Medição de Temperatura

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Medição de 
 Temperatura
 Definição das Grandezas de 
 Medida
 Temperatura
 Definição
 Medida da energia cinética média das 
 moléculas ou
 átomos individuais
 Unidade SI Kelvin (K)
 Outras unidades usadas
 Celsius (ºC)
 Fahreinheit (ºF)
 Conceitos Gerais das Grandezas 
 de Medida
 Temperatura
 Calor
 Termometria
 Tipos de transferência de calor
 Condução
 Calor passa de molécula a molécula, 
 aquecendo toda(s) a(s)
 estrutura(s) envolvida(s) quando há 
 contato físico direto
 Convecção
 Mecanismo de transferência de energia 
 (calor) entre uma superfície sólida e um 
 líquido ou gás
 ISA 5.1 Temperatura
 Elemento primário TE
 Transmissor com indicação TIT
 Transmissor com registro TRT
 Controlador com indicação TIC
 Alarme baixo TSL
 Alarme alto TSH
 Chave de deteção de alto e baixo TSHL
 Elemento final de controle TV (Transmissor)
 Técnicas de Medição de 
 Temperatura
 Medição de temperatura por contato
 Medição de temperatura sem contato
 Autor do Mapa 
 Conceitual: 
 Lucas Costa Souza
 Quanto maior o grau de agitação 
 molecular de uma dada substância, maior 
 a quantidade de calor e maior a 
 temperatura desta substância Equação fundamental da calorimetria ΔQ = mcΔT
 Energia (térmica) que flui de um corpo 
 para outro em virtude da diferença de 
 temperatura entre eles
 Pode ser adicionado ou removido de uma 
 substância Medido em calorias ou joules
 Estudo dos processos de medição de 
 temperatura dos corpos
 Criometria
 Medição de baixas temperaturas, ou seja, 
 aquelas próximas ao
 zero absoluto
 Pirometria
 Medição de altas temperaturas, na faixa 
 onde os efeitos de
 radiação térmica passam a se manifestar
 Termologia
 Ramo da física que investiga os 
 fenômenos relacionados com a energia 
 térmica Calorimetria
 Ramificação da termologia que estuda as 
 trocas de energia entre corpos quando 
 elas se dão na forma de calor
 Capacidade Térmica
 É a capacidade de um corpo de mudar 
 sua temperatura ao receber ou liberar 
 calor
 Razão entre a quantidade de calor e a 
 variação de temperatura. C = Q / ΔT C – Capacidade térmica (J/K)
 Q – Quantidade de calor (J)
 ΔT – variação da temperatura (K).
 ΔQ – Variação da quantidade de calor (J)
 m – Massa da substância (kg)
 c – Calor específico da substância (J/kg.K)
 ΔT – Variação da temperatura (K)
 Termômetro
 Instrumento usado para medir a energia 
 térmica, ou a temperatura, dos corpos
 Radiação
 As massas desses fluidos se movimentam, 
 massas quentes sobem e massas frias 
 descem Corrente de Convecção
 O calor flui de um corpo de alta 
 temperatura para um de baixa, quando os 
 mesmos estão separados no espaço, 
 ainda que exista o vácuo entre eles Ondas eletromagnéticas
 Propriedades físicas Intensiva
 Não depende da quantidade (massa) de 
 material na amostra
 A temperatura de um corpo é a mesma, 
 independente da quantidade de material, 
 do qual se deseja medir
 Baseada em mecanismos de transferência 
 de calor por condução e convecção
 Transferência de calor por radiação
 Termovisores (análise de imagens 
 térmicas)
 Pirômetros (termômetros de IR – medição 
 pontual)
 Termômetros de par termoelétrico
 Termopares medem a diferença de 
 temperatura entre dois pontos, não a 
 temperatura absoluta
 Lei dos Metais Intermediários
 A f.e.m. (E ) de um termopar não será 
 afetada, se em qualquer ponto de seu 
 circuito for inserido um metal qualquer, 
 diferente do já existente, desde que as 
 novas junções sejam mantidas a 
 temperaturas iguais
 Lei das Temperaturas Intermediárias (
 sucessivas)
 A f.e.m. desenvolvida por qualquer 
 termopar de metal homogêneo com suas 
 junções em duas temperaturas quaisquer, 
 T1 e T3, é a soma algébrica da f.e.m. do 
 mesmo termopar com suas junções à 
 temperaturas T2 e T3, respectivamente
 Efeito Termoelétrico ou Seebeck
 A junção de dois metais gera uma tensão 
 elétrica que é função da diferença de 
 temperatura entre junções
 Seebeck utilizou uma lâmina de 
 antimônio (A) e outra de Bismuto (B), e 
 como detetor da corrente "i" utilizou uma 
