INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS
MEDIÇÃO DE TEMPERATURA - TERMOPARES
Introdução
O termopar é o dispositivo de medição de temperatura com maior gama de
aplicações e versatilidade usado atualmente na indústria. A faixa de temperaturas que
pode ser medida estende-se desde - 200°C a +1700°C para os tipos usuais.
Efeitos Termoelétricos
A medição de temperatura com termopares se baseia no efeito Seebeck, que por sua
vez é conseqüência dos efeitos Peltier e Thomson.
Seebeck descobriu em 1821 que em um circuito fechado composto de dois metais
distintos A e B, com as
junções a duas
temperaturas diferentes T1
e T2 , aparece uma força
eletro-motriz, da ordem de
alguns milivolts [Fig. 1}.
Seebeck observou ainda
que:
a) A f.e.m. é tanto maior quanto maior a diferença entre as temperaturas;
b) A f.m.e. depende da natureza dos metais A e B.
Um circuito com o da fig.1 pode adequadamente ser chamado de circuito
termoelétrico.
Mais tarde, Peltier estudou circuitos desse
tipo, e constatou que cada uma das duas
junções é sede de f.m.e.
Note-se a dificuldade de se medir essa f.m.e.
diretamente. Se for ligado um milivoltimetro a
um par de fios, para se determinar a f.e.m.
devida ao efeito Peltier, o próprio contato dos
fios A e B criara novas junções, onde também
existirão f.e.ms. devidas ai efeito Peltier. A
indicação do instrumento não terá portanto
qualquer valor.
1
A medição da f.e.m. da junção
pode ser feita somente por
meios indiretos. Se for aplicada
uma corrente, proveniente de
uma fonte externa, à junção,
como mostra a fi.3, na qual a
corrente circula do “positivo”
para o “negativo” da junção,
haverá um aquecimento da
junção, devido a potencia
dissipada P = E.I. Esse
aquecimento ocasiona uma
elevação da temperatura da
junção, que pode ser medida. Observe-se que a potencia dissipada devido a efeito
Peltier é proporcional à corrente, não devendo se confundir com a potência dissipada
pelo efeito Joule, que é proporcional ao
quadrado da corrente (P = R . I²).
Se a corrente for aplicada no sentido
inverso (Fig. 4), haverá um resfriamento da
junção, devido a potência absorvida P=E.1.
O efeito Thomson é uma relação entre a f.e.m. gerada em um único fio homogêneo, e
a diferença de temperatura existente entre seus terminais.
Para efeitos práticos, ao se analisar um circuito termoelétrico, pode-se considerar cada
junção como correspondendo a uma bateria, com
uma f.e.m. dependente da temperatura e da
natureza dos metais em contato. (Fig.5)
A tensão medida com o milivoltimetro será igual a
diferença entre as f.e.m.s Eଵ e Eଶ das duas
junções.
Leis termoeletricidade
Há 3 leis referentes a circuitos termoelétricos compostos de metais homogêneos.
1. Lei do circuito homogêneo: “Não é possível criar uma corrente elétrica em um
circuito composto de um único metal homogêneo, mesmo que seja de seção
variável, pela aplicação de calor”.
2
Deduz-se daí: a f.e.m. termal desenvolvida em um circuito termoelétrico composto de
dois metais diferentes, com suas junções às temperaturas Tଵ e Tଶ , é independente do
gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios. Em outras palavras a
f.e.m. medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois
metais e das temperaturas existentes nas junções. Variações na temperatura ao longo
dos fios não influem na f.e.m.
2. Lei dos metais intermediários: “ A soma algébrica das f.e.m.s termais em um
circuito composto de um numero qualquer de metais diferentes é zero, se todo
circuito estiver à mesma temperatura”.
No caso da figura abaixo uma parte do circuito, composta de vários metais diferentes
encontra-se a temperatura Tଷ .
