Introduo

O objetivo de se medir e controlar as diversas variveis fsicas em processosindustriais obter produtos de alta qualidade, com melhores condies derendimento e segurana, a custos compatveis com as necessidades do mercadoconsumidor.Nos diversos segmentos de mercado, a monitorao da varivel temperatura fundamental para a obteno do produto final especificado.Termometria significa "Medio de Temperatura". O termo termometria serefere ao estudo dos processos de medio de temperatura dos corpos, e nesterelatrio razovel descrevermos o termo termologia, que o ramo da fsica queinvestiga os fenmenos relacionados especificamente com a energia trmica. Eventualmente os termos pirometria e criometria, so tambm aplicadoscom o mesmo significado, de medio de temperatura, porm, baseando-se naetimologia das palavras, podemos definir:PIROMETRIA - Medio de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos deradiao trmica passam a se manifestar.CRIOMETRIA - Medio de baixas temperaturas, ou seja, aquelas prximasao zero absoluto de temperatura.TERMOMETRIA - Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria,como a Criometria que seriam casos particulares de medio.

Escalas Termomtricas

Desde o incio da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes determmetros, sentiam dificuldade para atribuir valores de forma padronizada temperatura por meio de escalas reproduzveis, como j existia para o peso, para adistncia e para o tempo.As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram, a Fahrenheit e a Celsius.A escala Fahrenheit definida atualmente com o valor 32 no ponto de fuso do geloe 212 no ponto de ebulio da gua. O intervalo entre estes dois pontos dividido em180 partes iguais e cada parte um grau Fahrenheit.A escala Celsius definida atualmente com o valor zero no ponto de fuso dogelo e 100 no ponto de ebulio da gua. O intervalo entre os dois pontos estdividido em 100 partes iguais e cada parte um grau Celsius. A denominao"grau centgrado" utilizada anteriormente no lugar de "grau Celsius", no maisrecomendada, devendo ser evitado o seu uso.Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit so relativas, ou seja, os seusvalores numricos de referncia so totalmente arbitrrios.Se diminuirmos a temperatura continuamente de uma substncia, atingimosum ponto limite alm do qual impossvel ultrapassar, pela prpria definio detemperatura. Esse ponto, onde cessa praticamente todo movimento atmico, o zeroabsoluto de temperatura. Atravs da extrapolao das leituras do termmetro a gs, pois os gases seliquefazem antes de atingir o zero absoluto, calculou-se a temperatura deste pontona escala Celsius em -273,15 C.Existem escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zerodelas fixado no zero absoluto de temperatura.Existem duas escalas absolutas atualmente em uso: a escala Kelvin e aRankine.A escala Kelvin possui a mesma diviso da Celsius, isto , um Kelvin iguala um grau Celsius, porm o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixapossvel, 273,15 graus abaixo do zero da escala Celsius.A Escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, pormsua diviso idntica a da escala Fahrenheit. A representao das escalas absolutas anloga s escalas relativas: Kelvin 400 K (sem o smbolo de grau) Rankine 785 R.A escala Fahrenheit usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidosda Amrica, porm seu uso tem declinado a favor da escala Celsius de aceitaouniversal.A escala Kelvin utilizada nos meios cientficos no mundo inteiro e devesubstituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit.Existe uma outra escala relativa, a Reamur, hoje j praticamente em desuso.Esta escala adota como zero o ponto de fuso do gelo e 80 o ponto de ebulio dagua. O intervalo dividido em oitenta partes iguais. (Representao -27 Re).

Converso de Escalas

A figura a seguir, compara as escalas de temperaturas existentes

Desta comparao podemos retirar algumas relaes bsicas entre asescalas:

Termmetros

Um termmetro, um aparelho usado para medir a temperatura ou as variaes de temperatura.

Histria

Anders Celsius criou uma escala termomtrica baseada no valor de evaporao da gua e no seu ponto de congelamento, que chamou de 100 e 0 graus. Celsius conseguiu, com a ajuda de Linnaeus, fixar este valor, criando a escala que leva seu nome.

