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Definição de Termopares
A princípio o aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma força eletromotriz (f.e.m.). Além disso este princípio é conhecido por efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura.
Como é feito um termopar? O que é termopar e como funciona
Antes de mais nada o termopar é formado pela junção de dois fios de ligas metálicas diferentes entre si. Do mesmo modo na sua junção, em uma das suas extremidades chamamos de junta quente e na junção onde ligamos o aparelho ou cabo de compensação/ extensão é chamada de junta fria. A sua junta quente quando submetida a uma fonte de calor ou energia (positiva ou negativa) faz com que seja gerada uma milivoltagem que é proporcional a sua junta fria, Efeito este chamado de Seebeck.
Do mesmo modo um termopar consiste em dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. E assim os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. Por outro lado a outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m., fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente. Como resultado o ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.
Termopares e o Efeito termoelétrico de Seebeck – O que é termopar e como funciona
Em princípio o fenômeno 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 circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura ΔT entre as suas junções. Em resumo, denominamos a junção mais quente (a temperatura T) de junção de teste, e a outra (a Tr) de junção de referência. E assim, a existência de uma f.e.m. térmica “ Є ”AB no circuito é conhecida como efeito Seebeck. Enfim quando a temperatura da junção de referência é mantida constante, verifica se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura T da junção de teste. Em conclusão este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro.
Como ocorre o Efeito de Seebeck? O que é termopar e como funciona
Em primeiro lugar o efeito Seebeck se produz pelo fato de que a densidade dos transportadores de carga (elétrons em um metal) difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Como resultado quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções e estas são mantidas a diferentes temperaturas, a difusão dos transportadores de carga nas junções se produz a ritmos diferentes. Tem origem um movimento dos transportadores de carga como se fossem impulsionados por um campo não eletrostático. Da mesma forma a integral curvilínea deste campo ao longo do par termoelétrico é a f.e.m. de Seebeck.
A princípio para um valor dado de Tr, “ Є ” AB é uma função de T. Então se Tr é variada para um outro valor constante, a relação “ Є ” AB e T é a mesma, exceto por uma constante aditiva. Deduz‑se, portanto, que o valor de (vide fórmula 1) é independente de Tr, e depende somente da natureza de A, B e T. Assim a derivada (vide fórmula 1), para qualquer valor de Tr, se denomina potência termoelétrica do termopar.
Convencionou‑se dizer que o metal “A” é positivo em relação à “B”, se a corrente “I” fluir de “A” para “B” na junta de menor temperatura, isto é, “T é maior que Tr”.
Termopares e o Efeito termoelétrico de Peltier – O que é termopar e como funciona
Primeiramente em 1834 Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz‑se uma corrente no termopar, as temperaturas das junções variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Como resultado esta variação adicional de temperatura é o efeito Peltier. Por fim o efeito Peltier produz‑se tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior como pelo próprio par termoelétrico.
Em resumo, a quantidade de calor Peltier produzida por unidade de tempo é proporcional à primeira potência da intensidade da corrente, ou seta, é igual a “¶ I”. Assim a grandeza ¶ é chamada de coeficiente Peltier.
Por exemplo, temos a seguir um refrigerador Peltier esquematizado.
Analisando o Efeito Termoelétrico de Peltier em um termopar – O que é termopar e como funciona
Termopares e o Efeito termoelétrico de Thomson – O que é termopar e como funciona
Antes de mais nada em 1854, Thomson concluiu, através das leis da termodinâmica, que a condução de valor, ao longo dos fios metálicos de um par termoelétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio. Do mesmo modo quando existe corrente, modifica‑se em cada fio a distribuição de temperatura em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Por fim essa variação adicional na distribuição da temperatura denomina-se efeito Thomson.
A princípio a quantidade de calor Thomson, produzida por unidade de tempo em uma pequena região de um fio metálico, que transporta uma corrente “I” e suporta uma diferença de temperaturas dT, é igual a ”δ I dT”, sendo “δ” o chamado coeficiente Thomson. E assim, o coeficiente Thomson depende do metal de que é feito o fio e da temperatura média da pequena região considerada. Do mesmo modo em certos metais há absorção de calor, quando uma corrente elétrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que há geração de valor quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto é, há liberação de calor quando uma corrente elétrica flui da parte quente para a parte fria do metal.
