Variáveis Medidas
4.3. Medição de Temperatura Conceito
De tanto se afirmar que a temperatura é diferente de calor, ninguém mais os confunde. O calor é uma forma de energia e a
temperatura é uma grandeza física
fundamental. O calor adicionado a um corpo torna-o mais quente, a remoção de calor esfria- o. O calor também derrete os sólidos em líquidos e converte líquidos em vapores ou gases. A expansão é outro resultado do aquecimento. A energia do calor pode ser transformada em energia mecânica para produzir trabalho. Porém, o mais comum é que toda energia mecânica, elétrica ou química usada para produzir trabalho, também produza calor, por causa dos atritos e das perdas.
A temperatura é uma expresso que denota uma condição física da matéria, assim como a massa, a dimensão, o tempo, a luminosidade, a corrente elétrica, o mol e o radiano. A
temperatura é a medida de quanto um corpo está mais quente ou mais frio que outro. A temperatura não é uma medição direta do calor, mas é a medição do resultado do calor sensível. Quanto mais quente um corpo, maior é a sua temperatura e maior é o nível de calor do corpo. Dois corpos à mesma temperatura podem conter quantidades de calor diferentes e como conseqüência, dois corpos a
temperaturas diferentes podem conter a mesma quantidade de calor.
Unidades
A unidades de temperatura no SI é o kelvin (K). Na prática, usa-se o kelvin em trabalhos científicos e teóricos sendo aceito o uso do grau Celsius (oC) em aplicações comerciais e práticas. Não se deve usar o grau Fahrenheit (oF) ou grau Rainkine (oR).
Escalas de temperatura
A partir dos pontos notáveis arbitrários, foram estabelecidas várias escalas
1. Escala Celsius (oC), estabelece como zero o ponto de congelamento da água, como 100 o ponto de ebulição da água e divide o intervalo em 100 partes iguais, chamados graus Celsius.
2. Escala Farenheit (oF), ainda teimosamente usada nos países de língua e colonização inglesa. Farenheit estabeleceu o valor 32 para o ponto de
gelo da água do mar, +100 para a temperatura do corpo de sua mulher e dividiu o intervalo em 100 graus (Farenheit). Na prática, a relação de conversão é
(F−
)
C
=
32
9
5
As escalas Celsius e Farenheit são consideradas relativas. A escala Kelvin é considerada a escala absoluta. O grau Celsius tem o mesmo valor que o kelvin, porém as escalas são defasadas de 273,19 graus. Ou seja, 0 K corresponde a -273,19 oC; 273,19 K valem
0 oC; 1 273,19 K correspondem a 1 000 oC. A escala absoluta correspondente à relativa
Farenheit é a escala Rankine. O grau Rankine
tem o mesmo valor que o grau Farenheit, porém há uma defasagem de 459,61 oF nas escalas.
Fig. 4.5. Escalas de temperatura
Sensores de temperatura
Existem vários modos de se determinar a temperatura, incluindo o termômetro a gás, o termômetro paramagnético, o termômetro de radiação de Planck. Porém, são métodos para a determinação termodinâmica da temperatura e só possuem interesse científico e teórico e por isso, são restritos a laboratórios de pesquisa. 32 0 0 oC (K) oF (oR) 212 100 OC = (oF - 32)/1,8 F=1,8C+32 escala sensor 180 100
Variáveis Medidas
Em siderurgia e metalurgia, quando se tem altas temperaturas, são utilizados medidores de temperatura tipo radiação de energia. Alguns que utilizam o olho humano como detector e todos servem para medir temperaturas entre 1 200 e 3 000 oC. Há ainda pirômetros com detetores de infravermelho e com padrões de referência objetivos.
Em laboratórios, é comum o uso de termômetros de hastes de vidro. São tubos de vidro transparente, contendo um fluido no seu interior capilar. A dilatação do fluido é
proporcional à temperatura sentida no bulbo. São simples e baratos, porém são frágeis e fornecem apenas leitura local. São aplicados em laboratórios, oficina de instrumentação e para medição clínica da temperatura do corpo humano.
Os sensores de temperatura podem ser classificados, de um modo geral, em mecânicos e eletrônicos. Os sensores mecânicos mais usados são os seguintes:
1. bimetal
2. enchimento termal 3. haste de vidro
Os sensores elétricos mais usados são: 1. termopar
2. resistência metálica
3. termistores ou resistência a semicondutor Há ainda os pirômetros ópticos, para medição de temperatura sem contato direto.
Tab. 4.1. - Faixas e métodos de medição
Método Faixa de Medição, oC
Termopares -200 a 1700 Enchimento Termal -195 a 760 Resistência Detectora -250 a 650 Termistores -195 a 450 Pirômetros Radiação -40 a 3000 Bimetal
Os termômetros bimetais são usados para a indicação local da temperatura.
