respectivamente em 350, 600 e 750ºC.

2º) No caso de se utilizar gás sob pressão, o termômetro prevê na parte superior um

reservatório de grande capacidade, a fim de tornar a pressão interna o mais independente possível

da posição da coluna de mercúrio.

3.4.3.TIPOS DE RECIPIENTES USADOS

A - Vidro (normal e especial) - Ponto de Fusão: 900 à 1200ºC, utilizado até 600ºC.

B - Quartzo fundido transparente - Ponto de Fusão: 1770ºC utilizado até 1050ºC.

Nota:- Todos os tipos de vidro quando aquecidos e resfriados não retornam às dimensões originais,

fenômeno este conhecido como "histerese térmica dos sólidos". Este fenômeno tende desaparecer

após o uso prolongado, isto é, aquecendo-se e resfriando-se o termômetro inúmeras vezes. Os

bons termômetros têm seus invólucros de vidro pré-envelhecido na fábrica a fim de minimizar este

efeito.


______________________________________________________________________________ 26

3.4.4.PRECISÃO DOS TERMÔMETROS DE VIDRO

A tabela abaixo mostra as faixas de utilização, intervalo de graduação e desvios

normalmente tolerados para termômetros comuns e para termômetros de calibração:

a) Termômetro Comum - Coluna A.

b) Termômetro de Calibração (padrão) - Coluna B.

FAIXA DE UTILIZAÇÃO GRADUAÇÃO OC POR DIV. DESVIO TOLERADO (ºC)

A B A B A B

-20 à +50 - 0,5 - 1 -

- -20 à +100 - 0,01 à 0,5 - 0,05 à 0,5

+50 à 200 - 1 à 2 - 2 -

- 100 à 200 - 0,2 à 1 - 0,5 à 1

FAIXA DE UTILIZAÇÃO GRADUAÇÃO ºC POR DIV. DESVIO TOLERADO (ºC)

A B A B A B

200 à 300 200 à 300 2 1 à 2 3 2 à 3

300 à 400 300 à 400 5 1 à 2 6 3 à 5

400 à 500 400 à 500 5 1 à 5 9 5 à 9

500 à 600 - 5 - 12 -

- 500 à 700 - 1 à 5 - 5 à 9

600 à 700 - 5 - 15 -

De uma maneira geral pode-se resumir as faixas de precisão do modo seguinte:

- Termômetro Comum: 0,5% até ± 3% do valor do fim da faixa.

- Termômetro Padrão: 0,1% até ± 0,5% do valor do fim da faixa.

A aplicação dos diversos tipos em cada caso depende de fatores técnicos e econômicos.

Como fator técnico podemos citar: - faixa de temperatura, tempo de resposta, precisão, robustez,

etc. Dos diversos tipos apresentados, alguns tem aplicação limitada quanto outros são amplamente

aplicados na indústria, como se pode ver a relação a seguir:


______________________________________________________________________________ 27

- Pirâmides Fusíveis: Trata-se de pequenas pirâmides de aproximadamente 5cm de altura, feitas de

uma mistura de Caolin, Carbonato de Cálcio e Quartzo, em proporções diversas, possuindo cada

tipo de mistura um ponto de amolecimento característico.

3.4.5.SENSIBILIDADE DOS TERMÔMETROS DE VIDRO

Em princípio a sensibilidade do termômetro pode ser tão grande quanto se queira,

bastando utilizar em grande reservatório e um tubo capilar muito fino e portanto muito longo. Poder-

se-ia alcançar desvios de 1mm da coluna para variações de 0,001º. Esta precisão é porém ilusória

em razão da queda da fidelidade.

Em síntese, a sensibilidade do termômetro depende:

a) Do coeficiente de dilatação da substância.

b) Do volume do bulbo.

c) Do diâmetro do capilar.

d) Do coeficiente de dilatação do recipiente usado.

Verificação dos Termômetros de Vidro

A verificação e calibração de termômetros de vidro pode ser feita de duas maneiras:

Por Comparação:- Consiste em se comparar ao longo de toda a faixa, a indicação do termômetro

com a de um padrão de referência (outro termômetro de vidro, termoresistência, etc.). Neste tipo de

calibração deve-se ter cuidado com os seguintes pontos:

a) O termômetro escolhido como padrão deve ser de boa qualidade e ter sua escala aferida.

b) Durante a calibração os dois termômetros deverão estar à mesma temperatura.

Por Meio de Pontos Fixos de Temperatura:- Consiste em se medir a temperatura em que ocorre

mudança de estado de algumas substâncias escolhidas como referência. Os pontos fixos mais

fáceis de serem reproduzidos são os pontos de ebulição e fusão da água.

Erro de Paralaxe:-

Como em todos os instrumentos de leitura, a conservação do nível deve ser feita

corretamente para evitar erro de paralaxe. Em certos termômetros se usa escala a fim de minimizar

o efeito do paralaxe.

Utilização dos Termômetros de Vidro

Pelo fato de sua fragilidade e da impossibilidade de registrar sua indicação ou de

transmiti-la à distância, o uso destes termômetros sem proteção é mais comum nos laboratórios da

indústria como elemento de comparação para outros tipos de medidores, assim como para

medições de precisão.

Quando convenientemente protegido por um arcabouço metálico, encontra larga

aplicação em medição de temperatura em unidades industriais.


______________________________________________________________________________ 28

Tempo de Resposta dos Termômetros de Vidro

Tempo de resposta de um instrumento de medição é o tempo transcorrido entre a sua

colocação no meio e a estabilização de sua medição supondo a temperatura do meio invariável. No

caso de um termômetro, o tempo de resposta será tanto mais curto se:

1. A temperatura do meio for mais elevada, o que se explica é pelo fato da transmissão por radiação

se efetuar com maior intensidade.

2. O meio for mais agitado.

3. A condutibilidade térmica do meio for grande (os sólidos e líquidos possuem condutividade mais

elevada do que os gases).

4. As dimensões do próprio instrumento forem reduzidas. Normalmente os termômetros de vidro são

utilizados com uma proteção metálica aumentando sobremaneira seu tempo de resposta.

Tipos Especiais de Termômetros de Vidro

a) Termômetro Clínico:-

É um termômetro de mercúrio de máxima (fig. 11) graduado de 34 a 42ºC. Possui grande utilização

nos hospitais, pois nesta faixa estão as temperaturas limites entre as quais pode variar o corpo

humano. A fixação do valor máximo é obtido por meio de um estrangulamento no capilar logo acima

do bulbo. Normalmente possui divisões de 0,1ºC.

b) Termômetro de Máxima e Mínima:-

Bastante usado em meteorologia para indicar as temperaturas máximas e mínimas do

ambiente em um determinado período de tempo.

O álcool é a substância termométrica (fig. 11).

Como mostra a figura somente o álcool contido no ramo esquerdo do tubo em "U" opera

como substância termométrica. A função do mercúrio é de arrastar os pequenos índices de ferro

que deslizam na parte interna do tubo de vidro.

O mercúrio é mantido pressionado contra a coluna de álcool por meio de gás comprimido

no ramo direito do tubo. O reposicionamento dos índices para uma nova jornada é feita por meio de

um ímã manuseado externamente.


______________________________________________________________________________ 29

37

38

39

40

36

35

41

42

37

38

39

40

36

35

41

42

RESTRIÇÃO

36,5 CO

0

10

20

30

40

0

10

20

30

40

-10

-20

-30

-10

-20

-30

ARCOMPRIMIDO

ÁLCOOL

BULBO

ESCALA DEMÍNIMA

ESCALA DEMÁXIMA

ÍNDICE DEFERRO

(MÓVEL)

MERCÚRIO

fig.12

c) Termômetro de Vidro com Contato Elétrico:-

Normalmente é usado o termômetro de mercúrio normal com a adição de dois ou mais

pequenos eletrodos no interior do mercúrio, (bulbo e/ou capilar), a operação do mesmo se baseia na

condutibilidade elétrica do mercúrio (fig.12).

0

10

30

20

60

50

40

70

80

90

100

ELETRODO

ELETRODO

fig.13


______________________________________________________________________________ 30

3.5.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE LÍQUIDO DE RECIPIENTE METÁLICO


No termômetro de vidro, a dilatação do líquido é observada e medida diretamente através

se sua parede transparente. No tipo de recipiente metálico, o líquido preenche todo o instrumento e

sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível, dito

sensor volumétrico. O instrumento compreende três partes:- o bulbo, o capilar e o elemento sensor

conforme a fig.

O BULBO:- é o elemento termo sensível do conjunto. Nele fica compreendido a maior parte do

líquido do sistema. Deverá ficar em contato o mais íntimo possível com o ambiente onde se quer

avaliar a temperatura.

O CAPILAR:- é o elemento de ligação entre o bulbo e o sensor volumétrico. Deverá conter o mínimo

de líquido possível. Em alguns casos, o capilar é substituído por um pequeno e rígido pescoço de

ligação.

O ELEMENTO SENSOR:- ou de medição é o que mede as variações de volume do líquido

encerrado no bulbo. Estas variações são sensivelmente lineares à temperatura, daí o fato da escala

ser graduada linearmente, isto é, em partes iguais.

Na fig. 13, dois tipos de termômetros, bastante usados como indicadores locais de temperatura na

indústria.

PONTEIRO

BRAÇO DELIGAÇÃO

SETORDENTADO

SENSORVOLUMÉTRICO

CAPILAR

LÍQUIDOMERCÚRIO

ÁLCOOL ETÍLICO

BULBO

Fig.14


______________________________________________________________________________ 31

3.5.2.TIPOS DE LÍQUIDO DE ENCHIMENTO

Mercúrio - para temperatura entre -35 e +550ºC.

Álcool - para temperatura entre -50 e +150ºC.

Xileno - para temperatura entre -40 e +400ºC.

Notas:

1. O mercúrio (HG) é o mais usado entre os líquidos apresentados. No caso de seu uso, o material

do bulbo, capilar e o sensor não poderá ser de cobre ou ligas do mesmo. Quando o líquido utilizado

é mercúrio, o material de construção mais comum do termômetro é aço 1020 ou 316 (inox).

2. A pressão de enchimento do termômetro é de cerca de 50atm, o que justifica a faixa de utilização

ultrapassar os limites do ponto de ebulição dos líquidos.

3.5.3.TÉCNICAS E MATERIAL DE CONSTRUÇÃO DO TERMÔMETRO

Bulbo:- Suas dimensões variam de acordo com a sensibilidade desejada e também com

o tipo de líquido utilizado e aplicação. Os materiais mais usados são: aço 316, aço 1020, cobre,

latão e monel.

Nota:- Normalmente o bulbo é instalado no interior de um poço de proteção, que permite a retirada

do mesmo sem afetar o processo. É importante observar que este recurso aumenta sobre maneira

o tempo de resposta do termômetro. Este atraso pode ser reduzido, introduzindo qualquer elemento

condutor entre o bulbo e o poço, com a finalidade de eliminar o espaço vazio existente entre os

mesmos. Pode-se usar mercúrio, óleo, grafite, aparas de metal. Observando sempre o tipo de

aplicação e a faixa de temperatura a ser coberta pelo termômetro.

Capilar:- Suas dimensões são também bastante variáveis. O comprimento está limitado

aos 60 metros aproximadamente, devido principalmente ao alto custo capilar.

O diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de limitar a influência da temperatura

ambiente, porém não deverá oferecer resistência à passagem do líquido em expansão. Como

calores normais temos para diâmetro: 1,5mm e o diâmetro interno: 0,30mm. Normalmente é

confeccionado de aço ou cobre.

Nota:- A ligação do capilar do bulbo é feita, às vezes, por meio de um pescoço de extensão, que

aumenta a resistência de ligação, ao mesmo tempo que facilita a montagem e desmontagem do

bulbo.

Às vezes o capilar é suprimido, ligando-se o bulbo ao medidor. por meio do pescoço de

extensão. O capilar é o elemento mais sujeito a ser danificado do medidor, freqüentemente ele é

fornecido envolvido por uma proteção ou blindagem.

Elemento de medição:- Basicamente pode ser de três tipos:- Bourdon, Espiral e

Helicoidal (fig. 14). O material de construção é normalmente bronze fosforoso, cobre, berílio, aço

inox e aço carbono. O elemento de ligação do elemento ao ponteiro é igual ao usado em

manômetros.


______________________________________________________________________________ 32

ESPIRAL

HELICOIDAL

BOURDON

fig15

3.6.TERMÔMETRO DE DILATAÇÃO DE GÁS


Fisicamente 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 sensivelmente constante e é preenchido com um gás a alta

pressão. Com a variação de temperatura o gás varia sua pressão conforme, aproximadamente, a lei

dos gases perfeitos. O elemento de medição neste caso opera como medidor de pressão.

A lei que rege o fenômeno é conhecida como a segunda lei de Gay-Lussac, e é expressa

matematicamente da seguinte maneira:-

P1 = P2 = ... Pn (Sendo V = constante)

T1 T2 Tn

Onde: P1, P2, ... Pn = São as pressões absolutas do gás.

T1, T2, ... Tn = São as respectivas temperaturas absolutas.

Pode-se observar da fórmula, que as variações de pressão são linearmente dependentes

da temperatura, sendo o volume constante.

Outra maneira de representar o fenômeno é da maneira seguinte:-

P = Po ( 1 + γt)

Onde: P = É a pressão do gás (relativa) à temperatura t.


