Helder Anibal Hermini
CONCEITOS BÁSICOS
Temperatura
Calor
Grandeza física relacionada com
o grau de vibração dos átomos
e/ou moléculas que constituem o
corpo.
Energia térmica em trânsito de um
corpo de maior temperatura para
um corpo de menor temperatura.
AS PRIMEIRAS MEDIÇÕES DE TEMPERATURA
As
primeiras
medições
de
temperatura
registradas
que
se
tem
conhecimento, foram realizadas por GALILEU,
a partir de um termoscópio, termômetro cujo
princípio físico era a expansão do ar; na
ocasião, sua “escala” estava dividida em
“graus de calor”, segundo seus registros.
PRINCÍPIO DE CONSTRUÇÃO
DE UM TERMÔMETRO
PRINCÍPIO DE CONSTRUÇÃO DE UM
TERMÔMETRO
1o PASSO:
Escolher
uma
propriedade
termométrica (sistema sensor)
compatível ao sistema a ser
medido.
2o PASSO:
Definir
uma
Temperatura”
“Escala
de
ERRO ESTÁTICO/ERRO
DINÂMICO/CONSTANTE DE TEMPO
O erro estático é a diferença entre a
leitura do sistema em uso em comparação
com um padrão (ou seja, valor verdadeiro).
Esse erro depende do tipo de sensor,
cabos, sistema de leitura (analógico, digital,
osciloscópio, registrador).
ERRO ESTÁTICO/ERRO
DINÂMICO/CONSTANTE DE TEMPO
Quando a temperatura
está variando rapidamente
num processo industrial, por
exemplo, o sistema de
medição
poderá
não
conseguir acompanhar esta
variação (principalmente pela
inércia térmica do sensor).
T
E
M
P
E
R
A
T
U
R
A
Temperatura
correta
Temperatura
lida pelo
sistema
Tempo
ERRO ESTÁTICO/ERRO
DINÂMICO/CONSTANTE DE TEMPO
Mesmo quando se realiza
uma
medida
estática
de
temperatura deve-se ter cuidado
com a resposta do sensor, uma vez
que ele leva um certo tempo para
chegar a esse valor máximo. O
tempo necessário para o sensor
chegar a aproximadamente 63 % do
valor máximo é chamado de
constante de tempo, e a partir
desse valor (geralmente fornecido
pelo fabricante), é possível saber
quanto se deve esperar para
chegar ao valor máximo.
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
Tmax.
63% de Tmax.

Tempo
 (constante de tempo)
TIPOS DE TERMÔMETROS
TERMÔMETRO BIMETÁLICO
Este
tipo
de
termômetro está baseado
na dilatação de metais;
como diferentes metais
possuem
diferentes
coeficientes de dilatação,
se esses metais estiverem
dispostos
em
lâminas
conjuntas,
a
dilatação
diferenciada irá curvar
esse conjunto de lâminas.
A
B
Fig. 1 - Dilatação de dois metais com
diferentes coeficientes de dilatação (A e
B); o resultado é uma flexão lateral do
conjunto de lâminas, que tem um
ponteiro acoplado. A leitura é feita
diretamente numa escala acoplada.
TERMÔMETRO BIMETÁLICO
O raio de curvatura é dado por:

2t
3 A  B T2  T1 
onde:
t
= espessura total da placa
A e B
= coeficientes de dilatação
T2 -T1
= variação de temperatura
A
B
A combinação desta equação com relações apropriadas
da resistência dos materiais permite o cálculo de deflexões de
vários tipos de elementos em uso prático.
TERMÔMETRO BIMETÁLICO
Aplicação
• Medidas de temperatura.
• Elemento sensor de controle de temperatura,
principalmente do tipo liga-desliga.
• Sistema de chaveamento para desligar o sistema em
casos de sobrecarga em aparelhos elétricos
Ao fluir a corrente elétrica pelo bimetal há seu
aquecimento e expansão, provocando a abertura da
chave quando há uma corrente excessiva).
TERMÔMETRO BIMETÁLICO
Aplicação
•Intervalo de temperatura de trabalho
O intervalo de temperatura de trabalho é de -100oC a
1000oF.
•Grau de precisão de medida
Imprecisões da ordem de 0,5 a 1% do intervalo de escala
devem ser esperados em termômetros bimetálicos de alta
qualidade.
