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Pesquisa Sobre Sensores Termoelétricos Termopares
Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de São Paulo Senai Fundação Zerrenner
Leonardo Brandão Ozimar Nogueira
São Paulo 2017
Sumário Introdução ................................................................................................................................. 3 Funcionamento do Termopar ................................................................................................... 4 Princípio Gerais de Funcionamento de Termopares ................................................................. 4 Escolha do Termopar ................................................................................................................ 5 Tipo de Termopar mais Utilizados............................................................................................. 6 Tabela de Termopares............................................................................................................... 9 Conclusão .................................................................................................................................. 9 Bibliografia ................................................................................................................................ 9
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Introdução Em todas as instalações industriais, a medição da temperatura é de extrema importância, permite a medição de níveis de energia térmica, conhecer a eficiência dos equipamentos térmicos e assim poder corrigir as suas condições de funcionamento, bem como conhecer a eficiência de ciclos termodinâmicos. Tendo em vista a importância e necessidade de se possuir um total controle sobre processos térmicos, consta neste relatório um dos modos de se obter este controle, que é através de um Termopar Tipo J e de um circuito eletrônico na qual o sinal é otimizado a fim de poder utilizá-lo na instrumentação industrial. Definimos Termopares como sensores de medição de temperatura que são constituídos por dois condutores metálicos e distintos, puros ou homogêneos. São baratos, podem medir uma vasta gama de temperaturas e podem ser substituídos sem introduzir erros relevantes. A sua maior limitação é a exatidão, uma vez que erros inferiores a 1 °C são difíceis de obter. A junção de dois metais gera uma tensão elétrica que é função da temperatura. O funcionamento dos termopares é baseado neste fenômeno, conhecido como Efeito de Seebeck. Este se define como a produção de uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre duas junções de condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando elas estão a diferentes temperaturas (força eletromotriz térmica). O princípio termoelétrico dos termopares deriva de uma propriedade física dos condutores metálicos submetidos a um gradiente térmico em suas extremidades: a extremidade mais quente faz com que os elétrons dessa região tenham maior energia cinética e se acumulem no lado mais frio, gerando uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades do condutor na ordem de alguns milivolts (mV).
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Existem tabelas normalizadas que indicam a tensão produzida por cada tipo de termopar para todos os valores de temperatura que suporta. Contudo, não basta ligar um voltímetro ao termopar e registrar o valor da tensão produzida, uma vez que ao ligarmos o voltímetro estamos a criar uma segunda (e indesejada) junção no termopar. Para se fazer medições exatas, devemos compensar este efeito (o que é feito recorrendo a uma técnica conhecida por compensação por junção fria). 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 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.
Funcionamento do Termopar Através da junção de dois metais diferentes em um ponto, verifica-se uma diferença de potencial (tensão) nas pontas livres sempre que existir uma diferença de temperatura entre as pontas unidas e as pontas livre que gera uma força eletromotriz, utilizando um amplificador de sinal e um voltímetro podemos gerar uma curva diferencia de potencial versus temperatura.
Princípio Gerais de Funcionamento de Termopares Em 1822, o físico Thomas Seebeck descobriu (acidentalmente) que a junção de dois metais gera uma tensão eléctrica em função da temperatura. O funcionamento dos termopares é baseado neste fenômeno, que é conhecido como Efeito de Seebeck. Embora praticamente se possa construir um termopar com qualquer combinação de dois metais, utilizam-se apenas algumas combinações normalizadas, isto porque possuem tensões de saída previsíveis e suportam grandes gamas de temperaturas. 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 °C irá produzir 12,2 mV. Contudo, não basta ligar um voltímetro ao termopar e registrar 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 (0 °C). Caso esteja se perguntando 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
5 como lei dos metais intermédios, que afirma que ao inserirmos um terceiro metal entre os dois metais de uma junção de um 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 afetar 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 conseguia-se 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 térmistor 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 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.