______________________________________________________________________________ 33

Po = É a pressão do gás a 0ºC.

g = É o coeficiente de variação de pressão do gás a volume constante;

vale aproximadamente

1 ºC-1. 273

t = A temperatura do gás em ºC.

As duas fórmulas são evidentemente equivalentes.

3.6.2.TIPOS DE GÁS DE ENCHIMENTO

São eles:

Hélio (He) - temperatura crítica = 267,8ºC.

Hidrogênio (H2) - temperatura crítica = 239,9ºC.

Nitrogênio (N2) - temperatura crítica = 147,1ºC.

Dióxido de Carbono (CO2) - temperatura crítica = 31,1ºC.

Nota:- O gás mais utilizado é o N2 e geralmente é enchido com uma pressão de 20 a 50atm, na

temperatura mínima a medir.

Sua faixa de medição vai de -100ºC à 600ºC, o limite inferior é o do próprio gás ao se aproximar da

temperatura crítica, e o superior é do recipiente devido a maior permeabilidade ao gás, o que

acarretaria a sua perda inutilizando o termômetro.

CAPILAR

BULBO

GÁS

Fig.16

3.6.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO

São eles:

Bulbo e Capilar:- aço, aço inox, cobre, latão e monel.

Nota:- O capilar pode atingir comprimento de até 100m.


______________________________________________________________________________ 34

Elemento de medição:- Cobre-Berílio, bronze fosforoso, aço e aço inox.

Nota:- O elemento de medição pode ser do tipo Bourbon, espiral ou helicoidal.

3.7.TERMÔMETRO À TENSÃO DE VAPOR


Também fisicamente idêntico ao de dilatação de líquidos. Possui um bulbo e um

elemento de medição ligados entre si por meio de um capilar (fig. 28). O bulbo é parcialmente cheio

de um líquido volátil em equilíbrio com o seu vapor. A pressão do vapor é função exclusiva do tipo

de líquido e da temperatura.

A relação existente entre a tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo

logarítmico e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura na seguinte expressão:

log . P1 = HE . ( 1 - 1 )

P2 4,58 T1 T2

Onde: P1 e P2 = São as pressões absolutas relativas às temperaturas.

T1 e T2 = Também absolutas.

HE = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão.

Para intervalos de temperatura de uma certa amplitude, o calor latente de evaporação

não permanecerá constante, e a fórmula adquirirá desta maneira uma forma mais geral e bastante

complexa, sendo conhecida como a equação de Clausiur Clapeyron.

3.7.2.TIPOS DE LÍQUIDOS DE ENCHIMENTO

A tabela apresenta os líquidos mais utilizados e seus respectivos pontos de fusão e ebulição.

LÍQUIDO PONTO DE FUSÃO (ºC) PONTO DE EBULIÇÃO (ºC)

Cloreto de Metila - 139 - 24

Butano - 135 - 0,5

Éter Etílico - 119 + 34

Tolueno - 95 + 110

Dióxido de Enxofre - 73 - 10

Propano - 190 - 42

3.7.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO


______________________________________________________________________________ 35

São eles:

Bulbo e Capilar:- aço inox, aço, cobre e latão.

Nota:- O capilar pode atingir comprimentos de 100m, e o bulbo possui normalmente pequeno

volume em comparação com os outros tipos.

Elemento de medição:- Cobre-Berílio, bronze fosforoso e aço inox.

Nota:- Pode, como nos outros modelos ser do tipo bourbon, espiral ou helicoidal.

CAPILAR COMGLICERINA

LÍQUIDOVOLÁTIL

VAPOR

BULBO

CAPILAR COMVAPOR OU

LÍQUIDO

LÍQUIDOVOLÁTIL

VAPOR

BULBO

Fig.17


______________________________________________________________________________ 36

3.7.4.CLASSIFICAÇÃO DOS TERMÔMETROS À TENSÃO DE VAPOR

Os termômetros podem ser classificados em dois tipos:-

3.7.5.TIPO DE DUPLO ENCHIMENTO

Caracteriza-se por possuir um líquido não volátil no capilar e elemento de medição de

pressão. Este líquido funciona somente como elemento de transmissão hidráulica, não sendo

miscível ao líquido do bulbo. Normalmente é usado glicerina ou óleo.

Este tipo de termômetro é aplicado com vantagem para faixas de temperatura que

cruzam o ambiente. (Ex.: -30 à +100ºC).

Somente as variações de temperaturas no bulbo afetam a indicação do termômetro,

sendo contudo, bastante suscetível ao efeito de elevação tendo em vista as pressões de trabalho

(vide fig. 31) e a densidade dos líquidos de enchimento do capilar.

3.7.6.TIPO DE ENCHIMENTO SIMPLES

É o tipo usual. Possui o bulbo parcialmente cheio de líquido volátil e o capilar e medidor

com vapor ou líquido dependendo da temperatura ambiente e a do processo. Podem ser

classificados em três tipos:-

1. Tipo em que a temperatura do bulbo está sempre acima do capilar e medidor.

2. Tipo em que a temperatura do bulbo está sempre abaixo da temperatura do capilar e medidor.

3. Tipo em que a temperatura do bulbo e do medidor é a mesma.

O primeiro tipo é mais usado, o capilar e o medidor como estão mais frios que o bulbo,

estão cheios de líquidos condensado e portanto estão sujeitos ao efeito de elevação, isto é, o peso

da coluna do capilar afeta a indicação quando está em diferença de nível com o medidor. A seguir é

fornecido uma tabela da firma FOXBORO para correção de elevação para quatro tipos de líquido de

enchimento.

Nota:- 1 pé - 0,3048 metros.

O segundo tipo possui o capilar e medidor cheios de vapor do líquido volátil pelo fato do

bulbo estar mais frio que o resto.

Neste caso não há necessidade de compensar a elevação, se houver, pois o peso

específico do vapor é desprezível.

O terceiro tipo apresenta tanto o aspecto do 1º tipo como do 2º tipo dependendo da

temperatura do bulbo e do ambiente.

Este tipo apresentará problemas se for montado com alguma elevação, pois ao cruzar

com a temperatura ambiente, a coluna de líquido faz-se ou desfaz-se dependendo do sentido da

variação. Portanto deve ser montado de preferência com o medidor em nível com o bulbo.


______________________________________________________________________________ 37

Outro problema diz respeito ao atraso na resposta ao cruzar a temperatura ambiente

tendo em vista o tempo gasto na liquefação ou vaporização do líquido (ou vapor) no capilar e

medidor (fig. 33).

Nota:- Em todos os casos o importante é que a superfície de separação do líquido e vapor fique no

bulbo, pois a pressão do sistema dependerá da temperatura existente nesta interface.

Correção De Elevação:

Nota:- Correção em ºF por cada 10 pés de elevação.

Erro! Indicador não

definido.TEMP. DO

BULBO (ºF)

CLORETO DE

METILA

BUTANO ÉTER -

ETÍLICO

TOLUENO

0

25

50

75

100

125

150

175

200

210

225

250

275

300

325

350

375

400

425

450

475

500

525

550

600

9

6

3,6

3,0

2,6

2,0

1,5

1,2

1,O

0,9

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

5,5

4,5

3,1

2,1

2,0

1,6

1,4

1,0

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

10,0

7,0

5,0

4,0

3,0

2,9

2,11

2,0

1,5

1,4

1,0

0,9

0,6

-

-

-

-

-

-

-

-

22,0

20,0

16,0

12,0

9,0

8,0

6,0

5,0

4,0

3,0

3,0

2,0

2,0

2,0

1,8

1,5

1,1


______________________________________________________________________________ 38

4.TERMOPAR

4.1.EFEITOS TERMOELÉTRICOS

A aplicação de par termoelétrico (termopares) na medição de temperatura está baseada

em diversos fenômenos descobertos e estudados por SEEBECK, PELTIER, VOLTA e THOMSON.

“ A lei não é, necessariamente, uma expressão de verdade infalível, mas simplesmente uma

generalização das observações experimentais.”

Hipótese:

- explica através de modelos, uma ou mais leis sendo possível relacioná-las.

4.2.EXPERIÊNCIA DE SEEBECK

Em 1821, o físico alemão J. T. SEEBECK descobriu o efeito termoelétrico, sendo a

aplicação na medição de temperatura introduzida pelo físico francês BECQUEREL.

A experiência de SEEBECK (figura) demonstrou que num circuito fechado, formado por

dois fios de metais diferentes, se colocarmos os dois pontos de junção à 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.

Na experiência, SEEBECK utilizou uma lâmina de antimônio (A) e outra de Bismuto (B), e

como detetor da corrente "i" utilizou uma bússola sensível ao campo magnético criado pela corrente.

S N

A

B

V2

T2

V1

T1

Fig.17

4.3.EXPERIÊNCIA DE PELTIER

Em 1834, o físico francês J. C. PELTIER, baseado na experiência de SEEBECK, mostra

que fazendo-se passar uma corrente elétrica, por um par termoelétrico, uma das junções se aquece

enquanto a outra se resfria.

Na fig.19 as duas ampolas interligadas, funcionam como um termômetro diferencial. A junta

da esquerda aquece, enquanto a outra esfria.


______________________________________________________________________________ 39

BA A

i h

Fig.18

4.4.EFEITO VOLTA

A experiência de PELTIER pode ser aplicada através do efeito VOLTA enunciado a seguir:-

"Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles

uma diferença de potencial que pode ser de ordem de volt". Esta diferença de potencial depende da

temperatura e não pode ser medida diretamente.

4.5.EFEITO THOMSON

Em 1851, o físico inglês Sir W. Thomson (Lord Kelvin), mostra que se colocarmos as

extremidades de um condutor homogêneo à temperaturas diferentes, uma força eletromotriz

aparecerá entre estas duas extremidades, sendo esta, chamada F.E.M. THOMSON.

Esta F.E.M. depende do material e da diferença da temperatura, não pode ser medida

diretamente.

A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico é resultante dos efeitos VOLTA (PELTIER)

e THOMSON tomados em conjunto.

A T2T1

V

Fig.19

4.6.LEIS DA TERMOELETRICIDADE

a) Lei do Circuito Homogêneo:-

Em um circuito de um só condutor homogêneo não se estabelece nenhuma corrente

elétrica, mesmo com trechos a diferentes temperaturas. A soma algébrica da F.E.M. VOLTA e

THOMSON é nula.


______________________________________________________________________________ 40

- Conseqüência:- A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico tendo duas junções em

temperaturas diferentes não depende do gradiente da temperatura ou da distribuição de

temperatura ao longo dos fios.

As únicas temperaturas relacionadas com a F.E.M., são as das duas junções (Junta Fria e

Junta Quente). Todas as temperaturas intermediárias não interferem na F.E.M. resultante.

b) Lei das Temperaturas Intermediárias(sucessivas):-

A F.E.M. desenvolvida por qualquer termopar de metal homogêneo com suas junções em

duas temperaturas quaisquer T1 e T3 respectivamente é a soma algébrica da F.E.M. do mesmo

termopar com suas junções à temperaturas T2 e T3 respectivamente.

A representação gráfica da figura 13, mostra a lei mencionada.

B(-)

T3T1

T3T1 T2

A(+)

3F.E.M.= E = E + E

1 2

F.E.M.= E1 F.E.M.= E2

A(+)

A(+)

B(-) B(-)

Fig.20

E1 = ET1 - ET2

E2 = ET2 - ET3

E3 = ET1 - ET3

Se somarmos E1 + E2 temos:

E1 + E2 = ET1 - ET2 + ET2 - ET3 = ET1 - ET3

E1 + E2 = ET1 - ET3 = E3

Portanto:

E3 = E1 + E2


______________________________________________________________________________ 41

- Conseqüência:-

1º) Se a F.E.M., de vários metais versus um metal de referência, por exemplo, platina, é conhecida,

então a F.E.M., de qualquer combinação dos metais pode ser obtida por uma soma algébrica.

2º) A temperatura da junta de referência pode estar em qualquer valor conveniente, e a temperatura

da junta de medição pode ser encontrada, por simples diferença, baseando-se em uma tabela

relacionada a uma temperatura padrão, por exemplo 0ºC, 20ºC.

c) Lei do Metal Intermediário:-

A soma algébrica da F.E.M., em um circuito composto de um certo número de metais

diferentes é ZERO se todo circuito estiver a uma só temperatura.

A

B

T2T1

C

T3 T3

Fig.21

De outra maneira:

“A Fem E do termopar não será afetada se em qualquer ponto de seu circuito for inserido

um metal qualquer, diferente do já existente, desde que as novas junções sejam mantidas a

temperaturas iguais.”

- Conseqüência:- Em virtude desta lei, pode-se inserir o instrumento de medição da F.E.M.

(Voltímetro) com seu fios de ligação em qualquer ponto do circuito termoelétrico sem alterar a

F.E.M. original.

A

B

T1mV

A

B

METALINTERMEDIÁRIO

Fig.22


______________________________________________________________________________ 42

Junta referência ou junta fria (compensação da junta fria)

Como já foi visto a F.E.M. desenvolvida em par termoelétrico, é função da diferença de

temperatura entre as duas junções. Desta maneira o termopar não mede a temperatura real na

junção de medição, e sim a diferença entre esta junção (medição) e a outra tomada como

referência. Para se obter a temperatura real é preciso conhecer exatamente a temperatura da junta

de referência e procurar mantê-la constante a fim de facilitar as leituras posteriores.