 bússola sensível ao campo magnético 
 criado pela corrente
 Efeito Peltier
 Fazendo se passar uma corrente elétrica, 
 por um par termoelétrico, uma das 
 junções se aquece enquanto a outra se 
 resfria
 O efeito Peltier pode ser definido como a 
 mudança no conteúdo de calor quando 
 uma quantidade de carga (1 C) atravessa a 
 junção metálica
 Efeito Thomson
 Um condutor, conduzindo uma corrente 
 elétrica (exceto supercondutores), 
 submetido a temperaturas diferentes em 
 suas extremidades, pode emitir ou 
 absorver calor, dependendo da diferença 
 de temperatura e da intensidade e 
 sentido da corrente elétrica
 tipos de termopares mais comuns
 Tipo J (Fe-constantan)
 Tipo K (cromel-alumel)
 Tipo T (cobre-constantan)
 Tipo E (cromel-constantan)
 Tipo C (W e Rh(5%) – W e Rh(26%)) 
 Tipo N (nicrosil-nisil)
 Tipo R (Pt - Pt e Ródio (13%))
 Tipo S (Pt – Pt e Ródio (10%))
 Tipo B (Pt(6%) – Pt e Ródio (30%))
 Compensação de junta fria
 Ao se medir a tensão de um termopar é 
 necessário conhecer bem os efeitos de 
 Seebeck, Thomson e Peltier, vistoque um 
 instrumento de medição (cabos de cobre) 
 sempre introduzirá ligas metálicas 
 intermediárias no circuito do termopar
 Termômetros de dilatação (sólido, 
 líquidos e gases)
 Termômetros bimetálicos
 São constituídos por duas tiras de metal 
 com coeficientes de dilatação diferentes 
 fortemente fixadas
 Quando aquecidas, uma tira se expandirá 
 mais que a outra, causando uma 
 deformação no conjunto
 Pode ser usado tanto como detector do 
 tipo on-off (i.e. termostatos), quanto para 
 indicar a temperatura sobre uma escala L = L0 * (1 + α * ΔT)
 L – Comprimento final à temperatura T (m)
 L0 – Comprimento à temperatura T0 (m)
 α - Coeficiente de dilatação linear
 ΔT - variação da temperatura T - T0
 Vantagens
 Baixo custo
 Simplicidade de funcionamento
 Facilidade de instalação e de manutenção
 Largas faixas de medição
 Possibilidade de ser usado com os 
 mecanismos de transmissão
 Desvantagens
 Baixa exatidão (± 1%)
 Não linearidade de indicação
 Grande histerese
 Presença de peças moveis que se desgasta
 Fácil perda de calibração
 Exemplo: Medir temperaturas de 
 motores marítimos, encaixados no poço 
 de proteção
 Termômetros de dilatação de líquidos
 São baseados no fenômeno de dilatação 
 aparente de um líquido dentro de um 
 recipiente fechado
 Com bulbo de vidro
 Constituído de um reservatório, cujo 
 tamanho depende da sensibilidade 
 desejada (bulbo), conectado a um tubo 
 capilar de seção o mais uniforme possível, 
 fechado na parte superior, graduado em 
 graus ou frações deste
 O reservatório em que o líquido está 
 contido se dilatará como ele e, como a sua 
 capacidade aumenta, a dilatação 
 observada para o líquido, será uma 
 dilatação aparente. A dilatação real do 
 líquido será maior do que a aparente, 
 observada
 É preciso que o reservatório tenha um 
 coeficiente de dilatação muito pequeno, 
 para que a dilatação aparente do líquido 
 torne-se praticamente igual à sua 
 dilatação real.
 Exemplo: Medição de temperatura 
 corporal
 Com recipiente metálico
 O líquido preenche todo o instrumento e 
 sob o efeito de um aumento de 
 temperatura se dilata, deformando um 
 elemento extensível, dito sensor 
 volumétrico (tubo de Bourdon)
 Mercúrio : temperatura entre -35°C e 
 550ºC
 Álcool - para temperatura entre -50°C e 
 150ºC
 Xileno - para temperatura entre -40°C e 
 400ºC
 Exemplo: Se encontra na indústria em 
 geral para indicação e registro, pois 
 permite leituras remotas e por ser o mais 
 preciso dos sistemas mecânicos de 
 medição de temperatura
 Termômetros de dilatação de gás ou 
 vapor com recipiente metálico
 Fisicamente idêntico ao termômetro de 
 dilatação de líquido, consta de um bulbo, 
 elemento sensor e capilar de ligação entre 
 estes dois elementos. Com a variação de 
 temperatura o gás ou vapor variam sua 
 pressão
 Exemplo:São utilizados para a medida 
 de baixas temperaturas, usando-se o gás 
 hélio
 Termômetros de resistência (PTC e NTC)
 Baseiam-se na variação da resistência 
 elétrica com a temperatura.
