Princípio de Funcionamento
Os termômetros de dilatação de líquido baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado.
A equação que rege esta relação é:
Vt = Vo [1 + β1 (∆ t) + β2 (∆ t)2 + β3 (∆ t)3] Onde:
t = temperatura do líquido em ºC
to = temperatura de referência do líquido em ºC (normalmente 0ºC) Vo = volume do líquido à temperatura de referência
Vt = volume do líquido à temperatura t em ºC
β1, β2, e β3 = coeficiente de expansão do líquido
∆t = t - to
Teoricamente, devido aos termos de segunda e terceira ordem, esta relação não é linear. Porém, estes termos são desprezíveis e na prática consideramos esta relação como linear e utilizamos a equação a seguir.
Vt = Vo (1 + β∆ t)
5.1 - Termômetro de vidro
1) Construção
Este termômetro consta de um bulbo de vidro ligado a um tubo capilar, também de vidro, de seção uniforme e fechado na parte superior. O bulbo e parte do capilar são preenchidos por um líquido sendo que na parte superior do capilar existe uma câmara de expansão para proteger o termômetro no caso da temperatura exceder o seu limite máximo. Sua escala é linear e normalmente fixada no tubo capilar no invólucro metálico.
Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico e o tubo capilar pelo invólucro metálico.
Fig. 03 - Termômetro de vidro industrial
A figura 03 apresenta um tipo de termômetro de vidro utilizado na indústria 2) Tipos de líquidos utilizados
Diversos líquidos tais como o mercúrio, tolueno, álcool etílico, pentano, etc., são utilizados na fabricação de termômetro de vidro.
Normalmente emprega-se o mercúrio ou álcool etílico como líquido termométrico, sendo que o mercúrio é o mais utilizado.
A tabela abaixo apresenta a faixa de utilização dos principais líquidos termométricos.
TABELA - Faixa de utilização dos principais líquidos termométricos.
LÍQUIDO PONTO DE
SOLIFIDIFICAÇÃO (ºC) EBULIÇÃO (ºC)PONTO DE UTILIZAÇÃO (ºC)FAIXA DE
Mercúrio - 39 357 - 38 a 550
Álcool etílico - 115 78 - 100 a 70
Tolueno - 92 110 - 80 a 100
Para o caso do mercúrio, cuja faixa normal é de - 38 a 350ºC, pode-se elevar este limite até 550ºC mediante emprego de vidro adequado e injeção de um gás inerte sob pressão, pois isto faz com que se evite a vaporização do mercúrio.
3) Utilização dos termômetros de vidro
Por se tratar de um medidor barato, o termômetro de vidro industrial é utilizado na indicação de temperatura de pequena flutuação, no processo em que a leitura da temperatura no próprio local não se constitui problema, bem como para os casos em que precisão abaixo de ± 1% e resposta rápida não se fizerem necessárias.
4) Recomendações na instalação
− Não utilizar nos pontos em que haja mudanças bruscas de temperatura, pois poderia trincar o capilar de vidro.
− Para evitar erros, devido a temperatura ambiente, o bulbo deverá estar completamente imerso.
− Instalar o bulbo dentro de um poço metálico para proteção mecânica, resistência à corrosão e permitir retirada em operação.
− O bulbo do termômetro deve ser instalado na mesma direção e sentido oposto ao do fluxo, a fim de que a vazão média do fluido seja suficiente para dar uma rápida transferência de calor.
5.2 - Termômetro de Líquido com Capilar Metálico
1 - Construção
Este termômetro consta de um bulbo de metal ligado a um capilar metálico e um elemento sensor. Neste caso, o líquido preenche todo o instrumento e com uma variação da temperatura se dilata deformando elasticamente o elemento sensor.
A este elemento sensor é acoplado um ponteiro que pode girar livremente sobre uma escala graduada. Como a relação entre a deformação do elemento sensor e a temperatura é proporcional, este instrumento nos fornece uma leitura linear.
A figura 04 apresenta um tipo de termômetro de líquido com capilar metálico.
