Qual é a diferença entre um termômetro bimetálico e um termômetro de pressão?

Um medição de temperatura em aplicações industriais, de processos e de engenharia mecânica depende de vários princípios físicos fundamentalmente diferentes, e a escolha do tipo de instrumento errado para uma determinada aplicação pode resultar em baixa precisão, falha prematura, riscos de segurança ou custos desnecessários. Dois dos tipos de termômetros mecânicos mais amplamente utilizados - o termômetro bimetálico e o termômetro de pressão (também chamado de termômetro acionado por gás ou de sistema preenchido) - são frequentemente comparados diretamente porque ambos são instrumentos independentes de leitura local que não requerem fonte de alimentação externa. Mas seus princípios operacionais, construção, características de desempenho e aplicações ideais diferem de maneiras importantes e significativas na prática. Este artigo examina ambos os tipos de instrumentos em profundidade para ajudar engenheiros, operadores de plantas e especialistas em compras a fazer uma seleção informada.

Como funciona um termômetro bimetálico

A termômetro bimetálico opera com base no princípio da expansão térmica diferencial entre dois metais diferentes permanentemente ligados ao longo de seu comprimento. Quando a tira composta é aquecida ou resfriada, os dois metais se expandem ou contraem em taxas diferentes – governadas pelos seus respectivos coeficientes de expansão térmica – fazendo com que a tira colada se curve em proporção à mudança de temperatura. Ao enrolar esta tira bimetálica em uma bobina helicoidal ou espiral e conectar uma extremidade a uma âncora fixa enquanto a outra extremidade aciona um ponteiro através de uma ligação mecânica, o movimento rotacional da extremidade da bobina é traduzido em uma deflexão do ponteiro através de uma escala calibrada.

O emparelhamento de metal mais comumente usado em termômetros bimetálicos é o Invar (uma liga de níquel-ferro com coeficiente de expansão térmica extremamente baixo) ligado a uma liga de alta expansão, como latão, cobre ou aço inoxidável. A taxa de expansão próxima de zero do Invar maximiza o movimento diferencial para uma determinada mudança de temperatura, melhorando a sensibilidade e a amplitude de escala. A forma de bobina helicoidal é preferível a uma espiral plana simples em termômetros com mostrador porque permite um elemento bimetálico mais longo dentro de um diâmetro de haste compacto, aumentando a rotação angular por grau de mudança de temperatura e, portanto, melhorando a legibilidade e a precisão.

O elemento sensor – a bobina bimetálica helicoidal – está alojado dentro de um poço termométrico protetor ou haste de imersão que é inserida no meio do processo que está sendo medido. A haste transmite calor do meio para o elemento bimetálico, protegendo-o do contato direto com o fluido. A cabeça do mostrador, contendo o ponteiro, a escala e, às vezes, uma janela protetora, é montada na parte superior da haste e lê a temperatura diretamente. Não é necessária energia elétrica, condicionamento de sinal externo ou equipamento de leitura remota – toda a cadeia de medição e indicação é mecânica.

Como funciona um termômetro de pressão

Um termômetro de pressão – mais precisamente descrito como um sistema térmico preenchido ou termômetro de pressão de vapor – opera segundo um princípio físico totalmente diferente. Um sistema selado que consiste em um bulbo (o elemento sensor), um tubo capilar e um elemento de pressão do tubo Bourdon é preenchido com uma substância sensível à temperatura - seja um gás, um líquido, um vapor ou uma combinação - e hermeticamente selado. Quando o bulbo é exposto à temperatura do processo, o meio de enchimento se expande (em sistemas cheios de líquido e de gás) ou gera uma pressão de vapor característica (em sistemas de pressão de vapor), aumentando a pressão em todo o sistema selado. O tubo Bourdon na extremidade do instrumento responde a esta mudança de pressão endireitando-se ligeiramente, conduzindo um ponteiro através de uma ligação mecânica para indicar a temperatura numa escala calibrada.

A classificação SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) divide os sistemas térmicos preenchidos em quatro classes com base no meio de enchimento. Os sistemas de Classe I utilizam um enchimento líquido (normalmente óleo de silicone ou mercúrio em instrumentos antigos), os sistemas de Classe II utilizam um enchimento de pressão de vapor (uma mistura líquido-vapor que explora a curva de saturação do fluido de enchimento), os sistemas de Classe III utilizam um enchimento de gás (normalmente azoto) e os sistemas de Classe V utilizam mercúrio. Cada classe tem diferentes faixas de temperatura, requisitos de compensação de temperatura ambiente e características de precisão, mas todas compartilham o recurso comum de um bulbo remoto conectado por um capilar ao cabeçote indicador — um recurso que permite que o ponto de medição e o ponto de leitura sejam fisicamente separados por distâncias de até vários metros.

