Os processos de leitura da temperatura assentam, essencialmente, em três sistemas: sistema físico, sistema eléctrico e sistema óptico.
Ut.03 M.T.04 Componente Científico-Tecnológica Metr Metr Metr Metr
Metrolooloolooloologia e Norgia e Norgia e Norgia e Norgia e Normalizaçãomalizaçãomalizaçãomalizaçãomalização III . 48 III . 48 III . 48 III . 48 III . 48 Sistema físico
O calor faz com que os corpos se dilatem e se contraiam. Aproveitando o efeito dessa dilatação ou contracção, que nada mais é que uma força ou movimento, podemos medir a temperatura. Seja a dilatação do comprimento de uma barra metálica, seja o aumento de volume de um líquido dentro de um recipiente, verificam-se os vários tipos de impulso de temperatura.
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Termómetro de volumeOs termómetros de líquido são o exemplo de um sistema físico de volume de medição de temperatura. Estes termómetros baseiam-se na lei da expansão cúbica
Vt = Vo (l + β .t) onde,
t = temperatura do líquido
Vo = Volume do líquido à temperatura de referência Vt = Volume do líquido à temperatura deste β = Coeficiente de expansão
Fig. III.92 - Termómetro de líquido
Como exemplo mais familiar de termómetro de líquido figura o termómetro de vidro. Este tem um pequeno reservatório, o bolbo, cheio de um líquido do qual deriva uma coluna capilar como ilustrado na fig. III.92.
O calor faz com que o líquido dilate e penetre nesse capilar cuja altura é convenientemente calibrada em escala de temperatura.
Normalmente, emprega-se mercúrio ou álcool colorido como líquido termométrico.
Como o mercúrio congela a - 38 °C, a faixa desse tipo de termómetro é de - 38 °C até 350 °C, mas pode elevar-se esse limite a 700 °C, mediante emprego de vidro adequado e injecção de gás especial no capilar, para que o mercúrio não evapore.
Os termómetros de álcool podem ser utilizados na faixa entre menos 100 °C e 70 ºC, pelas mesmas razões acima expostas.
Termómetro de vidro
Ut.03
M.T.04
Componente Científico-Tecnológica MetrMetrMetrMetroloMetroloolooloologia e Norgia e Norgia e Normalizaçãogia e Norgia e Normalizaçãomalizaçãomalizaçãomalização IIIIIIIIIIIIIII . 49 . 49 . 49 . 49 . 49 Além da linearidade, os termómetros de líquido têm as seguintes vantagens:
bolbos pequenos, faixa estreita e uma boa exactidão.
Uma das desvantagens deste tipo é que pode apresentar um erro quando houver uma diferença de nível entre um elemento e o bolbo, devido à coluna líquida (H) representada na fig. III.93.
Fig. III.93 - Termómetro de líquido com ponteiro
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Termómetros de pressão a gásO princípio de funcionamento de termómetros deste tipo baseia-se na conhecida lei de Boyle-Charles, isto é: "A pressão de um gás é proporcional à temperatura se mantivermos constante o volume do gás".
Devido a essa proporcionalidade, pode obter-se uma escala linear de temperatura. Na realidade, constata-se um pequeno erro nessa relação porque os gases não são ideais. Esse erro é, porém, tão pequeno que se pode desprezar. Comercialmente, o azoto é o gás (nitrogénio) mais empregue, por ser inerte. Além do azoto, empregam-se hélio, néon, kripton, ar, dióxido de carbono, etc.
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Termómetros bimetálicosEstes termómetros são construídos por chapas metálicas formadas por duas camadas, cada uma constituída por material diferente, com coeficientes de dilatação bem diversos um do outro, ou seja, quando levados à mesma temperatura, a dilatação de um é muito diferente da do outro - por exemplo, latão e aço (fig. III.94).
Lei Boyle-Charles
Ut.03 M.T.04 Componente Científico-Tecnológica Metr Metr Metr Metr
Metrolooloolooloologia e Norgia e Norgia e Norgia e Norgia e Normalizaçãomalizaçãomalizaçãomalizaçãomalização III . 50
III . 50 III . 50 III . 50 III . 50
Fig. III.94 - Princípio de funcionamento dos termómetros bimetálicos
Juntando-se estes dois metais diferentes em forma de chapas e soldando ou rebitando essa junção, o material que se dilatar mais forçará o metal que se dilatar menos, a formar uma curvatura para compensar a diferença dos novos comprimentos.
