Princípios de funcionamento e cuidados na instalação dos oito principais instrumentos de medição de temperatura!

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Este tópico foi editado pela Xi’an Dinghua Electronics pela última vez em 23/03/2016, às 10:23. Resumo: Este artigo aborda os 8 principais tipos de instrumentos de medição de temperatura utilizados na indústria química. São explicados, em detalhes, seu princípio de funcionamento, requisitos de instalação, questões que devem ser levadas em consideração durante a seleção e uso dos produtos, bem como a composição desses instrumentos. Tudo isso visa fornecer informações teóricas e práticas para aqueles que trabalham com esses instrumentos! Princípio de funcionamento do termômetro bimetálico: O princípio de funcionamento do termômetro bimetálico se baseia no uso de dois tipos de metais com coeficientes de expansão térmica diferentes. Para aumentar a sensibilidade de medição, as folhas metálicas são geralmente dispostas em formato de espiral. Quando a temperatura muda, cada camada de metal se expande ou contrai em quantidades diferentes, fazendo com que a espiral se enrole ou se desenrole. Como uma das extremidades do rolo espiralado está fixa, enquanto a outra extremidade está conectada a um ponteiro que pode girar livremente, quando a lâmina bimetalica detecta mudanças de temperatura, o ponteiro consegue indicar essa temperatura em uma escala circular. A faixa de medição da temperatura deste tipo de instrumento geralmente fica entre -80°C e +500°C, sendo que o erro permitido é de aproximadamente 1,5% da escala total de medição. Classificação: Termômetros bimetálicos comuns, termômetros bimetálicos resistentes a vibrações, termômetros bimetálicos com terminais elétricos. De acordo com a direção de conexão entre o disco indicador do termômetro bimetálico e o tubo de proteção, os termômetros bimetálicos podem ser divididos em quatro tipos: axial, radial, de 135° e universal. ①Termômetro bimetalico axial: o disco indicador está conectado verticalmente ao tubo de proteção. ②Termômetro bimetalico radial: o disco indicador está conectado paralelamente ao tubo de proteção. ③Termômetro bimetalico de orientação 135°: o disco indicador está conectado ao tubo de proteção em um ângulo de 135°. ④Termômetro bimetálico versátil: o ângulo de conexão entre o disco indicador e o tubo de proteção pode ser ajustado conforme desejado. Escolha e uso: Ao escolher um termômetro bimetálico, é necessário levar em consideração o ambiente e as exigências da aplicação prática, como o diâmetro do mostrador, o grau de precisão, o método de fixação, o tipo de meio a ser medido e o nível de periculosidade do ambiente. Além disso, é preciso dar atenção a fatores como custo-benefício e volume de trabalho de manutenção. Além disso, ao utilizar o termômetro bimetálico, é necessário prestar atenção aos seguintes pontos: A) O comprimento do tubo de proteção do termômetro bimetálico que fica imerso no meio a ser medido deve ser maior que o comprimento do elemento sensível à temperatura. Geralmente, o comprimento de imersão deve ser superior a 100 mm; para faixas de temperatura de 0-50°C, o comprimento de imersão deve ser superior a 150 mm, a fim de garantir a precisão das medições. B. Os termômetros bimetálicos de todos os tipos não devem ser utilizados para medir a temperatura do fluido em recipientes abertos. Além disso, os termômetros com contatos elétricos não devem ser usados em circuitos de controle em ambientes onde há grandes vibrações. C. Durante o armazenamento, uso, instalação e transporte do termômetro bimetálico, deve-se evitar colisões com o tubo de proteção. Não se deve dobrar ou deformar o tubo de proteção, nem usar o instrumento como chave. D. O termômetro deve ser verificado periodicamente, quando utilizado de maneira normal. Geralmente, é adequado fazer isso a cada seis meses. Os termômetros com contatos elétricos não devem ser utilizados em condições de vibração intensa, a fim de evitar impactos na confiabilidade dos contatos. E, a temperatura em que o instrumento funciona com frequência deve ficar entre 1/3 e 2/3 do intervalo de medição. Princípio de funcionamento do termômetro de pressão: O princípio do termômetro de pressão baseia-se na relação entre a pressão do vapor saturado do líquido em evaporação e a temperatura, dentro de um sistema de medição hermético, para realizar a medição da temperatura. Quando o sensor de temperatura percebe uma mudança na temperatura, o vapor