INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO SUL CAMPUS RIO GRANDE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

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1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO SUL CAMPUS RIO GRANDE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

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3 Na grande maioria das aplicações dos termopares de medição de temperatura, o processo industrial fica a grandes distâncias do instrumento receptor (indicação, registro ou controle). Apesar de tecnicamente podermos utilizar um termopar de Apesar de tecnicamente podermos utilizar um termopar de comprimento tal que vá do processo ao instrumento, os grandes custos para este tipo de montagem podem inviabilizar a montagem (principalmente no caso de termopares nobres).

4 Logo, se utiliza fios que conduzem a milivoltagem gerada pelo termopar até o instrumento, mas para isso, torna-se necessário que o instrumento seja ligado ao sensor através de fios que possuam uma curva similar àquela do termopar. Esses fios podem ser fios de extensão, ou fios de Esses fios podem ser fios de extensão, ou fios de compensação.

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7 Fios e cabos de extensão são condutores fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam; portanto apresentam a mesma curva F.E.M. x temperatura. Os fios e cabos de extensão são usados com os termopares de base metálica ou básicos tipo T, J, E e K. Apesar de possuírem as mesmas ligas dos termopares, apresentam um custo menor devido à limitação de temperatura que podem ser submetido, pois sua composição química não é tão homogênea quanto a do termopar.

8 Fios e cabos de compensação são os condutores fabricados com ligas diferentes dos termopares a que se destinam, mas também apresentando a mesma curva F.E.M. x temperatura dos termopares. Os fios e cabos de compensação são usados principalmente com os termopares nobres (feitos a base de platina) tipos S e R.

9 O uso de materiais diferentes do termopar deve-se única e exclusivamente aos problemas inerentes de custos, pois é totalmente inviável economicamente conduzir o sinal gerado pelo termopar ao instrumento, usando fios e cabos de extensão de platina (mesmo tendo um grau de pureza menor). Por isso faz-se uso de ligas diferentes da platina porém, apresentando a mesma curva de F.E.M. x temperatura. A única restrição no seu uso é a temperatura máxima de trabalho que é bem menor que os termopares.

10 Como exemplo, temos a curva de um termopar de platina, e a curva do cabo de compensação de cobre/cobre-níquel, indicando que as curvas são as mesmas até um limite de temperatura, na qual se for ultrapassado, a curva do cabo se perde.

11 Logo, os fios e cabos de extensão e compensação são recomendados, na maioria dos casos, para utilização desde a temperatura ambiente até um limite máximo; pois acima deste valor a curva F.E.M. x temperatura não é mais válida, e o cabo sai fora de calibração.

12 Utiliza-se o sufixo X, segundo a norma ANSI, para designar que o fio ou cabo é de extensão/compensação. Exemplo: TX, JX, EX, KX, SX, RX, BX, WX, etc.

13 A tabela seguinte indica a faixa de trabalho e as tolerâncias de alguns dos fios e cabos de extensão e compensação para as normas americana e alemã (as mais usadas), inglesa, japonesa, japonesa e francesa.

14 Através das cores das isolações é que se identifica o tipo e a polaridade dos condutores. Abaixo, temos o código de cores normalizado pelo IEC de 1989.

15 Exemplo: Temos um termopar tipo K sujeito a 1000ºC dentro do forno, com o cabeçote a 40ºC e fios de cobre/cobre interligando o sensor até o instrumento (com entrada a termopar tipo K e com compensação da temperatura ambiente) e que tem na sua entrada uma temperatura de 25ºC.

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18 Conclusão: O uso de cabos de cobres comuns interligando o termopar ao instrumento surgirão erros na indicação final de temperatura, pois o cabo de cobre não compensou o diferencial de temperatura e nos levou a um erro. Este erro pode ser maior ou menor, dependendo da gradiente de temperatura existente.

19 No exemplo ao lado, temos as mesmas condições porém utilizando um cabo de extensão tipo K (KX):

20 Conclusão: Agora tivemos como resultado uma indicação correta da temperatura do processo, provando numericamente que, quando existir um gradiente de temperatura entre o cabeçote e a entrada do instrumento, deve-se obrigatoriamente usar fios e cabos de extensão e compensação para compensar este gradiente.

21 Portanto, fios e cabos de extensão e compensação, nada mais são que outros termopares, cuja função além de conduzir o sinal gerado pelo sensor, é a de compensar os gradientes de temperatura existentes entre a junção de referência (cabeçote) do sensor e os bornes do instrumento, gerando um sinal proporcional de milivoltagem a este gradiente.