Existem alguns métodos para se manter a temperatura da junta de referência:-

1) Introduzindo-se a junta de referência em recipiente com gelo e água em equilíbrio, onde

a temperatura é constante e próxima à 0ºC .Como as tabelas de F.E.M. fornecidas normalmente

são referidas à 0ºC, este método é bastante cômodo, pois possibilita a leitura direta da temperatura

na tabela conhecendo-se apenas a F.E.M. gerada no circuito.

Este método é utilizado em laboratório ou na indústria em alguns casos especiais.

Evidentemente este processo não é muito prático, quando se necessita supervisionar a temperatura

desejada por tempo bastante prolongado, devido a necessidade da reposição contínua do gelo na

junta de referência.

A(+)

B(-)T1

ÁGUA + GELO0 Co

COBRE/COBRE

T r =0 Co

EAB

EAB

= E - ET1 Tr

EAB

= E - 0T1

EAB

= ET1

Fig. 23 - Junta de Referência a 0ºC

2) Mantendo-se a junta de referência em um ambiente aquecido onde a temperatura é

controlada por um sistema termostático. Este possui a vantagem de ser prático, sendo porém de

precisão inferior ao do método precedente, salvo raras excessões. Evidentemente a F.E.M. neste

processo é inferior ao sistema de junta de referência a 0ºC tendo em vista que a temperatura neste

caso, é de cerca de 60ºC, devendo-se dar a devida correção no caso de usar a tabela com a junta

de referência em outra temperatura (0ºC ou 20ºC).

3) Hoje dispositivos alternativos foram desenvolvidos para simular automaticamente uma

temperatura de zero grau, chamada de compensação automática da junta de referência ou

temperatura ambiente. Nestes instrumentos encontra-se um sensor de temperatura que pode ser

um resistor, uma termoresistência, termistor, diodo, transistor ou mesmo circuito integrado que

mede continuamente a temperatura ambiente e suas variações, adicionando ao sinal que chega do


______________________________________________________________________________ 43

termosensor uma mV correspondente à diferença da temperatura ambiente para a temperatura de

0ºC.

Exemplo de compensação

A(+)

B(-)

T1mVE

25 Co100 Co

E1

TERMOPAR TIPO K A 100 C JUNTA DE MEDIÇÃO 25 C

E = E100 - E25

E = 4,095 - 1,000

E = 3,095 mV

o o

Fig.24

Se não existisse a compensação, o sinal de 3,095mV seria transformado em indicação de

temperatura pelo instrumento e corresponderia a aproximadamente 76ºC, não correspondendo ao

valor da temperatura existente na junta de medição.

No instrumento medidor está incorporado um sistema de compensação de temperatura

ambiente, este gera um sinal como se fosse um outro termopar.

E1 = E25-E0

E1 = 1,000mV (sinal gerado pelo circuito de compensação)

O sinal total que será convertido em temperatura pelo instrumento será a somatória do

sinal do termopar e da compensação, resultando na indicação correta da temperatura na qual o

termopar está submetido (independendo da variação da temperatura ambiente).

Etotal = E - E1

Etotal = 3,095 + 1,000 = 4,095mV

Etotal = 4,095mV 100ºC

A indicação depois da compensação será de 100ºC.

4.7.TIPOS DE TERMOPARES

Apesar de em princípio, qualquer par de metais prestar na construção de termopares,

existem alguns tipos já padronizados na indústria.

A seguir mostramos os tipos mais usados nas indústrias:

4.7.1.TIPO T - TERMOPARES DE COBRE CONSTANTAN

Composição: Cobre(+) / Cobre-Níquel(-)

O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido comercialmente como Constantan.


______________________________________________________________________________ 44

Características: Resistentes a corrosão em atmosferas úmidas e são adequados para medições de

temperaturas abaixo de zero. É resistente à atmosfera oxidantes(excesso de Oxigênio),

redutoras(rica em Hidrogênio, monóxido de Carbono), inertes(neutras), na faixa de -200 a 350ºC.

Faixa de trabalho: - -200 a 350 ºC.

Aplicação: É adequado para trabalhar em faixas de temperatura abaixo de 0ºC, encontradas em

sistemas de refrigeração, fábrica de O2 etc..

Identificação da polaridade:

Cobre (+) é avermelhado e o Cobre/Níquel (-) não.

4.7.2.TIPO J - TERMOPARES DE FERRO - CONSTANTAN

Composição: Ferro(+) / Cobre-Níquel(-)

O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido comercialmente como Constantan.

Características:

Adequados para uso no vácuo, atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. Acima de 540ºC, a taxa

de oxidação do ferro é rápida e recomenda-se o uso de tubo de proteção para prolongar a vida útil

do elemento.

Embora possa trabalhar em temperaturas abaixo de 0ºC, deve-se evitar quando houver

possibilidade de condensação, corroendo o ferro e possibilitando a quebra do fio de ferro.

Não deve ser usado em atmosferas sulfurosas(contém enxofre) acima de 540ºC. O uso em

temperaturas abaixo de zero não é recomendado, devido à rápida oxidação e quebra do elemento

de ferro tornando seu uso em temperaturas negativas menor que o tipo T Devido a dificuldade de

obtenção de fios de ferro com alto teor de pureza, o tipo J tem baixo custo e é o mais utilizado

industrialmente.

Aplicação:

Indústrias em geral até 750ºC.


Ferro (+) é magnético e o Cobre (-) não.

4.7.3.TIPO E - TERMOPARES DE CROMEL CONSTANTAN

Composição:

Níquel-Cromo (+)/Cobre-Níquel (-)

O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o fio negativo Cobre

Níquel como Constantan.

Características:

Podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras, alternadamente

oxidante e redutora e no vácuo, não devem ser utilizados pois perdem suas características

termoelétricas. Adequado para o uso em temperaturas abaixo de zero, desde que não sujeito a


______________________________________________________________________________ 45

corrosão em atmosferas úmidas. Apresenta a maior geração mV/ºC (potência termoelétrica) do que

todos os outros termopares, tornando-se útil na detecção de pequenas alterações de temperatura.

Aplicação:

Uso geral até 900ºC.


O Níquel-Cromo (+) é mais duro que o Cobre-Níquel (-).

4.7.4.TIPO K - TERMOPARES DE CROMEL ALUMEL

Composição:

Níquel-Cromo (+)/Níquel-Alumínio (-).

O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo Cromo-

Alumínio como Alumel. O Alumel é uma liga de Níquel, Alumínio, Manganês e Silício.

Características:

São recomendáveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. Por sua

resistência à oxidação, são melhores que os tipos T, J, E e por isso são largamente usados em

temperaturas acima de 540ºC.

Ocasionalmente podem ser usados em temperaturas abaixo de zero grau.

Não devem ser utilizados em:

1) Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora.

2) Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rápida ferrugem e quebra dos

elementos.

3) Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o Cromo do elemento positivo pode vaporizar-

se causando erro no sinal do sensor (descalibração).

4) Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de “green root”. Green root, oxidação verde, ocorre

quando a atmosfera ao redor do termopar possui pouco oxigênio, como por exemplo dentro de um

tubo de proteção longo, de pequeno diâmetro e não ventilado.

O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio através do uso

de um tubo de proteção de maior diâmetro ou usando um tubo ventilado. Outro modo é diminuir a

porcentagem de oxigênio para um valor abaixo da qual proporcionará corrosão. Isto é feito

inserindo-se dentro do tubo um “getter” ou elemento que absorve oxigênio e vedando-se o tubo. O

“getter” pode ser por exemplo uma pequena barra de titânio.

Aplicação:

É o mais utiliizado na indústria em geral devido a sua grande faixa de atuação até 1200ºC.


Níquel-cromo (+) não atrai ímã e o Níquel-Alumínio (-) levemente magnético.

4.7.5.TIPO N NICROSIL - NISIL


______________________________________________________________________________ 46

Composição:

Níquel 14,2%-Cromo 1,4%-Silício (+) / Níquel 4,4%-Silício0,1%-Magnésio (-)

Desenvolvido na Austrália, este termopar foi aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado

pela ASTM (American Society for Testing and Materials), NIST(Antigo NBS- National Bureau of

Standards) e ABNT.

Está se apresentando como substituto do termopar tipo , de -200 a 1200ºC, possui uma

potência termoelétrica menor em relação ao tipo K, porém uma maior estabilidade, excelente

resistência a corrosão e maior vida útil. Resiste também ao “green-root” e seu uso não é

recomendado no vácuo.

4.7.6.TIPO S E TIPO R

Tipo s platina ródio-platina

Composição:

Platina 90% - Ródio 10% (+) / Platina (-)

Tipo R Platina Ródio-Platina

Composição:

Platina 87% - Ródio 13% (+) / Platina (-)

Características:

São recomendados para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho.

O uso contínuo em altas temperaturas causam excessivo crescimento de grão, podendo resultar em

falha mecânica do fio de Platina (quebra de fio), e tornar os fios susceptíveis à contaminação,

causando redução da F.E.M. gerada.

Mudanças na calibração também são causadas pela difusão ou volatilização do Ródio do

elemento positivo para o fio de Platina pura do elemento negativo. Todos estes efeitos tendem a

causar heterogeneidades que influenciam na curva característica do sensor.

Os tipos S e R não devem ser usados no vácuo, em atmosferas redutoras ou atmosferas

com vapores metálicos a menos que bem protegidos com tubos protetores e isoladores cerâmicos

de alumina e quando se usa tubo de proteção de Platina (tubete) que por ser do mesmo material,

não contamina os fios e dá proteção necessária aos elementos.

Apresentam grande precisão e estabilidade em altas temperaturas sendo utilizados como

sensor padrão na calibração de outros termopares. A diferença básica entre o tipo R e S está na

diferença da potência termoelétrica, o tipo R gera um sinal aproximadamente 11% maior que o tipo

S.

Aplicação:


______________________________________________________________________________ 47

Processos com temperaturas elevadas ou onde é exigido grande precisão como indústrias de vidro,

indústrias siderúrgicas, etc.


Os fios positivos de Platina-Ródio 10% e Platina-Ródio 13% são mais duros que o fio de platina (-).

4.7.7.Tipo B - Platina-Ródio / Platina-Ródio

Composição:

Platina 70%-Ródio 30% (+) / Platina 94%-Ródio 6% (-)

Características:

Seu uso é recomendado para atmosferas oxidantes e inertes, também adequado para curtos

períodos no vácuo. Não deve ser aplicado em atmosferas redutoras nem as que contem vapores

metálicos, requerendo tubo de proteção cerâmico como os tipo R e S. O tipo B possui maior

resistência mecânica que os tipos R e S.

Sua potência termoelétrica é baixíssima, em temperaturas de até 50ºC o sinal é quase

nulo.

Não necessita de cabo compensado para sua interligação. É utilizado cabos de cobre

comum (até 50ºC).

Aplicação:

Utilizado em industrias no qual o processo exige altas temperaturas.


Platina 70%-Ródio 30% (+) é mais duro que o Platina 94%-Ródio 6% (-).

4.7.8.OUTROS TIPOS DE TERMOPARES

Com o desenvolvimento de nossos processos industriais ao longo do tempo, novos tipos de

termopares foram desenvolvidos para atender condições que os termopares que foram vistos até

agora não atendiam.

Muitos destes termopares ainda não estão normalizados e também não são encontrados

no brasil.

Platina 60%-Ródio 40% (+) / Platina 80%-Ródio 20% (-)

Para uso contínuo até 1800 1850ºC, substituindo o tipo B. Não é recomendado para

atmosferas redutoras.

Irídio 60%-Ródio 40% (+)/ Irídio(-)

Podem se usados até 2000ºC em atmosferas inertes ou no vácuo, não recomendado para

atmosferas redutoras ou oxidantes.

Platinel 1 - Paládio 83%-Platina 14%-Ouro 3% (+) / Ouro 65%-Paládio 35% (-).


______________________________________________________________________________ 48

Aproxima-se do tipo K, atuando na faixa de até 1250ºC. Sua composição é apenas de

metais nobres, apresentando excelente estabilidade em atmosfera oxidante, mas não em

atmosferas redutoras ou vácuo.

Tungstênio 95%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 74%-Rhênio 26% (-)

Ainda não normalizado, denominado termopar tipo C. Pode ser utilizado continuamente até

2300ºC e em curtos períodos até 2700ºC no vácuo, na presença de gás inerte ou hidrogênio. Não

recomendado em atmosfera oxidante. Sua principal aplicação é em reatores nucleares.

Existem algumas variações na composição das ligas, por exemplo:

Tungstênio (+) / Tungstênio 74%-Rhênio 26% (-)

Tipo G (não oficial)

Tungstênio 97%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 75%-Rhênio 25% (-)

Tipo D (não oficial)

Níquel-Cromo (+) / Ouro-Ferro (-)

Usado em temperaturas criogênicas de -268ºC até 15ºC

Tungstênio - Molibidênio.

Faixa de temperatura 0 à 2.000ºC.

Tungstênio - Iridium.

Faixa de temperatura 0 à 200ºC.

Grafite - Carbureto de Boro.

Faixa de temperatura 0 à 2500ºC.

