01-02 AUTOMACAO E CONTROLE - Nivel - Temperatura

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Transmissor – Evolução 
Motivação 
• Exigências dos usuários por melhor desempenho e custo reduzido. 
• Desenvolvimentos que ocorreram nas tecnologias adjacentes, 
microeletrônica, ciência dos materiais e tecnologias de comunicação. 
 
Microprocessamento → Tornaram os transmissores: 
• Baixo Custo; 
• Pequenos; 
• Facilidade de Manutenção (Self-test); Inteligentes. 
 
Transmissores SMART 
Microprocessamento – Capacidade Fundamental 
• Permitiu a inclusão/associação de circuitos adicionais de I/O e outros 
periféricos para formar um controlador, conceitualmente equivalente a um 
computador digital dentro do instrumento. Não mais apenas transmito, posso 
controlar. 
 
Transmissores Inteligentes – SMART: 
• Possuem um pequeno computador em seu interior que geralmente lhe dá a 
habilidade de fazer, entre várias outras, duas coisas principais: 
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o Modificar sua saída para compensar os efeitos de erros; 
o Comunicar (enviar dados e ser interrogado) com outros dispositivos. 
 
• Armazenam a informação referente ao transmissor em si (seus dados de 
aplicação e sua localização) e gerenciam um sistema de comunicação que 
possibilite uma comunicação de duas vias – Transmissão e Recepção de 
Dados. 
 
Modelos Atuais 
 
 
Diagrama de Blocos 
 
 
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2.3. Sensores Industriais 
 
Transdutor industrial que converte a energia da grandeza física em um sinal 
elétrico a ser transmitido pelo transmissor. 
 
Principais grandezas: 
• Temperatura; 
• Pressão; 
• Nível; 
• Vazão; 
• Presença; 
• Velocidade; 
• Tensão e Corrente Elétrica; 
 
2.3.1 Caracterísitcas 
a. Faixa de Medida ou RANGE 
Faixa ou conjunto de valores da variável medida/controlada que estão 
compreendidos dentro dos limites superior e inferior de capacidade de medição. É 
um valor expresso do dispositivo. 
• Faixa Nominal: faixa ativa do instrumento 
(selecionada pelo usuário) 
• Faixa de Medição: Faixa de valores do mensurando 
para a qual o instrumento foi desenhado para operar 
(A faixa de medição, também denominada faixa de 
trabalho, é o conjunto de valores de um 
mensurando para o qual admitimos que o erro de 
um instrumento de medição é mantido dentro dos 
limites especificados). 
• Faixa de Indicação: Intervalo compreendido entre 
o menor e o maior valor que pode ser indicado. 
 
 
b. Resolução 
Menor incremento da grandeza física que 
provoca uma mudança no sinal de saída do 
sensor. Menor nível de variação da entrada do 
sensor que pode ser verificada. 
Ex: paquímetro: 0,05 mm 
 
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c. Curva de Resposta 
Identifica a forma como o sinal de saída responde a variações do sinal de entrada. 
Similar aos sistemas de controle. 
Tipos: 
• Linear 
• Não Linear 
 
 
d. Sensibilidade 
Relação entre o sinal elétrico entregue na saída e a grandeza física medida. Ganho 
proporcional entre saída e entrada. 
 
 
 
Exemplo: A pressão de 2 bar produz uma deflexão de 10 graus em um transdutor. 
Portanto, a sensibilidade é de 5 graus/bar. 
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e. Exatidão (acurácia): Indica o grau de concordância entre o resultado de uma 
medição e um valor verdadeiro do mensurando. 
• Aptidão de um instrumento para dar respostas próximas a um valor 
verdadeiro convencional. 
• É um conceito qualitativo. 
 
f. Precisão: Indica o grau de concordância entre os resultados de medições 
sucessivas de um mesmo mensurando, efetuadas sob as mesmas condições de 
medição. Estas condições incluem: 
• mesmo procedimento de medição 
• mesmo observador 
• mesmo instrumento de medição 
• mesmo local 
• repetição em curto período de tempo 
• A precisão de medição é geralmente expressa numericamente por 
características como o desvio padrão, a variância ou o coeficiente de 
variação, sob condições especificadas de medição. 
• Descreve o grau de liberdade a erros aleatórios, i.e., ao nível de espalhamento 
de várias leituras em um mesmo ponto. 
• É a característica relativa ao grau de repetibilidade do valor medido por um 
transdutor. 
 
Normalmente é dada como um valor percentual do fundo de escala (%FSD – full 
scale deflecion). 
 
Exemplo: um voltímetro com fundo de escala de 10V e precisão de ±1% apresenta 
erro máximo esperado de 0,1 V. 
 
Exemplo: Um manômetro possui escala que varia de 0 a 50 psi, sendo que a pior 
variação obtida nas leituras é ±4,35 psi. Qual é a precisão %FSD? 
 
%FSD = (± 4,35 psi / 50 psi) x 100 = ± 8,7 % 
 
 
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Precisão X Exatidão 
 
 
Histerese: É a diferença nas leituras obtidas quando um instrumento se aproxima 
de um sinal a partir de direções opostas, ie, a leitura é feita durante a subida ou a 
descida do sinal medido. 
• Propriedade de um instrumento de medir pela qual a resposta a um dado 
estímulo depende da sequência dos estímulos precedentes. Num instrumento 
de medição, é o erro máximo apresentado pelo instrumento, para um mesmo 
valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre a 
escala nos sentidos ascendente e descendentes. 
 
