NT-007 Medidores Mecânicos de Temperatura Autor

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NT-007
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05/2013
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Medidores Mecânicos de Temperatura
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Analógica Instrumentação e Controle
Campo Aplicação
Analógica, clientes e outras partes interessadas
1. INTRODUÇÃO
Temperatura é uma grandeza cujos valores não podem ser diretamente determinados, e, por isso,
sua mensuração é realizada a partir dos efeitos e estímulos que ela provoca nas propriedades físicoquímicas dos materiais. Nesta Nota Técnica são tratados os medidores de temperatura que operam
por efeitos mecânicos, ou seja, aqueles relacionados às variações de propriedades que causam
alterações dimensionais do elemento sensor, tanto a linear quanto a volumétrica, devido a dilatação
ou contração térmica.
Duas condições são impostas à operação dos medidores mecânicos de temperatura, que os levam à
classificação como medidores de contato:
• a necessidade do contato físico entre o elemento sensor e o objeto/meio cuja temperatura se
deseja medir;
• o alcance, no tempo, do adequado de equilíbrio térmico entre o elemento sensor e o
objeto/meio cuja temperatura se pretende medir.
São exemplos de medidores mecânicos de temperatura:
• Os termômetros de dilatação volumétrica de líquidos, grupo que inclui os termômetros de
liquido em vidro (TLV) e os de bulbo cheio;
• Os termômetros de dilatação de sólidos, como os bimetálicos e os de dilatação linear de
barras;
• Os termômetros de pressão gás de vapor, que, grupo que nesta NT-007 somente abrange os
termômetros aplicados em processos industriais e de uso comum no mercado. Vale aqui
mencionar que nesse grupo também se incluem os termômetros científicos e altamente
complexos, que são utilizados em laboratórios de física e institutos nacionais de pesquisa e
metrologia ensaios de definição das temperaturas termodinâmicas que são atribuídas aos
pontos fixos da Escala Internacional de Temperatura de 1990 – ITS90.
Não obstante a grande expansão no uso de medidores de temperatura que nativamente operam com
base em sinais elétricos, tais como os que utilizam termopares, termoresistências e termistores como
elementos sensores, os medidores mecânicos também possuem certas características que os tornam
convenientes, adequados em diversas aplicações. Por exemplo, não dependerem de baterias ou
outras fontes de energia elétrica para alimentação; podem ter baixo custo, ou, ainda, podem ser os
mais adequados e insubstituíveis quando usados como dispositivos de redundância em processos
que exigem alta segurança operacional e imunidade eletromagnética.
Nos tópicos seguintes são apresentados os tipos mais comuns de medidores mecânicos. O nível de
detalhamento nesta NT-007 foi estabelecido com base na percepção do mercado que demanda cada
tipo de medidor. Nas referências bibliográficas são encontrados maiores detalhes para tipos
específicos desse grupo de termômetros.
2. TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA DE LÍQUIDOS.
O principio funcional dos termômetros de dilatação volumétrica de líquidos é a expansão ou
contração volumétrica do líquido (ou gases), em função da variação de suas temperaturas. Trata-se
de um conhecimento muito antigo, utilizado ancestralmente na concepção e na fabricação dos
primeiros termômetros registrados na história da termometria. No Artigo Técnico ART-002 são
apresentados maiores detalhes do histórico da termometria e dos primeiros termômetros.
A expressão matemática que estabelece a correlação entre a dilatação volumétrica e a temperatura
pode ser definida por:
Vt = V0 [1+ β1 (Δt) + β2 (Δt)2 + β3 (Δt)3 ] onde:
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t = temperatura do líquido em ˚C;
t0 = temperatura de referência do líquido (normalmente 0˚C ou K);
V0 = volume do líquido à temperatura de referência;
Vt = volume do líquido à temperatura t/˚C;
β1, β2, e β3 = coeficientes de expansão do líquido;
Δt = t/˚C – t0/˚C.
Teoricamente, devido a existência dos termos de segunda e terceira ordens, esta relação é não
fielmente linear. Entretanto, para a maioria das aplicações práticas na termometria, os termos de
segunda e terceira ordens são desprezíveis, e, na prática, a relação pode a ser tomada como linear,
com aplicação da seguinte equação:
Vt = V0 [1+ β1 (Δt)]
2.1. Termômetro de Líquido em Vidro - TLV
Termômetro de Liquido em Vidro, conhecido em português pela sigla TLV, é um medidor mecânico
de temperatura que opera com base na dilatação volumétrica de um líquido, denominado líquido
termométrico.
