Relatórios sobre Medidores de temperaturas - Termopares

Relatórios sobre Medidores de temperaturas - Termopares

(Parte 1 de 3)

Bruno Morais Santos

Luis Evaldo Wolff Mário Kossar

Telêmaco Borba 2009

1. INTRODUÇÃO ---------------------------------------------------------------------------- 03 2. OBJETIVOS EXPERIMENTAIS ------------------------------------------------------- 04 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA – TERMOPARES ------------------------------- 04 3.1 TIPOS DE TERMOPARES --------------------------------------------------- 08 4. MATERIAIS E MÉTODOS ------------------------------------------------------------- 10 4.1 MONTAGEM DOS EQUIPAMENTOS ------------------------------------ 1 4.2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ---------------------------------- 12 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ------------------------------------------------------- 13 5.1 CONSTRUÇÃO DE PARES TERMOELÉTRICOS E MEDIDA DA F.E.M. TERMOELÉTRICA ------------------------------------------------------------ 13 5.2 CALIBRAÇÃO DOS PARES TERMOELÉTRICOS --------------------- 14 6. CONCLUSÃO ------------------------------------------------------------------------------ 16 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ----------------------------------------------------- 17

1. INTRODUÇÃO

Os termopares são os sensores de temperatura preferidos nas aplicações industriais, seja pela sua robustez, seja pela simplicidade de operação. Entretanto, para que as medições de temperatura com termopar sejam significativas e confiáveis, é fundamental conhecer não somente os princípios básicos de operação, como também as condições que o usuário deve proporcionar para que esses princípios sejam válidos.

Os sensores de temperatura podem ser calibrados pelo método de comparação com um sensor padrão de referência ou pelo método de pontos fixos (pontos de fusão, solidificação ou pontos triplos de substâncias quimicamente puras) definidos na Escala Internacional de Temperatura de 1990. Além desses dois métodos de calibração de sensores de temperatura, temos um terceiro denominado calibração pelo método da ponte ou fio. Este método, que é uma variação do método por pontos fixos, aplica-se à calibração de termopares de metais nobres (tipos S, R ou B) e é uma alternativa para a calibração desses sensores a altas temperaturas (até aproximadamente 1600 °C). Este trabalho apresenta os resultados e análise das calibrações de dois termopares tipo S, utilizando o método da ponte, realizadas pelo Laboratório de Metrologia do IPT. Estes resultados são confrontados com as calibrações anteriores utilizando o mesmo método, realizadas pelo NPL (National Physical Laboratory – Inglaterra) e também com os resultados das calibrações por comparação com termopares de referência, que foram calibrados em células de ponto fixo primárias no PTB (Alemanha) e no INMETRO.

2. OBJETIVOS EXPERIMENTAIS

Os experimentos realizados possuem os seguintes objetivos:

Constatar a veracidade do surgimento de uma f.e.m. em um termopar cujas junções são submetidas a temperaturas diferentes;

Calibrar um par termoelétrico e adquirir conhecimento suficiente para, a partir da manipulação dos dados obtidos, construir a curva de calibração de um par termoelétrico.

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Termopar é um tipo de sensor de temperatura muito simples, robusto, barato e de fácil utilização. O dispositivo gera eletricidade a partir de diferenças de temperatura. Dois fios condutores de eletricidade, por exemplo, o cobre e uma liga de cobre/níquel chamada constantã, quando unidos em uma de suas extremidades, geram uma tensão elétrica, que pode ser medida na outra extremidade, se existir diferença de temperatura entre elas. Como a diferença de potencial é proporcional à diferença de temperatura entre suas junções, este princípio, denominado efeito Seebeck em homenagem ao cientista que o descreveu, é amplamente utilizado para medir temperatura na indústria, em muitos tipos de máquinas e equipamentos.

Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que, unindo as extremidades de dois metais diferentes “Fe” e “Cu” (Figura 1), e submetendo as junções “1” e “2” a temperaturas diferentes T1 e T2, surge uma f.e.m. (força eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os pontos A e B, denominada “tensão termoelétrica”.

Cobre

Junção 1Junção 2

Cobre Ferro

Figura 1 – Par termoelétrico e junções.

Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao se conectar dois metais diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado na Figura 1, tem-se um circuito tal que, se as junções “1” e “2” forem mantidas em temperaturas diferentes T1 e T2, surgirá uma f.e.m. termoelétrica e uma corrente elétrica “i” circulará pelo chamado "par termoelétrico” ou "termopar".

Qualquer ponto deste circuito poderá ser aberto e nele inserido o instrumento para medir a f.e.m. (Figura 2). Uma conseqüência imediata do efeito Seebeck é o fato de que, conhecida a temperatura de uma das junções, pode-se saber a temperatura da outra junção através da f.e.m. produzida. A medição de temperatura é, na realidade, a maior aplicação do termopar (que também pode ser usado como conversor termoelétrico, embora apresente baixo rendimento), bastando para isso que se conheça a relação f.e.m. x variação de temperatura na junção do termopar. Esta relação pode ser conseguida através de uma “calibração”, ou seja, uma comparação com um padrão.

Junção de Medição

Junção de Referência

Voltímetro

Figura 2 – Circuito para medir o potencial de Seebeck compreendendo dois fios diferentes (A e B), duas junções e um voltímetro.

A tensão de circuito aberto através da junção de referência é a chamada tensão de Seebeck e aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as junções aumenta. O termopar tem como princípio geral de funcionamento as leis que seguem abaixo:

Lei das Temperaturas Sucessivas: Estabelece a correspondência entre as forças eletromotrizes obtidas para diferentes temperaturas de referência. Permite, em conseqüência, compensar ou prever dispositivos que compensam mudanças de temperatura da junta de referência.

