medição de temperatura - termopar - ufrgs

1 - Fundamentos Tericos

http://www.pgie.ufrgs.br/portalead/nucleo/HPLMM/mec017/termopar2.htm

MEDIO DE TEMPERATURATERMOPARES

Fundamentos Tericos. Leis Termoeltricas. Circuitos de Termopares e Medies de f.e.m. Potncia Termoeltrica. Termopares Comerciais. Fios de Compensao. Circuitos Especiais. Consideraes Gerais. Experimentos diversos: (a) confeco de termopares com bainha de inox e termopares avulsos com missangas; (b) reconhecimento de termopares; ( c) Resfriamento de barras metlicas; (d) Diagramas de fase.

MEDIO DE TEMPERATURA COM TERMOPARES1 - Fundamentos Tericos Em 1821, o fsico alemo Thomas Johann Seebeck observou que, unindo as extremidades de dois metais diferentes x e y (ver Figura 1) e submetendo as junes a e b a temperaturas diferentes T1 e T2, surge uma f.e.m. (fora eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os pontos a e b, denominada tenso termoeltrica.

Fig. 1 Dois metais diferentes, x e y com as extremidades unidas e mantidas a temperaturas diferentes

Fig. 2 Abrindo o circuito em qualquer ponto e inserindo um instrumento adequado, tem-se o valor da f.e.m.

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Este fenmeno conhecido por "Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao se conectar dois metais diferentes (ou ligas metlicas) do modo mostrado na Figura 1, tem-se um circuito tal que, se as junes a e b forem mantidas em temperaturas diferentes T1 e T2, surgir uma f.e.m. termoeltrica e uma corrente eltrica i circular pelo chamado "par termoeltrico ou "termopar". Qualquer ponto deste circuito poder ser aberto e nele inserido o instrumento para medir a f.e.m. (Figura 2). Uma conseqncia imediata do efeito Seebeck e o fato de que, conhecida a temperatura de uma das junes pode-se, atravs da f.e.m. produzida, saber a temperatura da outra juno. As medies de temperatura so, na realidade, a maior aplicao do termopar (que tambm pode ser usa do como conversor termoeltrico, embora apresente baixo rendimento), bastando para isso que se conhea a relao f.e.m. versus a variao de temperatura na juno do termopar. Esta relao pode ser conseguida atravs de uma calibrao, ou seja, uma comparao com um padro. 2 - Leis Termoeltricas 1a Lei Termoeltrica: a fora eletromotriz "e" de um termopar depende somente da natureza dos condutores e da diferena de temperatura entre as junes de contato. Algumas conseqncias importantes desta 1a Lei: a) - se as junes estiverem a mesma temperatura, a f.e.m. gerada pelo termopar nula. b) - a f.e.m. gerada pelo termopar independe do ponto escolhido para medir o sinal. Por isso, ao confeccionar o termopar, numa das junes no realizada a solda, introduzindo-se ali o instrumento. c) - a f.e.m. do termopar no ser afetada se em qualquer ponto do circuito for inserido um terceiro metal, desde que suas junes sejam mantidas a mesma temperatura. Esta propriedade chamada, por alguns autores, de "Lei dos Metais Intermedirios. Deve-se ter um cuidado todo especial com a junta de referncia (chamado por muitos autores, de junta fria), uma vez que a flutuao de sua temperatura pode acarretar erros nas aplicaes prticas dos termopares. Assim sendo, procura-se manter a junta de referncia em locais onde ocorrem pequenas flutuaes de temperatura, usando-se, ento, como treferncia, a prpria temperatura ambiente.

2a Lei Termoeltrica ou Lei das Temperaturas Sucessivas: estabelece a relao entre as f.e.m. obtidas pelas diferentes temperaturas de referncia, conforme mostram as Figuras 3 e 4.

Fig. 4 versus temperatura no linear.

Lei das Temperaturas Sucessivas.. A relao f.e.m.

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Fig 3 - Lei das Temperaturas Sucessivas 3 - Circuitos de Termopares e Medies de f.e.m. A Figura 5 mostra um termopar usado para medir a temperatura T1; o instrumento indicara uma voltagem proporcional a diferena (T1 - T2 ) .T2 pode ser medida com um termmetro convencional.

