Termopares: calibração por comparação com instrumento padrão

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1 Termopares: calibração por comparação com instrumento padrão Os termopares são dispositivos elétricos utilizados na medição de temperatura. Foram descobertos por acaso em 1822, quando o físico Thomas Seebeck juntou dois metais que geraram uma tensão elétrica em função da temperatura. A NBR de 01/ Termopar - Calibração por comparação com instrumento padrão especifica o método de calibração de termopar, por comparação da força eletromotriz termoelétrica (fem) gerada pelo termopar em calibração com a temperatura estabelecida pelo instrumento padrão

2 Da Redação Atualmente, são praticadas normas de combinações de dois metais que possuem tensões de saídas previsíveis e suportam altas temperaturas. Os termopares não são caros em relação à função que exercem em medir uma vasta gama de temperaturas, e podem ser substituídos sem gerar erros relevantes. No mercado especializado, os termopares podem ser encontrados em diversos formatos, desde modelos com a junção descoberto que proporcionam tempo de resposta rápido, até os modelos que estão incorporados em sonda. Encontre os tipos de termopares que está procurando. Ao escolher um termopar, o consumidor deve levar em conta a aplicação que se deseja dele, em termos da temperatura suportada, além da exatidão, confiabilidade da leitura, especificação do tipo de liga e construção física externa. A maior limitação de um termopar é a exatidão, uma vez que erros inferiores a 1 C são difíceis de obter. Existem tabelas normalizadas que indicam a tensão produzida por cada tipo de termopar para todos os valores de temperatura que suporta, por exemplo, o termopar tipo K com uma temperatura de 300 ºC irá produzir 12,2 mv. Contudo, não basta ligar um voltímetro ao termopar e registar o valor da tensão produzida, uma vez que ao ligarmos o voltímetro estamos a criar uma segunda (e indesejada) junção no termopar. Para se fazerem medições exatas devemos compensar este efeito, o que é feito recorrendo a uma técnica conhecida por compensação por junção fria. A NBR de 01/ Termopar - Calibração por comparação com instrumento padrão especifica o método de calibração de termopar, por comparação da força eletromotriz termoelétrica (fem) gerada pelo termopar em calibração com a temperatura estabelecida pelo instrumento padrão. As calibrações prescritas nesta norma cobrem a faixa de temperatura de C a C. Caso se esteja a interrogar porque é que ligando um voltímetro a um termopar não se geram várias junções adicionais (ligações ao termopar, ligações ao aparelho de medida, ligações dentro do próprio aparelho, etc.), a resposta advém da lei conhecida como lei dos metais intermédios, que afirma que ao se inserir um terceiro metal entre os dois metais de uma junção dum termopar, basta que as duas novas junções criadas com a inserção do terceiro metal estejam à mesma temperatura para que não se manifeste qualquer modificação na saída do termopar. Esta lei é também importante na própria construção das junções do termopar, uma vez que assim se garante que ao soldar os dois metais a solda não irá afectar a medição. Contudo, na prática as junções dos termopares podem ser construídas soldando os materiais ou por aperto dos mesmos. 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 zero graus Celsius. Antigamente isto se conseguia conservando a junção em gelo fundente (daqui o termo compensação por junção fria). Contudo a manutenção do gelo nas condições necessárias não era fácil, logo optou-se por medir a temperatura da junção fria e compensar a diferença para o zero graus Celsius. Tipicamente a temperatura da junção fria é medida por um termístor 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

3 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; qualquer erro na medição da temperatura da junção fria irá ocasionar igualmente erros na medição da temperatura da extremidade do termopar. 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. Os termopares disponíveis no mercado têm os mais diversos formatos, desde os modelos com a junção a descoberto que têm baixo custo e proporcionam tempos de resposta rápidos, até aos modelos que estão incorporados em sondas. Está disponível uma grande variedade de sondas, adequadas para diferentes aplicações (industriais, científicas, investigação médica, etc.). Quando se procede à escolha de um termopar deve-se ponderar qual o mais adequado para a aplicação desejada, segundo as características de cada tipo de termopar, tais como a gama de temperaturas suportada, a exatidão e a confiabilidade das leituras, etc. O termopar tipo K é um termopar de uso genérico. Tem um baixo custo e, devido à sua popularidade estão disponíveis variadas sondas. Cobrem temperaturas entre os -200 e os ºC, tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41μV/ C. O tipo E (Cromel/Constantan) tem uma elevada sensibilidade (68 μv/ C) que o torna adequado para baixas temperaturas. O tipo J (ferro/constantan) limita-se a -40 a 750 C. Aplica-se sobretudo com equipamento já velho que não é compatível com termopares mais atuais. A utilização do tipo J acima dos 760 ºC leva a uma transformação magnética abrupta que estraga a sua calibração. O tipo N (nicrosil/nisil) tem boa estabilidade e resistência à oxidação a altas temperaturas, torando 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 modificação do tipo K. Os termopares tipo B, R e S apresentam características semelhantes. São os mais estáveis, contudo, devido à sua reduzida sensibilidade (da ordem dos 10 μv/ C), utilizam-se apenas para medir temperaturas acima dos 300 ºC. O tipo B (platina/ródio-platina) é adequado para medição de temperaturas até aos ºC. Oferece a mesma tensão na saída a 0 e a 42 ºC, o que impede a sua utilização abaixo dos 50 ºC. O tipo R (platina/ródio-platina) é adequado para medição de temperaturas até aos ºC. Tem reduzida sensibilidade (10 μv/ C) e custo elevado. O tipo S (platina/ródio-platina) é adequado para medição de temperaturas até ºC, tem reduzida sensibilidade (10 μv/ C), elevada estabilidade e custo elevado. O tipo T (cobre/constantan) pode ser considerado um dos mais indicados para medições na gama dos -270 C a 400 C. Segundo a norma, o meios térmicos utilizados devem proporcionar uniformidade e estabilidade térmica na região onde serão inseridos o termopar