4.8.PRINCIPAIS QUALIDADES REQUERIDAS POR UM TERMOPAR

Para corresponder às exigências de um serviço tipo industrial, os termopares devem

possuir as seguintes características:-

a) Desenvolver uma F.E.M. a maior possível, função contínua da temperatura de maneira a

ser possível utilizar instrumentos de indicação de temperatura de construção simples e robusta. A

faixa de F.E.M. normalmente fornecida nas temperaturas de trabalho normal vai de 10 a 50mV.

b) Precisão de calibração (intercambialidade). Um termopar deve ser capaz de ser

calibrado com um padrão de F.E.M. versus temperatura e deve manter esta calibração mantendo-a

por um longo período de tempo sem desvios. Os termopares são construídos para trabalhar em

conjunto com instrumentos tendo cartas e escalas pré calibradas. A intercambialidade entre dois

termopares do mesmo material é a principal razão do seu uso em grande escala na indústria.


______________________________________________________________________________ 49

c) Resistência à corrosão e oxidação (durabilidade).

Um termopar deve ser física e quimicamente resistente de maneira a possuir uma longa vida, e

mais ainda exibindo a propriedade para uma dada temperatura gerar uma F.E.M. constante.

d) Relação linear F.E.M. versus temperatura (linearidade).

É interessante possuir uma relação F.E.M. versus temperatura mais linear possível devido aos

seguintes motivos:

- Facilidade de construção e leitura de escala e gráficos.

- Facilidade de construção de dispositivos de compensação de junta de referência.

- Adequabilidade do uso em indicadores digitais.

Termopares de classe especial

Existem duas classes de precisão para termopares , a classe standard que é a mais

comum e utilizada e utilizada e a classe especial também chamada de “Premium Grade”.

Estes termopares são ,fornecidos na forma de pares casados, isto é com características de

ligas com graus de pureza superiores ao standard. Existe também um trabalho laboratorial para

adequação de lote de fios, conseguindo com isto uma melhor precisão na medição de temperatura.

4.9.PREPARAÇÃO E SOLDAGEM DE TERMOPARES - MONTAGEM

Apesar da utilização de diferentes sistemas para realização de um bom contato elétrico na

junção quente de um termopar, a soldagem é mais eficiente, pois assegura uma ligação perfeita dos

fios por uma fusão dos metais sobre uma pequena profundidade.

Precisamos contudo, é exato que a soldagem pode criar heterogeneidades, garantir que a

precisão final do termopar não seja afetada desde que estas heterogeneidades sejam mantidas em

uma zona uniforme de temperaturas.

Preparação dos Fios

Os fios do termopar são geralmente fornecidos em bobinas. Deve-se endireitá-los

cuidadosamente à mão, evitando-se qualquer torção ou flexão exagerada a qual poderia afetar a

estrutura do material com conseqüente modificação na sua F.E.M.. Após cortar os pedaços

destinados à soldagem, lembrando a necessidade de se deixar um pequeno excesso, caso haja

imprevistos na soldagem, deve-se proceder a limpeza das pontas a serem unidas. A seguir prepara-

se as pontas conforme a fig. 19, em uma das três opções.


______________________________________________________________________________ 50

x

x

x x

a)

b)

c)

ou

ISOLADOR DE CERÂMICA

Fig.25

No caso a mantém-se o fio duro, reto, enquanto dobra-se o macio.

No caso b dobra-se os dois fios.

No caso c o fio macio é torcido sobre o fio duro cerca de 3 voltas.

Nos três casos é importante manter a distância "x" entre os dois fios, visando a posterior

colocação dos isoladores. O tipo de ligação c é o mais adequado para fios de grande bitola pois dá

bastante resistência apesar de aumentar a marca térmica da junção.

Soldagem

Soldagem do Ferro Constantan:-

Para se soldar os fios de ferro e constantan emprega-se uma chama oxi-acetilênica com o

bico apropriado de acordo com a bitola de fio a soldar. Regula-se o bico para se obter uma chama

neutra e coloca-se os dois fios, se vermelho, passando então, um pouco de Borax na junção. Volta-

se a aquecer as duas extremidades até a sua fusão.

É interessante sempre dirigir a chama para o material de mais alto ponto de fusão, no caso,

o ferro. Tira-se então, o borax excedente e procede-se a inspeção da solda.

O uso da chama redutora provoca a carburação que torna a solda fraca.

Soldagem do Cromel-Alumel:-

Procede-se da mesma maneira que para o ferro constantan utilizando-se uma chama

neutra ou ligeiramente oxidante. Dirigir a chama na direção do Cromel que é o metal de maior ponto

de fusão.

Soldagem de Platina-Rodiana -Platina:-

Para a soldagem dos fios de platina-rodiana e platina, usa-se chama oxi-hidrogênio ou

oxigênio GLP. Todavia, tendo em vista que os fios são geralmente finos, usa-se também a

soldagem à arco elétrico. A soldagem por arco elétrico é caracterizada por se fazer um arco elétrico

entre os fios a serem soldados formando um eletrodo, e um pedaço de carbono manipulado pelos


______________________________________________________________________________ 51

soldados, formando o outro eletrodo. Tocando-se a ponta torcida do termopar com o eletrodo de

carbono, fecha-se o circuito.

Afastando-se o eletrodo, uma fração de milímetro, estabelece-se um arco, elevando-se a

temperatura e fundindo a junção. A experiência mostra que os fios a serem soldados deverão

constituir o eletrodo positivo a fim de evitar a contaminação dos mesmos por partículas de carbono.

Nota:- Os fios de ferro constantan e de cromel-alumel de pequeno diâmetro, podem ser soldados a

arco elétrico. Se forem a maçarico, escolhe-se um bico de pequeno diâmetro (0,4mm) a fim de

retardar a fusão dos fios.

Finalmente, é bom lembrar, que qualquer que seja a natureza dos fios a serem soldados,

deve-se evitar um aquecimento muito prolongado, o que poderia acarretar uma modificação na

estrutura molecular das duas ligas, deixando-as quebradiças particularmente no caso do alumel.

Montagem dos Termopares

Após a soldagem dos dois fios, eles são isolados entre si, por meio de pequenos tubos, ou

melhor ainda, por meio de isoladores com dois furos (missangas). O material dos isoladores é

normalmente de cerâmica, porcelanas, quartzo, etc (fig. 19)

Este conjunto é então protegido por um ou mais tubos concêntricos apropriados à cada

aplicação. A parte superior é ligada a uma borracha ou bloco de terminais de abonite ou cerâmica

instalada dentro de um cabeçote de ligação .

Fig.26

JUNTA DEMEDIÇÃO TUBO DE

PROTEÇÃO

ISOLADORCERÂMICO

CABEÇOTEDE LIGAÇÃO

BLOCO DETERMINAIS

TAMPA


______________________________________________________________________________ 52

Fig. 27

Termopares Isolação Mineral

O desenvolvimento dos termopares isolação mineral partiu da necessidade de satisfazer as

severas exigências do setor nuclear. Desde então, os benefícios deste trabalho puderam ser

transmitidos à indústria em geral, que os utiliza numa grande variedade de aplicações devido a série

de vantagens que oferecem, tais como grande estabilidade, resistência mecânica entre outras.

O termopar isolação mineral consiste de 3 partes básicas: um ou mais pares de fios isolados

entre si por um material cerâmico compactado em um bainha metálica externa. Este tipo de montagem

é de extrema utilidade pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos, que

podem causar a completa deterioração dos termoelementos, além da grande resistência mecânica o

que faz com que o termopar isolação mineral possa ser usado em um número quase infinito de

aplicações.

Construção do cabo isolação mineral

O processo de fabricação dos termopares isolação mineral começa com os termoelementos

de diâmetros definidos, inseridos num tubo metálico e isolados entre si e o tubo por um material

cerâmico (pó de óxido de magnésio). Através de um processo mecânico de estiramento (trefilação), o

tubo e os termoelementos são reduzidos em seus diâmetros (aumentando seu comprimento) e o óxido

de magnésio fica altamente compactado, isolando e posicionando os fios em relação a bainha

metálica.

ISOLAÇÃOMINERAL

BAINHAMETÁLICA

BAINHAMETÁLICA

Fig.28

O óxido de magnésio é um excelente isolante elétrico e um bom condutor térmico, de maneira

que quando compactado, ocupa todos os espaços internos, isolando eletricamente os fios entre si e a

bainha além de dar alta resistência mecânica ao conjunto, proporciona boa troca térmica. Como este

processo de trefilação ou estiramento (redução do diâmetro e aumento do comprimento

proporcionalmente), cria tensões moleculares intensas no material, torna-se necessário tratar

termicamente o conjunto.


______________________________________________________________________________ 53

Este tratamento térmico alivia estas tensões e recoloca o termopar em sua curva

característica; obtendo assim um produto final na forma de cabos compactados, muito reduzidos em

seus diâmetros (desde 0,5 mm até 8,0 mm de diâmetro externo), porém mantendo proporcionalmente

as dimensões e isolação da forma primitiva.

Além do óxido de magnésio, usa-se também como material isolante a alumina, óxido de

berílio e óxido de tório, porém o óxido de magnésio é mais barato, compatível com os termoelementos

e mais comum de ser encontrado. Uma grande atenção deve ser tomada com a pureza química e

metalúrgica dos componentes envolvidos na fabricação do termopar isolação mineral.

Isolação Elétrica do Cabo Isolação Mineral

Devido a tendência natural do óxido de magnésio em absorver umidade (higroscópico) e

outras substâncias que podem vir a contaminar os termoelementos, uma isolação elétrica mínima

admitida entre os condutores e bainha é de no mínimo 100mΩ em temperatura ambiente (20ºC).

Várias precauções devem ser mantidas para a fabricação do termopar isolação mineral, tais como:

- Não deixar o cabo aberto exposto no ambiente por mais de 1 minuto. Imediatamente sele a ponta

aberta com resina, depois de aquecê-la para retirar a umidade.

- O armazenamento deve ser em local aquecido e seco (aproximadamente 38ºC e 25% de umidade

relativa do ar).

Vantagens do Termopar Isolação Mineral

Estabilidade na F.E.M.

Esta estabilidade é caracterizada pelos condutores estarem totalmente protegidos de

ambientes agressivos que normalmente causam oxidação e envelhecimento dos termopares.

Resposta Rápida

O pequeno volume e alta condutividade térmica do óxido de magnésio, promovem uma

rápida transferência de calor, superior aos termopares com montagem convencional.

Grande Resistência Mecânica e Flexibilidade

Devido a alta compactação do óxido de magnésio dentro da bainha metálica mantendo os

termoelementos uniformemente posicionados, permite que o cabo seja dobrado, achatado, torcido ou

estirado, suportando pressões externas e "choques térmicos" sem qualquer perdas de suas

propriedades termoelétricas.

Facilidade de Instalação


______________________________________________________________________________ 54

A dimensão reduzida, a grande maleabilidade e a alta resistência mecânica do cabo isolação

mineral, asseguram uma facilidade de instalação mesmo em locais de difícil acesso.

Resistência a Corrosão

Os termopares isolação mineral são disponíveis com diversos tipos de capas metálicas, para

garantir sua integridade em qualquer tipo de ambiente corrosivo, qualquer que seja o termopar.

Resistência de Isolação (a frio)

A resistência de isolação entre condutores e bainha é sempre superior a 100MW (a 20ºC)

qualquer que seja o diâmetro, em qualquer tipo de ambiente corrosivo, em qualquer condição de

umidade.

Valores segundo norma ASTM E-608/84.

Blindagem Eletrostática

A bainha metálica devidamente aterrada, oferece excelente blindagem contra interferências

eletrostáticas (ruídos).

Características Técnicas

Para a perfeita seleção de um termopar de isolação mineral, devem ser levados em

consideração todas as possíveis características e normas exigidas pelo processo.

Tipos e Números de Sensores

Os termopares isolação mineral podem ser dos tipos T, E, J e K, podem ser simples (1 par de

fios), duplo (2 pares de fios) ou mesmo até triplo (6 termoelementos dentro de uma única bainha).

Obs: Existem termopares isolação mineral de platina dos tipos S, R e B. Sua isolação pode ser de

óxido de magnésio, óxido de berílio, alumina e o material da bainha de molibdênio, tântalo ou titânio. A

escolha destes materiais vai depender da temperatura e do meio em que for colocado o termopar,

mas sua aplicação é muito pequena.

Características da Bainha Metálica

A escolha do material da bainha é fundamental para a vida útil do termopar isolação mineral,

pois se a bainha resistir às condições do ambiente agressivo, o termoelemento também resistirá.

Tipos de junções de Medições

Podemos classificar os termopares isolação mineral com relação a posição da junção de

medição em relação à bainha metálica, em três tipos:


______________________________________________________________________________ 55

a) Junção Exposta: neste tipo de montagem, parte da bainha e da isolação são removidos, expondo

os termoelementos ao ambiente.

Tem como características um tempo de resposta extremamente pequeno e grande

sensibilidade a pequenas variações na temperatura, mas apresenta como desvantagem o rápido

envelhecimento dos termoelementos devido ao contato com o ambiente agressivo, altas temperaturas

e pressões.

b) Junção Aterrada: neste, os termoelementos e a bainha são soldados juntos para formar a junção de

medição. Assim os fios são aterrados na bainha.