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23 Cabos de Extensão e Compensação Isolação Mineral: Existem aplicações específicas em que devido às condições severas do ambiente, assim como temperatura, umidade, resistência mecânica e ambientes agressivos, não podem ser aplicados os fios e cabos de compensação com isolações tradicionais. Nestes casos utilizam-se os cabos de isolação mineral, para que atendam as exigência do ambiente de utilização, com longa vida útil. As aplicações típicas são em plataformas marítimas, indústrias siderúrgicas, químicas, nucleares entre outras.

24 Termopar Isolação Mineral Os termopares de isolação mineral são de extrema necessidade no processo industrial de medição da temperatura, pois os fios são montados em bainhas de proteção de aço inoxidável, isolados entre si. Todo o interior da bainha é altamente compactado com óxido de magnésio (material mineral) para que os fios fiquem totalmente protegidos do meio. Com esta montagem compactada, o óxido de magnésio proporciona uma ótima isolação elétrica entre os fios condutores e a bainha metálica de proteção. Os termopares de isolação mineral oferecem algumas vantagens com relação aos convencionais: grande estabilidade, longevidade e podem ser dobrado até noventa graus.

25 Termopar Isolação Mineral O termopar isolação mineral consiste de três partes básicas: um ou mais pares de fios isolados entre si por um material mineral compactado a uma bainha metálica externa.

26 Termopar Isolação Mineral Este tipo de montagem é de extrema utilidade, pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos, que podem causar a completa deterioração dos termoelementos, além da grande resistência mecânica, o que faz com que o termopar isolação mineral possa ser usado em um número quase infinito de aplicações.

27 Vantagens do Termopar Isolação Mineral a) Estabilidade na F.E.M. Esta estabilidade é caracterizada pelos condutores estarem totalmente protegidos de ambientes agressivos que normalmente causam oxidação e envelhecimento dos termopares. b) Resposta Rápida O pequeno volume e alta condutividade térmica do óxido de magnésio, promovem uma rápida transferência de calor, superior aos termopares com montagem convencional.

28 Vantagens do Termopar Isolação Mineral c) Grande Resistência Mecânica e Flexibilidade Devido a alta compactação do óxido de magnésio dentro da bainha metálica mantendo os termoelementos uniformemente posicionados, permite que o cabo seja dobrado, achatado, torcido ou estirado, suportando pressões externas e "choques térmicos" sem qualquer perda de suas propriedades termoelétricas. d) Resistência a Corrosão Os termopares isolação mineral são disponíveis com diversos tipos de capas metálicas, para garantir sua integridade em qualquer tipo de ambiente corrosivo, qualquer que seja o termopar.

29 Vantagens do Termopar Isolação Mineral f) Resistência de Isolação (a frio) g) Blindagem Eletrostática A bainha metálica devidamente aterrada, oferece A bainha metálica devidamente aterrada, oferece excelente blindagem contra interferências eletrostáticas (ruídos).

30 Tipos de Junções de Medições: Podemos classificar os termopares isolação mineral com relação a posição da junção de medição em relação à bainha metálica, em três tipos: Junção Exposta Junção Aterrada Junção Isolada

31 Tipos de Junções de Medições: a) Junção Exposta: Neste tipo de montagem, parte da bainha e da isolação são removidos, expondo os termoelementos ao ambiente. Tem como características um tempo de resposta extremamente pequeno e grande sensibilidade a pequenas variações na temperatura, mas representa como desvantagem o rápido envelhecimento dos termoelementos devido ao contato com o ambiente agressivo, altas temperaturas e pressões. Esta montagem expõem os fios ao meio térmico tornando o tempo de resposta ainda mais rápido, mas não pode ser utilizado em locais onde os fios possam ser contaminados.

32 Tipos de Junções de Medições: b) Junção Aterrada: Neste, os termoelementos e a bainha são soldados juntos para formar a junção de medição. Assim os fios são aterrados na bainha. Este tipo de montagem apresenta um tempo de resposta um pouco maior que a junção exposta, mas ainda assim menor que a junção isolada, podendo ser usado em ambientes agressivos devido a isolação dos termoelementos. Não é recomendável para ambientes ruidosos, pois eles podem ser transmitidos para o instrumento indicador gerando erros e instabilidade na leitura. Vantagens: Possui menor tempo de resposta e maior sensibilidade em relação à junta isolada.

33 Tipos de Junções de Medições c) Junção Isolada: É quando a junção de medição é isolada eletricamente da bainha. Este tipo de montagem é o mais utilizado. Suas características são: 1. Um tempo de resposta maior que as montagens anteriores; 2. Os termoelementos ficam totalmente protegidos do meio externo garantindo maior vida útil, e podem ser usado em ambientes sujeitos a campos elétricos, pois sendo isolado da bainha, ficam mais imune a interferências eletrostáticas.

34 Características da Bainha Metálica A escolha do material da bainha é fundamental para vida útil do termopar isolação mineral, pois se a bainha resistir às condições do ambiente agressivo, o termoelemento também resistirá.

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