 Coeficiente de temperatura negativo (NTC)
 A resistência diminui com o aumento da 
 temperatura
 Coeficiente de temperatura positivo (PTC)
 A resistência aumenta com o aumento da 
 temperatura
 Termistores (thermal sensitive resistor)
 São resistores sensíveis a temperatura, 
 constituídos de materiais 
 semicondutores, normalmente óxidos 
 metálicos, aglutinados à alta temperatura
 Alta resistividade (>10kΩ), possibilitando a 
 construção de elementos de massa 
 diminuta
 Elevado coeficiente de variação de 
 resistência possibilitando a construção de 
 termômetros com faixa de utilização 
 bastante estreita (normalmente de 8 a 10 
 vezes o valor dos metais comuns)
 Grande robustez e durabilidade (ilimitada)
 Termistores tipo PTC
 Feitos de silício com diversas dopagens e, 
 por isso, são menos comuns. Possuem 
 características muito não lineares
 Termistores tipo NTC
 São os “termistores naturais” (óxidos 
 metálicos), e por isso são os mais comuns. 
 Possuem menor custo e são fortemente 
 não lineares
 Rt = R0 * 
 e ^ ( β * ( ( 1 / T) - ( 1 / T0 ) )
 R1 – resistência do termistor NTC (Ω)
 T – temperatura medida (K)
 T0 – temperatura de referência (e. g. , 
 25ºC) (K)
 R0 – resistência do termistor PTC na 
 temperatura de referência T0 (e. g. , 25ºC) (
 Ω)
 β é o coeficiente de temperatura do 
 termistor NTC e pode ser calculado por 
 meio de duas temperaturas de referência 
 (T1 e T2)
 β = ln( R1 / R2 ) / 
 ( (1 / T1) - ( 1 / T2 ) )
 Vantagens
 Robustez e Baixo custo (+/- R$1,00)
 Possui alta sensibilidade, (10000 a 1000 
 Ω - 25 a 100 oC) 
 Capaz de medir largura de faixa estreita 
 de até 5°C
 Mantém-se estável, precisa e calibrada 
 durante muitos anos
 Desvantagens
 Os bulbos (encapsulamento) dos RTDs são 
 maiores
 O tempo de resposta é elevado, 
 necessitando muitas vezes de
 compensação dinâmica
 Devido a necessidade de se ter uma 
 corrente elétrica circulando no RTD para 
 se obter a transdução temperatura/
 tensão, o RTD pode apresentar um auto 
 aquecimento gerando erro na medição de 
 temperatura
 Para minimizar o aquecimento, limita-se a 
 corrente no RTD em no máximo 1 mA, o 
 que proporciona d.d.p muito baixas
 Termômetros metálicos (RTDs- Resistence 
 Temperature Detectors)
 São construídos com fios metálicos, 
 geralmente enrolados em forma de 
 bobina. Todo metal, por sua vez, é um PTC
 É constituído de um fio muito fino, 
 enrolado sobre um suporte isolante que 
 pode ser de mica, vidro ou cerâmica. Este 
 conjunto é isolado e encapsulado em 
 vidro ou cerâmica, tornando a resistência 
 isolada eletricamente do meio ambiente, 
 e inserido em uma bainha metálica
 R = ( ρ * l ) / A
 ρt = ρ0 * ( 1 + α0 ( T - T0 ) )
 T – temperatura medida (oC)
 T0– temperatura de referência (oC)
 α0 – coeficiente de temperatura em T0 (°C-
 1)
 Rt = R0 * ( 1 + α0 ( T - T0 ) )
 RT – resistência final à temperatura T (Ω)
 R0– resistência à temperatura T0 (Ω)
 T – temperatura medida (oC)
 T0– temperatura de referência (oC)
 α0 – coeficiente de temperatura em T0 (°C-
 1)
 Ligação a 2 fios
 As resistências Rw são as resistências dos 
 fios e ambas estão em série com RTD. A 
 resistência aumenta quando a distância 
 do elemento sensor até o transmissor for 
 maior, a temperatura for maior e abitola 
 do fio menor R2 · R3 = R1 · (2RW + RTD)
 Ligação a 3 fios
 Quando a fiação entre a termoresistência (
 RTD) e o instrumento for grande
 R2 · (R3 + Rw) = R1 · (Rw + 
 RTD)
 Ligação a 4 fios
 Esta ligação é mais utilizada em medições 
 de laboratório e esporadicamente na 
 indústria, pois requer 2 medições e um 
 cálculo para o resultado
 Vantagens
 Alta precisão
 Não apresenta polaridade
 Pequena inércia térmica
 Boa precisão, dependendo da curva de 
 calibração implementada
 Desvantagens
 É fortemente não linear
 Sua precisão depende dos mecanismos 
 de linearização implementados
 Consiste de um sistema óptico, que foca a 
 energia emitida, e um detector, cuja saída 
 é proporcional à energia irradiada pelo 
 objeto menos a energia absorvida pelo 
 detector
 Qualquer corpo com temperatura acima 
 de 0K (−273ºC) emite radiação 
 eletromagnética devido ao movimento 
 (vibração) de seus átomos
 Esta radiação é denominada radiação 
 térmica e pode ser caracterizada por sua 
 intensidade ou por seu comprimento de 
 onda. O seu espectro se encontra na faixa 
 de 0.1 µm a 1000 µm
 A energia que incide em um objeto pode 
 ser absorvida, refletida ou transmitida
 Calor transferido (emitido) por radiação
 qemitida = qabsorvido = 
 α * qincidente
 Corpo cinza
 Corpo cuja ε não varia com o 
 comprimento de onda
 Corpo não-cinza
 Corpo cuja ε é variável com o 
 comprimento de onda
 Emissividade ε = Gi / Gcn
 Gi – radiação térmica irradiada por uma 
 superfície.
