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Calibrao de Termopares

Universidade Federal de Campina Grande CENTRO DE CINCIAS E TECNOLOGIAUNIDADE ACADMICA DE ENGENHARIA QUMICA

Componente Curricular: Laboratrio de Engenharia Qumica VDocente: Michel Fossy

CALIBRAO DE TERMOPARES

Equipe: Diogo Silva Marques Ferreira 107110282 Verilnia Neyonara Faustino Lisboa109110743Leonardo Jefferson Melo Lima108110340Nara RobertaCurso: Engenharia Qumica

CAMPINA GRANDE2013

1 301 INTRODUO

O objetivo de se medir e controlar as diversas variveis fsicas em processos industriais obter produtos de alta qualidade, com melhores condies de rendimento e segurana, a custos compatveis com as necessidades do mercado consumidor.Nos diversos segmentos de mercado, seja qumico, petroqumico, siderrgico, cermico, farmacutico, vidreiro, alimentcio, papel e celulose, hidreltrico, nuclear entre outros, a monitorao da varivel temperatura fundamental para a obteno do produto final especfico.Pois, a temperatura uma das grandezas de maior necessidade de ser medida para controle de processos que assegurem a qualidade final do produtonas reas industriais. Assim, a disseminao de instrumentos capazes de realizar medies de temperatura comrastreabilidade e internacionalmente harmonizadas vital emqualquereconomiadesenvolvida.Os termopares so os sensores de temperatura preferidos nas aplicaes industriais, seja pela sua robustez, seja pela simplicidade de operao. Entretanto, para que as medies de temperatura com termopar sejam significativas e confiveis, fundamental conhecer no somente os princpios bsicos de operao, como tambm as condies que o usurio deve proporcionar para que esses princpios sejam vlidos. Os sensores de temperatura podem ser calibrados pelo mtodo de comparao com um sensor padro de referncia ou pelo mtodo de pontos fixos (pontos de fuso, solidificao ou pontos triplos de substncias quimicamente puras) definidos na Escala Internacional de Temperatura de 1990. Alm desses dois mtodos de calibrao de sensores de temperatura, temos um terceiro denominado calibrao pelo mtodo da ponte ou fio. Este mtodo, que uma variao do mtodo por pontos fixos, aplica-se calibrao de termopares de metais nobres (tipos S, R ou B) e uma alternativa para a calibrao desses sensores a altas temperaturas (at aproximadamente 1600 C). Este trabalho apresenta os resultados e anlise das calibraes de dois termopares tipo K e J.

2 OBJETIVOS

Verificar a dependncia da condutividade trmica de determinados metais com a temperatura. Utilizar essa dependncia para determinar a temperatura de um fluido atravs da construo da curva de calibrao do equipamento (termopar). Comparar a curva de calibrao encontrada com dados da literatura. Uma vez calibrado o equipamento, analisar a resposta do sistema (tanque com volume constante) a um distrbio tipo degrau no set point da temperatura.

3 FUNDAMENTAO TERICA

Um termopar consiste em dois condutores metlicos, de natureza distinta,na forma de metais puros ou de ligas homogneas, conforme mostra a Figura (1). Os fios so soldados em um extremo, ao qual se d o nome de junta quente ou junta de medio. A outra extremidade dos fios levada ao instrumento de medio de FEM (fora eletromotriz), fechando um circuito eltrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medio chamado de junta fria ou de referncia.

Figura 1. Termopar

O aquecimento da juno de dois metais gera o aparecimento de uma FEM. Este princpio, conhecido por efeito Seebeck, propiciou a utilizao de termopares para a medio de temperatura. Nas aplicaes prticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a Figura (1).

3.1 EFEITOS TERMOELTRICOS

3.1.1 Efeito termoeltrico de Seebeck

O fenmeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck,quando ele notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulao de corrente enquanto existir uma diferena de temperatura T entre as suas junes. Denominamos a junta de medio de Tm, e a outra, junta de referncia de Tr.A existncia de uma FEM trmica AB no circuito conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referncia mantida constante, verifica-se que a FEM trmica uma funo da temperatura Tm da juno de teste.Este fato permite utilizar um par termoeltrico como um termmetro, conforme se observa na Figura (2).

Figura 2. Efeito Termoeltrico de Seebeck

O efeito Seebeck se produz pelo fato de os eltrons livres de um metal diferirem de um condutor para outro, dependendo da temperatura. Quando dois condutores diferentes so conectados para formar duas junes e estas se mantm a diferentes temperaturas, a difuso dos eltrons nas junes se produz a ritmos diferentes.