* Aço que contem 36% níquel e que, por via do seu insignificante coeficiente de dilatação, se emprega na construção de aparelhos de medida
Tabela III.1 - Coeficientes de deflexão para os materiais mais utilizados
h l t k d 2 ∆ = Metal A Metal B Coef. de deflexão (K) Latão Invar * 14x10-6 Ni-Cr-Fe Invar 13,7x10-6 Mn-Ni-Cu Invar 19,6x10-6
Ut.03
M.T.04
Componente Científico-Tecnológica MetrMetrMetrMetroloMetroloolooloologia e Norgia e Norgia e Normalizaçãogia e Norgia e Normalizaçãomalizaçãomalizaçãomalização IIIIIIIIIIIIIII . 51 . 51 . 51 . 51 . 51 O movimento da chapa bimetálica tem grande força e pode ser utilizado para
accionar um dispositivo qualquer de regulação como, por exemplo, fazer girar o ponteiro do termómetro registador ou accionar os contactos eléctricos da resistência de aquecimento de fornos, estufas ou ferros de engomar, etc. Os termómetros bimetálicos encontram-se sob as mais variadas formas, como se apresenta na fig. III.95.
A sensibilidade dos termómetros desse tipo é feita num só ponto de temperatura, porque, geralmente, não têm ajuste de faixa e de angulosidade.
Fig. III.95 - Formas dos termómetros bimetálicos
Sistema eléctrico
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TermoparesO termopar é, talvez, o mais usado de todo o tipo de termómetros para impulsos de temperatura, especialmente quando se trata de altas temperaturas (a faixa mais comum é de 200 a 1 000 °C) e quando se requer uma resposta rápida. Baseia-se no princípio descoberto por Seebeck de que qualquer diferença de temperatura entre as junções de dois metais diferentes gera uma diferença de potencial, isto é, força electromotriz entre essas junções, como mostra a fig. III.96.
Fig. III.96 - Princípio de funcionamento dos termopares
Sensibilidade
Ut.03 M.T.04 Componente Científico-Tecnológica Metr Metr Metr Metr
Metrolooloolooloologia e Norgia e Norgia e Norgia e Norgia e Normalizaçãomalizaçãomalizaçãomalizaçãomalização III . 52
III . 52 III . 52 III . 52 III . 52
Esse efeito termoeléctrico foi estudado, depois, por Peltier e Thomson. Descobriram que o potencial é determinado pelos três factores seguintes: (a) O potencial é proporcional à diferença de temperatura entre as junções; (b) O potencial depende da combinação de metais diferentes;
(c) O potencial depende da homogeneidade do material.
Como se vê, uma grande vantagem do termopar é que o diâmetro e o comprimento do fio não influem no potencial gerado.
Utilizando-se este princípio construíu-se o termopar, que é constituído por dois metais diferentes nas suas extremidades.
Estando uma dessas extremidades em contacto com a fonte de calor e a outra no meio ambiente, haverá uma diferença de temperatura entre as junções e, consequentemente, uma diferença potencial, isto é, voltagem em mV.
Essa pequena tensão formada pela diferença de temperatura é indicada directamente num milivoltímetro convenientemente calibrado em escala de temperatura, ou ampliada electronicamente e depois utilizada para accionar um mecanismo de registo.
A tabela III.2 mostra vários tipos de termopares utilizados.
Tabela III.2 - Exemplos de tipos de termopares utilizados
Potencial gerado
PAR Código
ISA temp./ºC Observações
Método de Identificação
+ -
Ferro Constantan 1 J 2º Uso geral, porém
fraco para oxidação
Ferro é mais duro e magnético
Cromel 2 Alumel 3 K 3º Fraco para ambiente
redutor
Alumel é ligeiramente magnético
Cobre Constantan T Maior Para t < 25ºC
anti-oxidante Pelas cores Platina Plat+Rhódio S Menor
630ºC < t < 1 400ºC fraco para ambiente redutor
1 Liga de cobre (50%) e níquel (40%) 2 Liga de cromo (10%) e níquel (90%)
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M.T.04
Componente Científico-Tecnológica MetrMetrMetrMetroloMetroloolooloologia e Norgia e Norgia e Normalizaçãogia e Norgia e Normalizaçãomalizaçãomalizaçãomalização IIIIIIIIIIIIIII . 53 . 53 . 53 . 53 . 53 A sensibilidade, o tempo de resposta e, também, o limite superior de temperatura
de utilização de um termopar dependem do diâmetro do fio, da massa da junção e da massa do tubo de protecção.