Trata-se de um dispositivo com origem muito antiga, utilizado muito antes da descoberta da
eletricidade. O princípio funcional foi descoberto por Galileu Galilei por volta de 1590 e materializado,
no que passou para a história, como Termoscópio de Galileu. Há registros históricos de que o artefato
foi posteriormente bastante aprimorado por Ferdinando II (Duque da Toscana) e pelo professor da
Escola de Pádua, Santorio Santorii. Mas, notadamente, credita-se ao físico, comerciante e inventor
alemão-polonês Daniel Gabriel Fahrenheit (Amsterdã-1724) o mérito de tornar o dispositivo um
verdadeiro instrumento metrológico. O TLV talvez seja o artefato mais conhecido para medição de
temperatura entre a população leiga em termometria.
2.1.1.
Aplicação dos Termômetros de Líquido em Vidro
TLV’s são artefatos com uso generalizado na termometria, principalmente quando se trata de
medições de temperatura feitas na faixa da água, ou seja, no intervalo de 0˚C a 100˚C. Durante
séculos os termômetros de vidro reinaram em posição de destaque, porém, nas últimas décadas vêm
perdendo essa posição para os medidores elétricos, que baixaram de preço e vêm se popularizando.
Não obstante ao crescimento dos outros tipos de termômetros, o TLV continua a ser um dispositivo
muito utilizado na ciência, nas atividades comerciais, e, com certas limitações, na indústria. É
instrumento básico em laboratórios químicos, clínicos e biológicos. Tem vasta aplicação no
seguimento dos alimentos e em atividades domésticas. Essa demanda se justifica pela pelo baixo
custo do artefato, pela facilidade de compra no mercado, e, notadamente, pela facilidade intuitiva de
uso. Outra característica importante do TLV é sua independência quanto a alimentação elétrica e pelo
o fato de integrar, no mesmo artefato, os elementos sensor e indicador.
TLV’s são medidores indicados para uso em diversos tipos de ensaios normalizados nas áreas de
física, química e biologia. É comum que essas especificações seja referenciadas a códigos de
entidades de normatização, tais como ABNT, ASTM, ASME, DIN, BS, dentre outras. A título de
exemplo, a ASTM tem cerca de duas centenas de termômetros indicados para ensaios normatizados,
nos quais a temperatura é grandeza a ser medida.
2.1.2.
Forma Construtiva.
Há um amplo e diversificado universo de TLV’s. No mercado existe uma grande variedade de tipos,
diversos formatos e um variadíssimo campo de aplicação. A maioria dos termômetros possui todas ou
a boa parte das partes construtivas que são mostradas na Figura 2.1.1.
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Figura 2.1.1 – Vista Geral do Termômetro de Liquido em Vidro
As funções dessas partes são sinteticamente descritas a seguir.
a) Bulbo. Reservatório que armazena o líquido termométrico, devendo estar totalmente cheio à
temperatura ambiente, sem conter qualquer bolha de gás.
b) Haste. Constitui o corpo principal do termômetro e envolve o capilar. Há termômetros de haste
simples (sólida), que são os mais comuns, onde a escala é gravada na superfície externa da
haste e o capilar é um furo interno central. Alguns termômetros possuem haste dupla (escala por
dentro): uma externa, que apenas serve capa-invólucro para uma segunda haste, interna, que
contém o capilar. Neste caso, a escala é gravada em régua auxiliar fixada entre as duas hastes. T
c) Câmara de Contração. É formada por um alargamento do capilar entre o bulbo e o início da
escala, ou entre o bulbo e a escala auxiliar. Serve para prevenir que o líquido termométrico
rotineiramente contraia inteiramente para dentro do bulbo, podendo gerar bolhas de ar na coluna
do líquido termométrico dento do capilar.
d) Câmara de Expansão. Alargamento do furo capilar após a escala (no topo do termômetro), que
serve para evitar a deformação ou a quebra por explosão do termômetro em decorrência de
sobre-pressão, caso ocorra um aquecimento acima da faixa do termômetro.
e) Menisco. Parte superior da coluna residual de mercúrio.
f) Escala Principal: Escala com graduação em unidades de temperatura, cobrindo a faixa de
temperatura em que o termômetro opera.
g) Escala Auxiliar: Escala secundária existente em alguns tipos de termômetros, normalmente nos
de melhor qualidade e desempenho, utilizada para verificação de sua conformidade metrológica
do termômetro no ponto de referência, tipicamente no ponto do gelo (0˚C). A escala auxiliar deve
possuir, no mínimo, cerca de 10 divisões equivalentes à resolução, sendo 5 acima e 5 abaixo.