Como resultado, com a circulação de corrente ao longo de um fio condutor, a distribuição de temperatura neste condutor se modificará, tanto pelo valor dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.
Limites de Erro do Termopar Norma ANSI MC 96.1 – 1982, segundo a IPTS-68
Termopares Tipo CuCo “T” Cobre/ Constantan
Antes de mais nada o TIPO “T” é a Nomenclatura adotada Norma ANSI Cobre – Constantan
Cu (+) Co (-), o termopar é formado por dois fios assim como:
Cu (+) Cobre: Elemento formado de Cobre 99,9%.
Co (-) Constantan: Elemento formado por Cobre 58% e Níquel 42% (com variações nestes valores dependendo fabricante). Em resumo, se produz o cobre e a partir de sua característica e “casa-se” o Constantan adequado de modo a termos a milivoltagem em norma.
Faixa de Temperatura:
Em resumo, a faixa de utilização Recomendada na Prática: -150 a 260°C
Por outro lado a norma ASTM-E-230 (ITS-90): Tabela de Milivoltagem definida -270°C à 400°C
A Potência Termoelétrica, observa-se:
- Primeiramente, a f.e.m. produzida: ‑5,333 a 19,027.
- Em segundo lugar a Potência termoelétrica média: 5,14mV/100°C (por exemplo, para temperaturas positivas).
- E assim o Termopar CuCo “T” Cobre/ Constantan, a Potência Termoelétrica é: 14,862mV/ 300°C.
Termopares Tipo FeCo “J” Ferro/ Constantan
Antes de mais nada o TIPO “J” é a Nomenclatura adotada Norma ANSI Ferro – Constantan
Fe (+) Co (-), o termopar é formado por dois fios assim como:
Fe (+) Ferro: O condutor elemento formado de Ferro 99,5%.
Co (-) Constantan: O elemento formado por Cobre 58% e Níquel 42% (com variações nestes valores dependendo fabricante). Contudo se produz o ferro a partir de sua característica e “casa-se” o Constantan adequado de modo a termos a milivoltagem em norma.
Faixa de Temperatura:
Em resumo, a faixa de utilização Recomendada na Prática: 0 a 700°C
Por outro lado a norma ASTM-E-230 (ITS -90): Tabela de Milivoltagem definida -210°C à 1.200°C
A Potência Termoelétrica, observa-se:
- Primeiramente, a f.e.m. produzida: 0 a 42,922mV.
- Em segundo lugar a Potência termoelétrica média: 5,65mV/ 100°C.
- E assim a Potência Termoelétrica do Termopar Tipo FeCo “J” Ferro/ Constantan: 39,132mV/ 700°C.
Termopares Tipo CrCo “E” Cromel/ Constantan
Antes de mais nada o TIPO “E” é a Nomenclatura adotada Norma ANSI Cromel – Constantan
Cr (+) Co (-), o termopar é formado por dois fios assim como:
Cr (+) Cromel: Elemento formado de Níquel 90% e Cromo 10%.
Co (-) Constantan: Elemento formado por Cobre 58% e Níquel 42% (com variações nestes valores dependendo fabricante).
Faixa de Temperatura:
Em resumo, a faixa de utilização Recomendada na Prática: 0 a 810°C
Por outro lado a norma ASTM-E-230 (ITS -90): Tabela de Milivoltagem definida -270°C à 1000°C
Potência Termoelétrica:
– Primeiramente, f.e.m. produzida: 0 a 66,473mV.
– Em segundo lugar a Potência Termoelétrica média: 7,64mV/100°C.
– E assim a Potência Termoelétrica: 61,017mV/800°C.
Termopares Tipo CrAl “K” Cromel/ Alumel
Antes de mais nada o TIPO “K” é a Nomenclatura adotada Norma ANSI Cromel – Alumel
Cr (+) Al (-), o termopar é formado por dois fios assim como:
Cr (+) Cromel: Elemento formado de Níquel 90% e Cromo 10% (+)
Al (-) Alumel: Elemento formado de Níquel 95% e Alumínio, Manganês e Silício (-).
Faixa de Temperatura:
Em resumo, a faixa de utilização Recomendada na Prática: 0 a 1.150°C
Por outro lado a norma ASTM-E-230 (ITS -90): Tabela de Milivoltagem definida -270°C à 1.372°C
Potência Termoelétrica:
Potência Termoelétrica: 46,995mV/1.150°C.
