Nota Técnica Código NT-007 Revisão 00

Data 05/2013 Paginação 1 de 11

Titulo Medidores Mecânicos de Temperatura

Autoria Analógica Instrumentação e Controle Campo Aplicação Analógica, clientes e outras partes interessadas

1. INTRODUÇÃO

Temperatura é uma grandeza cujos valores não podem ser diretamente determinados, e, por isso, sua mensuração é realizada a partir dos efeitos e estímulos que ela provoca nas propriedades físico-químicas dos materiais. Nesta Nota Técnica são tratados os medidores de temperatura que operam por efeitos mecânicos, ou seja, aqueles relacionados às variações de propriedades que causam alterações dimensionais do elemento sensor, tanto a linear quanto a volumétrica, devido a dilatação ou contração térmica. Duas condições são impostas à operação dos medidores mecânicos de temperatura, que os levam à classificação como medidores de contato:

• a necessidade do contato físico entre o elemento sensor e o objeto/meio cuja temperatura se deseja medir;

• o alcance, no tempo, do adequado de equilíbrio térmico entre o elemento sensor e o objeto/meio cuja temperatura se pretende medir.

São exemplos de medidores mecânicos de temperatura:

• Os termômetros de dilatação volumétrica de líquidos, grupo que inclui os termômetros de liquido em vidro (TLV) e os de bulbo cheio;

• Os termômetros de dilatação de sólidos, como os bimetálicos e os de dilatação linear de barras;

• Os termômetros de pressão gás de vapor, que, grupo que nesta NT-007 somente abrange os termômetros aplicados em processos industriais e de uso comum no mercado. Vale aqui mencionar que nesse grupo também se incluem os termômetros científicos e altamente complexos, que são utilizados em laboratórios de física e institutos nacionais de pesquisa e metrologia ensaios de definição das temperaturas termodinâmicas que são atribuídas aos pontos fixos da Escala Internacional de Temperatura de 1990 – ITS90.

Não obstante a grande expansão no uso de medidores de temperatura que nativamente operam com base em sinais elétricos, tais como os que utilizam termopares, termoresistências e termistores como elementos sensores, os medidores mecânicos também possuem certas características que os tornam convenientes, adequados em diversas aplicações. Por exemplo, não dependerem de baterias ou outras fontes de energia elétrica para alimentação; podem ter baixo custo, ou, ainda, podem ser os mais adequados e insubstituíveis quando usados como dispositivos de redundância em processos que exigem alta segurança operacional e imunidade eletromagnética. Nos tópicos seguintes são apresentados os tipos mais comuns de medidores mecânicos. O nível de detalhamento nesta NT-007 foi estabelecido com base na percepção do mercado que demanda cada tipo de medidor. Nas referências bibliográficas são encontrados maiores detalhes para tipos específicos desse grupo de termômetros.

2. TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA DE LÍQUIDOS.

O principio funcional dos termômetros de dilatação volumétrica de líquidos é a expansão ou contração volumétrica do líquido (ou gases), em função da variação de suas temperaturas. Trata-se de um conhecimento muito antigo, utilizado ancestralmente na concepção e na fabricação dos primeiros termômetros registrados na história da termometria. No Artigo Técnico ART-002 são apresentados maiores detalhes do histórico da termometria e dos primeiros termômetros. A expressão matemática que estabelece a correlação entre a dilatação volumétrica e a temperatura pode ser definida por:

onde: Vt =V0[1+β1(Δt)+β2 (Δt)

2 +β3(Δt)3]

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t = temperatura do líquido em ˚C; t0 = temperatura de referência do líquido (normalmente 0˚C ou K); V0 = volume do líquido à temperatura de referência; Vt = volume do líquido à temperatura t/˚C; β1, β2, e β3 = coeficientes de expansão do líquido; Δt = t/˚C – t0/˚C.