TERMÔMETROS DE LÍQUIDO EM VIDRO
Aspectos Gerais
•É adaptável a uma grande variedade de
aplicações, variando-se o material de
construção e/ou sua configuração, ou seja:
TERMÔMETROS DE LÍQUIDO EM VIDRO
Aspectos Gerais
•Os termômetros são de dois tipos:
•Imersão Total - São calibrados para leitura
correta quando a coluna de líquido está imersa
completamente no fluído medido.
•Imersão Parcial - São calibrados para leitura
correta quando imersos numa quantidade
definida com a porção exposta numa
temperatura definida.
TERMÔMETROS DE PRESSÃO
ASPECTOS GERAIS
Estes termômetros utilizam o
princípio de expansão dos líquidos em
espaço confinado para produzir pressão a
ser utilizada para operar um tubo de
Bourdon, fole ou diafragma mostrando a
temperatura de atuação.
TERMÔMETROS DE PRESSÃO
Classificação
Termômetros
de
pressão
classificados em 4 grupos:
podem
ser
•Classe 1 - Sistemas cheios com líquidos (excluindo mercúrio)
•Classe 2 - Sistemas com vapor
•Classe 3 - Sistemas cheios de gás
•Classe 4 - Sistemas cheios com mercúrio
TERMÔMETROS DE PRESSÃO
Classificação
Em todos os sistemas são possíveis fontes
de erros:
•Submersão incorreta
•Mudanças na pressão barométrica
•Mudanças na temperatura ambiental
TERMÔMETRO A GÁS A VOLUME CONSTANTE
O termômetro a gás volume constante,
obtém-se
a
temperatura
em
função
da
pressão Pg no ponto do gelo e da pressão Pv
no ponto de vapor, resultando uma equação
LINEAR
semelhante
á
equação
dos
termômetros líquidos, só que em termos da
pressão versus temperatura.
TERMOELETRICIDADE
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES
Em 1821, o físico alemão Thomas Johann
Seebeck observou que, unindo as extremidades de
dois metais diferentes “x” e “y” e submetendo as
junções “a” e “b” a temperaturas diferentes T1 e T2,
surge uma f.e.m. (força eletromotriz, normalmente
da ordem de mV) entre os pontos a e b, denominada
“tensão termoelétrica”.
x
T2=T. ambiente
“b”
T1
“a”
i
y
Figura 2 - Experimento de Seebeck
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES
x
x
T2=T. ambiente
“b”
T1
“a”
i
“a”
x
T2=T. ambiente
“b”
T1
y
i
Figura 2 - Dois metais
diferentes, “x” e “y” com as
extremidades
unidas
e
mantidas a temperaturas
diferentes
y
Figura 3 - Abrindo o
circuito em qualquer ponto e
inserindo um instrumento
adequado, tem-se o valor da
f.e.m.
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES
Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck".
Em outras palavras, ao se conectar dois metais
diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado na
Figura 1, tem-se um circuito tal que, se as junções “a” e
“b” forem mantidas em temperaturas diferentes T1 e T2,
surgirá uma f.e.m. termoelétrica e uma corrente elétrica
“i” circulará pelo chamado "par termoelétrico” ou
"termopar". Qualquer ponto deste circuito poderá ser
aberto e nele inserido o instrumento para medir a f.e.m.
(Figura 3).
Em 1826, o físico francês Antonie Becquerel
sugeriu pela primeira vez a utilização do efeito Seebeck
para medição de temperatura.
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS
a
1
Lei Termoelétrica
“A força eletromotriz "" de um termopar
depende somente da natureza dos
condutores e da diferença de temperatura
entre as junções de contato”.
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS
Algumas conseqüências importantes da 1a Lei
a) Se as junções estiverem a mesma
temperatura, a f.e.m. gerada pelo termopar é
nula.
b) A f.e.m. gerada pelo termopar independe do
ponto escolhido para medir o sinal. Por isso,
ao confeccionar o termopar, numa das
junções
não
é
realizada
a
solda,
introduzindo-se alí o instrumento.
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS
Algumas conseqüências importantes da 1a Lei
c) A f.e.m. do termopar não será afetada
se em qualquer ponto do circuito for
inserido um terceiro metal, desde que
suas junções sejam mantidas a mesma
temperatura. Esta propriedade é
chamada, por alguns autores, de "Lei
dos Metais Intermediários”.