Principais diferenças estruturais e operacionais

Embora ambos os instrumentos forneçam uma leitura de temperatura mecânica local sem alimentação externa, sua construção interna cria diferenças operacionais significativas que afetam diretamente sua adequação para diferentes aplicações.

Localização do elemento de detecção e leitura remota

Em um termômetro bimetálico, o elemento sensor (a bobina bimetálica) está localizado dentro da haste do instrumento, diretamente abaixo da cabeça do mostrador. O mostrador deve, portanto, ser posicionado no ponto de medição ou muito próximo dele – normalmente a alguns centímetros da conexão do processo. Isso limita os termômetros bimetálicos a aplicações onde o acesso direto ao ponto de medição para leitura é prático e seguro. Em contraste, um termômetro de pressão separa o bulbo (elemento sensor) da cabeça indicadora através de um tubo capilar que pode ser direcionado ao redor de obstáculos, através de paredes ou através de distâncias significativas. Esta capacidade de leitura remota torna os termômetros de pressão essenciais em aplicações onde o ponto de medição é fisicamente inacessível, em locais perigosos, em altitudes elevadas ou onde o pessoal não deve se aproximar do processo durante a operação.

Tempo de resposta

Os termômetros bimetálicos têm uma resposta térmica relativamente lenta em comparação com outros tipos de sensores de temperatura porque o calor deve ser conduzido do fluido do processo através da parede do poço termométrico e para dentro do elemento bimetálico antes que a indicação mude. Os tempos de resposta normalmente ficam na faixa de 30 a 120 segundos para atingir 90% de uma mudança gradual na temperatura do processo, dependendo do diâmetro da haste, do material do poço termométrico e da velocidade do fluido do processo. Termômetros de pressão com bulbos grandes imersos diretamente no fluido do processo têm resposta um pouco mais rápida para sistemas cheios de líquido, embora o capilar introduza um pequeno atraso adicional. Nenhum tipo de instrumento é apropriado para aplicações que exigem rastreamento rápido de temperatura – sensores eletrônicos como termopares ou RTDs com poços termométricos de parede fina são muito mais rápidos.

Compensação de temperatura ambiente

Uma diferença prática significativa entre os dois tipos de instrumentos é a sua sensibilidade à temperatura ambiente na cabeça do instrumento. Os termômetros bimetálicos, porque todo o seu elemento sensor está na temperatura do processo, não são significativamente afetados pelas mudanças de temperatura ambiente no mostrador - a bobina bimetálica responde apenas à temperatura na haste, e não à temperatura do ar circundante no mostrador. Termômetros de pressão, particularmente sistemas preenchidos com líquido (Classe I) e preenchidos com gás (Classe III), são sensíveis às mudanças de temperatura ambiente porque o meio de enchimento no capilar e no tubo de Bourdon também é afetado pela temperatura ambiente, e não apenas pela temperatura no bulbo. Este efeito é gerenciado por meio de dispositivos de compensação – compensadores bimetálicos integrados ao mecanismo de movimento – mas o erro residual de temperatura ambiente pode ser uma fonte significativa de imprecisão em ambientes com grandes oscilações de temperatura ambiente.

Comparação de precisão e calibração

Aplicações típicas para termômetros bimetálicos

Os termômetros bimetálicos são os termômetros de leitura local mais amplamente utilizados em aplicações industriais e de processos em geral, e sua combinação de simplicidade, baixo custo, robustez e facilidade de instalação os torna a escolha padrão para uma ampla gama de tarefas de monitoramento de temperatura.

• Serviços de HVAC e construção: Monitoramento das temperaturas de fornecimento e retorno em circuitos de aquecimento e resfriamento, serpentinas de unidades de tratamento de ar, sistemas de água gelada e linhas de fluxo e retorno de caldeiras. A haste compacta e a orientação ajustável do mostrador de um termômetro bimetálico padrão facilitam a instalação em tubos de ½ polegada para cima.
• Tubulações e embarcações industriais: Monitoramento da temperatura do fluido do processo nas entradas da bomba, nas conexões do trocador de calor, nas saídas dos tanques de armazenamento e nos pontos de mistura em fábricas de processamento de alimentos, químicas e farmacêuticas. Termômetros bimetálicos de nível sanitário com conexões de processo higiênicas são padrão no processamento de alimentos e bebidas.
• Monitoramento de compressores e máquinas: Monitoramento da temperatura do óleo, temperatura de descarga e temperatura da água de resfriamento em compressores, bombas e caixas de engrenagens. Termômetros bimetálicos com mostrador preenchido com líquido são preferidos em aplicações de máquinas de alta vibração porque o enchimento de glicerina ou silicone amortece a oscilação do ponteiro e reduz o desgaste mecânico do movimento.
• Monitoramento de utilidades: Sistemas de distribuição de vapor, linhas de ar comprimido, circuitos de torres de resfriamento e tubulações de serviços públicos onde a temperatura é monitorada para fins de conscientização operacional, em vez de controle preciso do processo. Termômetros bimetálicos nesses locais costumam ser a opção mais econômica e de fácil manutenção.