3.1.2 Efeito termoeltrico de Peltier

Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoeltrico com ambas as junes mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junes variam em uma quantidade no inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variao adicional de temperatura o efeito Peltier, que se produz tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior como pelo prprio par termoeltrico, como est demonstrado na Figura (3). O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma juno, sendo independente da temperatura da outra juno. O calor Peltier reversvel. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier o mesmo, porm em sentido oposto.

Figura 3. Efeito Termoeltrico de Peltier

3.2 LEIS TERMOELTRICAS

Fundamentados nos efeitos descritos anteriormente e nas leis termoeltricas,podemos compreender todos os fenmenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores.

3.2.1 Lei do Circuito Homogneo

A FEM termal, desenvolvida em um circuito termoeltrico de dois metais diferentes, com suas junes s temperaturas T1 e T2, independente do gradiente de temperatura e de sua distribuio ao longo dos fios. Em outras palavras, a FEM medida depende nica e exclusivamente da composio qumica dos dois metais e das temperaturas existentes nas junes. Observe a Figura (4).

Figura 4.Lei do Circuito Homogneo

Um exemplo de aplicao prtica desta lei que podemos ter uma grande variao de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, que esta no influir na FEM produzida pela diferena de temperatura entre as juntas. Portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante a diferena de temperatura entre as juntas.

3.2.2 Lei dos Metais Intermedirios

A soma algbrica das FEM termais em um circuito composto de um nmeroqualquer de metais diferentes zero, se todo o circuito tiver a mesma temperatura. Deduz-se da que num circuito termoeltrico, composto de dois metais diferentes, a FEM produzida no ser alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genrico, desde que as novas junes sejam mantidas a temperaturas iguais. Veja a Figura (5).

Figura 5.Lei dos Metais Intermedirios

Onde conclui-se que:

T3 = T4 E1 = E2(1)

Um exemplo de aplicao prtica desta lei a utilizao de contatos de lato ou cobre, para interligao do termopar ao cabo de extenso no cabeote.

3.2.3 Lei das Temperaturas Intermedirias

A FEM produzida em um circuito termoeltrico de dois metais homogneos e diferentes entre si, com as suas junes s temperaturas T1 e T3 respectivamente, a soma algbrica da FEM deste circuito, com as junes s temperaturas T1 e T2 e a FEM deste mesmo circuito com as junes s temperaturas T2 e T3, conforme Figura (6). Um exemplo prtico da aplicao desta lei a compensao ou correo da temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.

Figura 6. Lei das Temperaturas Intermedirias

3.3 CORRELAO DA FEM EM FUNO DA TEMPERATURA

Visto que a FEM gerada em um termopar depende da composio qumica dos condutores e da diferena de temperatura entre as juntas, isto , a cada grau de variao de temperatura podemos observar uma variao da FEM gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir um grfico, de correlao entre a temperatura e a FEM, Figura (7). Por uma questo prtica, padronizou- se o levantamento destas curvas com a junta de referncia temperatura de 0C. Esses grficos foram padronizados por diversas normas internacionais e levantados de acordo com a Escala Prtica Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68), recentemente atualizada pela ITS-90, para os termopares mais utilizados.A partir deles podemos construir outros grficos, relacionando a milivoltagem gerada em funo da temperatura, para os termopares, segundo a norma ANSI, com a junta de referncia a 0C.Figura 7. Correlao entre Temperatura e FEM

3.4 TIPOS E CARACTERSTICAS DOS TERMOPARES

Existem vrias combinaes de dois metais condutores operando como termopares. As combinaes de fios devem possuir uma relao razoavelmente linear entre temperatura e FEM, assim como desenvolver uma FEM por grau de mudana de temperatura que seja detectvel pelos equipamentos normais de medio. Foram desenvolvidas diversas combinaes de pares de ligas metlicas, desde os mais corriqueiros, de uso industrial, at os mais sofisticados, para uso especial ou restritos a laboratrios. Podemos dividir os termopares em grupos bsicos e nobres.

3.4.1 Termopares bsicos

So assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fiosso de custo relativamente baixo e sua aplicao admite um limite de erro maior.

Quadro 1. Termopar tipo TTIPO T

Nomenclaturas

TAdotado pela Norma ANSI

CCAdotado pela Norma JIS

Cu-CoCobre-Constantan

Liga

(+)Cobre 99,9%

()Constantan

So as ligas de Cu-Ni compreendidas no intervalo entre Cu 50% e Cu 65% Ni

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