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SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL
CENTRO TECNOLÓGICO
DE ELETROELETRÔNICA“CÉSAR RODRIGUES”
CENATEC
MEDIÇÃO DE
TEMPERATURA
Rua Santo Agostinho 1717 - Horto - Belo Horizonte - MG - CEP 31035-490
Tel.: (031) 482-5582 - FAX (031) 482-5580
email: cetel@fiemg.com.br - home page: www.senai-mg.org.br/cetel
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 1
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 4
1.1.CONCEITO DE TEMPERATURA .............................................................................. 4
1.2.HISTÓRICO .............................................................................................................. 6
2.ESCALAS DE TEMPERATURA ..................................................................................... 7
2.1.CONVERSÃO DE ESCALAS .................................................................................... 8
2.2.PONTOS FIXOS DE TEMPERATURA .................................................................... 11
2.3.ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA .............................................................. 13
2.4.ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA .................................................... 13
3.MEDIDORES DE TEMPERATURA - TIPOS E CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS .... 14
3.1.TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO OU BIMETÁLICO ............................. 19
3.1.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 19
3.2.O BIMETAL E O TERMÔMETRO BIMETÁLICO .................................................... 21
3.2.1.O TERMÔMETRO BIMETÁLICO ................................................................ 21
3.2.2.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO: FAIXA DE TRABALHO E PRECISÃO .... 22
3.3.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA ............................................... 23
3.3.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 23
3.3.2.TIPOS DE CONSTRUÇÃO. ........................................................................ 23
3.3.3.TIPO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE .................................................. 24
3.3.4.TIPO DE RECIPIENTE METÁLICO ............................................................ 24
3.4.TERMÔMETRO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE ............................................. 24
3.4.1.DESCRIÇÃO ............................................................................................... 24
3.4.2.TIPOS DE LÍQUIDOS UTILIZADOS ............................................................ 25
3.4.3.TIPOS DE RECIPIENTE USADO ................................................................ 25
3.4.4.PRECISÃO DOS TERMÔMETROS DE VIDRO .......................................... 26
3.4.5.SENSIBILIDADE DOS TERMÔMETROS DE VIDRO .................................. 27
3.5.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE LÍQUIDO DE RECIPIENTE METÁLICO ...... 30
3.5.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 30
3.5.2.TIPOS DE LÍQUIDO DE ENCHIMENTO ..................................................... 31
3.5.3.TÉCNICAS E MATERIAL DE CONSTRUÇÃO DO TERMÔMETRO ........... 31
3.6.TERMÔMETRO DE DILATAÇÃO DE GÁS ............................................................. 32
3.6.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 32
3.6.2.TIPOS DE GÁS DE ENCHIMENTO ............................................................ 33
3.6.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO .................................................................. 34
3.6.4.ERRO DE MEDIÇÃO .................................................................................. 34
3.7.TERMÔMETRO À TENSÃO DE VAPOR ................................................................ 34
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 2
3.7.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 34
3.7.2.TIPOS DE LÍQUIDO DE ENCHIMENTO ..................................................... 34
3.7.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO .................................................................. 35
3.7.4.CLASSIFICAÇÃO DOS TERMÔMETROS À TENSÃO DE VAPOR ............ 36
3.7.5.TIPO DE DUPLO ENCHIMENTO ................................................................ 36
3.7.6.TIPO DE ENCHIMENTO SIMPLES ............................................................. 36
4.TERMOPAR ................................................................................................................. 38
4.1.EFEITOS TERMOELÉTRICOS ............................................................................... 38
4.2.EXPERIÊNCIA DE SEEBECK ................................................................................. 38
4.3.EXPERIÊNCIA DE PELTIER ................................................................................... 38
4.4.EFEITO VOLTA ...................................................................................................... 39
4.5.EFEITO THOMSON ................................................................................................ 39
4.6.LEIS DA TERMOELETRICIDADE ........................................................................... 39
4.7.TIPOS DE TERMOPARES ...................................................................................... 43
4.7.1.TERMOPARES TIPO T ( COBRE CONSTANTAN) ................................... 43
4.7.2.TERMOPARES TIPO J (FERRO CONSTANTAN) ..................................... 44
4.7.3.TERMOPARES TIPO E (CROMEL CONSTANTAN) .................................. 44
4.7.4.TERMOPARES TIPO K (CROMEL ALUMEL) ............................................ 45
4.7.5.TERMOPARES TIPO N (NICROSIL/NISIL) ............................................... 46
4.7.6.TERMOPARES DE PLATINA TIPOS S E R 10% DE RÓDIO E PLATINA PT
13% RH E PT .............................................................................................. 46
4.7.7.TERMOPARES TIPO B ............................................................................... 47
4.7.8.OUTROS TIPOS DE TERMOPARES .......................................................... 47
4.8.PRINCIPAIS QUALIDADES REQUERIDAS POR UM TERMOPAR ....................... 48
4.9.PREPARAÇÃO, SOLDAGEM E MONTAGEM ........................................................ 49
4.10.PROTEÇÃO ENVELHECIMENTO E CONTROLE ................................................ 56
4.11.FIOS DE COMPENSAÇÃO, FIOS DE EXTENSÃO ............................................... 63
5.TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ........................................................................... 64
5.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ........................................................................ 64
5.2.TIPOS DE TIPOS DE BULBO DE RESISTÊNCIA-CARACTERÍSTICAS
DESEJÁVEIS ......................................................................................................... 65
5.3.TIPOS DE METAIS UTILIZADOS E FAIXA DE UTILIZAÇÃO ................................. 65
5.4.TIPOS DE CONSTRUÇÃO ..................................................................................... 66
5.5.TEMPO DE RESPOSTA, PRECISÃO E PADRONIZAÇÃO DAS
TERMORESISTÊNCIAS ........................................................................................ 67
5.6.TERMISTORES ...................................................................................................... 67
5.7.MEDIDORES DE TEMPERATURA POR TERMORESISTÊNCIA ........................... 69
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 3
5.7.1.PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO BÁSICO ............................................................ 69
5.7.2.TIPOS DE CIRCUITO DE MEDIÇÃO UTILIZADOS .................................... 69
5.7.3.CIRCUITO EM PONTE ............................................................................... 69
6.PIROMETRIA DE RADIAÇÃO ..................................................................................... 72
6.1.INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 72
6.2.HISTÓRICO ............................................................................................................ 73
6.3.RADIAÇÃO TOTAL - EMITÂNCIA - LEI DE STEFAN-BOLTZMANN ...................... 73
6.4.CORPO NEGRO ..................................................................................................... 73
6.5.LEI DE STEFAN-BOLTZMANN ............................................................................... 74
6.6.MEDIÇÃO DE TEMPERATURA .............................................................................. 75
6.6.1.PRINCÍPIO .................................................................................................. 75
6.6.2.CRÍTICA ...................................................................................................... 76
6.7. OTICA DOS PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO TOTAL ............................................. 78
6.7.1.MONTAGEM COM LENTE .......................................................................... 78
6.7.2.MONTAGEM COM ESPELHO .................................................................... 79
6.7.3.MONTAGEM COM DUPLO ESPELHO ....................................................... 80
6.7.4.DISTÂNCIA E DIMENSÕES DO ALVO ....................................................... 81
6.7.5.RE-RADIAÇÃO DE ENERGIA PELAS LENTES, ESPELHOS, JANELAS ... 81
6.7.6.CAUSAS DO ERRO - PRECAUÇÕES DE USO .......................................... 81
6.7.7.TEMPO DE RESPOSTA ............................................................................. 81
6.7.8.TOLERÂNCIA ............................................................................................. 82
7.PIROMETRIA ÓPTICA ................................................................................................. 82
7.1.INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 82
7.2.LEI DE RADIAÇÃO DE PLANCK - LEI DE WIEN .................................................... 82
7.3.FILTROS ABSORVENTES (SCREENS) ................................................................. 84
7.4.CAUSAS DE ERRO ................................................................................................ 84
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................... 85
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 4
1.INTRODUÇÃO
Termometria significa "Medição de Temperatura", é o termo mais abrangente que inclui
tanto a pirometria como a criometria que são casos particulares de medição.
PIROMETRIA - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica
passam a se manifestar.
CRIOMETRIA - Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de
temperatura.
Temperatura na Indústria
A temperatura é uma das variáveis mais importantes na indústria de processamento.
Praticamente todas características físico-químicas de qualquer substância alteram-se de uma forma
bem definida com a temperatura.
Exemplificando:-
• Dimensões (Comprimento, Volume).
• Estado Físico (Sólido, Líquido, Gás).
• Densidade.
• Viscosidade.
• Radiação Térmica.
• Reatividade Química.
• Condutividade.
• PH.
• Resistência Mecânica.
• Maleabilidade, Ductilidade.
Assim, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu
comportamento provocando por exemplo:-
- Uma aceleração ou desaceleração do ritmo de produção.
- Uma mudança na qualidade do produto.
- Um aumento ou diminuição na segurança do equipamento e/ou pessoal.
- Um maior ou menor consumo de energia.
1.1.CONCEITO DE TEMPERATURA
Temperatura é uma propriedade da matéria, relacionada com o movimento de vibração
e/ou deslocamento dos átomos de um corpo. Todas as substâncias são constituídas de átomos que
por sua vez, se compõe de um núcleo e um envoltório de elétrons. Normalmente estes átomos
possuem uma certa energia cinética que se traduz na forma de vibração ou mesmo deslocamento
como no caso de líquidos e gases.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 5
A energia cinética de cada átomo em um corpo não são iguais e constantes, mudam de
valor constantemente, num processo de intercâmbio de energia interna própria.
Baseado nesta conceituação, pode-se definir a temperatura da seguinte forma:
"Temperatura é a propriedade da matéria que reflete a média da energia cinética dos átomos de
um corpo".
Na prática, a temperatura é representada em uma escala numérica, onde, quanto maior o
seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão.
Outros conceitos que se confundem às vezes com o de temperatura são:
• Energia Térmica.
• Calor.
A Energia Térmica de um corpo é a somatória das energias cinéticas dos seus átomos, e
além de depender da temperatura, depende também da massa e do tipo de substância.
O Calor é a energia que se transfere de um corpo para o outro por diferença de
temperatura.
A temperatura sob ponto de vista da experiência do homem no seu cotidiano, introduz o
uso dos termos quente e frio. A sensação de quente é o resultado do fluxo de calor de um corpo
qualquer para o nosso próprio, decorrente de uma maior temperatura daquele corpo.
A sensação de frio aparece quando o nosso corpo cede calor para outro qualquer. A
superfície do corpo humano está coberta de sensores de temperatura que nos informam a cada
instante do estado térmico do ambiente que nos cerca.
As sensações de quente e frio que sentimos são relativas, um corpo à mesma temperatura
pode nos transmitir sensações diversas dependendo das condições físicas e psicológicas do nosso
corpo.
Os nossos sentidos não são adequados para medir temperatura com segurança, além de
atuarem em uma faixa de temperatura bastante estreita, próxima à temperatura do próprio corpo,
devido ao aparecimento da dor.
Até o final do século XVI, quando foi desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliar
temperatura, os sentidos do nosso corpo foram os únicos elementos de que dispunham os homens
para dizer se um certo corpo estava mais quente ou frio do que um outro, apesar da
inadequadamente destes sentidos sob o ponto de vista científico.
Formas de transferência de calor
Condução (sólidos):
Transferência de calor por contato físico. Um exemplo típico é o aquecimento de uma barra de
metal.
Convecção (líquidos e gases):
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 6
Transmissão ou transferência de calor de um lugar para o outro pelo deslocamento de material.
Quando o material aquecido é forçado a se mover, existe uma convecção forçada. Quando o
material aquecido se move por diferença de densidade, existe uma convecção natural ou livre.
Radiação (sem contato físico):
Emissão contínua de energia de um corpo para outro, através do vácuo ou do ar (melhor no vácuo
que no ar, pois no ar é parcialmente absorvida). A energia radiante possui a forma de ondas
eletromagnéticas e propagam-se com a velocidade da luz.
1.2.HISTÓRICO
O primeiro instrumento desenvolvido para avaliar temperaturas foi um termoscópio
fabricado por Galileu Galilei, sábio italiano, em 1592. Este instrumento permitia comparar as
temperaturas de dois ambientes, sem atribuir valores numéricos às mesmas, donde provém o seu
nome. Hoje sabe-se que a pressão atmosférica afetava as indicações deste termoscópio, limitando
a precisão das indicações.
Em 1654, Ferdinand II, Duque de Toscânia, fabricou termômetros na forma usual, ou seja,
um bulbo e capilar de vidro, cheios parcialmente de álcool e totalmente selado da pressão
atmosférica. Neste instrumento, a propriedade usada para detectar variações de temperatura é a
dilatação do álcool.
Robert Hooke em 1664 estabeleceu o primeiro ponto de referência em termômetro,
atribuindo o valor zero ao ponto onde se estabilizava a coluna de álcool, quando o termômetro era
colocado no gelo fundente.
Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro,
sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas
reproduzíveis, como existia na época, para Peso, Distância, Tempo. Era um dilema, que foi sendo
resolvido gradativamente ao longo de muitos anos de evolução técnica. Por exemplo em 1665 o
cientista e matemático holandês Christian Huygens escreveu:- "... Seria bom existir um padrão
universal e determinado de calor e frio, fixando uma proporção definida entre a capacidade do bulbo
e do tubo, e então tomando para o começo o grau de frio no qual a água começa a congelar, ou
melhor, a temperatura da água em ebulição..."
Foi somente em 1694 que Carlo Renaldini, ocupava a mesma cadeira de matemática na
Universidade de Pádua que ocupava Galileu, sugeriu tomar o ponto de fusão do gelo e de ebulição
da água como dois pontos fixos de temperatura em uma escala de termômetro. Ele dividiu o espaço
entre eles, em 12 partes iguais. Infelizmente esta importante contribuição para a Termometria foi
esquecida.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 7
Newton, em 1701, definiu uma escala de temperatura baseada em dois pontos fixos
reprodutíveis. Para um ponto fixo escolheu o ponto de fusão do gelo, e o chamou de zero. Para o
outro ponto fixo ele escolheu o número 12 a este ponto.
Baseado no que Newton chamava de "Partes iguais de calor", a água fervia no número 34 desta
escala.
Em 1706 Daniel Gabriel Fahrenheit, fabricante de termômetros de Amsterdã, definiu uma
escala de temperatura, possuía 3 pontos de referência 0, 48 e 96. Números que representavam nas
suas palavras o seguinte:- "... 48 no meu termômetro é o meio entre o frio mais intenso produzido
artificialmente por uma mistura de água, gelo e sal-amoníaco, ou mesmo sal comum, e aquela
(Temperatura) que é encontrada no sangue de um homem saudável..."
Fahrenheit encontrou que na sua escala o ponto de fusão do gelo valia 32 e o de ebulição
da água 212 aproximadamente. Estes pontos, posteriormente forma considerados mais
reprodutíveis e foram definidos como exatos e adotados como referência.
Em 1742, Anders Celsius, professor de Astronomia na Suécia, propôs uma escala com o
zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água, no ano seguinte Christian de
Lyons, independentemente sugeriu a familiar escala centígrada (atualmente chamada escala
Celsius).
2.ESCALAS DE TEMPERATURA
As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram a Fahrenheit e a Celsius. A escala
Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 no ponto de
ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180 partes iguais, e cada parte é
um grau Fahrenheit.
Toda temperatura na escala Fahrenheit é identificada com o símbolo "ºF" colocado após o
número (Ex. 250ºF)
A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no ponto de fusão do gelo e 100
no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido em 100 partes iguais, e
cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau centígrado" utilizada anteriormente no lugar de
"Grau Celsius", não é mais recomendada.
A identificação de uma temperatura na escala Celsius é feita com o símbolo "ºC" colocado
após o número (Ex.: 160ºC).
Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit, são relativas, ou seja, os seus valores
numéricos de referência são totalmente arbitrários. Existe entretanto escalas absolutas de
temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no ponto teórico onde a temperatura
atinge o seu valor mínimo, no ponto onde a energia cinética dos átomos se anula.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 8
Existem duas escalas absolutas atualmente em uso; a Escala Kelvin e Rankine. A Escala
Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual à um grau Celsius, porém o
seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível, 273,15 graus abaixo do zero da
Escala Celsius. A Escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua
divisão é idêntica à da Escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga às
escalas relativas:- Kelvin → 400K (sem o símbolo de grau "º"). Rankine → 785 R.
A Escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos da América,
porém seu uso tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitação universal. O sistema
internacional de unidades adota (ºC) graus Celsius.
A Escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a
escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit.
Existe uma outra escala relativa, a Reaumur, hoje já praticamente em desuso. Esta escala
adota como zero o ponto de fusão do gelo e 80 o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido
em oitenta partes iguais. (Representação - ºRe).
2.1.CONVERSÃO DE ESCALAS
A figura 1 compara as escalas de temperatura existentes.
100
50
0
212
122
32
Co
Fo
373
323
273
K
672
582
492
R
Co
K Fo R
fig.1
Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas:
• CELSIUS X FAHRENHEIT →
•CELSIUS X KELVIN →
ºC
5
=
ºF - 32
9
K = 273,15 + º C
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 9
• FAHRENHEIT X RANKINE → R = 459,67 + ºF
• KELVIN X RANKINE →
Outras relações podem ser obtidas combinando as apresentadas entre si. É importante observar a
diferença entre, por exemplo, 1ºC e 1 grau Celsius.
O primeiro significa uma determinada temperatura e o segundo significa um intervalo de
temperatura.
Se pretendermos passar para a escala Fahrenheit, teremos:-
• 1º caso:- 1ºC → → 1ºC = 33,8ºF (Fórmula 1)
• 2º caso:- = 1,8 Grau Fahrenheit →
(Utilizando a relação entre as dimensões do grau Celsius e o Grau Fahrenheit)
Exercícios Resolvidos
1. Qual a temperatura em ºC do zero original da escala Fahrenheit? E a temperatura do homem
saudável?
Resp.: 1º) 0ºF → ºC: -
O
C
5
=
0 - 32
9 → -17,78ºC
2º) 96ºF → ºC:-
C
5
=
96 - 32
9
O
→ 35,55ºC
2. O ponto de ebulição do oxigênio é -182,86ºC. Exprimir esta temperatura em:
a) K; b) ºF; c) R.
a) ºC → K :- K = 273,15 + (-182,86) = 90,29K
b) ºC → ºF :-
-182,86
5
=
ºF - 32
9 = -297,15ºF
K =
ºR . 5
9
1ºC
5
=
ºF - 32
9
1 grau Celsius =
9 ºF
5
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 10
c) ºC → R :- ou melhor, ºC → K →
R:- 90,29 =
R. 5
9 = 162,52R
3. O ponto de ebulição do Tungstênio é 5900ºC. Calcular esta temperatura em:
a) K; b) ºF.
a) ºC → K:- K = 273,15 + 5900 = 6173,15K
b) ºC → ºF:-
5900
5
=
ºF - 32
9 = 10652ºF
Obs.:- Dependendo da precisão do cálculo, pode-se arredondar 273,15 para somente 273 sem
cometer um erro muito grande. Também o fator 459,67, de conversão R para ºF, pode ser
arredondado para 460.
Assim as fórmulas ficariam:-
K = 273 + ºC e R = 460 + ºF
4. No interior do sol a temperatura é cerca de 10
7
K. Qual a temperatura:
a) Na escala Celsius; b) Na escala Rankine; c) Na escala Fahrenheit?
a) K ºC:- 10
7
= 273 +ºC ~ 10
7
ºC
b) K ºR:-
107 =
R . 5
9 ~ 1,8 . 10
7
ºR
c) K ºF:- A diferença neste caso de R e ºF é desprezível
1,8 . 10 ºF7
≅
5. Transformar a unidade de calor "Caloria” em "BTU". Sabendo-se que 1 caloria é a quantidade de
calor necessária para aquecer de 1 grau Celsius, 1 grama de água, e BTU é a quantidade de calor
para aquecer de 1 grau Fahrenheit, 1 libra de água.
Dado:- 1 libra = 453,6 gramas
1Caloria = 1 grama . 1
O
C
1BTU = 1 libra. 1
O
F
1Caloria =
1
453 6
1 8
,
,• O
F
= 3,968 . 10
-3
BTU
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 11
1 BTU = 453,6 g o,5555 FO
• = 252 Calorias
1 Caloria = 3,968 . 10
-3
BTU ou 1 BTU = 252 Calorias
Obs.: Notar que foi utilizada a relação entre os valores do grau Celsius e Fahrenheit.
6. Supondo que a escala de Carlo Renaldini tivesse sido adotada, qual seria:- a) A fórmula de
correspondência com a escala Celsius? b) Qual seria o valor do zero absoluto nesta escala?
Ponto Fusão Ponto Ebulição
Gelo água
0 100
0 12
a) CELSIUS (ºC)
RENALDINI (ºRn)
O O
C
100
=
Rn
12 ou
C
25
=
Rn
3
O O
b)
-273,15
25
=
Rn
3 → -32,78ºRn
2.2.PONTOS FIXOS DE TEMPERATURA
A temperatura interna do corpo humano pode ser considerada como um ponto fixo de
temperatura. Entretanto esta temperatura é afetada por vários fatores que diminuem a precisão
deste padrão.
A mudança de estado de substâncias puras (fusão, ebulição) é normalmente desenvolvida
sem alteração na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substância é utilizado pelo
mecanismo de mudança de estado.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 12
-273,15
0
100
374
1000
Co
CALOR SENSÍVEL
CALOR LATENTE
T1 T2
PONTO TRIPLO H O2
(0,01 C)o
L+S
L+G
TEMPERATURA CRÍTICA
VAPOR + GÁS
DECOMPOSIÇÃO DA
H O
(H + 0 )2
2
2
PRESSÃO = 1 Atm
(LÍQUIDO, SÓLIDO, GASOSO)
Fig.2
Calor sensível: - é a quantidade de calor necessária para que uma substância mude a sua
temperatura até que comece a sua mudança de estado, onde teremos o calor latente.
Calor latente: - a quantidade de calor que uma substância troca por grama durante a mudança de
estado.
Apesar do calor cedido a água ser constante durante toda a experiência, nota-se que
durante a fusão do gelo, entre t1 e t2, e ebulição da água, entre t3 e t4 a temperatura permanece
constante. Se mantivermos uma mistura de água e gelo em equilíbrio, a temperatura permanecerá
constante apesar de existir fluxo de calor entre a mistura e o ambiente.
Esta mistura de duas ou três fases (Vapor, Líquido e Sólido) em equilíbrio, gera o que se
convencionou chamar de "Ponto Fixo de Temperatura". Visando uma simplificação nos processos
de calibração, a Comissão Internacional de Pesos e Medidas, relacionou uma série de pontos fixos
secundários de temperatura, conforme mostrado na Tabela abaixo.