4 em calibração e o instrumento padrão, possibilitar um adequado comprimento de imersão dos sensores e não gerar interferências elétricas e térmicas que afetem a operação dos instrumentos de medição. Deve-se efetuar a avaliação da estabilidade e das uniformidades radial e axial, nas diferentes condições de utilização, as quais devem ser consideradas no cálculo da incerteza de medição. O laboratório deve realizar esta avaliação periodicamente, em um intervalo máximo de três anos. O meio térmico também deve ser escolhido de acordo com a faixa de temperatura e incerteza requerida na calibração. Alguns cuidados devem ser tomados para que o meio térmico não seja contaminado e, consequentemente, contamine os sensores nele inseridos. Os mais comumente utilizados são: banho de líquido: utilizado na faixa de 200 C a 300 C; banho de leito fluidizado: utilizado na faixa de 70 C a 700 C; forno: utilizado na faixa de 90 C a C; e banho de sais: utilizado na faixa de 150 C a 600 C. A junção de referência deve ser realizada conforme a NBR A escolha do instrumento para medir o sinal do termopar em calibração e instrumento padrão, quando pertinente, depende da incerteza requerida na calibração. Podem ser utilizados instrumentos de medição de tensão elétrica ou aqueles que convertem a fem do termopar em temperatura. No primeiro caso podem ser utilizados potenciômetros, voltímetros, multímetros, etc. No segundo caso podem ser utilizados indicadores digitais ou analógicos, registradores digitais ou analógicos, etc. Os instrumentos de medição que convertem a fem do termopar em temperatura devem ser avaliados quanto a possíveis influências que afetem o seu desempenho, particularmente a compensação automática da junção de referência. Esses instrumentos devem ser calibrados periodicamente no Inmetro, em laboratórios acreditados ou em órgãos de reconhecida competência para a calibração em questão. A escolha do instrumento padrão a ser usado depende da faixa de temperatura a ser coberta, do tipo de meio térmico utilizado e da incerteza desejada. Esse instrumento deve ser calibrado periodicamente no Inmetro, em laboratórios acreditados ou em órgãos de reconhecida competência para a calibração em questão. Os mais comumente utilizados são: termopar; termorresistência; termômetro de líquido em vidro; e termômetro digital. O termopar com montagem em isolação mineral, bainha metálica e junção isolada deve ter sua resistência de isolação medida antes e após a calibração. A medição deve ser feita entre cada um dos termoelementos e a bainha e entre o par de termoelementos e a bainha. Os resultados dessa medição devem atender aos requisitos especificados na Tabela 1, considerando a tensão aplicada e com reversão de polaridade. Para o termopar com cabo/fio de extensão/compensação, a isolação deve ser medida antes e após a conexão do cabo/fio, caso aplicável. O termopar em calibração pode necessitar de fios/cabos de extensão/ compensação para fins da realização da junção de referência ou interligação ao