saturado dentro do sistema fechado gera uma pressão correspondente. Isso faz com que a curvatura do elemento elástico mude, fazendo com que sua extremidade livre se desloque. Em seguida, um mecanismo de amplificação transforma esse deslocamento em um valor indicativo. Composição e classificação: O termômetro de pressão é composto por um elemento sensível, um tubo capilar para transmissão da pressão e um manômetro de mola. Se o sistema for preenchido com um gás, como nitrogênio, é chamado de termômetro de pressão por insuflação. Seu limite de medição de temperatura pode chegar a 500°C. A relação entre pressão e temperatura é quase linear. No entanto, o volume do bulbo termométrico é grande, o que resulta em uma grande inércia térmica. Se for preenchido com líquidos como xileno ou metanol, o tamanho do bulbo termométrico fica menor. Nesse caso, a faixa de medição é de –40°C a 200°C e de –40°C a 170°C, respectivamente. Se for preenchido com líquidos de ponto de ebulição baixo, a pressão de vapor saturado deve variar de acordo com a temperatura medida. Por exemplo, o propano pode ser utilizado para medições entre 50°C e 200°C. Mas, como a pressão de vapor saturado e a temperatura de vapor saturado têm uma relação não linear, as marcações do termômetro não são uniformes. Característica: É necessário mergulhar completamente o pacote térmico no meio a ser testado ； O comprimento máximo do capilar não deve exceder 60 m ； A precisão do instrumento é baixa, mas ele é fácil de usar e resistente a vibrações. Princípio de funcionamento do termômetro resistivo: O princípio de medição de temperatura por meio de resistores térmicos se baseia na característica de o valor de resistência de um condutor ou semicondutor mudar com as variações de temperatura, o que permite medir a temperatura ou parâmetros relacionados a ela. A resistência da grande maioria dos metais varia com a temperatura: quanto maior a temperatura, maior a resistência, ou seja, eles possuem um coeficiente de temperatura positivo. E a maioria dos materiais semicondutores possui um coeficiente de temperatura de resistência negativo, ou seja, quanto maior a temperatura, menor é a resistência. Requisitos dos materiais de composição: 1. Propriedades químicas e físicas estáveis dentro da faixa de medição de temperatura ； 2. Boa reprodutibilidade ； 3. Grande coeficiente de temperatura da resistência, para obter alta sensibilidade ； 4. Alta resistividade, o que permite a criação de componentes de pequeno volume ； 5. As características de temperatura da resistência devem ser o mais próximo possível do comportamento linear ； 6. Preço baixo. Elementos de resistência térmica comuns: Os elementos de resistência térmica mais utilizados são: resistência térmica de platina, resistência térmica de cobre e resistor termistor semicondutor. As resistências termopar de platina são feitas com fios de platina de alta pureza. Elas possuem vantagens como alta precisão na medição da temperatura, desempenho estável, boa reprodutibilidade e resistência à oxidação. Por isso, são amplamente utilizadas em padrões de referência, laboratórios e indústrias. Porém, em altas temperaturas, ele é facilmente contaminado por atmosferas redutoras, o que torna o fio de platina mais frágil e altera suas propriedades de resistência em função da temperatura. Por isso, é necessário usar um revestimento protetor para que possa ser utilizado. A pureza do fio de platina é o fator determinante para a precisão do termômetro. Quanto maior a pureza do fio de platina, maior é sua estabilidade, melhor é sua reprodutibilidade e maior também é a precisão na medição da temperatura. O valor de resistência dos resistores térmicos de cobre tem uma relação quase linear com a temperatura. Além disso, seu coeficiente de temperatura é alto, e o preço deles é baixo. Por isso, em situações em que não é necessária uma alta precisão de medição, costuma-se usar resistores térmicos de cobre. Porém, ele é facilmente oxidado em atmosferas com temperatura acima de 100°C; portanto, é usado principalmente para medir temperaturas na faixa de –50 a 150°C. Vantagens do resistor termistor semicondutor: grande coeficiente de temperatura negativo da resistência, portanto alta sensibilidade. Devido à sua alta resistividade, pode ser utilizado para criar componentes resistivos de pequeno volume, mas com alto valor de resistência. Isso faz com que eles tenham baixa inércia térmica e permitam a medição da temperatura em um ponto específico ou da