Alguns aspectos construtivos dos TLV’s são relevantes quando se avalia a qualidade, o desempenho
e os dotes para determinadas aplicações. Para os fins desta NT-007 são destacados e discutidos os
seguintes aspectos:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
2.1.3.
Aplicação.
Forma construtiva.
Classe de exatidão.
Tipos, quanto ao modo de imersão.
Tipos e características dos vidros utilizados na fabricação;
Tipos e características dos líquidos frequentemente empregados;
Uniformidade diametral do capilar;
Faixas típicas de construção (range) e divisão (graduação) de escala (resolução).
Formatos, comprimentos e proteção.
Recomendações de Uso e Armazenamento.
Calibração.
Classe de Exatidão.
Embora muitos usuários de TLV’s nem se atentem para a questão, e, de fato ela possa ser irrelevante
em boa parte das aplicações, aos melhores termômetros de líquido vidro são classificados por
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“classes de exatidão”, definidas por Norma. Por exemplo, a Organização Internacional de Metrologia
Legal (OIML), em sua recomendação R-133, define a a classificação mostrada no Quadro 2.1.1:
Quadro 2.1.1 - Classe de Exatidão de
TLV
(OIML R 133)
Classe
Máximo erro permitido
A
± 0,1
B
± 0,2
C
± 0,5
D
± 1,0
E
± 2,0
F
± 5,0
Cabe aos fabricantes de TLV definirem a faixa de medição para a qual a classe de exatidão é
aplicada, e, consequentemente, a graduação da escala deve refletir essa exatidão, inclusive em seus
extremos. Bons termômetros devem ter graduações que permitam uma estimativa do valor
equivalente a metade de uma divisão.
Deve-se salientar que existem termômetros de grande resolução (milésimos) e muito boa exatidão
(décimos e centésimos(, inclusive para uso como padrão em atividades de calibração e certificação
metrológica.
2.1.4.
Tipos, Quanto ao Modo de Imersão.
À exceção de termômetros projetados para uso específico, os
convencionais são concebidos, projetados e confeccionados para
operar em três diferentes tipos de imersão, que são:
• Termômetros para imersão parcial;
• Termômetros de imersão total;
• Termômetros de imersão completa.
2.1.4.1. Termômetro de Imersão Parcial.
São os termômetros projetados para apresentar medidas corretas
quando o bulbo e parte da haste são imersos até uma linha
demarcatória gravada na haste, denominada linha de imersão. Essa
condição e mostrada na Figura 2.1.2. A forma mais simples de
identificar esse tipo de termômetro é observar a existência da linha
de imersão gravada na haste. Se utilizado sem observar essa
característica de projeto, as leituras podem apresentar erros
comprometedores para a exatidão estabelecida para esse tipo de
termômetro.
Figura 2.1.2 - Tipos de Imersão
2.1.4.2. Termômetro de Imersão Total.
Os termômetros de imersão total devem ser imersos no meio cuja temperatura se deseja medir até a
uma posição cerca de uma ou duas divisões abaixo do menisco, de modo que a leitura possa ser
corretamente realizada. Nessas condição, tanto o bulbo quanto a coluna do líquido termométrico até
o menisco ficam imersos, conforme mostrado na Figura 2.1.2. Caso essa condição de imersão não
possa alcançada, ou seja, se parte da coluna do líquido termométrico até o menisco fique acima da
linha de imersão, a temperatura média dessa coluna, denominada de coluna emergente, deve ser
aplicada uma correção matemática da leitura, que depende das propriedades do líquido
termométrico.
2.1.4.3. Termômetro de Imersão Completa.
Termômetros de imersão completa somente operam corretamente quanto completamente imersos no
meio cuja temperatura se deseja medir, conforme mostrado na Figura 2.1.2. A leitura deve ser feita
na condição de imersão completa, sobe pena de ser afetada caso o termômetro seja removido para
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leitura. Caso um termômetro de imersão completa seja utilizado em condição de elevada pressão
hidrostática, os efeitos dessa pressão podem afetar seu desempenho e acarretar erros, que
dificilmente podem ser mensurados e corrigidos.
2.1.5.
Tipos de vidros utilizados
Termômetros são confeccionados com diversos tipos de vidros, e, da escolha resulta, propriedades
físicas que afetam a faixa de uso, a estabilidade de curto e longo prazos, a resistência ao choque
térmicos, o custo, dentre outras. O Quadro 2.1.2 mostra algumas dessa propriedades. Termômetros
muito simples e baratos são confeccionado com vidros comerciais à base de carbonato de sódio,
conhecido como vidro soda. Os mais sofisticados e caros podem ser confeccionados em quartzo puro
(SiO2), ou vidros nobres que apresentam desempenho muito próximo ao do quartzo, como o Vycor®.