 
 
 
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3. NIVEL 
Definição: altura de um líquido ou sólido, contido em um recipiente, sendo a 
medição feita a partir de uma referência ou linha base. 
• Permite o cálculo do volume ou do peso de um líquido ou sólido em um 
recipiente. Importante para: 
* determinar e controlar a quantidade de materiais em processos; 
* manter controle sobre a capacidade em tanques que suprem um fluxo constante 
durante um processo; 
* determinar constantemente o conteúdo de tanques de armazenamento, visando 
um controle operacional ou controle de custo. 
• Medida relativamente simples. Complicações: material corrosivo, abrasivo, 
radioativo, sob altas pressões ou difícil acesso. 
• Tendência atual: processamento contínuo com baixa capacidade de estocagem 
controle apropriado de nível pode reduzir estoques e aumentar a eficiência do 
processo. 
 
Símbolos: LG, LI, LR, LSL, LSH, LSLL, LSHH 
 
Unidades: 
Percentual – [ % ]; 
Comprimento – [ m ], [ ft ]; 
Volume – [ m3 ], [ L ]; 
Massa – [ kg ], [ ton ]. 
 
Classificação 
 
 Tecnologia aplicada Líquidos Sólidos 
 
 
Medida 
Direta 
Trena / Régua / Gabarito 
Visor de nível / Gauge 
Bóia / Flutuador 
Eletrodos de contato 
Sensor de contato 
Unidade de grade 
 
 
 
 
Medida 
Indireta 
Por capacitância 
Por empuxo 
Pressão hidrostática 
Caixa de diafragma 
Tubo em U 
Por borbulhamento 
Radioatividade 
Ultra-som 
Vibração 
Pesagem 
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3.1 MÉTODOS DE MEDIDA DIRETA 
3.1.1 Trena / Régua / Gabarito 
Consiste em uma escala graduada ou demarcada de forma conveniente, e que 
possui um comprimento suficientemente extenso para ser introduzida dentro do 
reservatório a ser medido. 
 
Trena de sondagem Régua Externa Régua 
 
 
Características 
• Coeficiente de Dilatação Termal = 10 a 13 x 10-6 m/°C (Temperatura de 
Referência: 20 °C); 
• Dimensões: 
o Comprimento nominal: 5, 10, 15, 25, 30 e 50 m 
o Espessura: 0,25 a 0,45 mm Largura: 9,5 a 16,0 mm 
• Graduação: 
o Em mm, de um lado só. 
 
3.1.2 Visor de Nível / Gauge 
• Simples tubo de vidro, com pelo menos uma das extremidades ligada ao 
reservatório. O nível do líquido no tubo, lido em escala graduada, é o mesmo 
do reservatório (vasos comunicantes). 
• Uma das formas mais simples de indicação de nível. 
• É frágil, por ser construído devidro; 
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• Pode-se usar armaduras e proteção metálicas, para aumentar a resistência 
mecânica do visor; 
• Pode-se usar paredes mais grossas ou materiais transparentes mais 
resistentes, como fibra de vidro e plásticos. 
• Pode ser em invólucro especial que suporte altas pressões e ação de ácidos. 
 
 
 
Visor (gauge) com Vidro Tubular 
• Fabricados com tubos de vidro reto, com paredes de 
espessura adequada a cada aplicação. 
• Comprimento e diâmetro do tubo dependem das 
condições a que estará́ submetido o visor. 
• Sistema dotado com hastes protetoras metálicas, ou com 
tubos ou chapas plásticas colocadas em torno do tubo de 
vidro para proteção contra eventuais choques externos. 
• Não se recomenda o uso com líquidos tóxicos, 
inflamáveis ou corrosivos, visto que a fragilidade destes 
instrumentos aumenta a probabilidade de perda de 
produto contido no equipamento. 
 
Visor (gauge) com Vidro Plano 
• Substituíram, ao longo dos anos, quase a totalidade dos visares tubulares. 
• Esse fato decorre da inerente falta de segurança apresentada pelos visares 
tubulares em aplicações com pressões elevadas. 
• Atualmente, os visores planos representam cerca de 90% das aplicações de 
visores de nível em plantas industriais. 
• São compostos de um ou vários módulos onde se fixam barras planas de 
vidro (as seções dos visores). 
• Estes módulos são conhecidos como seções dos visores (visor multiseção). 
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Visor com vidro plano 
 
3.1.3 Boia / Flutuador 
• Baseia-se nas mudanças de altura de um flutuador colocado na superfície de um 
líquido. 
• Sistema de medição direta de nível; extremamente simples, usado em tanque 
aberto para a atmosfera; 
• Requer manutenção frequente; 
• A boia move de acordo com a superfície da água, indicando assim, o nível. 
• Os movimentos do flutuador podem ser convertidos por intermédio de um 
dispositivo mecânico para operar: 
*uma chave de ligação 
*válvulas 
*polias e cabos 
*transmissores pneumáticos ou elétricos 
• Alternativa de baixo custo; 
• Apropriado para fluidos com baixa acidez (geralmente a boia é confeccionada 
em material plástico). 
• Adequado a tanques sob pressão ou à vácuo; 
• Pode medir o nível da interface entre dois fluidos (emprego de flutuador com 
lastro); 
• Medição com boia pode ser tanto contínua, gerando uma resposta exponencial 
(um sinal analógico ao variar a resistência da haste que segura o flutuador), 
quanto discreta, simplesmente detectando um limiar, como em uma caixa 
d’água (sinal elétrico de uma chave de nível). 
 
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Medidor com flutuador interno 
Dispositivo esférico interno ao tanque. O movimento vertical é convertido, por 
alavanca, em rotação para um indicador externo. A rotação da alavanca produz um 
indicação direta ou aciona um contato magnético. 
 
Medidor com flutuador externo 
O flutuador é colocado em uma câmara externa ao tanque. 
Menos afetado pelas oscilações do liquido do tanque ou de sua vaporização. 
Especialmente indicado quando a instalação interna ao tanque for problemática. 
 