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS
a
2
Lei Termoelétrica
(Lei das Temperaturas Intermediárias)
“Se dois metais homogêneos diferentes
produzem uma f.e.m. E1 quando as
junções estão às temperaturas T1 e T2, e
uma f.e.m. E2, quando as junções estão a
T2 e T3, a f.e.m. gerada quando as junções
estão a T1 e T3 será E1 + E2”.
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E
MEDIÇÕES DE F.E.M.
A Figura mostra um termopar usado para medir a
temperatura T1; o instrumento indicara uma voltagem proporcional
a diferença (T1 - T2 ) .T2 pode ser medida com um termômetro
convencional.

a
x
T2 b
T1
Cu
RT
Rv
Cu
y
Figura 4 - Circuito equivalente, Rv é a resistência interna do
voltímetro. RT é a resistência dos fios do termopar acrescido dos
fios que levam o sinal ao instrumento.
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E
MEDIÇÕES DE F.E.M.

a
T1
x
T2 b
Cu
Rr
Rv
Cu
y
Analisando o circuito elétrico, pode-se
notar que o voltímetro somente irá informar a
f.e.m. () se Rv >> RT. Desta forma, a escolha do
instrumento adequado, requer um grande
cuidado!
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES – POTENCIA TERMOELÉTRICA
Ao se medir a f.e.m. termoelétrica de um par termoelétrico em função
da temperatura, obtém-se, em geral, uma relação do tipo mostrado no gráfico
da figura 5. A curva mostrada no gráfico é denominada de curva de calibração
do par termoelétrico.
A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura, normalmente,
não é linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada
como se o fosse (veja a reta 1 da Figura 5).
Figura 5 - Curva de calibração de um par termoelétrico
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES – POTENCIA TERMOELÉTRICA
A partir do gráfico pode-se definir uma grandeza
denominada de potência termoelétrica do termopar, dada por:
P = d/dT
ou para um intervalo de temperatura
P = /T
A potência termoelétrica representa a sensibilidade de
resposta (e) do par termoelétrico com a variação de
temperatura (T).
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES – FIOS DE COMPENSAÇÃO
x
T1
Termopar
T3
T2
Fios de compensação
y
Figura 6 - Termopar com fios de compensação
Na maioria dos casos, sobretudo em aplicações industriais, o
instrumento de medida e o termopar necessitam estar
relativamente afastados. Desta forma, os terminais do termopar
poderão ser conectados a uma espécie de cabeçote, e, a partir
deste cabeçote são adaptados fios de compensação
(praticamente com as mesmas características dos fios do
termopar, porém mais baratos) até o instrumento, conforme
mostra a Figuras 6.
TERMOELETRICIDADE
TERMOPARES – FIOS DE COMPENSAÇÃO
x
T1
Termopar
T3
T2
Fios de compensação
y
Na montagem apresentada na Figura 6, o sinal lido no
instrumento é proporcional a (T1 - T3), já que os fios de
compensação possuem as mesmas características do
termopar (é como se existisse um único termopar).
Note que, se os fios fossem de cobre (fios comuns) o
sinal lido pelo instrumento seria proporcional a (T1 T2).
TERMOELETRICIDADE
ALGUNS TIPOS DE TERMOPARES
Figura 7 - Diversos termopares com
finalidades aplicativas diferentes.
Figura 8 - Terminais para termopares conexão com cabos de compensação.
Figura 9 - Termopares com proteção
diversa (bainha de inox, tubo de inox).
Figura 10 - Termopar especial com
base magnética para fixação em
dispositivos metálicos.
TERMOELETRICIDADE
ALGUNS TIPOS DE TERMOPARES
Figura 11 - Termopar com indicador
digital de temperatura.
Figura 12 - Termopar com dispositivo
especial para fixação com parafuso.
Figura 13 - Termopar com sistema “auto-adesivo”, evitando
necessidade de solda ou operação mecânica (furos,..).
TERMOELETRICIDADE
O EFEITO PELTIER
Em 1834, Jean Peltier, mostrou, através
de experimentos, que quando se passa uma
pequena corrente elétrica através da junção
de dois fios diferentes, em uma direção, a
junção se resfria, e assim absorve calor de
sua vizinhança. Quando a direção de
corrente é invertida, a junção se aquece. E
assim libera calor para a vizinhança.