temperatura dinâmica. Desvantagens: Os resistores termistóricos do mesmo tipo de semicondutor apresentam grande variabilidade nas características de resistência em função da temperatura, além de serem fortemente não lineares. Além disso, o desempenho dos componentes é instável, o que resulta em baixa interoperabilidade e precisão. Métodos de conexão da resistência térmica: Sistema de dois fios: É o método em que se conecta um fio em cada extremidade da resistência térmica, a fim de transmitir o sinal de resistência. Este método é bastante simples, mas como sempre existirá uma resistência nos fios de conexão, R, cujo valor depende do material e do comprimento dos fios, esse método só é adequado para aplicações que exigem baixa precisão de medição. Sistema de três fios: Neste método, um fio é conectado a uma das extremidades da resistência térmica, enquanto duas fios são conectados à outra extremidade. Esse método geralmente é utilizado em conjunto com pontes elétricas, o que permite reduzir efetivamente a influência da resistência dos fios. É o método mais utilizado no controle de processos industriais. Sistema de quatro fios: O método em que dois fios são conectados a cada extremidade da resistência térmica é chamado de sistema de quatro fios. Desses dois fios, dois fornecem uma corrente constante I à resistência térmica, transformando assim R em um sinal de tensão U. Em seguida, os outros dois fios são utilizados para transmitir o sinal U até o instrumento de medição secundário. Pode-se ver que esse método de fiação elimina completamente o efeito da resistência dos fios, sendo utilizado principalmente para medições de temperatura de alta precisão. Requisitos de instalação: Na instalação das resistências térmicas, deve-se prestar atenção para que a medição da temperatura seja precisa, garantindo segurança e confiabilidade, além de facilitar a manutenção, sem afetar o funcionamento do equipamento e as operações de produção. Ao escolher a localização de instalação e a profundidade de inserção da resistência térmica, é necessário prestar atenção aos seguintes pontos: 1. Para que haja uma troca térmica adequada entre a extremidade de medição da resistência térmica e o meio a ser medido, é preciso escolher corretamente a posição do ponto de medição. Deve-se evitar, sempre que possível, instalar a resistência térmica perto de válvulas, curvas nos tubos, bem como em locais de difícil acesso dos equipamentos. 2. As resistências térmicas com revestimento protetor sofrem perdas de calor, tanto na transferência quanto na dissipação do calor. Para reduzir os erros de medição, os termopares e as resistências térmicas devem ter uma profundidade de inserção suficiente: 1) No caso das resistências térmicas utilizadas para medir a temperatura do fluido no centro do tubo, seu terminal de medição deve ser inserido no centro do tubo (seja em instalação vertical ou inclinada). Se o diâmetro do tubo do fluido a ser medido for de 200 milímetros, a profundidade de inserção da resistência térmica deve ser de 100 milímetros ； 2) Para a medição da temperatura de fluidos em condições de alta temperatura, alta pressão e alta velocidade (como a temperatura do vapor principal), a fim de reduzir a resistência exercida pelo revestimento protetor sobre o fluido e evitar que o revestimento se rompa sob a ação do fluido, pode-se utilizar um método de inserção superficial do tubo protetor ou resistências térmicas do tipo “heat sleeve”. O invólucro de proteção da resistência térmica de inserção rasa deve ter uma profundidade de inserção no tubo de vapor principal de pelo menos 75 mm ； A profundidade padrão de inserção de uma resistência térmica de tipo “heat sleeve” é de 100 mm. 3) Se for necessário medir a temperatura dos gases de escape no duto de exaustão, mesmo que o diâmetro do duto seja de 4 m, basta inserir a resistência térmica a uma profundidade de 1 m. 4) Quando a profundidade de inserção do elemento de medição exceder 1 m, deve-se instalá-lo da maneira mais vertical possível, ou então utilizar suportes e tubos de proteção. Princípio de funcionamento do termopar: Dois condutores de composição diferente (chamados fios do termopar ou eletrodos térmicos) são conectados nas extremidades, formando um circuito. Quando a temperatura nos pontos de conexão é diferente, gera-se uma força eletromotriz no circuito. Esse fenômeno é chamado de efeito termoeletrico, e essa força eletromotriz é denominada potencial termoeletrico. Os termopares utilizam esse