TERMOPARESDispositivos utilizados para medir temperaturaGustavo Monteiro da Silva Professor Adjunto rea Cientfica de Instrumentao e MedidaESTSetbal/IPS Escola Superior de Tecnologia de Setbal R. do Vale de Chaves, Estefanilha, 2914-508 SETBAL, PORTUGAL Tel: 265 790 000, Fax: 265 721 869, E-mail: gsilva@est.ips.pt

TERMOPAR EFEITO DE SEEBECKTermopar elemento primrio de medida de temperatura constitudo por dois materiais diferentes ligados um ao outro.Material A T Juno eAB Material B(OMEGA ENGINEERING INC.)

u

Juno ligao dos materiais por aperto ou por soldadura Termopares industriais dois materiais metlicos, soldados um ao outro

eT = f (matA, matB, T ) (f. biunvoca) ABT

Efeito termoelctrico de Seebeck

Obteno da temperatura: mede-se u (= eAB ) e pela relao anterior calcula-se T por tabela (pg.10) ou por frmula. O termopar um sensor activo.2

OUTROS EFEITOS TERMOELCTRICOSEfeito de Peltier: Libertao (absoro) de calor numa juno percorrida por uma corrente elctrica QP mat A juno I mat B mat A QP juno I mat B

QP = AB I

AB - coeficiente de Peltier

Efeito de Thomson: Libertao (absoro) de calor num condutor onde existe gradiente de temperatura I T1

QT

I T2 T1

QT

T2

QT = I (T1 T2 )

- coeficiente de Thomson3

INTERDEPENDNCIA DOS EFEITOS TERMOELCTRICOSmaterial A Juno 1

IeAB(T2) Juno 2

T1

eAB(T1) material B

T2

1. Juno 1 a T1 2. Juno 2 a T2 3. eAB(T1) e eAB(T2)

eAB(T1) (Seebeck) eAB(T2) (Seebeck) I (Ohm) T1 e T2 mudam (Peltier) T1 e T2 tambm mudam

4. I nas junes origina libertao/absoro de calor 5. I nos condutores origina libertao/absoro de calor (Thomson)

4

FORA ELECTROMOTRIZ DE SEEBECKEAB(T) /mV 0 EAB(T) :

0

T /K

nula ao zero absoluto crescente com T, quase uma recta:

E AB = AB T , AB quase constante

EAB max 10 a 80 mV Para cada termopar (par A,B) conhecido EAB sabe-se T: EAB(T) T

Tmax 500 a 2500 C, consoante os metais do termopar

dE AB Sensibilidade da juno: S = = AB (da ordem de V/C) dT5

MEDIO DA F.E.M. DE SEEBECKPrimeira sugesto utilizao de um voltmetro de CC:Mat. A Juno eAB(T) Mat. B

T2eAC Mat. C eBC u Mat. C

T

V

T2

Juno de medida: (A,B), temperatura T Junes introduzidas com os cabos do voltmetro: (A,C) e (B,C) F.e.m. de Seebeck: eAB(T), eAC(T2), eBC(T2) Tenso lida pelo voltmetro: u = eAC(T2) + eAB(T) + eBC(T2) eAC(T2) eBC(T2) u eAB(T) eBC(T2) eAC(T2) vai corresponder a um erro na medida6

ELIMINAO DAS F.E.M. INDESEJVEISSoluo utilizada Introduo de uma juno de refernciaA juno de medida eAB(T) eAB(TR) juno de referncia B

T

T2B eBC C C eBC

TRu

V

Tenso lida pelo voltmetro: u(T) = eBC(T2) eAB(TR) + eAB(T) + eBC(T2) = eAB(T) eAB(TR) Est definido (ANSI(1), ISA(2), DIN, CEI) que TR = 0 C Resultado obtido u(T) no depende dos cabos de ligao ao voltmetro T < 0 C u < 0, T = 0 C u = 0, T > 0 C u > 0,1 2