Teoricamente, devido a existência dos termos de segunda e terceira ordens, esta relação é não fielmente linear. Entretanto, para a maioria das aplicações práticas na termometria, os termos de segunda e terceira ordens são desprezíveis, e, na prática, a relação pode a ser tomada como linear, com aplicação da seguinte equação:

2.1. Termômetro de Líquido em Vidro - TLV

Termômetro de Liquido em Vidro, conhecido em português pela sigla TLV, é um medidor mecânico de temperatura que opera com base na dilatação volumétrica de um líquido, denominado líquido termométrico. Trata-se de um dispositivo com origem muito antiga, utilizado muito antes da descoberta da eletricidade. O princípio funcional foi descoberto por Galileu Galilei por volta de 1590 e materializado, no que passou para a história, como Termoscópio de Galileu. Há registros históricos de que o artefato foi posteriormente bastante aprimorado por Ferdinando II (Duque da Toscana) e pelo professor da Escola de Pádua, Santorio Santorii. Mas, notadamente, credita-se ao físico, comerciante e inventor alemão-polonês Daniel Gabriel Fahrenheit (Amsterdã-1724) o mérito de tornar o dispositivo um verdadeiro instrumento metrológico. O TLV talvez seja o artefato mais conhecido para medição de temperatura entre a população leiga em termometria.

2.1.1. Aplicação dos Termômetros de Líquido em Vidro

TLV’s são artefatos com uso generalizado na termometria, principalmente quando se trata de medições de temperatura feitas na faixa da água, ou seja, no intervalo de 0˚C a 100˚C. Durante séculos os termômetros de vidro reinaram em posição de destaque, porém, nas últimas décadas vêm perdendo essa posição para os medidores elétricos, que baixaram de preço e vêm se popularizando. Não obstante ao crescimento dos outros tipos de termômetros, o TLV continua a ser um dispositivo muito utilizado na ciência, nas atividades comerciais, e, com certas limitações, na indústria. É instrumento básico em laboratórios químicos, clínicos e biológicos. Tem vasta aplicação no seguimento dos alimentos e em atividades domésticas. Essa demanda se justifica pela pelo baixo custo do artefato, pela facilidade de compra no mercado, e, notadamente, pela facilidade intuitiva de uso. Outra característica importante do TLV é sua independência quanto a alimentação elétrica e pelo o fato de integrar, no mesmo artefato, os elementos sensor e indicador. TLV’s são medidores indicados para uso em diversos tipos de ensaios normalizados nas áreas de física, química e biologia. É comum que essas especificações seja referenciadas a códigos de entidades de normatização, tais como ABNT, ASTM, ASME, DIN, BS, dentre outras. A título de exemplo, a ASTM tem cerca de duas centenas de termômetros indicados para ensaios normatizados, nos quais a temperatura é grandeza a ser medida.

2.1.2. Forma Construtiva.

Há um amplo e diversificado universo de TLV’s. No mercado existe uma grande variedade de tipos, diversos formatos e um variadíssimo campo de aplicação. A maioria dos termômetros possui todas ou a boa parte das partes construtivas que são mostradas na Figura 2.1.1.

Vt =V0[1+β1(Δt)]

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As funções dessas partes são sinteticamente descritas a seguir. a) Bulbo. Reservatório que armazena o líquido termométrico, devendo estar totalmente cheio à

temperatura ambiente, sem conter qualquer bolha de gás. b) Haste. Constitui o corpo principal do termômetro e envolve o capilar. Há termômetros de haste

simples (sólida), que são os mais comuns, onde a escala é gravada na superfície externa da haste e o capilar é um furo interno central. Alguns termômetros possuem haste dupla (escala por dentro): uma externa, que apenas serve capa-invólucro para uma segunda haste, interna, que contém o capilar. Neste caso, a escala é gravada em régua auxiliar fixada entre as duas hastes. T

c) Câmara de Contração. É formada por um alargamento do capilar entre o bulbo e o início da escala, ou entre o bulbo e a escala auxiliar. Serve para prevenir que o líquido termométrico rotineiramente contraia inteiramente para dentro do bulbo, podendo gerar bolhas de ar na coluna do líquido termométrico dento do capilar.

d) Câmara de Expansão. Alargamento do furo capilar após a escala (no topo do termômetro), que serve para evitar a deformação ou a quebra por explosão do termômetro em decorrência de sobre-pressão, caso ocorra um aquecimento acima da faixa do termômetro.

e) Menisco. Parte superior da coluna residual de mercúrio. f) Escala Principal: Escala com graduação em unidades de temperatura, cobrindo a faixa de

temperatura em que o termômetro opera. g) Escala Auxiliar: Escala secundária existente em alguns tipos de termômetros, normalmente nos

de melhor qualidade e desempenho, utilizada para verificação de sua conformidade metrológica do termômetro no ponto de referência, tipicamente no ponto do gelo (0˚C). A escala auxiliar deve possuir, no mínimo, cerca de 10 divisões equivalentes à resolução, sendo 5 acima e 5 abaixo.