 
(a)Flutuador interno (b) Flutuador externo 
 
 
 
(c) Flutuador livre (d) boia 
 
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3.1.4 Eletrodos de contato 
Particularmente aplicável à fluidos condutivos, não corrosivos e livres de partícula 
em suspensão; 
A sonda de medição é formada por eletrodos (ou apenas um, se a parede do 
recipiente for metálica). A corrente elétrica circulante é proporcional à parcela de 
eletrodo imersa no fluido: 
Algumas vantagens: 
• Baixo custo 
• Flexível; 
• Faixa de nível ilimitada; 
Desvantagens: 
• Não pode ser aplicado em líquidos não-condutivos, viscosos ou que formem 
partículas em torno dos eletrodos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.1.5 Sensor de contato 
Aplicado basicamente para o controle de nível máximo 
e mínimo ou quando o nível atinge certos pontos 
desejados como por exemplo em sistemas de alarme e 
segurança de nível alto ou baixo. 
 
 
;
R
vi = ;
A
LR T
j
=
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
+ 
Fonte 
c.a. 
+ 
- 
Eletrodos 
Fluido 
condutor 
Reservatório 
não metálico 
sendo: i = corrente; v = tensão; 
LT = comprimento do condutor 
j = condutividade elétrica; 
A = seção transversal do condutor. 
Eletrodos 
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Aplicações: 
Água potável, industriais, destiladas 
desmineralizada 
Bebidas em geral como cerveja, whisky, vinho, 
sucos, caldo de cana, álcool, vinagre, glicerina, 
benzina, soda cáustica (30%). 
Interfaces (água e óleo, água e gasolina) 
 
 
3.1.6 Unidade grade 
• Mecanismo de transmissão de momento de torção; 
• Consiste em anéis metálicos, ligados por hastes, formando um dispositivo 
cilíndrico vertical; as forças são transmitidas através de um tubo torque a um relé 
pneumático que transmite a medida a um instrumento de leitura ou controlador; 
• Quando a grade se encontra expandida (nível baixo), o peso é máximo. 
Conforme o nível aumenta, os anéis metálicos passam a repousar no sólido, 
diminuindo a força peso e o momento de torção diminui proporcionalmente à 
elevação do nível de sólidos; 
• Indicado para nível de sólido-granular em silos e unidades de cozimento 
(temperaturas de 960ºC e pressão de 130 atm). 
 
 
 
 
 
 
 
3.2 MÉTODOS DE MEDIDA INDIRETA 
3.2.1 Capacitância 
• Capacitância: propriedade elétrica existente entre 2 superfícies condutoras, 
separadas por uma distância, em um meio dielétrico; 
• Mede as capacidades do capacitor formado pelo eletrodo submergido no líquido 
em relação as paredes do tanque. A capacidade do conjunto depende do nível 
do líquido; 
• À medida que o nível do tanque for aumentando, o valor da capacitância 
aumenta progressivamente. 
• A capacitância é convertida por um circuito eletrônico numa corrente elétrica 
sendo este sinal indicado em um medidor. 
Grade de atuação 
F 
Braço de alavanca 
F 
Tubo torque 
F 
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3.2.2 Medição por empuxo 
• Baseia-se no princípio de Arquimedes: “Todo o corpo mergulhado em um 
fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao 
peso do volume do fluído deslocado.” 
• É constituído de um elemento flutuador que, com a variação do nível, o empuxo 
que o líquido exerce sobre o flutuador é transformado em um movimento 
rotativo que é detectado pelo transmissor que envia um sinal proporcional ao 
nível de fluido no tanque. 
• O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido cujo 
nível estamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade. 
• O sistema de medição de nível por deslocador se resume na detecção e medição 
de um peso que varia com o nível. 
• Consiste na medição da variação do peso de uma massa conhecida parcialmente 
submersa no líquido cujo nível deve ser medido; 
• O empuxo, que fará diminuir o peso da massa, é proporcional ao volume 
submerso. 
 
Princípio de funcionamento: 
 
Variação do Peso Aparente (P ap) 
 
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3.2.3 Medição por pressão hidrostática 
• Para medir o nível do fluido, utiliza-se um sensor de pressão diferencial e 
determina-se a pressão hidrostática do mesmo. 
• A pressão hidrostática, resultante da coluna do liquido, é diretamente 
proporcional ao valor dessacoluna de liquido. 
• A pressão em um ponto do liquido é proporcional ao nível acima desse ponto 
de referência. 
 
3.2.3.1 Medição hidrostática – Célula d/p Cell - tanque aberto 
Medida da pressão no fundo do recipiente, proporcional à altura (h) do líquido: 
 
r: densidade do liquido (massa / volume) 
g: aceleração da gravidade 
 
• Instrumento detector: célula do tipo d/p – Mede a pressão exercida por um 
líquido, utilizando um sistema transmissor de células de pressão diferencial 
(transmissão de sinal pneumático ou eletrônico a um indicador distante). 
• A pressão hidrostática exerce uma força contra um diafragma de aço da 
câmara de alta pressão (H), sendo este equilibrado contra a pressão 
atmosférica da câmara de baixa pressão (L). 
• Este procedimento é apropriado a tanques abertos ou mesmo fechados, 
porém com respiradouros, tampas contendo ventanas, tanques não 
pressurizados. 
 
 
ghP r=
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3.2.3.2 Medição hidrostática – pressão diferencial – tanque fechado 
• Tanque selado – fluidos armazenados sob pressão. 
• O nível é obtido pela pressão diferencial entre as partes superior e inferior do 
tanque. 
• O nível será relacionado à diferença de pressão, DP = P2 – P1: 
h= DP / r.g 
 
 
Pressão diferencial (para tanques selados) 
 
 
Transmissor de pressão diferencial com selos diafragmas acoplados 
 
Vantagens: 
• Se o sensor de pressão diferencial for elétrico ou eletrônico, o sinal pode ser 
transmitido, pneumática ou eletronicamente, para indicação, registro ou 
controle remotos; 
• Disponíveis grandes variedades de materiais de cápsulas, para uso em 
aplicações corrosivas. 
Desvantagens: 
• Nível é determinado indiretamente a partir da medição da pressão. 
• Variações na densidade causam erros na medição → Independentemente da 
altura da coluna de líquido, se o fluido é trocado, o sensor precisa ser ajustado 
ao novo fluido, ou seja, à nova densidade.; 
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• Não pode ser usado com liquido volátil e que requer selagem. → Isto decorre 
do fato do liquido volatilizar, ocupar todo o espaço do recipiente e tornar a 
pressão interna uniforme. 
 