ANSI - American National Standards Institute Instrumentation Systems and Automation Society. 7

TERMOPARES NORMALIZADOSNomes de termopares normalizados (tipos de termopares)nome B C E G J K N R S T Constituio Platina / 30% Rdio-Platina Tung-5% Rnio/Tung-26% Rnio Cromel / Constantan Tungstnio/ Tung-26% Rnio Ferro / Constantan Cromel / Alumel Nicrosil /Nisil Platina / 13%Rdio-Platina Platina / 10%Rdio-Platina Cobre / Constantan Gama de Temperatura 01800 C 02320 C -2701000 C 02300 C -210750 C -2701370 C -2701300 C -501750 C -501750 C -270400 C Cromel = Nquel-Crmio Nicrosil = Ni-Cr-Si /mV

Tenses de sada, usando uma juno de referncia a 0 C90 80 70 6050

Tipo E

Tenso

Tipo K Tipo J Tipo R Tipo T S Tipo B

40 30 20 10 0 -10 -250 -20 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750

Constantan = Cobre-Nquel Alumel = Nquel-Alumnio

Nisil = Ni-Si-Mg

Temperatura /C

8

TABELAS DE TERMOPARES (Termopar tipo J -210:750 C parte de tabela)T (C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 0 0,000 0,507 1,019 1,536 2,058 2,585 3,115 3,649 4,186 4,725 5,268 5,812 6,359 6,907 7,457 8,008 8,560 9,113 9,667 10,222 10,777 1 0,050 0,558 1,070 1,588 2,111 2,638 3,168 3,702 4,239 4,780 5,322 5,867 6,414 6,962 7,512 8,063 8,616 9,169 9,723 10,277 10,832 2 0,101 0,609 1,122 1,640 2,163 2,691 3,221 3,756 4,293 4,834 5,376 5,921 6,468 7,017 7,567 8,118 8,671 9,224 9,778 10,333 10,888 3 0,151 0,660 1,174 1,693 2,216 2,743 3,275 3,809 4,347 4,888 5,431 5,976 6,523 7,072 7,622 8,174 8,726 9,279 9,834 10,388 10,943 4 0,202 0,711 1,225 1,745 2,268 2,796 3,328 3,863 4,401 4,942 5,485 6,031 6,578 7,127 7,677 8,229 8,781 9,335 9,889 10,444 10,999 5 0,253 0,762 1,277 1,797 2,321 2,849 3,381 3,917 4,445 4,996 5,540 6,085 6,633 7,182 7,732 8,284 8,837 9,390 9,944 10,499 11,054 6 0,303 0,813 1,329 1,849 2,374 2,902 3,435 3,971 4,509 5,050 5,594 6,140 6,688 7,237 7,787 8,339 8,892 9,446 10,000 10,555 11,110 7 0,354 0,865 1,381 1,901 2,426 2,956 3,488 4,024 4,563 5,105 5,649 6,195 6,742 7,292 7,843 8,394 8,947 9,501 10,055 10,610 11,165 8 0,405 0,916 1,432 1,954 2,479 3,009 3,542 4,078 4,617 5,159 5,703 6,249 6,797 7,347 7,898 8,450 9,003 9,556 10,111 10,666 11,221 9 0,456 0,967 1,484 2,006 2,532 3,062 3,595 4,132 4,671 5,213 5,758 6,304 6,852 7,402 7,953 8,505 9,058 9,612 10,166 10,721 11,276 10 0,507 1,019 1,536 2,058 2,585 3,115 3,649 4,186 4,725 5,268 5,812 6,359 6,907 7,457 8,008 8,560 9,113 9,667 10,222 10,777 11,332 T (C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Valores da tabela, u(T).

Tenses em mV

Referncia a 0 C 9

LEIS DE UTILIZAO DOS TERMOPARES / 1

1. Dois metais, duas junesUm circuito utilizando termopares deve conter pelo menos: dois materiais distintos, duas junes.

