7. Sensores de Temperatura - Termopar

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1 7. Sensores de Temperatura - Termopar Para a compreensão dos termopar de forma objetiva, precisamos compreender alguns efeitos físicos bem conhecidos, entre eles o Efeito Termoelétrico de Seedbeck, Efeito termoelétrico de Peltier e algumas Leis Termoelétricas Efeito Seebeck O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto por T.J. Seebeck em 1821, quando notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura ΔT entre as suas junções. Denominamos a junta de medida de Tm, e a outra de referencia de Tr. A existência de uma FEM térmica AB no circuito e conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referencia e mantida constante, verifica-se que a FEM térmica e uma função da temperatura Tm da junção de teste. Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro, conforme se observa na figura: Figura 1 - Representação do efeito Seebeck - Fonte: Petrobras. O efeito Seebeck se produz pelo fato de os elétrons livres de um metal diferirem de um condutor para outro, dependendo da temperatura. Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções e esta se mantem a diferentes temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmo diferentes. 1

2 7.1.2 Efeito Peltier Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas as junções a mesma temperatura, se, inserir uma bateria exterior, produz-se uma corrente no sensor termoelétrico, as temperaturas das junções variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variação adicional da temperatura e o efeito Peltier, que se produz tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior como pelo próprio par termoelétrico, como mostrado na figura: Figura 2 - Representação do efeito Peltier - Fonte: Petrobras. O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção, sendo independente da temperatura da outra junção. O calor Peltier e reversível. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier e o mesmo, porem em sentido oposto. 7.2 Conceitos Fundamentais Um termopar e constituído por dois fios elétricos de diferentes materiais que são ligados um ao outro numa extremidade (ponto de medição). Basicamente, consiste em um par de condutores metálicos diferentes ligados em uma extremidade, formando a junção quente ou de detecção e na outra extremidade, formando a chamada junção fria ou junção de referencia conectada a um instrumento de medição elétrica, como um milivoltímetro ou a um circuito. A f.e.m. medida normalmente e comparada a alguma referencia, tal como o ponto de congelamento. São utilizados para medições em processos de altas temperaturas (200 C a 1000 C) e que exigem respostas rápidas. O sistema de medição consiste em manter a temperatura da junção de referencia constante, resultando na não variação da voltagem. 2

3 Alterando a temperatura da junção quente do termopar haverá uma diferença de temperatura entre as junções, que provocara uma corrente fluir no circuito, devido as duas f.e.m. geradas nas junções, ou seja, aumentara a voltagem. A f.e.m. resultante e medida em um milivoltimetro, ou num potenciômetro, e convertido em graus de temperatura. Em aplicações nas quais são usadas grandes pressões, os tubos de proteção são geralmente construídos em peca única perfurada, ou são montados, soldando-se um tubo, uma bucha e uma cabeça sextavada Quando um termopar e usado em conjunto com um milivoltimetro ou potenciômetro, que mede a f.e.m. gerada e indica ou registra esta f.e.m. em termos de temperatura, temos um pirômetro a termopar No termopar as duas extremidades abertas formam o ponto de compensação ou referencia. O termopar pode ser prolongado com o auxilio de uma extensão ou de um cabo de compensação. As extensões ou os cabos de compensação podem ser ligados a um aparelho indicador, por exemplo a um galvanômetro ou um aparelho de medição eletrônica. A tensão termoelétrica que ocorre no ponto de compensação depende do material dos fios termoelétricos e da diferença da temperatura entre o ponto de medição e o ponto de compensação. Para medições da temperatura, a temperatura do ponto de compensação deve manter-se constante (por exemplo 0 C) ou deve ser bem conhecida, no sentido de efetuar uma correção adequada em mv. 3

4 Nas extensões, o material condutor e composto pelas ligas dos termopares (por exemplo, Cu-CuNi, Fe-CuNi); já no que se refere aos cabos de compensação, estes são compostos por materiais equivalentes. Ate aos 200 C, os cabos de compensação fornecem a mesma tensão termoelétrica que os termopares correspondentes. As tensões termoelétricas dos termopares são determinadas nas chamadas series de valores de referencia. As tabelas das tensões termoelétricas podem ser requeridas junto dos fabricantes. Os cabos de compensação pertencentes aos respectivos termopares estão identificados por cores identificativas especiais, uma vez que para cada termopar só deve ser utilizado o cabo de compensação existente no material adequado. Para os cabos de compensação valida a norma DIN EN Devem ser, no entanto, respeitadas as temperaturas máximas indicadas pelo fabricante. Os termopares são fornecidos, na sua maioria, prontos para funcionamento, isto e, em suportes de proteção que impedem a destruição dos termopares por forcas mecânicas ou corrosão química. 7.3 Suporte de proteção As bainhas de proteção devem ser adaptadas as respectivas condições de funcionamento. Os fios termoeletricos em metais nobres recebem sempre, para proteção contra impurezas, um tubo de proteção de cerâmica, mesmo quando e utilizado um suporte de proteção de metal. 4