Este tipo de montagem apresenta um tempo de resposta um pouco maior que a junção

exposta, mas ainda sim menor que a junção isolada; podendo ser usado em ambientes agressivos

devido a isolação dos termoelementos.

Não é recomendável para ambientes ruidosos devido à captação destes ruídos, podendo

transmiti-los para o instrumento indicador gerando erros e instabilidade na leitura.

c) Junção Isolada: \e quando a junção de medição é isolada eletricamente da bainha. Este tipo de

montagem é o mais utilizado.

Suas características são:

1. Um tempo de resposta maior que as montagens anteriores

2. Os termoelementos ficam totalmente protegidos do meio externo garantindo maior vida útil e

podendo ser usado em ambientes sujeitos a campos elétricos, pois sendo isolado da bainha, fica mais

imune a interferências eletrostáticas.

Aplicações do Termopar Isolação Mineral

As vantagens dos termopares isolação mineral permitem sua utilização em número ilimitado

de processos industriais, seja na indústria cerâmica, ferro e aço, química e petroquímica, papel e

celulose, alimentícia, cimenteira, vidreira, de eletricidade, automotiva, de eletrodoméstico, nuclear,

aeronáutica, têxtil e muitas outras.

O termopar isolação mineral também se aplica em laboratórios de pesquisas experimentais

para estudos em arco plasma, feixe de elétrons, laser e outros experimentos físicos.

4.10.PROTEÇÃO, ENVELHECIMENTO E CONTROLE DE TERMOPARES

Proteção dos Termopares

Tubo de proteção

Sua principal função é proteger os termopares do ambiente de trabalho aumentando a sua

durabilidade. Não são indicados para áreas onde se necessita a vedação. Para especificar um tubo

é necessário levar em consideração todas as condições de uso do termopar, como temperatura,


______________________________________________________________________________ 56

atmosfera do processo, resistência mecânica, pressão, tipos de fluido em contato, velocidade de

resposta, etc.

Das diversas condições do processo que os termopares devem ser protegidos está a

proteção contra os metais (sólido, líquido e vapor), gases e fumos de combustão, enxofre, óxidos

metálicos, eletrólitos e outras diversas substâncias que causariam a degradação e perda da

calibração do sensor.

Os tubos de proteção estão divididos em metálicos e cerâmicos.

Tubos metálicos: (com ou sem costura)

O tubo com costura é construído de uma chapa enrolada e soldada longitudinalmente

(costurada) e depois polida para dar acabamento final

Os tubos sem costura são construídos através de processo mecânico (extrudados) ficando

sem soldas em sua extensão.

A conexão do tubo pode ser por rosca, flange ou mesmo soldada. Lembrando que o tubo

de proteção não é designado para dar estanqueidade (vedação) ao processo e sim proteção ao

elemento sensor. Os materiais mais utilizados nos tubos são:

Ferro fundido, aço carbono, aço inoxidável (304, 310, 316, 321), aço cromo 446, alloy 600,

hastelloy, monel entre outros.

Características dos materiais de proteção metálicos

Aço carbono

Temperatura máxima de utilização: 550ºC.

Aplicação: uso geral, resistência à corrosão limitada, não pode ser usado em ambientes redutores e

oxidantes continuamente.

Aço inox 304


Aplicação: Largamente usado como material de proteção em baixas temperaturas, resistente à

corrosão, não recomendável para uso em atmosferas sulfurosas ou com chamas redutoras.

Aço inox 310


Aplicação: Elevada resistência à corrosão em altas temperaturas. Boa resistência em ambientes

redutores, sulfurosos e carbonizantes e resistência mecânica superior ao 304.

Aço inox 316



______________________________________________________________________________ 57

Aplicação: Melhor resistência ao calor, álcalis e ácidos que o 304. Pode ser usado na presença de

componentes sulfúricos.

Aço cromo 446

Temperatura máxima de utilização : 1100ºC.

Aplicação: Excelente resistência a corrosão e oxidação em atmosferas sulfurosas, aplicações que

envolvam altas temperaturas. Boa resistência em ácidos nítrico, sulfúrico e na maioria dos álcalis.

Alloy 600


Aplicação: Excelente em ambientes corrosivos sujeitos a altas temperaturas. Excelente resistência

mecânica, não aplicável em atmosferas contendo enxofre.

Alloy 800


Aplicação: Boa resistência a oxidação, carbonização e outros efeitos prejudiciais da exposição a

altas temperaturas.

Nióbio

Temperatura máxima de utilização : 2000ºC em atmosfera neutra ou vácuo.

Aplicação: Boa resistência a corrosão em metais líquidos até 1000ºC.

Tântalo

Temperatura máxima de utilização : 2200ºC em gás inerte ou vácuo.

Aplicação: Excelente resistência a muitos ácidos em temperatura ambiente.

Titânio

Temperatura máxima de utilização :1000ºC em atmosfera redutora e 250ºC em atmosfera oxidante.

Aplicação: Boa resistência a oxidação e a ataques químicos.

Ferro preto

Temperatura máxima de utilização :800ºC

Aplicação: Utilizado em recozimento têmpera e banho de sal.

Nodular perlítico



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Aplicação: Ideal para metais não ferrosos tipo Alumínio, Zinco, etc.

Tubete de platina


Aplicação: Único material capaz de operar em atmosferas oxidantes acima de 1260ºC por longos

períodos.

Normalmente usados com termopares tipo S, R e B. Aplicação principal em indústria de

vidro, cerâmica e altas temperaturas em geral.

Tubos de proteção cerâmicos:

São utilizados normalmente em processos que envolvem temperaturas superiores a

1200ºC onde ligas metálicas não resistiriam por muito tempo.

Suas vantagens são a resistência a altas temperaturas, neutralidade à reações químicas, boa

resistência a abrasão; porém possui baixa resistência mecânica, sensibilidade a choques térmicos,

porosidade em elevadas temperaturas.

Os materiais cerâmicos mais usados são a alumina, quartzo e carbureto de Silício. Existem

também tubos metálicos/cerâmicos (cermets), são combinações de metais e óxidos metálicos, que

após receber tratamento tornam-se tubos de alta resistência mecânica, resistentes a corrosão e

choques térmicos.

Características dos materiais de proteção cerâmicos

Cerâmica tipo 610-Mulita


Contém 60% de alumina,40% de sílica, boa condutibilidade térmica, boa resistência mecânica,

sensível a choques mecânicos, não poroso.

Cerâmica tipo 710- Alumina recristalizada


Contém 99% de alumina, condutilbilidade térmica e boa resistência mecânica superior a 610,

sensível a choques mecânicos, impermeável à maioria dos gases sob condições de processo.

Carbureto de Silício


Possui baixa resistência mecânica e porosidade. Excelente condutibilidade térmica e resistência a

choques térmicos.

Carbureto de Silício cristalizado


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Possui baixa resistência mecânica e porosidade. Excelente condutibilidade térmica e

resistência a choques térmicos. Boa resistência em ácidos, alcális e utilizado em metais líquidos

como Zinco, Chumbo, Alumínio e Cobre.

TUBO DEPROTEÇÃO

CABEÇOTEDE LIGAÇÃO TAMPA

Fig.29

Poços termométricos

Possui a mesma função do tubo de proteção, porém a sua principal característica é que ele

possui estanqueidade, isto é é, veda o processo não permitindo vazamentos, perda de pressão e

contaminações. São usados onde onde as condições de processo requisitam segurança em altas

temperaturas e pressões, fluidos muito corrosivos, vibrações e alta velocidade de fluxo.

Diferença básica em relação ao tubos de proteção é a sua construção, já que os materiais

utilizados são os mesmos. Os poços são feitos a partir de uma barra maciça usinada, executando

um furo interno longitudinal mantendo-se assim a espessura da parede de acordo com as

especificações pré-determinadas, proporcionando ao conjunto final resistência mecânica à pressão

e deformação superiores aos tubos metálicos.

A fixação é feita por rosca externa, solda, flange ou outros meios de fixação hermética. Isto

elimina a parada e esvaziamento do processo para troca ou manutenção do elemento sensor. Um

problema muito perigoso em que os poços estão sujeitos é o efeito da vibração.

É importante que ele possua rigidez mecânica, pois o fluido de processo quando atrita no

poço, forma uma turbulência que possui uma freqüência definida na relação entre o diâmetro do

poço e a velocidade do fluido.

Se o poço entrar em ressonância durante a turbulência, ele tende a quebrar-se, perdendo o

poço, contaminando o processo, pode haver transbordo de fluido e o elemento será afetado. Os

poços com haste cônica são os que apresentam melhores resultados frente ao problema de


______________________________________________________________________________ 60

vibração, proporcionam maior rigidez mecânica mantendo a sensibilidade em relação aos poços de

haste reta ou paralela.

Todos os poços termométricos passam por uma série de testes para verificar sua

integridade e garantir a vedação do processo. São feitos testes utilizando líquidos penetrantes,

pressão hidrostática, ultra som e raios X. O conjunto termopar, tubo de proteção e cabeçote de

ligação recebe vulgarmente o nome de "Termopar" na falta de um nome apropriado ao conjunto.

Envelhecimento

É importante como já foi visto, que o termopar seja durável a fim de fornecer para uma

certa temperatura F.E.M. invariável. Infelizmente, após algum tempo mais ou menos longo, o

termopar é suscetível de sofrer variações na sua curva F.E.M. X Temperatura. É difícil de predizer,

pelo menos nos casos novos, qual seria a duração de um dado termopar, porque o envelhecimento

depende de uma série de fatores, entre os quais, podemos citar:-

- A temperatura, a atmosfera do ambiente, o tubo de proteção, o diâmetro dos fios, etc..

No que tange aos diâmetros dos fios do termopar, pode-se dizer que os termopares do fio

grosso se envelhecem mais lentamente do que os construídos de fio fino. No que tange a

atmosfera, sua importância é capital no envelhecimento de termopares. Por exemplo, um termopar

de platina-rodiada-platina, em alta temperatura é ateado por uma atmosfera redutora, sendo

necessário, em alguns casos, manter uma corrente de ar para o material do poço de proteção.

No que concerne ao tubo de proteção vimos que deve ser escolhido com bastante cuidado.

Sua principal qualidade será a estanqueidade e a sua inércia química. No que concerne à

temperatura, é também de importância capital sem valor no tocante ao envelhecimento do termopar.

Por exemplo, para temperaturas inferiores à 700ºC os termopares tipo K e J envelhecem muito

lentamente, o mesmo ocorrendo com o termopar tipo R e S, para temperaturas inferiores a 1.100ºC.

Neste caso, por exemplo, se a temperatura ultrapassa de muito este valor, se produzirá

uma auto-contaminação do termopar (o ródio se evapora) lentamente alterando as características

do termopar.

Como exemplo apenas, a duração de termopar de Ferro-constantan (T) em um ambiente

contendo ar a 750ºC é de aproximadamente 1.000 horas. Esta duração é também de um termopar

de Cromel-Alumel (K) colocado no mesmo ambiente com o ar à 1.100ºC X 1.000 horas.

Controle dos Termopares

O controle se efetua visando determinar se as características dos termopares estão dentro

dos padrões estabelecidos. Diversos métodos podem ser usados na aferição dos termopares:

1º) Método de comparação com um termopar padrão:


______________________________________________________________________________ 61

Esta comparação efetua-se colocando dois termopares na mesma temperatura e

comparando a F.E.M. fornecida por ambos. Isto pode ser levado a cabo no próprio local, ou então

em um laboratório por meio de um forno especial para testes. evidentemente o segundo

procedimento é de maior precisão.

2º) Método de fusão de um fio de ouro:-

Corta-se a junção do termopar e se solda entre a extremidades um fio de ouro de

aproximadamente 0,3mm por 10mm de comprimento. Leva-se a um forno onde será aquecido

gradativamente até o ponto onde se funde o ouro (1.063ºC), registrando-se então a F.E.M.

correspondente a este ponto.

3º) Outros métodos:-

Método de comparação entre dois termopares de mesma natureza. O termopar em teste é

associado em oposição a um termopar padrão do mesmo material. Aquece-se o conjunto e observa-

se a F.E.M. desenvolvida que deverá ser nula no caso dos termopares serem iguais. Neste caso, a

F.E.M. desenvolvida acusará diretamente o desvio do termopar em teste.

Inércia dos Termopares - Erro Dinâmico

Inércia dos Termopares

Os fatores que influenciam no tempo de resposta dos termopares são:

- Capacidade térmica do termopar;

- Condutividade térmica do termopar;

- A relação superfície/massa do termopar;

- O coeficiente de transferência de calor entre o fluído e a superfície do termopar;

- A capacidade térmica do fluído que envolve o termopar.

O poço de proteção tem um papel preponderante no tempo de resposta do termopar. O

espaço morto entre a junta de medição e o poço, afeta o tempo de resposta do termopar. Existem

alguns processos para reduzir o retardo devido a este espaço morto, como:

1 - Junta de medição soldada ao poço.

2 - Óleo entre a junta de medição e o poço.

3 - O poço como elemento do termopar (Fe-Const.).

O poço quando montado verticalmente traz uma desvantagem adicional, forma-se no

interior do poço corrente de conversão no sentido da junta de medição para o cabeçote, evita-se o

fenômeno, não permitindo espaços vazios que permitem a circulação da massa gasosa.

