Helder Anibal Hermini

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MEDIDAS DE TEMPERATURA
(Aspectos Gerais)

• Helder Anibal Hermini

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

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

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PRINCÍPIO DE CONSTRUÇÃO DE UM TERMÔMETRO
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PRINCÍPIO DE CONSTRUÇÃO DE UM TERMÔMETRO

• 1o PASSO Escolher uma propriedade termométrica
  (sistema sensor) compatível ao sistema a ser
  medido.
• 2o PASSO Definir uma Escala de Temperatura

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ERRO ESTÁTICO/ERRO DINÂMICO/CONSTANTE DE TEMPO
O erro estático é a diferença entre a leitura do
sistema em uso em comparação com um padrão (ou
seja, valor verdadeiro). Esse erro depende do
tipo de sensor, cabos, sistema de leitura
(analógico, digital, osciloscópio, registrador).
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ERRO ESTÁTICO/ERRO DINÂMICO/CONSTANTE DE TEMPO
Quando a temperatura está variando rapidamente
num processo industrial, por exemplo, o sistema
de medição poderá não conseguir acompanhar esta
variação (principalmente pela inércia térmica do
sensor).
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ERRO ESTÁTICO/ERRO DINÂMICO/CONSTANTE DE TEMPO
Mesmo quando se realiza uma medida estática de
temperatura deve-se ter cuidado com a resposta do
sensor, uma vez que ele leva um certo tempo para
chegar a esse valor máximo. O tempo necessário
para o sensor chegar a aproximadamente 63 do
valor máximo é chamado de constante de tempo, e a
partir desse valor (geralmente fornecido pelo
fabricante), é possível saber quanto se deve
esperar para chegar ao valor máximo.
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TIPOS DE TERMÔMETROS
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TERMÔMETRO BIMETÁLICO
Este tipo de termômetro está baseado na
dilatação de metais como diferentes metais
possuem diferentes coeficientes de dilatação, se
esses metais estiverem dispostos em lâminas
conjuntas, a dilatação diferenciada irá curvar
esse conjunto de lâminas.
Fig. 1 - Dilatação de dois metais com diferentes
coeficientes de dilatação (?A e ?B) o resultado
é uma flexão lateral do conjunto de lâminas, que
tem um ponteiro acoplado. A leitura é feita
diretamente numa escala acoplada.
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TERMÔMETRO BIMETÁLICO
O raio de curvatura é dado por
onde t espessura total da placa ?A e
?B coeficientes de dilatação T2 -T1
variação de temperatura
A combinação desta equação com relações
apropriadas da resistência dos materiais permite
o cálculo de deflexões de vários tipos de
elementos em uso prático.
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TERMÔMETRO BIMETÁLICO
Aplicação

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

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TERMÔMETRO BIMETÁLICO
Aplicação

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

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TERMÔMETROS DE LÍQUIDO EM VIDRO
Aspectos Gerais

• É adaptável a uma grande variedade de aplicações,
  variando-se o material de construção e/ou sua
  configuração, ou seja

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TERMÔMETROS DE LÍQUIDO EM VIDRO
Aspectos Gerais

• Os termômetros são de dois tipos
• Imersão Total - São calibrados para leitura
  correta quando a coluna de líquido está imersa
  completamente no fluído medido.
• Imersão Parcial - São calibrados para leitura
  correta quando imersos numa quantidade definida
  com a porção exposta numa temperatura definida.

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

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

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TERMÔMETROS DE PRESSÃO
Classificação

• Em todos os sistemas são possíveis fontes de
  erros
• Submersão incorreta
• Mudanças na pressão barométrica
• Mudanças na temperatura ambiental