O vidro mais utilizado para construção de bons TLV’s é o borosilicato, composto por 80%SiO2,
13%B2O3; 4%Na2O e (2 a 3%)Al2O3, com algumas marcas bastante conhecidas, como Pyrex®,
Duran® e outros.
Quadro 2.1.2 - Propriedades dos Vidros Usados na Confecção de TLV’s
Propriedade
Soda
Temperatura de Transição °C
Borosilicato Óptico
Quartzo
573
536
~540
1140
9
3.5
7
0.55
Índice de Refração a 20 °C
1.518
1.473
1.650
1.459
Temperatura de Fusão °C
1040
1070
--
1715
Coef. Expansão Térmica (ppm/K)
O tipo de vidro e os tratamentos físicos aos quais o vidro é submetido são fatores críticos para o bom
desempenho operacional dos termômetros. Vidros com baixo coeficiente de expansão térmica é
garantia de alta imunidade ao choque térmico. Vidros que apresentam elevando módulo de Young
assegura baixa deformação permanente e melhora a reprodutibilidade das medidas. Viscosidade, por
sua vez, é fator importante nos processos de produção. Quanto às boas práticas de preparação do
vidro, tratamentos térmicos de recozimento e de envelhecimento são técnicas que melhoram muito as
propriedades do vidro para seu melhor desempenho nos termômetros. Tradicionalmente,
termômetros feitos com vidros de alta qualidade, envelhecidos e termicamente bem tratados são mais
caros, e, como o preço impacta todo a cadeia de produção e de comercialização, esses termômetros
são aplicados em atividades mais nobres.
2.1.6.
Líquidos Termométricos
Alguns líquidos apresentam propriedades físico-químicas que os tornam mais adequados ao uso em
TLV’s, e, por serem tradicionalmente empregados nessa aplicação, são conhecidos em termometria
como “líquidos termométricos”. O álcool etílico e o mercúrio são os mais conhecidos, mas o tolueno, e
o pentano também são utilizados. Curiosamente, os primeiros termômetros foram enchidos com uma
bebida disponível à época, o spirit, e por isso, o nome “termômetro de spirit” ainda é encontrado em
fontes bibliográficas antigas.
O Quadro 2.1.3 apresenta a faixa de utilização dos principais líquidos termométricos.
Quadro 2.1.3 - Faixa de Uso dos Principais Líquidos Termométricos
Mercúrio
Ponto
Solidificação (˚C)
-39
Ponto
Vapor (˚C)
357
Faixa de Uso
(˚C)
-38 a 500
Álcool Etílico
-115
78
-100 a 70
Tolueno
-92
110
-80 a 100
Liquido
Obs.
Tóxico
Nota: Há outros líquidos orgânicos que podem sem utilizados para cobrir faixa de -200˚C a 200˚C.
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Para o caso do mercúrio, cuja faixa normal é de - 38 a 350ºC, pode-se elevar este limite até 500ºC
mediante emprego de vidro adequado e injeção de um gás inerte sob pressão, o que evita a
vaporização do mercúrio. Vale salientar que o mercúrio é um metal tóxico, que sofre atualmente
sérias restrições de uso. O uso de termômetros de mercúrio deve ser cuidadoso e considerar que, no
caso de quebra, o mercúrio deve ser recolhido, armazenado e corretamente descartado. Se houver
vazamento, os resíduos do mercúrio devem ser eliminado capturados, sendo recomendado o uso de
técnicas amalgamento que são bem descritas na literatura. O álcool pode receber um corante para
melhorar a visualização da coluna e do menisco.
O tempo de resposta dos termômetros que utilizam líquidos orgânicos (álcool, tolueno, etc.) é sempre
maior que o dos que utilizam mercúrio. Isso se deve à maior força de adesão do líquido orgânico às
paredes do capilar, o que exige maior tempo para a drenagem e estabilização da coluna,
notadamente, em medições feitas em baixas temperaturas.
2.1.7.
Uniformidade Diametral do Capilar.
A uniformidade diametral do capilar é uma característica fundamental para a linearidade e para
exatidão do termômetro, justificado a afirmação de que um bom termômetro deve, necessariamente,
possuir um capilar bem uniforme e com paredes lisas. A uniformidade condiciona a linearidade e a
lisura das paredes diminui o tempo de resposta e minimiza as quebras da coluna do liquido
termométrico devido a vibrações mecânicas ou contração rápida no resfriamento.