PONTOS FIXOS TEMPERATURA(ºC)
Ponto de Ebulição do Nitrogênio -195,798
Ponto triplo do Hélio -259,3467
Ponto triplo da água 0,010
Ponto de Solidificação do Estanho 231,928
Ponto de Solidificação do Alumínio 660,323
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 13
Ponto de Ebulição do Oxigênio -182,954
Ponto de Solidificação da Prata 961,78
Ponto de Solidificação do Cobre 1084.62
Ponto de Solidificação da Platina 1064,180
2.3.ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA
Não existe limite superior para a temperatura de uma substância qualquer. À medida que
sobe a temperatura, ocorre uma série de transformações físico-químicas na substância, por
exemplo:- Fusão, Evaporação, Decomposição Molecular, Ionização, Reações Nucleares, etc...
Se usarmos a substância água como exemplo, teríamos as seguintes temperaturas na
escala Celsius, associados a estas transformações:-
Fusão - 0ºC (por definição).
Evaporação - 100ºC (por definição).
Decomposição (H2O em H2 e O2) entre 1000 e 3000ºC.
Ionização - (perda de elétrons) - acima de 2000ºC.
Reações nucleares (fusão de hidrogênio) - acima de 15.000.000ºC.
Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substância, atingimos um ponto
limite além do qual é impossível ultrapassar, pela própria definição de temperatura. Este ponto,
onde cessa praticamente o movimento atômico, é o zero absoluto de temperatura.
Zero absoluto: - é o estado em que praticamente cessa o movimento atômico.
As escalas absolutas (Kelvin e Rankine) atribuem o valor zero à temperatura mais baixa
possível.
A escala Kelvin possui a graduação igual a da Celsius, portanto:-
0 K = -273,15ºC e 0 R = 273,15ºC
A escala Rankine possui a graduação igual a da Fahrenheit, portanto:-
0 K = -459,67ºF e 0 R = 459,67ºF.
É evidente que uma escala absoluta não pode ter temperaturas negativas.
2.4.ESCALA INTERNACIONAL TEMPERATURA (ITS90)
Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada em
fenômenos de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas
de temperatura e pressão, determinando os pontos fixos de temperatura.
A IPTS- Escala prática Internacional de temperatura, foi a primeira escala prática
internacional de temperatura e surgiu em 1927. Foi modificada em 1948(IPTS-48), em 1960 mais
modificações foram feitas e em 1968 uma nova IPTS foi publicada (IPTS-68).
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 14
Em 1990, a Comissão Internacional de Pesos e Medidas, homologou uma nova escala de
temperatura, a ITS-90, definida a partir de vários pontos fixos de temperatura e com auxílio de
instrumentos padrão de interpolação.
A ITS-90 foi definida através de fenômenos determinísticos de temperatura, isto é, pontos
fixos de determinadas temperaturas.
Pontos fixos IPTS-68 (graus Celsius) ITS-90 (graus Celsius)
Ebulição do Oxigênio -182,962 -182,954
Ponto triplo da água 0,01 0,01
Solidificação do Estanho 231,968 231,928
Solidificação do Zinco 419,58 419,527
Solidificação da Prata 961,93 961,78
Solidificação do Ouro 1064,43 1064,18
Os valores numéricos dos pontos fixos de temperatura, são determinados pela termometria
à gás, e os instrumentos de interpolação são:
- Na faixa de -259,34ºC a 630,74ºC é termômetro de resistência de platina.
- Na faixa de 630,74ºC a 1064,43ºC é o termopar de platina com 10% de ródio e platina.
- Acima de 1064,43ºC é o pirômetro óptico.
Existem várias equações que relacionam a temperatura e a propriedade termométrica
utilizada nestes instrumentos (resistência elétrica, FEM termoelétrica e energia radiante). Através do
uso destas equações pode-se determinar com precisão a temperatura em que se encontra um
determinado corpo de prova.
Esta escala de temperatura é transferida para outros instrumentos de utilização mais
simples, mantendo-se o erro de faixas bastante estreitas. Em princípio, de uma forma indireta, todo
termômetro usado na prática tem a sua calibração relacionada à Escala Internacional de
Temperatura.
3.MEDIDORES DE TEMPERATURA - TIPOS E CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS
Os instrumentos de medida da temperatura podem ser divididos em duas grandes classes:
1ª Classe
Compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensível está em contato com o
corpo cuja temperatura se quer medir. São eles:
A)Termômetros à dilatação de sólido.
B) Termômetros à par termo elétrico.
C) Termômetros à resistência elétrica.
D) Termômetros à dilatação de líquido.
E) Termômetros à dilatação de gás.
F) Termômetros à tensão de vapor saturante.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 15
G) Pirâmides fusíveis e "crayons" coloridos.
2ª Classe
Compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensível não está em contato
com o corpo cuja temperatura se quer medir. São eles:
A) Pirômetros à radiação total.
B) Pirômetros à radiação parcial (monocromáticos).
A aplicação dos diversos tipos apresentados depende em cada caso de fatores técnicos e
econômicos. Como fatores técnicos podemos citar faixa de medição, tempo de respostas, precisão,
robustez, etc. A relação abaixo mostra a aplicação de cada tipo de medidor na indústria.
1ª Classe:
Termômetro à Dilatação de Sólido
Sob a forma de termômetro bimetálico é atualmente o indicador de temperatura local mais
usado na área industrial devendo isto a sua simplicidade, robustez e baixo preço.
Termômetro à Par Termoelétrico
É atualmente o sistema de medição de temperatura mais utilizado na indústria para monitoria
de processos nas salas de controle centrais.
É preciso, robusto, cobre uma ampla gama de temperaturas e possui normalmente preço inferior ao
de resistência.
Termômetro de resistência elétrica
Pertence à categoria de instrumentos elétricos. Tem uso bastante difundido na indústria,
sendo ao contrário dos termômetros anteriores útil na transmissão à distância da temperatura medida.
Seu uso deve-se ao fato de possuir boa precisão e ampla faixa de temperatura, apesar de ser de
preço elevado.
Termômetros à Dilatação de Líquido
Termômetros de vidro de mercúrio - amplamente usado em laboratórios, oficinas e quando
protegido, na área industrial.
Termômetro metálico de mercúrio - bastante usado em áreas industriais como indicador local de
temperatura.
Termômetro à dilatação de gás
Não encontra muita aplicação na indústria. Normalmente é encontrado em aplicações como
indicador local de temperatura.
Termômetro à Tensão de Vapor
Tem uso bastante difundido na indústria e como monitor de temperatura em instrumentos
industriais.
Pirâmides Fusíveis e "Crayons" coloridos
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 16
Aplicação bastante limitada nas indústrias, restringindo seu emprego a algumas indústrias
cerâmicas. "Crayons" coloridos, uso esporádico em testes nas indústrias e oficinas, sendo anualmente
substituído por termômetros elétricos de contato.
2ª Classe
Pirômetro de Radiação Total
Grande aplicação na indústria nos casos de medição de altas temperaturas ou de objetos
móveis, continuamente. Não possui concorrentes na sua faixa de aplicação.
Pirômetro Óptico Monocromático (Radiação Parcial)
Bastante usado na indústria para medir esporadicamente altas temperaturas. É utilizado para
calibração eventual do pirômetro de radiação total. Preço elevado.
Características Principais dos Instrumentos de Medição de Temperatura
Faixa de Medida ( Range )
Conjunto de valores da variável medida, que estão compreendidos dentro do limite superior e
inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Expressa-se determinando os
valores extremos.
EX.: 100 - 500ºC
0 - 20 PSI
Alcance ( Span )
É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Ex.:
Em instrumento com range de 100 a 500ºC.
Erro
É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor real da
variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático, que
poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento, o qual poderá estar
indicando a mais ou a menos.
Quando tivermos a variável variando, teremos um atraso na transferência de energia do meio
para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta
diferença entre o valor real e o valor medido é chamado de ERRO DINÂMICO.
- Quando a variável não estiver variando, podemos ter somente o ERRO ESTÁTICO.
- Quando a variável estiver variando, poderemos ter o ERRO DINÂMICO e o ERRO ESTÁTICO.
Como qualquer outro tipo de medidor os medidores de temperatura apresentam
características físicas que definem o seu comportamento, tais como: precisão, sensibilidade,
fidelidade, entre as mais importantes. Estas três características são definidas como segue:
Precisão (erro relativo)
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 17
Erro apresentado pelo instrumento em relação a uma curva ideal.
valor indicado
valor medido
curva ideal
erro
Fig.3
Um instrumento de medição é tão mais preciso quando o erro relativo máximo que ele pode
cometer seja o menor possível. É normalmente expresso em termos de porcentagem do valor medido
ou do valor máximo da escala. O erro em questão é o estático. Podemos expressar precisão de
diversas maneiras:
- Em porcentagem do alcance ( Span )
80ºC; sua precisão é de 0,5%
Sabemos que a temperatura estará entre 79,5ºC e 80,5ºC.
- Em unidades da variável (unidades de engenharia).
Ex.: Precisão de +- 2ºC.
- Em porcentagem do valor medido
Ex.: Precisão de +- 1%. Para 80ºC teremos uma margem de +- 0,8ºC.
- Em porcentagem do valor máximo da escala do instrumento.
Ex.: Precisão de 1%. Range de 50 a 150ºC.
A precisão será de +- 1,5ºC.
- Em porcentagem do comprimento da escala.
Ex.: Se o comprimento da escala de um instrumento fosse de 30cm, com range de 50 a 150ºC e
precisão de 1%, teríamos uma tolerância de +- 0,3cm na escala do instrumento.
Podemos ter a precisão variando ao longo da escala de um instrumento, podendo o fabricante
indicar seu valor em algumas faixas da escala do instrumento.
Ex.: Um manômetro pode ter uma precisão de +- 1% em todo seu range e ter na faixa central de sua
escala uma precisão de 0,5%.
Sensibilidade
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 18
É a razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a variação
da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Pode ser dada em porcentagem
do alcance de medida. Um instrumento com range de 0 - 500ºC e com uma sensibilidade +- de 0,05%.
Terá valor será de 0,005 x
1
0 10kgf/cm
2 0
270
O
0
O
0
O
270
O
2
S1 =
S1 =
270
O
270
O
1kgf/cm
2
1kgf/cm 2
10kgf/cm 2
270
O
27
O
kgf/cm 2
kgf/cm 2
/
/
=
=
fig4
Repetibilidade
É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotando
sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento. O
termo repetibilidade não inclui a histeresis.
valor
indicado
valor
medido
curva ideal
ascendente
descendente
MÁX
MÍN
Fig.5
Fidelidade
Um instrumento de medição é tanto mais fiel, quando fornece para um valor determinado de
temperatura a medir indicações concordantes entre elas com a melhor aproximação. É uma das
qualidades essenciais de um termômetro.
Histeresis
É o erro máximo apresentado por um instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto
da faixa de trabalho, quando a variável percorra toda a escala nos sentidos ascendente e
descendente. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 19
Ex.: Num instrumento com range de - 50ºC a 100ºC e histeresis de +- 0,3%. o erro será de 0,3% de
150ºC = +- 0,45ºC. Devemos destacar que o termo "zona morta" está incluído na histeresis.
valor
indicado
valor
medido
curva ideal
ascendente
descendente
MÁX
MÍN
Fig.6
3.1.TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO OU TERMÔMETRO BIMETÁLICO
3.1.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
A operação deste tipo de termômetro se baseia no fenômeno da dilatação linear dos metais
com a temperatura. É sabido que o comprimento de uma barra metálica varia com a temperatura
segundo a fórmula aproximada:
L = Lo (1 + αααα t)
Onde: L = comprimento da barra à temperatura t.
Lo = comprimento da barra à 0ºC.
t = temperatura da barra.
αααα = coeficiente de dilatação linear do metal utilizado
Deste modo poder-se-ia construir um termômetro baseado medição das variações de
comprimento de uma barra metálica. A figura mostra dois tipos de termômetros baseados diretamente
neste fenômeno:
-O primeiro tipo consiste em uma barra metálica sustentada horizontalmente e um sistema mecânico
para amplificação das pequenas variações de comprimento da barra.
-O segundo tipo baseia-se na medição da diferença de dilatação entre um tubo feito de material de
coeficiente de dilatação e uma haste interna de material de baixo coeficiente de dilatação.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 20
PONTEIRO
AMPLIFICAÇÃO
MECÂNICA
TUBO DE
DILATAÇÃO
(LATÃO)
HASTE DE
TRANSMISSÃO
(INVAR)
PONTEIROAMPLIFICAÇÃO
MECÂNICA
BARRA DE DILATAÇÃO
AJUSTE DE
ZERO
fig.7
Estes termômetros apresentam dois graves inconvenientes:
-O elemento sensor possui uma grande massa, o que torna a resposta do termômetro lenta.
-A variação do comprimento experimentada pela barra é muito pequena, necessitando de uma grande
amplificação mecânica até o dispositivo de indicação.
Este último fator pode ser evidenciado no seguinte exercício:
- Calcular a variação de comprimento sofrida por uma barra de ferro cujo comprimento a 0ºC é de
300mm. Quando ela for submetida a uma temperatura de 100ºC.
Dado:
Coeficiente de dilatação linear de ferro→ αFe = 12.10
-6
.ºC
-1
L = 10.(1 + α.t)
L = 300.(1 + 12 . 10
-6
. 100)
L = 300.(1 + 0,0012)
L = 300. (1,0012) = 300,36mm
Onde: L = comprimento à 100ºC.
Lo = comprimento à 0ºC.
t = 100ºC.
Variação de comprimento:
∆L = L - Lo
∆L = 300,36 - 300,00
∆L = 0,36mm
Portanto uma variação de 100ºC em uma barra de ferro de 300mm, provoca uma variação de
apenas 0,36 em seu comprimento.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 21
3.2.O BIMETAL E O TERMÔMETRO BIMETÁLICO
Fixando-se duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação diferentes de maneira
indicada na figura, e submetendo o conjunto assim formado a uma variação de temperatura, observa-
se um encurvamento que é proporcional à temperatura. O encurvamento é devido as diferentes
coeficientes de dilatação dos dois metais, sendo o segmento de círculo a forma geométrica que
comporta as duas lâminas com comprimentos diferentes.
Evidentemente, fixando-se uma extremidade da lâmina bimetálica, o movimento da outra
ponta representará a temperatura da mesma. A sensibilidade deste sistema é bem superior à do
apresentado na figura anterior, sendo tanto maior quanto for o comprimento da lâmina e a diferença
entre os dois coeficientes de dilatação dos metais.
Um termômetro elementar baseado no efeito bimetálico é apresentado na figura a seguir.
MATERIAL A
MATERIAL B
ααααA >α>α>α>αB
Fig.8
3.2.1.O TERMÔMETRO BIMETÁLICO
Na prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta mais
ainda a sensibilidade do sistema conforme a figura.
ESPIRAL HELICOIDAL
Fig.9
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 22
O termômetro mais usado é o de lâmina bimetálica helicoidal. E consiste de um tubo bom
condutor de calor, do interior do qual é fixada um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se
desloca sobre uma escala.
APOIO
METAL
HELICOIDAL
HASTE
DE
TRANSMISSÃO
APOIO
Fig.10
Normalmente o eixo gira de um ângulo de 270º para uma variação de temperatura que cubra
toda a faixa do termômetro.
3.2.2.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO:FAIXA DE TRABALHO E PRECISÃO
A sensibilidade do termômetro depende das dimensões de hélice bimetálica e de diferença
de coeficiente de dilatação dos dois metais. Normalmente usa-se 1 INVAR como metal de baixo
coeficiente de dilatação.
INVAR:- (Aço com aproximadamente 36% de níquel e que possui baixo coeficiente de dilatação,
aproximadamente 1/20 dos dois metais comuns).
O latão é utilizado como material de alto coeficiente de dilatação e para temperaturas mais
elevadas usa-se ligas de níquel.
A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -50ºC à 800ºC,
sendo a escala sensivelmente linear. A precisão normalmente garantida é de ± 2% do valor máximo
da escala.
Usualmente, as lâminas bimetálicas são submetidas a tratamentos térmicos e mecânicos
após a confecção, usando a estabilização do conjunto (repetibilidade).
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 23
3.3.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA
3.3.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
São baseados no fenômeno de dilatação aparente de um líquido dentro de um recipiente
fechado.
Descrição de Diversos Tipos de Medidores
A seguir será apresentado uma descrição detalhada de cada tipo de medidor de
temperatura com exceção do tipo (Pirâmides Fusíveis e "Crayons"), tendo em vista a sua limitada
aplicação na indústria de um modo geral. A lei que rege este fenômeno está representada
matematicamente da seguinte forma:
V = Vo ( 1 + γγγγat )
Onde: V = volume aparente à temperatura t.
Vo = volume aparente à temperatura 0º.
γa = coeficiente de dilatação aparente do líquido.
t = temperatura do líquido.
O coeficiente de dilatação aparente de um líquido é calculado como segue:
γa = γ1 - γv
Onde: γa = coeficiente de dilatação aparente do líquido.
γ1 = coeficiente de dilatação do líquido.
γv = coeficiente de dilatação do vidro.
Por exemplo:
- Para mercúrio γHG = 180 . 10
-6
ºC
-1
- Para o vidro γv = 20 . 10
-6
ºC
-1
Deste modo o coeficiente de dilatação aparente do mercúrio no vidro vale:
γa = γHG - γv
γa = 180. 10
-6
- 20 . 10
-6
= 160 . 10
-6
ºC
-1
Para o álcool temos:
γálcool = 1.200 . 10
-6
Portanto no vidro o coeficiente aparente será:
γa - 1.200 . 10
-6
- 20 . 10
-6
= 1.180 . 10
-6
ºC
-1
3.3.2.TIPOS DE CONSTRUÇÃO
Podem ser:
- Tipo de Recipiente Transparente
- Tipo de Recipiente Metálico
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 24
3.3.3.TIPO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE
O órgão indicado é a própria coluna de líquido visível através do recipiente sendo seu
copo a referência usada contra a escala que a acompanha.
3.3.4.TIPO DE RECIPIENTE METÁLICO
O órgão de indicação à um medidor volumétrico (fole, bourdon , etc.) que aciona um
ponteiro sobre uma escala normalmente circular.
3.4.TERMÔMETRO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE
3.4.1.DESCRIÇÃO
Este tipo de termômetro é constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da
sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção a mais uniforme possível fechado na
parte superior. O reservatório e parte do capilar são preenchidos de um líquido. Na parte superior do
capilar existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar seu
limite máximo.
0
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
0
10
30
20
60
50
40
70
-10
-20
-30
80
90
100
0
10
30
20
60
50
40
70
80
90
100
Poço de
proteção
fig.11
Após a calibração a parede do tubo capilar é graduado em graus ou frações deste. A
medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna
líquida. Em alguns casos ao invés de graduar o tubo capilar, fixa-se ao mesmo uma escala que
receberá a graduação.
3.4.2.TIPOS DE LÍQUIDOS UTILIZADOS
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 25
Entre os líquidos mais utilizados estão os abaixo relacionados:
Nota: Na tabela a seguir, cada letra corresponde às seguintes grandezas:
A - Tipo de líquido.
B - Calor Específico - Cal/GºC.
C - Ponto de Solidificação (ºC).
D - Ponto de Ebulição (ºC).
E - Coeficiente de dilatação (a 20ºC).
F - Faixa de Utilização (ºC).
A B C D E F
Mercúrio 0,033 -39º +357º 182 . 10
-6
- 35 à 600º
Tolueno 0,421 -92º +110º 1224 . 10
-6
- 80 à 100º
Álcool
Etílico
0,581 -115º +78º 1120 . 10
-6
- 80 à 70º
Pentano 0,527 -131º +36º 1608 . 10
-6
-120 à 30º
Acetona 0,528 -95º +567 1487 . 10
-6
- 80 à 50º
Notas:
1º) Para temperaturas superiores a 200ºC no caso do mercúrio, a parte superior do
capilar é preenchida com um gás inerte, normalmente nitrogênio sob pressão. Esta precaução é
indispensável para evitar a vaporização do mercúrio que poderia ocasionar rupturas na coluna do
líquido. Esta pressão atinge valores de 1,20 a 70atm., para termômetros graduados
respectivamente em 350, 600 e 750ºC.
2º) No caso de se utilizar gás sob pressão, o termômetro prevê na parte superior um
reservatório de grande capacidade, a fim de tornar a pressão interna o mais independente possível
da posição da coluna de mercúrio.
3.4.3.TIPOS DE RECIPIENTES USADOS
A - Vidro (normal e especial) - Ponto de Fusão: 900 à 1200ºC, utilizado até 600ºC.
B - Quartzo fundido transparente - Ponto de Fusão: 1770ºC utilizado até 1050ºC.
Nota:- Todos os tipos de vidro quando aquecidos e resfriados não retornam às dimensões originais,
fenômeno este conhecido como "histerese térmica dos sólidos". Este fenômeno tende desaparecer
após o uso prolongado, isto é, aquecendo-se e resfriando-se o termômetro inúmeras vezes. Os
bons termômetros têm seus invólucros de vidro pré-envelhecido na fábrica a fim de minimizar este
efeito.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 26
3.4.4.PRECISÃO DOS TERMÔMETROS DE VIDRO
A tabela abaixo mostra as faixas de utilização, intervalo de graduação e desvios
normalmente tolerados para termômetros comuns e para termômetros de calibração:
a) Termômetro Comum - Coluna A.
b) Termômetro de Calibração (padrão) - Coluna B.
FAIXA DE UTILIZAÇÃO GRADUAÇÃO
O
C POR DIV. DESVIO TOLERADO (ºC)
A B A B A B
-20 à +50 - 0,5 - 1 -
- -20 à +100 - 0,01 à 0,5 - 0,05 à 0,5
+50 à 200 - 1 à 2 - 2 -
- 100 à 200 - 0,2 à 1 - 0,5 à 1
FAIXA DE UTILIZAÇÃO GRADUAÇÃO ºC POR DIV. DESVIO TOLERADO (ºC)
A B A B A B
200 à 300 200 à 300 2 1 à 2 3 2 à 3
300 à 400 300 à 400 5 1 à 2 6 3 à 5
400 à 500 400 à 500 5 1 à 5 9 5 à 9
500 à 600 - 5 - 12 -
- 500 à 700 - 1 à 5 - 5 à 9
600 à 700 - 5 - 15 -
De uma maneira geral pode-se resumir as faixas de precisão do modo seguinte:
- Termômetro Comum: 0,5% até ± 3% do valor do fim da faixa.
- Termômetro Padrão: 0,1% até ± 0,5% do valor do fim da faixa.
A aplicação dos diversos tipos em cada caso depende de fatores técnicos e econômicos.