A f.e.m. é igual a do circuito da figura 6. Combinando essa lei com a anterior,
conclui-se que, para a f.e.m. não se alterar, não é necessário que toda parte do
circuito dentro da linha interrompida se encontre à mesma temperatura Tଷ .
basta que as junções entre A e C, C e D, D e E, E a A, estejam à mesma
temperatura. Em particular, o instrumento utilizado para medir a f.e.m. pode ter
a sua fiação interna constituída de metais diferentes daqueles do termopar; se
todas as junções estiverem à mesma temperatura, a medição não se altera.
Assim, se quisermos analisar um circuito
termoelétrico, e encontramos uma
combinação de fios como a da fig.7, em que
temos um metal C intercalado entre 2 metais
A e B, com ambas as junções à mesma
temperatura, o conjunto se comporta como
se o metal C não existisse, ou seja, como se
houvesse somente uma junção entre os
metais A e B, à mesma temperatura T.
3. Lei das temperaturas intermediárias: “A f.e.m. termal desenvolvida em
um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos, com suas junções
as temperaturas Tଵ e Tଷ , respectivamente, é a soma algébrica da f.e.m.
3
desse circuito com sua junções às temperaturaTଵ s e Tଶ respectivamente, e a
f.e.m. desse mesmo circuito com suas junções às temperaturas Tଶ e Tଷ ,
respectivamente”.
Suponhamos, por exemplo, que Tଵ = 500°C, Tଶ
= 30°C e Tଷ = 0°C. poderíamos escrever: Eଵ =
E(500 – 0), Eଶ = E(500 – 30) e Eଷ = E(30 – 0)
ou então E(500 – 0) = E (500 – 30) + E(30 – 0),
ou ainda E(500 – 30) = E(500 – 0) – E(30 – 0).
Se tivermos então um circuito termoelétrico
com uma junta “quente” a 500°C, e uma junta
fria à temperatura ambiente de 30°C, a f.e.m.
desse circuito poderá ser obtida pela subtração
da f.e.m. desse circuito com as junções a 500 e
0°C e da f.e.m. desse circuito com as junções a
30 e a 0°C. não há necessidade de se
conhecer a f.e.m. da junção a 500°C, ou a
f.e.m. da junção a 0°C (essa ultima certamente
diferente e 0). Basta que se conheça a f.e.m.
de um circuito com as junções a essas duas
temperaturas.
Existem tabelas que dão, para cada tipo de termopar, as f.e.m.s geradas quando a
junta fria se encontra a 0°C (tabelas essas referidas a 0°C). Damos a seguir um a
pequena porção de umas dessas tabelas, referente ao termopar tipo “J”, em que os
fios são de ferro e constantan. No caso citado em que as junções se encontram a 500
e a 30°C, a f.e.m. do circuito seria 27,39 – 1,54 = 25,85 mV. A f.e.m. do circuito
depende portanto de ambas as temperaturas – da junta quente ou de medição e da
junta fria ou de referencia. Normalmente, os instrumentos destinados a medição de
temperatura com termopares, possuem algum dispositivo destinado a compensar as
variações da temperatura da junta fria, havendo portanto uma relação biunívoca entre
a temperatura da junta “quente” e a medição. Nessas condições os citados
instrumentos poderão ter uma escala graduada diretamente em graus de temperatura.
T (°C)
mV
0
0
10
0,51
20
1,02
30
1,54
100
5,27
200
10,78
300
16,33
400
21,85
500
27,39
Em resumo: circuitos termoelétricos podem ser analisados considerando-se cada
junção como sede de um a f.e.m. igual aquela encontrada nas tabelas.
4
Como decorrência das leis citadas, pode-se mostrar
também que a tensão pode ser medida num circuito
termoelétrico como o da fig.9, com vários metais e
junções a temperaturas diferentes, é igual a soma da
tensões de vários circuitos separados, compostos dos
mesmos metais e com as junções às mesmas
temperaturas.
Tipos de Termopares
Embora qualquer par de metais possa ser utilizado
como termopar, alguns pares obtiveram maior
aceleração na pratica industrial .
