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AUTOMAÇÃO / Instrumentação
04/08/2008 16:17:36
Instrumentação Básica - Parte 1 - Medição de Temperatura
A medição de temperatura se confunde com o próprio surgimento da Ciência e dos métodos
científicos.
Rogério Souza da Mata
1. Histórico da medição de temperatura
A medição de temperatura se confunde com o próprio surgimento da Ciência e dos métodos
científicos. Há registros de que um homem chamado Herão tenha construído algo parecido com um
termômetro no século II a.C. Registros mais modernos remontam ao século XVI, quando o astrônomo
Galileu Galilei teria idealizado o primeiro termômetro moderno. Mas tudo indica que foi somente a
partir do século XVII que aparelhos mais parecidos com os termômetros atuais tenham realmente
surgido.
O médico italiano Santorre Santoria construiu, em 1611, um termoscópio semelhante ao que já era
conhecido por Filon de Bizâncio, 200 anos antes de Cristo. Outro termômetro à base de líquido foi
construído por Jean Rey, um médico francês, em 1637. Ole Christensen Römer, astrônomo
dinamarquês, propôs seu dispositivo por volta de 1708. Entretanto, o primeiro termômetro de mercúrio
utilizável na Ciência foi construído pelo físico alemão Gabriel Daniel Fahrenheit em 1715.
Em 1742 o astrônomo sueco Anders Celsius propôs a escala centesimal. A partir daí a medição de
temperatura não parou mais de evoluir, movida pela necessidade incessante de medir temperaturas
cada vez mais baixas (ou mais altas) à medida que a sociedade se industrializava cada vez mais.
Atualmente, os modernos transmissores de temperatura usados na indústria são verdadeiros
computadores, que permitem a conexão de vários tipos de sensores, permitem trabalhar com diversas
escalas e possuem inúmeras funções de diagnóstico. Se você (leitor) tem dúvidas sobre a importância
da medição de temperatura na automação, veja a figura 1. Podemos ver por esse gráfico que a
medição de temperatura é a segunda mais usada em controle de processos.
F1 - Variáveis de processo na indústria
1.1Escalas de temperatura
Há diversas escalas de temperatura em uso atualmente mas, para fins científicos e industriais, as três
mais importantes são: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. A unidade básica de temperatura é o kelvin (K).
Um kelvin é rigorosamente definido como os 1/273,16 avos da temperatura do ponto triplo da água (o
ponto onde água, gelo e vapor de água coexistem em equilíbrio).
A escala Celsius é a mais usada no dia-a-dia, enquanto a escala Fahrenheit é muito usada nos EUA.
Outra escala que merece menção é a escala Rankine, assim chamada em homenagem ao engenheiro
e físico escocês William John Macquorn Rankine, que a propôs em 1859.
Assim como o Kelvin, o zero Rankine é o zero absoluto, mas os graus Fahrenheit são utilizados.
Assim, um grau R equivale a um grau F, mas zero grau R vale -459,67 graus F. Na tabela 1 podemos
ver algumas informações sobre essas escalas.
T1 - Pontos de referência de algumas escalas de temperatura mais usadas
T2 – Fórmulas para conversão entre diversas escalas
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Temperatura
2 Tipos de sensores
Veremos a seguir os tipos mais comuns de sensores de temperatura, com e sem contato.
2.1Sensores com contato
Sensores de temperatura com contato medem a sua própria temperatura e pressupõem que os dois
corpos (sensor e objeto medido) estejam em equilíbrio térmico.
Como você já pode imaginar, há muitas fontes de erro, especialmente no caso de medição de
temperatura de superfícies, principalmente em movimento. Quando esse tipo de problema inviabiliza
uma medida de qualidade, o usuário pode apelar para o uso de sensores sem contato. Esse tipo de
sensor é cada vez mais usado nas mais diversas aplicações.
Vejamos a seguir um apanhado geral dos tipos mais comuns de sensores de temperatura por contato.
Termopares: estão entre os mais usados, com uma ampla gama de aplicações. São baseados no
efeito Peltier-Seebeck, ou efeito Termoelétrico, que ocorre quando dois metais diferentes formam uma
junção. Essa junção produz uma tensão relacionada com a diferença de temperatura entre essa
junção e uma outra junção de referência. Os termopares são classificados por letras (B, C, J, K, etc.)
de acordo com o material da junção e com a faixa de temperatura de uso. Por exemplo, um termopar
do tipo K, feito de Cromel (+) e Alumel (-), opera em uma faixa de 95 a 1260 oC. Há diversos cuidados
a serem tomados com os termopares, entre os quais, usar cabos especiais, verificar cuidadosamente
as conexões, proteger o sensor contra interferências eletromagnéticas, etc (figura 2).