Como fator técnico podemos citar: - faixa de temperatura, tempo de resposta, precisão, robustez,
etc. Dos diversos tipos apresentados, alguns tem aplicação limitada quanto outros são amplamente
aplicados na indústria, como se pode ver a relação a seguir:
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 27
- Pirâmides Fusíveis: Trata-se de pequenas pirâmides de aproximadamente 5cm de altura, feitas de
uma mistura de Caolin, Carbonato de Cálcio e Quartzo, em proporções diversas, possuindo cada
tipo de mistura um ponto de amolecimento característico.
3.4.5.SENSIBILIDADE DOS TERMÔMETROS DE VIDRO
Em princípio a sensibilidade do termômetro pode ser tão grande quanto se queira,
bastando utilizar em grande reservatório e um tubo capilar muito fino e portanto muito longo. Poder-
se-ia alcançar desvios de 1mm da coluna para variações de 0,001º. Esta precisão é porém ilusória
em razão da queda da fidelidade.
Em síntese, a sensibilidade do termômetro depende:
a) Do coeficiente de dilatação da substância.
b) Do volume do bulbo.
c) Do diâmetro do capilar.
d) Do coeficiente de dilatação do recipiente usado.
Verificação dos Termômetros de Vidro
A verificação e calibração de termômetros de vidro pode ser feita de duas maneiras:
Por Comparação:- Consiste em se comparar ao longo de toda a faixa, a indicação do termômetro
com a de um padrão de referência (outro termômetro de vidro, termoresistência, etc.). Neste tipo de
calibração deve-se ter cuidado com os seguintes pontos:
a) O termômetro escolhido como padrão deve ser de boa qualidade e ter sua escala aferida.
b) Durante a calibração os dois termômetros deverão estar à mesma temperatura.
Por Meio de Pontos Fixos de Temperatura:- Consiste em se medir a temperatura em que ocorre
mudança de estado de algumas substâncias escolhidas como referência. Os pontos fixos mais
fáceis de serem reproduzidos são os pontos de ebulição e fusão da água.
Erro de Paralaxe:-
Como em todos os instrumentos de leitura, a conservação do nível deve ser feita
corretamente para evitar erro de paralaxe. Em certos termômetros se usa escala a fim de minimizar
o efeito do paralaxe.
Utilização dos Termômetros de Vidro
Pelo fato de sua fragilidade e da impossibilidade de registrar sua indicação ou de
transmiti-la à distância, o uso destes termômetros sem proteção é mais comum nos laboratórios da
indústria como elemento de comparação para outros tipos de medidores, assim como para
medições de precisão.
Quando convenientemente protegido por um arcabouço metálico, encontra larga
aplicação em medição de temperatura em unidades industriais.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 28
Tempo de Resposta dos Termômetros de Vidro
Tempo de resposta de um instrumento de medição é o tempo transcorrido entre a sua
colocação no meio e a estabilização de sua medição supondo a temperatura do meio invariável. No
caso de um termômetro, o tempo de resposta será tanto mais curto se:
1. A temperatura do meio for mais elevada, o que se explica é pelo fato da transmissão por radiação
se efetuar com maior intensidade.
2. O meio for mais agitado.
3. A condutibilidade térmica do meio for grande (os sólidos e líquidos possuem condutividade mais
elevada do que os gases).
4. As dimensões do próprio instrumento forem reduzidas. Normalmente os termômetros de vidro são
utilizados com uma proteção metálica aumentando sobremaneira seu tempo de resposta.
Tipos Especiais de Termômetros de Vidro
a) Termômetro Clínico:-
É um termômetro de mercúrio de máxima (fig. 11) graduado de 34 a 42ºC. Possui grande utilização
nos hospitais, pois nesta faixa estão as temperaturas limites entre as quais pode variar o corpo
humano. A fixação do valor máximo é obtido por meio de um estrangulamento no capilar logo acima
do bulbo. Normalmente possui divisões de 0,1ºC.
b) Termômetro de Máxima e Mínima:-
Bastante usado em meteorologia para indicar as temperaturas máximas e mínimas do
ambiente em um determinado período de tempo.
O álcool é a substância termométrica (fig. 11).
Como mostra a figura somente o álcool contido no ramo esquerdo do tubo em "U" opera
como substância termométrica. A função do mercúrio é de arrastar os pequenos índices de ferro
que deslizam na parte interna do tubo de vidro.
O mercúrio é mantido pressionado contra a coluna de álcool por meio de gás comprimido
no ramo direito do tubo. O reposicionamento dos índices para uma nova jornada é feita por meio de
um ímã manuseado externamente.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
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37
38
39
40
36
35
41
42
37
38
39
40
36
35
41
42
RESTRIÇÃO
36,5 CO
0
10
20
30
40
0
10
20
30
40
-10
-20
-30
-10
-20
-30
AR
COMPRIMIDO
ÁLCOOL
BULBO
ESCALA DE
MÍNIMA
ESCALA DE
MÁXIMA
ÍNDICE DE
FERRO
(MÓVEL)
MERCÚRIO
fig.12
c) Termômetro de Vidro com Contato Elétrico:-
Normalmente é usado o termômetro de mercúrio normal com a adição de dois ou mais
pequenos eletrodos no interior do mercúrio, (bulbo e/ou capilar), a operação do mesmo se baseia na
condutibilidade elétrica do mercúrio (fig.12).
0
10
30
20
60
50
40
70
80
90
100
ELETRODO
ELETRODO
fig.13
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 30
3.5.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE LÍQUIDO DE RECIPIENTE METÁLICO
3.5.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
No termômetro de vidro, a dilatação do líquido é observada e medida diretamente através
se sua parede transparente. No tipo de recipiente metálico, o líquido preenche todo o instrumento e
sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível, dito
sensor volumétrico. O instrumento compreende três partes:- o bulbo, o capilar e o elemento sensor
conforme a fig.
O BULBO:- é o elemento termo sensível do conjunto. Nele fica compreendido a maior parte do
líquido do sistema. Deverá ficar em contato o mais íntimo possível com o ambiente onde se quer
avaliar a temperatura.
O CAPILAR:- é o elemento de ligação entre o bulbo e o sensor volumétrico. Deverá conter o mínimo
de líquido possível. Em alguns casos, o capilar é substituído por um pequeno e rígido pescoço de
ligação.
O ELEMENTO SENSOR:- ou de medição é o que mede as variações de volume do líquido
encerrado no bulbo. Estas variações são sensivelmente lineares à temperatura, daí o fato da escala
ser graduada linearmente, isto é, em partes iguais.
Na fig. 13, dois tipos de termômetros, bastante usados como indicadores locais de temperatura na
indústria.
PONTEIRO
BRAÇO DE
LIGAÇÃO
SETOR
DENTADO
SENSOR
VOLUMÉTRICO
CAPILAR
LÍQUIDO
MERCÚRIO
ÁLCOOL ETÍLICO
BULBO
Fig.14
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 31
3.5.2.TIPOS DE LÍQUIDO DE ENCHIMENTO
Mercúrio - para temperatura entre -35 e +550ºC.
Álcool - para temperatura entre -50 e +150ºC.
Xileno - para temperatura entre -40 e +400ºC.
Notas:
1. O mercúrio (HG) é o mais usado entre os líquidos apresentados. No caso de seu uso, o material
do bulbo, capilar e o sensor não poderá ser de cobre ou ligas do mesmo. Quando o líquido utilizado
é mercúrio, o material de construção mais comum do termômetro é aço 1020 ou 316 (inox).
2. A pressão de enchimento do termômetro é de cerca de 50atm, o que justifica a faixa de utilização
ultrapassar os limites do ponto de ebulição dos líquidos.
3.5.3.TÉCNICAS E MATERIAL DE CONSTRUÇÃO DO TERMÔMETRO
Bulbo:- Suas dimensões variam de acordo com a sensibilidade desejada e também com
o tipo de líquido utilizado e aplicação. Os materiais mais usados são: aço 316, aço 1020, cobre,
latão e monel.
Nota:- Normalmente o bulbo é instalado no interior de um poço de proteção, que permite a retirada
do mesmo sem afetar o processo. É importante observar que este recurso aumenta sobre maneira
o tempo de resposta do termômetro. Este atraso pode ser reduzido, introduzindo qualquer elemento
condutor entre o bulbo e o poço, com a finalidade de eliminar o espaço vazio existente entre os
mesmos. Pode-se usar mercúrio, óleo, grafite, aparas de metal. Observando sempre o tipo de
aplicação e a faixa de temperatura a ser coberta pelo termômetro.
Capilar:- Suas dimensões são também bastante variáveis. O comprimento está limitado
aos 60 metros aproximadamente, devido principalmente ao alto custo capilar.
O diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de limitar a influência da temperatura
ambiente, porém não deverá oferecer resistência à passagem do líquido em expansão. Como
calores normais temos para diâmetro: 1,5mm e o diâmetro interno: 0,30mm. Normalmente é
confeccionado de aço ou cobre.
Nota:- A ligação do capilar do bulbo é feita, às vezes, por meio de um pescoço de extensão, que
aumenta a resistência de ligação, ao mesmo tempo que facilita a montagem e desmontagem do
bulbo.
Às vezes o capilar é suprimido, ligando-se o bulbo ao medidor. por meio do pescoço de
extensão. O capilar é o elemento mais sujeito a ser danificado do medidor, freqüentemente ele é
fornecido envolvido por uma proteção ou blindagem.
Elemento de medição:- Basicamente pode ser de três tipos:- Bourdon, Espiral e
Helicoidal (fig. 14). O material de construção é normalmente bronze fosforoso, cobre, berílio, aço
inox e aço carbono. O elemento de ligação do elemento ao ponteiro é igual ao usado em
manômetros.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 32
ESPIRAL
HELICOIDAL
BOURDON
fig15
3.6.TERMÔMETRO DE DILATAÇÃO DE GÁS
3.6.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo,
elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos.
O volume do conjunto é sensivelmente constante e é preenchido com um gás a alta
pressão. Com a variação de temperatura o gás varia sua pressão conforme, aproximadamente, a lei
dos gases perfeitos. O elemento de medição neste caso opera como medidor de pressão.
A lei que rege o fenômeno é conhecida como a segunda lei de Gay-Lussac, e é expressa
matematicamente da seguinte maneira:-
P1 = P2 = ... Pn (Sendo V = constante)
T1 T2 Tn
Onde: P1, P2, ... Pn = São as pressões absolutas do gás.
T1, T2, ... Tn = São as respectivas temperaturas absolutas.
Pode-se observar da fórmula, que as variações de pressão são linearmente dependentes
da temperatura, sendo o volume constante.
Outra maneira de representar o fenômeno é da maneira seguinte:-
P = Po ( 1 + γt)
Onde: P = É a pressão do gás (relativa) à temperatura t.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 33
Po = É a pressão do gás a 0ºC.
g = É o coeficiente de variação de pressão do gás a volume constante;
vale aproximadamente
1 ºC
-1
.
273
t = A temperatura do gás em ºC.
As duas fórmulas são evidentemente equivalentes.
3.6.2.TIPOS DE GÁS DE ENCHIMENTO
São eles:
Hélio (He) - temperatura crítica = 267,8ºC.
Hidrogênio (H2) - temperatura crítica = 239,9ºC.
Nitrogênio (N2) - temperatura crítica = 147,1ºC.
Dióxido de Carbono (CO2) - temperatura crítica = 31,1ºC.
Nota:- O gás mais utilizado é o N2 e geralmente é enchido com uma pressão de 20 a 50atm, na
temperatura mínima a medir.
Sua faixa de medição vai de -100ºC à 600ºC, o limite inferior é o do próprio gás ao se aproximar da
temperatura crítica, e o superior é do recipiente devido a maior permeabilidade ao gás, o que
acarretaria a sua perda inutilizando o termômetro.
CAPILAR
BULBO
GÁS
Fig.16
3.6.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO
São eles:
Bulbo e Capilar:- aço, aço inox, cobre, latão e monel.
Nota:- O capilar pode atingir comprimento de até 100m.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 34
Elemento de medição:- Cobre-Berílio, bronze fosforoso, aço e aço inox.
Nota:- O elemento de medição pode ser do tipo Bourbon, espiral ou helicoidal.
3.7.TERMÔMETRO À TENSÃO DE VAPOR
3.7.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Também fisicamente idêntico ao de dilatação de líquidos. Possui um bulbo e um
elemento de medição ligados entre si por meio de um capilar (fig. 28). O bulbo é parcialmente cheio
de um líquido volátil em equilíbrio com o seu vapor. A pressão do vapor é função exclusiva do tipo
de líquido e da temperatura.
A relação existente entre a tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo
logarítmico e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura na seguinte expressão:
log . P1 = HE . ( 1 - 1 )
P2 4,58 T1 T2
Onde: P1 e P2 = São as pressões absolutas relativas às temperaturas.
T1 e T2 = Também absolutas.
HE = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão.
Para intervalos de temperatura de uma certa amplitude, o calor latente de evaporação
não permanecerá constante, e a fórmula adquirirá desta maneira uma forma mais geral e bastante
complexa, sendo conhecida como a equação de Clausiur Clapeyron.
3.7.2.TIPOS DE LÍQUIDOS DE ENCHIMENTO
A tabela apresenta os líquidos mais utilizados e seus respectivos pontos de fusão e ebulição.
LÍQUIDO PONTO DE FUSÃO (ºC) PONTO DE EBULIÇÃO (ºC)
Cloreto de Metila - 139 - 24
Butano - 135 - 0,5
Éter Etílico - 119 + 34
Tolueno - 95 + 110
Dióxido de Enxofre - 73 - 10
Propano - 190 - 42
3.7.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 35
São eles:
Bulbo e Capilar:- aço inox, aço, cobre e latão.
Nota:- O capilar pode atingir comprimentos de 100m, e o bulbo possui normalmente pequeno
volume em comparação com os outros tipos.
Elemento de medição:- Cobre-Berílio, bronze fosforoso e aço inox.
Nota:- Pode, como nos outros modelos ser do tipo bourbon, espiral ou helicoidal.
CAPILAR COM
GLICERINA
LÍQUIDO
VOLÁTIL
VAPOR
BULBO
CAPILAR COM
VAPOR OU
LÍQUIDO
LÍQUIDO
VOLÁTIL
VAPOR
BULBO
Fig.17
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 36
3.7.4.CLASSIFICAÇÃO DOS TERMÔMETROS À TENSÃO DE VAPOR
Os termômetros podem ser classificados em dois tipos:-
3.7.5.TIPO DE DUPLO ENCHIMENTO
Caracteriza-se por possuir um líquido não volátil no capilar e elemento de medição de
pressão. Este líquido funciona somente como elemento de transmissão hidráulica, não sendo
miscível ao líquido do bulbo. Normalmente é usado glicerina ou óleo.
Este tipo de termômetro é aplicado com vantagem para faixas de temperatura que
cruzam o ambiente. (Ex.: -30 à +100ºC).
Somente as variações de temperaturas no bulbo afetam a indicação do termômetro,
sendo contudo, bastante suscetível ao efeito de elevação tendo em vista as pressões de trabalho
(vide fig. 31) e a densidade dos líquidos de enchimento do capilar.
3.7.6.TIPO DE ENCHIMENTO SIMPLES
É o tipo usual. Possui o bulbo parcialmente cheio de líquido volátil e o capilar e medidor
com vapor ou líquido dependendo da temperatura ambiente e a do processo. Podem ser
classificados em três tipos:-
1. Tipo em que a temperatura do bulbo está sempre acima do capilar e medidor.
2. Tipo em que a temperatura do bulbo está sempre abaixo da temperatura do capilar e medidor.
3. Tipo em que a temperatura do bulbo e do medidor é a mesma.
O primeiro tipo é mais usado, o capilar e o medidor como estão mais frios que o bulbo,
estão cheios de líquidos condensado e portanto estão sujeitos ao efeito de elevação, isto é, o peso
da coluna do capilar afeta a indicação quando está em diferença de nível com o medidor. A seguir é
fornecido uma tabela da firma FOXBORO para correção de elevação para quatro tipos de líquido de
enchimento.
Nota:- 1 pé - 0,3048 metros.
O segundo tipo possui o capilar e medidor cheios de vapor do líquido volátil pelo fato do
bulbo estar mais frio que o resto.
Neste caso não há necessidade de compensar a elevação, se houver, pois o peso
específico do vapor é desprezível.
O terceiro tipo apresenta tanto o aspecto do 1º tipo como do 2º tipo dependendo da
temperatura do bulbo e do ambiente.
Este tipo apresentará problemas se for montado com alguma elevação, pois ao cruzar
com a temperatura ambiente, a coluna de líquido faz-se ou desfaz-se dependendo do sentido da
variação. Portanto deve ser montado de preferência com o medidor em nível com o bulbo.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 37
Outro problema diz respeito ao atraso na resposta ao cruzar a temperatura ambiente
tendo em vista o tempo gasto na liquefação ou vaporização do líquido (ou vapor) no capilar e
medidor (fig. 33).
Nota:- Em todos os casos o importante é que a superfície de separação do líquido e vapor fique no
bulbo, pois a pressão do sistema dependerá da temperatura existente nesta interface.
Correção De Elevação:
Nota:- Correção em ºF por cada 10 pés de elevação.
Erro! Indicador não
definido.TEMP. DO
BULBO (ºF)
CLORETO DE
METILA
BUTANO ÉTER -
ETÍLICO
TOLUENO
0
25
50
75
100
125
150
175
200
210
225
250
275
300
325
350
375
400
425
450
475
500
525
550
600
9
6
3,6
3,0
2,6
2,0
1,5
1,2
1,O
0,9
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
5,5
4,5
3,1
2,1
2,0
1,6
1,4
1,0
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
10,0
7,0
5,0
4,0
3,0
2,9
2,11
2,0
1,5
1,4
1,0
0,9
0,6
-
-
-
-
-
-
-
-
22,0
20,0
16,0
12,0
9,0
8,0
6,0
5,0
4,0
3,0
3,0
2,0
2,0
2,0
1,8
1,5
1,1
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 38
4.TERMOPAR
4.1.EFEITOS TERMOELÉTRICOS
A aplicação de par termoelétrico (termopares) na medição de temperatura está baseada
em diversos fenômenos descobertos e estudados por SEEBECK, PELTIER, VOLTA e THOMSON.
“ A lei não é, necessariamente, uma expressão de verdade infalível, mas simplesmente uma
generalização das observações experimentais.”
Hipótese:
- explica através de modelos, uma ou mais leis sendo possível relacioná-las.
4.2.EXPERIÊNCIA DE SEEBECK
Em 1821, o físico alemão J. T. SEEBECK descobriu o efeito termoelétrico, sendo a
aplicação na medição de temperatura introduzida pelo físico francês BECQUEREL.
A experiência de SEEBECK (figura) demonstrou que num circuito fechado, formado por
dois fios de metais diferentes, se colocarmos os dois pontos de junção à temperaturas diferentes, se
cria uma corrente elétrica cuja intensidade é determinada pela natureza dos dois metais, utilizados e
da diferença de temperatura entre as duas junções.
Na experiência, SEEBECK utilizou uma lâmina de antimônio (A) e outra de Bismuto (B), e
como detetor da corrente "i" utilizou uma bússola sensível ao campo magnético criado pela corrente.
S N
A
B
V2
T2
V1
T1
Fig.17
4.3.EXPERIÊNCIA DE PELTIER
Em 1834, o físico francês J. C. PELTIER, baseado na experiência de SEEBECK, mostra
que fazendo-se passar uma corrente elétrica, por um par termoelétrico, uma das junções se aquece
enquanto a outra se resfria.
Na fig.19 as duas ampolas interligadas, funcionam como um termômetro diferencial. A junta
da esquerda aquece, enquanto a outra esfria.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 39
BA A
i h
Fig.18
4.4.EFEITO VOLTA
A experiência de PELTIER pode ser aplicada através do efeito VOLTA enunciado a seguir:-
"Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles
uma diferença de potencial que pode ser de ordem de volt". Esta diferença de potencial depende da
temperatura e não pode ser medida diretamente.
4.5.EFEITO THOMSON
Em 1851, o físico inglês Sir W. Thomson (Lord Kelvin), mostra que se colocarmos as
extremidades de um condutor homogêneo à temperaturas diferentes, uma força eletromotriz
aparecerá entre estas duas extremidades, sendo esta, chamada F.E.M. THOMSON.
Esta F.E.M. depende do material e da diferença da temperatura, não pode ser medida
diretamente.
A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico é resultante dos efeitos VOLTA (PELTIER)
e THOMSON tomados em conjunto.
A T2
T1
V
Fig.19
4.6.LEIS DA TERMOELETRICIDADE
a) Lei do Circuito Homogêneo:-
Em um circuito de um só condutor homogêneo não se estabelece nenhuma corrente
elétrica, mesmo com trechos a diferentes temperaturas. A soma algébrica da F.E.M. VOLTA e
THOMSON é nula.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 40
- Conseqüência:- A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico tendo duas junções em
temperaturas diferentes não depende do gradiente da temperatura ou da distribuição de
temperatura ao longo dos fios.
As únicas temperaturas relacionadas com a F.E.M., são as das duas junções (Junta Fria e
Junta Quente). Todas as temperaturas intermediárias não interferem na F.E.M. resultante.
b) Lei das Temperaturas Intermediárias(sucessivas):-
A F.E.M. desenvolvida por qualquer termopar de metal homogêneo com suas junções em
duas temperaturas quaisquer T1 e T3 respectivamente é a soma algébrica da F.E.M. do mesmo
termopar com suas junções à temperaturas T2 e T3 respectivamente.
A representação gráfica da figura 13, mostra a lei mencionada.
B(-)
T3T1
T3T1 T2
A(+)
3
F.E.M.= E = E + E
1 2
F.E.M.= E1 F.E.M.= E2
A(+)
A(+)
B(-) B(-)
Fig.20
E1 = ET1 - ET2
E2 = ET2 - ET3
E3 = ET1 - ET3
Se somarmos E1 + E2 temos:
E1 + E2 = ET1 - ET2 + ET2 - ET3 = ET1 - ET3
E1 + E2 = ET1 - ET3 = E3
Portanto:
E3 = E1 + E2
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 41
- Conseqüência:-
1º) Se a F.E.M., de vários metais versus um metal de referência, por exemplo, platina, é conhecida,
então a F.E.M., de qualquer combinação dos metais pode ser obtida por uma soma algébrica.
2º) A temperatura da junta de referência pode estar em qualquer valor conveniente, e a temperatura
da junta de medição pode ser encontrada, por simples diferença, baseando-se em uma tabela
relacionada a uma temperatura padrão, por exemplo 0ºC, 20ºC.
c) Lei do Metal Intermediário:-
A soma algébrica da F.E.M., em um circuito composto de um certo número de metais
diferentes é ZERO se todo circuito estiver a uma só temperatura.
A
B
T2T1
C
T3 T3
Fig.21
De outra maneira:
“A Fem E do termopar não será afetada se em qualquer ponto de seu circuito for inserido
um metal qualquer, diferente do já existente, desde que as novas junções sejam mantidas a
temperaturas iguais.”
