TM362 - Sistemas de Medição 2

Prof. Alessandro Marques

www.metrologia.ufpr.br

Termopares Sensores self-generating ou sensores ativos !

Exemplos:

Piezoelétricos;

Termopares;

Piroelétricos;

Fotovoltaicos ;

Eletroquímicos.

Geram um sinal elétrico a partir de um mensurando sem necessitar de alimentação.

Usados nas medições de temperatura, de força , de pressão e de aceleração.

Termopares O método mais comum de medição de temperatura e

controle de temperatura utiliza um circuito elétrico chamado TERMOPAR.

Um termopar consiste: Dois condutores elétricos feitos de metais diferentes e que possuem

pelo menos uma conexão elétrica.

Essa conexão é chamada de junção ou junta.

Junção pode ser criada por soldagem ou qualquer método que proporcione um bom contato elétrico entre os dois condutores.

A saída é uma tensão, e existe uma relação definida entre essa tensão e as temperaturas das junções que formam o circuito do termopar.

Termopares Considere esse circuito básico de termopar.

Junção 1 está a temperatura T1

Junção 2 está a temperatura T2

Se T1 e T2 não são iguais, um potencial elétrico finito de circuito aberto, fem1, será medido.

Termopares Existem 3 fenômenos básicos que podem ocorrer em um circuito de termopar:

o efeito de Seebeck;

o efeito de Peltier;

o efeito Thomson.

Efeito de Seebeck

Em 1821 e 1822 o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou o circuito para um termômetro termopar, como o ilustrado na figura. Ambas as junções, de medição e de referência estão em ambientes isotérmicos (de temperatura constante), cada uma numa temperatura diferente.

A tensão de circuito aberto através da junção de referência é a chamada tensão de Seebeck e aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as junções aumenta.

Ocorre a geração de eletricidade a partir da diferença de temperaturas.

Termopares

•

Termopares

Efeito de Peltier

Jean Peltier descobriu que, quando existe um fluxo de corrente na junção de dois metais diferentes,

há liberação ou absorção de calor .

Ocorre a geração de diferença de temperatura a partir de eletricidade.

Termopares

Esse comportamento foi descoberto durante experimento com o termopar de Seebeck.

Ele observou que a passagem de uma corrente elétrica através de um circuito de termopar de duas junções.

Termopares - Efeito de Peltier

Faz aumentar a temperatura em uma junção ao mesmo tempo em que causa a diminuição de temperatura na outra junção.

Efeito de Thomson

Existe um terceiro fenômeno que ocorre em circuitos termoelétricos.

Que está sujeito a um gradiente longitudinal de temperatura, e também a uma diferença de potencial de modo que existe um fluxo de corrente e de calor no condutor .

Termopares

Esse energia foi primeiramente observada por William Thomson em 1851

Leis fundamentais dos termopares A utilização de circuitos de termopar para medir temperatura é

baseada nos comportamentos de materiais e circuitos de termopares cuidadosamente controlados.

As seguintes leis fornecem a base necessária para a medição de temperatura com termopares:

1. Lei dos materiais homogêneos

2. Lei dos materiais intermediários

3. Lei das temperaturas sucessivas ou intermediárias.

Termopares

Leis fundamentais dos termopares

1. Lei dos materiais homogêneos

Uma corrente termoelétrica não pode ser sustentada em um circuito de um único material homogêneo apenas pela aplicação do calor, independentemente de como a seção transversal do material possa variar.

Portanto 2 materiais diferentes devem ser usados na construção de termopares.

Termopares

Leis fundamentais dos termopares

2. Lei dos materiais intermediários.

A soma algébrica das forças termoelétricas em um circuito composto por qualquer número de materiais diferentes é zero se todo o circuito está a um mesma temperatura.

Essa lei permite que um material diferente dos materiais do termopar possa ser inserido no circuito sem variação na fem de saída do circuito.

Termopares

Leis fundamentais dos termopares

2. Lei dos materiais intermediários.

Ex: Bloco de Ligação

Termopares

Borne de latão niquelado

Leis fundamentais dos termopares

2. Lei dos materiais intermediários.

Ex: É possível o uso de um conector comum

Termopares

Leis fundamentais dos termopares

2. Lei dos materiais intermediários.

Ex: Solda feita na junção de medição

Termopares

Leis fundamentais dos termopares

3. Lei das temperaturas sucessivas ou intermediárias.

Se dois materiais homogêneos diferentes que formam um circuito de termopar produzem fem1 quando as junções estão a T1 e T2 e produzem fem2 quando as junções estão a T2 e T3, então a fem gerada quando as junções estão a T1 e T3 será fem1 + fem2.

