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TRANSDUTORES DE TEMPERATURA - TERMOPAR
Índice
1. Objectivos 3
2. Material utilizado 3
3. Introdução 3
4. Procedimento experimental 5
5. Questões 7
6. CONCLUSÕES 14
Objectivos
Estudo das características de um Termopar tipo K
Material utilizado
Módulo controlador de temperatura e condicionador de sinal G10A
Estufa com duas termorresistências do tipo PT-100 e um termopar do
tipo K
Fonte de alimentação simétrica estabilizada
Três multímetros digitais com, pelo menos, 3½ dígitos
Introdução
O Termopar é um sensor de temperatura que opera por base no efeito
termoeléctrico. Este sensor é também designado por par termoeléctrico. A
f.e.m. gerada devido ao gradiente de temperatura ao longo dos condutores do
termopar, e devido às junções de medição ("quente") e de referência
("fria"), corresponde à f.e.m. de Thomson, e de Peltier. Num circuito
fechado o valor total de tensão designa-se por f.e.m. de Seebeck.
ET - f.e.m. de Thomson
EP - f.e.m. de Peltier
ES - f.e.m. de Seebeck
Tc e Tr - Temperaturas das junções de medição e de referência.
M1 e M2 - Metais presentes no termopar. No presente caso tem-se uma
termopar do tipo K, sendo constituído pela união de duas ligas, Cn-An1, o
qual possui uma sensibilidade S39 µV ºC-1 (-150..1370 ºC).
Na figura 1 apresenta-se o circuito controlador de temperatura da estufa na
qual estão colocados dois RTDs (Resistance Temperature Detector, 'detector
de temperatura por variação de resistência'), - módulo G10A. Neste circuito
encontra-se também o circuito adaptador (ou condicionador) de um RTD.
Procedimento experimental
No procedimento experimental executado na aula de laboratório foi utilizado
um circuito controlador de temperatura da estufa, módulo G10A, na qual
estão colocados dois RTDs (Detector de temperatura por variação de
resistência), neste circuito encontra-se também o circuito condicionador
(ou Adaptador) de sinal de um RTD.
O termopar foi ligado em ensaio aos terminais de um Voltímetro e o RTD
auxiliar aos terminais 3, 2 e 1 do controlador de temperatura, módulo G10A.
O RTD padrão foi ligado aos terminais de um ohmímetro.
O módulo G10A foi alimentado com tensões simétricas de ±12 V.
Foi colocado um voltímetro digital no terminal 9 (saída de IC4), no qual se
obteve a temperatura da estufa através do RTD auxiliar. Colocamos outro
voltímetro digital no terminal 13 (saída de IC7) de modo a medir a
temperatura de referência. Em ambos os terminais, o ganho de tensão é de 20
mV ºC-1.
Realizamos as medições de tensão com incrementos de temperatura de 50ºC, de
acordo com a tabela 1. De modo a controlar a temperatura ajustamos o valor
de referência através do potenciómetro P1 (tem set-point), tendo o cuidado
de retirar as medidas somente quando se atingiu um aquecimento uniforme na
estufa. Notamos que o tempo necessário para a estabilização do valor de
temperatura da estufa foi relativamente elevado. Para fazer o controlo de
temperatura fizemos uma ligação entre os terminais 14 e 15. Seleccionamos
um controlador do tipo proporcional integral (PI) posicionando o
interruptor S1A (Function Mode) na posição B e ajustando o ganho
proporcional a 25 com o potenciómetro P2 (Gain).