 Gcn – radiação térmica irradiada por um 
 corpo negro sobre mesmas condições
 Energia emitida
 Radiação emitida pela superfície de um 
 corpo negro é proporcional a quarta 
 potência da temperatura absoluta
 Corpo negro q = σ * ( Ts ^ 4 )
 q – radiação emitida por unidade de área 
 ( W / ( m ^ 2) )
 σ – constante de Stefan-Boltzman (5,
 67x10^-8 W / ( m^2 * K^4) )
 Ts – temperatura da superfície (K).
 Corpo real (não-negro) q = σ * α * ( Ts^4 - Tviz^4 )
 α – absortividade (igual a emissividade)
 Tviz – temperatura da vizinhança (K)
 Consiste de um sistema óptico, que foca a 
 energia emitida, e um detector, cuja saída 
 é proporcional à energia irradiada pelo 
 objeto menos a energia absorvida pelo 
 detector
 Termômetros (Pirômetros) óticos
 Termômetros (Pirômetros) Infravermelhos
 Operam baseados na lei de Stefan-
 Boltzmann, que diz que a intensidade da 
 energia radiante emitida pela superfície 
 de um corpo negro aumenta em 
 proporção à quarta potência da 
 temperatura absoluta do corpo
 Medem na faixa de 0ºC a 4000ºC, 
 captando a energia radiante no espectro 
 infravermelho. Eventualmente podem 
 abranger o espectro visível e o início do 
 espectro ultravioleta
 A medição da temperatura é obtida pela 
 comparação visual das radiações ópticas 
 do filamento contra a fonte de calor a 
 medir
 Medem temperaturas de corpos sólidos 
 acima de 600ºC, em que o material 
 começa a emitir radiação no espectro 
 visível (incandescência)
 A estas temperaturas os objetos sólidos 
 irradiam energia suficiente na faixa 
 visível (comprimento de onda entre 400 e 
 700nm) para permitir a medição ótica 
 com base no chamado fenômeno da cor 
 do filamento
 A cor com que brilha um objeto quente 
 varia com a temperatura, do vermelho 
 escuro ao amarelo e quase atinge o 
 branco para aproximadamente 1300ºC
 Exemplo: Verificação de temperatura de 
 câmaras frigoríficas e refrigeradores em 
 supermercados e verificação de conexões
 elétricas folgadas, que
 produzem calor
 Materiais sensores piroelétricos são 
 normalmente materiais dielétricos com 
 um momento do dipolo dependente da 
 temperatura
 Quando elementos piroelétricos 
 absorvem energia térmica, estes se 
 expandem ou contraem, induzindo sinais 
 secundários piezoelétricos. A corrente de 
 saída produzida é proporcional a taxa de 
 variação da temperatura (ΔT) Passive InfraRed Sensor
 Detectam somente a variação de 
 temperatura
 Baseado na medição da distribuição da 
 temperatura superficial de um objeto 
 através da detecção da radiação 
 infravermelha emitida por ele
 Técnica não-destrutiva utilizada para 
 medir as temperaturas superficiais ou 
 observar padrões diferenciais de 
 temperatura com o objetivo de 
 proporcionar informações relativas a 
 condição operacional de um 
 componente, equipamento ou processo
 Exemplo: Manutenção preditiva de 
 sistemas elétricos e monitoramento de 
 sistemas mecânicos como rolamentos e 
 mancais de
 motores, vazamentos de vapor, etc