Exemplo de um termopar:
Fig. III.96 - Constituição de um termopar
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Termómetros de resistênciaA resistência eléctrica de um fio de metal puro varia proporcionalmente com a temperatura.
Tomando como exemplo um fio de platina com uma temperatura t1 e desprezando os termos menos significativos, a resistência desse fio à temperatura t2 é:
R2 = R1 (1 + A T + B T²) (III.4)
onde:
R1 = a resistência do fio à temperatura t1 °C R2 = a resistência do fio à temperatura t2 °C A = Coeficiente de temperatura = + 0,00392 ºC-1
B = Coeficiente de temperatura = - 0,000000588 ºC-2
T = t2 - t1
Note que a variação da resistência não é rigorosamente linear em relação à variação da temperatura. Todavia, na prática, considera-se B=O. Nessas condições, a relação é linear, ou seja:
R2 = R1 (1 + A T) (III.5)
Tempo de resposta
Resistência eléctrica de um metal puro
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Metrolooloolooloologia e Norgia e Norgia e Norgia e Norgia e Normalizaçãomalizaçãomalizaçãomalizaçãomalização III . 54
III . 54 III . 54 III . 54 III . 54
Por outro lado, pela lei de Ohm, sabemos que a intensidade da corrente eléctrica num condutor qualquer é directamente proporcional à tensão entre duas extremidades e inversamente proporcional à resistência do condutor, isto é: Intensidade (Ampere) = ) Ohm ( Condutor do sistência Re ) Volt ( Potencial de Diferença (III.6)
Assim, se mantivermos constante a diferença de potencial no condutor e variarmos a temperatura deste (variarmos a resistência), a intensidade da corrente eléctrica variará inversamente àquela variação. Portanto, medindo-se essa corrente eléctrica, teremos uma medida de temperatura.
Fig. III.98 - Termómetro de resistência
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Componente Científico-Tecnológica MetrMetrMetrMetroloMetroloolooloologia e Norgia e Norgia e Normalizaçãogia e Norgia e Normalizaçãomalizaçãomalizaçãomalização IIIIIIIIIIIIIII . 55 . 55 . 55 . 55 . 55 Sistema óptico
De entre os sistemas ópticos, o Pirómetro de cor é, hoje em dia, o mais utilizado.
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Pirómetros de corCom o pirómetro de cor, determina-se a temperatura pela relação entre as densidades de radiação de duas faixas espectrais. Através de um filtro, a radiação de um objecto de medição é desdobrada em duas partes iguais, com diferentes comprimentos de onda, sendo cada parte medida com um foto-elemento. A relação entre tensões de cada foto-elemento é a base para a determinação da temperatura.
Noutro tipo de pirómetros de cor, são comparadas as extremidades de radiação de duas partes de radiação monocromática, por exemplo, verde e vermelho. Resultados úteis somente serão obtidos através de um observador de cores com grande experiência.
A medição de temperaturas com pirómetros de cor é independente da missividade do corpo a ser medido, desde que a mesma seja igual para os dois comprimentos de onda. A tabela seguinte resume as gamas de temperatura dos diferentes tipos de termómetros.
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Metrolooloolooloologia e Norgia e Norgia e Norgia e Norgia e Normalizaçãomalizaçãomalizaçãomalizaçãomalização III . 56 III . 56 III . 56 III . 56 III . 56
Definição de quilograma
O quilograma é a massa do protótipo internacional do quilograma (Kg), que se encontra no BIPM (Paris) (Bureau Internation de Pesos e Medidas).
Este protótipo é formado por um cilindro de altura igual ao diâmetro (9,9 cm) de platina (90%) e irídio (10%), liga escolhida por ser dificilmente alterável, conferindo-lhe o irídio uma dureza que o torna resistente às manipulações, podendo obter-se um polimento de alta qualidade.