Para tanto, um termopar deve exibir as seguintes propriedades:
a)
b)
c)
d)
F.e.m. termal relativamente grande;
Precisão de calibração;
Resistência a corrosão e oxidação;
Relação f.e.m./temperatura aproximadamente linear
Industrialmente são usados, em geral, os seguintes tipos:
TIPO
T
J
E*
K
R
S
B*
POSITIVO
Cobre
Ferro
Chromel
Chromel
Platina-Rodio 13%
Platina-Rodio 10%
Platina-Rodio 30%
NEGATIVO
Constantan
Constantan
Constantan
Alumel
Platina
Platina
Platina-Rodio 6%
T.MIN (°C)
- 200
0
- 200
- 200
0
0
+ 800
T.MAX. (°C)
+ 350
+ 750
+ 900
+ 1250
+ 1450
+ 1450
+ 1700
* pouco utilizado
Termopar Tipo T
Nesse tipo de termopar o fio positivo é feito de cobre, e o negativo de constantan –
uma liga com cerca de 55% de cobre, 44% de níquel, alem de outros constituintes. É
normalmente fornecido na forma de fios, bitola 14, 20, 24 ou 28. É resistente a
atmosferas oxidantes (com excesso de oxigênio) e redutoras (com carência de
oxigênio). Sua maior aplicação se encontra na medição de temperaturas abaixo de
0°C (encontradas em refrigeração, e na fabricação e estocagem de gases industriais.
Termopar Tipo J
O fio positivo desse tipo de termopar é feito de ferro, e o negativo de constantan. É
fornecido na forma de fios bitola 8, 14, 20, 24 e 28. Embora as tabelas incluam valores
para temperaturas abaixo de 0°C, recomenda-se não utilizá-lo nessas temperaturas
baixas, caso haja possibilidade de condensação de umidade, que poderia atacar o
ferro.
5
Termopar Tipo E
São poucos utilizados. O fio positivo é do Chromel, uma liga de 90% de níquel e 10%
de Cromo, e o negativo de Constantan. É fornecido nas bitolas 8, 14, 20, 24 e 28.
Termopar Tipo K
Nesses termopares, o fio positivo – Chromel é uma liga de 90% de níquel e 10% de
cromo, e o negativo – Alumel – uma liga com 94,5% de níquel, associado a manganês,
alumínio e silício. Na Europa é conhecido como “Ni-Cr/Ni”, embora o fio não seja de
níquel puro.
Os fios são fornecidos nas bitolas 8, 14, 20, 24 e 28.
Por ser mais caro que o tipo J, não é em geral utilizado na medição de temperaturas
inferiores a cerca de 400°C.
Termopares Tipo R, S
O termopar tipo S foi fabricado pela primeira vez em 1881. Esse termopar, que tem
uma liga de 90% de platina e 10% de ródio no lado positivo, e platina pura no lado
negativo, é ainda hoje um dos padrões internacionais para calibração de termopares e
outros dispositivos de medição de temperaturas. É também de uso comum o tipo R,
com 87% de platina e 13% de ródio no lado positivo, e platina pura no lado negativo.
Ambos os tipos – R e S – são fornecidos na forma de fios de diâmetro pequeno, de
0,010 a 0,045” (0,25 a 1,15 mm), sendo o diâmetro de 0,020” (0,51 mm – bitola 24) o
mais comum.
Devido ao seu custo elevado, são utilizados somente em temperaturas acima de
1000°C, até cerca de 1600°C. Uma aplicação importante reside na medição de
temperatura de aço fundido, utilizando-se para tanto termopares descartáveis,
montados em suportes especiais.
Termopares Tipo B
São poucos utilizados. O fio positivo contem 70% de platina e 30% de ródio, e o
negativo 94% de platina e 6% de ródio. Pode ser utilizado em temperaturas
ligeiramente superiores que o R e S.
Limites de temperatura
O limite inferior de temperatura é de – 200°C para os tipos T, E e K; de 0°C para os
tipos J, R, S, e de 800°C para o tipo B. os limites superiores dependem da bitola do fio,
e constam da tabela a seguir, em °C (°F).
