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Termopar, principio de funcionamento
Tipologia: Notas de estudo
1 / 22
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Não perca as partes importantes!
Dispositivos utilizados para medir temperatura
Gustavo Monteiro da Silva
Professor Adjunto – Área Científica de Instrumentação e Medida
ESTSetúbal/IPS – Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
R. do Vale de Chaves, Estefanilha, 2914-508 SETÚBAL, PORTUGAL
Tel: 265 790 000, Fax: 265 721 869, E-mail: [email protected]
Termopar
materiais diferentes ligados um ao outro.
(OMEGA ENGINEERING INC.)
Junção
Termopares industriais
metálicos
, soldados um ao outro
T AB
e
f matA matB T
(
f. biunívoca)
Æ
Efeito termoeléctrico de Seebeck
Obtenção da temperatura:
mede-se
u
(=
T AB
e
) e pela relação anterior calcula-se
T
por tabela (pág.10) ou por fórmula.
O termopar é um
sensor activo
.
Material A
Material B
Junção
e
AB
T
u
Junção 1 a
T
1
Æ
e
AB
(
T
(Seebeck)
Junção 2 a
T
2
Æ
e
AB
(
T
(Seebeck)
e
AB
(
T
1
) e
e
AB
(
T
Æ
I
(Ohm)
I
nas junções origina libertação/absorção de calor
Æ
T
1
e
T
2
mudam
(Peltier)
I
nos condutores origina libertação/absorção de calor
Æ
T
1
e
T
2
também mudam
(Thomson)
material A
material B
Junção 1
T
1
Junção 2
T
2
I
e
AB
(
T
1
)
e
AB
(
T
2
)
E
AB
(
T
) é:
nula ao zero absolutocrescente com
T
,
quase
uma recta:
A
B
AB
α
,
α
AB
quase constante
T
max
≈
500 a 2500 ºC, consoante os metais do termopar
E
AB max
≈
10 a 80 mV
Para cada termopar (par A,B) conhecido
E
AB
sabe-se
T
:
E
AB
(T)
T
Sensibilidade da junção:
AB
AB
dE
dT
(da ordem de
μ
V/ºC)
E
AB
(
T
)
/mV
T
/K
0
0
→ ←
Solução utilizada
Tensão lida pelo voltímetro:
u
(
T
)
=
e
BC
(
T
2
) –
e
AB
(
T
R
) +
e
AB
(
T
) +
e
BC
(
T
2
)
=
e
AB
(
T
) –
e
AB
(
T
R
)
Está definido (ANSI
(1)
, ISA
(2),
DIN, CEI) que
T
R
= 0 ºC
Resultado obtido
u
(
T
) não depende dos cabos de ligação ao voltímetro
T
< 0 ºC
Æ
u
< 0,
T
= 0 ºC
Æ
u
= 0,
T
0 ºC
Æ
u
0,
1
ANSI - American National Standards Institute
2
Instrumentation Systems and Automation Society.
A
junção de
medida
T
e
AB
(T)
B
e
BC
e
BC
C
T
2
V
u
junção de referência
T
R
e
AB
(T
R
)
B
C
8
Nomes de termopares normalizados
(tipos de termopares)
Tensões de saída, usando umajunção de referência a
0
ºC
nome
Constituição
Gama de
Temperatura
B
Platina / 30% Ródio-Platina
0–1800 ºC
C
Tung-5% Rénio/Tung-26% Rénio
0–2320 ºC
E
Cromel / Constantan
-270–1000 ºC
G
Tungsténio/ Tung-26% Rénio
0–2300 ºC
J
Ferro / Constantan
-210–750 ºC
K
Cromel / Alumel
-270–1370 ºC
N
Nicrosil /Nisil
-270–1300 ºC
R
Platina / 13%Ródio-Platina
-50–1750 ºC
S
Platina / 10%Ródio-Platina
-50–1750 ºC
T
Cobre / Constantan
-270–400 ºC
Constantan = Cobre-Níquel
Cromel = Níquel-Crómio
Nisil = Ni-Si-Mg
Alumel = Níquel-Alumínio
Nicrosil = Ni-Cr-Si
Tipo E
Tipo J
Tipo K
Tipo T
S
Tipo R
Tipo B
-10 -
0
90 80 70 60 50 40 30 20 10
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
Temperatura
/ºC
/mV Tensão
1. Dois metais, duas junções Um circuito utilizando termopares deveconter pelo menos: -
dois materiais distintos,
duas junções.