No caso de medição de altas temperaturas, o tempo de resposta é sensivelmente reduzido

a medida que a temperatura sobe devido à troca de calor por radiação e depende da quarta

potência da temperatura, absoluta. Por exemplo, colocando-se um termopar em um ambiente a


______________________________________________________________________________ 62

250ºC, levará 5,7 min para se obter o equilíbrio. Se colocarmos em um ambiente igual, porém, à

950ºC, o tempo será reduzido a 1,7 min.

Erro Dinâmico e Retardo:-

Se a temperatura de um ambiente (ex.: Forno), aumenta e diminui a uma velocidade

constante, o termopar acusará um retardo constante sobre a temperatura. Conclui-se que um

instante dado a medição apresenta um erro chamado "erro dinâmico".

4.11.FIOS E CABOS DE EXTENSÃO E DE COMPENSAÇÃO

Os fios utilizados normalmente na confecção de termopares, são geralmente dispendiosos

devido ao custo da matéria prima (platina, ródio, cromo e níquel) utilizada e ao critério na

composição das diversas ligas. Geralmente, não é possível manter a junta de referência junto ao

ponto de medição mormente nas instalações industriais, devido às condições do local de medição

serem inadequadas.

Fios são condutores formados por um eixo sólido e cabos são condutores formados por um

feixe de condutores de menor diâmetro.

Fios e cabos de extensão

São condutores formados com as mesma ligas dos termopares a que se destinam,

apresentando a mesma curva de F.E.M. por temperatura. Apresentam custo inferior pois sua

composição química não é tão homogênea quanto a do termopar, limitando sua exposição a

temperaturas altas como do termopar.

Fios e cabos de compensação

São fabricados com ligas diferentes dos termopares a que se destinam, mas também

apresentam a mesma curva F.E.M.x temperatura dos termopares. Usados principalmente com

termopares nobres tipos (R e S), pois é economicamente inviável construir fios de extensão de

Platina. Os fios de compensação são fabricados normalmente sob a forma de um cabo de dois

condutores.

Os dois condutores são isolados individualmente recebendo posteriormente uma isolação

externa comum podendo em alguns casos possuir uma blindagem metálica externa (shield). Os

materiais mais empregados na isolação são:

borracha, PVC, fibra de vidro, amianto, silicone e teflon.

Ligação dos Fios de Compensação


______________________________________________________________________________ 63

Apesar da aparente facilidade da ligação dos fios de compensação, esta operação pode

trazer surpresas para o elemento despreparado, o motivo reside no fato de não haver uma

padronização dos códigos de cores dos fios de compensação.

É importante que se os fios de compensação forem ligados invertidos à FEM resultante irá

depender das duas temperaturas nos extremos dos fios de compensação. Quanto maior for a

diferença entre as temperaturas deste dois pontos, maior será o erro. No caso de serem iguais, o

erro será nulo (metal intermediário).

5.TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA

5.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O princípio de medição de temperatura por meio de termômetros de resistência, repousa

essencialmente sobre a medição de variação da resistência elétrica de um fio metálico em função

da temperatura. A relação matemática entre a resistência de um condutor e sua temperatura é dada

pela fórmula aproximada:

R = Ro (1 + αt) Equação nº1

Onde: R = resistência à tºC.

Ro = resistência à 0ºC.

α = coeficiente de variação de resistência do metal com a temperatura.

t = temperatura.

Esta fórmula nos diz que a resistência varia linearmente com a temperatura, porém a

rigor o coeficiente de variação de resistência (α) muda de valor para cada faixa de temperatura, o

que limita o uso da fórmula apenas para pequenas variações de temperatura.

A relação matemática mais geral é a seguinte:-

R = Ro (1 + α1t + α2t2 + α3t

3 + ... + αntn)

Onde: R = resistência à tºC.

Ro = resistência à 0ºC.

α1, α2, α3, αn = coeficiente de variação de resistência do metal.

t = temperatura.

Podemos observar que os termos do 2º grau e maiores (α2t2,α3t

3...) contribuem para não

linearidade da relação, sendo que quanto maior o valor das constantes dos termos de 2º grau para

cima, maior o afastamento da linearidade.


______________________________________________________________________________ 64

5.2.TIPOS DE BULBOS DE RESISTÊNCIA - CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS

O tipo de metal utilizado na confecção de bulbos sensores de temperatura, deve possui

características apropriadas, como:

- Maior coeficiente de variação de resistência com a temperatura (α1, α2, ... αn), quanto maior o

coeficiente, maior será a variação da resistência para uma mesma variação de temperatura,

tornando mais fácil e precisa a sua medição.

- Maior resistividade, isto é, para pequenas dimensões de fio uma alta resistência inicial.

- Estabilidade do metal para as variações de temperatura e condições do meio (resistência à

corrosão, baixa histerese, etc.).

- Linearidade entre a variação de resistência e a temperatura, produzindo escalas de leitura de

maior precisão e com maior comodidade de leitura.

5.3.TIPOS DE METAL UTILIZADOS E FAIXA DE UTILIZAÇÃO:-

Os metais utilizados com maior freqüência na confecção de termo resistência são:-

- platina (Pt)

- níquel (Ni)

- cobre (Cu)

Para pequenas faixas de temperatura um coeficiente médio α, variação de resistência,

pode ser utilizado. Porém, para faixas mais amplas, necessita-se a introdução dos coeficientes de

ordem superior, para uma maior aproximação à curva real de radiação R versus T.

Por exemplo, no caso da Platina, dois coeficientes são suficientes até a temperatura de

649ºC, esta relação é quadrática e se afasta da relação linear em aproximadamente 7% no valor

máximo.

Para Cobre, são necessários três (3) constantes válidas até a temperatura de 121ºC.

Apesar das três constantes, a relação entre a resistência e a temperatura é sensivelmente linear

(pequenos valores de α1 e α2).

Três constantes são necessárias para o Níquel na faixa usual da temperatura, sendo a

relação sensivelmente não linear.

A faixa de utilização aproximada dos três metais é mostrada a seguir:-

PLATINA - faixa - 200 à 600ºC (excepcionalmente 1200ºC) - Ponto de Fusão 1774ºC.

NÍQUEL - faixa - 200 à 300ºC - Ponto de Fusão 1455ºC.

COBRE - faixa - 200 à 120ºC - Ponto de Fusão 1023ºC.


______________________________________________________________________________ 65

5.4.TIPOS DE CONSTRUÇÃO

Normalmente a termoresistência é constituída de um fio muito fino, enrolado sobre um

suporte isolante que poderá ser de mica, vidro ou cerâmica. Este conjunto é isolado e encapsulado

em vidro ou cerâmica, tornando a resistência assim constituída, isolada do meio ambiente.

O termo elemento pode ser protegido por uma fina capa metálica e será utilizado dentro

do poço de proteção.

ENROLAMENTO DE PLATINA VIDRO, QUARTZO OU CERÂMICA

TERMINAIS DE PRATA OU COBRE

ENROLAMENTO DE NÍQUEL

CARRETEL DE MICA, CELERON

Fig.30

As extremidades dos fios de resistência são soldados em fios de prata ou cobre, que por

sua vez vão ter a um bloco terminal existente no cabeçote do poço de proteção. Em casos especiais

são fabricados termo resistências duplas no mesmo conjunto, seja para maior segurança ou para

acionar simultaneamente dois ou mais dispositivos de medição e/ou controle.

No caso de baixas temperaturas, melhora-se a condução de calor do poço para a termo

resistência, pressurizando-se o mesmo com um gás bom condutor de calor (hélio).

Simultaneamente esta prática protege os dispositivos contra condensações internas que poderiam

afetar a resistência da sonda.


______________________________________________________________________________ 66

5.5.TEMPO DE RESPOSTA E PRECISÃO DAS TERMORESISTÊNCIAS

Precisão

A precisão dos termômetros de resistência, quando corretamente instalados, é grande,

pode atingir a ± 0,01ºC. Normalmente as sondas utilizadas industrialmente apresentam uma

precisão de ± 0,5ºC. No Brasil usa-se normalmente a norma DIN-iec 751/85 que estabelece para

termômetros de resistência de platina o valor de 100,00Ω a 0ºC, e de 138,50Ω a 100ºC.

Tempo de Resposta

O tempo de respostas depende, como em todos tipos de termômetros já citados, da

massa do poço de proteção, da transmissão de calor entre o fluído e o poço, entre o poço e a termo

resistência e da própria temperatura medida.

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10

LÍQUIDO

AR

%

TEMPO(MIN)1 2 3

Fig. 31

Outros valores utilizados de resistência são:-

- Platina - 50Ω a 0ºC, 10Ω à 0ºC.

- Níquel - 100Ω à 0ºC, 120Ω à 0ºC, 300Ω à 0ºC (muito variável).

- Cobre - 10Ω à 0ºC, 25Ω à 20ºC.

5.6.TERMISTORES

É o nome dado a elementos semicondutores normalmente óxidos metálicos aglutinados

à alta temperatura. As características principais dos termistores são:

- Sua alta resistividade possibilitando a construção de elementos da massa diminuta.

- Elevado coeficiente de variação de resistência possibilitando a construção de termômetros com

faixa de utilização bastante estreita.


______________________________________________________________________________ 67

Nota:- O coeficiente de variação de resistência dos termistores alcança normalmente 8 a 10 vezes o

valor dos metais comuns.

- Sua robustez e durabilidade praticamente ilimitada.

A relação matemática entre a temperatura e a resistência é dada pela fórmula:

R = a . eb/t

Onde: R = é a resistência à temperatura t.

a e b = são parâmetros característicos de cada termistor.

e = base dos logaritmos neperianos (e=2,718)

t = temperatura absoluta (K).

Desta equação podemos concluir que:

1. O coeficiente de resistência do termistor é negativo, isto é, a resistência diminui com o aumento

de temperatura como mostra a fig. 32.

20

40

60

80

100

C

RESISTÊNCIA KΩ15 30

120

140

70

o

Fig. 32 - Curva R x T de um Termistor (FENWALL K 1382)

2. A relação entre a temperatura e as resistências não é linear e sim logarítmicas (vide fig. 40).

A faixa de utilização dos termistores está usualmente entre -80 e 700ºC. Sua aplicação

mais notável é no controle de temperatura de ambientes aquecidos por resistências elétricas (por

exemplo) a câmara de análise de um analisador, devido a sua alta sensibilidade e pequena inércia

térmica pode comandar o circuito de aquecimento, e manter a temperatura dentro de uma faixa de ±

0,02ºC.

Quanto a sua forma a fig. 33 mostra algumas típicas.

Fig.33


______________________________________________________________________________ 68

5.7.MEDIDORES DE TEMPERATURA POR TERMORESISTÊNCIA

5.7.1PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO BÁSICO

A medição de temperatura por meio de termoresistência consiste em se medir a

resistência do sensor e traduzi-la em uma escala de temperaturas.

Teoricamente o circuito apresentado na fig. 34, proporcionaria as indicações de

temperatura procurada na termoresistência Rx, medindo-se a corrente (i) que circula no circuito e

medindo-se Rx através da lei de Ohm.

mA

r

Rx

E

Fig.34 - Circuito Elementar para Medição de Rx

Rx = E

i - r

Onde: Rx = resistência do sensor de temperatura.

r = resistência do circuito.

E = bateria de alimentação.

Conhecendo-se a relação entre Rx e a temperatura do mesmo, pode-se, baseado na

equação do circuito acima, calibrar o miliamperímetro em valores de temperatura. Embora

tecnicamente correto este circuito não é usado na prática, pois apresenta uma série de

inconvenientes quais sejam:-

- A corrente no circuito depende das resistências associadas (fios de ligação, miliamperímetro,

fonte).

- A corrente no circuito depende da tensão de alimentação (E).

- A escala não seria linear.

5.7.2.TIPOS DE CIRCUITO DE MEDIÇÃO UTILIZADOS

Podemos classificar os medidores nos seguintes tipos:-

1. Circuito em ponte.

2. Circuito elementar com bobina de compensação (sistema de galvanômetro à bobinas cruzadas).

5.7.3.CIRCUITO EM PONTE

O circuito de medição em ponte é o mais utilizado na medição de resistência e

consequentemente na medição de temperatura. Existem dois tipos principais:-

1º Tipo:- Medição por ponte não equilibrada

A ponte de medição mais utilizada é usualmente a de WHEASTONE, como mostra a fig. 35.


______________________________________________________________________________ 69

G

B

A

R1

R2 R3

R4

RE

E

+

-

Fig. 35 - Ponte de WHEATSTONE

O equilíbrio da ponte é atingido quando R1 . R3 = R2 . R4 . Conhecendo-se R3 podemos

deduzir o valor de R4 , isto é, o seu valor Ôhmico.

R1 . R3 = R2 . R4 (se R1= R2).

R3 = R4

Ligação a dois fios

As resistências RL são resistências de fiação e ambas estão em série com R4. A

resistência aumenta quando a distância do sensor até o instrumento for maior, a temperatura for

maior e a bitola do fio menor.

R1 . R3 = R2 . (RL + RL + R4)

G

B

A

R1

R2 R2

R4

RE

E

+

-

RL

RL

Fig.36

R3 = RL +. RL + R4


______________________________________________________________________________ 70

RL +. RL dependendo de seus valores podem induzir graves erros em medições de temperatura com

termoresistências.