Tjuno de medida eAB(T) mat B

mat A eAB(TR)

TRjuno de referncia mat B

u

2. Independncia da temperatura do percursoA tenso de sada do termopar, u:

T1 TJ med eAB(T)

T2

T3

T4

T5eAB(TR)

T6

depende apenas das temperaturas das junes,

TRJ ref

independente da forma como a temperatura se distribui pelos condutores, desde que nestes no haja corrente elctrica.

u

10

LEIS DE UTILIZAO DOS TERMOPARES / 23. Metais intermdios nas ligaesSe um terceiro material homogneo for inserido no condutor A ou no condutor B de um circuito com termopares, a tenso de sada u permanece inaltervel, desde que as novas junes estejam mesma temperatura (T2 = T1). mat A mat C mat A mat A

TJ med mat B

TRJ ref

=

TJ med mat B

T1 u

T2mat B

TRJ ref

u

mat B

4. Metais intermdios nas junesA colocao de um material intermedirio numa juno (medida ou referncia) no afecta a tenso de sada u, desde que as novas junes assim criadas sejam mantidas mesma temperatura. mat A mat A

TJ med mat B

TRJ ref

=

TJ med mat B

T3mat B

u

mat B

u

T3

mat D J ref

11

LEIS DE UTILIZAO DOS TERMOPARES / 35. Lei das temperaturas sucessivasSe um circuito de termopares com temperaturas T1 e T2 origina a tenso de sada u1,2 = f (T1,T2), e exposto a T2 e T3 produz uma tenso u2,3 = f (T2,T3), o mesmo circuito s temperaturas T1 e T3 originar uma tenso de sada

u1,3 = f (T1 , T3 ) = u1,2 + u2,3 . mat. A mat. A mat. A

T1mat. B

T3 = T1 u1,3mat. B mat. B

T2 + T2 u1,2mat. B mat. B

T3 u2,3mat. B

6. Lei dos metais sucessivosUm termopar constitudo pelos materiais A e C e com as junes expostas s temperaturas T1 e T2 gera uma tenso

uA,C. Um circuito semelhante construdo de materiais C e B gera, s mesmas temperaturas, uC,B. Um 3 termopar,semelhante na configurao, e fabricado com os materiais A e B, dar, s mesmas temperaturas u A, B = u A,C + uC , B

mat. A

mat. A

mat. C

T1mat. B

T2 = T1 uA,B mat. Bmat. C

T2 + T1 uA,C mat. Cmat. B

T2 uC,B mat. B12

TEMPERATURA DE REFERNCIA1. Colocar a juno de referncia em gelo fundentebloco isotrmico J3 um ur voltmetroJ4

u0

Tmed

gelo fundente

Este mtodo : Muito preciso - usado pelo NBS(3) para a produo de tabelas de termopares Pouco prtico para ser usado na indstria3

National Bureau of Standards 13

TEMPERATURA DE REFERNCIA2. Medir a temperatura da juno de referncia e compensar por softwarebloco isotrmico

u0 voltmetro

um RT Tmed

termistor

Passos a seguir 1. Mede-se RT. Converte-se RT UREF 2. Mede-se Um. Calcula-se U0 = Um+ UREF 3. Converte-se U0 em temperatura

Vantagens / inconvenientes O bloco isotrmico + RT servem para vrios termopares (~20) Exige computador, que poder estar longe do termopar (~100 m) Poder ser lento, se houver muitos termopares (~1000)14

TEMPERATURA DE REFERNCIA3. Medir a temperatura da juno de referncia e compensar por hardwareexemplo prticobloco isotrmico

u0

ur Tmedsensor de temperatura em circuito integrado

Serve apenas para um termopar rpido e pode ser feito junto do termopar o mtodo actualmente utilizado: bloco e transmissor incorporados na cabea do sensor

