Controle e Automação Industrial

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Suponha que a junta fria esteja à 20ºC, e que a junta quente esteja à 50ºC. O voltímetro medirá uma tensão V=K*(T2-T1), onde K é um fator de proporcionalidade. Assim sendo o termopar somente mede a diferença de temperatura e não a temperatura absoluta da junção. Isso quer dizer que devemos sempre conhecer a temperatura da junção fria, que por esta razão, também é chamada de junção de referência.

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Na figura abaixo, temos a FEM, em função da temperatura para diversos materiais:

Entretanto, nos termopares usados na industria não temos, normalmente, duas junções e sim apenas junção. Isto ocorre porque no termopar usado na industria o ponto de medição da tensão do termopar é exatamente sobre a junção fria, que fica conectada ao equipamento. Dessa forma a temperatura da junção fria é a própria temperatura ambiente do aparelho. Internamente o aparelho que usa o termopar, usam normalmente diodos ou outro componente qualquer para fornecer a temperatura da junção fria. A figura abaixo, ilustra um caso usando RTD como referência.

Enquanto na industria é mais comum o usos de termopares de uma ponta ou uma junção, como os da figura acima, em laboratórios de calibração, entretanto, é mais comum o uso de duas juntas para dar mais precisão. Normalmente a junta fria fica solidamente conectada à fonte de 0C, que pode ser uma garrafa térmica com gelo.

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Na figura abaixo vemos a conexão de um termopar de uma junção, em um medidor de temperatura usado na industria.

Junta Fria ou de Referência

Junta Quente

Observe que o cabo de um termopar nunca deve ser estendido, pois isto eqüivaleria à deslocar a junção fria da superfície do aparelho e haveria erro na leitura. Quando é necessário estender o cabo do termopar deve-se usar materiais iguais aos do termopar ou cabos especiais, recomendados pelos fabricantes e fazer uma operação chamada de compensação, que visa eliminar o erro introduzido pela extensão. A figura abaixo ilustra um caso de extensão.

Mesmo com todos estes cuidados o cabo do termopar não pode ser muito estendido em razão dos problemas de interferência eletromagnética que vão se tornando notáveis. Quando a informações está longe do ponto de medição, deve-se usar mesmo é o transmissor.

Fontes de erros

Vários tipos de erros podem ser introduzido durante a medida de temperatura com o uso de termopares. Erros devidos a carregamento do circuito do termopar (já descrito) , precisão na leitura, ruído e resposta dinâmica devem ser minimizados afim de alcançar precisão desejada. Existe ainda outro tipo de erro inerente a sensores de temperatura, o chamado erro de inserção. O erro de inserção é o resultado do aquecimento ou resfriamento da junção que muda a temperatura da junção T do meio na temperatura Tm .

Este erro é classificado em três tipos:

1) Erro de condução 2) Erro de recuperação 3) Erro de radiação

Medidor

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O primeiro erro é devido a transferência ou absorção de calor por condução para o ambiente através do contato do termopar com o corpo a ser monitorado. Este erro é mais significante quando a massa térmica do termopar é comparável com a do sistema. O segundo erro acontece sempre que um termopar é inserido no meio de um gás movimentando-se à alta velocidade, resultando na estagnação do gás próximo ao probe de medida. Finalmente, o terceiro erro é devido a perdas por radiação de calor. Este erro é mais significante em altas temperaturas.

Termopilha:

Outro recurso muito utilizado é a pilha de termopares que consiste em associar vários termopares do mesmo tipo em série, de forma tal que a tensão de leitura seja a soma algébrica das tensões dos vários termopares. Dessa forma consegue-se uma tensão de leitura mais elevada e maior imunidade ao ruído. Uma ressalva, os termopares devem medir sempre a mesma temperatura. A figura abaixo ilustra isto.