3.2.3.3 Medição hidrostática – Caixa de Diafragma 
• Variante da medição por pressão hidrostática, porém de custo reduzido; 
• Sistema composto por uma simples caixa diafragma imersa até o fundo do 
tanque; 
 
 
• Existem dois tipos comuns de caixas de diafragma: aberto e fechado. A caixa 
de diafragma aberta é imersa no fluido dentro do vaso. A caixa de diafragma 
fechada é montada externamente a partir do vaso e é conectada por uma 
pequena tubulação. 
 
 
Vantagem 
Onde for necessário evitar o contato com líquido e diafragma, a caixa pode ser 
instalada em um poço fora do tanque conectado através de uma tubulação auxiliar. 
A tubulação e o poço são preenchidos com um líquido inerte. 
 
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Desvantagem 
A principal desvantagem é que a caixa não é suficiente para atender às perdas da 
linha, bem como para uma indicação satisfatória. Portanto, os intervalos são 
bastante limitados. 
 
3.2.3.3 Medição hidrostática – Medição por tubo em U 
• Variante de mais baixo custo do sistema de 
medição por pressão hidrostática; 
• Um tubo em U é conectado à base do 
reservatório não pressurizado; 
• Ao invés de uma escala de pressão, pode-
se ter uma escala de nível apropriada que 
permita a leitura direta desta variável. 
• O sistema consiste em um simples tubo em 
U contendo mercúrio, instalado no fundo 
de um reservatório não pressurizado ou 
aberto, e considerando que o reservatório 
venha sempre a conter o mesmo tipo de 
liquido, isto quer dizer que será́ sempre o mesmo peso específico. 
• Em vez da escala de pressão, pode ser registrada no tubo uma escala que 
permita a leitura do nível do líquido diretamente neste. 
 
3.2.3.4 Medição hidrostática – Medição por Borbulhamento 
• Outra variante da medição por pressão hidrostática; 
• Detecta nível de quaisquer líquidos, inclusive viscosos e corrosivos; 
• Um suprimento de ar ou gás a uma pressão ligeiramente superior à máxima 
exercida pelo líquido; 
• A vazão é ajustada por uma válvula agulha até que se observe a formação de 
bolhas e a pressão correspondente devido ao peso da coluna de líquido é medida 
em um manômetro. 
 
Princípio de Funcionamento: 
• Injeta-se ar ou gás inerte (nitrogênio) através de tubo de vidro; 
• Aumenta-se lenta e continuamente a pressão de suprimento do gás, até que 
se comece a borbulhar o gás . 
• No momento limite que começa o Borbulhamento, a pressão diferencial 
torna-se estável e o valor desta é exatamente igual à pressão exercida pela 
coluna de líquido. 
 
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Vantagens: 
• Pode medir nível de fluidos sujos e corrosivos; 
• Temperatura do processo é limitada apenas pelo material do vidro. 
Desvantagens: 
• Dificuldade de medição de nível em tanque fechado pressurizado; 
• Sistema é frágil e exige muito cuidado de manuseio. 
 
 
 
 
3.2.4 Medição de Nivel por Radiação 
• Adequado para líquidos e sólidos; 
• São completamente isentos de contato com os produtos que estão sendo 
medidos; 
• Processo caro e adequado somente quando outro método não é aplicável 
(materiais de manuseio extremamente difícil, corrosivos, abrasivos, muito 
quentes, sob pressões elevadas ou de alta viscosidade); 
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Princípio de funcionamento: uma fonte de radiação gama é instalada na parte 
externa do reservatório e um detector desta radiação é instalado no outro lado do 
recipiente. A diferença entre a quantidade emitida e recebida foi absorvida pelo 
produto, o que é função do nível deste produto. 
 
 
 
 
 
Chave de nível por radiação: usado para determinar o 
nível em vasos em um determinado ponto. Esses 
medidores são ideais para medição de nível em 
mineração e outras aplicações severas, em que outras 
técnicas não oferecem a confiabilidade necessária. 
 
 
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3.2.5 Medição de Nivel por Ultrasom 
• Sensor por Som ou Ultrassom – Propagação de Ondas Mecânicas 
• Permite a utilização com fluidos e sólidos. 
 
Princípio de Funcionamento: 
• Sistema de detecção de nível sônico (9500 Hz) e ultrassônico operam pela 
absorção da energia acústica, quando ela se propaga da fonte para o receptor 
ou pela atenuação (mudança de frequência) de um dispositivo vibrante, 
oscilando em 35 a 40 kHz; 
• O transmissor de nível ultrassônico opera gerando um pulso e medindo o 
tempo que o eco leva para voltar. 
 
 
 
 
 
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Montagem do Transmissor 
• Topo do tanque: Tempo de propagação é uma indicação do espaço vazio 
acima do nível do líquido no tanque; 
• Fundo do tanque: Tempo de propagação reflete a altura de líquido no tanque 
e a velocidade do pulso é função deste líquido. 
 
