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Medição da Temperatura

 

César Cassiolato
Diretor de Marketing Qualidade e, Assistência Técnica e 
Instalações Industriais
SMAR Equipamentos Ind. Ltda

cesarcass@smar.com.br

Marco A. Graton
Engenheiro de Desenvolvimento Eletrônico
SMAR Equipamentos Ind. Ltda

magraton@smar.com.br 

A temperatura é uma das variáveis mais usadas na indústria de controle de processos no seus mais diversos segmentos e ainda vale lembrar que a temperatura é uma grandeza básica para a medição e controle de vazão, densidade, etc. Comentaremos neste artigo a medição de temperatura e sua história, as principais características das tecnologias utilizadas, assim como alguns detalhes em termos do mercado e tendências com os transmissores de temperatura.

É notável o avanço da Física e eletrônica nos últimos anos. Sem dúvida de todas as áreas técnicas, foram as mais marcantes em desenvolvimentos.Hoje somos incapazes de viver sem as facilidades e benefícios que estas áreas nos proporcionam em nossas rotinas diárias. Nos processos e controles industriais não é diferente, somos testemunhas dos avanços tecnológicos com o advento dos microprocessadores e componentes eletrônicos, da tecnologia Fieldbus, o uso da Internet, etc.E ainda, com a busca de desenvolvimentos na área de energia renovável, novos combustíveis, a nanotecnologia, existem inúmeras aplicações com a medição e controle de temperatura.

 

Um pouco de História

A medição de temperatura é ponto de interesse da ciência há muitos anos.O corpo humano é um péssimo termômetro, pois só consegue diferenciar o que esta frio ou quente em relação à sua própria temperatura. Portanto com o passar dos tempos o homem começou a criar aparelhos que o auxiliassem nesta tarefa. Vejamos a seguir mais detalhes.

Uma das primeiras tentativas de construção de uma escala de temperatura ocorreu por volta de 170 DC. Claudius Galenus of Pergamum (130-201), medico grego, teria sugerido que as sensações de “quente” e “frio” fossem medidas com base em uma escala com quatro divisões numeradas acima e abaixo de um ponto neutro. Para tal escala termométrica, atribuiu a temperatura de “quatro graus de calor” à água a fervendo, a temperatura de “quatro graus de frio” ao gelo e a temperatura “neutra” a uma mistura de quantidades iguais daquelas duas substâncias. Galen não foi um excelente medico, mas sim um excelente fisiologista. Ele escreveu vários tratados médicos, frutos de seu trabalho no tratamento dos Gladiadores romanos e das suas dissecações de animais vivos. Ele foi o primeiro medico a dar diagnósticos pela medição do pulso da pessoa.


O primeiro termômetro foi idealizado por Galileu Galilei(1564-1642). Ele consistia de um longo tubo de vidro com um bulbo preenchido com vinho. Este primeiro tipo de aparelho utilizado para a medição de temperatura foi chamado de termoscópio (instrumento que indica a temperatura através da mudança do volume).  Alguns tinham o ar do bulbo retirado antes de se colocar o liquido (podia ser água colorida no lugar do vinho), fazendo com que o liquido subisse dentro do tubo. Conforme o ar restante no tubo era aquecido ou esfriado, o liquido do tubo variava refletindo a mudança na temperatura do ar. Mais tarde seu colega Sanctorius Sanctoriusacrescentou uma escala gravada no tubo para facilitar a medição da alteração da temperatura.


Como o vinho era altamente influenciado pela pressão atmosférica, em 1641 Fernando II,Grão-Duque da Toscana (1610-1670) desenvolveu o primeiro termômetro selado. Ele utilizou o álcool em seu interior e fez 50 marcas (graus) na sua haste. Este termômetro não utilizava nenhum ponto fixo para a calibração da escala. O termômetro com utilização de substancia orgânica (álcool, etc) em seu interior passou a ser conhecido como termômetro “spirit”.


Robert Hook (1635-1703), curador da Sociedade Real em 1664 usou tintura vermelha no álcool. Sua escala, na qual cada grau representava um incremento do volume equivalente a 1/500 parte do volume do liquido do termômetro precisava  somente de um ponto fixo. Ele selecionou o ponto de congelamento da água.
O termômetro original de Hook tornou-se padrão do Colégio Gresham e foi usado pela Sociedade Real até 1709. A primeira leitura meteorológica compreensível foi feita nesta escala.


