Nas indústrias de processos químicos, os sensores de temperatura mais comumente usados são termopares, dispositivos resistivos e dispositivos infravermelhos. Há um mal-entendido generalizado sobre como esses dispositivos funcionam e como devem ser usados.
Sensores
Termopares
Considere primeiro o termopar, provavelmente o mais usado e menos compreendido dos três. Essencialmente, um termopar consiste em duas ligas unidas em uma extremidade e abertas na outra. A fem na extremidade de saída (a extremidade aberta; V1 na Figura 1a) é uma função da temperatura T1 na extremidade fechada. À medida que a temperatura aumenta, a fem aumenta.
Frequentemente, o termopar está localizado dentro de uma blindagem de metal ou cerâmica que o protege de vários ambientes. Os termopares com bainha de metal também estão disponíveis com muitos tipos de revestimentos externos, como politetrafluoretileno, para uso sem problemas em soluções corrosivas.
A fem da extremidade aberta é uma função não apenas da temperatura da extremidade fechada (ou seja, a temperatura no ponto de medição), mas também da temperatura da extremidade aberta (T2 na Figura 1a). Somente mantendo T2 em uma temperatura padrão, a fem medida pode ser considerada uma função direta da mudança em T1. O padrão aceito industrialmente para T2 é 0°C; portanto, a maioria das tabelas e gráficos assume que T2 está nesse nível. Na instrumentação industrial, a diferença entre a temperatura real em T2 e 0°C é geralmente corrigida eletronicamente, dentro da instrumentação. Esse ajuste de fem é chamado de correção de junção fria ou CJ.
As mudanças de temperatura na fiação entre as extremidades de entrada e saída não afetam a tensão de saída, desde que a fiação seja de liga termopar ou termoelétrica equivalente (Figura 1a). Por exemplo, se um termopar está medindo a temperatura em um forno e o instrumento que mostra a leitura está a alguma distância, a fiação entre os dois pode passar perto de outro forno e não ser afetada por sua temperatura, a menos que fique quente o suficiente para derreter o fio ou alterar permanentemente seu comportamento eletrotérmico.
A própria composição da junção não afeta a ação do termopar de forma alguma, desde que a temperatura, T1, seja mantida constante em toda a junção e o material da junção seja eletricamente condutivo (Figura 1b). Da mesma forma, a leitura não é afetada pela inserção de ligas não termopares em um ou em ambos os condutores, desde que a temperatura nas extremidades do material “impuro” seja a mesma (Figura 1c).
Essa capacidade do termopar de trabalhar com um metal impuro no caminho de transmissão permite o uso de vários dispositivos especializados, como interruptores de termopar. Considerando que a própria fiação de transmissão é normalmente o equivalente termoelétrico da liga do termopar, as chaves termopares que funcionam corretamente devem ser feitas de elementos de liga de cobre banhados a ouro ou prata com molas de aço apropriadas para garantir um bom contato. Desde que a temperatura nas junções de entrada e saída do interruptor seja igual, essa mudança na composição não faz diferença.
É importante estar ciente do que pode ser chamado de Lei dos Termopares Sucessivos. Dos dois elementos mostrados na parte superior da Figura 1d, um termopar tem T1 na extremidade quente e T2 na extremidade aberta. O segundo termopar tem sua extremidade quente em T2 e sua extremidade aberta em T3. O nível de fem para o termopar que está medindo T1 é V1; que para o outro termopar é V2. A soma das duas fems, V1 mais V2, é igual à fem V3 que seria gerada pelo termopar combinado operando entre T1 e T3. Em virtude desta lei, um termopar designado para uma temperatura de referência aberta pode ser usado com uma temperatura aberta diferente.
RTDs
Um RTD típico consiste em um fio de platina fino enrolado em um mandril e coberto com uma camada protetora. Normalmente, o mandril e o revestimento são de vidro ou cerâmica.
A inclinação média do gráfico de resistência versus temperatura para o RTD geralmente é chamada de valor alfa (Figura 2), alfa representando o coeficiente de temperatura. A inclinação da curva para um determinado sensor depende um pouco da pureza da platina nele.
A inclinação padrão mais comumente usada, pertencente à platina de uma determinada pureza e composição, tem um valor de 0,00385 (assumindo que a resistência é medida em ohms e a temperatura em graus Celsius). Uma curva de resistência versus temperatura desenhada com essa inclinação é chamada de curva europeia, porque os RTDs dessa composição foram usados pela primeira vez extensivamente naquele continente. Para complicar a imagem, há também outra inclinação padrão, pertencente a uma composição de platina ligeiramente diferente. Tendo um valor alfa ligeiramente superior de 0,00392, seguindo o que é conhecido como a curva americana.