2. Independência da temperatura do percurso
A tensão de saída do termopar,
u
:
depende apenas das temperaturas das junções,
é independente da forma como a temperatura sedistribui
pelos
condutores,
desde
que
nestes
não haja corrente eléctrica.
u
T
e
AB
(T)
J ref
T
R
e
AB
(T
R
)
J med
T
1
T
3
T
4
T
5
T
6
T
2
u
mat A
T
e
AB
(T)
junção de referência
T
R
e
AB
(T
R
)
junção
de
medida
mat B
mat B
11
3. Metais intermédios nas ligações Se um terceiro material homogéneo for inserido no condutor A ou no condutor B de um circuito com termopares, atensão de saída
u
permanece inalterável, desde que as novas junções estejam à mesma temperatura (
T
2
=
T
1
).
=
4. Metais intermédios nas junções A colocação de um material intermediário numa junção (medida ou referência) não afecta a tensão de saída
u
,
desde que as novas junções assim criadas sejam mantidas à mesma temperatura.
=
u
mat A
T
J ref
T
R
mat B
mat B
J med
u
mat A
T
J ref
T
R
mat B
mat B
J med
mat C
mat A
T
1
T
2
u
mat A
T
J ref
T
R
mat B
mat B
J med
u
mat A
T
J ref
T
3
mat B
mat B
J med
T
3
mat D
1. Colocar a junção de referência em gelo fundente
Este método é:
Muito preciso - usado pelo NBS
(3)
para a produção de tabelas de termopares
Pouco prático para ser usado na indústria
3
National Bureau of Standards
voltímetro
u
0
gelo fundente
bloco
isotérmico
J
3
Tmed
J
4
u
r
u
m
2. Medir a temperatura da junção de referência e compensar por software
Passos a seguir
Vantagens / inconvenientes
R
T
. Converte-se
R
T
Æ
U
REF
O bloco isotérmico + R
T
servem para vários termopares (~20)
U
m
. Calcula-se
U
0
=
U
m
U
REF
Exige computador, que poderá estar longe do termopar (~100 m)
U
0
em temperatura
Poderá ser lento, se houver muitos termopares (~1000)
voltímetro
u
0
T
med
u
m
termistor
bloco
isotérmico
R
T
1. Converter a tensão uo directamente através dos coeficientes polinomiais
(
4
)
T
=
a
0
a
1
u
o
a
2
u
o
2
a
3
u
o
3
a
4
u
o
4
(
u
0
/ V,
T
/ ºC)
Coef.
Tipo de termopar
↓
Tipo E
Tipo J
Tipo K
Tipo R
Tipo S
Tipo T
- 100 a 1000 ºC
0 a 760 ºC
0 a 1370 ºC
0 a 1000 ºC
0 a 1750 ºC
- 160 a 400 ºC
a
0
0,
-0,
0,
0,
0,
0,
a
1
17189,
19873,
24152,
179075,
169526,
25727,
a
2
67233,
a
3
12695339,
11569199,
22110340,
190002 E+
8990730663
78025595,
a
4
a
5
1,10866 ×
2018441314
4,83506 E+
7,62091 ×
1,88027 ×
6,97688 ×
a
6
-1,76807 ×
a
7
1,71842 ×
1,38690 ×
3,71496 ×
6,17501 ×
3,94078 ×
a
8
-9,19278 ×
a
9
2,06132 ×
1,6953 ×
Para cobrir a gama do termopar com um erro inferior a 1 º C são necessários 9 coeficientes
Computacionalmente pesado.
4
Coeficientes para os termopares padrão, fornecidos pela NBS
2. Usar o termopar numa gama restrita e considerá-lo linear -
O desempenho satisfaz para os termopares mais lineares (ex., tipo K)
Pode fazer-se a conversão linear directamente com um voltímetro ou um “DAQ”
3. Dividir a gama em sectores e converter com polinómio ordem de baixa -
Obtém-se a precisão do 1º método, com muito maior rapidez
Divide-se a gama de medida (do termopar) em 8 sectores
Utiliza-se um polinómio do 3º grau para cada sector (coeficientes diferentes dos anteriores)
É o método usado na indústria:
no software dos sistemas de aquisição de dados, respeitante aos termoparesnos transmissores inteligentes.
(Note-se que a sensibilidade de um termopar é da ordem dos microvolt/ºC)
Acções a tomar (no projecto, na instalação)
Usar cabos curtos, se possível com o conversor junto do termopar
Passar os cabos de sinal longe de cabos de potência
Usar cabos de extensão adequados, que não devem ser muito apertados
Utilização de cabos de sinal blindados, convenientemente ligados à terra
Efectuar uma filtragem analógica do sinal
Usar amplificadores com rejeição de modo comum elevada
Agrupar os cabos dos sinais de entrada de acordo com as cartas do “DCS”
Usar termopares adequados à atmosfera, com a junção soldada de origem
Quando possível, usar termopares com sensibilidade elevada
bainha auxiliar
extensão
cabeça
bainha
tampa
terminais
junção(no interior)
