Sensores de Temperatura

Nesse artigo serão abordados os Sensores de Temperatura, mencionando os tipos de sensores, suas funções e formas de utilização, além de cálculos e fórmulas de temperatura.

Termômetros de Haste de Vidro

O termômetro de haste de vidro consiste essencialmente de um bulbo, em geral de vidro, ligado a um tubo capilar também de vidro. No sistema coloca-se mercúrio ou outro líquido (em geral álcool etílico, ao qual se adiciona um corante, para melhor visibilidade). Pela ação do calor sobre o bulbo, o líquido se dilata, preenchendo parte do capilar, e indicando numa escala o valor da temperatura do bulbo. A escala pode ser gravada diretamente sobre o vidro, ou sobre uma placa externa. O mercúrio solidifica a -38ºC, constituindo esse portanto o limite inferior de temperatura em que pode ser utilizado. Por outro lado, seu ponto de ebulição é de 357 ºC. Quando se deseja usar um termômetro com preenchimento de mercúrio a temperatura mais altas, o espaço existente acima da coluna é preenchido com um gás a alta pressão, para impedir a evaporação, dessa maneira, o limite superior de medição pode ser estendido até cerca de 500 ºC. O álcool, bem como outros líquidos orgânicos, é utilizado em temperaturas baixas, até -200 ºC, aproximadamente. Em aplicações industriais são utilizados termômetros com tubo de proteção metálico. A precisão é da ordem de 1% da largura da faixa de medição.

 

Termômetros com tubo de proteção metálico

Termômetros Bimetálicos

Termômetros bimetálicos podem ser utilizados para medir temperaturas entre -40º e 500 ºC. Se dois metais com coeficiente de dilatação diferentes forem soldados um no outro, e presos a um apoio fixo em uma das extremidades, um aumento na temperatura fará com que o metal com maior coeficiente de dilatação se dilate mais que o outro. A deflexão resultante pode ser utilizada para a medição da temperatura. O metal de baixo coeficiente de dilatação é geralmente invar, uma liga de ferro e níquel, contendo cerca de 36% de níquel. O metal de alto coeficiente de dilatação é geralmente latão. O termômetro bimetálico tem geralmente a aparência da figura abaixo. O bimetal é enrolado na forma de hélice, com uma ponta presa ao tubo de proteção, e a outra ligada a uma haste, que tem a outra extremidade ligada a um ponteiro. O ponteiro pode mover-se sobre uma escala circular. A haste pode ser fornecida com comprimentos até de cerca de 60 cm, o dial pode ter diâmetro de 3 a 12 cm.

 

Termômetro bimetálico típico

Sistemas Termais de Enchimento

Constam de um sistema termal, composto de um bulbo, um tubo capilar de conexão e uma espiral tipo “Bourdon”, montada dentro do instrumento.  

Sistema Termal de Preenchimento

Sistema termal de líquido é preenchido completamente com um líquido, geralmente mercúrio. Variações de temperatura causam uma dilatação volumétrica do líquido, que ocasiona um movimento mecânico do Bourdon. A variação de volume do líquido segue aproximadamente uma equação do tipo V = V₀ (1 + δ . T), em que V = volume final, V₀ = volume inicial, δ  = coeficiente de dilatação volumétrica, T = aumento de temperatura. A escala é praticamente linear. Dependendo do líquido, esses termômetros podem trabalhar em temperaturas desde -100 até 650ºC. A largura mínima da faixa de medição é da ordem de 15ºC. Os Sistemas termais de gás são preenchidos com um gás, com volume praticamente constante. A variação de pressão obedece, aproximadamente, à lei dos gases perfeitos: P₁/T₁ = P₂/T₂. A variação de pressão é proporcional à variação de temperatura, sendo portanto a escala linear, os limites de utilização se estendem de -100 a 400ºC. A largura mínima da faixa de medição é da ordem de 50ºC. Os bulbos são em geral maiores que os de preenchimento líquido. Os Sistemas termais de vapor são preenchidos com um líquido (em geral orgânico) em equilíbrio com o seu vapor. O sistema é construído de tal forma que a superfície livre do líquido se encontre no bulbo, e não no capilar ou na espiral. A relação entre a pressão máxima de vapor e a temperatura não é linear.

