Medição de variáveis: temperatura

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temperaturaA temperatura pode ser definida ou conceituada de vários modos diferentes, sob diversos enfoques, já que ela é uma das sete grandezas de base do Sistema Internacional de Medidas (SI), ao lado da massa, dimensão, tempo, corrente elétrica, intensidade luminosa e quantidade de substância. De um modo simples, a temperatura é a medida de quanto um corpo está mais quente ou mais frio que outro. Enquanto a temperatura não é uma medida direta do calor, ela mede o resultado do calor sensível.

Quanto mais quente um corpo, maior é a sua temperatura e maior é o seu nível de calor. O calor flui de uma região de mais alta temperatura para outra de menor temperatura. Mais simples ainda pode-se dizer que a temperatura se baseia em sua equivalência a uma força acionadora ou potencial que provoca um fluxo de energia em forma de calor. Ou a temperatura é uma condição de um corpo em virtude da qual o calor é transferido para ou de outros corpos.

Finalmente, a definição de temperatura absoluta ou termodinâmica, feita pelo lord William Thomsom Kelvion é baseada no ciclo ideal de Carnot. Temperatura é a quantidade cuja diferença é proporcional ao trabalho obtido de uma maquina de Carnot operando entre uma fonte quente e um receptor frio. A lei fundamental que é usada na medição de temperatura é a chamada lei zero da termodinâmica. Ela estabelece que se dois corpos estão em equilíbrio termal com um terceiro corpo, então eles estão em equilíbrio termal entre si. Em outras palavras, todos os três corpos estão à mesma temperatura.

Assim, pode-se estabelecer um modo reprodutível de estabelecer uma faixa de temperaturas e as temperaturas desconhecidas de outros corpos podem ser comparadas com o padrão, sujeitando qualquer tipo de termômetro sucessivamente ao padrão e à temperatura desconhecida e permitindo o equilíbrio termal ser alcançado em cada caso. O termômetro é calibrado contra um padrão e é usado, em seguida, para indicar outras temperaturas desconhecidas.

Embora esteja associado ao calor, temperatura não é calor. Calor é uma das inúmeras formas que a energia se apresenta na natureza, expresso em joule. Temperatura é uma grandeza de base do SI, expresso em kelvin. A temperatura pode ser vista como o resultado do grau de calor. Corpos em temperaturas iguais podem ter diferentes quantidades de calor e, como conseqüência, corpos em temperaturas diferentes podem ter quantidades de calor iguais. Por exemplo, um litro de água morna pode ter mais quantidade de calor do que uma colher de água fervente. A temperatura do litro de água morna é muito menor do que a temperatura da água fervente da colher, que está em torno de 100 ºC. A temperatura pode, inclusive, ser diferenciada pela ponta do dedo (sensor de temperatura subjetivo e com grande incerteza) mergulhada nas duas águas.

O calor é uma forma comum de energia, a energia térmica ou termal. A quantidade de calor em um corpo é aproximadamente proporcional à sua temperatura . O calor adicionado a um corpo o torna mais quente; a remoção de calor esfria o corpo. O calor também pode derreter sólidos em líquidos e converter líquidos em vapores ou gases. A expansão é outro resultado do aquecimento, que também pode desencadear certas reações químicas e a solda de certos materiais.

A unidade SI de temperatura é o kelvin (não é grau Kelvin). Para aplicações práticas e industriais, o SI admite o uso do grau Celsius (ºC). A escala Kelvin é defasada da escala Celsius de 273,15 graus e a amplitude do grau Celsius é a mesma da amplitude do Kelvin. Por exemplo, em alguns setores industriais, é comum haver medida em grau Fahrenheit (ºF) e o seu associado absoluto, grau Rankine (ºR), que devem ser evitados. Há basicamente dois tipos de sensores de temperatura. O mecânico, que sente a temperatura e gera na saída uma variável mecânica, como movimento ou força. Exemplos: bimetal e elemento de enchimento termal. E o elétrico, que sente a temperatura e gera na saída uma variável elétrica, como tensão ou variação da resistência elétrica. Exemplos: termopar e detector de temperatura a resistência (RTD). Os sensores mecânicos são mais simples e o medidor pode funcionar sem alimentação externa, utilizando a própria energia do processo para sua operação. Os sensores elétricos são mais fáceis de serem condicionados e associados a sistemas de transmissão eletrônica e de telemetria.