Termopares Tipo NicNis “N” Nicrosil/ Nisil
Antes de mais nada o TIPO “N” é a Nomenclatura adotada Norma ANSI Nicrosil/ Nisil
Nic (+) Nis (-), o termopar é formado por dois fios assim como:
Nic (+) Nicrosil: Elemento de Níquel 83%, Cromo 14% e Silício a 3%.
Nis (-) Nisil: Elemento formado por Níquel 95% e Silício 5%.
Faixa de Temperatura:
Em resumo, a faixa de utilização Recomendada na Prática: 700 a 1250°C
Por outro lado a norma ASTM-E-230 (ITS -90): Tabela de Milivoltagem definida -270°C à 1300°C
Potência Termoelétrica:
Potência Termoelétrica: 41,976mV/1.150°C.
Termopares Nobres
São aqueles que os pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios termopares.
PtPtRh10% ou TIPO “S” Nomenclatura adotada Norma ANSI PtPtRh10%
PtPtRh13% ou TIPO “R” Nomenclatura adotada Norma ANSI PtPtRh13%
PtRh30% PtRh6% ou TIPO “B” Nomenclatura adotada Norma ANSI PtRh30%PtRh6%
Termopares: Novos tipos
Primeiramente, os tipos de termopares produzidos oferecem, cada qual, uma característica especial porém apresentam restrições de aplicação, que devem ser consideradas.
Apesar disso, os novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender às condições de processo onde os termopares básicos não podem ser utilizados.
Termopares Tungstênio ‑ Rhênio ou Tungstênio – Rênio
Temos por exemplo, os seguintes tipos de termopares:
Primeiro, o termopar em Tungstênio/ Tungstênio 26% Rhênio.
Segundo o termopar em Tungstênio 3% Rhênio/ Tungstênio 25% Rhênio.
e finalmente em terceiro o termopar formado em Tungstênio 5% Rhênio/ Tungstênio 26% Rhênio.
Destes, o primeiro é o mais barato, porém o “braço” de Tungstênio puro está sujeito a tornar‑se quebradiço.
Em resumo esses termopares podem ser usados continuamente até 2300°C e por curto período até 2750°C no vácuo, na presença de hidrogênio puro ou gás inerte. Finalmente a ASTM (American Society for Testing and Materials) tem publicado padrões para os termopares 3/25 (Tungstênio 3% Rhênio/ Tungstênio 25% Rhênio) a 5/26 (Tungstênio 5% Rhênio/ Tungstênio 26% Rhênio) com uma tolerância de ± 1%. Isolação de Be O ou Th02 tem sido recomendada pare estes termopares, embora alguma reação posse ocorrer entre os fios e a isolação no limite superior à temperatura de utilização.
Termopares Irídio 40% – Rhodio/ Irídio ou Irídio 40% – Ródio/ Irídio
Termopares Irídio 40°% Rhodio/ Irídio são feitos a partir de proporções variáveis destes dois elementos. São os únicos que podem ser usados sem proteção no ar até 2000°C embora, somente por períodos limitados.
Podem ser usados no vácuo ou atmosfera inerte. Entretanto, os fios tornam‑se quebradiços e frágeis devido ao crescimento dos grãos após longo período de exposição a altas temperaturas.
Termopares Platina 40% Rhodio – Platina 20% Rhodio ou Platina 40% Ródio – Platina 20% Ródio
Esses termopares são utilizados em substituição ao tipo B onde temperaturas um pouco mais elevadas são requeridas. Em resumo podem ser usado continuamente até 1600°C e por curto período até 1800°C ou 1850°C.
Termopares Ouro ‑ Ferro/ Cromel
Estes termopares são desenvolvidos para trabalhar em temperaturas criogênicas porque podem ser usados até ‑272, 15°C, porém o coeficiente de Seebeck,” dЄ / dT” , sofre uma redução abaixo de ‑268,15°C, o qual é o limite mais realístico.
Em conclusão, as Tabelas de referência têm sido publicadas pela NBS (National Bureau of Standards).
Termopares Nicrosil/ Nisil
Em principio um termopar desenvolvido pelo “Materials Research Laboratories” do Departamento Australiano de Defesa. Atualmente este termopar tem sido aceito e aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado pela ASTM e NBS.