Lei dos Metais Intermediários: A força eletromotriz de um termopar não será afetada se em qualquer ponto de seu circuito for inserido um metal genérico desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.

Existe uma variedade de meios em que o termopar pode ser incorporado como um sensor capaz de medir temperatura de um sistema físico. É necessário garantir que a junção de medição esteja numa condição isotérmica, daí a importância de imergir o termopar a uma profundidade adequada (grosseiramente entre 10 a 20 vezes seu diâmetro externo – incluindo as proteções). Pelo fato de o transdutor responder a um gradiente de temperatura, ele deve ser conectado a dois sistemas físicos em duas temperaturas diferentes.

A junção de referência deve ser isotérmica para propiciar uma temperatura conhecida e auxiliar na obtenção de uma interface do sinal, que isola o sensor da instrumentação. Os fios de transmissão do sinal da junção de referência até o instrumento estão freqüentemente em um meio mais controlado do que aquele de outros sensores de temperatura, especialmente se a junção de referência estiver dentro do instrumento. Se o instrumento for um voltímetro, a interpretação dos dados requererá informação extra a respeito da temperatura de referência e da tabela do termopar, caso contrário esta informação pode estar incluída no instrumento e a temperatura ser indicada diretamente.

Todas as tabelas normalizadas dão os valores da tensão de saída do termopar considerando que a segunda junção do termopar (a junção fria) é mantida a exatamente a zero grau Celsius. Antigamente isto se conseguia conservando a junção em gelo (daí o termo compensação por junção fria). Contudo, a manutenção do gelo nas condições necessárias não era fácil, e logo se optou por medir a temperatura da junção fria e compensar a diferença para zero grau Celsius.

Normalmente, a temperatura da junção fria é medida por um transmissor de precisão. A leitura desta segunda temperatura, em conjunto com a leitura do valor da tensão do próprio termopar, é utilizada para o cálculo da temperatura verificada na extremidade do termopar. Em aplicações menos exigentes, a compensação da junção fria é feita por um semicondutor sensor de temperatura, combinando o sinal do semicondutor com o do termopar. É importante a compreensão da compensação por junção fria, pois qualquer erro na medição da temperatura da junção fria irá ocasionar igualmente erros na medição da temperatura da extremidade do termopar. Conforme visto na Figura 3.

Isothermal

Region

Ice Bath T = 0°C

Figura 3 – Esquema de calibração com temperatura de referência.

O instrumento de medida tem de ter a capacidade de lidar com a compensação da junção fria, bem como com o fato de a saída do termopar não ser linear. A relação entre a temperatura e a tensão de saída é uma equação polinomial de 5ª a 9ª ordem, dependendo do tipo do termopar. Alguns instrumentos de alta precisão guardam em memória os valores das tabelas dos termopares para eliminar esta fonte de erro.

Ao se medir a f.e.m. termoelétrica de um par termoelétrico em função da temperatura, obtém-se, em geral, uma relação do tipo mostrado no gráfico da Figura 4. A curva mostrada no gráfico é denominada de curva de calibração do par termoelétrico. A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura, normalmente, não é linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada como se o fosse (veja a reta 1 da Figura 4).

Reta 1TP T 2 1 1T 2T T3T Figura 4 - Curva de calibração de um par termoelétrico.

3.1 TIPOS DE TERMOPARES

Existem três categorias de tipos de termopares: termopares padronizados de metal nobre (R, S , B), termopares padronizados de metal base (K, J, N, E, T) e termopares não definidos por letras. N prática a distinção entre “base” e “nobre” é que metais nobres contêm platina e metais base contêm níquel. As aplicações para os termopares são as mais variadas possíveis, tendo como principal limite a tolerância do processo que se vai medir. Para a medição de temperaturas acima de 500 °C, eles são a única escolha quando se fala em termômetros de contato. A tabela a seguir ilustra algumas recomendações sobre as condições ambientais de operação.

Os principais aspectos de uma medição com termopar são ilustrados na Fig. 5.

Figura 5. A tensão de Seebeck é gerada apenas nos segmentos momentaneamente não isotérmicos b-c e d-e, à medida em que são movidos para dentro do banho.

Para se medir temperatura com termopares, são necessários dois tipos de medição: a tensão do termopar e a temperatura da junção de referência. A necessidade de se conhecer a temperatura da junção de referência complica a instrumentação para termopares e muitos métodos foram adotados para tornar esses instrumentos convenientes para o uso. Infelizmente existem métodos bons e ruins e o usuário raras vezes tem informações para avaliá-los. Preço e sofisticação não são garantias. Para garantir confiança na medição com termopar os seguintes passos devem ser cumpridos pelo usuário ou por funções automáticas do instrumento: a) Estabelecer uma junção de referência isotérmica; b) Conhecer a temperatura da junção de referência; c) Usar as tabelas padronizadas ou as funções de referência para determinar a tensão Seebeck na temperatura da junção de referência; d) Fazer uma medição exata da tensão Seebeck do termopar; e) Somar as duas tensões; f) Usar as tabelas padronizadas ou as funções de referência para determinar a temperatura medida.

Figura 6. Modelo de medição com termopar. As molduras ao redor das junções indicam que elas estão numa situação isotérmica e que nenhuma tensão é produzida ali.

4. MATERIAIS E MÉTODOS

Para o experimento da verificação do surgimento de uma f.e.m. em um termopar e para o experimento da calibração dos termopares, foram utilizados os seguintes materiais:

01 multiteste com suas ponteiras (será usado como milivoltímetro);

02 pinos banana para derivação com aperto por rosca;

01 lamparina com capuchama;

01 fio de Al com 300 m;

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