Tipo de Termopar
T
J*
E
K**
R,S
B
Bitola 8
760 (1400)
871 (1600)
1260 (2300)
Bitola 14
371 (700)
593 (1100)
649 (1200)
1093 (2000)
Bitola 20
260 (500)
482 (900)
538 (1000)
982 (1800)
Bitola 24
204 (400)
371 (700)
427 (800)
871 (1600)
1482 (2700)
1705 (3100)
Bitola 28
204 (400)
371 (700)
427 (800)
871 (1600)
6
* Para termopares tipo J, em atmosfera com mais de 0,5% de Oଶ , convém reduzir o
limite superior de cerca de 100°C.
** Para termopares tipo K, em atmosfera com menos de 2% de Oଶ , convem reduzir o
limite superior de cerca de 100°C.
Precisão de Termopares
Termopares são geralmente fornecidos na forma de pares de fios “casados”. Nessas
condições, eles devem obedecer a certas normas de precisão estabelecidas por
associações de normas técnicas (Instrument Society of American, p.ex). entende-se
por precisão de um termopar o máximo desvio que um instrumento supostamente
perfeito, e calibrado de acordo com as tabelas, pode apresentar. A precisão pode ser
dada em graus de temperatura, ou em porcentagem da temperatura medida.
Os fabricantes podem fornecer também fios de termopar de qualidade especial, com
precisão melhor.
A tabela abaixo fornece a precisão dos diversos tipos de termopares, conforme
recomendação da I.S.A.
Tipo de Termopar
T
J
E
K
R
S
B
T
E
K
Limites de Erro
Standard (escolher
Faixa de
Temperatura
o melhor)
0 – 350
1°C ou 0,75%
0 – 750
2,2°C ou 0,75%
0 – 900
1,7°C ou 0,5%
0 – 1250
2,2°C ou 0,75%
0 – 1450
1,5°C ou 0,25%
0 – 1450
1,5°C ou 0,25%
800 – 1700
0,5%
- 200 a 0*
- 200 a 0*
- 200 a 0*
1°C ou 1,5%
1,7°C ou 1%
2,2°C ou 2%
Especial (escolher
o maior)
0,5°C ou 0,4%
1,1°C ou 0,4%
1°C ou 0,4%
1,1°C ou 0,4%
0,6°C ou 0,1%
0,6°C ou 0,1%
**
**
**
Para a utilização em temperaturas abaixo de 0°C, com os limites especificados, pode
haver necessidade de seleção dos fios apropriados.
Não há informações suficientes para justificar a adoção de limites especiais de erro
para temperaturas abaixo de 0°C. Sugere-se para tipo T, um limite de 0,5°C ou 0,8%,
e para tipo E, um limite de 1°C ou 0,5%.
Junta de Referência
O esquema básico para a medição de temperatura com termopares já foi mostrado na
figura 1, O instrumento que mede a tensão desenvolvida pode ser;
a) Um milivoltímetro, geralmente dotado de um sistema de bobina móvel,
semelhante ao dos galvanômetros d'Arsonval e aos multímetros de uso comum
na eletricidade e eletrônica.
7
b) Um potenciômetro portátil, em que a tensão a ser medida é com parada com
uma tensão de referência, obtida de uma fonte de alta precisão. O equilíbrio ê
indicado por ura galvanômetro, que deve indicar zero quando se atinge o
desejado equilíbrio. Os ajustes são feitos manualmente;
c) Um potenciômetro industrial, em que o galvanômetro é substituído por um
amplificador eletrônico, que por sua vez aciona um motor elétrico, o qual move
o cursor de uma resistência variável, até atingir o equilíbrio.
Em todos esses sistemas, a tensão medida é igual à diferença entre as tensões das
juntas existentes no circuito elétrico. No caso mais comum, existem somente duas
juntas, a junta de medição (ou "junta quente") e a junta de referência (ou "junta fria").
Era aplicações de alta precisão, a junta de referencia é mantida a 0°C, pela imersão
em gelo. A tensão medida é, então, exatamente igual à da junta de medição, e pode
ser encontrada em tabelas.