Alguns aspectos construtivos dos TLV’s são relevantes quando se avalia a qualidade, o desempenho e os dotes para determinadas aplicações. Para os fins desta NT-007 são destacados e discutidos os seguintes aspectos:

• Aplicação. • Forma construtiva. • Classe de exatidão. • Tipos, quanto ao modo de imersão. • Tipos e características dos vidros utilizados na fabricação; • Tipos e características dos líquidos frequentemente empregados; • Uniformidade diametral do capilar; • Faixas típicas de construção (range) e divisão (graduação) de escala (resolução). • Formatos, comprimentos e proteção. • Recomendações de Uso e Armazenamento. • Calibração.

2.1.3. Classe de Exatidão.

Embora muitos usuários de TLV’s nem se atentem para a questão, e, de fato ela possa ser irrelevante em boa parte das aplicações, aos melhores termômetros de líquido vidro são classificados por

Figura 2.1.1 – Vista Geral do Termômetro de Liquido em Vidro

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“classes de exatidão”, definidas por Norma. Por exemplo, a Organização Internacional de Metrologia Legal (OIML), em sua recomendação R-133, define a a classificação mostrada no Quadro 2.1.1:

Quadro 2.1.1 - Classe de Exatidão de TLV

(OIML R 133) Classe Máximo erro permitido

A ± 0,1 B ± 0,2 C ± 0,5 D ± 1,0 E ± 2,0 F ± 5,0

Cabe aos fabricantes de TLV definirem a faixa de medição para a qual a classe de exatidão é aplicada, e, consequentemente, a graduação da escala deve refletir essa exatidão, inclusive em seus extremos. Bons termômetros devem ter graduações que permitam uma estimativa do valor equivalente a metade de uma divisão.

Deve-se salientar que existem termômetros de grande resolução (milésimos) e muito boa exatidão (décimos e centésimos(, inclusive para uso como padrão em atividades de calibração e certificação metrológica.

2.1.4. Tipos, Quanto ao Modo de Imersão.

À exceção de termômetros projetados para uso específico, os convencionais são concebidos, projetados e confeccionados para operar em três diferentes tipos de imersão, que são:

• Termômetros para imersão parcial; • Termômetros de imersão total; • Termômetros de imersão completa.

2.1.4.1. Termômetro de Imersão Parcial.

São os termômetros projetados para apresentar medidas corretas quando o bulbo e parte da haste são imersos até uma linha demarcatória gravada na haste, denominada linha de imersão. Essa condição e mostrada na Figura 2.1.2. A forma mais simples de identificar esse tipo de termômetro é observar a existência da linha de imersão gravada na haste. Se utilizado sem observar essa característica de projeto, as leituras podem apresentar erros comprometedores para a exatidão estabelecida para esse tipo de termômetro.

2.1.4.2. Termômetro de Imersão Total.

Os termômetros de imersão total devem ser imersos no meio cuja temperatura se deseja medir até a uma posição cerca de uma ou duas divisões abaixo do menisco, de modo que a leitura possa ser corretamente realizada. Nessas condição, tanto o bulbo quanto a coluna do líquido termométrico até o menisco ficam imersos, conforme mostrado na Figura 2.1.2. Caso essa condição de imersão não possa alcançada, ou seja, se parte da coluna do líquido termométrico até o menisco fique acima da linha de imersão, a temperatura média dessa coluna, denominada de coluna emergente, deve ser aplicada uma correção matemática da leitura, que depende das propriedades do líquido termométrico.

2.1.4.3. Termômetro de Imersão Completa.

Termômetros de imersão completa somente operam corretamente quanto completamente imersos no meio cuja temperatura se deseja medir, conforme mostrado na Figura 2.1.2. A leitura deve ser feita na condição de imersão completa, sobe pena de ser afetada caso o termômetro seja removido para

Figura 2.1.2 - Tipos de Imersão

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leitura. Caso um termômetro de imersão completa seja utilizado em condição de elevada pressão hidrostática, os efeitos dessa pressão podem afetar seu desempenho e acarretar erros, que dificilmente podem ser mensurados e corrigidos.

