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Termopares
Princípio do Funcionamento
Um
termopar é um transdutor básico que compreende dois
pedaços de fios dissimilares, unidos em uma das extremidades.
Nada mais simples do que isso. Entretanto, sem algum conhecimento
sobre seu funcionamento não é possível compreender
como podem ser usados como termômetros.
Efeitos
Termoelétricos
Os
efeitos termoelétricos recebem essa denominação
porque envolvem tanto calor quanto eletricidade. Podem ser identificados
três efeitos termoelétricos diferentes, porém
interrelacionados. O efeito Seebeck é o relevante
para os termopares enquanto os efeitos Peltier e Thomson
descrevem o transporte de calor por uma corrente elétrica.
Efeito
de Seebeck
O
circuito para um termômetro termopar é ilustrado na
Figura 1. Ambas as junções, de medição
e de referência estão em ambientes isotérmicos
(de temperatura constante), cada uma numa temperatura diferente.
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Figura
1. Circuito
para medir o potencial de Seebeck compreendendo dois
fios diferentes, A e B, duas junções e um
voltímetro.
Fios
de cobre conectam a junção de referência
ao instrumento.
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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. Embora o efeito de Seebeck
seja muito fácil de ser medido e demonstrado nas condições
da Figura 1, os físicos levaram um grande tempo para provar
como o efeito de Seebeck funciona. Parte do problema reside no fato
de que a tensão de Seebeck somente é observada em
um circuito completo que envolva pelo menos dois tipos de fios.
Entretanto, os físicos conseguiram demonstrar que o efeito
de Seebeck ocorre para qualquer par de pontos que não
estejam à mesma temperatura, em qualquer parte de um
fio condutor elétrico, embora, na prática ela seja
observada com dois fios diferentes.A Figura 2 ilustra o fenômeno.
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| Figura
2. A tensão de Seebeck é gerada apenas nos segmentos momentaneamente
não isotérmicos b-c e d-e, à medida em que são movidos para
dentro do banho. |
O
termopar, que opera sob o efeito Seebeck é, portanto, diferente
da maioria dos outros sensores de temperatura uma vez que sua
saída não está diretamente relacionada à
temperatura, mas sim ao gradiente de temperatura, ou
seja, da diferença de temperatura ao longo do fio termopar.
Modelo
de Medição
Os
principais aspectos de uma medição com termopar são
ilustrados Figura 2 a seguir.
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| Figura
3. Modelo de medição com termopar. As molduras ao redor das
junções indicam que elas estão numa situação isotérmica e
que nenhuma tensão é produzida ali. |
Existe
uma variedade de meios em que o termopar pode ser incorporado como
um sensor capaz de medir temperatura de um sistema físico.
É
necessário garantir que a junção de medição
esteja numa condição isotérmica, daí
a importância de imergir o termopar a uma profundidade adequada
(grosseiramente entre 10 e 20 vezes seu diâmetro externo –
incluindo as proteções). Pelo fato de o transdutor
responder a um gradiente de temperatura, ele deve ser conectado
a dois sistemas físicos em duas temperaturas diferentes.
A
junção de referência deve ser isotérmica
para propiciar uma temperatura conhecida e auxiliar na obtenção
de uma interface do sinal, que isola o sensor da instrumentação.
Os fios de transmissão do sinal da junção de
referência até o instrumento estão freqüentemente
em um meio mais controlado do que aquele de outros sensores de temperatura,
especialmente se a junção de referência estiver
dentro do instrumento. Se o instrumento for um voltímetro,
a interpretação dos dados requererá informação
extra a respeito da temperatura de referência e da tabela
do termopar, caso contrário esta informação
pode estar incluída no instrumento e a temperatura ser indicada
diretamente.
Faixas
de trabalho e limites de erro
A
tabela abaixo fornece os limites de erros dos termopares, conforme
ASTM E-230-98, segundo a ITS-90.
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Tipo
de
Termopar
|
Faixa
de
Temperatura
|
Limites
de Erro
|
|
Standard
(Escolher o Maior)
|
Especial
(Escolher o Maior)
|
|
T
|
0 a 370ºC
|
±1ºC ou ±0,75%
|
±0,5ºC ou
0,4%
|
|
J
|
0 a 760ºC
|
±2,2ºC ou
±0,75%
|
±1,1ºC ou
±0,4%
|
|
E
|
0 a 870ºC
|
±1,7ºC ou
±0,5%
|
±1ºC ou ±0,4%
|
|
K
|
0 a 1260ºC
|
±2,2ºC ou
±0,75%
|
±1,1ºC ou
±0,4%
|
|
S e R
|
0 a 1480ºC
|
±1,5ºC ou
±0,25%
|
±0,6ºC ou
±0,1%
|
|
B
|
870 a 1700ºC
|
±0,5%
|
± 0,25%
|
|
T
|
-200 a 0ºC
|
±1ºC ou ±1,5%
|
-
|
|
E
|
-200 a 0ºC
|
±1,7ºC ou
±1%
|
-
|
|
K
|
-200 a 0ºC
|
±2,2ºC ou
±2%
|
-
|
Limites
de erros para Termopares convencionais e minerais segundo a norma
IEC 584-2 (Revisão junho de 1989):
|
Tipos de
Termopares
|
Classe
1
(Especial)
|
Classe
2
(Standard)
|
Classe
3
(Standard)
|
|
Tipo T
Faixa
Tolerância
Faixa
Tolerância
|
-40 a 125ºC
±0,5ºC
125 a 350ºC
±0,4%
|
-40 a 133ºC
±1,0ºC
133 a 350ºC
±0,75%
|
-67 a 40ºC
±1,0ºC
-200 a -67ºC
±1,5%
|
|
Tipo E
Faixa
Tolerância
Faixa
Tolerância
|
-40 a 375ºC
±1,5ºC
375 a 800ºC
±0,4%
|
-40 a 333ºC
±2,5ºC
333 a 900ºC
±0,75%
|
167 a 40ºC
±2,5ºC
-200 a 167ºC
±1,5%
|
|
Tipo J
Faixa
Tolerância
Faixa
Tolerância
|
-40 a 375ºC
±1,5ºC
375 a 750ºC
±0,4%
|
-40 a 333ºC
±2,5ºC
333 a 750ºC
±0,75%
|
-
-
-
-
|
|
Tipo K/N
Faixa
Tolerância
Faixa
Tolerância
|
-40 a 375ºC
±1,5ºC
375 a 1000ºC
±0,4%
|
-40 a 333ºC
±2,5ºC
333 a 1200ºC
±0,75%
|
-167 a +40ºC
±2,5ºC
-200 a 167ºC
±1,5%
|
|
Tipo S/R
Faixa
Tolerância
Faixa
Tolerância
|
0a 1100ºC
±1,0ºC
110 a 1600ºC
±[1 + 0,003 (t-1100)]ºC
|
0 a 600ºC
±1,5ºC
600 a 1600ºC
±0,25%
|
-
-
-
-
|
|
Tipo B
Faixa
Tolerância
Faixa
Tolerância
|
-
-
-
-
|
-
-
600 a 1700ºC
±0,25%
|
600 a 800ºC
±4,0ºC
800 a 1700ºC
±0,5%
|
Aplicação
Os
termopares são os sensores de temperatura mais amplamente
utilizados. Encontram aplicação nos mais variados
processos, em ampla faixa de temperatura. Deve-se atentar para a
tolerância do processo a ser medido.
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