Faixa de Medição

Como consequência, a distância entre as divisões de uma escala ou gráfico é maior no extremo superior da faixa de medição, do que no extremo inferior. As temperaturas que podem ser medidas estendem-se de -200º a 350ºC, com span mínimo de 20ºC e máximo de 150ºC, aproximadamente. Nos sistemas que medem temperaturas acima da ambiente, a espiral, o capilar e parte do bulbo contém líquido, e o vapor se encontra na parte restante do bulbo. Nos sistemas que medem temperaturas abaixo da ambiente, o líquido se encontra em parte do bulbo, e o restante do sistema contem vapor.

Relação entre a expressão máxima de vapor e a temperatura

Diversos efeitos contribuem para afetar a precisão das medições feitas com sistemas termais de preenchimento. No efeito da temperatura ambiente os termômetros são calibrados a uma certa temperatura ambiente. Se durante o uso a temperatura da espiral e do capilar for diferente daquela na qual o instrumento foi calibrado, haverá uma dilatação/contração de volume ou aumento/diminuição de pressão do fluido que preenche o capilar e a espiral, resultando uma indicação errônea. Esse efeito é sentido somente nos sistemas termais de líquido e gás, nos sistemas de vapor, a pressão interna é determinada exclusivamente pela temperatura na superfície de contato entre o líquido e o vapor. A compensação da temperatura ambiente pode ser feita de diversas maneiras. Compensação de “caixa”, na qual somente se compensa as variações dentro da caixa do instrumento. Para tanto, utiliza-se comumente um bimetal ou uma segunda espiral ligada à primeira, onde o conjunto é montado de maneira que as variações de temperatura dentro da caixa produzam uma rotação do bimetal ou da segunda espiral em sentido oposto à primeira. Compensação “completa”, na qual existe a segunda espiral, ligada a um capilar que é instalado junto ao primeiro. Compensam-se assim as variações de temperatura na caixa e ao longo do capilar. O segundo capilar não possui bulbo. Outro método para obter uma compensação completa com sistema de mercúrio emprega um fio de invar, que é colocado dentro do capilar. Os diâmetros do fio e do capilar são calculados para que o aumento de volume interno do capilar seja exatamente igual ao aumento de volume do mercúrio. Efeito de altura (coluna), os termômetros de dilatação são calibrados mantendo-se o bulbo na mesma posição relativa em relação à caixa que quando for instalado. Caso contrário, a pressão será aumentada ou diminuída de acordo com as variações da pressão na coluna. O efeito só tem importância nos termômetros com líquido capilar. Efeito barométrico, visto que o movimento do Bourdon está relacionado com a diferença entre a pressão interna e a externa (atmosférica), pode haver uma alteração na indicação se o instrumento for instalado num local com pressão atmosférica diferente. Efeito de imersão, se o bulbo não for completamente imerso no meio, a indicação poderá ser incorreta.

Termopares

O termopar é o dispositivo de medição de temperatura largamente usado na indústria. As faixas de temperaturas que podem ser medidas estende-se desde -200ºC a 1600ºC para os tipos usuais de termopares. Basicamente, um termopar é simplesmente uma junção entre dois metais diferentes “A” e “B”. A medição de temperatura com termopares baseia-se no efeito Seebeck, que por sua vez é consequência dos efeitos Peltier e Thomson. Seebeck descobriu em 1821 que num circuito fechado composto de dois metais distintos “A” e “B”, com as junções a duas temperaturas diferentes T₁ e T₂, aparece uma força eletromotriz, da ordem de alguns milivolts. Seebeck observou ainda que a força eletromotriz depende da natureza dos metais “A” e “B”, sendo tanto maior quanto maior a diferença entre as temperaturas.