5 Em temperaturas elevadas, os suportes de proteção devem ser instalados no objeto a medir tanto quanto possível na vertical, portanto, suspensos, no sentido de evitar uma flexão com as suas consequências prejudiciais para o tubo de proteção e o termopar. Se, por motivos especiais, não puder ser evitada uma instalação horizontal, então os tubos de proteção mais longos devem ser suficientemente suportados. 7.4 Cabos e Ligações Ao estender e ligar extensões ou cabos de compensação deve ter-se o cuidado de ligar o polo positivo do termopar ao terminal positivo do instrumento indicador. Se forem utilizadas extensões e/ou cabos de compensação, deve ter-se o cuidado de não trocar os condutores positivos com os negativos. No sentido de excluir essa possibilidade, os condutores positivos e negativos estão identificados. Todas as uniões dos terminais devem estar absolutamente limpas e bem apertadas. Os polos positivos e negativos correspondentes devem possuir o mesmo potencial de temperatura. Os cabos de compensação entre o termopar e o instrumento indicador devem cumprir as normas para condutores isolados em instalações de correntes fortes (VDE 0250). Em casos excepcionais são também admissíveis condutores de acordo com as normas para condutores isolados em instalações de telecomunicações (VDE 0810). 7.5 Aplicações Na amplitude de temperatura negativa, os termopares podem ser utilizados ate -200 C. Para temperaturas superiores a 1000 C são utilizados termopares de platina e uma liga de platina e ródio. As vantagens dos termopares são as seguintes: Elevadas amplitudes de temperatura Tempos de resposta rápidos Design compacto Elevada resistência a vibração Estabilidade duradoura Elevada robustez Os termopares são utilizados, entre outros, nos seguintes sectores: Indústria química Indústria petroquímica Indústria farmacêutica Indústria da energia elétrica 5

6 Engenharia mecânica Indústria de produtos alimentares e bebidas Indústria mineira Indústria metalúrgica e siderúrgica Indústria de cerâmica e vidro 7.6 Classificação e Tipos Existem varias combinações de dois metais condutores operando como termopares. As combinações de fios devem possuir uma relação razoavelmente linear entre temperatura e FEM, assim como desenvolver uma FEM por grau de mudança de temperatura que seja detectável pelos equipamentos normais de medição. Foram desenvolvidas diversas combinações de pares de ligas metálicas, desde os mais corriqueiros, de uso industrial, ate os mais sofisticados, para uso especial ou restrito a laboratórios Tipo K O termopar tipo K e um termopar de uso genérico. Tem um baixo custo e, devido a sua popularidade estão disponíveis variadas sondas. Cobrem temperaturas entre os -200 e os 1370 C, tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41μV/ C. Termoelemento positivo (KP): Ni90%Cr10% (Cromel) Termoelemento negativo (KN): Ni95%Mn2%Si1%Al2% (Alumel) Faixa de utilização: -270 C a 1200 C f.e.m. produzida: -6,458 mv a 48,838 mv 6

7 7.6.2 Tipo E Este termopar tem uma elevada sensibilidade (68 μv/ C) que o torna adequado para baixas temperaturas. Termoelemento positivo (EP): Ni90%Cr10% (Cromel) Termoelemento negativo (EN): Cu55%Ni45% (Constantan) Faixa de utilização: -270 C a 1000 C f.e.m. produzida: -9,835 mv a 76,373 mv Tipo J A sua gama limitada (-40 a 750 C) e a responsável pela sua menor popularidade em relação ao tipo K. Aplica-se, sobretudo com equipamento já velho que não e compatível com termopares mais modernos. A utilização do tipo J acima dos 760 C leva a uma transformação magnética abrupta que lhe estraga a calibração. Termoelemento positivo (JP): Fe99,5% Termoelemento negativo (JN): Cu55%Ni45% (Constantan) Faixa de utilização: -210 C a 760 C f.e.m. produzida: -8,096 mv a 42,919 mv Tipo N A sua elevada estabilidade e resistência a oxidação a altas temperaturas tornam o tipo N adequado para medições a temperaturas elevadas, sem recorrer aos termopares que incorporam platina na sua constituição (tipos B, R e S). Foi desenhado para ser uma evolução do tipo K Tipo B Os termopares tipo B, R e S apresentam características semelhantes. São dos termopares mais estáveis, contudo, devido a sua reduzida sensibilidade (da ordem dos 10 μv/ C), utilizam-se apenas para medir temperaturas acima dos 300 C. Note-se que devido a reduzida sensibilidade destes termopares, a sua resolução de medida e também reduzida. Adequado para medição de temperaturas ate aos 1800 C. Contra aquilo que e habitual nos outros termopares, este origina a mesma tensão na saída a 0 e a 42 C, o que impede a sua utilização abaixo dos 50 C. Em compensação, utiliza cabos de extensão de cobre comum desde que a sua conexão com o termopar esteja neste intervalo (0 C a 50 C). Os demais termopares necessitam de cabos de ligação com o mesmo material do termopar, sob o risco 7

8 de formarem com o cobre um "outro termopar", se a conexão estiver a temperatura diferente do instrumento de processamento do sinal (p.ex. transmissor) Termoelemento positivo (BP): Pt70,4%Rh29,6% (Rodio-Platina) Termoelemento negativo (BN): Pt93,9%Rh6,1% (Rodio-Platina) Faixa de utilização: 0 C a 1820 C f.e.m. produzida: 0,000 mv a 13,820 mv Tipo R Adequado para medição de temperaturas ate aos 1600 C. Reduzida sensibilidade (10 μv/ C) e custo elevado. Termoelemento positivo (RP): Pt87%Rh13% (Rodio-Platina) Termoelemento negativo (RN): Pt100% Faixa de utilização: -50 C a 1768 C f.e.m. produzida: -0,226 mv a 21,101 mv Tipo S Adequado para medição de temperaturas ate aos 1600 C. Reduzida sensibilidade (10 μv/ C), elevada estabilidade e custo elevado. Termoelemento positivo (SP): Pt90%Rh10% (Rodio-Platina) Termoelemento negativo (SN): Pt100% Faixa de utilização: -50 C a 1768 C f.e.m. produzida: -0,236 mv a 18,693 mv Tipo T E dos termopares mais indicados para medicoes na gama dos -270 C a 400 C. Termoelemento positivo (TP): Cu100% Termoelemento negativo (TN): Cu55%Ni45% (Constantan) Faixa de utilização: -270 C a 400 C f.e.m. produzida: -6,258 mv a 20,872 mv 8