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TEMPERATURA DO OBJECTO1. Converter a tenso uo directamente atravs dos coeficientes polinomiais (4) T = a0 + a1uo + a2uo2 + a3uo3+ a4uo4 + (u0 / V,Coef. a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 Tipo E - 100 a 1000 C 0,104967248 17189,45282 - 282639,0850 12695339,5 - 448703084,6 1,10866 10+10 -1,76807 10+11 1,71842 10+12 -9,19278 10+12 2,06132 10+13 Tipo J 0 a 760 C -0,048868252 19873,14503 - 218614,5353 11569199,78 - 264917531,4 2018441314 Tipo de termopar Tipo K Tipo R 0 a 1370 C 0 a 1000 C 0,226584602 0,263632917 24152,10900 179075,491 67233,4248 - 48840341,37 22110340,682 190002 E+10 - 860963914,9 - 482704 10+12 4,83506 E+10 7,62091 10+14 - 1,18452 10+12 - 7,20026 10+16 1,38690 10+13 3,71496 10+18 - 6,33708 10+13 - 8,03104 10+19

T / C)

Tipo S Tipo T 0 a 1750 C - 160 a 400 C 0,927763167 0,100860910 169526,5150 25727,94369 - 31568363,94 - 767345,8295 8990730663 78025595,81 +12 - 1,63565 10 - 9247486589 +14 1,88027 10 6,97688 10+11 - 1,37241 10+16 - 2,66192 10+13 6,17501 10+17 3,94078 10+14 - 1,56105 10+19 1,6953 10+20

Para cobrir a gama do termopar com um erro inferior a 1 C so necessrios 9 coeficientes Computacionalmente pesado.4

Coeficientes para os termopares padro, fornecidos pela NBS16

TEMPERATURA DO OBJECTO2. Usar o termopar numa gama restrita e consider-lo linear O desempenho satisfaz para os termopares mais lineares (ex., tipo K) Pode fazer-se a converso linear directamente com um voltmetro ou um DAQ

3. Dividir a gama em sectores e converter com polinmio ordem de baixa Obtm-se a preciso do 1 mtodo, com muito maior rapidez Divide-se a gama de medida (do termopar) em 8 sectores Utiliza-se um polinmio do 3 grau para cada sector (coeficientes diferentes dos anteriores) o mtodo usado na indstria: no software dos sistemas de aquisio de dados, respeitante aos termopares nos transmissores inteligentes.

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CABOS DE EXTENSOJuno de medida no campo Juno de referncia na sala de armrios

Distncia entre as junes de medida e de referncia da ordem de 100 m Ligaes entre estas junes: por meio de cabos de extenso (ou cabos de compensao) Caractersticas propriedades termoelctricas equivalentes s dos metais dos termopares. Porqu cabos de extenso em vez dos termopares? flexveis e de preo mais acessvel

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REJEIO DO RUDO(Note-se que a sensibilidade de um termopar da ordem dos microvolt/C) Aces a tomar (no projecto, na instalao) 1. Usar cabos curtos, se possvel com o conversor junto do termopar 2. Passar os cabos de sinal longe de cabos de potncia 3. Usar cabos de extenso adequados, que no devem ser muito apertados 4. Utilizao de cabos de sinal blindados, convenientemente ligados terra 5. Efectuar uma filtragem analgica do sinal 6. Usar amplificadores com rejeio de modo comum elevada 7. Agrupar os cabos dos sinais de entrada de acordo com as cartas do DCS 8. Usar termopares adequados atmosfera, com a juno soldada de origem 9. Quando possvel, usar termopares com sensibilidade elevada19

ASPECTOS CONSTRUTIVOS / 1

juno (no interior)

bainha auxiliar

bainha

cabea extenso terminais tampa

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ASPECTOS CONSTRUTIVOS / 2

Nas aplicaes em que se mede a temperatura de gua ou de vapor a alta presso obrigatrio usar-se uma bainha auxiliar de proteco, designada por thermowell, que deve ser soldada ao processo.21

ASPECTOS CONSTRUTIVOS / 3

corte nas bainhas

bainhas cermicas

dimenses reduzidas

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