 
 
 
3.2.6 Sensor por Radar – Propagação de Ondas Eletromagnéticas - Microondas 
• Similar ao sistema por ultrassom, porém, com ondas eletromagnéticas 
• Tanto os sinais de radar como as microondas viajam à velocidade da luz, mas 
distinguem-se pelas suas frequências (a freqüência de rádio FM é de 88 a 108 
MHz, enquanto as microondas variam de 1 a 300 GHz) e por seus níveis de 
potência (o radar é de cerca de 0,01 mW). / cm2, enquanto as microondas 
variam de 0,1-5 mW / cm2). Como as microondas operam em um nível de 
energia mais alto, elas podem suportar mais revestimento do que os sensores 
do tipo radar. 
 
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• Montado no topo do vaso e dirigido para baixo. 
• É instalado perpendicularà superfície do líquido. → Sinal refletido da fonte 
retorna diretamente para o sensor. 
 
Princípio de Funcionamento: 
• Sistemas usam ondas eletromagnéticas, tipicamente, microondas na faixa de 
10 GHz (banda X). Geralmente, a medição é contínua e se aplica a nível de 
líquido. 
• As emissões são de baixa potência, tipicamente menores que 0,015 mW/cm2 
pois as aplicações industriais requerem geralmente faixas menores que 30 m, 
que é uma distância pequena para a técnica de radar. 
 
OBS: Nesta faixa de energia, não há problema de saúde, segurança, licença ou 
considerações de contaminação. Os dispositivos envolvidos são transistores e 
diodos para gerar e detectar as microondas. 
 
 
 
 
 
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O radar de ondas guiadas usa um guia de ondas para conduzir energia de 
microondas para e da superfície do fluido. 
 
 
 
 
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3.2.7 Medição por Pesagem (balança) 
• Método relativamente simples de medição de líquidos e sólidos; 
• Frequentemente utilizada em sistemas em que se deseja conhecer o nível alto 
e nível baixo. 
• O recipiente é instalado em uma célula de carga (balança) e o nível será 
função de seu peso, volume e densidade; 
• A densidade da substância deve variar o mínimo possível; 
 
 
Princípio de Funcionamento: 
• O volume do material é estimado por meio da mensuração da massa. 
• Sabendo-se que a densidade é uma relação de proporcionalidade entre massa 
e volume e sabendo-se as dimensões do reservatório ou recipiente, temos o 
nível deste. 
 
OBS: 
• Se mensuramos sólidos, consideramos a densidade média do material em 
função do tamanho das partículas (granulometria) à Existe espaço vazio 
entre elas. 
• Se mensuramos líquidos homogêneos, a densidade é constante. 
• Se mensuramos líquidos heterogêneos, consideremos a densidade média do 
fluido. 
 
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3.2.8 Pás Rotativas – Chaves de Nível para Sólidos 
Princípio de Funcionamento: 
• Instrumento eletromecânico que mensura o nível de materiais sólidos, como 
granulados, carvão, cavaco de madeira, areia de fundição e brita, entre 
outros. 
• Evita o transbordamento de silos (alarme de nível alto), mantendo o nível em 
um ponto predeterminado, além de indicar entupimento de dutos 
pneumáticos. 
• O motor, localizado no interior do invólucro, movimenta o rotor, o 
responsável por detectar o produto. 
• Quando o material entra em contato com as pás, impedindo-as de girar, o 
motor gira acionando dois contatos elétricos. Um deles é utilizado no circuito 
de alarme e outro desliga o motor, evitando seu funcionamento com as pás 
travadas. 
• Dispõe de modelos para altas temperaturas (até 399°C). 
• Pode ser instalado através de conexão rosca ou flange. 
 
 
 
 
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4. TEMPERATURA 
 
TERMOMETRIA: Medição de Temperatura. Dentro da termometria, definem-se: 
• 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. 
• 
Símbolos: TI, TR, TSL, TSH, TIC, TIA 
 
4.1 Conceitos 
Calor é a energia transferida entre dois ou mais sistemas devido a uma diferença 
de temperatura entre eles. 
 
Fenômeno é toda e qualquer transformação que ocorre com a matéria; Pode ser 
classificado em físico ou químico. 
 
Fenômeno químico é todo aquele que ocorre com a formação de novas substâncias. 
Um fenômeno químico, como a combustão, transforma uma substância em outra, 
com diferentes propriedades químicas. 
 
Exemplo: após a combustão de um fósforo, a composição da cinza e da fumaça é 
totalmente diferente do palito inicialmente presente. O fenômeno químico altera a 
natureza da matéria. 
 
Fenômenos físicos causam transformações da matéria sem ocorrer alteração de sua 
composição química. É todo fenômeno que ocorre sem que haja a formação de 
novas substâncias. 
 
Exemplo: mudanças de estado físico da matéria. A água pode se encontrar no 
estado sólido, líquido ou gasoso, mas sua molécula H2O continua a mesma, ou 
seja, o fenômeno físico altera apenas a forma da matéria. 
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4.2 Modos de Transferência da Energia Térmica 
 
Condução: é o processo pelo qual o calor se transmite ao longo de um meio 
material, como efeito da transmissão de vibração entre as moléculas. As moléculas 
mais energéticas (maior temperatura) transmitem energia para as menos 
energéticas ( menor temperatura ) . 
 
 
 
Convecção: ocorre no interior de fluidos (líquidos e gases) como consequência da 
diferença de densidades entre diferentes partes do fluido. Por exemplo, 
consideremos o caso ilustrado na figura 3 em que um recipiente contendo água é 
colocado sobre uma chama. Pelo aquecimento, a parte inferior da água se dilata e 
fica com densidade menor que a parte superior. Com isso, ocorre uma corrente 
ascendente e outra descendente. Essas correntes são chamadas de correntes de 
convecção. 
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Radiação: Todos os corpos emitem ondas eletromagnéticas cuja intensidade 
aumenta com a temperatura. Diferentemente da condução e da convecção, a 
radiação não precisa de meio para ocorrer, pois a energia térmica neste processo é 
transferida por ondas eletromagnéticas, que são capazes de propagar-se no vácuo. 
 