Escolha do Termopar 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. Ao escolher um termopar, o consumidor deve levar em conta a aplicação que se deseja do mesmo, em termos da temperatura suportada, além da exatidão, confiabilidade da leitura, especificação do tipo de liga e construção física externa.
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Tipo de Termopar mais Utilizados Tipo de Termopar S Formado por fios de Platina com 10% de Ródio, como termoelemento positivo, e Platina pura, como termoelemento negativo. É adequado para medição contínua desde 0 ºC até 1480 °C, e até 1760 ºC por curtos períodos. É recomendado para uso contínuo em atmosferas oxidantes ou inertes. Não deve ser usado em atmosferas redutoras nem naquelas que contenham vapores metálicos ou não metálicos. Nunca deve ser inserido diretamente num tubo de proteção primário metálico. Requer a utilização de isoladores e tubos de proteção cerâmicos de alta alumina. As principais vantagens deste tipo são: alta exatidão, excelentes reprodutibilidade, estabilidade e desempenho em média altas temperaturas ao ar. Possui reduzida sensibilidade, por volta de 10 µV/ºC, e custo elevado. Tipo de Termopar B Formado por fios de Platina com 30% de Ródio, como termoelemento positivo, e Platina com 6% de Ródio, como termoelemento negativo. É adequado para medição contínua desde 870 ºC até 1700 °C, e até 1820 ºC por curtos períodos. É recomendado para uso contínuo em atmosferas oxidantes ou inertes. Também é adequado para uso no vácuo por curtos períodos. Não deve ser usado em atmosferas redutoras nem naquelas que contenham vapores metálicos ou não metálicos. Nunca deve ser inserido diretamente num tubo de proteção primário metálico. Requer a utilização de isoladores e tubos de proteção cerâmicos de alta alumina. Quando comparado com os tipos S e R, as principais vantagens deste tipo são: Operação em temperaturas mais altas, melhor estabilidade e aumento da resistência mecânica. Possui reduzida sensibilidade, por volta de 10 µV/ºC para temperaturas superiores a 1090 ºC, e custo elevado.
Tipo de Termopar T Formado por fios de Cobre puro, como termoelemento positivo, e Constantan, como termoelemento negativo. É adequado para medição contínua desde -270 ºC até 370 °C. É recomendado para uso contínuo no vácuo ou em atmosferas oxidantes, redutoras ou inertes.
7 É resistente à corrosão em atmosferas úmidas e adequado para medições em temperaturas abaixo de 0 ºC. Possui a melhor exatidão entre os termopares de metal base.
Tipo de Termopar J Formado por fios de Ferro puro, como termoelemento positivo, e Constantan, como termoelemento negativo. É adequado para medição contínua desde 0 ºC até 760 °C. É recomendado para uso contínuo no vácuo ou em atmosferas oxidantes, redutoras ou inertes. Não é recomendado o seu uso em temperaturas abaixo de 0 ºC devido à oxidação e fragilização do termoelemento Ferro. A sua faixa limitada é a responsável pela sua menor popularidade em relação ao tipo K. Aplica-se, sobretudo, com equipamento já antigo, que não é compatível com termopares mais "modernos". A utilização do termopar tipo J acima dos 760°C leva a uma transformação magnética abrupta que compromete a calibração Tipo de Termopar E Formado por fios de Chromel, como termoelemento positivo, e Constantan, como termoelemento negativo. É adequado para medição contínua desde -200 ºC até 870 °C. É recomendado para uso contínuo em atmosferas oxidantes ou inertes. Este termopar tem a mais alta sensibilidade de todos, valor médio de 68 µV/°C, que o torna o mais adequado para baixas temperaturas.