Os termopares são classificados em função da faixa de temperatura que atuam, dos materiais que compõem suas ligas e da precisão associada à eles. Abaixo tem uma tabela classificação de termopares:

Tipo Positivo Negativo Precisão Faixa Observações BPt 30%RhPt 6%Rh0,5% >800°C50 a 1820Para altas temperaturas

CW 5%ReW 26%Re1% >425°C0 a 2315Para temperaturas muito altas

DW 3%ReW 25%Re1% >425°C0 a 2315Para temperaturas muito altas

ENi 10%CrCu 45%Ni0,5% ou 1,7°C-270 a 1000Uso geral para temperaturas médias e baixas

GWW 26%Re1% >425°C0 a 2315Para temperaturas muito altas

JFeCu 45%Ni0,75% ou 2,2°C-210 a 1200Alta temperatura em atmosfera redutora

KNi 10%CrNi 2%Al 2%Mn 1%Si0,75% ou 2,2°C-270 a 1372Uso geral, alta temperatura em atmosfera oxidante

NNi 14%Cr 1,5%SiNi 4,5%Si 0,1%Mg0,75% ou 2,2°C-270 a 1300Substituto melhor para o tipo K

RPt 13%RhPt0,25% ou 1,5°C-50 a 1768De precisão para alta temperatura

SPt 10%RhPt0,25% ou 1,5°C-50 a 1768De precisão para alta temperatura

TCuCu 45%Ni0,75% ou 1,0°C-270 a 400Uso geral p/ baixa temperatura, resistente à umidade

OBS:A liga de Cobre e Níquel (Cu-Ni) é mais conhecida como Constantan ou Constantã.

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Termistores:

Termistores são resistores sensíveis à temperatura. Os elementos resistivos são óxidos de metais como manganês, níquel, cobalto, cobre, ferro, titânio. A figura abaixo dá a ilustração de um tipo comum.

Com relação a forma como a resistência varia com a temperatura os termistores podem ser classificados de duas formas: NTC ou PTC.

NTC:É quando a resistência do termistor diminui com o aumento da temperatura; PTC:É quando a resistência do termistor aumenta com o aumento da temperatura.

O tipo NTC é mais usual na medição e controle de temperatura. Mas não são muito usados em processos industriais, provavelmente pela falta de padronização entre os fabricantes.

O termistor NTC é um dos sensores de temperatura que dão a maior variação da saída por variação de temperatura, mas a relação não é linear.

A relação entre resistência e temperatura é dada pela equação de Steinhart & Hart:

T = 1/(a + b ln R + c ln R3)

Onde os coeficientes a, b e c são característicos de cada modelo e informados pelos fabricantes. A tabela abaixo dá as principais características de um tipo comum 44004 fabricado pela YSI.

Nota-se a não-linearidade da temperatura com a resistência. Entretanto isto pode ser melhorado com o uso de amplificadores logarítmicos que linearizam o componente, tornando-o útil para a aplicações como transdutor de temperatura.

Pode-se também notar que a temperatura máxima não é das mais elevadas, outro fator que limita o uso industrial. Uma aplicação típica de termistores é na proteção de circuitos de potência.

Parâmetro Valores Resistência a 25°C2252 ohms Faixa de medição-80 a +120°C típico (250°C max) Tolerância±0,1 ou ±0,2°C Estabilidade em 12 meses< 0,02°C a 25°C e < 0,25°C a 100°C Constante de tempo< 1,0 s em óleo e < 60 no ar calmo Auto-aquecimento0,13 °C/mW em óleo e 1,0 °C/mW no ar Coeficientesa = 1,4733 10-3 b = 2,372 10-3 c = 1,074 10-7 Dimensões2,5 x 4 m

PTC’s apresenta limitação de uso pelo fato de que somente são PTC’s dentro de uma faixa de temperatura, mais restrita que a dos NTC’s. Assim sendo os NTC’s são mais comuns. A aplicação típica de um PTC é como proteção por sobrecarga por corrente excessiva de componentes eletrônicos.

Termoresistências:

RTD é abreviação inglesa de "Resistance Temperature Detector". A base do funcionamento é o conhecido fenômeno da variação da resistência elétrica dos metais com a temperatura. Embora os anteriores usem princípios similares, em geral eles não são classificados como RTDs, uma vez que os

Controle de Automação Industrial elementos resistivos são óxidos e semicondutores. Os metais mais usados são platina, níquel, cobre, ferro, molibdênio e/ou ligas dos mesmos.

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