F2 - Termopar
Termistores: são componentes de estado sólido feitos de materiais sintéticos especiais, cuja
resistência varia com a temperatura de uma forma bastante comportada e reprodutível. Há dois tipos
básicos: se a resistência aumenta com o aumento da temperatura, é do tipo PTC (Positive
Temperature Coefficient). Se a resistência diminui com o aumento da temperatura, é do tipo NTC
(Negative Temperature Coefficient). Para medir a temperatura com um termistor é preciso que uma
pequena corrente contínua circule por ele. A queda de tensão sobre o termistor será então uma função
da temperatura. Os termistores são muito usados em termômetros digitais caseiros, sendo revestidos
com uma proteção plástica ou metálica (figura 3).
F3- Termistores comerciais
Termômetros à base de líquido ou gases: são os mais comumente usados para medir a
temperatura ambiente (do ar), a temperatura do corpo ou a temperatura em um forno de padaria. São
feitos com um bulbo cheio de mercúrio, álcool colorido (figura 4) ou mesmo algum gás. O bulbo se
prolonga através de um capilar, graduado com uma escala usualmente em Celsius ou Fahrenheit. Ao
usar esse tipo de termômetro para medir temperatura ambiente, é importante mantê-lo protegido da luz
e de correntes de ar que podem falsear a medida. O funcionamento desse tipo de sensor se baseia na
dilatação do líquido ou do gás com o aumento da temperatura.
F4- Exemplos de termômetros usando líquidos
RTD (Resistance Temperature Detector): são os sensores baseados no princípio da mudança de
resistividade dos metais puros com a variação da temperatura. Estão entre os sensores mais simples
de usar e ao mesmo tempo mais precisos. Sua característica mais marcante é sua resposta
praticamente linear do coeficiente positivo de variação (a). Os metais tipicamente incluem Níquel (Ni) e
Cobre (Cu), mas os de Platina (Pt) são os mais utilizados graças à sua precisão, estabilidade e faixa
de operação. O popular sensor de temperatura PT100 é um RTD de Platina, cuja resistência nominal a
0 oC é de 100 W, variando cerca de a=0,385% por °C. Há também o PT1000 cuja resistência nominal
é de 1 kW. Para medir temperatura com um PT100 é preciso usar um circuito eletrônico para medir a
variação na sua resistência, usualmente uma ponte de resistências. Esse tipo de sensor também é
bastante emprado nos medidores digitais em geral, seja para termômetros clínicos, seja para
medidores industriais ou comerciais, como aqueles utilizados em câmaras frigoríficas ou balcões
resfriados de supermercados (figura 5).
F5- Esquema construtivo de um RTD comercial
Termômetros bimetálicos: os populares termostatos bimetálicos, baseados na diferença entre os
coeficientes de dilatação de metais diferentes. Como os metais vão se dilatar causando diferença no
seu comprimento, é possível controlar um contato elétrico do tipo liga-desliga. Os populares piscapiscas natalinos usam muito esse tipo de dispositivo. Quando a junção metálica está fria, os metais
estão encostados um ao outro. A corrente elétrica que passa pela junção metálica acende as
lâmpadas e ao mesmo tempo aquece a junção. À medida que ela esquenta, os metais se dilatam até
abrirem o contato (figura 6). Ao abrir o contato, a corrente elétrica é interrompida, fazendo com que as
lâmpadas se apaguem. Ao mesmo tempo, sem corrente elétrica, os metais esfriam, tornando a
encostarem e recomeçando o ciclo esquenta (aceso), esfria (apagado).
F6- Esquema de termostato bimetálico
Semicondutores: um diodo de silício (junção PN) polarizado reversamente apresenta uma tensão
proporcional à temperatura da sua junção. Nos equipamentos eletrônicos, inclusive industriais, é muito
comum usar uma junção PN polarizada reversamente para medir a temperatura ambiente. Entretanto,
os modernos sensores de temperatura baseados em semicondutor são fornecidos na forma de um
circuito integrado. Muitas vezes eles incluem funções que os tornam verdadeiros termômetros digitais
em uma única pastilha. Podem oferecer grande precisão e estabilidade, mas a faixa de temperatura é
bastante limitada, variando de –50 a + 300 oC.
F7 - Termômetro semicondutor
Tintas e outros materiais sensíveis à temperatura: Como podemos ter uma indicação simples sobre
a variação de temperatura de um objeto? Se quisermos saber apenas a ordem de grandeza da
temperatura, ao redor da temperatura ambiente, temos que usar um termopar ou um RTD? Não.