O termômetro bimetal é um conjunto de dois metais colados e com coeficientes de dilatação muito diferentes entre si. Quando há uma variação da temperatura, o formato do sensor bimetal se curva para o lado do metal com menor coeficiente termal. Ele pode ser associado a um indicador local (termômetro) ou a uma chave de temperatura (termostato). Quando vinculado a uma chave, é utilizado para desencadear um alarme ou desarme de baixa ou alta temperatura. Por exemplo, no abrigo das bombas, caso a temperatura ambiente se eleve acima de determinado limite, ligam-se as ventoinhas. Num termômetro bimetálico, são unidos dois metais diferentes numa tira. Os metais são escolhidos porque se dilatam e se contraem com coeficientes de dilatação diferentes. Como resultado da elevação ou abaixamento da temperatura, um metal dilata-se mais que o outro. Isto faz com que a tira se curve. O deslocamento mecânico da extremidade da tira é então usado para acionar um ponteiro que se desloca tendo ao fundo uma escala graduada possibilitando assim a indicação da temperatura. No termômetro de haste de vidro, as mudanças de temperatura fazem com que o líquido na haste se dilate ou se contraia. O líquido na haste se eleva ao se elevar a temperatura e desce ao diminuir a temperatura. Em algumas idústrias, os termômetros com bulbo de vidro são utilizados para medir a temperatura ambiente e do processo, manualmente.

Os termopares utilizam dois metais diferentes,escolhidos pelo fato de que as mudanças de temperatura mudam o nível de atividades dos elétrons, não as taxas de expansão e contração dos metais. Elevando-se a temperatura, aumentam as atividades dos elétrons. Os elétrons fluem do metal com maior atividade para um metal de melhor atividade, gerando uma pequena tensão elétrica. À medida que a temperatura se eleva, a corrente aumenta. As leituras de tensão são produzidas em temperaturas. Já o detector de temperatura a resistência (RTD) é um sensor elétrico de temperatura que varia sua resistência elétrica quando a temperatura sentida também varia. O RTD metálico aumenta a resistência quando a temperatura aumenta. O RTD a semicondutor diminuir a resistência quando a temperatura aumenta; diz-se que seu coeficiente termal é negativo.

O RTD é medido no instrumento receptor de painel através de uma ponte de Wheatstone. Os RTDs são tipicamente ligados com o sistema de supervisão e proteção de motores de bombas. As bombas da linha principal, bombas auxiliares (boosters), seus motores e os motores com 500 ou mais cv de potência nominal são providos de RTDs para a monitoração de temperatura dos enrolamentos, dos mancais e da carcaça das bombas. O RTD monitora a unidade para detectar aumentos de temperatura acima dos limites operacionais. A temperatura alta faz com que o isolamento em tomo dos fios do estator do rotor se funda provocando um curto circuito nos enrolamentos do estator. As temperaturas altas dos mancais podem deformá-los ou provocar arranhões em sua superfície prejudicando a ação da lubrificação, fazendo com que o motor trepide enquanto gira. Essas vibrações danificam o eixo propulsor.

Quando se compara o termopar com um RTD, tem-se que o RTD é mais preciso, porém é mais caro que o termopar; o termopar requer uma junta de compensação no instrumento receptor e o RTD requer três fios de ligação com o instrumento do painel; o termopar é mais rápido que o RTD; e o termopar mede a temperatura de um ponto e o RTD mede a temperatura média. Em alguns tipos de medição industrial, os principais instrumentos de medição e condicionamento da pressão são: transmissor, indicador local, indicador de painel, chave e transmissor de temperatura. O transmissor eletrônico de temperatura é o instrumento que detecta a temperatura e gera na saída um sinal padrão de 4 a 20 mA cc proporcional ao valor medido. Quando digital, o sinal de saída pode ser hart, fieldbus foundation, modbus ou qualquer outro proprietário. O protocolo digital Hart pode ser superposto ao sinal padrão de 4 a 20 mA cc.

O sensor do transmissor eletrônico de temperatura pode ser o termopar ou o RTD. O transmissor pneumático utiliza o elemento de enchimento termal como sensor. As vantagens do uso do transmissor são: ter o sinal disponível à grande distância do local de medição; ter um sinal padrão, padronizando o instrumento receptor de painel; isolar a temperatura do processo da sala de controle, protegendo o operador. Quando e onde uma temperatura deve ser monitorada pela ultrapassagem de limites predefinidos usa-se uma chave elétrica de temperatura ou termostato. A chave de temperatura ou termostato (tag TSL ou TSH para alarme e TSLL e TSHH para desarme) sente a temperatura, compara-a com um valor predeterminado estabelecido pelo operador e altera o status dos contatos de saída quando a temperatura medida se igual ou fica maior que o valor ajustado.

O termômetro é um indicador local de temperatura. Ele é uma indicação simples e visível de temperatura instantânea. Ele não requer alimentação externa, pois usa a própria energia do processo. A temperatura influi na densidade, na viscosidade e na compressibilidade dos fluidos. Por isso, na medição da vazão volumétrica de gases é mandatória a compensação da temperatura. Alguns líquidos requerem a compensação da temperatura, quando da medição de sua vazão volumétrica. No medidor de vazão tipo Coriolis mede-se a temperatura do processo para compensar seu efeito sobre o módulo de elasticidade do tubo medidor. Quando não é possível se fazer a compensação pela medição contínua da temperatura, faz-se a polarização, que é a incorporação do valor da temperatura em uma constante, chamada de fator de correção ou de fator do medidor.

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