Na prática, entretanto, não é interessante o uso do gelo, e a junta de referência se
encontra a uma temperatura próxima da ambiente.
Nesse caso, pode-se proceder de duas maneiras:
a) Mede-se a temperatura da junta fria; verifica-se o valor da tensão respectiva na
tabela. Em seguida, soma-se à milivoltagem medida o valor encontrado acima.
Consulta-se a tabela, para encontrar a temperatura da junta de medição.
Exemplo: Suponhamos que no circuito da fig. 1, a tensão medida seja de 25,85
mV, para termopar tipo J, com a junta de referência a 30°C. Consultando uma
tabela, verificamos que, para 30°C, a tensão é de 1,54 mV. Fazemos a soma:
25,85 + 1,54 = 27,39 mV.
Voltando a tabela, verificamos que a temperatura que corresponde a 27,39 mV
é de 500°C. Essa será a temperatura da junta de medição.
b) Nos instrumentos industriais, a junta de referência se encontra, via de regra,
dentro do instrumento. Nesse caso, o instrumento será dotado de um
"compensador da junta de referência", que, através de uma ação mecânica ou
elétrica, compensa automaticamente as variações de temperatura da junta de
referência (desde que a temperatura dessa junta se mantenha dentro de certos
limites - 0 a 50°C, p.ex.).
Junta de Medição
A junta de medição de um termopar pode ser obtida por qualquer método que dê a
solidez necessária e um bom contato elétrico entre os dois fios. Os fios podem ser
torcidos um ao redor do outro antes da solda, para obter uma maior superfície de
contato. Podem eles também ser simplesmente encostados um no outro, para depois
serem soldados.
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Os fios são, em geral fornecidos na forma de bobinas, e devem ser endireitados com
cuidado. Deve-se evitar martelar ou executar outras operações que possam alterar as
características físicas dos fios.
Caso a temperatura a ser medida não exceda 500°C, termopares dos tipos J, K e T
podem ser soldados com solda a prata, e fluxo de bórax.
Se a temperatura exceder o valor acima, e no caso de termopares de platina, a solda
deve ser feita a gás, arco elétrico ou por resistência.
Na fabricação de termopares J, K e T, deve-se inicialmente lixar cuidadosamente as
pontas dos dois fios (1,5 a 3 cm).
Em seguida, no caso de solda a gás ou arco, os fios devem ser torcidos (Fig.10) ou
colocados em "V" (Fig. 11). Caso se prefira utilizar o método de solda por resistência,
os fios devem ser encostados longitudinalmente (Fig. 12).
Quando se fabricam termopares tipo R e S, não há necessidade de preparação da
superfície.
Entretanto, deve-se tomar muito cuidado na manipulação dos fios, evitando-se a
contaminação por óleo, suor, poeira, etc.
Na solda a gás, o ponto mais importante a considerar é o tipo de chama. E essencial
que a chama seja neutra. A chama neutra é obtida aumentando-se a quantidade de
oxigênio ate que a chama de excesso de gás - em linha interrompida na fig. 13 - acabe
9
de desaparecer. Se continuar aumentando a quantidade de oxigênio, ter-se-á uma
chama oxidante. Uma chama oxidante é prejudicial e nunca deve ser usada.
Os fios são aquecidos pela ponta da chama interna, até que fiquem vermelhos, e era
seguida imersos no fluxo. Em seguida os fios devem ser aquecidos até a temperatura
de fusão, girando-se a ponta para que se forme uma pequena esfera. A ponta assim
formada deve ser resfriada em água, para remover o excesso de fluxo. Para obter uma
fusão simultânea dos dois metais, o metal com menor ponto de fusão deve ser
aquecido menos. Esse metal constitua o fio positivo para o termopar tipo T, e o
negativo para todos os demais.