4.3 Escalas de Temperatura 
Fahrenheit: escala termométrica de símbolo F, no qual 32° F é o ponto de 
congelamento da água e 212° F é o ponto de ebulição da água. 
 
Celsius: escala de temperatura, símbolo C, no qual 0° C é o ponto de congelamento 
da água e 100° C é o ponto de ebulição da água. 
 
Na escala termométrica, o intervalo entre o ponto de ebulição e o ponto de 
congelamento da água é dividido em 100 intervalos, denominados graus. 
 
Kelvin: escala de temperatura absoluta ou escala termodinâmica, cujo símbolo é 
K, no qual o ponto triplo da água tem o valor de 273,16 K. 
 
Rankine: é uma escala de temperatura assim chamada em homenagem ao 
engenheiro e físico escocês William John Macquorn Rankine, que a propôs em 
1859. Ver a equação Rankine-Hugoniot. 
Como a escala kelvin, o 0R (Rankine) é o zero absoluto, mas as variações em graus 
Fahrenheit são utilizadas. Assim, a variação de um grau R equivale a variação de 
um grau F. Convertendo-se, por exemplo, 0R vale -459,67 °F 
 
IMPORTANTE: Escalas relativas são aquelas em que o zero é arbitrário, ie, 
escolhido segundo algum critério de referência (por exemplo, 0° C é o ponto de 
liquefação da água). Já as escalas absolutas são aquelas em que o zero é o limite 
inferior de temperatura, que é impossível de ultrapassar. O zero absoluto em que 
cessam os movimentos da matéria. 
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4.3.1 Conversão entre escalas 
 
TR = 459,67 + TF 
 
TF = 1,8 x TK 
 
 
Onde: 
TC – temperatura Celsius 
TF – temperatura Fahrenheit 
TK – temperatura Kelvin 
TR – temperatura Rankine 
 
4.4 Partes do transdutor 
Sensor: elemento primário do transdutor, que percebe a variação da temperatura. 
 
Bulbo: Proteção do elemento sensor ou do fluído. 
 
 
Poço: Poços termométricos são usados para a proteção de sensores de 
temperatura e seus bulbos, tais como termopares, termistores e 
termômetros bimetálicos contra danos por pressão excessiva, 
velocidade do material e corrosão. Eles também aumentam a 
longevidade do sensor, permitem a substituição do sensor sem drenar o 
sistema e reduzem a probabilidade de contaminação. 
Poço ou 
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Poço 
 
4.5 Classificação por Princípio de Funcionamento 
a. Dilatação Térmica: 
• Sistema de volume: Termômetros de líquidos; 
• Sistema a pressão: Enchimento termal; 
• Dilatação linear: Bimetálicos. 
 
b. Fenômenos Elétricos: 
• Termopares; 
• Termômetros de resistência (RTD). 
 
c. Fenômenos Ópticos: 
• Termômetro Ópticos: Pirômetros. 
 
4.6 TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO 
 
Princípio de funcionamento: lei da expansão volumétrica 
 
 
 
 
Tipos (conforme sua construção): 
• termômetro de vidro transparente 
• termômetro metálico 
 
T = Temperatura do líquido em OC 
V0 = Volume do líquido à temperatura de referência to 
Vt = Volume do líquido à temperatura t 
b= Coeficiente de expansão do líquido oC-1 
Dt = t – t0 
Vt = V0.( 1 + b.DT) 
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4.6.1 Termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro 
 
• Constituído de um reservatório, ligado a um capilar. O reservatório e parte 
do capilar são preenchidos por um líquido. O calor faz com que o líquido se 
dilate e penetre no capilar, cuja altura é calibrada em escala de temperatura. 
• A medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se 
tem o topo da coluna líquida. 
• Uso mais comum: laboratórios e indústrias, sendo o bulbo de vidro protegido 
por um poço metálico e o tubo capilar por um invólucro metálico. 
• Líquidos mais comuns: Mercúrio, Tolueno, Álcool. 
 
LÍQUIDO PONTO DE 
SOLIDIFICAÇÃO(oC) 
PONTO DE 
EBULIÇÃO(oC) 
FAIXA DE 
USO(oC) 
Mercúrio -39 +357 -38 à 550 
Álcool Etílico -115 +78 -100 à 70 
Tolueno -92 +110 -80 à 100 
Obs: No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550OC injetando-se 
gás inerte sob pressão, evitando a vaporização do mercúrio. 
 
 
 
Vantagens: baixo custo; simples manuseio; variação volume é diretamente 
proporcional à variação de T; escala de temperatura é linear; bulbos pequenos; 
faixa estreita; alta precisão. 
 
Desvantagens: frágeis; impossível registrar a medição ou transmiti-la à distância; 
pode haver efeito da temperatura ambiente ao longo do capilar; resposta lenta, (não 
devem ser usados para regulação, somente para indicação). 
 
Câmara de 
expansão 
Capilar 
Bulbo 
Proteção metálica 
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4.6.2 Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico. 
 
O líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura 
se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico). 
 
 
 
 
 
materiais mais usados: bronze fosforoso, cobre - berílio , aço inox e aço carbono. 
 