Tipos de termmetros

Termmetro bimetlico

Os mais conhecidos termmetros bimetlicos baseiam-se no efeito de dilatao estabelecido na termodinmica. A dilatao acontece quando uma barra ligada a outra de metal diferente so aquecidas ou esfriadas, ou quando uma corrente elctrica atravessar aquecendo o conjunto de forma desigual resultar diferentes dilataes que ir produzir um arqueamento da barra. Esse arqueamento usado para abrir ou fechar vlvulas bem como ligar ou desligar circuitos eltricos ou em alguns casos registrar a quantidade de corrente que atravessa a barra. Os do primeiro tipo podem ser construdos de forma semelhante aos termmetros a lquido: uma barra, retilnea ou no, ao dilatar-se, move um ponteiro registrador. Os mais usados e precisos termmetros desse tipo exploram a diferena de dilatabilidade entre materiais como lato e partes de carros, ferro e cobre, etc. Para isso, constroem-se lminas bimetlicas de forma espiralada que se curvam conforme aumenta ou diminui a temperatura. Nesse movimento, a lmina arrasta, em sua extremidade, um ponteiro que percorre uma escala graduada ou registra graficamente a variao de temperatura num papel em movimento. Nesse ltimo caso, tem-se um termgrafo.

Termmetro digital

Os termmetros digitais so instrumentos amplamente utilizados em empresas, destinados a medir temperatura em processos e produtos diversos, que no necessitam de uma medio constante, apenas espordica.

Termmetro infravermelho

Um termmetro infravermelho (tambm denominado de pirmetro ptico) um dispositivo que mede temperatura sem contacto com o corpo/meio do qual se pretende conhecer a temperatura. Geralmente este termo aplicado a instrumentos que medem temperaturas superiores a 600 graus celsius. Uma utilizao tpica a medio da temperatura de metais incandescentes em fundies.H tambm os modelos de termmetros por contato, que utilizam pontas sensoras, geralmente intercambiveis, com modelos diferentes de sensores para cada aplicao.

Termmetro de mercrio

O termmetro de mercrio o mais usado entre ns. Ele consiste bsicamente de um tubo capilar (fino como cabelo) de vidro, fechado a vcuo, e um bulbo (espcie de bolha arredondada) em uma extremidade contendo mercrio.

O mercrio, como todos os materiais, dilata-se quando aumenta a temperatura. Por ser extremamente sensvel, ele aumenta de volume menor variao de temperatura, mesmo prxima do corpo humano. O volume do mercrio aquecido se expande no tubo capilar do termmetro. E essa expanso medida pela variao do comprimento, numa escala graduada que pode ter uma preciso de 0,05C. dessa forma, pela expanso do lquido, que observamos a variao da temperatura em geral.

Termopares

Em 1821, o fsico alemo Thomas Johann Seebeck observou que, unindo asextremidades de dois metais diferentes "x" e "y" (ver Figura 5.1) e submetendo asjunes "a" e "b" a temperaturas diferentes T1 e T2, surge uma tenso (normalmenteda ordem de mV) entre os pontos a e b, denominada "tenso termoeltrica".

Este fenmeno conhecido por "Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao seconectar dois metais diferentes (ou ligas metlicas) do modo mostrado na Figura 5.1,tem-se um circuito tal que, se as junes "a" e "b" forem mantidas em temperaturasdiferentes T1 e T2, surgir uma tenso termoeltrica e uma corrente eltrica "i"circular pelo chamado "par termoeltrico" ou "termopar". Qualquer ponto destecircuito poder ser aberto e nele inserido um voltmetro para medir a tenso. Uma conseqncia imediata do efeito Seebeck o fato de que, conhecida atemperatura de uma das junes pode-se, atravs da tenso produzida, saber atemperatura da outra juno.As medies de temperatura so, na realidade, a maior aplicao do termopar(que tambm pode ser usado como conversor termoeltrico, embora apresente baixorendimento), bastando para isso que se conhea a relao tenso versus variao detemperatura na juno do termopar. Esta relao pode ser conseguida atravs deuma calibrao, ou seja, uma comparao com um padro (normalmente so usadostermorresistores ou pontos fixos de temperatura).Um termopar, portanto, consiste de dois condutores metlicos, de naturezadistinta, na forma de metais puros ou de ligas homogneas. Os fios so soldados emum extremo ao qual se d o nome de junta quente ou junta de medio ou ainda, demedida. A outra extremidade dos fios levada ao voltmetro, por exemplo, fechandoum circuito eltrico por onde flui uma corrente eltrica.O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento demedio chamado de junta fria ou de referncia.

Obs.: No circuito equivalente, Rv a resistncia interna do voltmetro e Rz aresistncia dos fios do termopar acrescido dos fios de cobre que levam o sinal aoinstrumento.Nas aplicaes prticas o termopar apresenta-se normalmente conforme afigura 5.3. Na Figura 5.4 pode-se notar que o voltmetro somente ir informar atenso se Rv>>Rz, uma vez que a tenso (V) lida no voltmetro, pode ser escritacomo:

Assim sendo, se Rz for desprezvel frente a Rv , V tender a . Por isso, aescolha do instrumento adequado, requer um grande cuidado.O sinal de tenso gerado pelo gradiente de temperatura (T) existente entreas juntas quente e fria, ser de um modo geral indicado, registrado, transmitido oucontrolado.O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os eltrons livres de um metaldiferem de um condutor para outro e dependem da temperatura. Quando doiscondutores diferentes so conectados para formar duas junes e estas so mantidas a diferentes temperaturas, a difuso dos eltrons nas junes se produz a ritmosdiferentes.Ao se medir a tenso termoeltrica de um par termoeltrico em funo datemperatura, obtm-se, em geral, uma relao do tipo mostrado na figura abaixo.