Na solda a arco, utiliza-se o arco entre dois eletrodos de grafite ou entre um eletrodo
de grafite e os fios do termopar, que funcionam como segundo eletrodo (só para
bitolas 8 e 14). Deve-se usar corrente contínua, de preferência, com os fios do
termopar no lado positivo. As pontas dos fios torcidos ou em "V" são molhadas,
imersas no fluxo, e presas numa morsa. Os dois cabos da fonte de corrente são
ligados, seja aos dois eletrodos, seja ao eletrodo e à morsa.
Através de um curto-circuito momentâneo, acende-se o arco entre os eletrodos ou
entre o eletrodo e os fios do termopar. A tensão recomendada é de 30 a 45 volts para
fio 8, é menor para os fios mais finos. O arco deve ter um comprimento de cerca de
1,5 mm.
A solda por resistência se recomenda somente para os termopares R e S, e os J e K
de bitola 8 e 14.
A junta de fios paralelos da fig. 12 ê colocada entre os eletrodos de uma máquina de
solda a ponto.
O ciclo tempo-temperatura-pressão deve ser determinado por experiência .
Termopares - Montagem
Os fios do termopar são normalmente isolados um do outro por isoladores de cerâmica
refratária, com 2 furos, e com comprimento de 0,5 cm (missangas) a cerca de 5 cm
(Fig.14). As vezes dois termopares são montados próximos um ao outro, usando-se
nesse caso isoladores com 4 furos.
10
Na medição de temperaturas relativamente baixas (até 250°C) utilizam-se termopares
em que os fios são isolados um do outro por uma capa de amianto, plástico ou fibra de
vidro.
Em seguida, os fios são ligados a um "bloco de conexão" ou "bloco de terminais", no
qual serão ligados posteriormente os fios para ligação ao instrumento (Fig.15).
O conjunto assim montado ê em seguida encaixado num "cabeçote de montagem", de
ferro ou alumínio, com uma tampa de acesso e vedação rosqueada ou aparafusada
(Fig.16).
11
O cabeçote dispõe normalmente de uma abertura rosqueada, onde será fixado um
conduit, por onde passarão os fios para ligação ao instrumento .
Em seguida, o conjunto é, em geral, montado num "tubo de proteção" (Fig.17) ou num
"poço de proteção" (fig. 18).
O material dos tubos e poços de proteção devera ser escolhido de acordo com a
temperatura máxima a que serão submetidos, e com a corrosividade do meio. Alguns
dos materiais utilizados na prática são:
a) Metais: Aço carbono, ferro fundido, aço inoxidável, níquel, inconel
b) Cerâmica: Sílica fundida, quartzo, "Sillramic", "Mullite"
Instalação de Termopares
Tão importante quanto a escolha do tipo adequado de termopar e de sua proteção é o
método de instalação do mesmo, de maneira a se obter uma leitura representativa. Se
o termopar não for imerso suficientemente no meio, obter-se-á uma indicação errada
12
da temperatura. Geralmente,adota-se como norma um comprimento de inserção do
tubo de pelo menos 10 diâmetros do mesmo.
Em temperaturas altas, quando se mede, p.ex., a temperatura do gás quente que
passa perfuma tubulação mais fria, a radiação emitida pelo tubo de proteção poderá
baixar a sua temperatura e causar uma indicação errônea. Nesse caso, convém
utilizar um anteparo para reduzir a radiação.
Fios de Compensação
Idealmente, os fios do termopar deveriam se prolongar até os terminais de entrada do
instrumento de medição. A fiação interna do instrumento é normalmente feita com fios
do mesmo material que o termopar, localizando-se a junta de referência num ponto
onde possa ser feita a compensação da temperatura da mesma. (Fig.19).
Nessa figura, o termopar (junta de medição) se encontra à temperatura Tଵ ; a junta de
referência à temperatura Tଶ ; os terminais do termopar, situados no cabeçote, à
temperatura Tଷ ; e os terminais de entrada do instrumento a temperatura Tସ . Note-se,
entretanto, que existem nesse circuito apenas duas junções de metais diferentes às
temperaturas Tଵ e Tଶ .
A tensão medida pelo milivoltimetro é E =E୅୆ଵ - E୅୆ଶ .