Tipo de Termopar K Formado por fios de Chromel, como termoelemento positivo, e Alumel, como termoelemento negativo. É adequado para medição contínua desde -200 ºC até 1260 °C. É recomendado para uso contínuo em atmosferas oxidantes ou completamente inertes. Não deve ser utilizado em atmosferas redutoras ou que alternam de oxidante para redutora, atmosferas sulfurosas, vácuo (exceto por períodos curtos) ou em atmosferas que produzam a corrosão conhecida por "green-rot" do termoelemento Chromel. O termopar tipo K é um termopar de uso geral e é mais resistente à oxidação em temperaturas altas do que os tipos E, J e T. Tem um baixo custo e, devido à sua popularidade estão disponíveis em diversos tipos de montagens. A longa exposição em alta temperatura pode provocar o aparecimento de não homogeneidades nos fios. Tem uma sensibilidade de aproximadamente 41µV/°C.
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Tipo Termopar N Formado por fios de Nicrosil, como termoelemento positivo, e Nisil, como termoelemento negativo. É adequado para medição contínua desde 0 ºC até 1260 °C. É recomendado para uso contínuo em atmosferas oxidantes ou inertes. Em altas temperaturas, não deve ser utilizado no vácuo ou em atmosferas sulfurosas, redutoras ou que alternem de oxidante para redutora sem proteção adequada. É o mais "moderno" dos termopares e foi desenvolvido para melhorar e não apresentar os conhecidos problemas do tipo K. A sua elevada estabilidade e resistência à oxidação em altas temperaturas tornam-no adequado para medições de temperaturas elevadas, sem recorrer aos termopares que incorporam platina na sua constituição (tipos B, R e S).
Tipo Termopar R Formado por fios de Platina com 13% de Ródio, como termoelemento positivo, e Platina pura, como termoelemento negativo. É adequado para medição contínua desde 0 ºC até 1480 °C, e até 1760 ºC por curtos períodos. É recomendado para uso contínuo em atmosferas oxidantes ou inertes. Não deve ser usado em atmosferas redutoras nem naquelas que contenham vapores metálicos ou não metálicos. Nunca deve ser inserido diretamente num tubo de proteção primário metálico. Requer a utilização de isoladores e tubos de proteção cerâmicos de alta alumina. As principais vantagens deste tipo são: alta exatidão, excelentes reprodutibilidade, estabilidade e desempenho em média altas temperaturas ao ar. Possui reduzida sensibilidade, por volta de 12 µV/ºC, e custo elevado.
PT-100 A termoresistência de platina é a mais utilizada na indústria devido a sua grande precisão e estabilidade. Conhecida como PT-100 ou RTD, a termoresistência de platina que apresenta uma resistência ôhmica de 100 ohmn à 0ºC. Sua faixa de trabalho vai de -200 a 650ºC, porém, a ITS-90 padronizou seu uso até aproximadamente 962ºC. Os limites de erro da PT-100 são referentes às normas DIN-IEC-751/85. Um valor típico de alfa p/ R100= 138,50 ohmn é de 3,850. 10 -3 ohmn . ohmn -1 ºC -1.
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Tabela de Termopares
Conclusão Com as pesquisas feitas por meio da internet em sites de fornecedores e sites didáticos vimos como é a estrutura dos termopares que é composto por dois materiais metálicos diferentes, sendo o primeiro positivo e o segundo negativo, os dois são unidos em uma das extremidades de cada material formando o termopar, nos limites do termopar podemos calcular a diferença de potencial se tiver uma variação da temperatura, essa variação causa um força eletromotriz. Como essa variação da diferença de potencial é muito pequena é necessário o uso de um amplificador de sinal antes do voltímetro para ele conseguir fazer a leitura. Existem vários tipos de termopar que são diferenciados por letras, os tipos de termopares variam com os materiais escolhidos e cada tipo de termopar elétrico tem uma faixa de temperatura e u grau de confiabilidade em sua aplicação.
Bibliografia https://pt.wikipedia.org/wiki/Termopar http://www.ecil.com.br/temperatura-industrial/termopares/ http://www.camtec.com.br/?p=conteudo&id=197
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