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

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Aula 18 2

PAR TERMOELÉTRICO 3

Termopar (termômetro à par termoelétrico, thermocouples ) é um elemento de medida de temperatura composto por dois materiais diferentes conectados um ao outro. 4

Termopar consiste de dois condutores metálicos diferentes. Os fios são soldados em um extremo (junta quente ou junta de medição), e a outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de força eletromotriz (f.e.m), fechando um circuito por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência. 5

Há três fenômenos que podem ocorrer quando se juntam dois metais diferentes : o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thompson. 7

Efeito Seebeck Em 1821, T.J. Seebeck descobriu que: Ao se conectar dois metais diferentes, tem-se um circuito tal que, se as junções "a" e "b" forem mantidas em temperaturas diferentes T1 e T2, surgirá uma tensão termoelétrica e uma corrente elétrica "i que circulará pelo chamado "par termoelétrico" ou "termopar". Qualquer ponto deste circuito poderá ser aberto e nele inserido um amperímetro para medir a corrente. 8

Efeito Seebeck Os elétrons livres de um metal diferem de um condutor para outro, dependendo da temperatura; A intensidade da corrente elétrica é determinada pela natureza dos dois metais utilizados, e pela diferença de temperatura entre as duas junções. 9

Efeito Peltier Em 1834, Peltier descobriu que: Dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar e as temperaturas da junção variam. Esta variação adicional de temperatura é o efeito Peltier. 10

Efeito Peltier Ao contrário do que ocorre no efeito Seebeck, no efeito Peltier faz-se passar uma corrente pela junção que fica aquecida (TQ) ou refrigerada(tf), dependendo do sentido da corrente. 11

Efeito Peltier Liberação (absorção) de calor numa junção percorrida por uma corrente eléctrica. O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto. A junta que ficava quente com um sentido da corrente, se tornará fria se invertermos a corrente. 12

Efeito Thomson Em 1851, Thomson conclui que: Se colocarmos as extremidades de um condutor homogêneo a temperaturas diferentes, uma força eletromotriz aparecerá entre estas duas extremidades, sendo esta chamada de F.E.M Thomson. Consiste no fato de que um gradiente de temperatura num metal sempre se faz acompanhar por um pequeno gradiente de potencial elétrico. 13

Efeito Thomson Liberação (absorção) de calor num condutor onde existe gradiente de temperatura. A extremidade mais quente faz com que os elétrons dessa região tenham maior energia cinética do que os elétrons do lado mais frio, gerando assim, uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades do condutor na ordem de alguns milivolts (mv). 14

Leis do Circuito Termoelétrico a) Lei do Circuito Homogêneo A F.E.M. gerada por um termopar depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas entre as duas junções; ou seja, a tensão gerada independe do gradiente de temperatura ao longo dos fios.

Leis do Circuito Termoelétrico b) Lei dos Metais Intermediários A F.E.M. gerada por um par termoelétrico não será alterada se inserirmos em qualquer ponto do circuito, um metal genérico diferente dos que compõem o sensor, desde que as novas junções formadas sejam mantidas na mesma temperatura.

Leis do Circuito Termoelétrico c) Lei das Temperaturas Intermediárias A F.E.M. gerada em um circuito termoelétrico com suas junções sobre temperaturas T1 e T3 será a mesma se dividirmos o circuito em dois. Sendo assim, a F.E.M. do circuito será igual a soma algébrica da F.E.M. gerada com as junções sobre T1 e T2 com a F.E.M. do mesmo circuito com as junções às temperaturas de T2 e T3. Uma consequência desta lei é o uso dos cabos compensados, que tendo as mesmas características termoelétricas do termopar, podem ser introduzidos no circuito sem causar erros no sinal gerado.

União da Junção de Medição A junção de medição (junta quente) de um termopar pode ser obtida por qualquer método que dê a solidez necessária e um bom contato elétrico entre os dois fios, sem contudo alterar as características termoelétricas dos mesmos. Sendo assim, eles podem ser torcidos antes da solda (junção torcida), ou simplesmente serem encostados um no outro para ser soldado depois (junção de topo). Entre as diferentes maneiras de se realizar um bom contato elétrico na junção de medição do termopar, a solda é a mais utilizada, porque assegura uma ligação perfeita dos fios por fusões dos metais do termopar.

Visto que a FEM gerada em um termopar depende dos materiais dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura podemos observar uma variação da FEM gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir um gráfico de correlação entre a temperatura e a FEM. Por uma questão prática, padronizou- se o levantamento destas curvas com a junta de referência à temperatura de 0ºC. Esses gráficos foram padronizados por diversas normas internacionais e levantados de acordo com a Escala Prática Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68), recentemente atualizada pela ITS-90, para os termopares mais utilizados. 19

Curva característica dos tipos de termopares: Possuir uma relação aproximadamente linear entre a variação de temperatura e a FEM gerada. 20