2.1.5. Tipos de vidros utilizados

Termômetros são confeccionados com diversos tipos de vidros, e, da escolha resulta, propriedades físicas que afetam a faixa de uso, a estabilidade de curto e longo prazos, a resistência ao choque térmicos, o custo, dentre outras. O Quadro 2.1.2 mostra algumas dessa propriedades. Termômetros muito simples e baratos são confeccionado com vidros comerciais à base de carbonato de sódio, conhecido como vidro soda. Os mais sofisticados e caros podem ser confeccionados em quartzo puro (SiO2), ou vidros nobres que apresentam desempenho muito próximo ao do quartzo, como o Vycor®. O vidro mais utilizado para construção de bons TLV’s é o borosilicato, composto por 80%SiO2, 13%B2O3; 4%Na2O e (2 a 3%)Al2O3, com algumas marcas bastante conhecidas, como Pyrex®, Duran® e outros.

Quadro 2.1.2 - Propriedades dos Vidros Usados na Confecção de TLV’s

Propriedade Soda Borosilicato Óptico Quartzo

Temperatura de Transição °C 573 536 ~540 1140

Coef. Expansão Térmica (ppm/K) 9 3.5 7 0.55

Índice de Refração a 20 °C 1.518 1.473 1.650 1.459

Temperatura de Fusão °C 1040 1070 -- 1715

O tipo de vidro e os tratamentos físicos aos quais o vidro é submetido são fatores críticos para o bom desempenho operacional dos termômetros. Vidros com baixo coeficiente de expansão térmica é garantia de alta imunidade ao choque térmico. Vidros que apresentam elevando módulo de Young assegura baixa deformação permanente e melhora a reprodutibilidade das medidas. Viscosidade, por sua vez, é fator importante nos processos de produção. Quanto às boas práticas de preparação do vidro, tratamentos térmicos de recozimento e de envelhecimento são técnicas que melhoram muito as propriedades do vidro para seu melhor desempenho nos termômetros. Tradicionalmente, termômetros feitos com vidros de alta qualidade, envelhecidos e termicamente bem tratados são mais caros, e, como o preço impacta todo a cadeia de produção e de comercialização, esses termômetros são aplicados em atividades mais nobres.

2.1.6. Líquidos Termométricos

Alguns líquidos apresentam propriedades físico-químicas que os tornam mais adequados ao uso em TLV’s, e, por serem tradicionalmente empregados nessa aplicação, são conhecidos em termometria como “líquidos termométricos”. O álcool etílico e o mercúrio são os mais conhecidos, mas o tolueno, e o pentano também são utilizados. Curiosamente, os primeiros termômetros foram enchidos com uma bebida disponível à época, o spirit, e por isso, o nome “termômetro de spirit” ainda é encontrado em fontes bibliográficas antigas.

O Quadro 2.1.3 apresenta a faixa de utilização dos principais líquidos termométricos.

Quadro 2.1.3 - Faixa de Uso dos Principais Líquidos Termométricos

Liquido Ponto Solidificação (˚C)

Ponto Vapor (˚C)

Faixa de Uso (˚C) Obs.

Mercúrio -39 357 -38 a 500 Tóxico Álcool Etílico -115 78 -100 a 70

Tolueno -92 110 -80 a 100 Nota: Há outros líquidos orgânicos que podem sem utilizados para cobrir faixa de -200˚C a 200˚C.

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Para o caso do mercúrio, cuja faixa normal é de - 38 a 350ºC, pode-se elevar este limite até 500ºC mediante emprego de vidro adequado e injeção de um gás inerte sob pressão, o que evita a vaporização do mercúrio. Vale salientar que o mercúrio é um metal tóxico, que sofre atualmente sérias restrições de uso. O uso de termômetros de mercúrio deve ser cuidadoso e considerar que, no caso de quebra, o mercúrio deve ser recolhido, armazenado e corretamente descartado. Se houver vazamento, os resíduos do mercúrio devem ser eliminado capturados, sendo recomendado o uso de técnicas amalgamento que são bem descritas na literatura. O álcool pode receber um corante para melhorar a visualização da coluna e do menisco. O tempo de resposta dos termômetros que utilizam líquidos orgânicos (álcool, tolueno, etc.) é sempre maior que o dos que utilizam mercúrio. Isso se deve à maior força de adesão do líquido orgânico às paredes do capilar, o que exige maior tempo para a drenagem e estabilização da coluna, notadamente, em medições feitas em baixas temperaturas.