A relao da tenso termoeltrica com a temperatura, normalmente, no linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada como se ofosse e na prtica o um dos fatores que define a faixa de temperatura de utilizaode um determinado tipo de termopar. A partir do grfico acima, pode-se verificar uma grandeza denominada de coeficiente de seebeck () do termopar, dada por:

O coeficiente de seebeck representa a sensibilidade de resposta do partermoeltrico com a variao de temperatura. Assim, se existem dois termopares, oprimeiro com um coeficiente de 50 V/C e o segundo com 10 V/C, para umamesma faixa de temperatura, prevalece a opo pelo primeiro, uma vez que esteapresenta uma variao maior de tenso para cada 1 C, o que torna a medio maisfcil e, eventualmente, com menor incerteza.Quando se usa um termopar em medies nas quais a temperatura variarapidamente, preciso ter certeza de que a "inrcia trmica" do mesmo noprejudicar ou invalidar as medies, ou seja, o termopar dever possuir"velocidade de resposta" suficientemente grande, ou ento no estar medindo ofenmeno corretamente. Desta forma, ao analisar velocidades de tmpera, por exemplo, em peas metlicas jogadas num lquido, procura-se usar termopar bemfino e, como os registradores convencionais no possuem resposta suficientementerpida, usa-se um osciloscpio para analisar o sinal gerado pelo termopar, ou maismodernamente, um computador com conversor A/D adequado e software deaquisio e processamento de dados.A constante de tempo de um instrumento ou transdutor pode ser definidacomo o "tempo necessrio para atingir 63,2% de mudana de uma certa variveltomada como inicial", no caso poderia ser o instante em que comea o resfriamento(definio semelhante a constante de tempo de um capacitor quando esta sendocarregado). Quando se adquire um termopar, pode-se consultar o catlogo dofabricante e obter este dado (que varia com a bitola e com o material dos fios do par).As figuras que seguem mostram alguns detalhes de termopares (bainha, proteo,terminais, aplicaes, etc.).

Tipos e Caractersticas dos Termopares

Existem vrias combinaes de dois metais condutores operando comotermopares.As combinaes de fios devem possuir uma relao razoavelmente linearentre temperatura e a tenso, tambm devem desenvolver uma tenso por grau demudana de temperatura, que seja detectvel pelos equipamentos normais demedio.Foram desenvolvidas diversas combinaes de pares de ligas metlicas,desde os mais corriqueiros de uso industrial, at os mais sofisticados para usoespecial ou restrito a laboratrio.Essas combinaes foram feitas de modo a se obter uma alta potnciatermoeltrica, aliando-se ainda as melhores caractersticas como homogeneidade dosfios e resistncia a corroso, na faixa de utilizao, assim cada tipo de termopar temuma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para que setenha a maior vida til do mesmo.Podemos dividir os termopares em trs grupos:

Termopares Bsicos

So assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fiosso de custo relativamente baixo e sua aplicao admite incertezas maiores. Soeles:

TIPO T Formado por cobre e constantan. Constantan uma liga de cobre enquel compreendida no intervalo entre Cu (50 % a 65 %) e Ni (35 %). A composiomais utilizada para este tipo de termopar de Cu (58 %) e Ni (42 %).TIPO J Formado por ferro e constantan.TIPO E Formado por uma liga chamada Cromel (Ni e Cr) e constantanTIPO K Formado por cromel e outra liga chamada de alumel (Ni, Mn, Si e Al).

Termopares Nobres

So aqueles que os pares so constitudos de platina. Embora possuam custoelevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido baixapotncia termoeltrica, apresentam pequenas incertezas, dada a homogeneidade epureza dos fios dos termopares. So eles:TIPO S - Formados por uma liga de platina (90%) e rhdio (10%) com platina. utilizado em transdutores descartveis na faixa de (1200 a 1768) C, para mediode metais lquidos em siderrgicas e fundies.TIPO R - Formados por uma liga de platina (87%) e rhdio (13%) complatina.TIPO B - Formados por uma liga de platina (70%) e rhdio (30%) e outra deplatina (94%) e rhdio (6%).