Se o valor alfa para um determinado RTD não for especificado, geralmente é 0,00385. No entanto, é prudente certificar-se disso, especialmente se as temperaturas a serem medidas forem altas. Este ponto é destacado na Figura 2, que mostra as curvas europeia e americana para o RTD mais amplamente utilizado, ou seja, aquele que exibe resistência de 100 ohms a 0°C.
Termistores
A relação resistência-temperatura de um termistor é negativa e altamente não linear. Isso representa um problema sério para os engenheiros que devem projetar seus próprios circuitos. No entanto, a dificuldade pode ser amenizada usando termistores em pares combinados, de forma que as não linearidades se compensam. Além disso, os fornecedores oferecem medidores de painel e controladores que compensam internamente a falta de linearidade dos termistores.
Os termistores são geralmente designados de acordo com sua resistência a 25°C. A mais comum dessas classificações é 2252 ohms; entre os outros estão 5.000 e 10.000 ohms. Se não for especificado o contrário, a maioria dos instrumentos aceitará o tipo 2252 de termistor.
Sensores infravermelhos
Os sensores infravermelhos medem a quantidade de radiação emitida por uma superfície. A energia eletromagnética irradia de toda a matéria, independentemente de sua temperatura. Em muitas situações de processo, a energia está na região do infravermelho. À medida que a temperatura sobe, a quantidade de radiação infravermelha e sua frequência média aumentam.
Diferentes materiais irradiam em diferentes níveis de eficiência. Essa eficiência é quantificada como emissividade, um número decimal ou percentual variando entre 0 e 1 ou 0% e 100%. A maioria dos materiais orgânicos, incluindo a pele, são muito eficientes, frequentemente exibindo emissividades de 0,95. Em contrapartida, a maioria dos metais polidos tendem a ser radiadores ineficientes à temperatura ambiente, com emissividade ou eficiência geralmente de 20% ou menos.
Para funcionar corretamente, um dispositivo de medição infravermelho deve levar em conta a emissividade da superfície que está sendo medida. Muitas vezes, isso pode ser consultado em uma tabela de referência. No entanto, lembre-se de que as tabelas não podem levar em consideração condições localizadas, como oxidação e rugosidade da superfície. Uma maneira prática de medir temperatura com infravermelho quando o nível de emissividade não é conhecido é “forçar” a emissividade a um nível conhecido, cobrindo a superfície com fita crepe (emissividade de 95%) ou tinta altamente emissiva.
Parte da entrada do sensor pode consistir em energia que não é emitida pelo equipamento ou material cuja superfície está sendo direcionada, mas, em vez disso, está sendo refletida a superfície de outro equipamento ou material. A emissividade refere-se à energia que irradia de uma superfície, enquanto a reflexão pertence à energia refletida de outra fonte. A emissividade de um material opaco é um indicador inverso de sua refletividade – substâncias que são bons emissores não refletem muita energia incidente e, portanto, não apresentam muitos problemas para o sensor na determinação das temperaturas da superfície. Por outro lado, quando se mede uma superfície alvo com apenas, digamos, 20% de emissividade, grande parte da energia que atinge o sensor pode ser devido à reflexão de, por exemplo, um forno próximo em alguma outra temperatura. Resumindo, tenha cuidado com alvos refletidos quentes e impuros.
Um dispositivo infravermelho é como uma câmera e, portanto, cobre um determinado campo de visão. Pode, por exemplo, ser capaz de “ver” um cone visual de 1 grau ou um cone de 100 graus. Ao medir uma superfície, certifique-se de que a superfície preencha completamente o campo de visão. Se a superfície do alvo não preencher o campo de visão a princípio, aproxime-se ou use um instrumento com um campo de visão mais estreito. Ou simplesmente leve em consideração a temperatura de fundo (ou seja, ajuste-a) ao ler o instrumento.
Guias de seleção
Os RTDs são mais estáveis que os termopares. Por outro lado, como classe, sua faixa de temperatura não é tão ampla: os RTDs operam de cerca de -250 a 850°C, enquanto os termopares variam de cerca de -270 a 2.300°C. Os termistores têm um alcance mais restritivo, sendo comumente usados entre -40 e 150°C, mas oferecem alta precisão nessa faixa.
Termistores e RTDs compartilham uma limitação muito importante. Eles são dispositivos resistivos e, portanto, funcionam passando uma corrente através de um sensor. Embora apenas uma corrente muito pequena seja geralmente empregada, ela cria uma certa quantidade de calor e, portanto, pode prejudicar a leitura da temperatura. Esse autoaquecimento em sensores resistivos pode ser significativo quando se trata de um fluido parado (ou seja, nem fluido nem agitado), porque há menos transporte do calor gerado. Esse problema não ocorre com termopares, dispositivos essencialmente de corrente zero.