Representação esquemática de um termopar

O efeito Peltier diz que a junção de dois metais diferentes quaisquer apresenta uma força eletromotriz. Note-se a dificuldade de realizar a medição dessa força eletromotriz por meios elétricos, visto que é necessário “fechar o circuito”, o que implica necessariamente em outras junções, com outras forças eletromotrizes. A medição só poderá ser feita por meios indiretos, por exemplo, fazendo-se passar uma corrente pela junção e medindo-se a potência desenvolvida ou dissipada na junção. O efeito Thomson é uma relação entre a força eletromotriz gerada em um único fio homogêneo, e a diferença de temperatura existente entre seus terminais. Para todas as finalidades práticas, ao se analisar um circuito termoelétrico, pode-se considerar cada junção como correspondendo a uma bateria, com uma força eletromotriz depende da temperatura e da natureza dos metais em contato. A tensão medida com o milivoltímetro será igual à diferença entre as forças eletromotrizes E₁ e E₂ das duas junções.

Circuito termoelétrico típico

Há 3 leis referentes a circuitos termoelétricos compostos de condutores homogêneos. Lei do circuito homogêneo: “Não é possível criar uma corrente elétrica em um circuito composto de um único metal homogêneo, mesmo que seja de secção variável, pela aplicação de calor”. Deduz-se daí que a força eletromotriz termal desenvolvida em um circuito termoelétrico composto de dois metais diferentes, com suas junções às temperaturas T₁ e T₂, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios. Em outras palavras a força eletromotriz medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções. Variações na temperatura ao longo dos fios não influem na força eletromotriz. Lei dos metais intermediários: “A soma algébrica das forças eletromotrizes termais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura”.

Exemplificação da lei dos metais intermediários A força eletromotriz medida é igual à do circuito da imagem abaixo. Combinando essa lei com a anterior, conclui-se que, para que a força eletromotriz não se altere, não é necessário que toda parte do circuito dentro da linha interrompida se encontre à mesma temperatura T₃. Basta que as junções entre “A” e “C”, “C” e “D” e “D” e “A”, estejam à mesma temperatura. Em particular, o instrumento utilizado para medir a força eletromotriz pode ter a sua fiação interna constituída de metais diferentes daqueles do termopar, se todas as junções estiverem à mesma temperatura, a medição não se altera. Leis das temperaturas intermediárias: “A força eletromotriz termal desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos, com suas junções às temperaturas T₁ e T₃, respectivamente, é a soma algébrica da força eletromotriz desse mesmo circuito com suas junções às temperaturas T₁ e T₂ respectivamente, e a força eletromotriz desse mesmo circuito com suas junções às temperaturas T₂ e T₃, respectivamente”.

Exemplificação da lei das temperaturas intermediárias

Suponhamos, por exemplo, que T₁ = 500ºC, T₂ = 30º e T₃ = 0ºC. Poderíamos escrever: E₁ = E _{(500 – 0)};    E₂ = E _{(500 – 30);}      E₃ = E _{(30 – 0)} e então: E _{(500 – 0)} = E _{(500 – 30)} + E _{(30 – 0).} ou ainda: E _{(500 – 0)} = E _{(500 – 30)} + E _{(30 – 0).} Se tivermos então, um circuito termoelétrico com uma junta quente a 500ºC, e uma junta fria à temperatura ambiente de 30ºC, a força eletromotriz desse circuito poderá ser obtida pela subtração da força eletromotriz desse circuito com as junções a 500º e a 0ºC e da força eletromotriz desse circuito com as junções a 30 e a 0ºC. Não há necessidade de se conhecer a força eletromotriz da junção a 500ºC, ou a força eletromotriz da junção a 0ºC (esta última certamente diferente de 0). Basta que se conheça a força eletromotriz de um circuito com as junções a essas duas temperaturas. Existem tabelas que dão, para cada tipo de termopar, as forças eletromotrizes geradas quando a junta fria se encontra a 0ºC (tabelas essas referidas a 0ºC). Damos a seguir uma pequena porção de uma dessas tabelas, referente ao termopar tipo “J”, em que os fios são de ferro e constantan. No caso citado em que as junções se encontram a 500 e a 30ºC, a força eletromotriz do circuito seria 27,39 – 1,54 = 25,85 mV, a força eletromotriz do circuito depende, portanto de ambas as temperaturas, da junta quente ou de medição e da junta fria ou de referência. Normalmente, os instrumentos destinados à medição de temperatura com termopares, possuem algum dispositivo destinado a compensar as variações da temperatura da junta fria, havendo, portanto, uma relação biunívoca entre a temperatura da junta quente e a medição. Nessas condições os citados instrumentos poderão ter uma escala graduada diretamente em graus de temperatura.