Ligação a três fios

Quando a ligação entre a termoresistência e o instrumento for grande, usa-se o sistema

de ligação compensado com três fios I (Sistema SIEMENS) como mostra a figura 37.

GC

B

D

A

R1

R2 R3

R4

RA

E

+

-

RL

RL

RL

Fig.37

É o método mais utilizado nas indústrias. Esta configuração faz com que a alimentação

fique o mais próximo possível do sensor.

R1 . (R3 + RL )= R2 . (R4 + RL)

R1 = R2

Como os fios de ligação são do mesmo tipo, possuem o mesmo comprimento e diâmetro

e estão na mesma temperatura, então:

RL=RL

R3 = R4

Conhecendo o valor de R3 tem-se o valor do sensor e consequentemente consultando a

tabela, obtemos a temperatura. O terceiro fio atua somente como condutor de compensação, não

influenciando nos cálculos de medição da resistência. A integridade da medição de uma ligação de

três fios pode ser mantida somente se a ponte for balanceada.


______________________________________________________________________________ 71

Ligação a quatro fios

VSENSOR

CONDUTORES DE TENSÃO CONDUTORES

DE CORRENTE

FONTE DE CORRENTE

Fig.38

Esta ligação é utilizada em medições de laboratório e esporadicamente na indústria, pois requer 2

medições e um cálculo para o resultado.

6.PIROMETRIA DE RADIAÇÃO

6.1.INTRODUÇÃO

Medidas de temperatura de corpos aquecidos através da radiação emitida, tem sido

largamente empregadas no processamento industrial. Não há contato direto com o corpo cuja

temperatura está sendo medida e há uma relativa independência quanto à distância ao elemento

detetor de radiação. O corpo pode estar em repouso ou em movimento, o que torna o método

particularmente aplicável em processos contínuos (fornos rotativos, laminação, etc.).

Temperaturas acima de 1500ºC (limite superior de uso de termopares de Pt-Pt, Rh) são

comuns nas indústrias e, apesar dos progressos na técnica da fabricação de novos tipos de

termopares como V-V74 Re26 ou Ir40 Rh60 que estendem o intervalo de aplicação dos termopares

acerca de 2000ºC ou mais, os pirômetros de radiação ocupam um lugar definido na pirometria e não

têm, em princípio, limite superior de temperatura.

A Escala Prática Internacional de Temperatura de 1948 é definida, acima de 1063ºC

(ponto de ouro), por uma equação que relaciona a energia radiante por um radiador perfeito (corpo

negro) com a temperatura (Lei de Planck).

Sérias causas de erro devem ser consideradas na aplicação, sendo claro que o seu

conhecimento, bem como das precauções que se impõem para tornar os seus efeitos, são

condições indispensáveis ao bom êxito da medida.


______________________________________________________________________________ 72

6.2.HISTÓRICO

As primeiras tentativas de correlacionar a radiação térmica emitida por um corpo

incandescente com a temperatura tiverem como objetivo a determinação da temperatura do sol

(Piroheliômetro de Pouillet-1838).

O processo consistia essencialmente em receber os raios solares num calorímetro e,

aplicando a Lei de Dulong-Petit (J = aT, onde J é a energia térmica recebida , a é a constante do

aparelho e T a temperatura da fonte), calcular T.

Poillet obteve 1300ºC. Voulle (1879) utilizando a mesma lei, porém modificando o

processo, achou 1500ºC a 2500ºC. Secchi, aplicando a lei de Newton (J = a(t1 - to) ao mesmo

processo, chegou a um valor de vários milhões de graus. Roselti (1879) utilizou a termopilha

produzida por Hobili e Melloni (1879-1834) que consistia de tiras alternadas de Bismuto e antimônio,

desenvolvendo uma nova relação entre a energia radiante e a temperatura da fonte, chegando por

extrapolação a um resultado de 10.000ºC. O valor presentemente aceito é de cerca de 5700ºC.

Somente com a formulação por Stefan em 1879 da lei da radiação total de um corpo

negro e a fundamentação teórica por Boltzmann (1884) a medida de temperatura por radiação foi

posta em bases satisfatórias.

O aperfeiçoamento técnico nas termopilhas permitiram no início do século XX a

aplicação do processo à determinação de temperaturas terrestres (1902). Daí por diante, verificou-

se um contínuo desenvolvimento e generalização do uso dos pirômetros de radiação e de

pirômetros óticos na indústria.

6.3.RADIAÇÃO TOTAL - EMITÂNCIA - LEI DE STEFAN - BOLTZMANN

Todos os corpos, em virtude da energia térmica que possuem, emitem energia radiante

em suas superfícies. A energia radiante é emitida em forma de ondas eletromagnéticas, cujos

comprimentos da onda se estendem desde o ultravioleta ao infravermelho (0,001 a 100 micra)

compreendendo o intervalo visível (0,38 a 0,78 micra).

Dois corpos A e B sendo A o mais quente, emitem e absorvem radiação e há

transferência de energia de A para B, pois A emite mais do que absorve. Todos os processos

radiantes são deste tipo, isto é, são processos de intercâmbio de radiação.

6.4.CORPO NEGRO

Chama-se corpo negro ou radiador perfeito, um corpo que absorve toda a radiação que

sobre ele incide, emitindo por sua vez, energia em todos os comprimentos de onda, com máximo

em comprimento de onda é função de sua temperatura.

Um corpo opaco, que não se enquadra no conceito do corpo negro, reflete parte da

energia que sobre ele incide. Chamando "a" e "r" os coeficientes de absorção e reflexão,

respectivamente, temos:-


______________________________________________________________________________ 73

a + r = 1 (1)

O conceito de radiador perfeito define o conceito de emitância como a relação entre a

radiação total emitida por um corpo e a que seria emitida se tratasse de um radiador perfeito, à

mesma temperatura.

Quando a definição acima se refere a uma faixa estreita de comprimentos de onda

(radiação monocromático), dá-se a denominação emitância espectral, em contraposição ao caso

acima referido em que a emitância é total.

Kirchoff foi o primeiro a expressar as trocas radiantes em termos matemáticos.

Considerou um pequeno corpo colocado no interior de um recinto fechado de grandes dimensões

cujas paredes tem temperaturas uniforme T. Estabelece-se um regime estacionário de transferência

de radiação: corpo ® ¬ paredes.

Uma superfície com área unitária do corpo, receberá por unidade de tempo, energia

radiante E, da qual absorve a.E e reflete r.E.

Estando o corpo à mesma temperatura T que as paredes, deve verificar-se a condição:

a . E = r .E

Onde:

a = r (2)

Onde: e é a emitância total do corpo.

Se r = 0, isto é, se o corpo é um radiador perfeito, das equações (1) e (2), conclui-se que:

e = 1

A cavidade representada pelo recinto fechado, também, se comporta como um radiador

perfeito, independente da natureza das paredes. Se pudéssemos colocar um pirômetro no interior

do recinto, poderíamos determinar a intensidade da radiação e, consequentemente, a temperatura.

Na prática, obtém-se uma aproximação razoável, fazendo uma cavidade, na parede de

um forno, por exemplo, e localizando o pirômetro para o fundo da mesma. A profundidade do furo

deve ter menos cinco vezes o diâmetro.

6.5.LEI DE STEFAN BOLTZMANN

A lei de Stefan Boltzmann estabelece que a radiação total por unidade de área e por

unidade de tempo de um radiador perfeito é proporcional à quarta potência da sua temperatura

absoluta.

W = . T 4σ (3)

Onde: W = fluxo radiante por unidade de área (f / A).

T = temperatura absoluta (ºK).


______________________________________________________________________________ 74

σ = constante de Stefan-Boltzmann: 5,77 . 10-5 erg/seg.cm2.ºK4 ou 5,77 . 10-12

watt/cm2.ºK4.

Para o fluxo radiante teremos:- φ = A . T4 (4)

A conseqüência imediata é que, quando um corpo negro de área A e temperatura T é

posto num recinto cujas paredes estão à temperatura To, (T >To) perderá por radiação:-

φ = A . (T4 - To4)

Tratando-se de um corpo com emissividade total e, teremos:-

φ = ∆ . e . A . (T4 - To4) (5)

Se To é pequeno em relação a T, a equação pode ser reduzida a:-

φ = ∆ . e . A . T4 (6)

Exemplo:

To = 350ºK T4 → To4 (mais de 1000 vezes)

T = 2000ºK

Tal não acontece se T = 700ºK, no exemplo acima, pois neste caso, T4 é somente 16

vezes maior.

6.6.MEDIÇÃO DE TEMPERATURA

6.6.1.PRINCÍPIO

Como conseqüência da lei de Stefan-Boltzmann, é possível medir a temperatura de um

corpo pela medida do fluxo radiante emitido por ele. Isso é feito, concentrando o feixe radiante sobre

uma superfície absorvente (corpo negro), o detetor, o qual é aquecido pela radiação incidente. A

temperatura do detetor subirá até atingir um equilíbrio com o meio ambiente (perdas por radiação,

convecção e condução).

Na maioria dos pirômetros de radiação, o equilíbrio é atingido antes que a temperatura

ultrapasse em 40ºC a temperatura ambiente, mesmo quando a fonte é incandescente.

Toda variação na temperatura da fonte resulta, portanto, numa variação na temperatura

do detetor mas de magnitude muito menor, tão pequeno que justifica a aplicação da lei do

resfriamento de Newton.

Chamando T1 e T2 nas temperaturas inicial e final da fonte e t1 e t2 as correspondentes do

detetor:

T24 - T1

4 = K (t2 - t1) (7)

Embora ∆t < ∆T, sua taxa de crescimento é quatro vezes maior, exigindo que o detetor

seja bastante sensível.


______________________________________________________________________________ 75

O detetor mais comumente usado é a termopilha, montada com as junções quentes em

contato com um disco metálico enegrecido. Outros detetores possíveis: termômetro bimetálico,

termômetro de gás, tira de Pt enegrecida, formando um dos braços de uma ponte de Wheststone.

As junções de referência ficam isoladas da radiação incidente. A força termoeletromotriz

e será função da diferença da temperatura entre as junções:-

e = K . ∆t = K1 . T4

Determinado o valor de e para valor conhecido de T, podemos obter, experimentalmente,

a função:- T = f(e).

Esta é a base da pirometria de radiação total.

6.6.2.CRÍTICA

a) Na realidade e não é função linear de ∆t.

b) A junção fria da termopilha é usualmente projetada de modo a ficar bem próxima da junção

quente. A posição adjacente das duas, assegura que ambas sejam igualmente afetadas por

variações na temperatura ambiente.

O uso de fios extremamente finos para os termopares, reduz as perdas por condução,

daí o uso de cromel (+) constantan (-), que oferecem excelentes propriedades de resistência

mecânica e choques e vibrações, além da baixa condutividade térmica e boa estabilidade química (8

- 10 pares em série asseguram sensibilidade adequada).

Se a compensação da junção fria se faz necessária, um dos processos consiste em ligar

um shunt de níquel entre os terminais de termopilha na região da junção fria. O circuito equivalente

é:-

r

rt

E

+-

i

+-

Fig. 39- Compensação da Junta Fria

e = F.E.M. da termopilha

rt = resistência interna da termopilha

rs = shunt de níquel

À temperatura t1 da junção fria a corrente i no circuito é:-

i =e

rt + rs

E a queda do potencial em rs:

es = rs . e

rt + rs (9)


______________________________________________________________________________ 76

Se a temperatura da junção fria sobe para t2 . rt permanece aproximadamente constante

e rs, que tem coeficiente positivo de temperatura, cresce a rs + ∆rs, ao mesmo tempo em que a

tensão de saída cai de e para e - ∆e. A corrente i' será agora:-

i'= e - e

r + r + t s rs

∆∆

E a queda de tensão em rs + ∆rs será:-

e' =(r + r ) . (e - e)

r + r + Dr

ss s

t s s

∆ ∆(10)

As condições de compensação são expressas por:- es = e's

Comparando (9) e (10), teremos:-

rs . e

r + r =

(rs + rs) (e - e)

r + r + r

t s t s s

∆ ∆∆

Conhecendo-se rt, e = f(t) e rs = f(t), calcula-se o valor de r3 pela equação (11).

Nota:- Na realidade rt não é invariável mas sua variação é desprezível frente à de rs.

c) A crítica mais importante deriva do fato de que a radiação que atinge o detetor não é negra e a lei

de Stefan-Boltzmann, não é obedecida. Isto resulta de uma absorção seletiva de radiação pela

atmosfera, janela de quartzo, aparelhos ou lentes e pelo próprio detetor.

Em vez de W = σ . T4 (12), a energia absorvida pelo detetor seria da forma:

W = σ . T4 (12)

Burgers e Foots do N.B.S., testaram 22 instrumentos e encontraram:- 3,28 < n < 4,26

O valor de n tende a crescer, quanto T cresce. a curva T = f(e) é levantada

experimentalmente para cada pirômetro, que traz gravado o valor de e corresponde à visada e um

corpo negro na temperatura limite de um intervalo de calibração (valor utilizado para correção de

emitância).

Note-se que o erro em temperatura é menor que o da medida de energia. Diferenciando

a expressão (12), teremos:-

dW = n . σ . Tn-1 . dT

Dividindo membro a membro por (12), vem:

dW

W = n .

dT

T

(13)


______________________________________________________________________________ 77

Assim, se n = 4, um erro devido à emitância 0,9 ao invés de 1,0, resulta num erro em

temperatura de 1/4 - 10% = 2,5%.