Por outro lado, como a sensibilidade dos termômetros é uma função dependente da relação entre o
volume do bulbo (reservatório) de o diâmetro do capilar, quanto maior for essa relação, maior será a
sensibilidade de do termômetro. TLV’s muito sensíveis possuem bulbos grandes e capilares finos,
combinação que leva a duas importantes observações: os termômetros ficam mais sujeitos a quebras
do bulbo devido a maior peso/quantidade de liquide armazenado, principalmente para termômetros
de mercúrio e maior dificuldade de leitura, devido a diminuição do diâmetro da coluna.
2.1.8.
Faixas de Uso e Graduação de Escala.
Termômetros de vidro são produzidos para operar em diversas faixas operacionais (ranges) e de
divisão (graduação) de escala. Há diversas faixas padronizadas para uso em ensaios específicos, por
exemplo, as faixas especificadas para os termômetros codificados pela ASTM (American Society for
Testing Materials) para atender a requisitos de centenas de ensaios físicos, químicos e biológicos.
As faixas de operação são condicionadas, principalmente, pelo tipo de líquido termômetro do
enchimento. Assim termômetros de mercúrio podem ser encontrados para uso entre -38˚C a 500˚C,
porém, nunca com cobertura de toda essa faixa. Termômetros enchidos com os líquidos orgânicos
tradicionais operam entre –100˚C a 200˚C, mas no mercado comum essa faixa é reduzida para
valores entre -100˚C a 100˚C.
No Quadro 2.1.4, com base em padronização estabelecida pela STM, são apresentados alguns
exemplos de termômetros projetados para aplicações gerais e específicas, com informações sobre
códigos, faixas, graduações, tipos de imersão e campos de aplicação.
Quadro 2.1.4 - Faixas Típicas de Termômetros ASTM
Código
ACC001C
Faixa (˚C)
-20 até +150°C
ACC019C
+49 até +57°C
Graduação Comprimento
Imersão
1.0°C
327mm
Imersão Parcial – 76mm
Aplicação
Uso geral
0.1°C
280mm
Total
Viscosidade Saybolt
ACC115C
5˚C ou 6°C
ACC117C +23.9 até +30.1°C
0.01°C
0.01°C
640mm
614mm
Não aplicável
Total
Termômetro de Beckman
Bomba Calorimétrica
ACC036C
-2 até +68°C
ACC045F +74.5 até +79.5°F
0.2°C
0.1°F
410mm
310mm
Imersão Parcial - 45mm
Total
Teste de Titulação
Viscosidade Cinemática
ACC087F
1.0°F
175mm
40mm
Consumo Líquido Refrigerante
+300 até +400°F
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Notadamente, as graduações são unitária (1°C /°F); 1/2 grau (0,5˚C/˚F); 1/5 grau (0,2˚C/˚F); decimal
(0,1˚C/˚F) e centesimal (0,01˚C/˚F).
2.1.9.
Formato, Comprimento e Proteção.
Termômetros de líquido em vidro são encontrados no mercado brasileiro e internacional numa grande
variedade de formatos e comprimentos. Também podem ser acondicionados em diferentes tipos de
proteção. Algumas dessas características são atributos requeridos no uso, outros são introduzidos
pelos fabricantes como diferencias de apelo comercial.
Quanto ao comprimento, os termômetros clínicos podem muito curtos, a exemplo dos termômetro
clínicos que variam em torno de 100mm, e longos como o termômetro de Beckman, que mede
640mm. Além de requisitos de aplicação, a faixa de medição e a graduação são variáveis que
condicionam o comprimento dos termômetros. No Quadro 2.1.4 pode ser observado termômetros
como comprimentos entre 175 e 640mm. Alguns tamanhos mais comuns são: (175; 217; 242; 280;
305; 310, 315; 327; 384; 390; 395; 310; 400; 425; 600 e 640) mm.
No que tange à proteção, há termômetros parcialmente ou quase totalmente envoltos em bainha
(capa) de proteção, cuja finalidade é proteger o termômetro contra fontes externas de avaria.
Diversos materiais são utilizados na fabricação dessas bainhas, com destaque para a borracha, o
PVC, o silicone e o teflon. Também são encontradas bainhas metálicas de alumínio, latão e aço
inoxidável. A Figura 2.1.3 ilustra tipos de bainhas aplicadas e diferentes tipos de termômetros.