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TERMÔMETRO A GÁS A VOLUME CONSTANTE
O termômetro a gás volume constante, obtém-se a
temperatura em função da pressão Pg no ponto do
gelo e da pressão Pv no ponto de vapor,
resultando uma equação LINEAR semelhante á
equação dos termômetros líquidos, só que em
termos da pressão versus temperatura.
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TERMOELETRICIDADE
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES
Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck
observou que, unindo as extremidades de dois
metais diferentes x e y e submetendo as
junções a e b a temperaturas diferentes T1 e
T2, surge uma f.e.m. (força eletromotriz,
normalmente da ordem de mV) entre os pontos a e
b, denominada tensão termoelétrica.
Figura 2 - Experimento de Seebeck
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES
Figura 2 - Dois metais diferentes, x e y com
as extremidades unidas e mantidas a temperaturas
diferentes
Figura 3 - Abrindo o circuito em qualquer ponto
e inserindo um instrumento adequado, tem-se o
valor da f.e.m.
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES
Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck".
Em outras palavras, ao se conectar dois metais
diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado
na Figura 1, tem-se um circuito tal que, se as
junções a e b forem mantidas em temperaturas
diferentes T1 e T2, surgirá uma f.e.m.
termoelétrica e uma corrente elétrica i
circulará pelo chamado "par termoelétrico ou
"termopar". Qualquer ponto deste circuito poderá
ser aberto e nele inserido o instrumento para
medir a f.e.m. (Figura 3). Em 1826, o físico
francês Antonie Becquerel sugeriu pela primeira
vez a utilização do efeito Seebeck para medição
de temperatura.
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES LEIS
TERMOELÉTRICAS
1a Lei Termoelétrica A força eletromotriz "?"
de um termopar depende somente da natureza dos
condutores e da diferença de temperatura entre as
junções de contato.
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES LEIS
TERMOELÉTRICAS

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

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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES LEIS
TERMOELÉTRICAS
Algumas conseqüências importantes da 1a Lei c) A
f.e.m. do termopar não será afetada se em
qualquer ponto do circuito for inserido um
terceiro metal, desde que suas junções sejam
mantidas a mesma temperatura. Esta propriedade é
chamada, por alguns autores, de "Lei dos Metais
Intermediários. 
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES LEIS
TERMOELÉTRICAS
2a Lei Termoelétrica (Lei das Temperaturas
Intermediárias) Se dois metais homogêneos
diferentes produzem uma f.e.m. E1 quando as
junções estão às temperaturas T1 e T2, e uma
f.e.m. E2, quando as junções estão a T2 e T3, a
f.e.m. gerada quando as junções estão a T1 e T3
será E1 E2.
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES CIRCUITOS DE
TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M.
               
A Figura mostra um termopar usado para medir a
temperatura T1 o instrumento indicara uma
voltagem proporcional a diferença (T1 - T2 ) .T2
pode ser medida com um termômetro convencional.
           
Figura 4 - Circuito equivalente, Rv é a
resistência interna do voltímetro. RT é a
resistência dos fios do termopar acrescido dos
fios que levam o sinal ao instrumento.
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES CIRCUITOS DE
TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M.
               
           
Analisando o circuito elétrico, pode-se notar
que o voltímetro somente irá informar a f.e.m.
(?) se Rv gtgt RT. Desta forma, a escolha do
instrumento adequado, requer um grande cuidado!
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES POTENCIA
TERMOELÉTRICA
Ao se medir a f.e.m. termoelétrica de um par
termoelétrico em função da temperatura, obtém-se,
em geral, uma relação do tipo mostrado no gráfico
da figura 5. A curva mostrada no gráfico é
denominada de curva de calibração do par
termoelétrico. A relação da f.e.m. termoelétrica
com a temperatura, normalmente, não é linear, mas
para algumas faixas de temperatura, pode ser
considerada como se o fosse (veja a reta 1 da
Figura 5).
Figura 5 - Curva de calibração de um par
termoelétrico
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES POTENCIA
TERMOELÉTRICA
A partir do gráfico pode-se definir uma grandeza
denominada de potência termoelétrica do termopar,
dada por   P d?/dT   ou para um intervalo de
temperatura   P ??/?T   A potência
termoelétrica representa a sensibilidade de
resposta (?e) do par termoelétrico com a variação
de temperatura (?T).
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TERMOMETROS COMERCIAIS
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES FIOS DE COMPENSAÇÃO
Figura 6 - Termopar com fios de compensação
Na maioria dos casos, sobretudo em aplicações
industriais, o instrumento de medida e o termopar
necessitam estar relativamente afastados. Desta
forma, os terminais do termopar poderão ser
conectados a uma espécie de cabeçote, e, a partir
deste cabeçote são adaptados fios de compensação
(praticamente com as mesmas características dos
fios do termopar, porém mais baratos) até o
instrumento, conforme mostra a Figuras 6.
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TERMOELETRICIDADE TERMOPARES FIOS DE COMPENSAÇÃO
Na montagem apresentada na Figura 6, o sinal lido
no instrumento é proporcional a (T1 - T3), já que
os fios de compensação possuem as mesmas
características do termopar (é como se existisse
um único termopar). Note que, se os fios fossem
de cobre (fios comuns) o sinal lido pelo
instrumento seria proporcional a (T1 - T2).
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TERMOELETRICIDADE ALGUNS TIPOS DE TERMOPARES
 