Atualmente há diversos materiais sensíveis à temperatura que podem ser usados na fabricação de
etiquetas ou serem utilizados para revestir dispositivos simples. Imagine uma etiqueta colada em um
pacote de carne congelada. Essa etiqueta pode indicar, através da mudança de cor de verde para
vermelho, se a temperatura durante o transporte ou a conservação da carne ultrapassou um certo
limite máximo permitido.
2.2 Sensores sem contato
Há muitas utilizações para os sensores de temperatura sem contato, especialmente onde os sensores
com contato não podem ser usados ou não são adequados. Entretanto, ainda há pouco conhecimento
sobre seu princípio de funcionamento e suas aplicações. Esse tipo de sensor é baseado na emissão
espectral de energia dos corpos.
Cada corpo radia energia em uma determinada faixa do espectro. Algumas faixas representam energia
térmica que pode ser medida e analisada. Apesar da indústria ainda não ter padronizado amplamente
o uso desse tipo de medidor, vemos um crescimento contínuo de aplicações empregando tanto análise
de imagens térmicas quanto medição pontual de temperatura.
A análise de imagens térmicas corresponde a tirar uma “foto”, capturando o espectro de energia
térmica do corpo (objeto). Pode-se observar que partes com temperaturas diferentes aparecem em
cores diferentes (figura 8).
F8 - Espectro de energia
Outro tipo de equipamento usa feixes de laser para medir a temperatura em um único ponto, não
usando portanto a imagem do objeto medido. Todos os sensores que medem a temperatura à
distância, isto é, sem contato, usam uma lei da Física baseada nos estudos do físico alemão Max
Planck: a lei da emissão de radiação térmica. O corpo humano possui uma temperatura ao redor de
310 kelvin (36,85 oC) e emite radiação no infravermelho longo. Vejamos a seguir os principais tipos de
sensores que usam esse princípio.
Termômetros de radiação: incluem os pirômetros, as câmeras de imagens térmicas (que podem
medir temperatura ou não), os termômetros infravermelhos e os scanners térmicos. Todos são
baseados nas leis de Planck e, em geral, medem apenas uma faixa estreita do espectro de energia,
geralmente ao redor do infravermelho. Recentemente, a comunidade médica padronizou e adotou um
tipo de termômetro que usa infravermelho para medir a temperatura do corpo humano a partir do
ouvido. Uma pequena sonda (ponta do termômetro) é encostada no ouvido e mede a radiação
infravermelha emitida. Esse ponto fornece uma medida bastante confiável da temperatura corporal.
F9 - Imagem térmica do corpo humano
Geradores de imagens térmicas: esses equipamentos basicamente medem a temperatura do objetoalvo, formando uma imagem bidimensional numa única faixa do espectro. A partir dessa imagem
bidimensional eles produzem uma imagem colorida cujas cores não estão relacionadas ao espectro de
emissão do objeto mas, sim, a uma escala de temperatura definida pelo equipamento. Esse tipo de
imagem pode ser então analisada visualmente e tem sido muito utilizada na medicina e na engenharia
de manutenção. Com uma imagem semelhante à da figura 9, um médico pode identificar problemas
clínicos. Da mesma forma, um engenheiro mecânico, ao analisar a imagem térmica de uma máquina,
pode identificar áreas que estão sofrendo aquecimento excessivo e portanto necessitam de
manutenção preventiva. Da mesma forma, um engenheiro eletricista poderia analisar a imagem
térmica de uma subestação distribuidora de energia, ou de um transformador, e encontrar pontos
quentes com potencial de gerar problemas futuros (figura 10).
F10 - Uso de imagens térmicas em manutenção
Termômetros de razão espectral: esse tipo de termômetro mede a radiação térmica em duas faixas
do espectro e calcula uma razão entre as duas faixas de emissão.
Pirômetro óptico: esse é um velho conhecido das aplicações industriais e comerciais que tem sido
constantemente aperfeiçoado. Seu princípio de funcionamento também é baseado na emissão de
energia térmica pelos corpos. Ele mede a radiação infravermelha cuja intensidade é uma função da
temperatura do corpo medido. Os circuitos internos do pirômetro basicamente trabalham como o olho
humano (figura 11), comparando a cor do objeto medido (na verdade o comprimento de onda da
radiação captada) com a cor de um filamento interno ao equipamento, cuja temperatura é conhecida. A
partir dessa comparação o aparelho fornece a temperatura. A energia emitida pode ser calculada
através da relação de Stefan-Boltzmann, também conhecida como lei da quarta potência:
W = kTo4
onde:
W = energia radiante emitida de um corpo negro por unidade de área.
k = constante de Stefan-Boltzmann.