Em 1701, Ole Christensen Rømer (1644-1710) criou o primeiro termômetro, com dois pontos de referencia. O termômetro usava vinho vermelho como indicador da temperatura. Rømer criou a escala de seu termômetro com 60 representando o ponto de ebulição da água. Rømer não sabia que o ponto de ebulição da água dependia da pressão atmosférica, fato descoberto depois por Fahrenheit. Quanto ao ponto inferior, isto é questão de debate já que partes de suas anotações foram destruídas pelo fogo. Alguns dizem que 0 representava uma mistura de água, gelo e cloreto de amônia, outros que ele usou o ponto de desgelo da água que marcou com 7.2 Rø. Mais tarde Rømer adotou por razões praticas outros pontos de referencia como a água congelada e a temperatura do sangue (temperatura do corpo humano) que ele marcou como 22.5 Rø. Apesar da criação do termômetro, Rømer é mais conhecido pelo seu trabalho com a medição da velocidade da luz.


Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) devotou a maior parte de sua vida a criação de instrumentos meteorológicos.  Em 1708, Fahrenheit visitou Rømer em Copenhague e viu seu termômetro com dois pontos de calibração. Impressionado com o termômetro, ele passou a utilizá-lo quando voltou a Alemanha. Mais tarde, não gostando do inconveniente (e das frações) de dividir os graus Rømer de modo a permitir a medição de pequenos intervalos de temperatura e ele multiplicou a escala de Rømer por 4. Isto fez com que o ponto de derretimento da água fosse 30 graus e a temperatura do copo humano 90 graus. Depois ele mudou estes valores para 32 e 96 graus respectivamente para simplificar a marcação da escala (em 64 divisões). Fahrenheit ainda adicionou mais um ponto com referencia, a temperatura de equilíbrio de uma mistura de gelo e sal, que foi definida como zero em sua escala. Infelizmente o uso de três referencias causou mais incerteza do que precisão. Após a morte de Fahrenheit, a temperatura do corpo humano foi considerada inconstante para a definição de um  ponto na escala de temperatura, então sua escala foi modificada para dar a ela novamente 2 pontos de referencia. Tudo isto resultou no desajeitado padrão numérico, com o ponto de congelamento da água definido como 32 F e o ponto de ebulição (na pressão atmosférica padrão) definido como 212 F. Fahrenheit também percebeu que o álcool não tinha precisão e repetibilidade para a medição da temperatura. Em 1714, ele adotou o mercúrio, o qual se mostrou uma excelente alternativa devido ao seu coeficiente de expansão térmica ser altamente linear e não se dissolver no ar. Por outro lado ele é menos sensível a mudança de temperatura.


Em 1731, Réne Antoine Ferchault de Réamur (1683-1757) propôs uma escala diferente, calibrada em apenas um ponto com as divisões da escala baseada na expansão do fluido no termômetro. Réamur fez muitos experimentos para selecionar o fluido termometricamente adequado e estabeleceu o conhaque diluído em uma certa quantidade de água. A diluição escolhida foi uma que dava a diluição de 80 em 1000, conforme aquecido da temperatura do congelamento até a temperatura de ebulição da água (80 porque erá um numero fácil de se dividir em partes). Por causa desta seleção, as pessoas passaram a acreditar que na escala de Réamur a água fervia em 80 graus. Devido a isto, a escala de Réamur passou a ser graduada utilizando dois pontos fixos, o ponto de congelamento (0) e o ponto de ebulição da água (80).  Esta escala foi oficialmente adotada na Europa, exceto na Grã Betranha e na Escandinávia, mas com a adoção da escala centígrados pelo governo revolucionário da França em 1794 ela gradualmente perdeu popularidade e finalmente caiu em desuso no século 20.


