Capítulo 9 - Medição de Temperatura

1. Capítulo 9 - Medição de Temperatura Cap. 9 - Medição de Temperatura TM 117 - Sistemas de medição

2. 9.1 – Introdução A temperatura é uma importante grandeza a ser medida em muitos processos, pois é um fator limite para muitas operações Pode-se pensar em temperatura como sendo o potencial que causa o fluxo de calor de um ponto de mais alta temperatura para um ponto de mais baixa temperatura A medição correta de temperatura é complexa, por ser facilmente influenciada por fatores externos aos dispositivos de medida ou pela inércia térmica inerente ao sistema TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

3. A temperatura é quantificada através de escalas padronizadas, as mais utilizadas são a escala Celsius [ºC] e a Fahrenheit [ºF]. No Sistema Internacional (S.I.) utiliza-se à escala absoluta Kelvin Relação entre as escalas: TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

4. Classificação TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

5. 9.2 – Termômetros de Efeito Mecânico 9.2.1 – Termômetro por expansão de líquido A medição de temperatura é feita através da leitura da posição do liquido na escala graduada TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

6. 9.2.2 – Termômetro bi-metálico Dois metais de diferentes coeficientes de dilatação linear são unidos numa determinada temperatura. Ao submeter à junta a uma temperatura determinada ela se curvará no sentido da indicação da temperatura

8. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico 9.3 – Termômetros de Efeito Elétrico Este tipo de medição é mais conveniente já que estes métodos permitem obter um sinal mais facilmente detectável, amplificável e usado para propósitos de controle TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

9. 9.3.1 - Termômetros por resistência elétrica • 1821 -Thomas Seebeck descobriu a termoeletricidade e Sir Humphrey Davy anunciou que a resistividade dos metais apresentavam uma marcante dependência com a temperatura • Quinze anos mais tarde Sir William Siemens apresentou a platina como elemento sensor em um termômetro de resistência

10. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico • Termoresistência, ou termômetros de resistência, são nomes genéricos para sensores que variam sua resistência elétrica com a temperatura • Os materiais de uso prático recaem em duas classes principais: • condutores e semicondutores • Condutores: são • chamados termômetros • de resistência ou • termoresistências • Semicondutores: são • chamados termistores Relação temperatura X resistência para dois tipos de sensores TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

11. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico 9.3.3.1 - Termoresistências metálicas Termoresistências metálicas são construídas a partir de fios ou filmes de platina, cobre, níquel e tungstênio para aplicações a alta temperatura Variação de resistência elétrica: R = Ro (1 + a1.T + a2.T2 + a3.T3 + ...+ an.Tn) onde Ro = resistência a T=0 oC. TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

12. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico Normalmente o sensor é construído em um filme metálico ou em um pequeno enrolamento a partir de um fio muito fino Termômetro por resistência elétrica TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

13. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico É desejável a maior variação da resistência por grau para um dado valor de resistência (alta resistividade) para obter-se a maior sensibilidade na medição. A platina é o material mais adequado sob o ponto de vista de precisão e estabilidade mas apresenta o inconveniente do custo. A saída dos termômetros é geralmente medida por algum tipo de ponte (Wheatstone) e o termômetro ligado a esta por meio de 2, 3 ou 4 fios dependendo da precisão desejada. Seu limite superior de uso é de 535°C TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

14. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termistores 9.3.1.2 – Termistores Os primeiros tipos de sensores de temperatura de resistência de semicondutores foram feitos de óxido de manganês, níquel e cobalto, moídos e misturados em proporções apropriadas e prensados numa forma desejada. Relação resistência/temperatura: Tipos de termistores • onde • R é a resistência do termistor na temperatura T (), • R0 = resistência na temperatura T0 (), • é a constante característica do material (K), • T é a temperatura a ser medida (K), T0 é a temperatura de referência (K) TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

15. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termistores A estabilidade dos primeiros termistores era bastante inferior à das termoresistências metálicas, mas atualmente eles vem apresentando uma estabilidade aceitável para muitas aplicações industriais e científicas. Isto lhes permite medir a temperatura com intervalos de 0,1°C o que é difícil com termômetros de resistência comuns Seu tempo de resposta está ligada a massa do sensor podendo variar desde uma fração de segundos até minutos. A corrente de medição deve ser mantida o mais baixo possível para se evitar o aquecimento da unidade detectora TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

16. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares 9.3.2 – Termopares Um termopar é um sensor que compreende dois pedaços de fios dissimilares, unidos em uma das extremidades. Sua aplicação em larga escala se dá em virtude da sua praticidade, capacidade de operar em altas temperaturas e por fornecer respostas rápidas. Exemplo de aplicação de termopar TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

17. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares 9.3.2.1 - Efeitos termoelétricos Os efeitos termoelétricos recebem essa denominação porque envolvem tanto calor quanto eletricidade Podem ser identificados três efeitos termoelétricos diferentes, porém inter-relacionados O efeito Seebeck é o mais relevante, sendo o primeiro cientista a estudar os fundamentos da termeletricidade descobrindo a característica principal do funcionamento dos termopares, enquanto que os efeitos Peltier e Thomson descrevem o transporte de calor por uma corrente elétrica TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

18. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares Efeito Seebeck: Em 1821 o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou o circuito para um termômetro termopar, como o ilustrado na figura. Ambas as junções, de medição e de referência estão em ambientes isotérmicos (de temperatura constante), cada uma numa temperatura diferente Circuito para um termopar TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

19. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares A tensão de circuito aberto através da junção de referência é a chamada tensão de Seebeck e aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as junções aumenta O termopar, que opera sob o efeito Seebeck é, portanto, diferente da maioria dos outros sensores de temperatura uma vez que sua saída não está diretamente relacionada à temperatura, mas sim ao gradiente de temperatura, ou seja, da diferença de temperatura ao longo do fio termopar Representação esquemática da montagem de um termopar TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

20. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares O termopar consiste em dois condutores elétricos diferentes A e B unidos. Quando os dois materiais forem parte do circuito de um instrumento de medida haverá duas junções e se houver uma diferença de temperatura T1 e T2 entre as junções, então se origina uma força eletromotriz (f.e.m.) denominada tensão termelétrica O valor da f.e.m. depende da diferença de temperatura e dos materiais envolvidos e mantém uma relação de proporcionalidade com essa diferença TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

21. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares 9.3.2.2 - Tipos de termopares Os vários tipos de metais ou ligas comumente empregados na constituição de termopares dependem em primeiro lugar da temperatura a medir Existe uma série de termopares padronizados segundo uma determinada faixa de aplicação levando em conta também outros fatores, tais como ambiente e tipo de material que se deseja medir TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

22. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares Tipos de termopares TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

23. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares A princípio, um termopar pode ser confeccionado com dois metais diferentes quaisquer, entretanto, devido a uma série de fatores (contaminação, custos, repetibilidade, ponto de fusão, homogeneidade, facilidade de produção, fácil soldagem, etc.), são oferecidas algumas combinações padrões. TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

24. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares Gráfico f.e.m X temperatura TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

25. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares 9.3.2.3 - Características dos termopares Uma grande vantagem do termopar é o fato de o diâmetro e o comprimento do fio não interferir no potencial gerado. Devido ao fato da temperatura indicada por um sistema de termopares ser somente a da junção entre os dois metais diferentes, o sistema pode ser utilizado para tomar a temperatura de uma área muito pequena Seu tamanho compacto também significa uma pequena inércia térmica e uma resposta rápida as variações de temperatura TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

26. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares É necessário garantir que a junção de medição esteja numa condição isotérmica, daí a importância de imergir o termopar a uma profundidade adequada. Pelo fato do sensor responder a um gradiente de temperatura, ele deve ser conectado a dois sistemas físicos em duas temperaturas diferentes A junção de referência deve ser isotérmica para propiciar uma temperatura conhecida e auxiliar na obtenção de uma interface do sinal, que isola o sensor da instrumentação. Esquema de um sistema de medição usando termopar TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

27. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares Os fios de transmissão do sinal da junção de referência até o instrumento estão freqüentemente em um meio mais controlado do que aquele de outros sensores de temperatura, especialmente se a junção de referência estiver dentro do instrumento. Se o instrumento for um voltímetro, a interpretação dos dados requererá informação extra a respeito da temperatura de referência e da tabela do termopar, caso contrário esta informação pode estar incluída no instrumento e a temperatura ser indicada diretamente. TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

28. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares Circuitos de medição com termopares TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

29. 9.3 - Termômetros de Efeito Elétrico - Termopares (a) união de arame nu simplesmente soldado (b) par termelétrico no qual os dois arames estão soldados formando uma gota (c) a junção entre os dois condutores está totalmente isolada (d) o condutor interno soldado no tubo protetor, esta união forma o par termelétrico Formas de par termelétrico e tipos de junção TM 117 - Sistemas de medição Cap. 9 - Medição de Temperatura

30. 9.3 – Termômetros de Radiação Todos os métodos de medida de temperatura discutidos até então requeriam que o termômetro estivesse em contato físico com o corpo cuja temperatura se quer medir. Além disso, a temperatura era medida quando o elemento sensor atinjia a condição “idealizada” de equilíbrio térmico com o corpo ou sistema que se mede.

31. Isto implica em: 1- o termômetro interfere com o meio que se mede, afetando sua temperatura, isto é, a temperatura medida nunca é a real 2- que o termômetro deve ser capaz de suportar a temperatura envolvida em uma dada medição, o que efetivemente representa outro problema prático muito grande no caso da medição de temperatura de corpos muito quentes.

32. Um terceiro tipo de problema acontece quando deseja-se medir a temperatura de um corpo, ou superfície móvel, e o termômetro não está “embarcado”. Isto é, como medir a temperatura de corpos sólidos em movimento, usando sensores de contato externos ao sistema em movimento? Neste caso, dispor-se de um método de medida que não requer contato físico (medição sem interferência) é fundamental. Este tipo de termômetro pode também ser usado para realizar uma varredura da distribuição de temperatura do corpo sem contato ou interferência.