Fig. 5-a- Medio de temperatura com termopar.

Fig. 5-b -Circuito equivalente, Rv a resistncia interna do voltmetro. Rv a resistncia dos fios do termopar acrescido dos fios de cobre que levam o sinal ao instrumento.

Na Figura 5-b pode-se notar que o voltmetro somente ir informar a f.e.m. (e) se Rv >> RT, uma vez que a tenso V lida no voltmetro, pode ser escrita como:

V = e(RV/RV+RT)Assim sendo, se RT for desprezvel frente a Rv , V tender a e. Desta forma, a escolha do instrumento adequado, requer um grande cuidado.

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4 - Potncia Termoeltrica

Fig. 6 - Curva de calibrao de um par termoeltrico.

Ao se medir a f.e.m. termoeltrica de um par termoeltrico em funo da temperatura, obtm-se, em geral, uma relao do tipo mostrado na Figura 6. A curva mostrada na Figura 6 denominada de curva de calibrao do par termoeltrico. A relao da f.e.m. termoeltrica com a temperatura, normalmente, no linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada como se o fosse (veja a reta 1 da Figura 6). A partir do grfico da Figura 6 pode-se definir uma grandeza denominada de potncia termoeltrica do termopar, dada por: P = de/dT ou para um intervalo de temperatura P = De/DT A potncia termoeltrica representa a sensibilidade de resposta (De) do par termoeltrico com a variao de temperatura (DT). Assim, se existem dois termopares, o primeiro com uma potncia termoeltrica de 50 mV/oC e o segundo com 10 mV/oC, para uma mesma faixa de temperatura, prevalece a opo pelo primeiro, uma vez que este apresenta uma variao maior de e para cada 1 oC, o que torna a medio mais fcil e, eventualmente,

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mais precisa. 5 - Termopares Comerciais A principio, um termopar pode ser confeccionado com dois metais diferentes quaisquer; entretanto, devido a uma srie de fatores (contaminao, custos, repetibilidade, ponto de fuso, homogeneidade, facilidade de produo, fcil soldagem, etc.), so oferecidas poucas combinaes no comrcio. Dentre os termopares comerciais pode-se citar: Termopar: Algumas Aplicaes Vantagens Desvantagens Faixa de uso aconselhadaJ ferro, constant -190 a 870 C K cromel, alumel -18 a 1370 Co o

1) tmperas 2)recozimento 3)fornos eltricos 1)tratamento trmico 2)fornos 3)fundio 4)banhos

1) baixo custo

1) devem ser usados tubos de proteo para T > 480o

C

1) adequado para atmosferas oxidantes 2) boa resistncia mecnica em altas temperaturas 1) resiste a atmosferas corrosivas 2) resiste a atmosferas redutoras e oxidantes 3) utilizvel em temperaturas negativas

1) vulnervel a atmosferas redutoras

T cobre, constant -190 a 370 Co

1)estufas 2)banhos 3)fornos eltricos p/ baixa temperatura

2) oxidao do cobre acima de 315 Co

R - Pt - Pt 13% Rh S - Pt - Pt 10% Rh -18 a 1540 Co

1)vidros 2)fornos (T>1300 C) 3) fundio 4) alto-fornoo

1) pode operar em atmosfera oxidante 2) opera numa faixa maior que o tipo K.

1) contamina facilmente em atmosfera no oxidante 2) fragiliza em altas temperaturas

6 - Fios de compensao Na maioria dos casos, sobretudo em aplicaes industriais, o instrumento de medida e o termopar necessitam estar relativamente afastados. Desta forma, os terminais do termopar podero ser conectados a uma espcie de cabeote, e, a partir deste cabeote so adaptados fios de compensao (praticamente com as mesmas caractersticas dos fios do termopar, porm mais baratos) at o instrumento, conforme mostra a Figuras 7.