2.1.7. Uniformidade Diametral do Capilar.

A uniformidade diametral do capilar é uma característica fundamental para a linearidade e para exatidão do termômetro, justificado a afirmação de que um bom termômetro deve, necessariamente, possuir um capilar bem uniforme e com paredes lisas. A uniformidade condiciona a linearidade e a lisura das paredes diminui o tempo de resposta e minimiza as quebras da coluna do liquido termométrico devido a vibrações mecânicas ou contração rápida no resfriamento. Por outro lado, como a sensibilidade dos termômetros é uma função dependente da relação entre o volume do bulbo (reservatório) de o diâmetro do capilar, quanto maior for essa relação, maior será a sensibilidade de do termômetro. TLV’s muito sensíveis possuem bulbos grandes e capilares finos, combinação que leva a duas importantes observações: os termômetros ficam mais sujeitos a quebras do bulbo devido a maior peso/quantidade de liquide armazenado, principalmente para termômetros de mercúrio e maior dificuldade de leitura, devido a diminuição do diâmetro da coluna.

2.1.8. Faixas de Uso e Graduação de Escala.

Termômetros de vidro são produzidos para operar em diversas faixas operacionais (ranges) e de divisão (graduação) de escala. Há diversas faixas padronizadas para uso em ensaios específicos, por exemplo, as faixas especificadas para os termômetros codificados pela ASTM (American Society for Testing Materials) para atender a requisitos de centenas de ensaios físicos, químicos e biológicos. As faixas de operação são condicionadas, principalmente, pelo tipo de líquido termômetro do enchimento. Assim termômetros de mercúrio podem ser encontrados para uso entre -38˚C a 500˚C, porém, nunca com cobertura de toda essa faixa. Termômetros enchidos com os líquidos orgânicos tradicionais operam entre –100˚C a 200˚C, mas no mercado comum essa faixa é reduzida para valores entre -100˚C a 100˚C. No Quadro 2.1.4, com base em padronização estabelecida pela STM, são apresentados alguns exemplos de termômetros projetados para aplicações gerais e específicas, com informações sobre códigos, faixas, graduações, tipos de imersão e campos de aplicação.

Quadro 2.1.4 - Faixas Típicas de Termômetros ASTM Código Faixa (˚C) Graduação Comprimento Imersão Aplicação

ACC001C -20 até +150°C 1.0°C 327mm Imersão Parcial – 76mm Uso geral ACC019C +49 até +57°C 0.1°C 280mm Total Viscosidade Saybolt ACC115C 5˚C ou 6°C 0.01°C 640mm Não aplicável Termômetro de Beckman ACC117C +23.9 até +30.1°C 0.01°C 614mm Total Bomba Calorimétrica ACC036C -2 até +68°C 0.2°C 410mm Imersão Parcial - 45mm Teste de Titulação ACC045F +74.5 até +79.5°F 0.1°F 310mm Total Viscosidade Cinemática ACC087F +300 até +400°F 1.0°F 175mm 40mm Consumo Líquido Refrigerante

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Notadamente, as graduações são unitária (1°C /°F); 1/2 grau (0,5˚C/˚F); 1/5 grau (0,2˚C/˚F); decimal (0,1˚C/˚F) e centesimal (0,01˚C/˚F).

2.1.9. Formato, Comprimento e Proteção.

Termômetros de líquido em vidro são encontrados no mercado brasileiro e internacional numa grande variedade de formatos e comprimentos. Também podem ser acondicionados em diferentes tipos de proteção. Algumas dessas características são atributos requeridos no uso, outros são introduzidos pelos fabricantes como diferencias de apelo comercial. Quanto ao comprimento, os termômetros clínicos podem muito curtos, a exemplo dos termômetro clínicos que variam em torno de 100mm, e longos como o termômetro de Beckman, que mede 640mm. Além de requisitos de aplicação, a faixa de medição e a graduação são variáveis que condicionam o comprimento dos termômetros. No Quadro 2.1.4 pode ser observado termômetros como comprimentos entre 175 e 640mm. Alguns tamanhos mais comuns são: (175; 217; 242; 280; 305; 310, 315; 327; 384; 390; 395; 310; 400; 425; 600 e 640) mm. No que tange à proteção, há termômetros parcialmente ou quase totalmente envoltos em bainha (capa) de proteção, cuja finalidade é proteger o termômetro contra fontes externas de avaria. Diversos materiais são utilizados na fabricação dessas bainhas, com destaque para a borracha, o PVC, o silicone e o teflon. Também são encontradas bainhas metálicas de alumínio, latão e aço inoxidável. A Figura 2.1.3 ilustra tipos de bainhas aplicadas e diferentes tipos de termômetros.