33. Câmeras térmicas

34. Os instrumentos desenvolvidos para se resolver problemas desse tipo, medir sem interferir, medir temperaturas elevadas e medir objetos em movimento, à distância, empregam sensores de radiação de uma forma ou de outra. Porém, antes de discuti-los é conveniente revisar os conceitos básicos de radiação. Radiação é emissão de energia pela matéria e seu transporte não exige a presença de qualquer meio material. Com relação à natureza deste transporte, sabe-se que a Mecânica Quântica prevê que a radiação é dual, isto é, pode ser tratada como onda, propagação de ondas eletromagnéticas e, ao mesmo tempo, propagação de matéria, as partículas denominadas de fótons.

35. A radiação térmica se distingue de outros tipos de radiação, como ondas de rádio e raios-x, pelo fato destas não se propagarem como conseqüência da temperatura do corpo. O espectro, isto é, a banda de comprimento de ondas, ou frequências, da radiação térmica vai de 0,1 μm a 100 μm (3 x 1015 Hz e 3 x 1012 Hz, respectivamente). A banda entre 0,4 microns (4,28 x 1014 Hz) e 0,7 microns (7,5 x 1014 Hz) é o espectro visível. Entre os limites de comprimento de onda de 0,7 microns a 0,4 microns estão as cores extremas vermelha e violeta.

37. Velocidade da luz (m/s) Comprimento de onda (m) = Frequência (Hz=1/s)

39. Escala de ondas eletromagnéticas (fótons)

40. E,b(,T) = A emitância espectral (intensidade da radiação hemisférica) [W/m2.m] C1 = 2hc = 3,742 108 [W.m4/m2] C2 = hc/k = 1,4387 104 [m4/K]  = Comprimento de onda da radiação [m] T = Temperatura absoluta do corpo negro [K] O radiador térmico ideal é chamado de corpo negro. Este corpo absorveria toda a radiação nele incidente e, para uma dada temperatura, emitiria o máximo possível de radiação térmica. A emitância espectral de um corpo negro é dada pela lei de Planck :

41. A quantidade E,bé a radiação emitida por uma superfície plana para o hemisfério (isto é, 180º sobre ela) por unidade de comprimento de onda, no comprimento de onda . Ou seja, um corpo negro a uma certa temperatura emite alguma radiação por unidade de comprimento de onda em todos os comprimentos de onda de zero ao infinito, mas não a mesma quantidade de radiação em cada comprimento de onda.

42. A figura abaixo mostra a emitância espectral do corpo negro, para algumas temperaturas inferiores a 6000 ºC.

43. Podem ser observadas algumas características importantes: 1. A radiação emitida varia continuamente com o comprimento de onda. 2. Em qualquer comprimento de onda, a intensidade da radiação emitida aumenta com o aumento da temperatura. 3. As curvas exibem picos (intensidades máximas de radiação) em certos comprimentos de onda, sendo que estes picos se deslocam para a esquerda (comprimentos de onda menores) à medida que a temperatura aumenta. 4. A área sob cada curva é a emitância total do corpo negro, que aumenta rapidamente com o aumento da temperatura.

45. A lei do deslocamento de Wien, o deslocamento do pico da deistibuição da emitância espectral, permite calcular o comprimento de onda correspondente à intensidade de radiação máxima, max , para uma dada temperatura. O deslocamento destes pontos de máximo explica a mudança na cor de um corpo ao ser aquecido. Primeiramente o corpo se torna vermelho escuro, depois laranja e então branco.

46. A radiação térmica total emitida pelo corpo negro é dada por (Lei de Stefan-Boltzmann)

47. Embora o corpo negro seja uma idealização física e matemática, é possível construir radiadores reais cujo comportamento se aproxima muito do comportamento do corpo negro. Estas fontes de radiação são necessárias para a calibração de medidores de temperatura por radiação. Por outro lado, os corpos cuja temperatura deseja-se medir no dia-a-dia podem desviar-se substancialmente do comportamento do corpo negro.

48. A razão entre as emitâncias real e de corpo negro é o que se denomina de emissividade do corpo real. Vários tipos de emissividade foram definidos, em função de interesses específicos. A emissividade pode ser espectral hemisférica, total, hemisférica seletiva, etc. A definição mais básica é a da emissividade espectral hemisférica, E,T, de um corpo real à temperatura T. Admitamos que ela possa ser medida utilizando filtros, de modo a que somente a emitância em um comprimento de onda se propague. São os chamados filtros ópticos seletivos. A emissividade espectral hemisférica é definida por:

49. Portanto, a emissividade é uma quantidade adimensional, sempre menor do que 1,0 para corpos reais. Note também que, no caso mais geral, é função de  e T . (eventualmente, numa pequena faixa limitada de  e T, pode ter valor semelhante e constante, mas não é o caso geral).