Fig. 7 - Termopar com fios de compensao

Na montagem apresentada na Figuras 7, o sinal lido no instrumento proporcional a (T1 - T3), j que os fios de compensao possuem as mesmas caractersticas do termopar (

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como se existisse um nico termopar). Note que, se os fios fossem de cobre (fios comuns) o sinal lido pelo instrumento seria proporcional a (T1 - T2) Tendo em vista que os fios de compensao possuem praticamente as mesmas caractersticas dos fios do termopar fundamental no troc-los (em termos de polaridade) na hora de montar o termopar, nem trocar os fios no terminal do instrumento. Caso voc tenha dvidas a respeito da polaridade dos fios de compensao basta seguir as especificaes do fabricante (normalmente obedecem um cdigo de cores) ou ento conectar uma de suas extremidades e aquecer a unio, observando no instrumento a polaridade do sinal, corno se fosse um termopar.

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7 - Circuitos Especiais 7.1- Associao em Srie

Fig. 8 (associaes em termopares)

Termopilha srie de

Na termopilha, ou associao em srie de termopares (ver Figura 8) a f.e.m. lida no instrumento e1 + e2 + e3, ou seja, equivale a soma das f.e.m. dos diversos termopares que a constituem. A associao em srie principalmente usada nas medies de pequenas diferenas de temperaturas (ou quando se pretende usar os termo pares como "conversores termo-eltricos").

Fig 9 - Associao em paralelo de termopares 7.2 - Associao em Paralelo Quando se deseja medir a temperatura mdia (associao em paralelo de fontes de tenso CC - na realidade esse um valor aproximado, o clculo correto mais complexo) de um circuito usa-se a associao em paralelo de termopares, conforme mostra a Figura 9. Neste caso:

e = (e1 + e2) / 27.3 - Termopar Diferencial

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Fig. 11 - Termopar diferencial

Quando se est interessado em diferenas de temperatura e no nos valores absolutos (por exemplo, as diferenas de temperatura existentes na cmara de um forno) , e usual efetuar a montagem do chamado "termopar diferencial" ( ver Figura 11). O nome do termopar diferencial uma redundncia, pois todo o termopar mede diferena de temperatura; neste caso tem-se apenas uma montagem um pouco diferente do termopar convencional. 8 - Consideraes Gerais 8.1- Preciso dos Termopares Ao medir a temperatura de um forno com vrios termopares provavelmente tem-se trs resultados diferentes; isto ocorre porque todo e qualquer componente possui um erro tolervel. No caso dos termopares a normalizao efetuada pelo N.B.S. (National Bureau of Standards).

TIPOK ReS J

FAIXA (OC)0 a 277 277 a 1260 -18 a 540 540 a 1540 0 a 277 277 a 760 -101 a -59

TERMOPARES STANDARD*2,2 C 0,75% l,4 C 0,25% 2,2 OC 0,75% 2% 0,8 C 0,75%O O O

T

-59 a 93 93 a 371

Tabela 2 - Tolerncia nos termopares "Standard" Assim sendo, se voc est usando um termopar com fios de compensao e um milivoltmetro, a impreciso de sua medida decorre de trs fatores, ou seja: impreciso da medida = impreciso do termopar + impreciso dos fios de compensao + impreciso do instrumento ( + eventualmente o erro da temperatura ambiente + o erro de resistncia interna do voltmetro). 8.2 - Proteo dos Termopares usual proteger os materiais que compem o termopar, evitando choques mecnicos, contaminao, etc., atravs de tubos de proteo ou de outros dispositivos mais simples, como missangas.

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* menor.

O fabricante fornece, sob encomenda, fios "especiais" (importados) com impreciso

8.3 - Calibrao - Padro de Temperatura Dependendo do tipo de medio que ser realizada os meios podem apresentar agressividade, choques' mecnicos, contaminao gasosa, etc. e os termopares em uso, talvez, necessitem ser periodicamente calibrados. Diversos institutos de pesquisa e universidades possuem fornos especiais e padres com os quais devem ser realizadas as calibraes. Os padres seguidos so os seguintes: a) termmetro de resistncia de platina de -260 oC a 630 oC b) termopar R ou S de 630 C a 1064 oC c) lei de Planck para radiao, pirmetro tico

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