UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDECENTRO DE CINCIAS E TECNOLOGIAUNIDADE ACADMICA DE ENGENHARIA QUMICALABORATRIO DE ENGENHARIA QUMICA VPROFESSOR: MICHEL FRANOIS FOSSY

TERMOPAR TIPO T

Emylle Laisa Santos Souza 110110744Hiuquem Monteiro Lopes 110110749Jos Mariano da Silva Neto 109110714

Campina Grande PBSetembro /20151. RESUMO

Termopares so os sensores de temperaturas mais utilizados nas aplicaes industriais, seja pela sua robustez ou pela sua praticidade. O presente relatrio contm as anlises relativas calibrao do termopar tipo T a partir da utilizao de um micro voltmetro, termmetro digital e fios de cobre. Os dados de referncia so comparados com um banho de gelo e o termmetro digital. Erros foram obtidos, e podem ser justificados em funo de algumas condies como falhas nos equipamentos devido s calibraes, um menor espao de tempo entre as medies, falhas humanas na coleta dos dados, condies fsicas dos equipamentos, dentre outros. O objetivo do experimento foi alcanado com xito.

2. OBJETIVOS

Realizar a calibrao do sistema de medio utilizando um esquema de termopar tipo T com auxlio de um multmetro; Apresentar os resultados em grficos de temperatura versus fora eletromotriz (milivolts), conforme o caso. Fornecer a curva de calibrao; Analisar criticamente os resultados indicando possveis fontes de erros

3. INTRODUO

Em todas as instalaes industriais, a medio da temperatura de extrema importncia, permite a medio de nveis de energia trmica, conhecer a eficincia dos equipamentos trmicos e assim poder corrigir as suas condies de funcionamento, bem como conhecer a eficincia de ciclos termodinmicos. Tendo em vista a importncia e necessidade de se possuir um total controle sobre processos trmicos, consta neste relatrio um dos modos de se obter este controle, que atravs de um Termopar Tipo J e de um circuito eletrnico na qual o sinal otimizado a fim de poder utiliz-lo na instrumentao industrial.Definimos Termopares como sensores de medio de temperatura que so constitudos por dois condutores metlicos e distintos, puros ou homogneos. So baratos, podem medir uma vasta gama de temperaturas e podem ser substitudos sem introduzir erros relevantes. A sua maior limitao a exatido, uma vez que erros inferiores a 1 C so difceis de obter. A juno de dois metais gera uma tenso eltrica que funo da temperatura. O funcionamento dos termopares baseado neste fenmeno, conhecido como Efeito de Seebeck. Este se define como a produo de uma diferena de potencial (tenso eltrica) entre duas junes de condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando elas esto a diferentes temperaturas (fora eletromotriz trmica). O princpio termoeltrico dos termopares deriva de uma propriedade fsica dos condutores metlicos submetidos a um gradiente trmico em suas extremidades: a extremidade mais quente faz com que os eltrons dessa regio tenham maior energia cintica e se acumulem no lado mais frio, gerando uma diferena de potencial eltrico entre as extremidades do condutor na ordem de alguns milivolts (mV), como pode ser observado no esquema da Figura 1.

FIGURA 1 Esquema simplificado do princpio de funcionamento de um termopar.

Existem tabelas normalizadas que indicam a tenso produzida por cada tipo de termopar para todos os valores de temperatura que suporta. Contudo, no basta ligar um voltmetro ao termopar e registrar o valor da tenso produzida, uma vez que ao ligarmos o voltmetro estamos a criar uma segunda (e indesejada) juno no termopar. Para se fazer medies exatas, devemos compensar este efeito (o que feito recorrendo a uma tcnica conhecida por compensao por juno fria).A leitura desta segunda temperatura, em conjunto com a leitura do valor da tenso do prprio termopar utilizada para o clculo da temperatura verificada na extremidade do termopar. Em aplicaes menos exigentes, a compensao da juno fria feita por um semicondutor sensor de temperatura, combinando o sinal do semicondutor com o do termopar.3.1 TERMOPARES CONVENCIONAIS

Termopar tipo T ((+) / (-) Cobre/Cobre-Nquel - 180 a 370 C), sua principal caracterstica a excelente resistncia corroso, sendo utilizado em temperaturas negativas.

Termopar tipo J ((+) / (-) Ferro/Constantan 0 a 800 C), recomendado para utilizao no vcuo e em atmosferas oxidantes. No se recomenda a utilizao deste Termopar em locais que contenham enxofre.