Figura 2.1.3 – Exemplos de Termômetros com Bainha de Proteção

2.1.10. Recomendações de Uso e Armazenamento

Termômetro de vidro é um artefato frágil por natureza. Por decorrência, seu uso e seu armazenamento requerem cuidados especiais, seja para evitar quebra ou para minimizar problemas operacionais, como quebra da coluna do líquido termométrico. São cuidados importantes para manuseio e a preservação dos termômetros: a) Evitar choques mecânicos que possam provocar quebras ou fissuras. Para termômetros de

mercúrio com reservatório grandes, o perigo de quebra é maior, devendo ser evitados movimentos bruscos do termômetro;

b) Evitar choques térmicos. Choques térmicos podem causar quebras, fissuras, perda da calibração; c) Sempre armazenar o termômetro com a haste inclinada, com bulbo para baixo, para evitar a

quebra da coluna; d) Evitar utilizações em temperaturas muito abaixo ou acima da faixa da escala; e) Antes do uso, proceder a uma inspeção visual do termômetro. Nessa inspeção, observar a

existência de fissuras, quebra da coluna do liquido termométrico, existência de bolhas de ar no bulbo ou na coluna. Também é importante identificar o termômetro quanto ao tipo imersão para definir seu uso correto. (Ver item 1.1.5).

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2.1.11. Calibração de TLV’s.

A calibração de TLV’s pode ser feita em pontos fixos de temperatura ou por comparação com um padrão utilizando um meio térmicos estável.

2.2. Termômetro de Expansão Liquido com Tubo Capilar.

São termômetros que operam a partir da variação da pressão de um liquido dentro um circuito fechado (volume constante), formado por um bulbo, um tubo capilar e um dispositivo indicador, quando um liquido expande ou contrai, volumetricamente, devido a variações de temperatura. O mecanismo indicador mais utilizado para esse fim e o tubo Bourdon para converter as variações da pressão em movimento de giro de um ponteiro sobre uma escala graduada em temperatura. As figuras abaixo mostram imagem e diagrama operacional desse tipo de termômetros.

Figura 2.2.1 – Imagens de Termômetros Liquido com Capilar

2.2.1. Características Construtivas

Termômetros de expansão de liquido com capilar metálico são fabricados em diversos formatos, com escalas compatíveis com o liquido termométrico utilizado. Como a força mecânica dos tubos de Bourdon são expressivas, alguns modelos são dotados com chaves elétricas para acionamentos, ponteiros de arraste para temperaturas máximas e mínimas e outros arranjos operacionais. Certos modelos possuem recurso para ajuste da temperatura indicada, o que permite a correção de erros sistemáticos e melhoria da exatidão da medida.

A maioria dos termômetros de expansão de liquido com capilar metálico têm seu circuito de medição preenchido por líquido termométrico com propriedades físico-químicas adequadas, sendo muito comum o uso de álcool, tolueno ou mercúrio. A uniformidade diametral do capilar é uma característica importante para a linearidade e a exatidão do termômetro. O tempo de resposta desses termômetros são longos, podendo a estabilidade demandar vários minutos.

2.2.2. Principais Aplicações.

São termômetros adequados para uso em máquinas mecânicas, processos de refrigeração industrial e ar condicionado, alimentos, áreas de caldeiras e similares. É requisito importante a instalação em locais de fácil acesso, já que a leitura é sempre local. As faixas de operação são condicionadas, principalmente, pelo tipo de liquido de enchimento. Assim termômetros podem ser encontrados para uso entre -38˚C a 500˚C, porém, nunca com cobertura de toda essa faixa. Termômetros enchidos com os líquidos orgânicos operam entre –100˚C a 200˚C, com grande amplitude entre -100˚C a 100˚C.

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3. TERMÔMETROS A GÁS

Termômetros a gás são instrumentos que medem temperatura com base nos princípios termodinâmicos, os mesmos utilizados para definição das temperaturas dos pontos fixos definidores da Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90). Quando projetados para uso industrial e aplicações similares, mantêm os aspectos construtivos semelhantes aos dos termômetros de expansão de líquido com tubo capilar, tendo como diferença fundamental o fluido de enchimento, que deixa de ser um liquido e passa a ser um gás. Quando aplicados nos estudos e pesquisas termodinâmicos no campo científico e da ciência básica, os instrumentos tomam forma de montagens complexas, envolvendo muitos componentes.