Basicamente, este novo par termoelétrico é um substituto para o par tipo K; apresentando uma força eletromotriz um pouco menor em relação ao tipo K (conforme NBS 161), maior estabilidade a altas temperatures, menor drift x tempo, excelente resistência à oxidação e maior vida útil.
Por fim, este termopar já compõe a lista de termopares básico e largamente utilizado em diversas aplicações na indústria devido a sua excelente estabilidade e resistência a corrosão.
Recomendações para instalação de Termopares – O que é termopar e como funciona
1° Dica
A instalação do termopar deve ser perfeitamente adequada, para que este apresente boas características de precisão, manutenção e vida útil.
2° Dica
O comprimento da proteção e do elemento do termopar deve ser de tal forma que acomode a junta de medição, bem no meio do ambiente em que se deseja medir a temperatura. Um comprimento de inserção mínimo recomendado é da ordem de 8 a 10 vezes o diâmetro da proteção, é um procedimento comum e muito importante a fim de evitar o erro por dissipação de energia. No entanto a haste deverá estar internamente limpa e livre de componentes sulfúricos, óleos, óxidos e umidade.
3° Dica
O cabeçote é recomendado para que sejam feitas as conexões entre o termopar e o cabo de extensão, permitindo, também, a fácil substituição do elemento termopar. A temperatura no cabeçote sempre precisa estar próximo ao ambiente, além disso a junta fria deve ser respeitada, tomar o cuidado de nunca exceder a faixa de utilização recomendada para fios e cabos de extensão e compensação. Por exemplo quando utilizamos cabo de compensação isso precisa ser seguido rigorosamente.
4° Dica
Em equipamentos com aquecimento a gás ou óleo combustível, a chama não deve atingir a proteção diretamente, pois, caso isto ocorra, teremos uma medida incorreta da temperatura, além de reduzir a vida útil da proteção.
5° Dica
Quando se utilizam termopares com tubo de proteção cerâmica, antes de sua inserção em ambiente com temperatura elevada, deve‑se pré‑aquecer os tubos, a fim de evitar o choque térmico e, consequentemente, a quebra do tubo.
6° Dica
A proteção deve ser presa ao equipamento, de tal modo que se evite o escape de gases do processo pois, caso isto ocorra, estes podem vir a atacar o elemento termopar, o que diminuirá sua vida útil.
7° Dica
Nas medições de temperaturas elevadas deve‑se, preferivelmente, colocar o termopar na vertical, para evitar, assim, a deformação da proteção, devido ao peso próprio.
Ruidos em Instalações com Termopar – O que é termopar e como funciona
Em Plantas de Processo, a ação de campos elétricos e magnéticos e as diferenças de Potencial de Terra, introduzem distúrbios ou sinais espúrios (ilegítimos) nos pares transdutores de sinal que, em outras palavras são sobrepostos ao sinal verdadeiro, tendem a degradar a informação.
O ruído pode não ser um problema em sistemas convencionais de instrumentação, em situações especificas. Em outras palavras quando medimos o termopar e Pt100 diretamente sem uso de transmissor de temperatura isso é plenamente possível.
Sistemas de aquisição de dados ou computadorizados requerem o uso de vários hardwares ou técnicas de software para filtrar suas entradas de informação. Estas técnicas combatem, de diferentes maneiras, o ruído já introduzido na linha de sinal. É muito melhor, entretanto, limitar a quantidade de ruído que pode se infiltrar na linha.
Um modo de se conseguir este objetivo é através do uso de Transmissores de Sinal como elemento primário para carregar a linha com um sinal CC de alto nível. Entretanto, nas plantas onde um grande número de transdutores de baixo nível estiver envolvido é mais econômico implementar a proporção de sinal sobre ruído através de ajustes e ligações adequadas.
Termopar e os tipos de junta quente
Um ponto importante de um termopar é a sua junta quente, porque dependendo do tipo de construção que escolhemos podemos ter ou não a correta medição de temperatura em um processo. Em outras palavras a junta quente pode se apresentar: Primeiro como junta isolada, ou seja, a ponta de medição do termopar se encontra totalmente isolada da carcaça da proteção do termopar. Em resumo essa é a forma mais comum, e é encontrada em mais de 95% das montagens na indústria.
E assim, como junta aterrada (ponta de medição em contato com a carcaça) usada muito frequentemente em processos onde o tempo de resposta é uma variável importante a ser conseguida e finalmente em terceiro como junta exposta.