- Conseqüência:- Em virtude desta lei, pode-se inserir o instrumento de medição da F.E.M.
(Voltímetro) com seu fios de ligação em qualquer ponto do circuito termoelétrico sem alterar a
F.E.M. original.
A
B
T1
mV
A
B
METAL
INTERMEDIÁRIO
Fig.22
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 42
Junta referência ou junta fria (compensação da junta fria)
Como já foi visto a F.E.M. desenvolvida em par termoelétrico, é função da diferença de
temperatura entre as duas junções. Desta maneira o termopar não mede a temperatura real na
junção de medição, e sim a diferença entre esta junção (medição) e a outra tomada como
referência. Para se obter a temperatura real é preciso conhecer exatamente a temperatura da junta
de referência e procurar mantê-la constante a fim de facilitar as leituras posteriores.
Existem alguns métodos para se manter a temperatura da junta de referência:-
1) Introduzindo-se a junta de referência em recipiente com gelo e água em equilíbrio, onde
a temperatura é constante e próxima à 0ºC .Como as tabelas de F.E.M. fornecidas normalmente
são referidas à 0ºC, este método é bastante cômodo, pois possibilita a leitura direta da temperatura
na tabela conhecendo-se apenas a F.E.M. gerada no circuito.
Este método é utilizado em laboratório ou na indústria em alguns casos especiais.
Evidentemente este processo não é muito prático, quando se necessita supervisionar a temperatura
desejada por tempo bastante prolongado, devido a necessidade da reposição contínua do gelo na
junta de referência.
A(+)
B(-)
T1
ÁGUA + GELO
0 Co
COBRE/COBRE
Tr =0 C
o
EAB
EAB
= E - ET1 Tr
EAB
= E - 0T1
EAB
= E T1
Fig. 23 - Junta de Referência a 0ºC
2) Mantendo-se a junta de referência em um ambiente aquecido onde a temperatura é
controlada por um sistema termostático. Este possui a vantagem de ser prático, sendo porém de
precisão inferior ao do método precedente, salvo raras excessões. Evidentemente a F.E.M. neste
processo é inferior ao sistema de junta de referência a 0ºC tendo em vista que a temperatura neste
caso, é de cerca de 60ºC, devendo-se dar a devida correção no caso de usar a tabela com a junta
de referência em outra temperatura (0ºC ou 20ºC).
3) Hoje dispositivos alternativos foram desenvolvidos para simular automaticamente uma
temperatura de zero grau, chamada de compensação automática da junta de referência ou
temperatura ambiente. Nestes instrumentos encontra-se um sensor de temperatura que pode ser
um resistor, uma termoresistência, termistor, diodo, transistor ou mesmo circuito integrado que
mede continuamente a temperatura ambiente e suas variações, adicionando ao sinal que chega do
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 43
termosensor uma mV correspondente à diferença da temperatura ambiente para a temperatura de
0ºC.
Exemplo de compensação
A(+)
B(-)
T1
mVE
25 C
o
100 C
o
E1
TERMOPAR TIPO K A 100 C JUNTA DE MEDIÇÃO 25 C
E = E100 - E25
E = 4,095 - 1,000
E = 3,095 mV
o o
Fig.24
Se não existisse a compensação, o sinal de 3,095mV seria transformado em indicação de
temperatura pelo instrumento e corresponderia a aproximadamente 76ºC, não correspondendo ao
valor da temperatura existente na junta de medição.
No instrumento medidor está incorporado um sistema de compensação de temperatura
ambiente, este gera um sinal como se fosse um outro termopar.
E1 = E25-E0
E1 = 1,000mV (sinal gerado pelo circuito de compensação)
O sinal total que será convertido em temperatura pelo instrumento será a somatória do
sinal do termopar e da compensação, resultando na indicação correta da temperatura na qual o
termopar está submetido (independendo da variação da temperatura ambiente).
Etotal = E - E1
Etotal = 3,095 + 1,000 = 4,095mV
Etotal = 4,095mV 100ºC
A indicação depois da compensação será de 100ºC.
4.7.TIPOS DE TERMOPARES
Apesar de em princípio, qualquer par de metais prestar na construção de termopares,
existem alguns tipos já padronizados na indústria.
A seguir mostramos os tipos mais usados nas indústrias:
4.7.1.TIPO T - TERMOPARES DE COBRE CONSTANTAN
Composição: Cobre(+) / Cobre-Níquel(-)
O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido comercialmente como Constantan.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 44
Características: Resistentes a corrosão em atmosferas úmidas e são adequados para medições de
temperaturas abaixo de zero. É resistente à atmosfera oxidantes(excesso de Oxigênio),
redutoras(rica em Hidrogênio, monóxido de Carbono), inertes(neutras), na faixa de -200 a 350ºC.
Faixa de trabalho: - -200 a 350 ºC.
Aplicação: É adequado para trabalhar em faixas de temperatura abaixo de 0ºC, encontradas em
sistemas de refrigeração, fábrica de O2 etc..
Identificação da polaridade:
Cobre (+) é avermelhado e o Cobre/Níquel (-) não.
4.7.2.TIPO J - TERMOPARES DE FERRO - CONSTANTAN
Composição: Ferro(+) / Cobre-Níquel(-)
O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido comercialmente como Constantan.
Características:
Adequados para uso no vácuo, atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. Acima de 540ºC, a taxa
de oxidação do ferro é rápida e recomenda-se o uso de tubo de proteção para prolongar a vida útil
do elemento.
Embora possa trabalhar em temperaturas abaixo de 0ºC, deve-se evitar quando houver
possibilidade de condensação, corroendo o ferro e possibilitando a quebra do fio de ferro.
Não deve ser usado em atmosferas sulfurosas(contém enxofre) acima de 540ºC. O uso em
temperaturas abaixo de zero não é recomendado, devido à rápida oxidação e quebra do elemento
de ferro tornando seu uso em temperaturas negativas menor que o tipo T Devido a dificuldade de
obtenção de fios de ferro com alto teor de pureza, o tipo J tem baixo custo e é o mais utilizado
industrialmente.
Aplicação:
Indústrias em geral até 750ºC.
Identificação da polaridade:
Ferro (+) é magnético e o Cobre (-) não.
4.7.3.TIPO E - TERMOPARES DE CROMEL CONSTANTAN
Composição:
Níquel-Cromo (+)/Cobre-Níquel (-)
O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o fio negativo Cobre
Níquel como Constantan.
Características:
Podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras, alternadamente
oxidante e redutora e no vácuo, não devem ser utilizados pois perdem suas características
termoelétricas. Adequado para o uso em temperaturas abaixo de zero, desde que não sujeito a
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 45
corrosão em atmosferas úmidas. Apresenta a maior geração mV/ºC (potência termoelétrica) do que
todos os outros termopares, tornando-se útil na detecção de pequenas alterações de temperatura.
Aplicação:
Uso geral até 900ºC.
Identificação da polaridade:
O Níquel-Cromo (+) é mais duro que o Cobre-Níquel (-).
4.7.4.TIPO K - TERMOPARES DE CROMEL ALUMEL
Composição:
Níquel-Cromo (+)/Níquel-Alumínio (-).
O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo Cromo-
Alumínio como Alumel. O Alumel é uma liga de Níquel, Alumínio, Manganês e Silício.
Características:
São recomendáveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. Por sua
resistência à oxidação, são melhores que os tipos T, J, E e por isso são largamente usados em
temperaturas acima de 540ºC.
Ocasionalmente podem ser usados em temperaturas abaixo de zero grau.
Não devem ser utilizados em:
1) Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora.
2) Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rápida ferrugem e quebra dos
elementos.
3) Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o Cromo do elemento positivo pode vaporizar-
se causando erro no sinal do sensor (descalibração).
4) Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de “green root”. Green root, oxidação verde, ocorre
quando a atmosfera ao redor do termopar possui pouco oxigênio, como por exemplo dentro de um
tubo de proteção longo, de pequeno diâmetro e não ventilado.
O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio através do uso
de um tubo de proteção de maior diâmetro ou usando um tubo ventilado. Outro modo é diminuir a
porcentagem de oxigênio para um valor abaixo da qual proporcionará corrosão. Isto é feito
inserindo-se dentro do tubo um “getter” ou elemento que absorve oxigênio e vedando-se o tubo. O
“getter” pode ser por exemplo uma pequena barra de titânio.
Aplicação:
É o mais utiliizado na indústria em geral devido a sua grande faixa de atuação até 1200ºC.
Identificação da polaridade:
Níquel-cromo (+) não atrai ímã e o Níquel-Alumínio (-) levemente magnético.
4.7.5.TIPO N NICROSIL - NISIL
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 46
Composição:
Níquel 14,2%-Cromo 1,4%-Silício (+) / Níquel 4,4%-Silício0,1%-Magnésio (-)
Desenvolvido na Austrália, este termopar foi aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado
pela ASTM (American Society for Testing and Materials), NIST(Antigo NBS- National Bureau of
Standards) e ABNT.
Está se apresentando como substituto do termopar tipo , de -200 a 1200ºC, possui uma
potência termoelétrica menor em relação ao tipo K, porém uma maior estabilidade, excelente
resistência a corrosão e maior vida útil. Resiste também ao “green-root” e seu uso não é
recomendado no vácuo.
4.7.6.TIPO S E TIPO R
Tipo s platina ródio-platina
Composição:
Platina 90% - Ródio 10% (+) / Platina (-)
Tipo R Platina Ródio-Platina
Composição:
Platina 87% - Ródio 13% (+) / Platina (-)
Características:
São recomendados para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho.
O uso contínuo em altas temperaturas causam excessivo crescimento de grão, podendo resultar em
falha mecânica do fio de Platina (quebra de fio), e tornar os fios susceptíveis à contaminação,
causando redução da F.E.M. gerada.
Mudanças na calibração também são causadas pela difusão ou volatilização do Ródio do
elemento positivo para o fio de Platina pura do elemento negativo. Todos estes efeitos tendem a
causar heterogeneidades que influenciam na curva característica do sensor.
Os tipos S e R não devem ser usados no vácuo, em atmosferas redutoras ou atmosferas
com vapores metálicos a menos que bem protegidos com tubos protetores e isoladores cerâmicos
de alumina e quando se usa tubo de proteção de Platina (tubete) que por ser do mesmo material,
não contamina os fios e dá proteção necessária aos elementos.
Apresentam grande precisão e estabilidade em altas temperaturas sendo utilizados como
sensor padrão na calibração de outros termopares. A diferença básica entre o tipo R e S está na
diferença da potência termoelétrica, o tipo R gera um sinal aproximadamente 11% maior que o tipo
S.
Aplicação:
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 47
Processos com temperaturas elevadas ou onde é exigido grande precisão como indústrias de vidro,
indústrias siderúrgicas, etc.
Identificação da polaridade:
Os fios positivos de Platina-Ródio 10% e Platina-Ródio 13% são mais duros que o fio de platina (-).
4.7.7.Tipo B - Platina-Ródio / Platina-Ródio
Composição:
Platina 70%-Ródio 30% (+) / Platina 94%-Ródio 6% (-)
Características:
Seu uso é recomendado para atmosferas oxidantes e inertes, também adequado para curtos
períodos no vácuo. Não deve ser aplicado em atmosferas redutoras nem as que contem vapores
metálicos, requerendo tubo de proteção cerâmico como os tipo R e S. O tipo B possui maior
resistência mecânica que os tipos R e S.
Sua potência termoelétrica é baixíssima, em temperaturas de até 50ºC o sinal é quase
nulo.
Não necessita de cabo compensado para sua interligação. É utilizado cabos de cobre
comum (até 50ºC).
Aplicação:
Utilizado em industrias no qual o processo exige altas temperaturas.
Identificação da polaridade:
Platina 70%-Ródio 30% (+) é mais duro que o Platina 94%-Ródio 6% (-).
4.7.8.OUTROS TIPOS DE TERMOPARES
Com o desenvolvimento de nossos processos industriais ao longo do tempo, novos tipos de
termopares foram desenvolvidos para atender condições que os termopares que foram vistos até
agora não atendiam.
Muitos destes termopares ainda não estão normalizados e também não são encontrados
no brasil.
Platina 60%-Ródio 40% (+) / Platina 80%-Ródio 20% (-)
Para uso contínuo até 1800 1850ºC, substituindo o tipo B. Não é recomendado para
atmosferas redutoras.
Irídio 60%-Ródio 40% (+)/ Irídio(-)
Podem se usados até 2000ºC em atmosferas inertes ou no vácuo, não recomendado para
atmosferas redutoras ou oxidantes.
Platinel 1 - Paládio 83%-Platina 14%-Ouro 3% (+) / Ouro 65%-Paládio 35% (-).
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 48
Aproxima-se do tipo K, atuando na faixa de até 1250ºC. Sua composição é apenas de
metais nobres, apresentando excelente estabilidade em atmosfera oxidante, mas não em
atmosferas redutoras ou vácuo.
Tungstênio 95%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 74%-Rhênio 26% (-)
Ainda não normalizado, denominado termopar tipo C. Pode ser utilizado continuamente até
2300ºC e em curtos períodos até 2700ºC no vácuo, na presença de gás inerte ou hidrogênio. Não
recomendado em atmosfera oxidante. Sua principal aplicação é em reatores nucleares.
Existem algumas variações na composição das ligas, por exemplo:
Tungstênio (+) / Tungstênio 74%-Rhênio 26% (-)
Tipo G (não oficial)
Tungstênio 97%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 75%-Rhênio 25% (-)
Tipo D (não oficial)
Níquel-Cromo (+) / Ouro-Ferro (-)
Usado em temperaturas criogênicas de -268ºC até 15ºC
Tungstênio - Molibidênio.
Faixa de temperatura 0 à 2.000ºC.
Tungstênio - Iridium.
Faixa de temperatura 0 à 200ºC.
Grafite - Carbureto de Boro.
Faixa de temperatura 0 à 2500ºC.
4.8.PRINCIPAIS QUALIDADES REQUERIDAS POR UM TERMOPAR
Para corresponder às exigências de um serviço tipo industrial, os termopares devem
possuir as seguintes características:-
a) Desenvolver uma F.E.M. a maior possível, função contínua da temperatura de maneira a
ser possível utilizar instrumentos de indicação de temperatura de construção simples e robusta. A
faixa de F.E.M. normalmente fornecida nas temperaturas de trabalho normal vai de 10 a 50mV.
b) Precisão de calibração (intercambialidade). Um termopar deve ser capaz de ser
calibrado com um padrão de F.E.M. versus temperatura e deve manter esta calibração mantendo-a
por um longo período de tempo sem desvios. Os termopares são construídos para trabalhar em
conjunto com instrumentos tendo cartas e escalas pré calibradas. A intercambialidade entre dois
termopares do mesmo material é a principal razão do seu uso em grande escala na indústria.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 49
c) Resistência à corrosão e oxidação (durabilidade).
Um termopar deve ser física e quimicamente resistente de maneira a possuir uma longa vida, e
mais ainda exibindo a propriedade para uma dada temperatura gerar uma F.E.M. constante.
d) Relação linear F.E.M. versus temperatura (linearidade).
É interessante possuir uma relação F.E.M. versus temperatura mais linear possível devido aos
seguintes motivos:
- Facilidade de construção e leitura de escala e gráficos.
- Facilidade de construção de dispositivos de compensação de junta de referência.
- Adequabilidade do uso em indicadores digitais.
Termopares de classe especial
Existem duas classes de precisão para termopares , a classe standard que é a mais
comum e utilizada e utilizada e a classe especial também chamada de “Premium Grade”.
Estes termopares são ,fornecidos na forma de pares casados, isto é com características de
ligas com graus de pureza superiores ao standard. Existe também um trabalho laboratorial para
adequação de lote de fios, conseguindo com isto uma melhor precisão na medição de temperatura.
4.9.PREPARAÇÃO E SOLDAGEM DE TERMOPARES - MONTAGEM
Apesar da utilização de diferentes sistemas para realização de um bom contato elétrico na
junção quente de um termopar, a soldagem é mais eficiente, pois assegura uma ligação perfeita dos
fios por uma fusão dos metais sobre uma pequena profundidade.
Precisamos contudo, é exato que a soldagem pode criar heterogeneidades, garantir que a
precisão final do termopar não seja afetada desde que estas heterogeneidades sejam mantidas em
uma zona uniforme de temperaturas.
Preparação dos Fios
Os fios do termopar são geralmente fornecidos em bobinas. Deve-se endireitá-los
cuidadosamente à mão, evitando-se qualquer torção ou flexão exagerada a qual poderia afetar a
estrutura do material com conseqüente modificação na sua F.E.M.. Após cortar os pedaços
destinados à soldagem, lembrando a necessidade de se deixar um pequeno excesso, caso haja
imprevistos na soldagem, deve-se proceder a limpeza das pontas a serem unidas. A seguir prepara-
se as pontas conforme a fig. 19, em uma das três opções.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 50
x
x
x x
a)
b)
c)
ou
ISOLADOR DE CERÂMICA
Fig.25
No caso a mantém-se o fio duro, reto, enquanto dobra-se o macio.
No caso b dobra-se os dois fios.
No caso c o fio macio é torcido sobre o fio duro cerca de 3 voltas.
Nos três casos é importante manter a distância "x" entre os dois fios, visando a posterior
colocação dos isoladores. O tipo de ligação c é o mais adequado para fios de grande bitola pois dá
bastante resistência apesar de aumentar a marca térmica da junção.
Soldagem
Soldagem do Ferro Constantan:-
Para se soldar os fios de ferro e constantan emprega-se uma chama oxi-acetilênica com o
bico apropriado de acordo com a bitola de fio a soldar. Regula-se o bico para se obter uma chama
neutra e coloca-se os dois fios, se vermelho, passando então, um pouco de Borax na junção. Volta-
se a aquecer as duas extremidades até a sua fusão.
É interessante sempre dirigir a chama para o material de mais alto ponto de fusão, no caso,
o ferro. Tira-se então, o borax excedente e procede-se a inspeção da solda.
O uso da chama redutora provoca a carburação que torna a solda fraca.
Soldagem do Cromel-Alumel:-
Procede-se da mesma maneira que para o ferro constantan utilizando-se uma chama
neutra ou ligeiramente oxidante. Dirigir a chama na direção do Cromel que é o metal de maior ponto
de fusão.
Soldagem de Platina-Rodiana -Platina:-
Para a soldagem dos fios de platina-rodiana e platina, usa-se chama oxi-hidrogênio ou
oxigênio GLP. Todavia, tendo em vista que os fios são geralmente finos, usa-se também a
soldagem à arco elétrico. A soldagem por arco elétrico é caracterizada por se fazer um arco elétrico
entre os fios a serem soldados formando um eletrodo, e um pedaço de carbono manipulado pelos
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 51
soldados, formando o outro eletrodo. Tocando-se a ponta torcida do termopar com o eletrodo de
carbono, fecha-se o circuito.
Afastando-se o eletrodo, uma fração de milímetro, estabelece-se um arco, elevando-se a
temperatura e fundindo a junção. A experiência mostra que os fios a serem soldados deverão
constituir o eletrodo positivo a fim de evitar a contaminação dos mesmos por partículas de carbono.
Nota:- Os fios de ferro constantan e de cromel-alumel de pequeno diâmetro, podem ser soldados a
arco elétrico. Se forem a maçarico, escolhe-se um bico de pequeno diâmetro (0,4mm) a fim de
retardar a fusão dos fios.
Finalmente, é bom lembrar, que qualquer que seja a natureza dos fios a serem soldados,
deve-se evitar um aquecimento muito prolongado, o que poderia acarretar uma modificação na
estrutura molecular das duas ligas, deixando-as quebradiças particularmente no caso do alumel.
Montagem dos Termopares
Após a soldagem dos dois fios, eles são isolados entre si, por meio de pequenos tubos, ou
melhor ainda, por meio de isoladores com dois furos (missangas). O material dos isoladores é
normalmente de cerâmica, porcelanas, quartzo, etc (fig. 19)
Este conjunto é então protegido por um ou mais tubos concêntricos apropriados à cada
aplicação. A parte superior é ligada a uma borracha ou bloco de terminais de abonite ou cerâmica
instalada dentro de um cabeçote de ligação .
Fig.26
JUNTA DE
MEDIÇÃO TUBO DE
PROTEÇÃO
ISOLADOR
CERÂMICO
CABEÇOTE
DE LIGAÇÃO
BLOCO DE
TERMINAIS
TAMPA
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 52
Fig. 27
Termopares Isolação Mineral
O desenvolvimento dos termopares isolação mineral partiu da necessidade de satisfazer as
severas exigências do setor nuclear. Desde então, os benefícios deste trabalho puderam ser
transmitidos à indústria em geral, que os utiliza numa grande variedade de aplicações devido a série
de vantagens que oferecem, tais como grande estabilidade, resistência mecânica entre outras.
O termopar isolação mineral consiste de 3 partes básicas: um ou mais pares de fios isolados
entre si por um material cerâmico compactado em um bainha metálica externa. Este tipo de montagem
é de extrema utilidade pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos, que
podem causar a completa deterioração dos termoelementos, além da grande resistência mecânica o
que faz com que o termopar isolação mineral possa ser usado em um número quase infinito de
aplicações.
Construção do cabo isolação mineral
O processo de fabricação dos termopares isolação mineral começa com os termoelementos
de diâmetros definidos, inseridos num tubo metálico e isolados entre si e o tubo por um material
cerâmico (pó de óxido de magnésio). Através de um processo mecânico de estiramento (trefilação), o
tubo e os termoelementos são reduzidos em seus diâmetros (aumentando seu comprimento) e o óxido
de magnésio fica altamente compactado, isolando e posicionando os fios em relação a bainha
metálica.
ISOLAÇÃO
MINERAL
BAINHA
METÁLICA
BAINHA
METÁLICA
Fig.28
O óxido de magnésio é um excelente isolante elétrico e um bom condutor térmico, de maneira
que quando compactado, ocupa todos os espaços internos, isolando eletricamente os fios entre si e a
bainha além de dar alta resistência mecânica ao conjunto, proporciona boa troca térmica. Como este
processo de trefilação ou estiramento (redução do diâmetro e aumento do comprimento
proporcionalmente), cria tensões moleculares intensas no material, torna-se necessário tratar
termicamente o conjunto.
Medição de Pressão SENAI-CETEL
______________________________________________________________________________ 53
Este tratamento térmico alivia estas tensões e recoloca o termopar em sua curva
característica; obtendo assim um produto final na forma de cabos compactados, muito reduzidos em
seus diâmetros (desde 0,5 mm até 8,0 mm de diâmetro externo), porém mantendo proporcionalmente
as dimensões e isolação da forma primitiva.
Além do óxido de magnésio, usa-se também como material isolante a alumina, óxido de
berílio e óxido de tório, porém o óxido de magnésio é mais barato, compatível com os termoelementos
e mais comum de ser encontrado. Uma grande atenção deve ser tomada com a pureza química e
metalúrgica dos componentes envolvidos na fabricação do termopar isolação mineral.