3.1. Princípio de Funcionamento

Os termômetros à pressão de gás operam como base na lei dos gases ideais (gases perfeitos), notadamente, a partir das simplificações e considerações propostas por J. A. C. Charles e L. J. Gay-Lussac, cujos estudos demostraram que a pressão de um gás ideal é proporcional à sua temperatura termodinâmica, desde que o volume de confinamento seja mantido constante. Uma característica importante é esta lei, para os fins práticos, independe do gás, e a relação é substancialmente linear ao longo de um amplo intervalo de temperatura. O mesmo não ocorre no caso da expansão térmica dos líquidos, cujas características variam consideravelmente, tanto em função função da composição de um líquido, quanto da temperatura.

PV = nRT, onde: P é a pressão do gás; V o volume ocupado; T sua temperatura termodinâmica; n a quantidade do gás em moles e R a constante universal dos gases, cujos valores são expressos no quadro abaixo, em diversas unidades de medidas.

A equação matemática utilizada na termometria, que expressa a lei dos gases ideais, pode ser assim parametrizada:

P1/T1 = P2/T2 = ... Pn/Tn, onde: P1; P2; ... ; Pn = são as pressões absolutas do gás; T1; T2; ... ; Tn = são as temperaturas termodinâmicas (Kelvin) do gás.

Verifica-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura absoluta, desde que o volume seja mantido constante. Dessa forma, os termômetros de gás que operam por esse em última análise, manômetros com escalas correlacionadas unidades de temperatura. Mesmo considerando que os gases reais têm comportamento diferente dos gases ideais, para os quais o embasamento teórico foi desenvolvido. A baixas pressões, as diferenças são insignificantes e não afetam os resultados práticos na metrologia e na engenharia.

3.2. Mercado e Aplicações dos Termômetros a Gás.

Na ciência básica os termômetros de gás são aplicados em medições de cunho científico, como por exemplo, para definição da temperatura a ser atribuída ao um ponto de transformação de fase de um metal ou outra substância (ponto fixo). Via de regra, são montagens laboratoriais complexas, como a mostrada na figura ao lado, que exigem a interconexão de diversos componentes discretos, como vidrarias, tubulações e medidores. Estas montagens se aplicam majoritariamente às medições científicas, notadamente, quando o objetivo demanda grande exatidão e não têm cunho prático para as aplicações de engenharia.

Nota: Gás ideal é um gás virtual, com molécula de volume zero, que respeita a constante universal dos gases, matematicamente assim quantificada:

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Há no mercado, nacional e internacional, diversos fabricantes de termômetros a gás, desde modelos muito simples e de baixo custo, até outros, mais bem elaborados, dotados com capacidade para chaveamento elétrico e caros. Na engenharia, os termômetros de gás têm virtudes que os posicionam como melhor opção em certas aplicações, pois operam com base em princípio físico termodinâmico, são normalmente imunes às perturbações elétrica e magnéticas, são muito robustos e de simples operação.

4. TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE SÓLIDOS

São termômetros (e acionadores) são instrumentos que operam a partir da dilatação ou contração linear (variação do comprimento) dos materiais, normalmente os metais, em função da variação da temperatura. A equação básica que descreve essa relação é descrita abaixo: Lt = Lo (1 + α Δ t), onde:

t = temperatura do metal em ºC t0 = temperatura de referência do metal em ºC (normalmente 0ºC) L0 = comprimento do metal à temperatura de referência Lt = comprimento do metal à temperatura t em ºC α = coeficiente de dilatação linear Δt = t – t0

Na engenharia esse principio funcional é utilizado em termômetros e acionadores para indicação, controle e alarmes de temperatura. Na sua forma mais primária, o efeito é aproveitado diretamente na variação de comprimento de uma barra metálica, que, ancorada em um dos lados, ao dilatar ou contrair, aciona um disposto mecânico (chave elétrica, ponteiro, etc.) na outra extremidade. Com o barateamento dos dispositivos eletrônicos, esses acionadores têm perdido mercado, mas podem ser muito úteis como dispositivos de redundância na instrumentação de processo, já que independem de alimentação, são imunes a interferências elétrica e magnéticas, são muito robustos e operacionalmente confiáveis. Dentre as diversas formas de aproveitamento do movimento linear da dilatação, a que utiliza o diferencial de movimento entre metais com diferentes coeficientes de dilatação (dispositivos bimetálicos) é a mais utilizada.