Resultados Experimentais:
"Módulo G10A "RTD Padrão "Termopar em ensaio "
"T (ºC) "U (V) "U' (V) "URTD "
" " " "aux' "
" " " "(V) "
"0,010 "0,010 "0,062 "-0,189 "
"0,900 "0,027 "0,953 "0,701 "
"2,410 "0,027 "2,462 "2,211 "
"4,399 "-0,014 "4,451 "4,200 "
"6,184 "-0,199 "6,236 "5,985 "
"8,367 "0,044 "8,419 "8,168 "
"10,335 "0,052 "10,388 "10,136 "
"12,340 "0,037 "12,392 "12,141 "
"14,322 "-0,001 "14,374 "14,123 "
"16,313 "-0,070 "16,366 "16,114 "
Tabela 2 – y2, y1 e ymax
Y' - E' – f.e.m. gerada pelo termopar em ensaio na equação da melhor recta
(mV);
Y (E') – f.e.m. gerada pelo termopar em ensaio (mV);
Dmax - Desvio Máximo Positivo = 0,052 (mV);
Dmin – Desvio Máximo Negativo = -0,199 (mV);
y2 = 16,366 (mV);
y1 = 16,114 (mV);
ymax = 16,313 (mV)
A linearidade é então:
5.5) Sensibilidade do termopar para o intervalo de medição de temperatura
considerado segundo a equação,
(µV ºC-1),
"Termopar em "Compensação"S (Tc) "
"ensaio " " "
"E'compensada "T'(ºC) " "
"(mV) " " "
"0,87 "21,82 "0,0400 "
"2,38 "58,82 "0,0408 "
"4,41 "107,57 "0,0416 "
"6,38 "151,32 "0,0450 "
"8,32 "204,82 "0,0363 "
"10,28 "253,07 "0,0406 "
"12,30 "302,21 "0,0411 "
"14,32 "350,78 "0,0416 "
"16,38 "399,59 "0,0422 "
Tabela 3 – Sensibilidade, S (Tc) [μV/ºC]
Podemos assim constatar que a Sensibilidade varia entre [36,3 e 45]
(μV/ºC), significando portanto que a sensibilidade obtida pelo declive da
recta da regressão linear, está enquadrada nesta gama de valores
calculados. De notar que existe portanto uma diferença devido ao facto de
calcularmos a partir dos valores reais e a partir do declive da regressão
linear. Assim sendo, para determinar um valor de temperatura expedido o
valor mais adequado será S= 40,8 μV/ºC, pois é muito mais prático de
calcular e a diferença para o valor real é mínima.
Gráfico 4 – Sensibilidade
5.6) Refez-se os pontos 5.3) e 5.4) considerando a evolução da temperatura
do Termopar em função da temperatura RTD padrão. Para isso utilizou-se os
dados das Tabelas 1 e 2, TRTD e T', respectivamente. A melhor recta que
traduz os valores obtidos é a seguinte:
Gráfico 5 – Temperatura do Termopar em função da Temperatura RTD padrão
Do gráfico tiramos que o declive m corresponde à Sensibilidade, então:
Para a linearidade foi calculada uma nova tabela para determinar os valores
de y2, y1 e ymax :
"Y' "Y'- Y "Y' + "Y' + "
" "(T') "Dmax "Dmin "
"0,78 "0,78 "3,33 "-1,76 "
"23,02 "1,20 "25,57 "20,48 "
"58,38 "-0,45 "60,92 "55,84 "
"105,67 "-1,90 "108,22 "103,13 "
"153,87 "2,55 "156,42 "151,33 "
"202,28 "-2,54 "204,83 "199,74 "
"251,96 "-1,11 "254,51 "249,42 "
"301,85 "-0,36 "304,40 "299,32 "
"351,41 "0,63 "353,96 "348,87 "
"400,85 "1,26 "403,40 "398,31 "
Tabela 4 – y2, y1 e ymax
Y' - Temperatura gerada pelo termopar em ensaio na equação da melhor recta
(ºC);
Y (T') – Temperatura Compensada do termopar em ensaio (ºC);
Dmax - Desvio Máximo Positivo = 2,55 (ºC);
Dmin – Desvio Máximo Negativo = -2,54 (ºC);
y2 = 403,40 (ºC);
y1 = 398,31 (ºC);
ymax = 400,85 (ºC)
A linearidade é então:
"TRTD' "T' " T (ºC) "εT "
"(ºC) "(ºC) " " "
"21,82 "21,82"0,00 "0% "
"56,51 "58,82"2,31 "4% "
"102,92 "107,5"4,65 "5% "
" "7 " " "
"150,22 "151,3"1,10 "1% "
" "2 " " "
"197,72 "204,8"7,10 "4% "
" "2 " " "
"246,47 "253,0"6,60 "3% "
" "7 " " "
"295,43 "302,2"6,78 "2% "
" "1 " " "
"344,06 "350,7"6,73 "2% "
" "8 " " "
"392,57 "399,5"7,02 "2% "
" "9 " " "
Tabela 5 – Erros Absolutos e Relativos
Com base na tabela anterior podemos concluir que existe uma exactidão de
(5%), pois é o maior intervalo de erro obtido.
CONCLUSÕES
Verificamos que com os resultados obtidos e calculados pela aproximação dos
valores reais através das rectas de regressão linear obtidas, as
características do termopar tipo K, mostram-se capazes de traduzir a
grandeza temperatura com uma exactidão e sensibilidades quase constantes
para o intervalo de temperaturas considerados nesta experiência.
Concluímos que no sentido prático, podemos obter a sensibilidade pelo
declive da recta de regressão linear, pois a diferença não é significativa
face aos valores reais, e o erro inerente não é muito significativo.
Os Alunos:
Rui Neves _________________________________
Rui Dias _________________________________
Elmano Santos _________________________________