Figura 2.1.3 – Exemplos de Termômetros com Bainha de Proteção
2.1.10. Recomendações de Uso e Armazenamento
Termômetro de vidro é um artefato frágil por natureza. Por decorrência, seu uso e seu
armazenamento requerem cuidados especiais, seja para evitar quebra ou para minimizar problemas
operacionais, como quebra da coluna do líquido termométrico. São cuidados importantes para
manuseio e a preservação dos termômetros:
a) Evitar choques mecânicos que possam provocar quebras ou fissuras. Para termômetros de
mercúrio com reservatório grandes, o perigo de quebra é maior, devendo ser evitados
movimentos bruscos do termômetro;
b) Evitar choques térmicos. Choques térmicos podem causar quebras, fissuras, perda da calibração;
c) Sempre armazenar o termômetro com a haste inclinada, com bulbo para baixo, para evitar a
quebra da coluna;
d) Evitar utilizações em temperaturas muito abaixo ou acima da faixa da escala;
e) Antes do uso, proceder a uma inspeção visual do termômetro. Nessa inspeção, observar a
existência de fissuras, quebra da coluna do liquido termométrico, existência de bolhas de ar no
bulbo ou na coluna. Também é importante identificar o termômetro quanto ao tipo imersão para
definir seu uso correto. (Ver item 1.1.5).
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2.1.11. Calibração de TLV’s.
A calibração de TLV’s pode ser feita em pontos fixos de temperatura ou por comparação com um
padrão utilizando um meio térmicos estável.
2.2. Termômetro de Expansão Liquido com Tubo Capilar.
São termômetros que operam a partir da variação da pressão de um liquido dentro um circuito
fechado (volume constante), formado por um bulbo, um tubo capilar e um dispositivo indicador,
quando um liquido expande ou contrai, volumetricamente, devido a variações de temperatura. O
mecanismo indicador mais utilizado para esse fim e o tubo Bourdon para converter as variações da
pressão em movimento de giro de um ponteiro sobre uma escala graduada em temperatura.
As figuras abaixo mostram imagem e diagrama operacional desse tipo de termômetros.
Figura 2.2.1 – Imagens de Termômetros Liquido com Capilar
2.2.1.
Características Construtivas
Termômetros de expansão de liquido com capilar metálico são fabricados em diversos formatos,
com escalas compatíveis com o liquido termométrico utilizado. Como a força mecânica dos tubos
de Bourdon são expressivas, alguns modelos são dotados com chaves elétricas para
acionamentos, ponteiros de arraste para temperaturas máximas e mínimas e outros arranjos
operacionais. Certos modelos possuem recurso para ajuste da temperatura indicada, o que
permite a correção de erros sistemáticos e melhoria da exatidão da medida.
A maioria dos termômetros de expansão de liquido com capilar metálico têm seu circuito de
medição preenchido por líquido termométrico com propriedades físico-químicas adequadas, sendo
muito comum o uso de álcool, tolueno ou mercúrio. A uniformidade diametral do capilar é uma
característica importante para a linearidade e a exatidão do termômetro. O tempo de resposta desses
termômetros são longos, podendo a estabilidade demandar vários minutos.
2.2.2.
Principais Aplicações.
São termômetros adequados para uso em máquinas mecânicas, processos de refrigeração industrial
e ar condicionado, alimentos, áreas de caldeiras e similares. É requisito importante a instalação em
locais de fácil acesso, já que a leitura é sempre local.
As faixas de operação são condicionadas, principalmente, pelo tipo de liquido de enchimento. Assim
termômetros podem ser encontrados para uso entre -38˚C a 500˚C, porém, nunca com cobertura de
toda essa faixa. Termômetros enchidos com os líquidos orgânicos operam entre –100˚C a 200˚C,
com grande amplitude entre -100˚C a 100˚C.
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3. TERMÔMETROS A GÁS
Termômetros a gás são instrumentos que medem temperatura com base nos princípios
termodinâmicos, os mesmos utilizados para definição das temperaturas dos pontos fixos definidores
da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90). Quando projetados para uso industrial e
aplicações similares, mantêm os aspectos construtivos semelhantes aos dos termômetros de
expansão de líquido com tubo capilar, tendo como diferença fundamental o fluido de enchimento, que
deixa de ser um liquido e passa a ser um gás. Quando aplicados nos estudos e pesquisas
termodinâmicos no campo científico e da ciência básica, os instrumentos tomam forma de montagens
complexas, envolvendo muitos componentes.