TERMOELETRICIDADE
O EFEITO PELTIER
Quando se introduz um gerador
em um circuito formado por um par
termoelétrico
com
ambas
extremidades unidas e à mesma
temperatura inicial, ao circular uma
corrente elétrica "I" pelo circuito,
observa-se que em uma das junções
ocorre um resfriamento T, enquanto
na outra junção ocorre um
aquecimento de mesmo valor. Ao se
inverter o sentido da corrente elétrica
inverte-se também o efeito de
aquecimento e resfriamento nas
junções.
TERMOELETRICIDADE
UMA APLICAÇÃO DO EFEITO PELTIER – COOLER DE
MICROPROCESSADORES
O efeito Peltier pode ser descrito como uma espécie de
"bomba de calor", que "sulga" calor de um dos lados, e o
dissipa do lado oposto. Isto significa que temos um lado frio
e um lado quente.
O lado frio, é o que sulga o calor, que naturalmente é
o que ficará e contato com o processador, enquanto o lado
quente em geral é fixado a um cooler convencional, que
ajuda a dissipar o calor gerado, evitando que o peltier se
superaqueça. Como o peltier deve cobrir toda a área de
contato do processador, existem peltiers de vários
tamanhos.
TERMOELETRICIDADE
UMA APLICAÇÃO DO EFEITO PELTIER – COOLER DE
MICROPROCESSADORES
Os peltiers são bem mais eficientes que os coolers convencionais, mas
naturalmente possuem suas desvantagens.
1.Consomem uma quantidade absurda de eletricidade. Os modelos mais
"econômicos" consomem por volta de 70 watts;
2.Peltiers geram uma grande quantidade de calor durante seu
funcionamento, que somado com o calor "sugado" é dissipado pela face
quente. Apesar do processador ficar mais frio, a quantidade de calor
irradiada para o restante do micro será maior.
3.Condensa umidade devido ao processador demorar um certo tempo para
esquentar e o Peltier começar a trabalhar imediatamente. Portanto, a sua
face fria fica realmente gelada até que o processador esquente, causando um
grande acumulo de umidade ou até mesmo “água em estado liquido”.
TERMOELETRICIDADE
TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA
Os “termômetros de
resistência”
funcionam
baseados no fato de que a
resistência de uma grande
gama de materiais varia com
a temperatura; de um modo
geral, os metais aumentam a
resistência
com
a
temperatura, ao passo que
os
semicondutores
diminuem a resistência com
a temperatura.
Fig. 2 - Variação da resistência com a
temperatura
para
vários
materiais;
observe-se que para uma mesma
variação de temperatura, a variação de
resistência
do
metal
(Rm)
é
significativamente menor do que a no
NTC (Rs).
TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA
•Os termômetros de resistência são considerados
sensores de alta precisão e ótima repetibilidade
de leitura;
•Quando metais são usados, o elemento sensor é
normalmente confeccionado de Platina com o
mais alto grau de pureza e encapsulados em
bulbos de cerâmica ou vidro.
TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA
•
Atualmente, as termoresistências de Platina mais
usuais são:
•
•
•
•
Pt-25,5
PT-100
PT-120,
PT-130/PT-500,
sendo que o mais conhecido e usado industrialmente é o
PT-100 (a 0C). Sua faixa de uso vai de -200 a 650 C,
conforme a norma ASTM E1137; entretanto, a norma DIN
IEC 751 padronizou sua faixa de -200 a 850 C.
TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA
ASPECTOS CONSTRUTIVOS
Normalmente, o bulbo de resistência é
montado em uma bainha de aço inox,
totalmente preenchida com óxido de
magnésio, de tal maneira que haja uma ótima
condução térmica e proteção do bulbo com
relação a choques mecânicos. A isolação
elétrica entre o bulbo e a bainha obedece a
mesma norma ASTM E 1137.
TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA
Para
pequenas
variações
de
temperatura a serem medidas é válida a
equação
RT = Ro[1 + (T-To)]
onde
•Ro é a resistência a 0 C,
•RT é a resistência na temperatura T e
• é o coeficiente de temperatura do metal.
TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA
• A leitura da resistência é feita diretamente num
ohmímetro, de preferência digital.
• Os
principais
metais
usados
nestes
termoresistores são a Platina (Pt) e o níquel (Ni);
uma das famílias mais famosas é a do Pt100; este
número indica que o resistor tem 10  a 0 C.
Também os semicondutores podem ser usados
como sensores de temperatura: são os sensores
do tipo PTC e NTC.