Guia de Medição de Temperatura para Principiantes
 

Extraído de Thermal Stuffs - Beginner´s Guide
Traduzido por Lúcia Moreira

A temperatura é uma das grandezas mais freqüentemente medidas na ciência e na indústria. Sua medição exata é vital para garantir a qualidade do produto e a eficiência da fabricação, processamento de materiais, monitoração, saúde e segurança. 

A temperatura é o "grau de calor" de um corpo: mais precisamente, o potencial de transferência de calor. Em nossa experiência cotidiana, temos consciência das diferentes temperaturas através do sentido do tato, mas a quantificação é subjetiva. Podemos dizer que o caldeirão está mais quente que o sorvete, mas não em quanto. A medição deve ser objetiva e por isso usam-se termômetros. Um termômetro é um dispositivo no uma propriedade física da substância da qual é feito muda com a temperatura de forma confiável, reprodutível e quantificavel. 

Existem diversos tipos de termômetros. A escolha de qual deles usar depende da aplicação, da temperatura que se quer medir e da exatidão necessária. 

Os Termômetros de Líquido-em-vidro tem sido usados na ciência, na medicina, na metereologia e na indústria por quase 300 anos. Eles se baseiam no fato de que a maioria dos fluídos se expandem quando aquecidos. O fluído é encerrado em um bulbo de vidro selado e sua expansão é medida usando-se uma escala gravada na haste do termômetro. 

O fluído mais largamente utilizado é o mercúrio, que opera na faixa de -38 a 356ºC, embora a introdução de um gás na montagem pode ampliar sua faixa até 600ºC ou além. Outros fluídos incluem álcool etílico, tolueno e pentano que podem ser usados até -200 °C.

Tais termômetros são delicados precisam que uma pessoa faça as leituras, de preferência sem deixá-los cair! Os termômetros de líquido-em-vidro tem sido largamente substituídos por dispositivos elétricos mais robustos cuja leitura podem ser automatizada. 

Um termômetro de resistência se baseia na mudança da resistividade de um fio metálico com a temperatura. À medida que os elétrons se movem através de um metal, eles têm seu movimento dificultado pelas vibrações térmicas dos átomos da grade cristalina. Quanto mais alta a temperatura, maior a impedância e maior a resistividade. Este efeito é muito marcante em metais puros e para materiais "bem comportados" permite a medição da temperatura com exatidão melhor que 0,001 °C.

Normalmente utiliza-se um fio de platina na construção do termômetro, por se tratar de metal nobre e não-reativo em uma ampla faixa de temperatura. Também o cobre, o níquel e ligas de ródio podem ser usados em várias faixas de temperatura. Usualmente uma espiral feita de um fio de platina pura é enrolada sobre uma peça de alumina e a montagem final é feita dentro de um tubo de aço. 

A conversão de resistividade para temperatura pode ser facilmente automatizada e é descrita, por exemplo, na norma IEC 60751, onde a relação temperatura/resistência é aproximadamente descrita por:  .

W(t) = R(t)/R(0) = 1 + At + Bt²

Onde R(t) e R(0) são as resistências nas temperaturas t e 0 °C respectivamente e A e B são constantes.Em temperaturas inferiores a 0ºC, deve-se usar uma função mais complexa.

Os Termopares dependem do efeito de Seebeck: quando um condutor é colocado em um gradiente de temperatura, os elétrons se difundem através do gradiente e é gerada uma fem (força eletromotriz) ou termotensão. A magnitude da fem depende do material e também da sua condição física. Para medir a fem térmica (ou fem de Seebeck) o circuito deve ser completado usando-se um segundo e diferente condutor. Este é unido ao primeiro condutor na chamada junção de medição e sofre o mesmo gradiente de temperatura, formando o termopar. A fem do termopar é, então, a diferença entre as fem´s geradas pelos dois condutores. 

Na prática os termopares possuem duas junções. Uma das junções é mantida na temperatura a ser medida, t₁, por exemplo, em um forno. A segunda, chamada junção de referência é mantida à temperatura t₂ que, usualmente, é o ponto de fusão do gelo. Essa condição pode ser obtida usando-se gelo fundente ou, com certa perda na exatidão, eletronicamente. A diferença entre das fem´s geradas pelos dois condutores é dada por:

Onde E é a fem líquida e  S_a e S_b são os coeficientes de Seebeck dos condutores  a e b.

Existem diversas combinações de termopares, mas somente 8 foram padronizadas na IEC 60584-1. Estão incluídos 3 termopares de metal nobre usando platina e ligas de plátina-ródio, largamente utilizados para temperaturas até 1600 °C. Os outros 5 são feitos de ligas de níquel, que são mais baratas e mais adequadas para o uso industrial até 1200 °C. Outras ligas refratárias podem ser usadas até ou mesmo acima de 2000 °C.

A simplicidade, rusticidade, baixo custo, tamanho pequeno e amplo faixa de temperatura dos termopares tornam-nos o tipo de sensor de temperatura mais usado nas aplicações industrial. 

A Termometria de Radiação se baseia no fato de que todos os objetos emitem radiação nas porções infravermelha e visível do espectro e cuja intensidade varia com a temperatura. A radiação pode ser medida à distância, permitindo a medição da temperatura de objetos em movimento, muito quentes, em ambientes hostis ou com temperatura sofrendo rápida alteração ou ainda em situações nas quais se deve evitar a contaminação do produto. 

A relação fundamental que governa a radiação térmica emitida é a Lei de Planck. Ela relaciona a intensidade da radiação de um radiador perfeito (ou corpo negro) com a temperatura e o comprimento de onda:  

onde L_lé a intensidade da radiação térmica no comprimento de onda l, T é a temperatura da fonte em Kelvin e c₁ e c₂ são a primeira e segunda constantes de radiação, respectivamente. Para superfícies reais, a intensidade é reduzida por um fator de emissividade entre 0, para um refletor perfeito e 1 para um corpo negro. 

Os termômetros de radiação coletam e conduzem a radiação térmica para um detector. Usualmente são utilizados materiais semicondutores: silício, sulfeto chumbo ou arseniato de gálio.A saída pode ser digitalizada e continuamente monitorada. 

A termometria de radiação tem sido usada há tempos para a medição de temperatura em processos industriais e de manufatura e atualmente é largamente utilizada para medições mais comuns. Entretanto, sua aparente facilidade de uso mascara a igual facilidade de que eles sejam usados incorretamente. Os efeitos do campo de visão, reflexões, absorção atmosférica e emissividades desconhecidas são problemas potenciais
 

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