Fig. 04 - Termômetro de líquido com capilar metálico
2 - Tipos de metais utilizados na construção do termômetro
a) Bulbo - Suas dimensões variam de acordo com a sensibilidade desejada e também com o tipo de líquido utilizado na aplicação. Os materiais mais usados para sua confecção são: aço inoxidável, chumbo, monel e cobre.
c) Elemento sensor - Os materiais mais usados para sua confecção são: aço inoxidável e bronze fosforoso.
OBSERVAÇÃO:
No caso de utilizar o mercúrio como líquido de enchimento, o material do bulbo capilar e sensor não pode ser de cobre ou liga do mesmo.
3 - Tipos de líquidos de enchimento
Como líquido de enchimento empregam-se mercúrio, xileno, tolueno, etc., por terem alto coeficiente de expansão.
Dentre eles, o mercúrio é o mais utilizado, pois permite medir ampla faixa de temperatura (a diferença entre o ponto de ebulição e solidificação é grande) e porque apresenta baixo coeficiente de atrito.A tabela abaixo apresenta a faixa de utilização dos principais líquidos de enchimento.
TABELA - Faixa de utilização dos principais líquidos de enchimento.
LÍQUIDO FAIXA DE UTILIZAÇÃO (ºC)
Mercúrio - 38 à 550
Xileno - 40 à 400
Tolueno - 80 à 100
OBSERVAÇÃO:
A faixa de utilização dos líquidos ultrapassa os limites do ponto de ebulição porque o recipiente é preenchido sob pressão elevada (aproximadamente 40 atm).
4 - Tipos de elemento sensor
Basicamente, três tipos de elemento sensor podem ser utilizados para medição de temperatura neste tipo de instrumento.
A figura 05 mostra estes três tipos.
Helicoidal C Espiral
Fig. 05 - Tipos de elemento sensor
5 - Sistema de compensação da temperatura ambiente
Pelo fato deste sistema utilizar líquido inserido num recipiente e da distância entre o elemento sensor e o bulbo ser considerável, as variações na temperatura ambiente afetam não somente o líquido no bulbo, mas todo o sistema (bulbo, capilar e sensor), causando erro de indicação ou registro. Este efeito da temperatura ambiente é compensado de duas maneiras que são denominadas classe ΙA e classe ΙB.
Na classe ΙB a compensação é feita somente na caixa do sensor através de uma lâmina bimetálica ou um espiral de compensação (figura 6 (b)). Este sistema é normalmente preferido por ser mais simples e ter respostas mais rápidas, porém, o comprimento máximo do capilar desse tipo é aproximadamente 6 metros.
Quando a distância entre o bulbo e o instrumento é muito grande, ou se deseja alta precisão, utilizam-se instrumentos da classe ΙA onde a compensação é feita na caixa e no capilar (compensação total) (figura 6 (a)). Neste caso a compensação é feita por meio de um segundo capilar, ligado a um elemento de compensação idêntico ao da medição, sendo os dois ligados em oposição. Este segundo capilar tem seu comprimento idêntico ao capilar de medição, porém não está ligado ao bulbo.
Fig. 06 - Compensação da temperatura ambiente
OBSERVAÇÃO:
Quando o líquido de enchimento é o mercúrio, alguns autores costumam classificar este sistema na classe VA e classe VB, porém sua construção é a mesma da classe Ι.
6 - Utilização de termômetro de líquido com capilar metálico
É ainda utilizado em algumas indústrias para indicação e registro, pois permite leituras remotas e por ser o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de temperatura (sua precisão é ± 0,5%), porém não é muito recomendado para controle devido seu tempo de resposta ser relativamente grande.
7 - Recomendações
– Instalar o bulbo dentro de um poço protetor para permitir manutenção com o processo em operação.
– Sempre que for instalado dentro de um poço protetor, preencher o espaço entre o bulbo e o poço a fim de reduzir o atraso na resposta. Para tal, podemos usar mercúrio, óleo, grafite, glicerina, etc...
– Não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se formem restrições que prejudicariam o movimento do líquido no seu interior, causando falha no funcionamento do termômetro.
– O comprimento máximo do capilar deste sistema deve ser de 60 metros para os líquidos orgânicos e de 15 metros para enchimento com mercúrio.