Essa lei possibilita que um termopar calibrado para um temperatura de referência seja utilizado em outra temperatura de referência.

Termopares

Medição básica de temperatura com termopares Esse circuito de termopar básico pode ser utilizado para medir a

diferença entre as duas temperaturas T1 e T2

Termopares

Medição básica de temperatura com termopares Para medições práticas da temperatura, uma dessas junções torna-se uma junta de referência, e é mantida a uma temperatura constante de referência.

A outra junção torna-se então a junta de medição e a fem existente no circuito para qualquer temperatura T1 é uma indicação direta da temperatura na junta de medição .

Termopares

Cromel é uma liga de 90% Ni (Niquel) e 10% Cr (Cromo)

Multímetro

Circuito de termopar básico, utilizando um termopar de cromel-constantan e um banho de gelo para criar a temperatura de referência.

Os fios do termopar são conectados diretamente a um multímetro para medir a fem.

Termopares - Medição básica de temperatura com termopares

Multímetro

Fios de extensão de cobre, criando duas junções de referência.

A lei dos materiais intermediários assegura que nem o multímetro nem os fios de extensão modificarão a fem do circuito, desde que as junções de conexão no multímetro e as duas no banho de gelo não apresentem diferenças de temperatura.

Termopares - Medição básica de temperatura com termopares

Multímetro

Padrões de termopares

O NIST (National Institute of Standards and Technology) fornece

especificações para materiais e construção de circuitos padrões de termopares para medição de temperatura.

Existe muitas combinações de materiais para termopares.

São identificadas por tipo de termopar e designada por letras.

A escolha depende da faixa de temperatura a ser medida, da aplicação em particular e do nível de incerteza desejado.

Termopares

Termopares - Padrões de termopares

Figliola, pg 266

designação de letras

polaridade

aplicação

Alumel (94% Níquel com 3% manganês, 2% Alumínio e 1% silício

Termopares - Padrões de termopares

Para determinar a fem de saída de uma combinação específica de um material, um termopar é formado de um material candidato e de uma liga padrão de platina para formar um circuito de termopar com temperatura de referência de 0 ⁰C.

A figura mostra a fem de saída para varias combinações de materiais com a platina-67.

A letra em cada curva indicam o tipo de termopar.

Termopares - Padrões de termopares

A lei das temperaturas intermediárias permite então a determinação da fem de dois materiais quaisquer cujas fems relativas a platina sejam conhecidas.

O gráfico mostra a fem como uma função da temperatura para alguma combinação de materiais comuns em termopares.

Tensão Padrão do termopar Termopares A tabela fornece a composição padrão de materiais de termopares, juntamente com os limites padrões de erro para varias combinações de materiais.

Esses limites são os erros máximos esperados

Tensão Padrão do termopar Termopares O NIST utiliza materiais de alta pureza para estabelecer o valor padrão da tensão de saída para um termopar composto de dois materiais específicos.

Isso resulta em tabelas padrões ou equações utilizadas para determinar a temperatura medida a partir do valor de fem medido.

Tabela para termopar de ferro/constantan, termopar tipo J

Tensão Padrão do termopar Termopares Essa tabela apresenta equações que relacionam a fem e a temperatura para termopares padrões.

Tensão Padrão do termopar Termopares

Por causa da ampla necessidade de se medir temperatura, surgiram indústrias especializadas na produção de fios de termopares de alta qualidade.

Os fabricantes podem fornecer, também, termopares com limites de tolerância especiais relativas as tensões padrões do NIST variando de ±1,0 ⁰C até cerca de ±0,1 ⁰C.

Os termopares construídos de fios de termopar padrão não necessitam de calibração para fornecer medidas de temperatura dentro dos limites de tolerância dados na tabela 8.5 (pagina 266 –Figliola)

Tipos de termopares

Os vários tipos de metais ou ligas comumente empregados na constituição de termopares dependem em primeiro lugar da temperatura a medir.

Existe uma série de termopares padronizados segundo uma determinada faixa de aplicação levando em conta também outros fatores, tais como ambiente e tipo de material que se deseja medir.

Termopares

Termopares Exemplo 1:

O circuito do termopar mostrado na figura é utilizado para medir a temperatura T1. A junção de termopar marcado com 2 está a temperatura de 0 ⁰C, mantido por um banho de gelo fundente. A tensão de saída é medida como 9,669 mV utilizado um multímetro. Qual é o valor de T1 ?

fem do multímetro

= 9,669 mV

Termopares Exemplo 1:

Qual é o valor de T1 ?