Termopares especiais

Ao longo dos anos, os tipos de termopares produzidos oferecem, cada qual,uma caracterstica especial, porm, apresentam restries de aplicao, que devemser consideradas.Novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender as condies deprocesso onde os termopares bsicos no podem ser utilizados.TIPO C - Tungstnio Rhnio - Esses termopares podem ser usadoscontinuamente at 2300 C e por curto perodo at 2750 C.Irdio 40% - Rhdio / Irdio - Esses termopares podem ser utilizados porperodos limitados at 2000 C.

Platina - 40% Rhdio / Platina - 20% Rhdio - Esses termopares soutilizados em substituio ao tipo B onde temperaturas um pouco mais elevadas sorequeridas. Podem ser usados continuamente at 1600 C e por curto perodo at1850 C.Ouro-Ferro / Chromel - Esses termopares so desenvolvidos para trabalharem temperaturas criognicas.TIPO N - Nicrosil (Ni, Cr e Si) / Nisil (Ni, Si e Mn) - Basicamente, este novopar termoeltrico um substituto para o par tipo K, pois apresenta maiorestabilidade em altas temperaturas, porm, apresenta uma tenso um pouco menorem relao a ele.

Associao de termopares

Associao Srie - Podemos ligar os termopares em srie simples para obter asoma das tenses individuais. a chamada termopilha. Esse tipo de ligao muitoutilizado em pirmetros de radiao total, ou seja, para soma de pequenas tenses.

O instrumento de medio pode ou no compensar a tenso da junta dereferncia. Se compensar dever faz-lo com uma tenso correspondente ao nmerode termopares aplicados na associao.Ex.: trs termopares VJR = 1 mV devem ser compensados 3 mVAssociao srie oposta - Para medir a diferena de temperatura entre doispontos ligamos os termopares em srie oposta.O que mede maior temperatura vai ligado ao positivo do instrumento.Os termopares sempre so do mesmo tipo.Ex.: Os termopares esto medindo 56 C e 50 C respectivamente e adiferena ser medida pelo voltmetro.

V T = V2 V1 56 C = 2,27 mV

V T = 2,27 mV - 2,022 mV 50 C = 2,022 mV

V T = 0,248 mV = 6 C

Em suma quando se est interessado em diferenas de temperatura e nonos valores absolutos (por exemplo, as diferenas de temperatura existentes na cmara de um forno), usual efetuar essa montagem que normalmente chamada "termopar diferencial".No necessrio compensar a temperatura ambiente desde que as juntas dereferncia estejam mesma temperatura.Associao em paralelo - Ligando dois ou mais termopares em paralelo a ummesmo instrumento, teremos a mdia das tenses geradas nos diversos termopares se as resistncias internas foram iguais.

Quando se deseja medir a temperatura mdia (associao em paralelo defontes de tenso CC - na realidade esse um valor aproximado, o clculo correto mais complexo) de um circuito usa-se a associao em paralelo de termopares, conforme mostra a figura acima.

Neste caso:

Ao medir-se a temperatura de um forno com vrios termopares provavelmentetem-se resultados diferentes; isto ocorre porque todo e qualquer instrumento demedio apresenta incertezas. No caso dos termopares a normalizao efetuadapelo N.B.S. (National Bureau of Standards), conforme tabela abaixo.

Assim sendo, se um termopar com fios de compensao e um voltmetro estosendo usados para a medio de temperatura, a incerteza de medio pode decorrerde trs fatores basicamente, ou seja:U da medio = U do termopar + U dos fios de compensao ou extenso +U do instrumento (+ eventualmente a incerteza da temperatura ambiente +a incerteza da resistncia interna do voltmetro).

Os termopares so os transdutores de temperatura mais utilizados naindstria (cerca de 90% das aplicaes).

Vantagens

a. Diversidade de tipos e modelos que atendem as diversas aplicaes;b. Robustez;c. So autogeradores;d. Apresentam simplicidade de utilizao;e. So baratos, comparando com outros transdutores na mesma faixa de medio.

Desvantagens

a. A resposta de tenso em relao a temperatura no linear;b. A tenso termoeltrica baixa;c. Requerem uma referncia de temperatura;d. So pouco estveis e com baixa repetitividade;e. Possuem pouca sensibilidade;f. Apresentam maiores incertezas de medio comparando com outrostransdutores.Ilustraes de Termopares

Termopares com protees diversas Terminais e Conexes de termopares

Termopar com sistema auto-adesivo Termopar com Base Magntica

Termopar com indicador digital Termopar com dispositivo especialde temperatura para fixao com Parafuso