T(ºC)	0	10	20	30	100	200	300	400	500
Mv	0	0,51	1,02	1,54	5,27	10,78	16,33	21,85	27,39

Industrialmente, são utilizados os seguintes tipos de termopares:

TIPO	POSITIVO	NEGATIVO	T.MIN (ºC)	T.MAX (ºC)
T	Cobre	Constantan	– 200	+ 350
J	Ferro	Constantan	0	+ 750
*E	Chromel	Constantan	– 200	+ 900
K	Chromel	Alumel	– 200	+1250
R	Platina-Ródio 13%	Platina	0	+1450
S	Platina-Ródio 10%	Platina	0	+1450
*B	Platina-Ródio 30%	Plat. – ródio 6%	+800	+1700

Os termopares são em geral montados em tubos ou poços de proteção, resistentes a eventuais choques mecânicos, às temperaturas às quais estarão expostos e à corrosão por parte do meio no qual serão colocados.

Termopar típico com tubo de proteção

A ligação do termopar com o instrumento é via de regra feita por meio de “fios de extensão” ou “fios de compensação” revestidos de borracha, plástico, fibra de vidro, amianto, etc. Esses fios serão normalmente constituídos dos mesmos metais que o termopar, para não introduzir erros na medição. Razões de economia, entretanto, fazem com que, para certos termopares, os fios de extensão não sejam do mesmo metal que o termopar. É o caso, por exemplo, do chromel-alumel, para qual às vezes se usam fios de “ferro-cupronel” e do termopar de platina em que o fio de extensão é em geral de “cobre-cuproníquel”. As propriedades termoelétricas dos fios de extensão devem ser iguais às do termopar, somente naquela faixa de temperatura à qual estará sujeito o fio de extensão (em geral essa temperatura não passa de 200ºC). Vejamos o que acontece se forem utilizados fios de cobre, ao invés de fios de extensão.

Circuito termoelétrico utilizando fios de cobre para interligação entre o instrumento e o termopar

No circuito da imagem acima, os fios de termopar foram designados pelas letras “A” e “B”, e o fio de ligação de cobre pela letra “C”. O circuito termoelétrico assim formado foi decomposto em três. O primeiro circuito apresentará uma tensão igual a E_AB1 – E_AB3, o segundo circuito, por ser constituído de fios de um mesmo material, não apresenta tensão alguma e o terceiro circuito apresentará uma tensão igual a E_AB4 – E_AB2. A tensão total será: E = E_AB1 – E_AB3 + E_AB4 – E_AB2 = E_AB1 – (E_AB3 – E_AB4) – E_AB2 “Perdemos”, portanto, uma tensão igual à diferença das tensões da junta de conexão no cabeçote e da junta nos terminais de entrada. O instrumento indicará a menos que a realidade. Note-se que, no caso acima, se as juntas dos fios de cobre estiverem à mesma temperatura, não haverá erro na indicação. Um procedimento de cálculo semelhante ao acima descrito pode ser utilizado para análise de outros casos comuns, como por exemplo, a troca de fios de compensação de um tipo de termopar por fios de compensação de outro tipo a inversão da polaridade dos fios de compensação, etc.

Termômetros de Resistência

A variação da resistência elétrica de um material condutor com a temperatura também pode ser utilizada para a medição dessa última. Os bulbos de resistência são fabricados de um fio de metal, geralmente platina, níquel ou cobre, com características de resistência versus temperatura aproximadamente linear, e coeficiente de variação de resistividade positivo. Um tipo de bulbo largamente utilizado, e que segue a norma DIN alemã, é o “Pt 100”, com resistência de 100 ohms a 0ºC e 138,50 ohms a 100ºC, constituído de um fio de platina enrolado sobre um material isolante. O bulbo é em geral montado dentro de um tubo de proteção, com um cabeçote contendo um bloco de conexão, semelhante ao de termopar. Os Termistores são dispositivos constituídos por semi-condutores, com um coeficiente de variação de resistividade geralmente negativo, e bastante elevado quando comparado com os metais comuns.