Isolação Elétrica do Cabo Isolação Mineral
Devido a tendência natural do óxido de magnésio em absorver umidade (higroscópico) e
outras substâncias que podem vir a contaminar os termoelementos, uma isolação elétrica mínima
admitida entre os condutores e bainha é de no mínimo 100mΩ em temperatura ambiente (20ºC).
Várias precauções devem ser mantidas para a fabricação do termopar isolação mineral, tais como:
- Não deixar o cabo aberto exposto no ambiente por mais de 1 minuto. Imediatamente sele a ponta
aberta com resina, depois de aquecê-la para retirar a umidade.
- O armazenamento deve ser em local aquecido e seco (aproximadamente 38ºC e 25% de umidade
relativa do ar).
Vantagens do Termopar Isolação Mineral
Estabilidade na F.E.M.
Esta estabilidade é caracterizada pelos condutores estarem totalmente protegidos de
ambientes agressivos que normalmente causam oxidação e envelhecimento dos termopares.
Resposta Rápida
O pequeno volume e alta condutividade térmica do óxido de magnésio, promovem uma
rápida transferência de calor, superior aos termopares com montagem convencional.
Grande Resistência Mecânica e Flexibilidade
Devido a alta compactação do óxido de magnésio dentro da bainha metálica mantendo os
termoelementos uniformemente posicionados, permite que o cabo seja dobrado, achatado, torcido ou
estirado, suportando pressões externas e "choques térmicos" sem qualquer perdas de suas
propriedades termoelétricas.
Facilidade de Instalação
Medição de temperatura
Medição de temperatura
Medição de temperatura
Medição de temperatura
Medição de temperatura
Medição de temperatura
Medição de temperatura
Medição de temperatura
Medição de temperatura
Medição de temperatura
Medição de temperatura
Medição de temperatura
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  • 1. SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL CENTRO TECNOLÓGICO DE ELETROELETRÔNICA“CÉSAR RODRIGUES” CENATEC MEDIÇÃO DE TEMPERATURA Rua Santo Agostinho 1717 - Horto - Belo Horizonte - MG - CEP 31035-490 Tel.: (031) 482-5582 - FAX (031) 482-5580 email: cetel@fiemg.com.br - home page: www.senai-mg.org.br/cetel
  • 2. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 1 SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 4 1.1.CONCEITO DE TEMPERATURA .............................................................................. 4 1.2.HISTÓRICO .............................................................................................................. 6 2.ESCALAS DE TEMPERATURA ..................................................................................... 7 2.1.CONVERSÃO DE ESCALAS .................................................................................... 8 2.2.PONTOS FIXOS DE TEMPERATURA .................................................................... 11 2.3.ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA .............................................................. 13 2.4.ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA .................................................... 13 3.MEDIDORES DE TEMPERATURA - TIPOS E CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS .... 14 3.1.TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO OU BIMETÁLICO ............................. 19 3.1.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 19 3.2.O BIMETAL E O TERMÔMETRO BIMETÁLICO .................................................... 21 3.2.1.O TERMÔMETRO BIMETÁLICO ................................................................ 21 3.2.2.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO: FAIXA DE TRABALHO E PRECISÃO .... 22 3.3.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA ............................................... 23 3.3.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 23 3.3.2.TIPOS DE CONSTRUÇÃO. ........................................................................ 23 3.3.3.TIPO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE .................................................. 24 3.3.4.TIPO DE RECIPIENTE METÁLICO ............................................................ 24 3.4.TERMÔMETRO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE ............................................. 24 3.4.1.DESCRIÇÃO ............................................................................................... 24 3.4.2.TIPOS DE LÍQUIDOS UTILIZADOS ............................................................ 25 3.4.3.TIPOS DE RECIPIENTE USADO ................................................................ 25 3.4.4.PRECISÃO DOS TERMÔMETROS DE VIDRO .......................................... 26 3.4.5.SENSIBILIDADE DOS TERMÔMETROS DE VIDRO .................................. 27 3.5.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE LÍQUIDO DE RECIPIENTE METÁLICO ...... 30 3.5.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 30 3.5.2.TIPOS DE LÍQUIDO DE ENCHIMENTO ..................................................... 31 3.5.3.TÉCNICAS E MATERIAL DE CONSTRUÇÃO DO TERMÔMETRO ........... 31 3.6.TERMÔMETRO DE DILATAÇÃO DE GÁS ............................................................. 32 3.6.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 32 3.6.2.TIPOS DE GÁS DE ENCHIMENTO ............................................................ 33 3.6.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO .................................................................. 34 3.6.4.ERRO DE MEDIÇÃO .................................................................................. 34 3.7.TERMÔMETRO À TENSÃO DE VAPOR ................................................................ 34
  • 3. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 2 3.7.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................ 34 3.7.2.TIPOS DE LÍQUIDO DE ENCHIMENTO ..................................................... 34 3.7.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO .................................................................. 35 3.7.4.CLASSIFICAÇÃO DOS TERMÔMETROS À TENSÃO DE VAPOR ............ 36 3.7.5.TIPO DE DUPLO ENCHIMENTO ................................................................ 36 3.7.6.TIPO DE ENCHIMENTO SIMPLES ............................................................. 36 4.TERMOPAR ................................................................................................................. 38 4.1.EFEITOS TERMOELÉTRICOS ............................................................................... 38 4.2.EXPERIÊNCIA DE SEEBECK ................................................................................. 38 4.3.EXPERIÊNCIA DE PELTIER ................................................................................... 38 4.4.EFEITO VOLTA ...................................................................................................... 39 4.5.EFEITO THOMSON ................................................................................................ 39 4.6.LEIS DA TERMOELETRICIDADE ........................................................................... 39 4.7.TIPOS DE TERMOPARES ...................................................................................... 43 4.7.1.TERMOPARES TIPO T ( COBRE CONSTANTAN) ................................... 43 4.7.2.TERMOPARES TIPO J (FERRO CONSTANTAN) ..................................... 44 4.7.3.TERMOPARES TIPO E (CROMEL CONSTANTAN) .................................. 44 4.7.4.TERMOPARES TIPO K (CROMEL ALUMEL) ............................................ 45 4.7.5.TERMOPARES TIPO N (NICROSIL/NISIL) ............................................... 46 4.7.6.TERMOPARES DE PLATINA TIPOS S E R 10% DE RÓDIO E PLATINA PT 13% RH E PT .............................................................................................. 46 4.7.7.TERMOPARES TIPO B ............................................................................... 47 4.7.8.OUTROS TIPOS DE TERMOPARES .......................................................... 47 4.8.PRINCIPAIS QUALIDADES REQUERIDAS POR UM TERMOPAR ....................... 48 4.9.PREPARAÇÃO, SOLDAGEM E MONTAGEM ........................................................ 49 4.10.PROTEÇÃO ENVELHECIMENTO E CONTROLE ................................................ 56 4.11.FIOS DE COMPENSAÇÃO, FIOS DE EXTENSÃO ............................................... 63 5.TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ........................................................................... 64 5.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ........................................................................ 64 5.2.TIPOS DE TIPOS DE BULBO DE RESISTÊNCIA-CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS ......................................................................................................... 65 5.3.TIPOS DE METAIS UTILIZADOS E FAIXA DE UTILIZAÇÃO ................................. 65 5.4.TIPOS DE CONSTRUÇÃO ..................................................................................... 66 5.5.TEMPO DE RESPOSTA, PRECISÃO E PADRONIZAÇÃO DAS TERMORESISTÊNCIAS ........................................................................................ 67 5.6.TERMISTORES ...................................................................................................... 67 5.7.MEDIDORES DE TEMPERATURA POR TERMORESISTÊNCIA ........................... 69
  • 4. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 3 5.7.1.PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO BÁSICO ............................................................ 69 5.7.2.TIPOS DE CIRCUITO DE MEDIÇÃO UTILIZADOS .................................... 69 5.7.3.CIRCUITO EM PONTE ............................................................................... 69 6.PIROMETRIA DE RADIAÇÃO ..................................................................................... 72 6.1.INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 72 6.2.HISTÓRICO ............................................................................................................ 73 6.3.RADIAÇÃO TOTAL - EMITÂNCIA - LEI DE STEFAN-BOLTZMANN ...................... 73 6.4.CORPO NEGRO ..................................................................................................... 73 6.5.LEI DE STEFAN-BOLTZMANN ............................................................................... 74 6.6.MEDIÇÃO DE TEMPERATURA .............................................................................. 75 6.6.1.PRINCÍPIO .................................................................................................. 75 6.6.2.CRÍTICA ...................................................................................................... 76 6.7. OTICA DOS PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO TOTAL ............................................. 78 6.7.1.MONTAGEM COM LENTE .......................................................................... 78 6.7.2.MONTAGEM COM ESPELHO .................................................................... 79 6.7.3.MONTAGEM COM DUPLO ESPELHO ....................................................... 80 6.7.4.DISTÂNCIA E DIMENSÕES DO ALVO ....................................................... 81 6.7.5.RE-RADIAÇÃO DE ENERGIA PELAS LENTES, ESPELHOS, JANELAS ... 81 6.7.6.CAUSAS DO ERRO - PRECAUÇÕES DE USO .......................................... 81 6.7.7.TEMPO DE RESPOSTA ............................................................................. 81 6.7.8.TOLERÂNCIA ............................................................................................. 82 7.PIROMETRIA ÓPTICA ................................................................................................. 82 7.1.INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 82 7.2.LEI DE RADIAÇÃO DE PLANCK - LEI DE WIEN .................................................... 82 7.3.FILTROS ABSORVENTES (SCREENS) ................................................................. 84 7.4.CAUSAS DE ERRO ................................................................................................ 84 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................... 85
  • 5. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 4 1.INTRODUÇÃO Termometria significa "Medição de Temperatura", é o termo mais abrangente que inclui tanto a pirometria como a criometria que são casos particulares de medição. PIROMETRIA - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. CRIOMETRIA - Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura. Temperatura na Indústria A temperatura é uma das variáveis mais importantes na indústria de processamento. Praticamente todas características físico-químicas de qualquer substância alteram-se de uma forma bem definida com a temperatura. Exemplificando:- • Dimensões (Comprimento, Volume). • Estado Físico (Sólido, Líquido, Gás). • Densidade. • Viscosidade. • Radiação Térmica. • Reatividade Química. • Condutividade. • PH. • Resistência Mecânica. • Maleabilidade, Ductilidade. Assim, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu comportamento provocando por exemplo:- - Uma aceleração ou desaceleração do ritmo de produção. - Uma mudança na qualidade do produto. - Um aumento ou diminuição na segurança do equipamento e/ou pessoal. - Um maior ou menor consumo de energia. 1.1.CONCEITO DE TEMPERATURA Temperatura é uma propriedade da matéria, relacionada com o movimento de vibração e/ou deslocamento dos átomos de um corpo. Todas as substâncias são constituídas de átomos que por sua vez, se compõe de um núcleo e um envoltório de elétrons. Normalmente estes átomos possuem uma certa energia cinética que se traduz na forma de vibração ou mesmo deslocamento como no caso de líquidos e gases.
  • 6. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 5 A energia cinética de cada átomo em um corpo não são iguais e constantes, mudam de valor constantemente, num processo de intercâmbio de energia interna própria. Baseado nesta conceituação, pode-se definir a temperatura da seguinte forma: "Temperatura é a propriedade da matéria que reflete a média da energia cinética dos átomos de um corpo". Na prática, a temperatura é representada em uma escala numérica, onde, quanto maior o seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão. Outros conceitos que se confundem às vezes com o de temperatura são: • Energia Térmica. • Calor. A Energia Térmica de um corpo é a somatória das energias cinéticas dos seus átomos, e além de depender da temperatura, depende também da massa e do tipo de substância. O Calor é a energia que se transfere de um corpo para o outro por diferença de temperatura. A temperatura sob ponto de vista da experiência do homem no seu cotidiano, introduz o uso dos termos quente e frio. A sensação de quente é o resultado do fluxo de calor de um corpo qualquer para o nosso próprio, decorrente de uma maior temperatura daquele corpo. A sensação de frio aparece quando o nosso corpo cede calor para outro qualquer. A superfície do corpo humano está coberta de sensores de temperatura que nos informam a cada instante do estado térmico do ambiente que nos cerca. As sensações de quente e frio que sentimos são relativas, um corpo à mesma temperatura pode nos transmitir sensações diversas dependendo das condições físicas e psicológicas do nosso corpo. Os nossos sentidos não são adequados para medir temperatura com segurança, além de atuarem em uma faixa de temperatura bastante estreita, próxima à temperatura do próprio corpo, devido ao aparecimento da dor. Até o final do século XVI, quando foi desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliar temperatura, os sentidos do nosso corpo foram os únicos elementos de que dispunham os homens para dizer se um certo corpo estava mais quente ou frio do que um outro, apesar da inadequadamente destes sentidos sob o ponto de vista científico. Formas de transferência de calor Condução (sólidos): Transferência de calor por contato físico. Um exemplo típico é o aquecimento de uma barra de metal. Convecção (líquidos e gases):
  • 7. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 6 Transmissão ou transferência de calor de um lugar para o outro pelo deslocamento de material. Quando o material aquecido é forçado a se mover, existe uma convecção forçada. Quando o material aquecido se move por diferença de densidade, existe uma convecção natural ou livre. Radiação (sem contato físico): Emissão contínua de energia de um corpo para outro, através do vácuo ou do ar (melhor no vácuo que no ar, pois no ar é parcialmente absorvida). A energia radiante possui a forma de ondas eletromagnéticas e propagam-se com a velocidade da luz. 1.2.HISTÓRICO O primeiro instrumento desenvolvido para avaliar temperaturas foi um termoscópio fabricado por Galileu Galilei, sábio italiano, em 1592. Este instrumento permitia comparar as temperaturas de dois ambientes, sem atribuir valores numéricos às mesmas, donde provém o seu nome. Hoje sabe-se que a pressão atmosférica afetava as indicações deste termoscópio, limitando a precisão das indicações. Em 1654, Ferdinand II, Duque de Toscânia, fabricou termômetros na forma usual, ou seja, um bulbo e capilar de vidro, cheios parcialmente de álcool e totalmente selado da pressão atmosférica. Neste instrumento, a propriedade usada para detectar variações de temperatura é a dilatação do álcool. Robert Hooke em 1664 estabeleceu o primeiro ponto de referência em termômetro, atribuindo o valor zero ao ponto onde se estabilizava a coluna de álcool, quando o termômetro era colocado no gelo fundente. Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro, sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis, como existia na época, para Peso, Distância, Tempo. Era um dilema, que foi sendo resolvido gradativamente ao longo de muitos anos de evolução técnica. Por exemplo em 1665 o cientista e matemático holandês Christian Huygens escreveu:- "... Seria bom existir um padrão universal e determinado de calor e frio, fixando uma proporção definida entre a capacidade do bulbo e do tubo, e então tomando para o começo o grau de frio no qual a água começa a congelar, ou melhor, a temperatura da água em ebulição..." Foi somente em 1694 que Carlo Renaldini, ocupava a mesma cadeira de matemática na Universidade de Pádua que ocupava Galileu, sugeriu tomar o ponto de fusão do gelo e de ebulição da água como dois pontos fixos de temperatura em uma escala de termômetro. Ele dividiu o espaço entre eles, em 12 partes iguais. Infelizmente esta importante contribuição para a Termometria foi esquecida.
  • 8. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 7 Newton, em 1701, definiu uma escala de temperatura baseada em dois pontos fixos reprodutíveis. Para um ponto fixo escolheu o ponto de fusão do gelo, e o chamou de zero. Para o outro ponto fixo ele escolheu o número 12 a este ponto. Baseado no que Newton chamava de "Partes iguais de calor", a água fervia no número 34 desta escala. Em 1706 Daniel Gabriel Fahrenheit, fabricante de termômetros de Amsterdã, definiu uma escala de temperatura, possuía 3 pontos de referência 0, 48 e 96. Números que representavam nas suas palavras o seguinte:- "... 48 no meu termômetro é o meio entre o frio mais intenso produzido artificialmente por uma mistura de água, gelo e sal-amoníaco, ou mesmo sal comum, e aquela (Temperatura) que é encontrada no sangue de um homem saudável..." Fahrenheit encontrou que na sua escala o ponto de fusão do gelo valia 32 e o de ebulição da água 212 aproximadamente. Estes pontos, posteriormente forma considerados mais reprodutíveis e foram definidos como exatos e adotados como referência. Em 1742, Anders Celsius, professor de Astronomia na Suécia, propôs uma escala com o zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água, no ano seguinte Christian de Lyons, independentemente sugeriu a familiar escala centígrada (atualmente chamada escala Celsius). 2.ESCALAS DE TEMPERATURA As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram a Fahrenheit e a Celsius. A escala Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180 partes iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit. Toda temperatura na escala Fahrenheit é identificada com o símbolo "ºF" colocado após o número (Ex. 250ºF) A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau centígrado" utilizada anteriormente no lugar de "Grau Celsius", não é mais recomendada. A identificação de uma temperatura na escala Celsius é feita com o símbolo "ºC" colocado após o número (Ex.: 160ºC). Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit, são relativas, ou seja, os seus valores numéricos de referência são totalmente arbitrários. Existe entretanto escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no ponto teórico onde a temperatura atinge o seu valor mínimo, no ponto onde a energia cinética dos átomos se anula.
  • 9. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 8 Existem duas escalas absolutas atualmente em uso; a Escala Kelvin e Rankine. A Escala Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual à um grau Celsius, porém o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível, 273,15 graus abaixo do zero da Escala Celsius. A Escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão é idêntica à da Escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga às escalas relativas:- Kelvin → 400K (sem o símbolo de grau "º"). Rankine → 785 R. A Escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos da América, porém seu uso tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitação universal. O sistema internacional de unidades adota (ºC) graus Celsius. A Escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit. Existe uma outra escala relativa, a Reaumur, hoje já praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o ponto de fusão do gelo e 80 o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido em oitenta partes iguais. (Representação - ºRe). 2.1.CONVERSÃO DE ESCALAS A figura 1 compara as escalas de temperatura existentes. 100 50 0 212 122 32 Co Fo 373 323 273 K 672 582 492 R Co K Fo R fig.1 Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas: • CELSIUS X FAHRENHEIT → •CELSIUS X KELVIN → ºC 5 = ºF - 32 9 K = 273,15 + º C
  • 10. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 9 • FAHRENHEIT X RANKINE → R = 459,67 + ºF • KELVIN X RANKINE → Outras relações podem ser obtidas combinando as apresentadas entre si. É importante observar a diferença entre, por exemplo, 1ºC e 1 grau Celsius. O primeiro significa uma determinada temperatura e o segundo significa um intervalo de temperatura. Se pretendermos passar para a escala Fahrenheit, teremos:- • 1º caso:- 1ºC → → 1ºC = 33,8ºF (Fórmula 1) • 2º caso:- = 1,8 Grau Fahrenheit → (Utilizando a relação entre as dimensões do grau Celsius e o Grau Fahrenheit) Exercícios Resolvidos 1. Qual a temperatura em ºC do zero original da escala Fahrenheit? E a temperatura do homem saudável? Resp.: 1º) 0ºF → ºC: - O C 5 = 0 - 32 9 → -17,78ºC 2º) 96ºF → ºC:- C 5 = 96 - 32 9 O → 35,55ºC 2. O ponto de ebulição do oxigênio é -182,86ºC. Exprimir esta temperatura em: a) K; b) ºF; c) R. a) ºC → K :- K = 273,15 + (-182,86) = 90,29K b) ºC → ºF :- -182,86 5 = ºF - 32 9 = -297,15ºF K = ºR . 5 9 1ºC 5 = ºF - 32 9 1 grau Celsius = 9 ºF 5
  • 11. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 10 c) ºC → R :- ou melhor, ºC → K → R:- 90,29 = R. 5 9 = 162,52R 3. O ponto de ebulição do Tungstênio é 5900ºC. Calcular esta temperatura em: a) K; b) ºF. a) ºC → K:- K = 273,15 + 5900 = 6173,15K b) ºC → ºF:- 5900 5 = ºF - 32 9 = 10652ºF Obs.:- Dependendo da precisão do cálculo, pode-se arredondar 273,15 para somente 273 sem cometer um erro muito grande. Também o fator 459,67, de conversão R para ºF, pode ser arredondado para 460. Assim as fórmulas ficariam:- K = 273 + ºC e R = 460 + ºF 4. No interior do sol a temperatura é cerca de 10 7 K. Qual a temperatura: a) Na escala Celsius; b) Na escala Rankine; c) Na escala Fahrenheit? a) K ºC:- 10 7 = 273 +ºC ~ 10 7 ºC b) K ºR:- 107 = R . 5 9 ~ 1,8 . 10 7 ºR c) K ºF:- A diferença neste caso de R e ºF é desprezível 1,8 . 10 ºF7 ≅ 5. Transformar a unidade de calor "Caloria” em "BTU". Sabendo-se que 1 caloria é a quantidade de calor necessária para aquecer de 1 grau Celsius, 1 grama de água, e BTU é a quantidade de calor para aquecer de 1 grau Fahrenheit, 1 libra de água. Dado:- 1 libra = 453,6 gramas 1Caloria = 1 grama . 1 O C 1BTU = 1 libra. 1 O F 1Caloria = 1 453 6 1 8 , ,• O F = 3,968 . 10 -3 BTU
  • 12. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 11 1 BTU = 453,6 g o,5555 FO • = 252 Calorias 1 Caloria = 3,968 . 10 -3 BTU ou 1 BTU = 252 Calorias Obs.: Notar que foi utilizada a relação entre os valores do grau Celsius e Fahrenheit. 6. Supondo que a escala de Carlo Renaldini tivesse sido adotada, qual seria:- a) A fórmula de correspondência com a escala Celsius? b) Qual seria o valor do zero absoluto nesta escala? Ponto Fusão Ponto Ebulição Gelo água 0 100 0 12 a) CELSIUS (ºC) RENALDINI (ºRn) O O C 100 = Rn 12 ou C 25 = Rn 3 O O b) -273,15 25 = Rn 3 → -32,78ºRn 2.2.PONTOS FIXOS DE TEMPERATURA A temperatura interna do corpo humano pode ser considerada como um ponto fixo de temperatura. Entretanto esta temperatura é afetada por vários fatores que diminuem a precisão deste padrão. A mudança de estado de substâncias puras (fusão, ebulição) é normalmente desenvolvida sem alteração na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substância é utilizado pelo mecanismo de mudança de estado.