3.1. Princípio de Funcionamento
Os termômetros à pressão de gás operam como base na lei dos gases ideais (gases perfeitos),
notadamente, a partir das simplificações e considerações propostas por J. A. C. Charles e L. J. GayLussac, cujos estudos demostraram que a pressão de um gás ideal é proporcional à sua temperatura
termodinâmica, desde que o volume de confinamento seja mantido constante. Uma característica
importante é esta lei, para os fins práticos, independe do gás, e a relação é substancialmente linear
ao longo de um amplo intervalo de temperatura. O mesmo não ocorre no caso da expansão térmica
dos líquidos, cujas características variam consideravelmente, tanto em função função da composição
de um líquido, quanto da temperatura.
PV = nRT, onde: P é a pressão do gás; V o volume ocupado; T sua temperatura
termodinâmica; n a quantidade do gás em moles e R a constante universal dos gases, cujos
valores são expressos no quadro abaixo, em diversas unidades de medidas.
Nota: Gás ideal é um gás virtual, com molécula de volume zero, que respeita a constante universal dos gases, matematicamente assim quantificada:
A equação matemática utilizada na termometria, que expressa a lei dos gases ideais, pode ser assim
parametrizada:
P1/T1 = P2/T2 = ... Pn/Tn, onde:
P1; P2; ... ; Pn = são as pressões absolutas do gás;
T1; T2; ... ; Tn = são as temperaturas termodinâmicas (Kelvin) do gás.
Verifica-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura absoluta,
desde que o volume seja mantido constante. Dessa forma, os termômetros de gás que operam por
esse em última análise, manômetros com escalas correlacionadas unidades de temperatura. Mesmo
considerando que os gases reais têm comportamento diferente dos gases ideais, para os quais o
embasamento teórico foi desenvolvido. A baixas pressões, as diferenças são insignificantes e não
afetam os resultados práticos na metrologia e na engenharia.
3.2. Mercado e Aplicações dos Termômetros a Gás.
Na ciência básica os termômetros de gás são aplicados em
medições de cunho científico, como por exemplo, para definição da
temperatura a ser atribuída ao um ponto de transformação de fase
de um metal ou outra substância (ponto fixo). Via de regra, são
montagens laboratoriais complexas, como a mostrada na figura ao
lado, que exigem a interconexão de diversos componentes
discretos, como vidrarias, tubulações e medidores. Estas
montagens se aplicam majoritariamente às medições científicas,
notadamente, quando o objetivo demanda grande exatidão e não
têm cunho prático para as aplicações de engenharia.
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Há no mercado, nacional e internacional, diversos fabricantes de
termômetros a gás, desde modelos muito simples e de baixo custo, até
outros, mais bem elaborados, dotados com capacidade para chaveamento
elétrico e caros. Na engenharia, os termômetros de gás têm virtudes que os
posicionam como melhor opção em certas aplicações, pois operam com
base em princípio físico termodinâmico, são normalmente imunes às
perturbações elétrica e magnéticas, são muito robustos e de simples
operação.
4. TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE SÓLIDOS
São termômetros (e acionadores) são instrumentos que operam a partir da dilatação ou contração
linear (variação do comprimento) dos materiais, normalmente os metais, em função da variação da
temperatura. A equação básica que descreve essa relação é descrita abaixo:
Lt = Lo (1 + α Δ t), onde:
t = temperatura do metal em ºC
t0 = temperatura de referência do metal em ºC (normalmente 0ºC)
L0 = comprimento do metal à temperatura de referência
Lt = comprimento do metal à temperatura t em ºC
α = coeficiente de dilatação linear
Δt = t – t0
Na engenharia esse principio funcional é utilizado em termômetros e acionadores para indicação,
controle e alarmes de temperatura. Na sua forma mais primária, o efeito é aproveitado diretamente na
variação de comprimento de uma barra metálica, que, ancorada em um dos lados, ao dilatar ou
contrair, aciona um disposto mecânico (chave elétrica, ponteiro, etc.) na outra extremidade. Com o
barateamento dos dispositivos eletrônicos, esses acionadores têm perdido mercado, mas podem ser
muito úteis como dispositivos de redundância na instrumentação de processo, já que independem de
alimentação, são imunes a interferências elétrica e magnéticas, são muito robustos e
operacionalmente confiáveis. Dentre as diversas formas de aproveitamento do movimento linear da
dilatação, a que utiliza o diferencial de movimento entre metais com diferentes coeficientes de
dilatação (dispositivos bimetálicos) é a mais utilizada.