Um termômetro com escala similar a de Réamur foi inventada em 1732 por Joseph Nicolas Delisle (1688-1768), astrônomo francês, que foi convidado para ir a Rússia por Pedro, o grande. Naquele ano ele construiu um termômetro que usava mercúrio com fluido de trabalho. Delisle escolheu sua escala usando a temperatura de ebulição da água como o ponto fixo e mediu a contração do mercúrio (com baixas temperaturas) em cem milésimos. Os termômetros antigamente tinham 2400 graduações apropriadas ao inverno em São Petersburgo onde Delisle viveu. Em 1738 Josias Weitbrecht (1702 - 1747) recalibrou o termômetro de Delisle com 0 grau como o ponto de ebulição da água e 150 graus como o ponto de congelamento da água. Este termômetro permaneceu em uso na Rússia por mais de um século.


Muitas tentativas de transformar a escala de Delisle para um intervalo de 100 graus foram feitas antes que o Suíço Anders Celsius (1701-1744) em 1742 propusesse graduar o termômetro com 100 graus como o ponto de ebulição da água e 0 como o ponto de derretimento da neve.
Aparentemente desejando evitar o uso de números negativos para as temperaturas, Celsius determinou o numero 100 para o ponto de congelamento da água e 0 para o ponto de ebulição, dividindo a distancia em intervalos de 100 graus.


Em 1744 o amigo de Celsius,  Carl Linnaeus (1707-1778) inverteu a escala centígrado para atender um sentimento psicológico que quente deveria corresponder a maior temperatura. O uso da escala de Celsius no século 19 foi acelerado pela decisão das autoridades revolucionarias da França de adotar o sistema decimal para todas a quantidades mensuráveis. A escala centígrado tornou-se popular primeiro na Suíça e na Franca (onde ela coexistiu com a escalar de Réaumur) e depois na maior parte do mundo. A comissão de Pesos e Medidas, criado pela Assembléia Francesa decidiu em 1794 que o grau termométrico seria 1/100 da distancia entre o ponto do gelo e o vapor d´agua (originando a palavra centígrado). Em outubro de 1948 na IX conferencia de Pesos e Medidas o nome da unidade foi alterado para Celsius.


Em 1821 Thomas Seebeck (1770-1831), descobriu que quando dois fios de metais diferentes são unidos em duas extremidades e um dos extremos é aquecido circula uma corrente elétrica no circuito. Estava desta forma descoberto o termopar, hoje em dia o mais importante sensor de temperatura para aplicações industriais.


Sir Humphrey Davy (1778-1829) foi um brilhante cientista responsável pelo uso do gás do riso (oxido nitroso) como anestésico e por algumas descobertas como: o elemento sódio, potássio, boro, a solda por arco elétrico e a lâmpada de segurança para a mineração. Em 1821, ele descobriu também que a resistividade dos metais apresentava uma forte dependência da temperatura.


Baseado na idéia da resistividade dos metais, Sir William Siemens (1823–1883) propôs em 1861, o uso de termômetros de resistência de platina, com o qual a medição da temperatura seria feita à custa da variação da resistência elétrica de um fio de platina com a temperatura.  A escolha da platina se deu por ela não se oxidar em altas temperaturas e por ter uma variação uniforme da resistência com a temperatura em um amplo range.


Em 1848, William Thomson (1824-1907) desenvolveu uma escala termodinâmica baseada no coeficiente de expansão de um gás ideal.
Está idéia se deve a descoberta de Jacques Charles sobre a variação de volumes dos gases em função da variação da temperatura, onde Charles concluira com bases em experimentos e cálculos que à temperatura de –273 ºC todos os gases teriam o volume igual a zero. Kelvin propôs outra solução: não era o volume da matéria que se anularia nessa temperatura, mas sim a energia cinética de suas moléculas. Sugeriu então que essa temperatura deveria ser considerada a mais baixa possível e chamou-a se zero absoluto. Então foi criada uma nova escala baseada na escala de grau centígrado. Esta escala absoluta foi mais tarde renomeada para Kelvin e sua unidade designada graus Kelvin (símbolo °K). Observe que a unidade de temperatura no SI é chamada de Kelvin (não graus Kelvin).