Termopar tipo E ((+) / (-) Nquel-Cromo/Cobre-Nquel-200 a 870 C), este Termopar utilizado nas atmosferas oxidantes e inertes em ambientes redutores ou vcuo perdem suas caractersticas termoeltricas.

Termopar tipo K ((+) / (-) Cromel / Alumel 0 a 1200 C), este Termopar o mais utilizado na indstria em geral, pois tem uma excelente resistncia oxidao em alta temperatura e corroso em baixas temperaturas.

Termopar tipo N ((+) / (-) Nquel-Cromo-Silcio Nquel-Silcio 0 a 1260 C), Excelente resistncia a oxidao at 1200C, curva f.e.m. xTemp., similar ao tipo K, porm possui menor potncia termoeltrica, apresenta maior estabilidade e menor drift tempo.

Termopar tipo S ((+) / (-) Platina-10% Rdio/Platina 0 a 1500C), Este o mais conhecido e usado entre os Termopares nobres, possui uma preciso altssima e uma ampla faixa de utilizao, alta repetibilidade de leitura, baixa potncia termoeltrica, com todas essas caractersticas este Termopar utilizado em laboratrios de calibrao como um Termopar padro. A composio da sua liga, de 90% platina e 10% rdio, na sua faixa de trabalho recomendado para trabalhar em locais oxidantes sempre com tubos de proteo cermica.

Termopar tipo R ((+) / (-) Platina-13% Rdio/Platina 0 a 1500C), possui as mesmas caractersticas de uso e recomendaes do Termopar tipo S, porm sua composio um pouco diferente contendo 87% platina e 13% rdio, este Termopar tambm utilizado em laboratrios como padro.

Termopar tipo B ((+) / (-) Platina-30% Rdio/Platina-6% Rdio 870 a 1800C), tambm possui caractersticas de uso idnticos aos do tipo S e R, recomenda-se o tubo de proteo como os S e R em locais onde contenham vapores de metais, possui uma resistncia mecnica dos fios maior que os S e R e geram um sinal termoeltrico muito baixo. Sua utilizao recomendada para temperaturas altas, e a composio de sua liga de 70% platina e 30% rdio.

3.2 VARIAO DE TENSO E COEFICIENTE DE SEEBECK COM A TEMPERATURA

A variao de tenso de Seebeck aproximadamente linear para variaes de temperatura em cada tipo de termopar utilizado. Alm disso, pode ser expressa pela seguinte Equao 1:

(1)

Na Figura 2 est representada a variao de tenso com a temperatura para alguns tipos de termopares.

FIGURA 2 Variao de tenso com a temperatura para diferentes termopares.

4. MATERIAIS UTILIZADOS

Recipiente de acrlico; Termopar do tipo T; Aquecedor; Recipiente de isopor com gelo; Rgua.

5. METODOLOGIA

Inicialmente calibrou-se o termopar variando a temperatura a um passo de 3C comeando de 30,5 C at 50 C e tomando-se os dados de voltagem fornecidos pelo multmetro. Aps a calibrao do termopar, estabeleceu-se como temperatura de set point da resistncia 45C e a cada 10 segundos foi realizada a leitura de da voltagem correspondente fornecida pelo multmetro.

6. RESULTADOS E DISCUSSO DOS RESULTADOS

6.1 CURVA DE CALIBRAO E DETERMINAO DO COEFICIENTE DE SEEBECK

A Tabela 1 apresenta os dados obtidos com o experimento a partir da variao da temperatura.

TABELA 1 Valores da fora motriz com relao a temperatura.T (C)V (mV)

30,51,10

331,22

361,34

391,46

421,59

451,71

481,84

501,93

Com base nestes resultados, plotou-se a curva de tenso versus temperatura para a obteno da curva de calibrao do termopar tipo T. A Figura 3 apresenta as curvas de calibrao para o termopar do experimento em comparao com um termopar tipo T do fabricante Thermomax na mesma faixa de temperatura.

FIGURA 3 Curvas de calibrao dos termopares tipo T do experimento e do fabricante Thermomax.

Pode-se observar que os dois dispositivos apresentam comportamento semelhante para a faixa de temperatura estudada. Na literatura, pode-se encontrar tabelas normalizadas que indicam a tenso produzida por cada tipo de termopar para todos os valores de temperatura que suporta. Neste caso, foi utilizada a tabela normalizadora do fabricante Thermomax para o termopar tipo T.O ajuste linear dos dados proporciona uma equao que correlaciona a temperatura e a fora eletromotriz medida no termopar. A Figura 4 apresenta esta correlao.