4.1. Termômetros Bimetálicos
Baseado no princípio de que dois metais, com diferentes coeficientes de dilatação, dilatam de forma
desigual quando submetidos a variação da temperatura, os termômetros bimetálicos majoritariamente
operam com elementos sensores formados por duas lâminas metálicas, sobrepostas, fixadas entre si
por rebitagem, brasagem ou soldagem, formando uma peça com uma estrutura bimetálica. Essas
estruturas são cortadas e conformadas, tipicamente na forma de um helicoide, para formar artefatos
(elementos) que se movem (dobram ou enrolam) em função da variação da temperatura. Numa forma
de montagem bastante comum, uma das extremidades da estrutura bimetálica (lâmina ou hélice) é
presa a uma estrutura fixa, e a outra, ligada a um dispositivo mecânico que arrasta um ponteiro sobre
uma escala graduada. Como base nesse princípio operacional, além do uso para construção de
termômetros, também são fabricados diversos tipos de chaves elétricas liga-desliga, atuadores
mecânicos em válvulas térmicas, reguladores de temperatura em torneiras, etc.
4.1.1. Metais Utilizados e Formas Construtivas dos Termômetros Bimetálicos
A princípio, quaisquer dois metais com diferentes coeficientes de dilatação podem ser utilizados para
fabricação de termômetros bimetálicos. Não obstante, ligas específicas ganharam preferência e
passaram a ser dominantemente empregadas para essas aplicações. Destaca-se a liga
comercialmente denominada Invar, composta por 64%Fe-36%Ni como metal com baixo coeficiente
de dilatação e o latão, como metal de alto coeficiente de dilatação. Em aplicações em temperaturas
elevadas, metais ligas com grande resistência à temperatura podem ser aplicadas, como níquel ou
ligas de níquel. A tecnologia aplicada para interligação entre os metais para gerar o movimento
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mecânico a partir da dilatação diferencial é um atributo da qualidade e do desempenho do elemento
bimetálico. Algumas técnicas são utilizadas, sendo a brasagem a mais difundida. Também são
encontrados elementos rebitados e soldados, embora a soldagem gere problemas decorrentes da
inserção de um terceiro metal no processo.
Figura 4.1 – Imagens de Termômetros Bimetálicos
Fonte: Internet
4.1.2. Utilização dos Termômetros Bimetálicos
Estes termômetros têm aplicação similar às dos termômetros de vidro, porém, por serem resistentes,
admitem condições de trabalho mais pesados. São utilizados para medir temperaturas na faixa de -50
a 500ºC com precisão de 1 a 2%. O tempo de resposta é lento, dependendo as dimensões e massa
da haste.
4.1.3. Recomendações de Instalação dos Termômetros Bimetálicos
a) Utilizar sempre poço protetor metálico para evitar corrosão, dar proteção mecânica e permitir
manutenção com o processo em operação.
b) Em baixa temperatura a caixa do termômetro bimetálico deve ser hermeticamente selada para
evitar que a penetração da umidade venha a formar gelo, prejudicando os componentes internos
do instrumento.
c) Para evitar erros devido à temperatura ambiente, o bimetálico deve estar completamente imerso
no fluido.
d) A velocidade do fluido deve ser alta a fim de assegurar uma rápida transferência de calor.
4.2. Dispositivos de Dilatação Linear
Alguns dispositivos são projetados para operar apenas com base na dilatação linear de um metal
(barra, lâmina, chapa, etc.) para alcançar um determinado propósito, seja para indicação da
temperatura ou para produzir acionamento mecânico para uma diversificada gama de aplicações.
5. BIBLIOGRAFIA
1. www.Wikipedia.org
2. Quinn, T. J.: Temperature. Academic Press: London, 1990
3. Nicholas, J. V. and White, D. R.: Traceable Temperatures. John Wiley & Sons.: Chichester,
England, 2001.
4. R.P. Benedict (1984) Fundamentals of Temperature, Pressure, and Flow Measurements, 3rd ed
5. BIPM: Techniques for Approximating the International Temperature Scale of 1990. 1990.
6. T.D. McGee (1988) Principles and Methods of Temperature Measurement.
7. Beattie, J.A., Oppenheim, I. (1979). Principles of Thermodynamics, Elsevier Scientific Publishing
Company, Amsterdam..
8. Lieb, E.H., Yngvason, J. (1999). The physics and mathematics of the second law of
thermodynamics, Physics Reports, 314: 1–96, p. 56.
9. BS1041-2.1:1985 Temperature Measurement- Part 2: Expansion thermometers. Section 2.1
Guide to selection and use of liquid-in-glass thermometer.