  • 13. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 12 -273,15 0 100 374 1000 Co CALOR SENSÍVEL CALOR LATENTE T1 T2 PONTO TRIPLO H O2 (0,01 C)o L+S L+G TEMPERATURA CRÍTICA VAPOR + GÁS DECOMPOSIÇÃO DA H O (H + 0 )2 2 2 PRESSÃO = 1 Atm (LÍQUIDO, SÓLIDO, GASOSO) Fig.2 Calor sensível: - é a quantidade de calor necessária para que uma substância mude a sua temperatura até que comece a sua mudança de estado, onde teremos o calor latente. Calor latente: - a quantidade de calor que uma substância troca por grama durante a mudança de estado. Apesar do calor cedido a água ser constante durante toda a experiência, nota-se que durante a fusão do gelo, entre t1 e t2, e ebulição da água, entre t3 e t4 a temperatura permanece constante. Se mantivermos uma mistura de água e gelo em equilíbrio, a temperatura permanecerá constante apesar de existir fluxo de calor entre a mistura e o ambiente. Esta mistura de duas ou três fases (Vapor, Líquido e Sólido) em equilíbrio, gera o que se convencionou chamar de "Ponto Fixo de Temperatura". Visando uma simplificação nos processos de calibração, a Comissão Internacional de Pesos e Medidas, relacionou uma série de pontos fixos secundários de temperatura, conforme mostrado na Tabela abaixo. PONTOS FIXOS TEMPERATURA(ºC) Ponto de Ebulição do Nitrogênio -195,798 Ponto triplo do Hélio -259,3467 Ponto triplo da água 0,010 Ponto de Solidificação do Estanho 231,928 Ponto de Solidificação do Alumínio 660,323
  • 14. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 13 Ponto de Ebulição do Oxigênio -182,954 Ponto de Solidificação da Prata 961,78 Ponto de Solidificação do Cobre 1084.62 Ponto de Solidificação da Platina 1064,180 2.3.ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA Não existe limite superior para a temperatura de uma substância qualquer. À medida que sobe a temperatura, ocorre uma série de transformações físico-químicas na substância, por exemplo:- Fusão, Evaporação, Decomposição Molecular, Ionização, Reações Nucleares, etc... Se usarmos a substância água como exemplo, teríamos as seguintes temperaturas na escala Celsius, associados a estas transformações:- Fusão - 0ºC (por definição). Evaporação - 100ºC (por definição). Decomposição (H2O em H2 e O2) entre 1000 e 3000ºC. Ionização - (perda de elétrons) - acima de 2000ºC. Reações nucleares (fusão de hidrogênio) - acima de 15.000.000ºC. Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substância, atingimos um ponto limite além do qual é impossível ultrapassar, pela própria definição de temperatura. Este ponto, onde cessa praticamente o movimento atômico, é o zero absoluto de temperatura. Zero absoluto: - é o estado em que praticamente cessa o movimento atômico. As escalas absolutas (Kelvin e Rankine) atribuem o valor zero à temperatura mais baixa possível. A escala Kelvin possui a graduação igual a da Celsius, portanto:- 0 K = -273,15ºC e 0 R = 273,15ºC A escala Rankine possui a graduação igual a da Fahrenheit, portanto:- 0 K = -459,67ºF e 0 R = 459,67ºF. É evidente que uma escala absoluta não pode ter temperaturas negativas. 2.4.ESCALA INTERNACIONAL TEMPERATURA (ITS90) Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada em fenômenos de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas de temperatura e pressão, determinando os pontos fixos de temperatura. A IPTS- Escala prática Internacional de temperatura, foi a primeira escala prática internacional de temperatura e surgiu em 1927. Foi modificada em 1948(IPTS-48), em 1960 mais modificações foram feitas e em 1968 uma nova IPTS foi publicada (IPTS-68).
  • 15. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 14 Em 1990, a Comissão Internacional de Pesos e Medidas, homologou uma nova escala de temperatura, a ITS-90, definida a partir de vários pontos fixos de temperatura e com auxílio de instrumentos padrão de interpolação. A ITS-90 foi definida através de fenômenos determinísticos de temperatura, isto é, pontos fixos de determinadas temperaturas. Pontos fixos IPTS-68 (graus Celsius) ITS-90 (graus Celsius) Ebulição do Oxigênio -182,962 -182,954 Ponto triplo da água 0,01 0,01 Solidificação do Estanho 231,968 231,928 Solidificação do Zinco 419,58 419,527 Solidificação da Prata 961,93 961,78 Solidificação do Ouro 1064,43 1064,18 Os valores numéricos dos pontos fixos de temperatura, são determinados pela termometria à gás, e os instrumentos de interpolação são: - Na faixa de -259,34ºC a 630,74ºC é termômetro de resistência de platina. - Na faixa de 630,74ºC a 1064,43ºC é o termopar de platina com 10% de ródio e platina. - Acima de 1064,43ºC é o pirômetro óptico. Existem várias equações que relacionam a temperatura e a propriedade termométrica utilizada nestes instrumentos (resistência elétrica, FEM termoelétrica e energia radiante). Através do uso destas equações pode-se determinar com precisão a temperatura em que se encontra um determinado corpo de prova. Esta escala de temperatura é transferida para outros instrumentos de utilização mais simples, mantendo-se o erro de faixas bastante estreitas. Em princípio, de uma forma indireta, todo termômetro usado na prática tem a sua calibração relacionada à Escala Internacional de Temperatura. 3.MEDIDORES DE TEMPERATURA - TIPOS E CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS Os instrumentos de medida da temperatura podem ser divididos em duas grandes classes: 1ª Classe Compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensível está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. São eles: A)Termômetros à dilatação de sólido. B) Termômetros à par termo elétrico. C) Termômetros à resistência elétrica. D) Termômetros à dilatação de líquido. E) Termômetros à dilatação de gás. F) Termômetros à tensão de vapor saturante.
  • 16. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 15 G) Pirâmides fusíveis e "crayons" coloridos. 2ª Classe Compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensível não está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. São eles: A) Pirômetros à radiação total. B) Pirômetros à radiação parcial (monocromáticos). A aplicação dos diversos tipos apresentados depende em cada caso de fatores técnicos e econômicos. Como fatores técnicos podemos citar faixa de medição, tempo de respostas, precisão, robustez, etc. A relação abaixo mostra a aplicação de cada tipo de medidor na indústria. 1ª Classe: Termômetro à Dilatação de Sólido Sob a forma de termômetro bimetálico é atualmente o indicador de temperatura local mais usado na área industrial devendo isto a sua simplicidade, robustez e baixo preço. Termômetro à Par Termoelétrico É atualmente o sistema de medição de temperatura mais utilizado na indústria para monitoria de processos nas salas de controle centrais. É preciso, robusto, cobre uma ampla gama de temperaturas e possui normalmente preço inferior ao de resistência. Termômetro de resistência elétrica Pertence à categoria de instrumentos elétricos. Tem uso bastante difundido na indústria, sendo ao contrário dos termômetros anteriores útil na transmissão à distância da temperatura medida. Seu uso deve-se ao fato de possuir boa precisão e ampla faixa de temperatura, apesar de ser de preço elevado. Termômetros à Dilatação de Líquido Termômetros de vidro de mercúrio - amplamente usado em laboratórios, oficinas e quando protegido, na área industrial. Termômetro metálico de mercúrio - bastante usado em áreas industriais como indicador local de temperatura. Termômetro à dilatação de gás Não encontra muita aplicação na indústria. Normalmente é encontrado em aplicações como indicador local de temperatura. Termômetro à Tensão de Vapor Tem uso bastante difundido na indústria e como monitor de temperatura em instrumentos industriais. Pirâmides Fusíveis e "Crayons" coloridos
  • 17. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 16 Aplicação bastante limitada nas indústrias, restringindo seu emprego a algumas indústrias cerâmicas. "Crayons" coloridos, uso esporádico em testes nas indústrias e oficinas, sendo anualmente substituído por termômetros elétricos de contato. 2ª Classe Pirômetro de Radiação Total Grande aplicação na indústria nos casos de medição de altas temperaturas ou de objetos móveis, continuamente. Não possui concorrentes na sua faixa de aplicação. Pirômetro Óptico Monocromático (Radiação Parcial) Bastante usado na indústria para medir esporadicamente altas temperaturas. É utilizado para calibração eventual do pirômetro de radiação total. Preço elevado. Características Principais dos Instrumentos de Medição de Temperatura Faixa de Medida ( Range ) Conjunto de valores da variável medida, que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Expressa-se determinando os valores extremos. EX.: 100 - 500ºC 0 - 20 PSI Alcance ( Span ) É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Ex.: Em instrumento com range de 100 a 500ºC. Erro É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático, que poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento, o qual poderá estar indicando a mais ou a menos. Quando tivermos a variável variando, teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamado de ERRO DINÂMICO. - Quando a variável não estiver variando, podemos ter somente o ERRO ESTÁTICO. - Quando a variável estiver variando, poderemos ter o ERRO DINÂMICO e o ERRO ESTÁTICO. Como qualquer outro tipo de medidor os medidores de temperatura apresentam características físicas que definem o seu comportamento, tais como: precisão, sensibilidade, fidelidade, entre as mais importantes. Estas três características são definidas como segue: Precisão (erro relativo)
  • 18. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 17 Erro apresentado pelo instrumento em relação a uma curva ideal. valor indicado valor medido curva ideal erro Fig.3 Um instrumento de medição é tão mais preciso quando o erro relativo máximo que ele pode cometer seja o menor possível. É normalmente expresso em termos de porcentagem do valor medido ou do valor máximo da escala. O erro em questão é o estático. Podemos expressar precisão de diversas maneiras: - Em porcentagem do alcance ( Span ) 80ºC; sua precisão é de 0,5% Sabemos que a temperatura estará entre 79,5ºC e 80,5ºC. - Em unidades da variável (unidades de engenharia). Ex.: Precisão de +- 2ºC. - Em porcentagem do valor medido Ex.: Precisão de +- 1%. Para 80ºC teremos uma margem de +- 0,8ºC. - Em porcentagem do valor máximo da escala do instrumento. Ex.: Precisão de 1%. Range de 50 a 150ºC. A precisão será de +- 1,5ºC. - Em porcentagem do comprimento da escala. Ex.: Se o comprimento da escala de um instrumento fosse de 30cm, com range de 50 a 150ºC e precisão de 1%, teríamos uma tolerância de +- 0,3cm na escala do instrumento. Podemos ter a precisão variando ao longo da escala de um instrumento, podendo o fabricante indicar seu valor em algumas faixas da escala do instrumento. Ex.: Um manômetro pode ter uma precisão de +- 1% em todo seu range e ter na faixa central de sua escala uma precisão de 0,5%. Sensibilidade
  • 19. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 18 É a razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Pode ser dada em porcentagem do alcance de medida. Um instrumento com range de 0 - 500ºC e com uma sensibilidade +- de 0,05%. Terá valor será de 0,005 x 1 0 10kgf/cm 2 0 270 O 0 O 0 O 270 O 2 S1 = S1 = 270 O 270 O 1kgf/cm 2 1kgf/cm 2 10kgf/cm 2 270 O 27 O kgf/cm 2 kgf/cm 2 / / = = fig4 Repetibilidade É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento. O termo repetibilidade não inclui a histeresis. valor indicado valor medido curva ideal ascendente descendente MÁX MÍN Fig.5 Fidelidade Um instrumento de medição é tanto mais fiel, quando fornece para um valor determinado de temperatura a medir indicações concordantes entre elas com a melhor aproximação. É uma das qualidades essenciais de um termômetro. Histeresis É o erro máximo apresentado por um instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorra toda a escala nos sentidos ascendente e descendente. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento.
  • 20. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 19 Ex.: Num instrumento com range de - 50ºC a 100ºC e histeresis de +- 0,3%. o erro será de 0,3% de 150ºC = +- 0,45ºC. Devemos destacar que o termo "zona morta" está incluído na histeresis. valor indicado valor medido curva ideal ascendente descendente MÁX MÍN Fig.6 3.1.TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO OU TERMÔMETRO BIMETÁLICO 3.1.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO A operação deste tipo de termômetro se baseia no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. É sabido que o comprimento de uma barra metálica varia com a temperatura segundo a fórmula aproximada: L = Lo (1 + αααα t) Onde: L = comprimento da barra à temperatura t. Lo = comprimento da barra à 0ºC. t = temperatura da barra. αααα = coeficiente de dilatação linear do metal utilizado Deste modo poder-se-ia construir um termômetro baseado medição das variações de comprimento de uma barra metálica. A figura mostra dois tipos de termômetros baseados diretamente neste fenômeno: -O primeiro tipo consiste em uma barra metálica sustentada horizontalmente e um sistema mecânico para amplificação das pequenas variações de comprimento da barra. -O segundo tipo baseia-se na medição da diferença de dilatação entre um tubo feito de material de coeficiente de dilatação e uma haste interna de material de baixo coeficiente de dilatação.
  • 21. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 20 PONTEIRO AMPLIFICAÇÃO MECÂNICA TUBO DE DILATAÇÃO (LATÃO) HASTE DE TRANSMISSÃO (INVAR) PONTEIROAMPLIFICAÇÃO MECÂNICA BARRA DE DILATAÇÃO AJUSTE DE ZERO fig.7 Estes termômetros apresentam dois graves inconvenientes: -O elemento sensor possui uma grande massa, o que torna a resposta do termômetro lenta. -A variação do comprimento experimentada pela barra é muito pequena, necessitando de uma grande amplificação mecânica até o dispositivo de indicação. Este último fator pode ser evidenciado no seguinte exercício: - Calcular a variação de comprimento sofrida por uma barra de ferro cujo comprimento a 0ºC é de 300mm. Quando ela for submetida a uma temperatura de 100ºC. Dado: Coeficiente de dilatação linear de ferro→ αFe = 12.10 -6 .ºC -1 L = 10.(1 + α.t) L = 300.(1 + 12 . 10 -6 . 100) L = 300.(1 + 0,0012) L = 300. (1,0012) = 300,36mm Onde: L = comprimento à 100ºC. Lo = comprimento à 0ºC. t = 100ºC. Variação de comprimento: ∆L = L - Lo ∆L = 300,36 - 300,00 ∆L = 0,36mm Portanto uma variação de 100ºC em uma barra de ferro de 300mm, provoca uma variação de apenas 0,36 em seu comprimento.
  • 22. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 21 3.2.O BIMETAL E O TERMÔMETRO BIMETÁLICO Fixando-se duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação diferentes de maneira indicada na figura, e submetendo o conjunto assim formado a uma variação de temperatura, observa- se um encurvamento que é proporcional à temperatura. O encurvamento é devido as diferentes coeficientes de dilatação dos dois metais, sendo o segmento de círculo a forma geométrica que comporta as duas lâminas com comprimentos diferentes. Evidentemente, fixando-se uma extremidade da lâmina bimetálica, o movimento da outra ponta representará a temperatura da mesma. A sensibilidade deste sistema é bem superior à do apresentado na figura anterior, sendo tanto maior quanto for o comprimento da lâmina e a diferença entre os dois coeficientes de dilatação dos metais. Um termômetro elementar baseado no efeito bimetálico é apresentado na figura a seguir. MATERIAL A MATERIAL B ααααA >α>α>α>αB Fig.8 3.2.1.O TERMÔMETRO BIMETÁLICO Na prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta mais ainda a sensibilidade do sistema conforme a figura. ESPIRAL HELICOIDAL Fig.9
  • 23. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 22 O termômetro mais usado é o de lâmina bimetálica helicoidal. E consiste de um tubo bom condutor de calor, do interior do qual é fixada um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala. APOIO METAL HELICOIDAL HASTE DE TRANSMISSÃO APOIO Fig.10 Normalmente o eixo gira de um ângulo de 270º para uma variação de temperatura que cubra toda a faixa do termômetro. 3.2.2.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO:FAIXA DE TRABALHO E PRECISÃO A sensibilidade do termômetro depende das dimensões de hélice bimetálica e de diferença de coeficiente de dilatação dos dois metais. Normalmente usa-se 1 INVAR como metal de baixo coeficiente de dilatação. INVAR:- (Aço com aproximadamente 36% de níquel e que possui baixo coeficiente de dilatação, aproximadamente 1/20 dos dois metais comuns). O latão é utilizado como material de alto coeficiente de dilatação e para temperaturas mais elevadas usa-se ligas de níquel. A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -50ºC à 800ºC, sendo a escala sensivelmente linear. A precisão normalmente garantida é de ± 2% do valor máximo da escala. Usualmente, as lâminas bimetálicas são submetidas a tratamentos térmicos e mecânicos após a confecção, usando a estabilização do conjunto (repetibilidade).
  • 24. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 23 3.3.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA 3.3.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO São baseados no fenômeno de dilatação aparente de um líquido dentro de um recipiente fechado. Descrição de Diversos Tipos de Medidores A seguir será apresentado uma descrição detalhada de cada tipo de medidor de temperatura com exceção do tipo (Pirâmides Fusíveis e "Crayons"), tendo em vista a sua limitada aplicação na indústria de um modo geral. A lei que rege este fenômeno está representada matematicamente da seguinte forma: V = Vo ( 1 + γγγγat ) Onde: V = volume aparente à temperatura t. Vo = volume aparente à temperatura 0º. γa = coeficiente de dilatação aparente do líquido. t = temperatura do líquido. O coeficiente de dilatação aparente de um líquido é calculado como segue: γa = γ1 - γv Onde: γa = coeficiente de dilatação aparente do líquido. γ1 = coeficiente de dilatação do líquido. γv = coeficiente de dilatação do vidro. Por exemplo: - Para mercúrio γHG = 180 . 10 -6 ºC -1 - Para o vidro γv = 20 . 10 -6 ºC -1 Deste modo o coeficiente de dilatação aparente do mercúrio no vidro vale: γa = γHG - γv γa = 180. 10 -6 - 20 . 10 -6 = 160 . 10 -6 ºC -1 Para o álcool temos: γálcool = 1.200 . 10 -6 Portanto no vidro o coeficiente aparente será: γa - 1.200 . 10 -6 - 20 . 10 -6 = 1.180 . 10 -6 ºC -1 3.3.2.TIPOS DE CONSTRUÇÃO Podem ser: - Tipo de Recipiente Transparente - Tipo de Recipiente Metálico
  • 25. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 24 3.3.3.TIPO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE O órgão indicado é a própria coluna de líquido visível através do recipiente sendo seu copo a referência usada contra a escala que a acompanha. 3.3.4.TIPO DE RECIPIENTE METÁLICO O órgão de indicação à um medidor volumétrico (fole, bourdon , etc.) que aciona um ponteiro sobre uma escala normalmente circular. 3.4.TERMÔMETRO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE 3.4.1.DESCRIÇÃO Este tipo de termômetro é constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção a mais uniforme possível fechado na parte superior. O reservatório e parte do capilar são preenchidos de um líquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar seu limite máximo. 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 0 10 30 20 60 50 40 70 -10 -20 -30 80 90 100 0 10 30 20 60 50 40 70 80 90 100 Poço de proteção fig.11 Após a calibração a parede do tubo capilar é graduado em graus ou frações deste. A medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna líquida. Em alguns casos ao invés de graduar o tubo capilar, fixa-se ao mesmo uma escala que receberá a graduação. 3.4.2.TIPOS DE LÍQUIDOS UTILIZADOS
  • 26. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 25 Entre os líquidos mais utilizados estão os abaixo relacionados: Nota: Na tabela a seguir, cada letra corresponde às seguintes grandezas: A - Tipo de líquido. B - Calor Específico - Cal/GºC. C - Ponto de Solidificação (ºC). D - Ponto de Ebulição (ºC). E - Coeficiente de dilatação (a 20ºC). F - Faixa de Utilização (ºC). A B C D E F Mercúrio 0,033 -39º +357º 182 . 10 -6 - 35 à 600º Tolueno 0,421 -92º +110º 1224 . 10 -6 - 80 à 100º Álcool Etílico 0,581 -115º +78º 1120 . 10 -6 - 80 à 70º Pentano 0,527 -131º +36º 1608 . 10 -6 -120 à 30º Acetona 0,528 -95º +567 1487 . 10 -6 - 80 à 50º Notas: 1º) Para temperaturas superiores a 200ºC no caso do mercúrio, a parte superior do capilar é preenchida com um gás inerte, normalmente nitrogênio sob pressão. Esta precaução é indispensável para evitar a vaporização do mercúrio que poderia ocasionar rupturas na coluna do líquido. Esta pressão atinge valores de 1,20 a 70atm., para termômetros graduados respectivamente em 350, 600 e 750ºC. 2º) No caso de se utilizar gás sob pressão, o termômetro prevê na parte superior um reservatório de grande capacidade, a fim de tornar a pressão interna o mais independente possível da posição da coluna de mercúrio. 3.4.3.TIPOS DE RECIPIENTES USADOS A - Vidro (normal e especial) - Ponto de Fusão: 900 à 1200ºC, utilizado até 600ºC. B - Quartzo fundido transparente - Ponto de Fusão: 1770ºC utilizado até 1050ºC. Nota:- Todos os tipos de vidro quando aquecidos e resfriados não retornam às dimensões originais, fenômeno este conhecido como "histerese térmica dos sólidos". Este fenômeno tende desaparecer após o uso prolongado, isto é, aquecendo-se e resfriando-se o termômetro inúmeras vezes. Os bons termômetros têm seus invólucros de vidro pré-envelhecido na fábrica a fim de minimizar este efeito.