princípio para medir a temperatura. A extremidade que é usada diretamente para medir a temperatura do meio em questão é chamada de extremidade de trabalho (também conhecida como extremidade de medição). A outra extremidade é chamada de extremidade fria (também conhecida como extremidade de compensação) ； A extremidade fria é conectada ao medidor de display ou aos medidores associados, que indicam o potencial eletrotérmico gerado pelo termopar. Requisitos de instalação: Primeiramente, os termopares e as resistências térmicas devem ser instalados da maneira mais vertical possível, a fim de evitar que o revestimento de proteção se deforme em altas temperaturas. No entanto, quando há fluxo de fluido, eles devem ser inseridos na direção do fluxo do fluido em questão, para garantir um contato adequado entre o elemento de medição e o fluido, o que contribui para a precisão das medições. Além disso, os termopares e as resistências térmicas devem ser instalados, sempre que possível, dentro de tubulações com revestimento protetor, a fim de evitar a perda de calor. Em segundo lugar, quando os sensores termopar e de resistência térmica são instalados em tubulações sob pressão negativa, é necessário garantir que o local de medição tenha uma boa vedação, a fim de evitar a entrada de ar frio do exterior, o que causaria leituras mais baixas. Quando os termopares e sensores de resistência térmica são instalados ao ar livre, a tampa da caixa de conexões desses sensores deve ficar voltada para cima, enquanto as entradas dos fios devem ficar voltadas para baixo. Isso evita que chuva ou poeira entrem na caixa de conexões, o que poderia danificar os fios internos e afetar a precisão das medições. Deve-se verificar regularmente as conexões dos termopares e dos termistores, especialmente nos termopares. Como o material dos fios de compensação utilizados nesses dispositivos é bastante rígido, eles podem se soltar facilmente das conexões, causando interrupções no circuito. Portanto, é necessário garantir que as conexões estejam em boas condições, evitando tocar demais nas conexões do termômetro, e realizar verificações frequentes para obter leituras precisas da temperatura. Ao instalar o termopar, ele deve ser colocado o mais próximo possível do ponto de controle de temperatura que se deseja medir. Para evitar que o calor se propague ao longo do termopar, ou para impedir que o tubo de proteção afete a temperatura a ser medida, o termopar deve ser imerso no fluido a ser medido, a uma profundidade de pelo menos 10 vezes o seu diâmetro. Ao medir a temperatura de um sólido, o termopar deve estar em contato direto com esse material ou bem próximo a ele. Para minimizar o erro de condução térmica, deve-se reduzir o gradiente de temperatura nas proximidades do contato. Quando se utiliza um termopar para medir a temperatura do gás dentro de um tubo, se a temperatura da parede do tubo for significativamente mais alta ou mais baixa, o termopar irá absorver ou emitir calor em função disso, alterando assim consideravelmente a temperatura que está sendo medida. Nesse caso, pode-se usar uma blindagem de radiação para fazer com que a temperatura se aproxime da temperatura do gás, utilizando os chamados termopares de tipo blindado. Ao escolher os pontos de medição da temperatura, é necessário que eles sejam representativos. Por exemplo, ao medir a temperatura do fluido em um tubo, a extremidade do termopar deve estar localizada no ponto onde a velocidade do fluxo é maior. Em geral, as extremidades do revestimento de proteção do termopar devem ficar além da linha central da velocidade do fluxo. 　 Princípio de funcionamento do termômetro a vácuo de tubo de vidro: O termômetro a vácuo de vidro utiliza o princípio da expansão e contração térmica para medir a temperatura. Quando a temperatura muda, o volume do líquido dentro da esfera de vidro expande-se ou contrai-se, fazendo com que a altura da coluna de líquido no capilar mude. Isso permite que as mudanças de temperatura sejam indicadas pelas marcações no instrumento. A resolução das escalas do termômetro está relacionada à sua sensibilidade; quanto maior a sensibilidade, maior é a resolução das escalas do termômetro. Para aumentar a sensibilidade do termômetro, pode-se aumentar o volume do líquido utilizado para medição da temperatura ou diminuir o diâmetro do capilar. Mas, ao aumentar o volume do fluido de medição de temperatura, não é fácil alcançar um equilíbrio térmico com a substância a ser medida, o que gera