Figura 7 - Diversos termopares com finalidades
aplicativas diferentes.
Figura 8 - Terminais para termopares - conexão
com cabos de compensação.
Figura 9 - Termopares com proteção diversa
(bainha de inox, tubo de inox).
Figura 10 - Termopar especial com base magnética
para fixação em dispositivos metálicos.
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TERMOELETRICIDADE ALGUNS TIPOS DE TERMOPARES
   
 
Figura 11 - Termopar com indicador digital de
temperatura.
Figura 12 - Termopar com dispositivo especial
para fixação com parafuso.
Figura 13 - Termopar com sistema auto-adesivo,
evitando necessidade de solda ou operação
mecânica (furos,..).
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TERMOELETRICIDADE
O EFEITO PELTIER
Em 1834, Jean Peltier, mostrou, através de
experimentos, que quando se passa uma pequena
corrente elétrica através da junção de dois fios
diferentes, em uma direção, a junção se resfria,
e assim absorve calor de sua vizinhança. Quando a
direção de corrente é invertida, a junção se
aquece. E assim libera calor para a vizinhança.
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TERMOELETRICIDADE
O EFEITO PELTIER
Quando se introduz um gerador em um circuito
formado por um par termoelétrico com ambas
extremidades unidas e à mesma temperatura
inicial, ao circular uma corrente elétrica "I"
pelo circuito, observa-se que em uma das junções
ocorre um resfriamento T, enquanto na outra
junção ocorre um aquecimento de mesmo valor. Ao
se inverter o sentido da corrente elétrica
inverte-se também o efeito de aquecimento e
resfriamento nas junções.
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TERMOELETRICIDADE
UMA APLICAÇÃO DO EFEITO PELTIER COOLER DE
MICROPROCESSADORES
O efeito Peltier pode ser descrito como uma
espécie de "bomba de calor", que "sulga" calor de
um dos lados, e o dissipa do lado oposto. Isto
significa que temos um lado frio e um lado
quente. O lado frio, é o que sulga o calor, que
naturalmente é o que ficará e contato com o
processador, enquanto o lado quente em geral é
fixado a um cooler convencional, que ajuda a
dissipar o calor gerado, evitando que o peltier
se superaqueça. Como o peltier deve cobrir toda a
área de contato do processador, existem peltiers
de vários tamanhos.
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TERMOELETRICIDADE
UMA APLICAÇÃO DO EFEITO PELTIER COOLER DE
MICROPROCESSADORES

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

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

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

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TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA

• Atualmente, as termoresistências de Platina mais
  usuais são
• Pt-25,5?
• PT-100?
• PT-120?,
• PT-130?/PT-500?,

sendo que o mais conhecido e usado
industrialmente é o PT-100? (a 0?C). Sua faixa
de uso vai de -200 a 650 ?C, conforme a norma
ASTM E1137 entretanto, a norma DIN IEC 751
padronizou sua faixa de -200 a 850 ?C.
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TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA
ASPECTOS CONSTRUTIVOS
Normalmente, o bulbo de resistência é montado em
uma bainha de aço inox, totalmente preenchida com
óxido de magnésio, de tal maneira que haja uma
ótima condução térmica e proteção do bulbo com
relação a choques mecânicos. A isolação elétrica
entre o bulbo e a bainha obedece a mesma norma
ASTM E 1137.
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TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA

• Para pequenas variações de temperatura a serem
  medidas é válida a equação
• RT Ro1 ?(T-To)
• onde
• Ro é a resistência a 0 ?C,
• RT é a resistência na temperatura T e
• ? é o coeficiente de temperatura do metal.

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TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA

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