4.1. Termômetros Bimetálicos

Baseado no princípio de que dois metais, com diferentes coeficientes de dilatação, dilatam de forma desigual quando submetidos a variação da temperatura, os termômetros bimetálicos majoritariamente operam com elementos sensores formados por duas lâminas metálicas, sobrepostas, fixadas entre si por rebitagem, brasagem ou soldagem, formando uma peça com uma estrutura bimetálica. Essas estruturas são cortadas e conformadas, tipicamente na forma de um helicoide, para formar artefatos (elementos) que se movem (dobram ou enrolam) em função da variação da temperatura. Numa forma de montagem bastante comum, uma das extremidades da estrutura bimetálica (lâmina ou hélice) é presa a uma estrutura fixa, e a outra, ligada a um dispositivo mecânico que arrasta um ponteiro sobre uma escala graduada. Como base nesse princípio operacional, além do uso para construção de termômetros, também são fabricados diversos tipos de chaves elétricas liga-desliga, atuadores mecânicos em válvulas térmicas, reguladores de temperatura em torneiras, etc.

4.1.1. Metais Utilizados e Formas Construtivas dos Termômetros Bimetálicos

A princípio, quaisquer dois metais com diferentes coeficientes de dilatação podem ser utilizados para fabricação de termômetros bimetálicos. Não obstante, ligas específicas ganharam preferência e passaram a ser dominantemente empregadas para essas aplicações. Destaca-se a liga comercialmente denominada Invar, composta por 64%Fe-36%Ni como metal com baixo coeficiente de dilatação e o latão, como metal de alto coeficiente de dilatação. Em aplicações em temperaturas elevadas, metais ligas com grande resistência à temperatura podem ser aplicadas, como níquel ou ligas de níquel. A tecnologia aplicada para interligação entre os metais para gerar o movimento

Nota Técnica Código NT-007

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mecânico a partir da dilatação diferencial é um atributo da qualidade e do desempenho do elemento bimetálico. Algumas técnicas são utilizadas, sendo a brasagem a mais difundida. Também são encontrados elementos rebitados e soldados, embora a soldagem gere problemas decorrentes da inserção de um terceiro metal no processo.

Figura 4.1 – Imagens de Termômetros Bimetálicos Fonte: Internet

4.1.2. Utilização dos Termômetros Bimetálicos

Estes termômetros têm aplicação similar às dos termômetros de vidro, porém, por serem resistentes, admitem condições de trabalho mais pesados. São utilizados para medir temperaturas na faixa de -50 a 500ºC com precisão de 1 a 2%. O tempo de resposta é lento, dependendo as dimensões e massa da haste.

4.1.3. Recomendações de Instalação dos Termômetros Bimetálicos

a) Utilizar sempre poço protetor metálico para evitar corrosão, dar proteção mecânica e permitir manutenção com o processo em operação.

b) Em baixa temperatura a caixa do termômetro bimetálico deve ser hermeticamente selada para evitar que a penetração da umidade venha a formar gelo, prejudicando os componentes internos do instrumento.

c) Para evitar erros devido à temperatura ambiente, o bimetálico deve estar completamente imerso no fluido.

d) A velocidade do fluido deve ser alta a fim de assegurar uma rápida transferência de calor.

4.2. Dispositivos de Dilatação Linear

Alguns dispositivos são projetados para operar apenas com base na dilatação linear de um metal (barra, lâmina, chapa, etc.) para alcançar um determinado propósito, seja para indicação da temperatura ou para produzir acionamento mecânico para uma diversificada gama de aplicações.

5. BIBLIOGRAFIA

1. www.Wikipedia.org 2. Quinn, T. J.: Temperature. Academic Press: London, 1990 3. Nicholas, J. V. and White, D. R.: Traceable Temperatures. John Wiley & Sons.: Chichester,

England, 2001. 4. R.P. Benedict (1984) Fundamentals of Temperature, Pressure, and Flow Measurements, 3rd ed 5. BIPM: Techniques for Approximating the International Temperature Scale of 1990. 1990. 6. T.D. McGee (1988) Principles and Methods of Temperature Measurement. 7. Beattie, J.A., Oppenheim, I. (1979). Principles of Thermodynamics, Elsevier Scientific Publishing

Company, Amsterdam.. 8. Lieb, E.H., Yngvason, J. (1999). The physics and mathematics of the second law of

thermodynamics, Physics Reports, 314: 1–96, p. 56. 9. BS1041-2.1:1985 Temperature Measurement- Part 2: Expansion thermometers. Section 2.1

Guide to selection and use of liquid-in-glass thermometer.