To = temperatura absoluta.
Esta equação só é válida para corpos negros (radiadores ideais) e radiações térmicas.
F11 – Mecanismo de funcionamento e exemplo de pirômetro óptico
Sensor de temperatura com fibra óptica: esse tipo de sensor é, na verdade, um dispositivo auxiliar
dos termômetros de radiação. Um sensor de captação é colocado na ponta de uma fibra e aproximado
do objeto ou corpo em que se deseja medir a temperatura. Esse sensor, juntamente com a fibra,
captam e transportam a radiação até o elemento sensor propriamente dito do termômetro de radiação.
3. Automação industrial e medição de temperatura
Há atualmente uma grande diversidade de equipamentos no mercado. Normalmente os transmissores
permitem a conexão de sensores de temperatura de vários tipos, tais como termopar, RTD,
semicondutores dentre outros. Para as aplicações em automação industrial podemos observar
normalmente três linhas de transmissores (figura 12):
Transmissores à prova de explosão e à prova de tempo: normalmente utilizados em aplicações
críticas, com alta e média performance, possuem carcaça com duplo compartimento, separando
eletrônica e sensores, dando robustez, segurança e confiabilidade. Possuem indicação local,
autodiagnose, comunicação digital, ajuste local e são empregados com os mais diversos sensores em
medições simples, dupla, diferencial, sensor backup, entre outros.
Transmissores para painel, montagem em trilho DIN: é uma boa escolha quando o objetivo
principal é apenas a monitoração, permitindo fácil instalação. Há inúmeras opções para ambientes
fechados e conexões com sensores. Têm alta flexibilidade de instalação e manutenção, dando
segurança e confiabilidade. Possuem autodiagnose, verificação de sensor, comunicação digital e são
utilizados com os mais diversos sensores em medições simples, dupla, máxima, mínima, média e
diferencial, dentre outras.
Transmissores para montagem em cabeçote (poço): é a primeira escolha quando o foco principal é
a montagem em cabeçotes com baixo custo, permitindo fácil instalação e conexões com sensores
imersos no processo.
Em termos de protocolos de comunicação, como com qualquer outro equipamento de campo moderno,
o predomínio no mercado é por protocolos abertos como o 4-20 mA+HART, Foundation Fieldbus e
Profibus PA.
F12 - Exemplo de transmissores industriais de temperatura
Na figura 13 podemos ver com mais detalhes um diagrama de blocos para um transmissor de
temperatura genérico. Podemos observar a conexão à esquerda, permitindo a ligação de vários
sensores de 2 fios ou um sensor a 3 ou 4 fios. Há um estágio de condicionamento e filtragem do sinal,
bem como conversão A/D de alta resolução: 16 a 24 bits. O sinal digital é então isolado e tratado pela
CPU, que pode calcular a temperatura em várias escalas, compensar ruídos, verificar a qualidade do
sinal dentre outras características. O valor da temperatura é enviado ao sistema de controle e
supervisão através de um sinal analógico (4-20mA), digital (Fieldbus) ou via rádio (wireless).
F13 - Diagrama de blocos de um transmissor industrial de temperatura
Os transmissores de temperatura modernos possuem normalmente as seguintes características:
Entrada universal com ampla escolha de sensores: RTDs, Termopares, Resistências, mV e Sensores
Especiais.
Medição simples ou diferencial: 2 , 3 ou 4 fios
Isolação do campo para o sistema de controle através de acopladores ópticos ou similares.
Compensação de junta fria para termopares.
Compensação de resistência de linha para RTDs, PTCs, NTCs e outros sensores resistivos.
Linearização de sensores, com tabelas definidas pelo usuário.
Pelo menos 0,02% de precisão básica.
Configuração de escalas e faixas de trabalho.
Bloco PID e gerador de set-point.
Detecção de Burn-out (falha no sensor).
Display rotativo.
À prova de explosão e tempo e/ou intrinsecamente Seguro.
Alta imunidade a EMI e RF.
Carcaça com duplo compartimento
Baixo custo de manutenção
Autodiagnóstico remoto.
Somente um modelo de sobressalente para estoque: um único transmissor para qualquer aplicação e
ampla faixa e tipo de sensores.
Baixo custo de instalação.
Configuração remota ou local e fácil calibração.
Redução dos custos de produção.