O princípio de funcionamento é simples dois metais com coeficientes de dilatação térmica diferentes são soldados formando uma única haste. à uma determinada temperatura, a haste dos dois metais está numa posição; quando a temperatura varia, a haste modifica a sua posição produzindo uma força ou um movimento.
As partes do termômetro a bimetal são 1. o sensor, em contato direto com a
temperatura
2. os elos mecânicos, para amplificar mecanicamente os movimentos gerados pela variação da temperatura, detectada pelo bimetal.
3. a escala acoplada diretamente aos elos mecânicos, para a indicação da
temperatura medida.
4. opcionalmente, pode-se usar o sistema de transmissão.
As vantagens do bimetal são o baixo custo, a simplicidade do funcionamento, a facilidade de instalação e de manutenção, as largas faixas de medição e a possibilidade de ser usado com os mecanismos de transmissão.
As desvantagens são a pequena precisão, a não linearidade, a grande histerese, a presença de peças moveis que se desgastam e, quando manuseados sem cuidado ou quando
submetidos a duro trabalho, a alteração da calibração.
Fig. 4.6. Bimetal
A principal aplicação para o termômetro a bimetal é em indicação local de temperaturas de processo industrial. É muito usado para controle comercial e residencial de temperatura associado a ar condicionado e refrigeração.
Enchimento Termal
O sistema termal de enchimento mecânico foi um dos métodos mais usados no início da instrumentação, para a medição de
temperatura. O método foi e ainda é, um meio satisfatório de medição da temperatura para a indicação, o registro e o controle locais. Seu uso não é limitado a leitura local ou controle, mas é utilizado para a transmissão pneumática para leitura ou controle remoto.
Os componentes básicos do sistema termal de enchimento mecânico são
1. o bulbo sensor, em contato com o processo.
2. o elemento de pressão, montado no interior do instrumento receptor, que
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pode ser um transmissor pneumático, um indicador, um registrador ou um
controlador, todos montados próximos ao processo .
3. o tubo capilar, ligando o bulbo ao elemento de pressão do instrumento. 4. opcionalmente pode haver o sistema de
compensação da temperatura ambiente. O sistema termal é ligado a um dispositivo de display, para apresentação do valor da temperatura.
Fig. 4.7. Esquema simplificado do sistema termal
Termopar
A medição de temperatura por termopar é uma das mais usadas na indústria,
principalmente em sistema com a seleção de multipontos.
Fig. 4.8. Sensor termopar
A junção do termopar gera um sinal de militensão ou uma força eletromotriz que é função dos seguintes parâmetros:
1. o tipo do termopar usado. As pesquisas são desenvolvidas para se encontrar pares de metais que tenham a capacidade de gerar a máxima militensão quando submetidos a temperaturas diferentes.
2. a homogeneidade dos fios metálicos. As instalações de termopar requerem inspeções periódicas para verificação do estado dos fios termopares. A degradação do termopar introduz erros na medição. 3. a diferença de temperatura nas junções.
Essa é a propriedade utilizada para a medição da temperatura.
O circuito de medição completo deve possuir os seguintes componentes básicos
1. o termopar, que está em contato com o processo. O ponto de junção dos dois metais distintos é chamado de junta quente ou junta de medição.
2. a junta de referência ou a junta fria,
localizada no instrumento receptor. Como a militensão é proporcional à diferença de temperatura entre as duas junções, a junta de referência deve ser constante. Como nos primeiros circuitos havia um recipiente com água + gelo, para manter a junta de referência em 0 oC, a junta de referência é também chamada de junta fria. Mesmo quando se mede temperatura abaixo de 0 oC, portanto quando a junta quente é mais fria que a junta fria, os nomes permanecem, por questões históricas. Atualmente, em vez de se colocar um pouco prático balde com água + gelo, utiliza-se o circuito de
compensação com termistores e resistências.
3. circuito de detecção do sinal de militensão, geralmente a clássica ponte de Wheatstone, com as quatro resistências de balanço. Na prática o circuito é mais complexo,
colocando-se potenciômetros ajustáveis no lugar de resistências fixas. Os ajustes correspondem aos ajustes de zero e de largura de faixa.
4. a fonte de alimentação elétrica, de corrente contínua, para a polarização dos circuitos elétricos de detecção, amplificação e condicionamento do sinais.
Fig. 4.9. Sistema de medição com termopar Existem vários tipos de termopares, designados por letras; cada tipo apresentando maior linearidade em determinada faixa de medição. Essa variedade de tipos facilita a escolha, principalmente porque há muita superposição de faixa, havendo uma mesma faixa possível de ser medida por vários termopares.