erros significativos de atraso. Além disso, isso pode causar deformações na parte esférica ； Além disso, diminuir o diâmetro do capilar torna mais difícil seu processamento uniforme, o que resulta em uma elevação irregular da coluna de líquido e afeta a precisão das medições. Portanto, deve-se escolher uma sensibilidade adequada. Além disso, a sensibilidade do termômetro também está relacionada à diferença entre os coeficientes de expansão térmica do líquido utilizado para medição da temperatura e do vidro, sendo diretamente proporcional a essa diferença. Geralmente, são escolhidos líquidos com alto coeficiente de expansão térmica como fluidos para medição de temperatura, enquanto o coeficiente de expansão térmica do vidro deve ser o mais baixo possível. Os líquidos mais comuns usados para medição de temperatura são mercúrio e álcool. Principais causas de erro: (1) Deslocamento permanente do ponto zero; (2) Deformação temporária da parte esférica; (3) Variações de pressão; (4) Escala imprecisa; (5) Método incorreto de leitura; (6) Efeito de retardo térmico; (7) Causas específicas de erro nos termômetros a álcool; (8) Causas específicas de erro nos termômetros de temperatura máxima.
Princípio de funcionamento do transmissor de temperatura: O transmissor de corrente de temperatura converte o sinal gerado pelo sensor de temperatura em um sinal de corrente, que é conectado a um instrumento secundário, permitindo assim a exibição da temperatura correspondente. O transmissor de temperatura utiliza termopares e resistências térmicas como elementos de medição da temperatura. Os sinais gerados por esses elementos são enviados ao módulo do transmissor. Após passar por processos como filtragem de tensão, amplificação operacional, correção não linear, conversão V/I, controle de corrente constante e proteção contra inversão de polaridade, o sinal é convertido em um sinal de corrente de 4–20 mA, que está relacionado linearmente com a temperatura. Requisitos de instalação: 1. Antes da instalação, verifique se todos os acessórios estão presentes e se os parafusos estão firmes. Aperte bem a antena. 2. Durante a instalação, tenha cuidado para manuseá-lo com delicadeza; evite bater ou derrubá-lo. Após apertar a antena, ela funcionará normalmente. 3. Após a instalação, ao ligar o dispositivo, é proibido que pessoas não autorizadas abram a tampa frontal. Caso um operador cometa um erro, não se deve salvar os dados; basta desligar o dispositivo e ligá-lo novamente. Principais causas de erro: Quando a temperatura do meio a ser medido aumenta ou diminui, a saída do transmissor não muda. Geralmente, isso se deve a problemas de vedação no transmissor de temperatura; pode ser porque o transmissor não está bem selado ou porque houve um pequeno buraco no sensor durante o processo de soldagem. Nesses casos, é necessário substituir a carcaça do transmissor para resolver o problema. O sinal de saída é instável. A causa disso é a própria fonte de temperatura, que é uma temperatura instável. Se for o indicador que apresenta instabilidade, então a razão é a fraca capacidade do indicador de resistir a interferências. O erro de saída do transmissor é grande, e existem várias causas para isso. Pode ser que o fio resistivo do transmissor de temperatura escolhido não seja adequado, o que resulta em erros na faixa de medição. Também é possível que o transmissor não tenha sido calibrado corretamente na fábrica. Princípio de funcionamento do interruptor de temperatura: O interruptor de temperatura é um dispositivo que utiliza uma lâmina bimetálica como elemento sensível à temperatura. Quando o aparelho está funcionando normalmente, a lâmina bimetálica fica em estado livre, e os contatos ficam fechados ou abertos. Quando a temperatura atinge o valor definido para acionamento, o elemento bimetálico é aquecido, gerando tensões internas que fazem com que ele se mova rapidamente, abrindo ou fechando os contatos e, assim, interrompendo ou conectando o circuito. Dessa forma, o interruptor de temperatura funciona como um proteção contra altas temperaturas. Quando a gradiente cai até a temperatura de redefinição, os contatos se fecham/se abrem automaticamente, voltando ao estado normal de funcionamento. Requisitos de instalação: 1. Quando for utilizada a instalação por meio de sensores de temperatura por contato, a tampa metálica deve ficar bem aderida à superfície onde o dispositivo a ser controlado está instalado. Para garantir um bom funcionamento dos sensores, deve-se aplicar silicone termocondutor ou outro meio termocondutor com propriedades semelhantes na superfície sensível à temperatura. 