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Medidas de Temperatura 1-III

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Tópicos: Termopares |


1) Termopares

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Os sensores vistos nas páginas anteriores operam basicamente pela variação da resistência elétrica com a temperatura, significando que uma corrente elétrica deve ser fornecida. O termopar gera uma tensão elétrica que tem relação com a diferença de temperaturas entre junções de metais diferentes. A Figura 1-I dá o esquema básico da operação.

A junção da extremidade é a junção de medição, posicionada no local onde se deseja medir a temperatura. As duas junções de conexão dos fios para o dispositivo de medição são as junções de referência ou junções frias. Embora sejam duas, na realidade podem ser consideradas únicas, pois o metal em ambos os condutores é o mesmo (cobre normalmente).

Termopar básico
Fig 1-I

Além da tensão provocada pela diferença de temperaturas entre junções, há a parcela gerada pelo gradiente de temperatura ao longo dos fios. Ao contrário da primeira, ela tem uma relação quadrática com a temperatura e é responsável pela relação não linear do dispositivo. Nota-se que junções na mesma temperatura não afetam a saída. Assim, elas podem ser soldadas (as junções produzidas pelo metal da solda estão na mesma temperatura).

Vantagens e desvantagens

Termopares geram sua própria tensão, não requerem corrente de excitação (isso significa que não há erros por auto-aquecimento, que podem ocorrer com os anteriores). São simples, robustos, imunes a vibrações, fáceis de construir, operam em ampla faixa de valores. Por essas características, são amplamente usados em equipamentos industriais.

Principais desvantagens são o baixo nível da saída (valores típicos na faixa de 50 mV), a não linearidade e a necessidade de compensação da temperatura da junção de referência. Em razão dos níveis baixos de tensão, cuidados devem ser tomados para evitar ação de interferências (blindagens, fios trançados, etc).

Arranjos físicos

Em (a) da Figura 1-II, o elemento é posto no interior de um tubo (aço inox com peças internas de cerâmica para evitar contato elétrico ou cerâmica para temperaturas mais altas). Essa construção dá alguma proteção contra ação do meio. Em (b), o elemento é envolvido por uma barra cerâmica, deixando somente a junção exposta. Há menor proteção, mas as respostas às variações são mais rápidas.

Arranjos de termopares
Fig 1-II

Alguns tipos usuais

Tipo Positivo Negativo Precisão Faixa Observações
B Pt 30%Rh Pt 6%Rh 0,5% >800°C 50 a 1820 Para altas temperaturas
C W 5%Re W 26%Re 1% >425°C 0 a 2315 Para temperaturas muito altas
D W 3%Re W 25%Re 1% >425°C 0 a 2315 Para temperaturas muito altas
E Ni 10%Cr Cu 45%Ni 0,5% ou 1,7°C −270 a 1000 Uso geral para temperaturas médias e baixas
G W W 26%Re 1% >425°C 0 a 2315 Para temperaturas muito altas
J Fe Cu 45%Ni 0,75% ou 2,2°C −210 a 1200 Alta temperatura em atmosfera redutora
K Ni 10%Cr Ni 2%Al 2%Mn 1%Si 0,75% ou 2,2°C −270 a 1372 Uso geral, alta temperatura em atmosfera oxidante
M Ni Ni 18%Mo 0,75% ou 2,2°C −50 a 1410
N Ni 14%Cr 1,5%Si Ni 4,5%Si 0,1%Mg 0,75% ou 2,2°C −270 a 1300 Substituto melhor para o tipo K
R Pt 13%Rh Pt 0,25% ou 1,5°C −50 a 1768 De precisão, para alta temperatura
S Pt 10%Rh Pt 0,25% ou 1,5°C −50 a 1768 De precisão, para alta temperatura
T Cu Cu 45%Ni 0,75% ou 1,0°C −270 a 400 Uso geral p/ baixa temperatura, resistente à umidade

Compensação / medição

Conforme já visto, a tensão do termopar é função da diferença de temperaturas das junções de medição e de referência. Por estar junto do equipamento, a temperatura desta última é normalmente acima da temperatura ambiente. E o que se deseja saber é a temperatura da junção de medição e não essa diferença. Um meio de se evitar isso é o uso de cabos especiais, dos mesmos metais dos elementos do termopar ou ligas com características termoelétricas similares. Assim, eletricamente não há a junção de referência. É como se o termopar se estendesse até o dispositivo de medição.

Compensação e medição com termopar
Fig 1-III

Outra possibilidade são circuitos de compensação conforme Figura 1-III, que dispensam cabos especiais, podendo ser usados condutores de cobre. As junções de referência devem estar em um bloco de material isolante com alguma condutividade térmica, de forma que um sensor (termistor ou RTD) capta a temperatura real da junção.

Na medição analógica (a), o sinal do sensor de temperatura é amplificado para um nível tal que o somador compensa a tensão gerada pela junção de referência. No arranjo digital (b), o circuito de medição faz o processamento. É uma solução melhor. Em caso de mudança do tipo de termopar, o ajuste pode ser executado via software. O circuito de medição também deve compensar a não linearidade da função tensão x temperatura do termopar.

Outras informações

Termopares podem ser ligados em série, formando uma termopilha. Com isso, a tensão de saída é aumentada, amenizando o problema da baixa tensão individual. No diagrama da Figura 1-IV, a tensão V é proporcional à diferença de temperaturas (Ta − Tb). Termopilhas com dezenas ou centenas de termopares são usadas em instrumentos como medidores de fluxo de calor, radiômetros e outros. Podem ser construídas com fios ou outras técnicas como eletrodeposição.

Termopilha
Fig 1-IV

O efeito termoelétrico também pode ser usado para gerar energia. Geradores termoelétricos foram usados em algumas sondas espaciais, com termopilhas e ligas especiais para maximizar a corrente. A fonte de calor é um material radioativo como o plutônio e o resfriamento é dado pela dissipação no espaço. Geradores desse tipo podem fornecer dezenas de watts por vários anos. Entretanto, os aspectos de segurança limitam o emprego em outras áreas.

O termopar pode operar de forma inversa, isto é, se uma corrente é aplicada, uma junção é aquecida e a outra é resfriada. É o denominado efeito Peltier, usado em pequenos dispositivos de refrigeração.
Referências
Pesquisa na Internet em 07/2008. Fontes não anotadas.

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