Aplicações típicas para termômetros de pressão

Os termômetros de pressão ocupam um nicho de aplicação mais restrito, mas importante, definido principalmente pela necessidade de indicação remota – leitura da temperatura em um local fisicamente separado do ponto de medição do processo – e pela exigência de um instrumento totalmente mecânico e independente em locais onde sensores eletrônicos não são práticos ou permitidos.

• Caldeiras e vasos de pressão: Monitoramento da temperatura do vapor, da água de alimentação e da temperatura dos gases de combustão em locais que não são acessíveis de forma segura ou prática para leitura direta. A lâmpada é instalada no ponto de medição e o cabeçote indicador está localizado em um painel local ou placa de controle a uma distância segura.
• Sistemas de refrigeração e criogênicos: Termômetros de pressão cheios de gás (Classe III) e de pressão de vapor (Classe II) são usados em plantas de refrigeração, instalações de armazenamento refrigerado e sistemas de gás liquefeito onde as temperaturas se estendem bem abaixo da faixa de instrumentos bimetálicos padrão. A capacidade de especificar preenchimentos de baixa temperatura estende a faixa de medição para -200°C e abaixo.
• Instalações de produção de petróleo e gás: Leitura remota de temperaturas de cabeça de poço, temperaturas de separadores e temperaturas de saída de trocadores de calor em locais em áreas de processo classificadas como zonas perigosas, onde a eliminação de quaisquer componentes elétricos é um requisito de segurança. Um termômetro de pressão totalmente mecânico, sem peças elétricas, é inerentemente seguro em atmosferas explosivas.
• Aplicações marítimas e offshore: Monitoramento da temperatura da sala de máquinas em navios e plataformas offshore, onde a resistência à corrosão, a robustez mecânica e a ausência de requisitos de energia elétrica são valorizadas. Termômetros de pressão totalmente em aço inoxidável com capilares Monel ou Hastelloy são especificados para os ambientes marinhos mais corrosivos.

Selecionando entre um termômetro bimetálico e um termômetro de pressão: estrutura de decisão

A escolha entre um termômetro bimetálico e um termômetro de pressão raramente é ambígua quando os requisitos da aplicação estão claramente definidos. A seguinte lógica de decisão cobre os fatores de diferenciação mais comuns:

• Se o ponto de leitura precisar estar distante do ponto de medição: Escolha um termômetro de pressão. Os instrumentos bimetálicos não podem separar suas funções de detecção e indicação. A distância entre o bulbo e o cabeçote, o direcionamento do capilar e o comprimento necessário do capilar devem ser especificados na fase de pedido.
• Se a aplicação envolver alta vibração: Ambos os tipos estão disponíveis em versões resistentes à vibração (mostradores bimetálicos preenchidos com líquido; termômetros de pressão com tubo Bourdon com preenchimento de glicerina). Os termômetros de pressão com seus elementos Bourdon de massa maior são geralmente mais robustos em ambientes sustentados de alta vibração do que os instrumentos bimetálicos.
• Se a temperatura ambiente na cabeça do instrumento variar muito: Escolha um termômetro bimetálico, cuja leitura não seja afetada pela temperatura ambiente no mostrador, ou especifique um termômetro de pressão de vapor Classe II se a leitura remota também for necessária. Evite termômetros de pressão cheios de líquido Classe I não compensados ​​em ambientes com grandes variações de temperatura ambiente.
• Se a temperatura de medição estiver abaixo de −70°C: Um termômetro de pressão com preenchimento criogênico é a única opção mecânica prática. Os instrumentos bimetálicos não podem operar de forma confiável em temperaturas abaixo de aproximadamente -70°C devido à fragilidade e à perda de expansão diferencial em ligas bimetálicas de temperatura muito baixa.
• Se o custo e a simplicidade são os principais critérios para uma aplicação simples de monitoramento de tubulações: Escolha um termômetro bimetálico. É mais barato, mais fácil de instalar e substituir e mais simples de calibrar em campo do que um termômetro de pressão. Para a grande maioria das tarefas gerais de monitoramento de temperatura industrial na faixa de -70°C a 400°C em pontos de medição acessíveis, o termômetro bimetálico continua sendo a escolha mais prática e econômica.