5 instrumento de medição. Os erros e incertezas desses fios/cabos de extensão/compensação devem ser conhecidos e levados em consideração no cálculo dos resultados. Deve prover espaço físico adequado à preparação e execução da calibração e apresentar: tensão elétrica com estabilidade dentro das especificações requeridas pelos instrumentos de medição; temperatura ambiente e umidade relativa do ar com valores nominais e estabilidades dentro das especificações requeridas pelos instrumentos de medição; malha de aterramento para os instrumentos de medição e demais equipamentos; e condições ambientais salutares. Quanto ao método de calibração, os termopares de metais não nobres podem ser calibrados no estado em que são recebidos ou após tratamento térmico. Caso o laboratório opte por realizar o tratamento térmico, o método utilizado é o de imersão do termopar em meio térmico, conforme descrito a seguir: inserir o termopar em meio térmico com imersão igual ou superior à de uso, em temperatura próxima da ambiente e o meio térmico pode ter homogeneidade térmica conhecida; aquecer até 10 C ou 5 % (o que for maior) acima da temperatura de trabalho e manter nessa temperatura por período sufi ciente para a estabilização do termopar; resfriar o termopar no meio térmico até a temperatura de 100 C e retirá-lo lentamente. Os termopares de metais nobres podem ser calibrados no estado em que são recebidos ou após tratamento térmico adicional (recozimento). No caso de recozimento, dois métodos podem ser empregados: circulação de corrente elétrica ou imersão do termopar em meio térmico. A seguir é apresentado o método de circulação de corrente elétrica. Desmontar o termopar a ser calibrado e, de preferência, separar os termoelementos; conectar as extremidades dos termoelementos aos terminais da fonte de corrente elétrica, deixando-os livremente estendidos ao ar, evitando que fi quem sujeitos a tensões mecânicas; submeter os termoelementos à circulação de corrente elétrica, de modo que a temperatura dos termoelementos permaneça a C, por um período de 45 min. Para um termoelemento com diâmetro de 0,5 mm, é requerida uma corrente de cerca de 12 A. Caso seja utilizado um pirômetro óptico, é necessário considerar a emissividade da platina (0,33). Uma indicação de C do pirômetro correspondente a uma temperatura de C no termoelemento: reduzir lentamente o valor da corrente, por um período de aproximadamente 1 min, de modo que a temperatura nos termoelementos atinja 750 C e manter nesta temperatura durante 30 min; reduzir lentamente o valor da corrente até que os termoelementos esfriem até a temperatura ambiente e este processo deve ter duração de alguns minutos; as extremidades dos termoelementos que não atingirem a temperatura do tratamento térmico devem ser cortadas; durante o manuseio dos termoelementos já recozidos evitar contaminação, dobramento, amassamento, estiramento ou ações similares; após o recozimento do termopar por circulação de corrente elétrica e subsequente montagem, pode-se proceder o seu recozimento em forno. Recomenda-se que o termopar seja inserido em forno horizontal em temperatura próxima da ambiente, aquecido lentamente (de 2 h a 4 h) até C, mantido nessa temperatura por 1 h e resfriado lentamente (cerca de 3 h) até a temperatura ambiente. O instrumento padrão e o termopar em calibração devem ser inseridos no meio térmico, e seus terminais devem ser conectados ao instrumento de medição, quando necessário.

6 Caso o instrumento de medição do termopar em calibração possua compensação automática da junção de referência, o termopar deve ser ligado diretamente ao instrumento. Caso não possua, o termopar em calibração deve ser conectado ao dispositivo de junção de referência, conforme as Figuras 3 e 4. Cuidados especiais devem ser tomados durante a calibração, visando minimizar erros causados por fem espúria, ruídos eletromagnéticos, correntes de ar, radiações térmicas e resistências parasitas. A inserção e a remoção do termopar do meio térmico devem ser feitas com cuidado, para evitar danos causados por choque térmico. Os dados devem ser coletados obedecendo à seguinte sequência: após a estabilização térmica do conjunto, registrar sequencialmente os valores indicados pelo instrumento padrão e termopar em calibração, compondo assim uma série de medições; efetuar pelo menos três séries de medições, conforme descrito, em intervalos de no mínimo 1 min; prosseguir fazendo as medições sempre obedecendo às sequências já mencionadas, até que todos os pontos de calibração sejam efetuados. Na avaliação da incerteza dos resultados da calibração, deve-se considerar pelo menos o seguinte: incerteza do instrumento padrão; incerteza do instrumento de medição do instrumento padrão, quando aplicável; resolução do instrumento de medição do instrumento padrão; incerteza do instrumento de medição do termopar; resolução do instrumento de medição do termopar; incerteza do fi o ou cabo de extensão ou compensação, quando aplicável; desvio padrão da média das indicações do instrumento de medição do instrumento padrão; desvio padrão da média das indicações do instrumento de medição do termopar; gradiente de temperatura do meio térmico (componentes axial, radial e estabilidade); incerteza devido aos erros aleatórios introduzidos nas interligações e conexões elétricas; incerteza da junção de referência, do banho de gelo ou outro dispositivo para a temperatura de referência; não homogeneidade do termopar; deriva dos instrumentos padrão, instrumento de medição e do termopar; e incerteza da curva de ajuste, quando aplicável. No Anexo A (informativo) descrevese um método de ajuste de curva para o termopar.