2. Durante a instalação, não se deve pressionar, afrouxar ou deformar a parte superior da tampa, para evitar que isso afete seu desempenho. 3. Não se deve permitir que o líquido penetre no interior do controlador de temperatura. Também não é permitido que haja rachaduras na carcaça, nem se deve alterar arbitrariamente a forma dos terminais de conexão. 4. O produto deve ser utilizado em circuitos com corrente não superior a 5A; nesse caso, devem ser utilizados fios com seção transversal de cobre de 0,5–1 mm² para a conexão ； Para circuitos com corrente não superior a 10A, deve-se utilizar fios com seção transversal de núcleo de cobre de 0,75–1,5 mm². 5. Os produtos devem ser armazenados em um local arejado, limpo e seco, com umidade relativa inferior a 90%, e temperatura ambiente abaixo de 40°C, além de não haver gases corrosivos no ambiente. Princípio de funcionamento dos termômetros ópticos e por radiação: O termômetro por radiação é projetado com base na relação funcional entre a energia de radiação emitida por um objeto em todo o espectro de comprimentos de onda e sua temperatura. Ele utiliza um sensor de radiação como instrumento primário, e um potenciômetro eletrônico como instrumento secundário. Trata-se de um sensor de medição que utiliza lentes para focar a radiação. Possui uma carcaça feita de alumínio; na parte frontal encontra-se a lente objetiva. Dentro da carcaça há um conjunto termopilático para compensar as variações de luz. Perto do campo de visão do conjunto termopilático, existe uma placa de ajuste, cuja função é regular a energia de radiação que atinge o conjunto termopilático, garantindo assim valores de medição uniformes. Na tampa traseira removível, há uma lente ocular, que permite observar a imagem do objeto a ser medido. O sensor de temperatura por radiação concentra a energia de radiação do objeto a ser medido, por meio de lentes, no elemento sensível ao calor. Esse elemento converte a energia de radiação em parâmetros elétricos. A partir da relação conhecida entre o potencial eletrotérmico e a temperatura do objeto, é possível determinar o potencial eletrotérmico por meio de instrumentos adequados, o que permite obter o valor da temperatura. Esse valor precisa ser corrigido utilizando o coeficiente de emissividade total do objeto. Outra alternativa é usar um termopar de platina-rhódio 10-platina, inserido diretamente em um forno a alta temperatura, em conjunto com um potenciômetro de tensão contínua, para medir a temperatura. O valor obtido é então comparado com o valor exibido pelo instrumento, a fim de calibrar a precisão da medição da temperatura feita pelo termômetro. Requisitos de instalação: O instrumento é de instalação fixa. O sensor pode ser utilizado em ambientes com temperatura entre 10 e 80°C. Quando a temperatura ambiente excede 80°C ou quando há vapor d’água ou fumaça no ar, é possível utilizar dispositivos auxiliares como resfriamento por água e ventilação para reduzir a temperatura do ambiente e limpar as vias de medição, assim diminuindo os erros de medição. Os dispositivos auxiliares de sensor de temperatura são divididos em leves e pesados. Os modelos pesados são utilizados em condições ambientais adversas, com o objetivo de evitar que as chamas ou os gases quentes provenientes do forno a ser medido atinjam os instrumentos, causando danos a eles. Para isso, são instalados dispositivos de proteção contra chamas, que agem automaticamente em caso de perigo, protegendo os instrumentos e emitindo sinais de alerta. Princípio de funcionamento do termômetro infravermelho sem contato: O termômetro infravermelho sem contato (doravante denominado “termômetro”) pode determinar a temperatura da superfície, medindo a energia infravermelha emitida pela superfície em questão. Os termômetros infravermelhos sem contato possuem um design inteligente com consumo de energia extremamente baixo. O design de baixíssimo consumo de energia garante que o produto funcione por mais tempo, reduzindo para o usuário a necessidade de trocar as baterias com frequência e os problemas causados pela falta de energia durante o uso. O design inteligente ajuda os usuários a testar de maneira mais prática e a obter mais rapidamente os valores reais do objeto em teste. Além disso, o dispositivo consegue escolher automaticamente se deve ser alimentado por bateria ou por conexão USB.