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Fig. 4.10. Curvas dos vários tipos de termopar
Os tipos mais utilizados comercialmente são 1. tipo J, de Ferro (+) e Constantant (-),
com faixa de medição até 900 oC. Para a identificação, o Fe é o fio magnético. 2. tipo K, de Cromel (+) e Alumel (-), para a
faixa de medição até 1.200 oC, sendo o Cromel levemente magnético.
3. tipo T, de Cobre (+) e Constantant (-), para faixa até 300 oC. É fácil a
identificação do cobre por causa de sua cor característica.
4. tipo S, com a liga (+) de Platina (90%) + Ródio (10%) e Platina pura (-). Atinge até medição de 1.500 oC e para
identificação, platina pura é a mais maleável.
5. tipo R, também liga (+) de Platina (87%) + Ródio (13%) e Platina (-), com a mesma faixa de medição até 1.500 oC e identificando-se a platina pura pela maior maleabilidade.
Resistência detectora de temperatura
A resistência elétrica dos metais depende da temperatura; este é o princípio de operação do sensor de temperatura a resistência elétrica (RTD - Resistance Temperature Detector). Quando se conhece a característica
temperatura x resistência e se quer a medição da temperatura, basta medir a resistência elétrica. Essa medição é mais fácil e prática.
Normalmente, a resistência metálica possui o coeficiente térmico positivo, ou seja, o aumento da temperatura implica no aumento da resistência elétrica. A resistência de material semicondutor (Si e Ge) e as soluções
eletrolíticas possuem coeficientes térmicos negativos o aumento da temperatura provoca a diminuição da resistência. A resistência elétrica a semicondutor, com coeficientes negativos, é chamada de termistor e é usada também como sensor de temperatura e nos circuitos de
compensação de temperatura ambiente das juntas de referência do termopar.
Os tipos mais comuns de resistência metálica são a platina, níquel e cobre.
A platina (Pt) é usada para medição de faixas entre 0 e 650 oC. A característica resistência x temperatura é linear nesta faixa e apresenta grande coeficiente de temperatura. O sensor Pt 100 tem resistência de 100 Ω à 0 oC e de aproximadamente 139 Ω à 100 oC.
Embora a mais cara, a platina possui as seguintes vantagens
1. Disponível em elevado grau de pureza, 2. Resistente à oxidação, mesmo à alta
temperatura,
3. Capaz de se transformar em fio (dúctil).
Fig. 4.11. Curvas de resistência × temperatura
Acessórios
Bulbo
O bulbo termal serve para
1. encerrar o fluido de enchimento do sistema termal mecânico. Nessa
configuração, o elemento de temperatura é formado pelo conjunto bulbo + capilar + elemento sensor de pressão. O sistema é totalmente selado, sem vazamento e sem bolhas de ar,
2. proteger o termopar ou o fio de
resistência detectora de temperatura dos rigores do processo.
Em qualquer situação o bulbo está em contato direto com o processo, quando não há poço. Os seus materiais de construção são o aço inoxidável AISI 316 e ligas especiais, como Monel®, Hastelloy® e metais nobres como Ti, Pt, Ta.
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Fig. 4.12. Bulbos de temperatura
A geometria do bulbo de temperatura varia com o fabricante e com as exigências do processo. Há recomendações da Scientific
Apparatus Manufacturer Association (SAMA)
para normalizar os nomes das partes notáveis do bulbo:
1. parte sensível (X), é a parte que envolve o elemento sensor (termopar ou
resistência) ou a parte que sente a temperatura, ficando em contato com o ponto que se quer medir a temperatura. A parte sensível pode ser ajustável (50 a 450 mm).
2. extensão (J) é a distância que vai do ponto onde é fixado o bulbo até o início da parte sensível. A extensão pode ser rígida ou dobrável.
3. inserção (U) é a soma da extensão e da parte sensível; é toda a parte que fica mergulhada ou no interior do processo. Tem-se U = X + J.
4. diâmetro (Y) do bulbo, ou mais precisamente, o diâmetro da parte sensível, que é função do tamanho do bulbo e da largura de faixa de
temperatura medida, quando de enchimento termal.
5. união, que é opcional. Quando há união, ela pode ser fixa ou ajustável. A união é uma rosca macho e sua finalidade é a de fixar o bulbo na parede do processo ou no poço.
Fig. 4.13. Bulbo e suas dimensões
Poço de temperatura
O poço de temperatura é um receptáculo metálico, rosqueado, soldado ou flangeado ao equipamento do processo, que recebe o bulbo de medição. Os objetivos do poço são os de
1. proteger o bulbo de medição da corrosão química e do impacto mecânico;
2. possibilitar a remoção do bulbo de medição sem interrupção do processo; 3. diminuir a probabilidade de vazamento
nas tomadas de temperatura,
aumentando também sua resistência mecânica;
4. tornar praticável a medição de fluidos de alta temperatura, corrosivos, sujos e tóxicos e submetidos à pressão elevada.