Redução do tempo de paradas.
Redução da variabilidade dos processos: economia de matéria-prima e melhor qualidade final do
produto devido à alta exatidão e estabilidade.
Máximas e mínimas ao redor do mundo
África
Al'Aziziyah, Líbia, 57,7 oC, 13 de Setembro de 1922.
Ifrane, Marrocos -23,9 oC, 11 de Fevereiro de 1935.
Antártida
Hope Bay, 14,6 oC, 5 de Janeiro de 1974.
Vostock I, -89,2 oC 21 de Julho de 1983.
Ásia
Tirat Tsvi, Israel, 53,9 oC, 21 de Junho de 1942.
Verkhoyansk, Sibéria, -69,8 oC, 7 de Fevereiro de 1892.
Austrália
Oodnadatta, 50,7 oC, 2 de Janeiro de 1960.
Charlotte Pass, -23,0 oC, 29 de Junho de 1994.
Europa
Sevilha, Espanha, 50,0 oC, 4 de Agosto de 1881.
Ust-Shchugor, Rússia, -55,0 oC (sem data disponível)
América do Norte
Death Valley, USA, 56,7 oC, 10 de Julho de 1913.
Snag, Canadá, -63,0 oC, 3 de Fevereiro de 1947.
América do Sul
Rivadavia, Argentina, 48,9 oC, 11 de Dezembro de 1905.
Sarmiento, Argentina, -33,0 oC, 1 de Junho de 1907.
4.Aplicações de medição de temperatura
Como garantir que a temperatura em todos os corredores de um Shopping Center estará adequada
para os visitantes? Distribuindo sensores de temperatura para cada ponto desejado. Esses sensores
serão conectados a um sistema central que vai controlar o fluxo e a temperatura do ar para cada ponto
desejado: corredor, loja etc. A supervisão e o controle de temperatura estão presentes nas mais
diversas aplicações, desde automação industrial, automação rural (chocadeiras em uma granja) até as
mais complexas plantas químicas e nucleares.
4.1Processos industriais em geral
Imagine quantos pontos de medição de temperatura devem existir na usina nuclear de Angra dos Reis,
no Rio de Janeiro (figura 14). A supervisão e o controle de temperatura estão por toda parte. Diversos
tipos de sensores com e (sem contato) são usados, desde um simples termômetro de parede até uma
câmera ou scanner térmico para análises mais sofisticadas das imagens dos equipamentos.
F14 - A medição de temperatura está por toda a planta
4.2Controle de temperatura
Vejamos na figura 15 um exemplo de controle de temperatura de produto em tanque usando vapor.
Esse tipo de controle é bastante comum em diversos segmentos da indústria. O vapor entra e é
separado do condensado através de um separador especial. Uma válvula de controle varia a
quantidade de vapor que é injetada no tanque, de acordo com a temperatura lida pelo sensor imerso
no produto. Uma malha PID simples pode manter a temperatura do produto estável para uma ampla
faixa de temperaturas e vazões do produto.
F15 - Exemplo de controle de temperatura de tanque, com sensor imerso
5.Conclusão
Ao especificar um transmissor de temperatura é fundamental optar pelo modelo mais adequado, seja
ele de campo, painel ou de cabeçote. Na figura 16 podemos ver algumas dicas sobre quando usar
cada uma dos tipos:
F16 - Comparação entre transmissores de campo, painel e cabeçote
5.1.Escolhendo o sensor de temperatura
Escolher um sensor de temperatura pode ser uma tarefa difícil, algumas vezes cheia de detalhes a
serem observados, mas que deve ser feita com muito cuidado para que o resultado final seja obtido
com sucesso. A principal característica a ser observada é se o sensor escolhido oferecerá medidas
com a desejada precisão e repetitividade. Então, a primeira coisa a saber antes de ir para a escolha do
sensor é qual a precisão desejada. Em seguida, qual a faixa de temperatura em que o sensor deverá
trabalhar? Em que condições a medição será feita: o sensor ficará em contato, ficará imerso, o objeto
é inacessível? Qual a freqüência da medição: contínua, esporádica? Que equipamento será usado em
conjunto com o sensor? Responder corretamente a essas simples perguntas certamente vai auxiliar na
escolha do dispositivo mais adequado.
* O engenheiro Rogério Souza da Mata trabalha na Divisão de Desenvolvimento Eletrônico da Smar
Equipamentos Industriais
*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Ano 4 - N°28 - Jun/Jul/06
Extraído do Portal Mecatrônica Atual - Todos os direitos reservados - www.mecatronicaatual.com.br