Se o termopar segue o padrão da NIST, temos

Olhando a tabela que é referenciada a 0 ⁰C.

Pode-se dizer que a temperatura nesse caso é de 180 ⁰C

fem do multímetro

= 9,669 mV

Termopares

Exemplo 2:

Suponha que o circuito de termopar no exemplo anterior tem agora a junção 2 mantida a temperatura de 30 ⁰C e produz uma tensão de saída de 48,769 mV. Qual a temperatura da junção de medição ?

Termopares Exemplo 2:

Suponha que o circuito de termopar no exemplo anterior tem agora a junção 2 mantida a temperatura de 30 ⁰C e produz uma tensão de saída de 48,769mV. Qual a temperatura da junção de medição ?

Se o termopar segue o comportamento de fem padrão da NIST, temos:

Pela lei das temperaturas intermediárias, a fem de saída para um circuito de termopar que possui 2 junções, uma a 0 ⁰C e a outra a T1, seria a soma das fems para o circuito de termopar entre 0 ⁰C e 30 ⁰C e entre 30 ⁰C e T1. Portanto,

fem0-30 + fem30-T1 = fem0-T1

1,537 + 48,769 = 50,306 mV

Portanto, o termopar está captando a temperatura de 875⁰C.

Tipo Liga Faixa de

Operação (ºC) e (mV) Características Genéricas

T Cobre/Constantan

Cu/CuNi -200 à +350 20.872

Pode apresentar problemas de oxidação. Bom na presença de

umidade. Recomendável para baixas temperaturas e meios

criogênicos.

J Ferro/Constantan

Fe/CuNi +1000

-8.095

a

69.553

Atmosferas redutoras, inertes e com condições de vácuo.

Limitações em atmosferas oxidantes a elevadas temperaturas.

Não recomendado para baixas temperaturas.

K Cromel/Alumel

NiCr/NiAl - +1300 54.886

Atmosferas oxidantes e inertes. Limitações na utilização em

vácuo ou em atmosferas redutoras. A sua sensibilidade é

muito aproximadamente linear.

S Platina-10% Ródio /

Platina

Pt10%Rh / Pt

1500 18.693

Atmosferas oxidantes ou inertes. Não deve ser inserido em

tubos metálicos. Utilizado a altas temperaturas. Sensível a

contaminações.

R Platina-13% Ródio /

Platina

Pt13%Rh/Pt

1500 0.226

a 21.101 Semelhante ao termopar tipo S

B Platina-30% Ródio /

Platina-6% Ródio

Pt30%Rh/Pt6%Rh

1820 0

a 13.820

Atmosferas oxidantes ou inertes. Não deve ser inserido em

tubos metálicos. Utilizado a altas temperaturas. Sensível a

contaminações. Muito habitual na industria do vidro.

E Cromel/Constantan

NiCr/CuNi 1000 76.373

Atmosferas oxidantes ou inertes. Uso limitado em atmosferas

redutoras e , entre todos, a mais elevada f.e.m.

Termopares

Termopar-isolação mineral

Este tipo de montagem é de extrema utilidade pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos, que podem causar a completa deterioração dos termoelementos, além da grande resistência mecânica o que faz com que o termopar isolação mineral possa ser usado em um número quase infinito de aplicações.

Termopares

Os principais termopares comerciais Pode-se simplificadamente citar os requisitos gerais e simultâneos desejados na escolha dos metais para formação de um par termoelétrico: Resistência à oxidação e à corrosão consequentes do meio e de

altas temperaturas. Linearidade dentro do possível; Ponto de fusão maior que a maior temperatura à qual o

termopar é utilizado; Sua fem deve aumentar continuamente com aumento da

temperatura. Os metais devem ser homogêneos; Sua resistência elétrica não devem apresentar valores que

limitem seu uso; Sua fem deve ser estável durante a calibração e o uso dentro de

limites aceitáveis; Sua fem não deve ser alterada consideravelmente por mudanças

químicas, físicas ou pela contaminação do ambiente; Deve ser facilmente soldado pelo usuário.

Termopares

Bibliografia

• BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J.; Instrumentação e fundamentos de medidas, volume 1, 2010.

• FIGLIOLA, R.S.; BEASLEY D.E., Teoria e Projeto para Medições Mecânicas, 4a Edição, LTC, 2007.

• Notas de aula Prof. Hélio Padilha e Prof. Marcos Campos