Aplicação na indústria: em geral para indicação e registro; 
• alta precisão (mais preciso dos sistemas mecânicos). 
• tempo de resposta é relativamente grande. 
• escala de temperatura é linear 
 
Características dos elementos básicos 
 
a.Bulbo 
• dimensões variam de acordo com o tipo de 
líquido e principalmente com a 
sensibilidade desejada. 
• Líquidos mais utilizados: mercúrio, xileno, 
tolueno, éter etílico. O mercúrio é 
preferido, apesar da dificuldade de 
manuseio, mas tem ampla faixa de 
utilização e baixo coeficiente de atrito. 
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b.Capilar 
• dimensões variáveis, sendo o diâmetro interno o menor possível, a fim de 
evitar a influencia da temperatura ambiente, porém não deve oferecer 
resistência a passagem do líquido em expansão. 
 
c.Elemento de Medição 
Tubo de Bourdon: funciona como um amplificador mecânico; 
 
 Tipo C Tipo Espiral Tipo Helicoidal 
 
4.7 Termômetro à Dilatação de Gás 
 
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. 
• volume do conjunto é constante e 
preenchido com um gás a alta 
pressão. Variando-se a temperatura, 
varia-se a pressão, conforme a lei dos 
gases ideais. 
 
O elemento de medição opera como 
medidor de pressão (Lei de Charles): 
 
P1 = P2 = cte 
T1 T2 
 
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Características 
• gás mais utilizado: N2 (por ser inerte). Sua faixa de medição vai de -100 a 
600 oC. Utilizam-se também o He, H2 e o CO2. 
• Resposta mais rápida entre todos os sistemas mecânicos. 
• escala de temperatura é linear 
 
 
4.8 Termômetro à Dilatação de Vapor 
Princípio de funcionamento 
 
Assim como o de dilatação de gás, 
construção bastante semelhante ao de 
dilatação de líquidos, baseando o seu 
funcionamento na Lei de Dalton: 
 
“A pressão de vapor saturado 
depende somente de sua 
temperatura e não de seu 
volume” 
 
para qualquer variação de temperatura 
haverá uma variação na pressão de vapor do 
gás liquefeito colocado no bulbo do 
termômetro e, em consequência disto, uma 
variação na pressão dentro do capilar. 
 
P1 e P2: pressões relativas às temperaturas 
T1 e T2: temperaturas absolutas 
He: calor latente de evaporação do liquido em questão 
 
líquidos mais empregados: 
Cloreto de Metila;Butano; Éter Etílico; 
Tolueno; Dióxido de enxofre;Propano 
 
vantagens: baixo custo e resposta rápida; 
desvantagem: a escala de temperatura não é 
linear 
 
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4.9 Termômetro à Dilatação de Sólidos (Termômetros Bimetálicos) 
Princípio de funcionamento: fenômeno da dilatação linear dos metais com a 
temperatura 
 
Características de construção 
• consiste em duas lâminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes 
sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, 
observa-se um encurvamento que é proporcional a temperatura. 
• Forma mais utilizada: de lâmina helicoidal que consiste em um tubo bom 
condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo que por sua vez recebe 
um ponteiro que se desloca sobre uma escala. 
• A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -
50 a 800 oC, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de 
+/- 1%. 
• Na prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o 
que aumenta bastante a sensibilidade. 
o 64% Fe + 36% Ni (INVAR) – Baixo coeficiente de dilatação 
o Latão – Alto coeficiente de dilatação 
 
T = temperatura do metal em OC 
L0 = comprimento do metal à temperatura de referência to 
Lt = comprimento do metal à temperatura t 
a = Coeficiente de expansão do líquido oC-1 
Dt = t – t0 
Lt = L0. ( 1 + a.Dt) 
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Vantagens: 
• Baixo custo, simplicidade de funcionamento e fácil leitura; 
• Facilidade de instalação e manutenção; 
• Disponíveis com muitas faixas de medição e incertezas variadas; 
• Não necessita de energia auxiliar (baterias, etc); 
• Mecanicamente robusto, adequado p/ instalações industriais; 
• Hastes podem ter grande tamanho e alcançam pontos de difícil acesso. 
 
Desvantagens: 
• Baixa precisão; 
• Não linearidade de indicação e presença de grande histerese; Presença de 
peças móveis que se desgastam; 
• Facilidade de perder calibração. 
• Confinamento ao local de medição, precisa ficar no local. 
• Não adaptável para transmissão, registro ou controle automático; 
 
 
HÉLICE
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4.10 TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA (Resistência Termo Detectora – RTD) 
Princípio de funcionamento: baseiam-se no princípio de variação da resistência 
em função da temperatura e na lei de Ohm. 
 
 
 
 
 
 
 
Quando se conhece a característica temperatura x resistência e se quer a medição 
da temperatura, basta medir a resistência elétrica. 
 
Características: 
• Linearidade entre variação da resistência termal e temperatura;• Estabilidade termal; 
• Ductilidade (propriedade de ser transformado em fio fino); 
• Disponibilidade comercial. 
• Precisão: ± 0,15 oC 
 
 
R1 = resistência do fio a temperatura t1 
R2 = resistência do fio a temperatura t2 
a = coeficiente de temperatura 
Dt = t2 – t1 
R2 = R1 ( 1 + a.Dt) 
I = V/R - Lei de Ohm 
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Materiais Mais Utilizados: 
• Cobre 
• Platina: 
• Usada para medição de faixas entre 0 e 650 °C; 
• A característica resistência x temperatura é linear nesta faixa e apresenta 
grande coeficiente de temperatura; 
• Os sensores PT100 (os mais utilizados industrialmente) tem resistência 
de 100 W à 0 °C e de aproximadamente 139 W à 100 °C. 
• Níquel: 
• É o segundo metal mais utilizado para a medição de temperatura; 
• É também encontrado em forma quase pura, entre 0 °C a 100 °C 
apresenta um grande coeficiente termal; 
• A sua curva resistência x temperatura é não linear para temperaturas 
maiores que 200 °C. 
 