Em 1859, William John Macquorn Rankine (1820-1872) propôs outra escala de temperatura na qual especificava 0 para o zero absoluto, mas usava como base a escala graus Fahrenheit.  Devido a escala de Rankine ter o mesmo tamanho da escala de Fahrenheit, o ponto de congelamento da água (32ºF) e o ponto de ebulição da água (212ºF) correspondem respectivamente  a 491.67°Ra e 671.67°Ra. Esta escala foi mais tarde renomeada Rankine e sua unidade designada graus Rankine (símbolo °R).


Em 1887, Hugh Longbourne Callendar (1863-1930), aperfeiçoou o termômetro com resistência de platina, obtendo grande concordância de resultados entre o termômetro de platina e um termômetro de gás. Atualmente a medição de temperaturas por meio de termômetros de platina assume grande importância em numerosos processos de controle industrial

 

A Temperatura e os dias de hoje

Com a criação das diversas escalas, houve a necessidade da definição das curvas dos vários sensores e de seus pontos de calibração. Isto foi alcançado nas diversas reuniões desde 1889 até hoje onde finalmente chegamos ao ITS-90 (International Temperature Scale), mas esta é uma longa historia.

Atualmente as escalas mais utilizadas são Celsius e Fahrenheit. Kevin e Rankine são mais utilizadas por cientistas e engenheiros. Quanto as outras escalas, elas acabaram sendo esquecidas.

Figura 1 – Comparação das escalas de temperatura
Figura 1 – Comparação das escalas de temperatura

Várias normas e padrões dependendo do país e região são utilizadas na medição de temperatura:  ANSI(EUA), DIN (Alemanha), JIS (Japão), BS (Inglaterra), etc.

Nesta evolução da medição de temperatura, os Transmissores de Temperatura são muito importantes na área de automação e controle de processos. Em conjunto com uma diversidade de sensores contribuem para a melhoria contínua dos processos e qualidade final dos produtos. Veremos a seguir mais alguns detalhes deste importante equipamento.

 

O mercado e os transmissores de temperatura inteligentes

Segundo a ARC (Advisory Group study) o mercado de transmissores de temperatura em 2007 foi de U$281 milhões e estima-se para 2010 algo em torno de U$300 milhões e em 2012, U$386 milhões.

Analisando o mercado, podemos observar 3 linhas de transmissores de temperatura associados com a aplicação e custo. Um transmissor inteligente combina a tecnologia do sensor mais sua eletrônica.

 

  • Transmissores à prova de explosão e à prova de tempo

Normalmente utilizados em aplicações críticas, com alta e média performance, possuem carcaça com duplo compartimento, separando eletrônica e sensores, dando robustez, segurança e confiabilidade, possuem indicação local, sensor matching (Callendar Van Dusen), autodiagnose, comunicação digital, ajuste local e são utilizados com os mais diversos sensores em medições simples, dupla, diferencial, sensor backup, etc. Exemplo: TT301TT302 , TT303  da SMAR.

 

  • Transmissores para painel, montagem em trilho DIN

Sua principal aplicação é monitoração, permitindo fácil instalação, inúmeras opções em ambientes fechados e conexões com sensores, alta flexibilidade de instalação e manutenção, dando segurança e confiabilidade, possuem auto-diagnose, sensor matching (Callendar Van Dusen), comunicação digital e são utilizados com os mais diversos sensores em medições simples, dupla, máxima, mínima, média, diferencial, etc. Exemplo: TT411 da SMAR.

 

  • Transmissores para montagem em cabeçote (poço)

Sua principal aplicação é a montagem em cabeçotes, permitindo fácil instalação e conexões com sensores, alta flexibilidade de instalação e manutenção, dando segurança e confiabilidade, possuem auto-diagnose, sensor matching (Callendar Van Dusen), comunicação digital e são utilizados com os mais diversos sensores em medições simples, dupla, máxima, mínima, média, diferencial, etc. Exemplo:TT421 da SMAR.

Em termos de protocolos, como com qualquer outro equipamento de campo, o predomínio no mercado é por protocolos abertos, como HARTFoundation Fieldbus e Profibus PA.

 

Exemplos de Transmissores HART (4-20mA)

Vejamos a figura 2, onde temos o diagrama de blocos do transmissor de temperatura HART TT301 da SMAR.