6.7.ÓTICA DOS PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO TOTAL

Se fosse possível, a termopilha seria exposta diretamente à radiação da fonte quente e

as junções frias seriam mantidas a temperatura constante por um sistema adequado de

resfriamento. A superfície emissora teria de ser lisa, infinita e com temperatura uniforme. O ângulo

sólido seria 2prd e a temperatura da junção quente da termopilha independente da distância à fonte.

Uma vez que as dimensões da superfície emissora são finitas, o fluxo radiante que

atinge o detetor é reduzido e, para uma dada área da superfície emissora, a resposta da termopilha

será função da distância, isto é, do ângulo sólido subtendido.

A solução é limitar, por meio de um diafragma com cobertura circular, o ângulo sólido e a

radiação que atinge o detetor será independente da distância, desde que a base do cone AA' (fig.

73) seja inteiramente coberta pela superfície emissora.

LIMITAÇÃO:- Se o detetor fica relativamente afastado, a área emissora deverá ser muito grande. se

fecharmos o diafragma, o detetor deverá ser demasiado sensível.

DETETOR

DIAFRAGMA

A

A'

0

Fig.40- Ação do Diafragma no Pirômetro

6.7.1.MONTAGEM COM LENTE

A lente focaliza a imagem do alvo na abertura do diafragma. Isto significa que as

distâncias da superfície emissora e do plano do diafragma à lente devem satisfazer à questão dos

focos conjugados:-

1

p =

1

p' =

1

f

Tanto a lente como o diafragma podem ser ajustados: a lente para focalização e o

diafragma para variar a sensibilidade.

A lente é confeccionada com vários tipos de material, conforme o intervalo de

temperatura em que irá operar. O Brown radiamatic (minneapolis Honeywell) utiliza lentes de


______________________________________________________________________________ 78

fluoreto de cálcio para 400 - 1200ºF, de silica fundida para 1000 - 2000ºF e de Pyrex para 1500 -

3200ºF em diante.

LENTE

ENERGIARADIANTE

DETETOR

DIAFRAGMA

Fig. 41- Pirômetro de Radiação Refrator

A principal restrição ao uso de lentes reside no fato que o índice de refração varia com o

comprimento de onda da radiação incidente e consequentemente a distância focal. A imagem sai

colorida (aberração cromática) e não bem focalizada. Há ainda a absorção seletiva pelo material da

lente de certos comprimentos de onda.

Apesar desses inconvenientes, o pirômetro com lente é muito útil para aplicação em

alvos pequenos. A uma distância de 24" uma superfície de uma polegada de diâmetro é suficiente

(narrow angle).

6.7.2.MONTAGEM COM ESPELHO

Ao invés da lente, pode-se usar um espelho esférico côncavo (de aço inoxidável ou vidro

aluminizado) com o inconveniente antes apontado de que o ângulo sólido é grande (wide angle).

JANELA TRANSPARENTE

PROTETOR

DIAFRAGMA

ENERGIA RADIANTE

ESPELHO

fig.42

6.7.3.MONTAGEM COM DUPLO ESPELHO


______________________________________________________________________________ 79

É o tipo mais aperfeiçoado, conjugando as vantagens dos dois sistemas anteriormente

examinados (fabricado por Leeds & Northrup Company).

ENERGIA RADIANTE

ESPELHO

ESPELHO

DIAFRAGMA

fig. 43- Pirômetro de Radiação Refletor (2 Espelhos)

A radiação entra pela janela A de quartzo, é refletida pelo espelho B, cujo foco está na

abertura do diafragma, é re-refletida pelo espelho C (de maior curvatura) e atinge o detetor D, onde

a imagem se forma.

Pela lente do visor pode-se focalizar com precisão. A superfície do diafragma é recoberta

com uma leve camada de óxido de magnésio que provoca uma reflexão difusa suficiente para

permitir a observação da imagem do alvo, a qual deverá cobrir a abertura do diafragma (não há

aberração cromática e a aberração esférica é muito pequena).

É evidente que a estrutura interna intercepta parte da radiação incidente. Cerca de 25%

da área do espelho B é coberta pela imagem do espelho C (para feixe paralelo). A diminuição de

sensibilidade de resultante não tem maior importância.

Para temperaturas acima de 2000ºF por efeito de absorção da janela de quartzo, o

expoente de expressão de Stefan Boltzmann é aproximadamente 5 para 1/16" de espessura da

janela.

6.7.4.DISTÂNCIA E DIMENSÕES DO ALVO

A resposta de um pirômetro de radiação independe da distância do alvo, desde que o

sistema ótico esteja inteiramente coberto.

As dimensões do alvo são usualmente expressas em termos do diâmetro de um circuito

equivalente situado em plano perpendicular ao eixo ótico. Além de certas distâncias mínimas

permissíveis, define-se uma relação denominada:

fator de distância = distância do alvo (14) diâmetro mínimo de alvo

Na maioria das medidas industriais, o fator de distância estará na região 20.1 a 24.1.

Tipos "wide angle" tem naturalmente valores menores, da ordem de 7.1.


______________________________________________________________________________ 80

6.7.5RE-RADIAÇÃO DE ENERGIA PELAS LENTES, ESPELHOS, JANELAS

A re-radiação de energia pelas lentes, espelhos, janelas, etc., podem causar erro, a

menos que a temperatura interna do pirômetro seja homogênea. Nos casos em que a temperatura

apresenta um valor demasiado elevado ou variações violentas utiliza-se resfriamento a água ou ar.

6.7.6.CAUSAS DE ERRO E PRECAUÇÕES DE USO

Fumaça, poeira e gases absorvem radiação, diminuindo a temperatura aparente. SO2,

CO2, vapor d'água e amônia apresentam bandas de absorção nos comprimentos de onda usados

na pirometria.

Por outro lado, gases quentes, chama e carbono em alta temperatura contribuem para

aumentas a temperatura aparente. Nesses casos o único recurso é usar um tubo alvo (target tube)

fechado e cujo fundo é o alvo ou um tubo aberto, purgado com ar ou gás inerte, o que garante uma

linha de visada livre de meios absorventes.

O tubo alvo pode ser construído com uma variedade de materiais (silimanite, carbureto

de silício, inconel, níquel -cromo, ferro aço) e diminui, é claro, a velocidade de resposta, uma das

características mais favoráveis dos pirômetros de radiação.

6.7.7.TEMPO DE RESPOSTA

A velocidade de resposta dos pirômetros de radiação, é limitada pela termopilha. Quando

se deseja alta velocidade de resposta, as seguintes providências se impõem (com sacrifício de

sensibilidade):-

1º) Os fios dos termopares têm diâmetro muito pequeno.

2º) O número de junções é reduzido.

3º) O material de enegrecimento é diminuído, resultando um filme tão fino quanto possível.

Reduz-se desse modo a capacidade do detetor e tempos de resposta da ordem de 0,5 a

2 seg são atingidos.

6.7.8.TOLERÂNCIA

Em condições de laboratório a precisão estática da calibração é da ordem de ± 0,5%.

Na prática industrial esse valor é bastante aumentado por ação das causas de erro

apontadas.

7.PIROMETRIA ÓTICA

7.1.INTRODUÇÃO


______________________________________________________________________________ 81

Instrumentos designados como "pirômetros óticos" são aqueles que medem a energia

radiante emitida por uma superfície alvo em estreito intervalo de comprimentos de onda (faixa de

100A Å em torno de 6500Å, vermelho).

A medida que se baseia na grande sensibilidade que caracteriza o olho humano no que

concerne à distinção de nuanças de brilho. O processo consiste essencialmente em comparar o

brilho da imagem da superfície alvo com o brilho de um filamento incandescente (até que os dois se

confundem), medir alguma grandeza relacionada com o brilho (radiância espectral) de um dos

componentes e traduzir a medida em termos de temperatura. É o método do filamento evanescente,

adotado na Conferência Internacional de pesos e Medidas de 1927 (confirmando em 1948) para

definir a Escala Prática Internacional de Temperaturas acima do ponto de ouro, ou seja, 1063ºC.

7.2.LEI DE RADIAÇÃO DE PLANCK - LEI DE WIEN

A densidade de fluxo radiante emitido por um radiador perfeito (corpo negro) à

temperatura T numa Faixa de 100Å em torno de um comprimento de onda é dada pela Lei de

Planck.

Wl = C1

r

1

e

C2/ T λ λ − 1 (16)

Onde:- Wλ = erg/cm2 . seg 0,01 micron de zona espectral;

e = base neperiana;

C1 = 3,7403 . 109 erg/seg . cm2 . 0,01 micron de zona espectral;

C2 = 1,4384cm . ºK;

T = ºK.

A equação (16) fornece para cada valor de T a distribuição de energia em função de l.

Observa-se que a intensidade de radiação varia apreciavelmente com o comprimento de onda.

O máximo se desloca no sentido dos menores comprimentos de onda quando a

temperatura cresce.

O máximo de intensidade radiante é dado pela Lei do Deslocamento de Wien.

Quando T cresce, decresce proporcionalmente. Daí a variação observada na cor de um

corpo incandescente, a qual varia com o acréscimo de temperatura do vermelho sombrio para o

branco. Daí também o conceito de cor de temperatura num corpo negro.

Num pirômetro ótico a radiação da superfície alvo é focalizada por um meio de uma

objetiva num plano onde se encontra o filamento de uma lâmpada de tungstênio.

1 - alvo

2 - lente

3 - diafragma

4 - filtro absorvente (scren)


______________________________________________________________________________ 82

5 - lâmpada

6 - filtro vermelho

7 - lente objetiva (microscópio)

8 - diafragma

9 - lente ocular (microscópio)

10 - olho humano

109

8

76

5

4

32

1

Fig. 44- Pirômetro Óptico Monocromático

Para temperatura acima de 1300ºC, como veremos adiante, torna-se necessário interpor

um filtro (screen) para reduzir a radiância observada, protegendo assim o filamento da lâmpada

(menor temperatura). Através do conjunto de lentes 7 a 9 o olho humano compara as duas imagens

devidamente filtradas por 6 (6500Å).

Se o filamento aparece escuro no fundo vermelho sua temperatura é inferior à do alvo,

se destaca vermelho brilhante, está mais quente, o ponto procurado é aquele em que não se

consegue distingui-lo (filamento evanescente).

7.3.FILTROS ABSORVENTES (SCREENS)

O limite inferior das temperaturas mensuráveis com o pirômetro ótico é de cerca de

1400ºF (760ºC). A temperatura mais baixa a intensidade da radiação transmitida pelo filtro vermelho

é demasiadamente baixa para dar visibilidade adequada da fonte e do filamento.

O limite superior é determinado por dois fatores: deterioração do filamento e altas

temperaturas e o esforço visual (fadiga). O limite estabelecido é de 1250ºC. Para temperatura mais

alta, reduz-se o brilho aparente do alvo por meio de screens absorventes de vidro, colocados entre a

objetiva e o filamento da lâmpada. Para evitar refocalização do instrumento quando o alcance mais

baixo é usado um filtro transparente com vidro do mesmo índice de refração é interposto no

caminho ótico. A calibração da escala baixa é efetuada com este filtro em posição.

Desse modo pode-se obter dupla ou tripla escala com limites muito superiores aquelas

permissíveis para a lâmpada.

Exemplo:- Pirômetro ótico L & N nº 8626-0 com três escalas:-


______________________________________________________________________________ 83

1075 - 1750ºC

1500 - 2800ºC

2500 - 4200ºC

7.4.CAUSAS DE ERRO

Há em geral, dois fatores que interferem no uso do pirômetro ótico:-

a) O efeito de meios absorventes.

b) Emitância espectral da superfície-alvo.

Temperatura ambiente tem pouca influência na precisão. A distância entre o pirômetro e

o alvo não é crítica , desde que a superfície visada seja suficiente para "encher" o campo ótico.

a) O efeito de meios absorventes é o de baixar as leituras, pois o brilho aparente do alvo diminui por

efeito de absorção de radiação por gases, fumaça, poeiras, etc... Vapor d'água, CO e outros

gases absorvem radiação, especialmente ni infravermelho e, portanto, não influem sensivelmente

nas leituras, desde que a densidade ou concentração sejam relativamente pequenas.

b) A influência da emitância espectral da superfície alvo é a mesma que no caso dos pirômetros de

radiação total embora o afastamento das condições de corpo negro da medida monocromática seja

menor que no caso mencionado.


______________________________________________________________________________ 84

BIBLIOGRAFIA

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Measurement

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F HARRISON, Thomas R. - Principles for Applying the Brown Radiamatic Pyrometer Under Non-

Blackbody Condictione - Minneapolis Honeywell Regulador Company - Technical Bulletin TR-930-1-

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R.S.T. - December, 1939

F MILLER, J. T. - The Revised Course in Industrial Instrument Technology Instrument Pratise

February, 1964

DIKE, PAUL II - Temperature measurements with raytubes

Leeds & Northrup CO., 1953

ECKMAN, Donald P. - Industrial Instrumentation

John Willey - 1961

Adaptação feita a partir do material da Escola SENAI “Profº Euryclides de Jesus Zerbini” de São

Paulo

Engineering

Medição de temperatura