FIGURA 4 Ajuste linear dos dados do experimento de tenso versus temperatura.

A equao que representa a reta anterior dada por:

(2)

(3)

Relao entre o coeficiente anular terico () e o experimental obtido pelo ajuste dos dados:

(4)

(5)

6.2 VARIAO DA TEMPERATURA COM O TEMPO

A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos para a anlise do tempo de resposta do termopar utilizado e suas respectivas temperaturas calculadas a partir da equao de calibrao determinada anteriormente.

TABELA 2 Variao da tenso e temperatura com o tempo.Tempo (s)V (mV)T (C)

01,1130,60

101,1932,50

201,2132,98

301,2433,69

401,2734,40

501,2934,88

601,3235,60

701,3536,31

801,3736,79

901,437,50

1001,4338,21

1101,4538,69

1201,4839,40

1301,539,88

1401,5340,60

1501,5541,07

1601,5841,79

1701,642,26

1801,6342,98

1901,6543,45

2001,6844,17

2101,744,64

2201,7345,36

2301,7646,07

2401,7846,55

2501,8147,26

2601,8347,74

2701,8648,45

2801,8848,93

2901,8949,17

3001,949,40

3101,949,40

3201,9149,64

3301,9149,64

3401,9249,88

3501,9249,88

3601,9249,88

3701,9249,88

De posse dos dados, plotou-se a curva de variao da temperatura com o tempo apresentada na Figura 5.

FIGURA 5 Variao da temperatura com o tempo.

Neste grfico pode-se perceber que em determinado momento o sistema atinge um estado estacionrio, aproximadamente em 50C.

6.3 CLCULO DA QUANTIDADE DE CALOR

Dado o intervalo de temperatura entre 30 e 50 C e considerando que no houve perdas de calor para a vizinhana, a quantidade de calor gerado no recipiente pode ser dada pela seguinte expresso:

(6)

Onde m massa de gua (g); c o calor especfico (cal/ g C); Q a quantidade de calor (cal) e T o intervalo de temperatura (C).A Figura 6 apresenta o reservatrio utilizado para a realizao do experimento assim como suas dimenses. Assumindo-se que ele estava completamente cheio durante o experimento, a massa de gua ser igual ao volume do reservatrio.FIGURA 6 Reservatrio utilizado no experimento.

Assim, o volume de gua ser igual a:

(7)

Considerando que a densidade da gua igual a 1g/cm3 e que o calor especfico da mesma, a 1atm, 1 cal/g C, ento a quantidade de calor gerada no recipiente no intervalo de temperatura entre 30 e 50C :

(8)

sendo a quantidade de calor fornecida ao sistema a cada segundo igual a:

(9)

7. CONCLUSO

Foi possvel realizar a calibrao do termopar tipo T e com isso obter uma relao entre temperatura e voltagem. Realizou-se tambm o clculo do coeficiente de seebeck e foi visto que o erro encontrado foi muito pequeno (2,33%) o que sugere uma boa calibrao do dispositivo. O erro entre esses valores considerado mnimo, e pode ser proveniente de falhas nos equipamentos devido s calibraes, um menor espao de tempo entre as medies, falhas humanas na coleta dos dados, dentre outros.Apesar de simples, a aula prtica nos mostrou o real funcionamento deste material to usado nos diversos tipos de indstrias, de caldeiras indstria aeronutica. O modo de como as medies so efetuadas tambm nos ajudam a concluir sobre a sua tamanha praticidade e facilidade de uso, no restando dvidas que em se tratando de aferio de temperatura, o modo mais prtico. Somente com intervalos maiores obteramos menores erros, diminuindo tambm as outras falhas, entretanto, a aula foi extremamente didtica, atingindo seu objetivo

8. REFERENCIAS

Site da fabricante Thermomax. Disponvel em: http://www.thermomax.com.br/. Acessado em 28 de setembro de 2015.

Frank P. Incropera & David P. DeWitt, Fundamentos de transferncia de Calor e Massa, 5 Ed.

Goulart, G. R. Sensores termoeltricos Termopares. Laboratrio de Transferncia de Calor e Massa e Dinmica dos Fluidos, Uberlndia, 29 de Abril de 2010.