Sensores infravermelhos, embora relativamente caros, são apropriados quando as temperaturas são extremamente altas. Eles estão disponíveis para até 3.000°C (5.400°F), excedendo em muito a faixa de termopares ou outros dispositivos de contato. A abordagem infravermelha também é atraente quando não se deseja fazer contato com a superfície cuja temperatura será medida. Assim, superfícies frágeis ou molhadas, como superfícies pintadas saindo de um forno de secagem, podem ser monitoradas dessa maneira. Substâncias que são quimicamente reativas ou eletricamente ruidosas são candidatos ideais para medição de infravermelho. A abordagem é igualmente vantajosa na medição de temperatura de superfícies muito grandes, como paredes que exigiriam uma grande variedade de termopares ou RTDs para medição.
Medição de temperatura
Introdução à medição de temperatura
A temperatura pode ser medida através de uma variedade de sensores. Todos eles inferem a temperatura detectando alguma mudança em uma característica física.
Seis tipos com os quais o engenheiro provavelmente entrará em contato são: termopares, dispositivos resistivos de temperatura (RTDs e termistores), sensores infravermelhos, dispositivos bimetálicos, dispositivos de expansão de líquidos e dispositivos de mudança de estado.
Escolha o instrumento de medição de temperatura certo para sua aplicação
Sensores de Medição de Temperatura por Termopar
Os termopares consistem essencialmente em duas tiras ou fios feitos de metais diferentes e unidos em uma extremidade. Mudanças na temperatura nessa junção induzem uma mudança na força eletromotriz (fem) entre as outras extremidades. À medida que a temperatura aumenta, essa fem de saída do termopar aumenta, embora não necessariamente de forma linear.
Dispositivos de temperatura resistiva (RTD)
Os dispositivos de temperatura resistiva tiram proveito do fato que a resistência elétrica de um material muda à medida que sua temperatura muda. Dois tipos principais são os dispositivos metálicos (comumente chamados de RTDs) e os termistores. Como o nome indica, os RTDs dependem da mudança de resistência em um metal, com a resistência aumentando mais ou menos linearmente com a temperatura. Os termistores são baseados na mudança de resistência em um semicondutor cerâmico; a resistência cai não linearmente com o aumento da temperatura.
Dispositivos infravermelhos de medição de temperatura
Sensores infravermelhos são dispositivos sem contato. Eles inferem a temperatura medindo a radiação térmica emitida por um material.
Dispositivos Bimetálicos de Medição de Temperatura
Os dispositivos bimetálicos aproveitam a diferença na taxa de expansão térmica entre diferentes metais. Assim, tiras de dois metais são unidas. Quando aquecido, um lado se expande mais do que o outro, e a curvatura resultante é traduzida em uma leitura de temperatura por ligação mecânica a um ponteiro. Esses dispositivos são portáteis e não requerem fonte de alimentação, mas geralmente não são tão precisos quanto termopares ou RTDs e não registram facilmente a temperatura.
Dispositivos de medição de temperatura de expansão de fluido
Dispositivos de expansão de fluidos, tipificados pelo termômetro doméstico, geralmente vêm em duas classificações principais: o tipo de mercúrio e o tipo de líquido orgânico. Versões que empregam gás em vez de líquido também estão disponíveis. O mercúrio é considerado um perigo ambiental, por isso existem regulamentos que regem o envio de dispositivos que o contenham. Os sensores de expansão de fluido não requerem energia elétrica, não representam riscos de explosão e são estáveis mesmo após ciclos repetidos. Por outro lado, eles não geram ou transmitem dados facilmente e não podem fazer medições pontuais ou locais.
Dispositivos de medição de temperatura de mudança de estado
Os sensores de temperatura de mudança de estado consistem em etiquetas, pastilhas, giz de cera, lacas ou cristais líquidos cuja aparência muda quando uma determinada temperatura é atingida. Eles são usados, por exemplo, com purgadores de vapor – quando um purgador excede uma certa temperatura, um ponto branco na etiqueta do sensor anexado ao purgador ficará preto. O tempo de resposta normalmente leva minutos, portanto, esses dispositivos geralmente não respondem a mudanças transitórias de temperatura. E a precisão é menor do que com outros tipos de sensores. Além disso, a mudança de estado é irreversível, exceto no caso de telas de cristal líquido. Mesmo assim, os sensores de mudança de estado podem ser úteis quando se precisa confirmar que a temperatura de um equipamento ou material não ultrapassou um determinado nível, por exemplo, por motivos técnicos ou legais durante o envio do produto.
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* Texto originalmente publicado em: link 1; link 2, adaptado pela Equipe Embarcados