Figura 2 – Diagrama de blocos do transmissor TT301

Figura 2 – Diagrama de blocos do transmissor TT301

Este transmissor possui as seguintes características:

  • Entrada Universal com ampla escolha de sensores: RTDs padrões, Termopares padrões, ohm, mV e  Sensor Especial
  • Medição Simples ou Diferencial: 2 , 3 ou 4 fios e sensor backup
  • Isolado
  • Compensação de junta fria
  • Compensação de resistência de linha
  • Linerarização
  • 0.02% de precisão básica
  • 4-20mA + Protocolo HART 
  • Re-range
  • Bloco PID e Gerador de SetPoint
  • Autodiagnósticos
  • Detecção de Burn-out
  • Fácil upgrade para Foundation Fieldbus e Profibus PA
  • Display (permite 4 posições de montagem)
  • Montagem em campo
  • À prova de explosão e tempo
  • Intrinsecamente Seguro
  • Alta Imunidade a EMI e RF
  • Robusto
  • Ajuste local simples e completo
  • Corrente de saída de acordo com a NAMUR-NE43
  • Proteção de escrita
  • Verdadeira carcaça com duplo compartimento
  • Co-processador matemático de alta performance

 

Benefícios:

  • Baixo custo com manutenção
  • Auto diagnóstico remoto
  • Somente um modelo de sobressalente para estoque: um único transmissor para qualquer aplicação e ampla faixa e tipo de sensores
  • Baixo custo de instalação
  • Configuração remota ou local e fácil calibração (re-range)
  • Flexibilidade, um único transmissor para qualquer aplicação e ampla faixa e tipo de sensores
  • Redução dos custos de produção
  • Redução do tempo de paradas (process downtime)
  • Melhor uniformidade da produção
  • Redução da variabilidade dos processos: economia de matéria-prima e melhor qualidade final do produto devido a alta exatidão e estabilidade.

A figura 3 mostra o diagrama de blocos dos transmissores de temperatura HART, TT411 e TT421.

 

Figura 3 – Diagrama de blocos do transmissor TT411 e TT421

Figura 3 – Diagrama de blocos do transmissor TT411 e TT421

 

Estes transmissores possuem as mesmas características básicas do TT301. Veja detalhes e benefícios nas figuras 4 e 5.

Figura 4 – TT411 montagem em trilho DIN

Figura 4 – TT411 montagem em trilho DIN

 


Figura 5 – TT421 montagem em cabeçote

Figura 5 – TT421 montagem em cabeçote

 

Novidades em medições de Temperatura

Sensore Óticos

São ainda pouco difundidos mas vejamos abaixo alguns marcos da evolução da fibra ótica:

  • Foi inventada em 1952 pelo físico indiano Narinder Singh Kanpany.
  • 1970: Corning Glass produziu alguns metros de fibra ótica com perdas de 20 db/km.
  • 1973: Um link telefônico de fibras óticas foi instalado no EUA.
  • 1976: Bell Laboratories instalou um link telefônico em Atlanta de 1 km e provou ser praticamente possível a fibra ótica para telefonia.
  • 1978: Começa em vários pontos do mundo a fabricação de fibras óticas com perdas menores do que 1,5 dB/km.
  • 1988: Primeiro cabo submarino de fibras óticas mergulhou no oceano e deu início à super-estrada da informação.
  • 2004: A fibra ótica movimenta cerca de 40 bilhões de dólares anuais.
  • 2007: Fibra óptica brasileira faz 30 anos e o mercado americano de sensores com fibra ótica movimentou 237 milhões de dólares
  • 2014: perspectiva de movimento de 1,6 bilhões de dólares no mercado americano de sensores com fibra ótica

     A sensitividade dos sensores a fibra, ou seja, o distúrbio menos intenso que pode ser medido, pode depender de:

  • Variações infinitesimais em algum parâmetro de caracterização da fibra usada, quando a fibra é o próprio elemento sensor;
  • Mudanças nas propriedades da luz usada, quando a Fibra é o canal através do qual a luz vai e volta do local sob teste.   

Os sensores a Fibras Óticas são compactos e apresentam sensitividades comparáveis ao similares convencionais.Existem muitos sensores comerciais feitos com Fibras Óticas, para medição de temperatura, pressão, rotação, sinais acústicos, corrente, fluxo, etc.