  • 27. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 26 3.4.4.PRECISÃO DOS TERMÔMETROS DE VIDRO A tabela abaixo mostra as faixas de utilização, intervalo de graduação e desvios normalmente tolerados para termômetros comuns e para termômetros de calibração: a) Termômetro Comum - Coluna A. b) Termômetro de Calibração (padrão) - Coluna B. FAIXA DE UTILIZAÇÃO GRADUAÇÃO O C POR DIV. DESVIO TOLERADO (ºC) A B A B A B -20 à +50 - 0,5 - 1 - - -20 à +100 - 0,01 à 0,5 - 0,05 à 0,5 +50 à 200 - 1 à 2 - 2 - - 100 à 200 - 0,2 à 1 - 0,5 à 1 FAIXA DE UTILIZAÇÃO GRADUAÇÃO ºC POR DIV. DESVIO TOLERADO (ºC) A B A B A B 200 à 300 200 à 300 2 1 à 2 3 2 à 3 300 à 400 300 à 400 5 1 à 2 6 3 à 5 400 à 500 400 à 500 5 1 à 5 9 5 à 9 500 à 600 - 5 - 12 - - 500 à 700 - 1 à 5 - 5 à 9 600 à 700 - 5 - 15 - De uma maneira geral pode-se resumir as faixas de precisão do modo seguinte: - Termômetro Comum: 0,5% até ± 3% do valor do fim da faixa. - Termômetro Padrão: 0,1% até ± 0,5% do valor do fim da faixa. A aplicação dos diversos tipos em cada caso depende de fatores técnicos e econômicos. Como fator técnico podemos citar: - faixa de temperatura, tempo de resposta, precisão, robustez, etc. Dos diversos tipos apresentados, alguns tem aplicação limitada quanto outros são amplamente aplicados na indústria, como se pode ver a relação a seguir:
  • 28. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 27 - Pirâmides Fusíveis: Trata-se de pequenas pirâmides de aproximadamente 5cm de altura, feitas de uma mistura de Caolin, Carbonato de Cálcio e Quartzo, em proporções diversas, possuindo cada tipo de mistura um ponto de amolecimento característico. 3.4.5.SENSIBILIDADE DOS TERMÔMETROS DE VIDRO Em princípio a sensibilidade do termômetro pode ser tão grande quanto se queira, bastando utilizar em grande reservatório e um tubo capilar muito fino e portanto muito longo. Poder- se-ia alcançar desvios de 1mm da coluna para variações de 0,001º. Esta precisão é porém ilusória em razão da queda da fidelidade. Em síntese, a sensibilidade do termômetro depende: a) Do coeficiente de dilatação da substância. b) Do volume do bulbo. c) Do diâmetro do capilar. d) Do coeficiente de dilatação do recipiente usado. Verificação dos Termômetros de Vidro A verificação e calibração de termômetros de vidro pode ser feita de duas maneiras: Por Comparação:- Consiste em se comparar ao longo de toda a faixa, a indicação do termômetro com a de um padrão de referência (outro termômetro de vidro, termoresistência, etc.). Neste tipo de calibração deve-se ter cuidado com os seguintes pontos: a) O termômetro escolhido como padrão deve ser de boa qualidade e ter sua escala aferida. b) Durante a calibração os dois termômetros deverão estar à mesma temperatura. Por Meio de Pontos Fixos de Temperatura:- Consiste em se medir a temperatura em que ocorre mudança de estado de algumas substâncias escolhidas como referência. Os pontos fixos mais fáceis de serem reproduzidos são os pontos de ebulição e fusão da água. Erro de Paralaxe:- Como em todos os instrumentos de leitura, a conservação do nível deve ser feita corretamente para evitar erro de paralaxe. Em certos termômetros se usa escala a fim de minimizar o efeito do paralaxe. Utilização dos Termômetros de Vidro Pelo fato de sua fragilidade e da impossibilidade de registrar sua indicação ou de transmiti-la à distância, o uso destes termômetros sem proteção é mais comum nos laboratórios da indústria como elemento de comparação para outros tipos de medidores, assim como para medições de precisão. Quando convenientemente protegido por um arcabouço metálico, encontra larga aplicação em medição de temperatura em unidades industriais.
  • 29. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 28 Tempo de Resposta dos Termômetros de Vidro Tempo de resposta de um instrumento de medição é o tempo transcorrido entre a sua colocação no meio e a estabilização de sua medição supondo a temperatura do meio invariável. No caso de um termômetro, o tempo de resposta será tanto mais curto se: 1. A temperatura do meio for mais elevada, o que se explica é pelo fato da transmissão por radiação se efetuar com maior intensidade. 2. O meio for mais agitado. 3. A condutibilidade térmica do meio for grande (os sólidos e líquidos possuem condutividade mais elevada do que os gases). 4. As dimensões do próprio instrumento forem reduzidas. Normalmente os termômetros de vidro são utilizados com uma proteção metálica aumentando sobremaneira seu tempo de resposta. Tipos Especiais de Termômetros de Vidro a) Termômetro Clínico:- É um termômetro de mercúrio de máxima (fig. 11) graduado de 34 a 42ºC. Possui grande utilização nos hospitais, pois nesta faixa estão as temperaturas limites entre as quais pode variar o corpo humano. A fixação do valor máximo é obtido por meio de um estrangulamento no capilar logo acima do bulbo. Normalmente possui divisões de 0,1ºC. b) Termômetro de Máxima e Mínima:- Bastante usado em meteorologia para indicar as temperaturas máximas e mínimas do ambiente em um determinado período de tempo. O álcool é a substância termométrica (fig. 11). Como mostra a figura somente o álcool contido no ramo esquerdo do tubo em "U" opera como substância termométrica. A função do mercúrio é de arrastar os pequenos índices de ferro que deslizam na parte interna do tubo de vidro. O mercúrio é mantido pressionado contra a coluna de álcool por meio de gás comprimido no ramo direito do tubo. O reposicionamento dos índices para uma nova jornada é feita por meio de um ímã manuseado externamente.
  • 30. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 29 37 38 39 40 36 35 41 42 37 38 39 40 36 35 41 42 RESTRIÇÃO 36,5 CO 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 -10 -20 -30 -10 -20 -30 AR COMPRIMIDO ÁLCOOL BULBO ESCALA DE MÍNIMA ESCALA DE MÁXIMA ÍNDICE DE FERRO (MÓVEL) MERCÚRIO fig.12 c) Termômetro de Vidro com Contato Elétrico:- Normalmente é usado o termômetro de mercúrio normal com a adição de dois ou mais pequenos eletrodos no interior do mercúrio, (bulbo e/ou capilar), a operação do mesmo se baseia na condutibilidade elétrica do mercúrio (fig.12). 0 10 30 20 60 50 40 70 80 90 100 ELETRODO ELETRODO fig.13
  • 31. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 30 3.5.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE LÍQUIDO DE RECIPIENTE METÁLICO 3.5.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO No termômetro de vidro, a dilatação do líquido é observada e medida diretamente através se sua parede transparente. No tipo de recipiente metálico, o líquido preenche todo o instrumento e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível, dito sensor volumétrico. O instrumento compreende três partes:- o bulbo, o capilar e o elemento sensor conforme a fig. O BULBO:- é o elemento termo sensível do conjunto. Nele fica compreendido a maior parte do líquido do sistema. Deverá ficar em contato o mais íntimo possível com o ambiente onde se quer avaliar a temperatura. O CAPILAR:- é o elemento de ligação entre o bulbo e o sensor volumétrico. Deverá conter o mínimo de líquido possível. Em alguns casos, o capilar é substituído por um pequeno e rígido pescoço de ligação. O ELEMENTO SENSOR:- ou de medição é o que mede as variações de volume do líquido encerrado no bulbo. Estas variações são sensivelmente lineares à temperatura, daí o fato da escala ser graduada linearmente, isto é, em partes iguais. Na fig. 13, dois tipos de termômetros, bastante usados como indicadores locais de temperatura na indústria. PONTEIRO BRAÇO DE LIGAÇÃO SETOR DENTADO SENSOR VOLUMÉTRICO CAPILAR LÍQUIDO MERCÚRIO ÁLCOOL ETÍLICO BULBO Fig.14
  • 32. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 31 3.5.2.TIPOS DE LÍQUIDO DE ENCHIMENTO Mercúrio - para temperatura entre -35 e +550ºC. Álcool - para temperatura entre -50 e +150ºC. Xileno - para temperatura entre -40 e +400ºC. Notas: 1. O mercúrio (HG) é o mais usado entre os líquidos apresentados. No caso de seu uso, o material do bulbo, capilar e o sensor não poderá ser de cobre ou ligas do mesmo. Quando o líquido utilizado é mercúrio, o material de construção mais comum do termômetro é aço 1020 ou 316 (inox). 2. A pressão de enchimento do termômetro é de cerca de 50atm, o que justifica a faixa de utilização ultrapassar os limites do ponto de ebulição dos líquidos. 3.5.3.TÉCNICAS E MATERIAL DE CONSTRUÇÃO DO TERMÔMETRO Bulbo:- Suas dimensões variam de acordo com a sensibilidade desejada e também com o tipo de líquido utilizado e aplicação. Os materiais mais usados são: aço 316, aço 1020, cobre, latão e monel. Nota:- Normalmente o bulbo é instalado no interior de um poço de proteção, que permite a retirada do mesmo sem afetar o processo. É importante observar que este recurso aumenta sobre maneira o tempo de resposta do termômetro. Este atraso pode ser reduzido, introduzindo qualquer elemento condutor entre o bulbo e o poço, com a finalidade de eliminar o espaço vazio existente entre os mesmos. Pode-se usar mercúrio, óleo, grafite, aparas de metal. Observando sempre o tipo de aplicação e a faixa de temperatura a ser coberta pelo termômetro. Capilar:- Suas dimensões são também bastante variáveis. O comprimento está limitado aos 60 metros aproximadamente, devido principalmente ao alto custo capilar. O diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de limitar a influência da temperatura ambiente, porém não deverá oferecer resistência à passagem do líquido em expansão. Como calores normais temos para diâmetro: 1,5mm e o diâmetro interno: 0,30mm. Normalmente é confeccionado de aço ou cobre. Nota:- A ligação do capilar do bulbo é feita, às vezes, por meio de um pescoço de extensão, que aumenta a resistência de ligação, ao mesmo tempo que facilita a montagem e desmontagem do bulbo. Às vezes o capilar é suprimido, ligando-se o bulbo ao medidor. por meio do pescoço de extensão. O capilar é o elemento mais sujeito a ser danificado do medidor, freqüentemente ele é fornecido envolvido por uma proteção ou blindagem. Elemento de medição:- Basicamente pode ser de três tipos:- Bourdon, Espiral e Helicoidal (fig. 14). O material de construção é normalmente bronze fosforoso, cobre, berílio, aço inox e aço carbono. O elemento de ligação do elemento ao ponteiro é igual ao usado em manômetros.
  • 33. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 32 ESPIRAL HELICOIDAL BOURDON fig15 3.6.TERMÔMETRO DE DILATAÇÃO DE GÁS 3.6.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos. O volume do conjunto é sensivelmente constante e é preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação de temperatura o gás varia sua pressão conforme, aproximadamente, a lei dos gases perfeitos. O elemento de medição neste caso opera como medidor de pressão. A lei que rege o fenômeno é conhecida como a segunda lei de Gay-Lussac, e é expressa matematicamente da seguinte maneira:- P1 = P2 = ... Pn (Sendo V = constante) T1 T2 Tn Onde: P1, P2, ... Pn = São as pressões absolutas do gás. T1, T2, ... Tn = São as respectivas temperaturas absolutas. Pode-se observar da fórmula, que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante. Outra maneira de representar o fenômeno é da maneira seguinte:- P = Po ( 1 + γt) Onde: P = É a pressão do gás (relativa) à temperatura t.
  • 34. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 33 Po = É a pressão do gás a 0ºC. g = É o coeficiente de variação de pressão do gás a volume constante; vale aproximadamente 1 ºC -1 . 273 t = A temperatura do gás em ºC. As duas fórmulas são evidentemente equivalentes. 3.6.2.TIPOS DE GÁS DE ENCHIMENTO São eles: Hélio (He) - temperatura crítica = 267,8ºC. Hidrogênio (H2) - temperatura crítica = 239,9ºC. Nitrogênio (N2) - temperatura crítica = 147,1ºC. Dióxido de Carbono (CO2) - temperatura crítica = 31,1ºC. Nota:- O gás mais utilizado é o N2 e geralmente é enchido com uma pressão de 20 a 50atm, na temperatura mínima a medir. Sua faixa de medição vai de -100ºC à 600ºC, o limite inferior é o do próprio gás ao se aproximar da temperatura crítica, e o superior é do recipiente devido a maior permeabilidade ao gás, o que acarretaria a sua perda inutilizando o termômetro. CAPILAR BULBO GÁS Fig.16 3.6.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO São eles: Bulbo e Capilar:- aço, aço inox, cobre, latão e monel. Nota:- O capilar pode atingir comprimento de até 100m.
  • 35. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 34 Elemento de medição:- Cobre-Berílio, bronze fosforoso, aço e aço inox. Nota:- O elemento de medição pode ser do tipo Bourbon, espiral ou helicoidal. 3.7.TERMÔMETRO À TENSÃO DE VAPOR 3.7.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Também fisicamente idêntico ao de dilatação de líquidos. Possui um bulbo e um elemento de medição ligados entre si por meio de um capilar (fig. 28). O bulbo é parcialmente cheio de um líquido volátil em equilíbrio com o seu vapor. A pressão do vapor é função exclusiva do tipo de líquido e da temperatura. A relação existente entre a tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmico e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura na seguinte expressão: log . P1 = HE . ( 1 - 1 ) P2 4,58 T1 T2 Onde: P1 e P2 = São as pressões absolutas relativas às temperaturas. T1 e T2 = Também absolutas. HE = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão. Para intervalos de temperatura de uma certa amplitude, o calor latente de evaporação não permanecerá constante, e a fórmula adquirirá desta maneira uma forma mais geral e bastante complexa, sendo conhecida como a equação de Clausiur Clapeyron. 3.7.2.TIPOS DE LÍQUIDOS DE ENCHIMENTO A tabela apresenta os líquidos mais utilizados e seus respectivos pontos de fusão e ebulição. LÍQUIDO PONTO DE FUSÃO (ºC) PONTO DE EBULIÇÃO (ºC) Cloreto de Metila - 139 - 24 Butano - 135 - 0,5 Éter Etílico - 119 + 34 Tolueno - 95 + 110 Dióxido de Enxofre - 73 - 10 Propano - 190 - 42 3.7.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO
  • 36. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 35 São eles: Bulbo e Capilar:- aço inox, aço, cobre e latão. Nota:- O capilar pode atingir comprimentos de 100m, e o bulbo possui normalmente pequeno volume em comparação com os outros tipos. Elemento de medição:- Cobre-Berílio, bronze fosforoso e aço inox. Nota:- Pode, como nos outros modelos ser do tipo bourbon, espiral ou helicoidal. CAPILAR COM GLICERINA LÍQUIDO VOLÁTIL VAPOR BULBO CAPILAR COM VAPOR OU LÍQUIDO LÍQUIDO VOLÁTIL VAPOR BULBO Fig.17
  • 37. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 36 3.7.4.CLASSIFICAÇÃO DOS TERMÔMETROS À TENSÃO DE VAPOR Os termômetros podem ser classificados em dois tipos:- 3.7.5.TIPO DE DUPLO ENCHIMENTO Caracteriza-se por possuir um líquido não volátil no capilar e elemento de medição de pressão. Este líquido funciona somente como elemento de transmissão hidráulica, não sendo miscível ao líquido do bulbo. Normalmente é usado glicerina ou óleo. Este tipo de termômetro é aplicado com vantagem para faixas de temperatura que cruzam o ambiente. (Ex.: -30 à +100ºC). Somente as variações de temperaturas no bulbo afetam a indicação do termômetro, sendo contudo, bastante suscetível ao efeito de elevação tendo em vista as pressões de trabalho (vide fig. 31) e a densidade dos líquidos de enchimento do capilar. 3.7.6.TIPO DE ENCHIMENTO SIMPLES É o tipo usual. Possui o bulbo parcialmente cheio de líquido volátil e o capilar e medidor com vapor ou líquido dependendo da temperatura ambiente e a do processo. Podem ser classificados em três tipos:- 1. Tipo em que a temperatura do bulbo está sempre acima do capilar e medidor. 2. Tipo em que a temperatura do bulbo está sempre abaixo da temperatura do capilar e medidor. 3. Tipo em que a temperatura do bulbo e do medidor é a mesma. O primeiro tipo é mais usado, o capilar e o medidor como estão mais frios que o bulbo, estão cheios de líquidos condensado e portanto estão sujeitos ao efeito de elevação, isto é, o peso da coluna do capilar afeta a indicação quando está em diferença de nível com o medidor. A seguir é fornecido uma tabela da firma FOXBORO para correção de elevação para quatro tipos de líquido de enchimento. Nota:- 1 pé - 0,3048 metros. O segundo tipo possui o capilar e medidor cheios de vapor do líquido volátil pelo fato do bulbo estar mais frio que o resto. Neste caso não há necessidade de compensar a elevação, se houver, pois o peso específico do vapor é desprezível. O terceiro tipo apresenta tanto o aspecto do 1º tipo como do 2º tipo dependendo da temperatura do bulbo e do ambiente. Este tipo apresentará problemas se for montado com alguma elevação, pois ao cruzar com a temperatura ambiente, a coluna de líquido faz-se ou desfaz-se dependendo do sentido da variação. Portanto deve ser montado de preferência com o medidor em nível com o bulbo.
  • 38. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 37 Outro problema diz respeito ao atraso na resposta ao cruzar a temperatura ambiente tendo em vista o tempo gasto na liquefação ou vaporização do líquido (ou vapor) no capilar e medidor (fig. 33). Nota:- Em todos os casos o importante é que a superfície de separação do líquido e vapor fique no bulbo, pois a pressão do sistema dependerá da temperatura existente nesta interface. Correção De Elevação: Nota:- Correção em ºF por cada 10 pés de elevação. Erro! Indicador não definido.TEMP. DO BULBO (ºF) CLORETO DE METILA BUTANO ÉTER - ETÍLICO TOLUENO 0 25 50 75 100 125 150 175 200 210 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 600 9 6 3,6 3,0 2,6 2,0 1,5 1,2 1,O 0,9 - - - - - - - - - - - - - - - 5,5 4,5 3,1 2,1 2,0 1,6 1,4 1,0 - - - - - - - - - - - - - - - 10,0 7,0 5,0 4,0 3,0 2,9 2,11 2,0 1,5 1,4 1,0 0,9 0,6 - - - - - - - - 22,0 20,0 16,0 12,0 9,0 8,0 6,0 5,0 4,0 3,0 3,0 2,0 2,0 2,0 1,8 1,5 1,1
  • 39. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 38 4.TERMOPAR 4.1.EFEITOS TERMOELÉTRICOS A aplicação de par termoelétrico (termopares) na medição de temperatura está baseada em diversos fenômenos descobertos e estudados por SEEBECK, PELTIER, VOLTA e THOMSON. “ A lei não é, necessariamente, uma expressão de verdade infalível, mas simplesmente uma generalização das observações experimentais.” Hipótese: - explica através de modelos, uma ou mais leis sendo possível relacioná-las. 4.2.EXPERIÊNCIA DE SEEBECK Em 1821, o físico alemão J. T. SEEBECK descobriu o efeito termoelétrico, sendo a aplicação na medição de temperatura introduzida pelo físico francês BECQUEREL. A experiência de SEEBECK (figura) demonstrou que num circuito fechado, formado por dois fios de metais diferentes, se colocarmos os dois pontos de junção à temperaturas diferentes, se cria uma corrente elétrica cuja intensidade é determinada pela natureza dos dois metais, utilizados e da diferença de temperatura entre as duas junções. Na experiência, SEEBECK utilizou uma lâmina de antimônio (A) e outra de Bismuto (B), e como detetor da corrente "i" utilizou uma bússola sensível ao campo magnético criado pela corrente. S N A B V2 T2 V1 T1 Fig.17 4.3.EXPERIÊNCIA DE PELTIER Em 1834, o físico francês J. C. PELTIER, baseado na experiência de SEEBECK, mostra que fazendo-se passar uma corrente elétrica, por um par termoelétrico, uma das junções se aquece enquanto a outra se resfria. Na fig.19 as duas ampolas interligadas, funcionam como um termômetro diferencial. A junta da esquerda aquece, enquanto a outra esfria.
  • 40. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 39 BA A i h Fig.18 4.4.EFEITO VOLTA A experiência de PELTIER pode ser aplicada através do efeito VOLTA enunciado a seguir:- "Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencial que pode ser de ordem de volt". Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente. 4.5.EFEITO THOMSON Em 1851, o físico inglês Sir W. Thomson (Lord Kelvin), mostra que se colocarmos as extremidades de um condutor homogêneo à temperaturas diferentes, uma força eletromotriz aparecerá entre estas duas extremidades, sendo esta, chamada F.E.M. THOMSON. Esta F.E.M. depende do material e da diferença da temperatura, não pode ser medida diretamente. A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico é resultante dos efeitos VOLTA (PELTIER) e THOMSON tomados em conjunto. A T2 T1 V Fig.19 4.6.LEIS DA TERMOELETRICIDADE a) Lei do Circuito Homogêneo:- Em um circuito de um só condutor homogêneo não se estabelece nenhuma corrente elétrica, mesmo com trechos a diferentes temperaturas. A soma algébrica da F.E.M. VOLTA e THOMSON é nula.
