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TRANSDUTORES DE TEMPERATURA - TERMOPAR

Objectivos

• Estudo das características de um Termopar tipo K

2. Material utilizado

• Módulo controlador de temperatura e condicionador de sinal G10A
• Estufa com duas termorresistências do tipo PT-100 e um termopar do tipo K
• (^) Fonte de alimentação simétrica estabilizada
• Três multímetros digitais com, pelo menos, 3½ dígitos

3. Introdução

O Termopar é um sensor de temperatura que opera por base no efeito termoeléctrico. Este sensor é também designado por par termoeléctrico. A f.e.m. gerada devido ao gradiente de temperatura ao longo dos condutores do termopar, e devido às junções de medição (“quente”) e de referência (“fria”), corresponde à f.e.m. de Thomson , e de Peltier. Num circuito fechado o valor total de tensão designa-se por f.e.m. de Seebeck.

ET - f.e.m. de Thomson E (^) P - f.e.m. de Peltier ES - f.e.m. de Seebeck T (^) c e T (^) r - Temperaturas das junções de medição e de referência. M 1 e M 2 - Metais presentes no termopar. No presente caso tem-se uma termopar do tipo K, sendo constituído pela união de duas ligas, Cn-An 1 , o qual possui uma sensibilidade S39 μV ºC -1^ (-150..1370 ºC).

Na figura 1 apresenta-se o circuito controlador de temperatura da estufa na qual estão colocados dois RTDs (Resistance Temperature Detector, ‘detector de temperatura por variação de resistência’), - módulo G10A. Neste circuito encontra-se também o circuito adaptador (ou condicionador) de um RTD.

Procedimento experimental

No procedimento experimental executado na aula de laboratório foi utilizado um circuito controlador de temperatura da estufa, módulo G10A, na qual estão colocados dois RTDs (Detector de temperatura por variação de resistência), neste circuito encontra-se também o circuito condicionador (ou Adaptador) de sinal de um RTD. O termopar foi ligado em ensaio aos terminais de um Voltímetro e o RTD auxiliar aos terminais 3, 2 e 1 do controlador de temperatura, módulo G10A. O RTD padrão foi ligado aos terminais de um ohmímetro. O módulo G10A foi alimentado com tensões simétricas de ±12 V. Foi colocado um voltímetro digital no terminal 9 (saída de IC4), no qual se obteve a temperatura da estufa através do RTD auxiliar. Colocamos outro voltímetro digital no terminal 13 (saída de IC7) de modo a medir a temperatura de referência. Em ambos os terminais, o ganho de tensão é de 20 mV ºC-^.

Realizamos as medições de tensão com incrementos de temperatura de 50ºC, de acordo com a tabela 1. De modo a controlar a temperatura ajustamos o valor de referência através do potenciómetro P1 (tem set-point), tendo o cuidado de retirar as medidas somente quando se atingiu um aquecimento uniforme na estufa. Notamos que o tempo necessário para a estabilização do valor de temperatura da estufa foi relativamente elevado. Para fazer o controlo de temperatura fizemos uma ligação entre os terminais 14 e 15. Seleccionamos um controlador do tipo proporcional integral (PI) posicionando o interruptor S1A (Function Mode) na posição B e ajustando o ganho proporcional a 25 com o potenciómetro P2 (Gain).

(mV) (com offset) (mV) (sem offset) Nota: = 0,87 mV ( Através da interpolação obtida pelo valor da temperatura ambiente, visto do RTD, 108,5 Ω ).

5.2) Gráfico da evolução da tensão gerada pelo termopar, após realizada a compensação, ETc0^ (M1/2), em função da temperatura, T’. Em virtude dos valores medidos não coincidirem exactamente com os valores da tabela anexa, realiza- se uma interpolação usando a seguinte expressão. ,

onde y é o valor desejado da variável dependente para um determinado valor x da variável independente. Os limites superiores e inferiores destas variáveis são, respectivamente, y (^) S e

yI, e ainda x (^) S e x (^) I. Para se obter T (^) RTD' (ºC) e T' (ºC) fez-se uma interpolação através da tabela de valores em função da temperatura do RTD do tipo Pt100. E'compensada (mV) foi calculada, (sem a tensão de offset, originada pelo aparelho de medida), com base na tabela de valores de f.e.m. gerada em função da temperatura do Termopar do tipo K.

Gráfico – Tensão Gerada pelo Termopar Após Compensação

5.3) Regressão linear a partir de valores tensão-temperatura. Através da folha de cálculo obtivemos a seguinte recta que melhor se ajusta aos valores experimentais:

Gráfico – Regressão Linear

Gráfico – Regressão Linear em pormenor

5.4) Sensibilidade e Linearidade do termopar sabendo que os parâmetros são definidos por:

Do gráfico tiramos que o declive m corresponde à Sensibilidade, então:

Termopar em ensaio Compensação S (T (^) c ) E'compensada (mV) T'(ºC) 0,87 21,82 0, 2,38 58,82 0, 4,41 107,57 0, 6,38 151,32 0, 8,32 204,82 0, 10,28 253,07 0, 12,30 302,21 0, 14,32 350,78 0, 16,38 399,59 0,

Tabela – Sensibilidade, S (T (^) c) [μV/ºC]

Podemos assim constatar que a Sensibilidade varia entre [36,3 e 45] (μV/ºC), significando portanto que a sensibilidade obtida pelo declive da recta da regressão linear, está enquadrada nesta gama de valores calculados. De notar que existe portanto uma diferença devido ao facto de calcularmos a partir dos valores reais e a partir do declive da regressão linear. Assim sendo, para determinar um valor de temperatura expedido o valor mais adequado será S= 40,8 μV/ºC, pois é muito mais prático de calcular e a diferença para o valor real é mínima.

Gráfico – Sensibilidade

5.6) Refez-se os pontos 5.3) e 5.4) considerando a evolução da temperatura do Termopar em função da temperatura RTD padrão. Para isso utilizou-se os dados das Tabelas 1 e 2, T (^) RTD e T’, respectivamente. A melhor recta que traduz os valores obtidos é a seguinte:

Gráfico – Temperatura do Termopar em função da Temperatura RTD padrão Do gráfico tiramos que o declive m corresponde à Sensibilidade, então:

Para a linearidade foi calculada uma nova tabela para determinar os valores de y 2 , y 1 e ymax :

Y' Y'- Y (T') (^) Y' + D (^) max Y' + Dmin 0,78 0,78 3,33 -1, 23,02 1,20 25,57 20, 58,38 -0,45 60,92 55, 105,67 -1,90 108,22 103, 153,87 2,55 156,42 151,

Tabela – y 2 , y 1 e ymax

• 202,28 -2,54 204,83 199,
• 251,96 -1,11 254,51 249,
• 301,85 -0,36 304,40 299,
• 351,41 0,63 353,96 348,
• 400,85 1,26 403,40 398,

CONCLUSÕES

Verificamos que com os resultados obtidos e calculados pela aproximação dos valores reais através das rectas de regressão linear obtidas, as características do termopar tipo K, mostram-se capazes de traduzir a grandeza temperatura com uma exactidão e sensibilidades quase constantes para o intervalo de temperaturas considerados nesta experiência.

Concluímos que no sentido prático, podemos obter a sensibilidade pelo declive da recta de regressão linear, pois a diferença não é significativa face aos valores reais, e o erro inerente não é muito significativo.

Os Alunos:

Rui Neves ____ _____________________________ Rui Dias _ ________________________________ Elmano Santos _________________________________