A tensão da junta de referência é compensada, de maneira que o instrumento "sente"
somente a tensão correspondente à junta de medição. Nessas condições, ele pode ser
calibrado diretamente em graus de temperatura.
A ligação entre o cabeçote do termopar e os terminais de entrada do instrumento é
feita normalmente com "fios de compensação" ou "fios de extensão". Esses fios não
precisam, necessariamente, ser do mesmo material que os fios do termopar. Basta
que, na faixa de temperaturas em que se encontram,eles tenham as mesmas
características que o termopar. Para os termopares tipo J (ferro-constantan) e T
(cobre-constantan), os fios são desses mesmos materiais, e designados por JX e TX,
respectivamente.
Para os termopares do tipo K (chromel-alumel), pode-se usar fios de
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a) Chromel – alumel (KX)
b) Ferro – cupronel (WX)
c) Cobre – constantan (TX) .
Quando o termopar ê do tipo R ou S, o custo dos fios de extensão do mesmo material
que o do termopar seria proibitivo. Utiliza-se, nesse caso, fios de extensão de cobre e
cupro-níquel.
Os fios de compensação são recobertos com uma capa de plástico, borracha, amianto
ou fibra de vidro. Eles não são fabricados com a mesma precisão dos fios de
termopares, razão por que só devem ser utilizados dentro de limites de temperatura
bem especificados. Esses limites, bem como a precisão dos diversos fios, encontramse na tabela seguinte:
Termopar
T
T
J
J
E
K
K
K
R, S
B
Fio de Compensação
TX – Standard
TX – Especial
JX – Standard
JX – Especial
EX
KX
WX
TX – Standard
SX
BX
Temperatura
- 60 a 100°C
- 60 a 100°C
0 a 200°C
0 a 200°C
0 a 200°C
0 a 200°C
24 a 200°C
0 a 60°C
24 a 100°C
0 a 200°C
Precisão
1°C
0,5 °C
2,2°C
1,1°C
1,7°C
2,2°C
3,3°C
3,3°C
5°C
3,5°C
Vejamos o que acontece se forem utilizados fios de cobre, ao invés de fios de
extensão:
No circuito da figura, os fios de termopar foram designados pelas letras A e B, e o fio
de ligação de cobre pela letra C. O circuito termoelétrico assim formado foi
decomposto em três, como já foi feito na fig.9. O primeiro circuito apresentará uma
tensão igual a E୅୆ଵ - E୅୆ଷ . O segundo circuito, por ser constituído de fios de um
mesmo material, não apresenta tensão alguma. O terceiro circuito apresentará uma
tensão igual a E୅୆ସ - E୅୆ଶ .
A tensão total será:
E = E୅୆ଵ - E୅୆ଷ + E୅୆ସ - E୅୆ଶ = E୅୆ଵ - (E୅୆ଷ - E୅୆ସ ) - E୅୆ଶ
14
"Perdemos", portanto, uma tensão igual ã diferença das tensões da junta de conexão
no cabeçote e da junta nos terminais de entrada. O instrumento indicará a menos que
a realidade.
Note-se que, no caso acima, se as juntas dos fios de cobre estiverem à mesma
temperatura, não haverá erro na indicação.
Um procedimento de cálculo semelhante ao acima descrito pode ser utilizado para a
analise de outros casos comuns, como p.ex, a troca de fios de compensação de um
tipo de termopar por fios de compensação de outro tipo; a inversão da polaridade dos
fios de compensação, etc.
Identificação dos Fios
Um problema comum é o de se descobrir, quando se tem um par de fios de termopar
ou de compensação, qual é o positivo e qual e o negativo.
Nos fios de procedência americana, o fio vermelho é o negativo. O fio positivo é
identificado como segue:
Fio de Compensação
TX
JX
KX
WX
SX
Cor do fio Positivo
Azul
Branco ou cinza
Amarelo
Verde
Preto
É comum, outrossim encontrar-se fios de compensação de procedência européia, nos
quais a norma é de que o fio vermelho é o positivo. O problema se complica pelo fato
de que, a pedido, fabricantes europeus podem fornecer fios de compensação de
acordo com a norma americana.