  • 41. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 40 - Conseqüência:- A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico tendo duas junções em temperaturas diferentes não depende do gradiente da temperatura ou da distribuição de temperatura ao longo dos fios. As únicas temperaturas relacionadas com a F.E.M., são as das duas junções (Junta Fria e Junta Quente). Todas as temperaturas intermediárias não interferem na F.E.M. resultante. b) Lei das Temperaturas Intermediárias(sucessivas):- A F.E.M. desenvolvida por qualquer termopar de metal homogêneo com suas junções em duas temperaturas quaisquer T1 e T3 respectivamente é a soma algébrica da F.E.M. do mesmo termopar com suas junções à temperaturas T2 e T3 respectivamente. A representação gráfica da figura 13, mostra a lei mencionada. B(-) T3T1 T3T1 T2 A(+) 3 F.E.M.= E = E + E 1 2 F.E.M.= E1 F.E.M.= E2 A(+) A(+) B(-) B(-) Fig.20 E1 = ET1 - ET2 E2 = ET2 - ET3 E3 = ET1 - ET3 Se somarmos E1 + E2 temos: E1 + E2 = ET1 - ET2 + ET2 - ET3 = ET1 - ET3 E1 + E2 = ET1 - ET3 = E3 Portanto: E3 = E1 + E2
  • 42. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 41 - Conseqüência:- 1º) Se a F.E.M., de vários metais versus um metal de referência, por exemplo, platina, é conhecida, então a F.E.M., de qualquer combinação dos metais pode ser obtida por uma soma algébrica. 2º) A temperatura da junta de referência pode estar em qualquer valor conveniente, e a temperatura da junta de medição pode ser encontrada, por simples diferença, baseando-se em uma tabela relacionada a uma temperatura padrão, por exemplo 0ºC, 20ºC. c) Lei do Metal Intermediário:- A soma algébrica da F.E.M., em um circuito composto de um certo número de metais diferentes é ZERO se todo circuito estiver a uma só temperatura. A B T2T1 C T3 T3 Fig.21 De outra maneira: “A Fem E do termopar não será afetada se em qualquer ponto de seu circuito for inserido um metal qualquer, diferente do já existente, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.” - Conseqüência:- Em virtude desta lei, pode-se inserir o instrumento de medição da F.E.M. (Voltímetro) com seu fios de ligação em qualquer ponto do circuito termoelétrico sem alterar a F.E.M. original. A B T1 mV A B METAL INTERMEDIÁRIO Fig.22
  • 43. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 42 Junta referência ou junta fria (compensação da junta fria) Como já foi visto a F.E.M. desenvolvida em par termoelétrico, é função da diferença de temperatura entre as duas junções. Desta maneira o termopar não mede a temperatura real na junção de medição, e sim a diferença entre esta junção (medição) e a outra tomada como referência. Para se obter a temperatura real é preciso conhecer exatamente a temperatura da junta de referência e procurar mantê-la constante a fim de facilitar as leituras posteriores. Existem alguns métodos para se manter a temperatura da junta de referência:- 1) Introduzindo-se a junta de referência em recipiente com gelo e água em equilíbrio, onde a temperatura é constante e próxima à 0ºC .Como as tabelas de F.E.M. fornecidas normalmente são referidas à 0ºC, este método é bastante cômodo, pois possibilita a leitura direta da temperatura na tabela conhecendo-se apenas a F.E.M. gerada no circuito. Este método é utilizado em laboratório ou na indústria em alguns casos especiais. Evidentemente este processo não é muito prático, quando se necessita supervisionar a temperatura desejada por tempo bastante prolongado, devido a necessidade da reposição contínua do gelo na junta de referência. A(+) B(-) T1 ÁGUA + GELO 0 Co COBRE/COBRE Tr =0 C o EAB EAB = E - ET1 Tr EAB = E - 0T1 EAB = E T1 Fig. 23 - Junta de Referência a 0ºC 2) Mantendo-se a junta de referência em um ambiente aquecido onde a temperatura é controlada por um sistema termostático. Este possui a vantagem de ser prático, sendo porém de precisão inferior ao do método precedente, salvo raras excessões. Evidentemente a F.E.M. neste processo é inferior ao sistema de junta de referência a 0ºC tendo em vista que a temperatura neste caso, é de cerca de 60ºC, devendo-se dar a devida correção no caso de usar a tabela com a junta de referência em outra temperatura (0ºC ou 20ºC). 3) Hoje dispositivos alternativos foram desenvolvidos para simular automaticamente uma temperatura de zero grau, chamada de compensação automática da junta de referência ou temperatura ambiente. Nestes instrumentos encontra-se um sensor de temperatura que pode ser um resistor, uma termoresistência, termistor, diodo, transistor ou mesmo circuito integrado que mede continuamente a temperatura ambiente e suas variações, adicionando ao sinal que chega do
  • 44. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 43 termosensor uma mV correspondente à diferença da temperatura ambiente para a temperatura de 0ºC. Exemplo de compensação A(+) B(-) T1 mVE 25 C o 100 C o E1 TERMOPAR TIPO K A 100 C JUNTA DE MEDIÇÃO 25 C E = E100 - E25 E = 4,095 - 1,000 E = 3,095 mV o o Fig.24 Se não existisse a compensação, o sinal de 3,095mV seria transformado em indicação de temperatura pelo instrumento e corresponderia a aproximadamente 76ºC, não correspondendo ao valor da temperatura existente na junta de medição. No instrumento medidor está incorporado um sistema de compensação de temperatura ambiente, este gera um sinal como se fosse um outro termopar. E1 = E25-E0 E1 = 1,000mV (sinal gerado pelo circuito de compensação) O sinal total que será convertido em temperatura pelo instrumento será a somatória do sinal do termopar e da compensação, resultando na indicação correta da temperatura na qual o termopar está submetido (independendo da variação da temperatura ambiente). Etotal = E - E1 Etotal = 3,095 + 1,000 = 4,095mV Etotal = 4,095mV 100ºC A indicação depois da compensação será de 100ºC. 4.7.TIPOS DE TERMOPARES Apesar de em princípio, qualquer par de metais prestar na construção de termopares, existem alguns tipos já padronizados na indústria. A seguir mostramos os tipos mais usados nas indústrias: 4.7.1.TIPO T - TERMOPARES DE COBRE CONSTANTAN Composição: Cobre(+) / Cobre-Níquel(-) O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido comercialmente como Constantan.
  • 45. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 44 Características: Resistentes a corrosão em atmosferas úmidas e são adequados para medições de temperaturas abaixo de zero. É resistente à atmosfera oxidantes(excesso de Oxigênio), redutoras(rica em Hidrogênio, monóxido de Carbono), inertes(neutras), na faixa de -200 a 350ºC. Faixa de trabalho: - -200 a 350 ºC. Aplicação: É adequado para trabalhar em faixas de temperatura abaixo de 0ºC, encontradas em sistemas de refrigeração, fábrica de O2 etc.. Identificação da polaridade: Cobre (+) é avermelhado e o Cobre/Níquel (-) não. 4.7.2.TIPO J - TERMOPARES DE FERRO - CONSTANTAN Composição: Ferro(+) / Cobre-Níquel(-) O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido comercialmente como Constantan. Características: Adequados para uso no vácuo, atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. Acima de 540ºC, a taxa de oxidação do ferro é rápida e recomenda-se o uso de tubo de proteção para prolongar a vida útil do elemento. Embora possa trabalhar em temperaturas abaixo de 0ºC, deve-se evitar quando houver possibilidade de condensação, corroendo o ferro e possibilitando a quebra do fio de ferro. Não deve ser usado em atmosferas sulfurosas(contém enxofre) acima de 540ºC. O uso em temperaturas abaixo de zero não é recomendado, devido à rápida oxidação e quebra do elemento de ferro tornando seu uso em temperaturas negativas menor que o tipo T Devido a dificuldade de obtenção de fios de ferro com alto teor de pureza, o tipo J tem baixo custo e é o mais utilizado industrialmente. Aplicação: Indústrias em geral até 750ºC. Identificação da polaridade: Ferro (+) é magnético e o Cobre (-) não. 4.7.3.TIPO E - TERMOPARES DE CROMEL CONSTANTAN Composição: Níquel-Cromo (+)/Cobre-Níquel (-) O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o fio negativo Cobre Níquel como Constantan. Características: Podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras, alternadamente oxidante e redutora e no vácuo, não devem ser utilizados pois perdem suas características termoelétricas. Adequado para o uso em temperaturas abaixo de zero, desde que não sujeito a
  • 46. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 45 corrosão em atmosferas úmidas. Apresenta a maior geração mV/ºC (potência termoelétrica) do que todos os outros termopares, tornando-se útil na detecção de pequenas alterações de temperatura. Aplicação: Uso geral até 900ºC. Identificação da polaridade: O Níquel-Cromo (+) é mais duro que o Cobre-Níquel (-). 4.7.4.TIPO K - TERMOPARES DE CROMEL ALUMEL Composição: Níquel-Cromo (+)/Níquel-Alumínio (-). O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo Cromo- Alumínio como Alumel. O Alumel é uma liga de Níquel, Alumínio, Manganês e Silício. Características: São recomendáveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. Por sua resistência à oxidação, são melhores que os tipos T, J, E e por isso são largamente usados em temperaturas acima de 540ºC. Ocasionalmente podem ser usados em temperaturas abaixo de zero grau. Não devem ser utilizados em: 1) Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora. 2) Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rápida ferrugem e quebra dos elementos. 3) Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o Cromo do elemento positivo pode vaporizar- se causando erro no sinal do sensor (descalibração). 4) Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de “green root”. Green root, oxidação verde, ocorre quando a atmosfera ao redor do termopar possui pouco oxigênio, como por exemplo dentro de um tubo de proteção longo, de pequeno diâmetro e não ventilado. O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio através do uso de um tubo de proteção de maior diâmetro ou usando um tubo ventilado. Outro modo é diminuir a porcentagem de oxigênio para um valor abaixo da qual proporcionará corrosão. Isto é feito inserindo-se dentro do tubo um “getter” ou elemento que absorve oxigênio e vedando-se o tubo. O “getter” pode ser por exemplo uma pequena barra de titânio. Aplicação: É o mais utiliizado na indústria em geral devido a sua grande faixa de atuação até 1200ºC. Identificação da polaridade: Níquel-cromo (+) não atrai ímã e o Níquel-Alumínio (-) levemente magnético. 4.7.5.TIPO N NICROSIL - NISIL
  • 47. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 46 Composição: Níquel 14,2%-Cromo 1,4%-Silício (+) / Níquel 4,4%-Silício0,1%-Magnésio (-) Desenvolvido na Austrália, este termopar foi aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado pela ASTM (American Society for Testing and Materials), NIST(Antigo NBS- National Bureau of Standards) e ABNT. Está se apresentando como substituto do termopar tipo , de -200 a 1200ºC, possui uma potência termoelétrica menor em relação ao tipo K, porém uma maior estabilidade, excelente resistência a corrosão e maior vida útil. Resiste também ao “green-root” e seu uso não é recomendado no vácuo. 4.7.6.TIPO S E TIPO R Tipo s platina ródio-platina Composição: Platina 90% - Ródio 10% (+) / Platina (-) Tipo R Platina Ródio-Platina Composição: Platina 87% - Ródio 13% (+) / Platina (-) Características: São recomendados para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. O uso contínuo em altas temperaturas causam excessivo crescimento de grão, podendo resultar em falha mecânica do fio de Platina (quebra de fio), e tornar os fios susceptíveis à contaminação, causando redução da F.E.M. gerada. Mudanças na calibração também são causadas pela difusão ou volatilização do Ródio do elemento positivo para o fio de Platina pura do elemento negativo. Todos estes efeitos tendem a causar heterogeneidades que influenciam na curva característica do sensor. Os tipos S e R não devem ser usados no vácuo, em atmosferas redutoras ou atmosferas com vapores metálicos a menos que bem protegidos com tubos protetores e isoladores cerâmicos de alumina e quando se usa tubo de proteção de Platina (tubete) que por ser do mesmo material, não contamina os fios e dá proteção necessária aos elementos. Apresentam grande precisão e estabilidade em altas temperaturas sendo utilizados como sensor padrão na calibração de outros termopares. A diferença básica entre o tipo R e S está na diferença da potência termoelétrica, o tipo R gera um sinal aproximadamente 11% maior que o tipo S. Aplicação:
  • 48. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 47 Processos com temperaturas elevadas ou onde é exigido grande precisão como indústrias de vidro, indústrias siderúrgicas, etc. Identificação da polaridade: Os fios positivos de Platina-Ródio 10% e Platina-Ródio 13% são mais duros que o fio de platina (-). 4.7.7.Tipo B - Platina-Ródio / Platina-Ródio Composição: Platina 70%-Ródio 30% (+) / Platina 94%-Ródio 6% (-) Características: Seu uso é recomendado para atmosferas oxidantes e inertes, também adequado para curtos períodos no vácuo. Não deve ser aplicado em atmosferas redutoras nem as que contem vapores metálicos, requerendo tubo de proteção cerâmico como os tipo R e S. O tipo B possui maior resistência mecânica que os tipos R e S. Sua potência termoelétrica é baixíssima, em temperaturas de até 50ºC o sinal é quase nulo. Não necessita de cabo compensado para sua interligação. É utilizado cabos de cobre comum (até 50ºC). Aplicação: Utilizado em industrias no qual o processo exige altas temperaturas. Identificação da polaridade: Platina 70%-Ródio 30% (+) é mais duro que o Platina 94%-Ródio 6% (-). 4.7.8.OUTROS TIPOS DE TERMOPARES Com o desenvolvimento de nossos processos industriais ao longo do tempo, novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender condições que os termopares que foram vistos até agora não atendiam. Muitos destes termopares ainda não estão normalizados e também não são encontrados no brasil. Platina 60%-Ródio 40% (+) / Platina 80%-Ródio 20% (-) Para uso contínuo até 1800 1850ºC, substituindo o tipo B. Não é recomendado para atmosferas redutoras. Irídio 60%-Ródio 40% (+)/ Irídio(-) Podem se usados até 2000ºC em atmosferas inertes ou no vácuo, não recomendado para atmosferas redutoras ou oxidantes. Platinel 1 - Paládio 83%-Platina 14%-Ouro 3% (+) / Ouro 65%-Paládio 35% (-).
  • 49. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 48 Aproxima-se do tipo K, atuando na faixa de até 1250ºC. Sua composição é apenas de metais nobres, apresentando excelente estabilidade em atmosfera oxidante, mas não em atmosferas redutoras ou vácuo. Tungstênio 95%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 74%-Rhênio 26% (-) Ainda não normalizado, denominado termopar tipo C. Pode ser utilizado continuamente até 2300ºC e em curtos períodos até 2700ºC no vácuo, na presença de gás inerte ou hidrogênio. Não recomendado em atmosfera oxidante. Sua principal aplicação é em reatores nucleares. Existem algumas variações na composição das ligas, por exemplo: Tungstênio (+) / Tungstênio 74%-Rhênio 26% (-) Tipo G (não oficial) Tungstênio 97%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 75%-Rhênio 25% (-) Tipo D (não oficial) Níquel-Cromo (+) / Ouro-Ferro (-) Usado em temperaturas criogênicas de -268ºC até 15ºC Tungstênio - Molibidênio. Faixa de temperatura 0 à 2.000ºC. Tungstênio - Iridium. Faixa de temperatura 0 à 200ºC. Grafite - Carbureto de Boro. Faixa de temperatura 0 à 2500ºC. 4.8.PRINCIPAIS QUALIDADES REQUERIDAS POR UM TERMOPAR Para corresponder às exigências de um serviço tipo industrial, os termopares devem possuir as seguintes características:- a) Desenvolver uma F.E.M. a maior possível, função contínua da temperatura de maneira a ser possível utilizar instrumentos de indicação de temperatura de construção simples e robusta. A faixa de F.E.M. normalmente fornecida nas temperaturas de trabalho normal vai de 10 a 50mV. b) Precisão de calibração (intercambialidade). Um termopar deve ser capaz de ser calibrado com um padrão de F.E.M. versus temperatura e deve manter esta calibração mantendo-a por um longo período de tempo sem desvios. Os termopares são construídos para trabalhar em conjunto com instrumentos tendo cartas e escalas pré calibradas. A intercambialidade entre dois termopares do mesmo material é a principal razão do seu uso em grande escala na indústria.
  • 50. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 49 c) Resistência à corrosão e oxidação (durabilidade). Um termopar deve ser física e quimicamente resistente de maneira a possuir uma longa vida, e mais ainda exibindo a propriedade para uma dada temperatura gerar uma F.E.M. constante. d) Relação linear F.E.M. versus temperatura (linearidade). É interessante possuir uma relação F.E.M. versus temperatura mais linear possível devido aos seguintes motivos: - Facilidade de construção e leitura de escala e gráficos. - Facilidade de construção de dispositivos de compensação de junta de referência. - Adequabilidade do uso em indicadores digitais. Termopares de classe especial Existem duas classes de precisão para termopares , a classe standard que é a mais comum e utilizada e utilizada e a classe especial também chamada de “Premium Grade”. Estes termopares são ,fornecidos na forma de pares casados, isto é com características de ligas com graus de pureza superiores ao standard. Existe também um trabalho laboratorial para adequação de lote de fios, conseguindo com isto uma melhor precisão na medição de temperatura. 4.9.PREPARAÇÃO E SOLDAGEM DE TERMOPARES - MONTAGEM Apesar da utilização de diferentes sistemas para realização de um bom contato elétrico na junção quente de um termopar, a soldagem é mais eficiente, pois assegura uma ligação perfeita dos fios por uma fusão dos metais sobre uma pequena profundidade. Precisamos contudo, é exato que a soldagem pode criar heterogeneidades, garantir que a precisão final do termopar não seja afetada desde que estas heterogeneidades sejam mantidas em uma zona uniforme de temperaturas. Preparação dos Fios Os fios do termopar são geralmente fornecidos em bobinas. Deve-se endireitá-los cuidadosamente à mão, evitando-se qualquer torção ou flexão exagerada a qual poderia afetar a estrutura do material com conseqüente modificação na sua F.E.M.. Após cortar os pedaços destinados à soldagem, lembrando a necessidade de se deixar um pequeno excesso, caso haja imprevistos na soldagem, deve-se proceder a limpeza das pontas a serem unidas. A seguir prepara- se as pontas conforme a fig. 19, em uma das três opções.
  • 51. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 50 x x x x a) b) c) ou ISOLADOR DE CERÂMICA Fig.25 No caso a mantém-se o fio duro, reto, enquanto dobra-se o macio. No caso b dobra-se os dois fios. No caso c o fio macio é torcido sobre o fio duro cerca de 3 voltas. Nos três casos é importante manter a distância "x" entre os dois fios, visando a posterior colocação dos isoladores. O tipo de ligação c é o mais adequado para fios de grande bitola pois dá bastante resistência apesar de aumentar a marca térmica da junção. Soldagem Soldagem do Ferro Constantan:- Para se soldar os fios de ferro e constantan emprega-se uma chama oxi-acetilênica com o bico apropriado de acordo com a bitola de fio a soldar. Regula-se o bico para se obter uma chama neutra e coloca-se os dois fios, se vermelho, passando então, um pouco de Borax na junção. Volta- se a aquecer as duas extremidades até a sua fusão. É interessante sempre dirigir a chama para o material de mais alto ponto de fusão, no caso, o ferro. Tira-se então, o borax excedente e procede-se a inspeção da solda. O uso da chama redutora provoca a carburação que torna a solda fraca. Soldagem do Cromel-Alumel:- Procede-se da mesma maneira que para o ferro constantan utilizando-se uma chama neutra ou ligeiramente oxidante. Dirigir a chama na direção do Cromel que é o metal de maior ponto de fusão. Soldagem de Platina-Rodiana -Platina:- Para a soldagem dos fios de platina-rodiana e platina, usa-se chama oxi-hidrogênio ou oxigênio GLP. Todavia, tendo em vista que os fios são geralmente finos, usa-se também a soldagem à arco elétrico. A soldagem por arco elétrico é caracterizada por se fazer um arco elétrico entre os fios a serem soldados formando um eletrodo, e um pedaço de carbono manipulado pelos
  • 52. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 51 soldados, formando o outro eletrodo. Tocando-se a ponta torcida do termopar com o eletrodo de carbono, fecha-se o circuito. Afastando-se o eletrodo, uma fração de milímetro, estabelece-se um arco, elevando-se a temperatura e fundindo a junção. A experiência mostra que os fios a serem soldados deverão constituir o eletrodo positivo a fim de evitar a contaminação dos mesmos por partículas de carbono. Nota:- Os fios de ferro constantan e de cromel-alumel de pequeno diâmetro, podem ser soldados a arco elétrico. Se forem a maçarico, escolhe-se um bico de pequeno diâmetro (0,4mm) a fim de retardar a fusão dos fios. Finalmente, é bom lembrar, que qualquer que seja a natureza dos fios a serem soldados, deve-se evitar um aquecimento muito prolongado, o que poderia acarretar uma modificação na estrutura molecular das duas ligas, deixando-as quebradiças particularmente no caso do alumel. Montagem dos Termopares Após a soldagem dos dois fios, eles são isolados entre si, por meio de pequenos tubos, ou melhor ainda, por meio de isoladores com dois furos (missangas). O material dos isoladores é normalmente de cerâmica, porcelanas, quartzo, etc (fig. 19) Este conjunto é então protegido por um ou mais tubos concêntricos apropriados à cada aplicação. A parte superior é ligada a uma borracha ou bloco de terminais de abonite ou cerâmica instalada dentro de um cabeçote de ligação . Fig.26 JUNTA DE MEDIÇÃO TUBO DE PROTEÇÃO ISOLADOR CERÂMICO CABEÇOTE DE LIGAÇÃO BLOCO DE TERMINAIS TAMPA
  • 53. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 52 Fig. 27 Termopares Isolação Mineral O desenvolvimento dos termopares isolação mineral partiu da necessidade de satisfazer as severas exigências do setor nuclear. Desde então, os benefícios deste trabalho puderam ser transmitidos à indústria em geral, que os utiliza numa grande variedade de aplicações devido a série de vantagens que oferecem, tais como grande estabilidade, resistência mecânica entre outras. O termopar isolação mineral consiste de 3 partes básicas: um ou mais pares de fios isolados entre si por um material cerâmico compactado em um bainha metálica externa. Este tipo de montagem é de extrema utilidade pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos, que podem causar a completa deterioração dos termoelementos, além da grande resistência mecânica o que faz com que o termopar isolação mineral possa ser usado em um número quase infinito de aplicações. Construção do cabo isolação mineral O processo de fabricação dos termopares isolação mineral começa com os termoelementos de diâmetros definidos, inseridos num tubo metálico e isolados entre si e o tubo por um material cerâmico (pó de óxido de magnésio). Através de um processo mecânico de estiramento (trefilação), o tubo e os termoelementos são reduzidos em seus diâmetros (aumentando seu comprimento) e o óxido de magnésio fica altamente compactado, isolando e posicionando os fios em relação a bainha metálica. ISOLAÇÃO MINERAL BAINHA METÁLICA BAINHA METÁLICA Fig.28 O óxido de magnésio é um excelente isolante elétrico e um bom condutor térmico, de maneira que quando compactado, ocupa todos os espaços internos, isolando eletricamente os fios entre si e a bainha além de dar alta resistência mecânica ao conjunto, proporciona boa troca térmica. Como este processo de trefilação ou estiramento (redução do diâmetro e aumento do comprimento proporcionalmente), cria tensões moleculares intensas no material, torna-se necessário tratar termicamente o conjunto.
  • 54. Medição de Pressão SENAI-CETEL ______________________________________________________________________________ 53 Este tratamento térmico alivia estas tensões e recoloca o termopar em sua curva característica; obtendo assim um produto final na forma de cabos compactados, muito reduzidos em seus diâmetros (desde 0,5 mm até 8,0 mm de diâmetro externo), porém mantendo proporcionalmente as dimensões e isolação da forma primitiva. Além do óxido de magnésio, usa-se também como material isolante a alumina, óxido de berílio e óxido de tório, porém o óxido de magnésio é mais barato, compatível com os termoelementos e mais comum de ser encontrado. Uma grande atenção deve ser tomada com a pureza química e metalúrgica dos componentes envolvidos na fabricação do termopar isolação mineral. Isolação Elétrica do Cabo Isolação Mineral Devido a tendência natural do óxido de magnésio em absorver umidade (higroscópico) e outras substâncias que podem vir a contaminar os termoelementos, uma isolação elétrica mínima admitida entre os condutores e bainha é de no mínimo 100mΩ em temperatura ambiente (20ºC). Várias precauções devem ser mantidas para a fabricação do termopar isolação mineral, tais como: - Não deixar o cabo aberto exposto no ambiente por mais de 1 minuto. Imediatamente sele a ponta aberta com resina, depois de aquecê-la para retirar a umidade. - O armazenamento deve ser em local aquecido e seco (aproximadamente 38ºC e 25% de umidade relativa do ar). Vantagens do Termopar Isolação Mineral Estabilidade na F.E.M. Esta estabilidade é caracterizada pelos condutores estarem totalmente protegidos de ambientes agressivos que normalmente causam oxidação e envelhecimento dos termopares. Resposta Rápida O pequeno volume e alta condutividade térmica do óxido de magnésio, promovem uma rápida transferência de calor, superior aos termopares com montagem convencional. Grande Resistência Mecânica e Flexibilidade Devido a alta compactação do óxido de magnésio dentro da bainha metálica mantendo os termoelementos uniformemente posicionados, permite que o cabo seja dobrado, achatado, torcido ou estirado, suportando pressões externas e "choques térmicos" sem qualquer perdas de suas propriedades termoelétricas. Facilidade de Instalação