Termômetro de resistência típico

Utilizam-se para a medição instrumentos de bobinas cruzadas, ou pontes de Wheatstone adaptadas para a finalidade, geralmente de balanceamento contínuo. A ligação do bulbo ao instrumento é feita com fios de cobre comuns, a resistência desses fios é somada à resistência do elemento de medição, e pode, portanto, introduzir um erro. Circuitos especiais foram desenvolvidos para reduzir essa influência. Não há necessidade de compensação da temperatura ambiente e, nos instrumentos de ponte de Wheatstone, a fonte não necessita ser estabilizada. Termômetros de resistência são utilizados para medir temperaturas desde as proximidades do zero absoluto (-273ºC), até cerca de 850ºC.

Pirometria de Radiação

Pirômetros de radiação são instrumentos que medem a temperatura de um corpo, através da radiação por ele emitida. Não é necessário o contato direto entre o medidor e o corpo cuja temperatura se deseja determinar. As medições são relativamente independentes da distância entre o medidor e o corpo, além disso, o corpo pode encontrar-se em movimento. Não há praticamente limitação quanto à temperatura máxima que pode ser medida com pirômetros de radiação, o limite mínimo situa-se em torno de 100ºC. Para o estudo dos pirômetros de radiação é importante o conceito de “corpo negro”. Trata-se de um corpo que absorve toda radiação que incide sobre ele, sem transmitir ou refletir qualquer parte dessa radiação. Se esse corpo estiver em equilíbrio térmico, a radiação emitida é igual à absorvida. Em outras palavras, o corpo negro emite radiação em todos os comprimentos de onda, com uma intensidade que é máxima para cada temperatura, um corpo que não seja negro, emitirá radiação com uma intensidade inferior à do corpo negro. Na prática, podem-se obter as propriedades de corpo negro, revestindo um corpo qualquer com uma camada de um material negro e opaco. Por outro lado, um compartimento fechado, com uma pequena abertura, tendo seu interior a uma temperatura uniforme, emitirá radiações através de abertura como se ele fosse um corpo negro, mesmo que no seu interior não haja nada negro. Essa propriedade torna a pirometria de radiação de grande utilidade na determinação da temperatura interna dos fornos.  

Para os corpos negros vale a relação: _b = o .A.T⁴, onde:

_b = fluxo de radiação, erg/seg.

o = constante de Stefan-Boltzmann = 5,77 x 10^-5 ergs / seg . cm² . K⁴

A = área do corpo negro, cm²

T = temperatura, K

Para outros corpos, a equação se torna _b = e . o .A.T⁴, em que e é a “emissividade do corpo”. Note-se que a radiação é proporcional à quarta potência da temperatura. A 600K, um corpo emite 16 vezes mais radiação que a 300K.

Distribuição espectral da energia irradiada

Note-se que a radiação total é tanto maior quanto maior a temperatura, a intensidade de radiação varia bastante com o comprimento de onda. O ponto de máxima radiação se desloca para a esquerda, conforme aumenta a temperatura, para a medição da temperatura através da radiação, utilizam-se os seguintes tipos de pirômetros.

Pirômetros de Radiação

Consistem, em geral de vários termopares montados em série. A radiação é focalizada sobre esses termopares, cujo conjunto é chamado de “termopilha”, através de uma lente ou um espelho côncavo. Os termopares são assim aquecidos, fornecendo uma força eletromotriz ao aparelho indicador ou registrador, geralmente do tipo potenciométrico. A compensação da junta fria é feita no próprio elemento medidor, por meio de resistência variável com a temperatura, a ligação do elemento medidor ao aparelho pode ser feita com fios de cobre.

Pirômetro de Radiação Típico

Pirômetros Ópticos

Consistem de uma lâmpada cuja corrente pode ser variada através de um reostato. Um sistema de lente permite que o observador possa ver, ao mesmo tempo, o filamento da lâmpada e o meio cuja temperatura se deseja medir. Age-se sobre o reostato, até que não se possa mais ver o filamento, a temperatura é lida em um dial acoplado ao reostato.

 

Pirômetro de Óptico Típico