A utilização de termopares com junta exposta é na maioria dos casos, para atender normas e procedimentos de testes, cuja montagem é assim especificada.
Antes de mais nada, precisamos entender o que é uma junta quente e uma junta fria?
O que é junta quente e junta fria?
O termopar por ser formado por condutores elétricos diferentes, possui, portanto, dois pontos importantes a entender. Finalmente, a solda na extremidade dos fios, a ponta onde se encontra a ponta sensora, que é chamada de junta quente e a extremidade onde fazemos a ligação chamada de junta fria.
Termopar Junta Quente Isolada
Quando a junta quente do termopar não está em contato com a sua proteção, cujo valor de isolação deste distanciamento segue conforme norma, então dizemos que a junta é isolada.
Junta Quente Aterrada
Analogamente quando a junta quente do termopar está em contato com a sua proteção dizemos que a junta é aterrada.
Junta Quente Exposta
Existe também a situação onde a junta quente não tem qualquer tipo de proteção e assim dizemos ser do tipo exposta.
Tempo de Resposta com termopares – O que é termopar e como funciona
Em primeiro lugar, precisamos entender que os termopares por serem pontuais em sua medição devido a solda, são os mais indicados em processos onde o tempo de resposta é uma variável importante. Por outro lado, a escolha da bitola, do tipo do termopar e o modo de fixação são pontos importantes que precisamos avaliar de modo melhorar o tempo de resposta.
Limites de Erro dos Termopares – O que é termopar e como funciona
Antes de mais nada o erro de um termopar é um dos pontos mais importantes quando de sua especificação. Do mesmo modo que a sua construção o erro é um ponto importante principalmente quando comparamos resultados entre termopares.
Quando temos um processo onde usamos termopares de inspeção, temos a possibilidade de ter como resultado a diferença entre eles na pior condição, ou seja, para um erro de +/- 0,75% da faixa de medição, em uma temperatura de 1000°C temos um erro possível de +/- 7,5°C. Por fim se considerarmos a pior condição em dois termopares em seu extremo de desvio teremos uma diferença entre eles de 15°C.
Termopares Classe Standard – O que é termopar e como funciona
Resumidamente das classes de precisão, a Standard é o padrão mais utilizado nos termopares, porque possui um baixo custo. Por outro lado hoje o termopar classe especial ter um custo muito próximo ao Standard, e assim estamos tendo uma padronização de ligas mais precisas no estoque dos fabricantes. Em síntese existem fabricantes de termopares minerais no mundo especializados em fabricar lotes inteiros em classe especial, diminuindo assim o seu custo.
Termopares Classe Especial – O que é termopar e como funciona
Da mesma forma os termopares classe especial tem um limite de erro que é em média, a metade da classe standard.
Livro nível Básico – O que é termopar e como funciona
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Conclusão: Um resumo de alguns pontos importantes em medição de temperatura – O que é termopar e como funciona
Em síntese termopares (O que é termopar e como funciona) podem ser usados nos mais diversos ramos de atividade da indústria.
Em suma, termopares (O que é termopar e como funciona) podem ser usados em diversos tipos de processos, e assim é necessário para isso fazer uma adequação mecânica de modo que possam ser adequadamente instalados.
Definitivamente os termopares (O que é termopar e como funciona) são usados para medir a temperatura em processos industriais que necessitam de robustez pois são mecanicamente resistentes,
Afinal quando a situação for medir temperatura por contato, a melhor opção é utilizar os termopares (O que é termopar e como funciona).
Termopares (O que é termopar e como funciona) são formados por um ponto de solda que une dois condutores, e assim é possível a medição de temperatura em uma superfície.
São largamente utilizados pela indústria e dessa forma os termopares (O que é termopar e como funciona) possuem um baixo custo nas temperaturas de operação abaixo de 1100°C.
Os Termopares (O que é termopar e como funciona) tem baixo custo, portanto são usados em larga escala nas indústrias.
Em conclusão os termopares (O que é termopar e como funciona) são elementos de medição de temperatura largamente utilizados pela indústria.
A termoresistência Pt100 é acima de tudo, utilizado em ambientes industriais que requerem maior precisão. Por exemplo, indústria farmacêutica, alimentícias, químicas e petroquímicas, entre outras.
Como resultado do uso da platina na fabricação do pt100 temos disponíveis em classes de precisão que permitem seu uso até como padrão em laboratórios de calibração.