Damos a seguir algumas normas praticas para a identificação de fios de termopares e
de seus fios de compensação.
TIPO T: o cobre e avermelhado; o constantan é claro e brilhante.
TIPO J: o ferro pode ser identificado por pontos de ferrugem, além de ser
magnético..
TIPO K: o alumel é ligeiramente magnético
TIPOS R,S: o fio de platina é mais flexível que o de platina-ródio.
Se ainda houver alguma duvida, pode-se formar uma junção com os dois fios, é ligálos aos terminais de entrada de um instrumento, com a polaridade que se acredita ser
a verdadeira. Em seguida, aquece-se a junção com uma chama. Se o ponteiro do
instrumento se desviar para cima, a ligação esta correta; se o desvio for para baixo, a
polaridade devera ser invertida.
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Calibração de Termopares
Termopares novos, adquiridos de fabricantes idôneos, tem a precisão constante das
especificações. Com o uso, entretanto, suas características termoelétricas podem se
alterar. Embora tubos e poços de proteção consigam retardar a deterioração, eles não
podem evitá-la completamente. Recomenda-se, por esse motivo, que termopares
usados sejam verificados periodicamente, de maneira que possam ser substituídos
antes que se desviem apreciavelmente da calibração original.
A freqüência dos testes depende da aplicação é do grau de precisão desejado. Como
regra geral, termopares que trabalham a altas temperaturas e atmosferas
contaminadas se deterioram mais rapidamente e devem por esse motivo ser testados
com maior freqüência. Em aplicações nas quais a temperatura e a atmosfera se
mantém constantes, é possível determinar a rapidez de deterioração por experiência,
estabelecendo-se assim um programa de substituição.
A f.e.m. de um circuito termoelétrico que contém um termopar deteriorado ou
contaminado não é determinada somente pela temperatura das juntas de medição e
de referência, como é o caso de um termopar novo homogêneo, mas também pelo
gradiente de temperatura entre as juntas, e o tipo de deterioração e contaminação na
zona de gradiente de temperatura. Por esse motivo, termopares usados devem ser
testados de preferência no próprio local onde estão instalados.
O teste se faz por comparação com um termopar de precisão conhecida, e que será
utilizado como padrão. Esse termopar deveser instalado, se possível, dentro do
mesmo tubo de proteção em que se encontra o termopar a ser testado. Resultados
satisfatórios podem ser obtidos também instalando o termopar padrão em um segundo
tubo de proteção igual ao primeiro, e colocado tão próximo quando possível.
Alternativamente, o termopar a ser testado pode ser retirado e o termopar padrão
colocado em seu lugar. Esse método só poderá ser usado se a temperatura do
ambiente que está sendo medido não se alterar durante a operação de troca dos
termopares.
Caso não seja possível instalar o termopar padrão no próprio local pode-se montar
ambos os termopares em um forno elétrico ou a gás, mantido a temperatura constante.
Verificação de defeitos
Uma falha na indicação da temperatura pode ser devida ao instrumento ou ao conjunto
termopares-fio de compensação. Nesse último caso os seguintes pontos podem
auxiliar na localização do defeito:
a) Verifique se o instrumento esta calibrado para o tipo de termopar em uso;
b) Verifique se o termopar está em boas condições. Muitas vezes isso pode ser
feito por observação visual;
c) O tubo de proteção deve estar em boas condições mecânicas;
d) O termopar não deve ser exposto a temperaturas mais altas que as
recomendadas;
e) O termopar deve ter a imersão apropriada;
f) A junta quente deve ser soldada e não somente torcida;
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g) As conexões no circuito devem estar limpas e bem apertadas;
h) Verifique se algum dos fios de conexão não esta em curto com a terra;
i) Verifique se estão sendo usados os fios de compensação adequados para o
termopar;
j) Verifique se os fios de compensação estão ligados com a polaridade correta;
k) Os fios de compensação devem ser instalados longe de fios de força, e nunca
no mesmo conduit.
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