Hoje um tipo com várias aplicações é o sensor de temperatura com tecnologia baseada em Redes de Bragg.



Figura 7 – Redes de Braag

Figura 6– Redes de Braag

As redes de Bragg são elementos simples, confinados ao núcleo da fibra ótica e com elevado potencial de produção em massa. A possibilidade de fabricar redes de Bragg diretamente no núcleo das fibras óticas por processos fotolíticos, sem afetar a integridade física e as características óticas das fibras, veio a ter seu destaque, na última década, um dos mais férteis campos da investigação científica na área da opto-eletrônica.

A natureza ressonante da resposta espectral dos sensores de Bragg é especialmente atraente para aplicações de multiplexação do comprimento de onda. Estas características podem ser convenientemente exploradas numa única fibra ótica contendo diversos elementos sensores com ressonâncias de Bragg distintas.

Deste modo, é possível associar cada sensor a uma determinada posição ao longo da fibra, constituindo em conjunto um sensor quase-distribuído de deformação ou  temperatura. A auto-referenciação e a capacidade de multiplexação têm sido apontadas como as principais vantagens associadas aos sensores de Bragg, sustentando um enorme potencial de desenvolvimento tecnológico.

As redes de Bragg são formadas por uma modulação periódica do índice de refração do núcleo da fibra ótica.

O valor máximo de reflexão dessa microestrutura ocorre quando a constante de propagação do modo guiado no núcleo se encontra em ressonância com a modulação espacial do índice, com período L, estabelecendo a conhecida condição de Bragg, vide figura 6.

A figura 6 lustra a ação de uma rede de Bragg sobre a luz propagada no núcleo da fibra ótica.

As redes de Bragg, como parte integrante da fibra ótica, são sensíveis à aplicação de grandezas físicas, na mesma medida que a própria matriz de sílica. As propriedades espectrais das redes de Bragg dependem de grandezas como a temperatura e a tensão mecânica ou seja, a aplicação de qualquer grandeza que provoque uma alteração do índice efetivo ou do período, induz um desvio no comprimento de onda ressonante. O princípio básico de operação dos sensores de Bragg baseia-se então, na medição dos desvios em comprimento de onda induzidos na condição de ressonância por variação de temperatura, de deformação mecânica, de pressão ou de campos magnéticos. No entanto, dada a importância prática atribuída aos sensores de temperatura e de deformação, a maioria das demonstrações com base nos sensores de Bragg têm sido centradas nessas aplicações.

A sensibilidade à temperatura dos sensores de Bragg resulta da expansão térmica da matriz sílica e da dependência do índice de refração com a temperatura. O grande atrativo para o uso das redes de Bragg como sensores se deve ao fato da informação estar contida no espectro, significando uma medida absoluta e fácil de ser multiplexada e de alta exatidão.Estes sensores são muito utilizados em medições de temperatura no fundo do poço.

 

Conclusão

Vimos através deste artigo a importância da medição de temperatura na automação e controle de processos, um pouco da história da medição de temperatura e dos avanços tecnológicos dos transmissores de temperatura, assim como as três tendências de transmissores, suas aplicações e benefícios.Vimos também o sensor de temperatura utilizando a rede de Braag que deve trazer novidades no futuro nesta medição.

 

Referências

  • Manuais de Operação dos Transmissores de Temperatura SMAR: TT301, TT302, TT411, TT421 e TT423
  • Web: www.smar.com.br  e  www.smarresearch.com.
  • Controle & Instrumentação Edição 82 - “O protocolo digital HART”, César Cassiolato.
  • Controle & Instrumentação Edição 93 - “Transmissores de Temperatura”, César Cassiolato.
  • Mecatrônica Edição 48 - “Transmissores de Temperatura”, César Cassiolato.
  • http://www.deetc.isel.ipl.pt/jetc05/JETC99/pdf/art_53.pdf
  • Pesquisas na Internet em diferentes sites sobre o tema Medição de Temperatura (Todas as ilustrações, marcas e produtos usados aqui pertencem aos seus respectivos proprietários, assim como qualquer outra forma de propriedade intelectual).

Data de publicação: 1/26/2012 10:45:33 AM