 
 
Características de construção 
Utilização de um circuito sujeito a uma f.e.m. constante, em que a corrente medida 
é inversamente proporcional à variação da resistência (ou a variação da 
temperatura). Usualmente, a resistência é ligada em um circuito ponte de 
Wheatstone, que permite avaliar a variação de temperatura por variação de tensão 
(grandeza mais facilmente medida) entre dois pontos do circuito. 
 
Na ponte de Wheatstone, uma das resistências empregadas é variável de modo a 
permitir a calibração do circuito (ajuste do zero). A relação entre as resistências 
é: R4.R2 = R1.R3. 
 
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Vantagens 
• Altíssima precisão; 
• Apropriada para medição de temperatura média enquanto o termopar é 
adequado para medição de temperaturas em um ponto; 
• Capaz de medir largura de faixa estreita (de até 5 °C); 
• Mantém-se estável, precisa e calibrada durante muitos anos. 
 
 
Desvantagens: 
• Alto custo; 
• Tempo de resposta maior; 
• Auto-aquecimento da resistência. 
 
 
RTD mais utilizado industrialmente: PT-100 
 
 
 
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Exemplo de aplicação prática: Trocador de calor 
 
 
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4.11 Sensor Elétrico por Termopares 
• consiste de dois condutores metálicos de mesma natureza ou de natureza 
distinta (figura a). 
• os condutores são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta 
quente ou junta de medição (junta quente). 
• a outra extremidade dos condutores é levada ao instrumento de medição de 
f.e.m. (força eletromotriz), onde a diferença de potencial é medida (junta 
fria); 
 
 
 (a) (b) 
 
Princípios de funcionamento (efeitos Seebeck, Peltier e Thomson): 
 i) o potencial é proporcional à diferença de temperatura entre as junções 
ii) o potencial depende da combinação de materiais diferentes; 
iii) o potencial depende da homogeneidade do material. 
 
Decorre que: a f.e.m. (potencial) medida depende única e exclusivamente da 
composição química dos metais e das temperaturas existentes nas junções, sendo 
independente de temperaturas intermediárias, diâmetro ou comprimento dos fios 
(figura b). 
 
 
 
 
 
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Características gerais 
• o material deve ser selecionado de modo a resistir à corrosão no meio e na 
faixa de temperatura utilizada; 
• deve ser resistente à variação das características que afetam sua calibração; 
• sensibilidade e tempo de resposta dependem da liga utilizada; 
• deve-se instalá-lo em um ponto de temperatura média, pois o termopar 
mede a temperatura no ponto; 
• Nunca montar o fio de extensão próximo a uma fonte eletromotriz, para 
evitar interferência na leitura; 
• Por gerarem baixa força eletromotriz, são empregados em temperaturas 
acima de 150ºC. 
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Tipos de termopares comumente empregados 
Termopares 
Par Cód 
ISA 
fem/ºC observações Método de 
identificação + - 
Ferro Constantan1 J 2º Uso geral porém fraco 
para oxidação 
Ferro e mais duro 
e magnético 
Cromel2 Alumel3 K 3º Fraco para ambiente 
redutor 
Alumel e 
ligeiramente 
magnético 
Cobre Constantan T Maior Para t < 25º C anti 
oxidante 
Pelas cores 
Platina Plat+Rhódio S Menor 630ºC<t<1400ºC fraco 
para ambiente redutor 
 
1. liga de cobre (50%) e níquel (40%) 
2. liga de cromo (10%) e níquel (90%) 
3. liga de níquel (94%) manganês (3%) alumínio (2%) sílica (1%) 
 
 
 
Vantagens: 
• Baixo tempo de atraso e grandes distâncias de transmissão; 
• Flexibilidade para alterar as faixas de medição; 
• Facilidade para reposição do elemento sensor, quando danificado; 
• Maior exatidão que o enchimento termal. 
 
Desvantagens: 
• Característica temperatura x militensão não é linear totalmente; 
• Sinal de militensão pode captar ruídos na linha de transmissão; 
• Junta de medição pode se deteriorar, oxidar e envelhecer com o tempo; 
• Custo mais elevado em comparação aos mecânicos. 
 
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4.12 Termômetros de radiação total - Pirômetros 
A radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detector que pode 
ser um termoresistor, um termopar, termistor, fototransistor, etc..., gerando um 
sinal de saída correspondente à variação de temperatura. 
 
Precisão: 
± 1,0% VFE. 
 
Princípio de Funcionamento: 
• Qualquer objeto emite radiação térmica em temperaturas superiores ao zero 
absoluto e a radiação emitida é função da temperatura. 
• A energia radiada é proporcional a emissividade a dada temperatura e 
comprimento de onda que para obter um valor preciso e coerente de 
temperatura para uma superfície o operador precisa conhecer a emissividade 
do material que ele está medindo. 
• O equipamento é construído com uma lente que focaliza essa radiação 
emitida em um sensor, que é sensível a luminosidade, e gera uma tensão 
elétrica que é proporcional a radiação focalizada. 
• É vantajoso pois independe da capacidade de interpretação de cores do 
operador e pode ser utilizado para diversas aplicações através da 
implementação de filtros permissivos para apenas a faixa do espectro 
eletromagnético desejada. 
 
O termômetro ou pirômetro óptico: 
• é um instrumento com o qual a luminosidade desconhecida de um objeto é 
medida comparando-a com a luminosidade conhecida de uma fonte padrão. 
• A comparação do brilho entre a fonte a ser medida e o filamento da lâmpada 
é feita por um observador, o que faz com que essa medida dependa, portanto, 
da sensibilidade do olho humano às diferenças no brilho entre duas fontes da 
mesma cor.