O termopar é um dispositivo para medir temperaturas em todos os campos da ciência e tecnologia. Este artigo fornece uma visão geral dos termopares, com uma repartição da sua concepção e princípio de funcionamento. São descritas as variedades de termopares com as suas breves características, e é feita uma avaliação do termopar como um dispositivo de medição.
Conteúdos
Desenho de um termopar
O princípio de funcionamento de um termopar. Efeito Seebeck
O termopar baseia-se no efeito termoeléctrico descoberto pelo físico alemão Tomas Seebeck em 1821.
O fenómeno é baseado na ocorrência de electricidade num circuito eléctrico fechado quando exposto a uma determinada temperatura ambiente. A corrente eléctrica é gerada quando existe uma diferença de temperatura entre dois condutores (termopares) de composição diferente (metais ou ligas diferentes) e é mantida através da manutenção dos seus pontos de contacto (junções). O dispositivo exibe a temperatura a ser medida no ecrã do dispositivo secundário ligado.
A tensão e a temperatura de saída estão numa relação linear. Isto significa que um aumento da temperatura medida resulta num valor milivolt mais elevado nas extremidades livres do termopar.
A junção no ponto de medição da temperatura é chamada "junção quente" e a ligação dos fios ao transmissor é chamada "junção fria".
Compensação da temperatura da junção fria (CJC)
A compensação da junção fria (CJC) é uma correcção feita sob a forma de uma correcção à leitura final ao medir a temperatura no ponto de ligação das extremidades livres do termopar. Isto deve-se à discrepância entre a temperatura real da junção fria e as leituras calculadas a partir da tabela de calibração para a temperatura da junção fria a 0°C.
O CHS é um método diferencial no qual a leitura da temperatura absoluta é derivada do valor conhecido da temperatura da junção fria (também conhecida como a junção de referência).
Desenho de termopares
A concepção de um termopar tem em conta a influência de factores tais como a "agressividade" do ambiente externo, o estado agregado da substância, a gama de temperaturas a medir e outros.
Características do desenho do termopar:
1) Os pares de condutores estão ligados entre si por torção ou encalhe com mais soldadura por arco eléctrico (raramente soldadura).
IMPORTANTE: O método de torção não é recomendado devido à rápida perda das propriedades de junção.
2) Os eléctrodos dos termopares devem ser isolados electricamente ao longo de todo o seu comprimento, excepto no ponto de contacto.
3) O método de isolamento é seleccionado de acordo com o limite superior de temperatura.
- Até 100-120°C - qualquer isolamento;
- Até 1300°C - tubos ou contas de porcelana;
- Até 1950°C - Al2O3;
- Acima de 2000°C - MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Cobertura protectora.
O material deve ser termal e quimicamente resistente, com boa condutividade térmica (metal, cerâmica). A utilização da bainha previne a corrosão em certos meios.
Cabos de extensão (compensadores)
Este tipo de fio é necessário para estender as extremidades do termopar a um dispositivo ou barreira secundária. Os fios não são utilizados se o termopar tiver um transmissor incorporado com um sinal de saída unificado. A aplicação mais comum é para um transmissor padrão alojado numa cabeça terminal de sensor de sinal unificado de 4-20mA, a chamada "pastilha".
O material do fio pode ser o mesmo que o material do termopar, mas na maioria das vezes é substituído por um mais barato, tendo em conta as condições que impedem a formação de termo-EDs parasitas (induzidos). A utilização de fios de extensão também pode ajudar a optimizar a produção.
As suas dicas! Para determinar correctamente a polaridade dos fios de compensação e a sua ligação ao termopar, lembrar a regra da mnemónica MM - menos é magnético. Ou seja, pegue em qualquer íman e o menos da compensação será magnético, ao contrário do mais.
Tipos e tipos de termopares
A diversidade dos termopares deve-se às diferentes combinações de ligas metálicas utilizadas. A selecção de termopares é baseada na indústria e na gama de temperaturas requerida.
Termopar Cromel-alumel (TXA)
Eléctrodo positivo: Liga de cromel (90% Ni, 10% Cr).
Eléctrodo negativo: Liga de alumínio (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Material isolante: porcelana, quartzo, óxidos metálicos, etc.
Gama de temperaturas de -200°C a 1300°C a curto prazo e 1100°C a longo prazo.
Ambiente operacional: inerte, oxidante (O2=2-3% ou totalmente eliminado), hidrogénio seco, vácuo a curto prazo. Numa atmosfera redutora ou redox, na presença de uma bainha protectora.
Drawbacks: instabilidade fácil de deformar, reversível dos campos electromagnéticos térmicos.
Possíveis casos de corrosão e fragilização do alumel na presença de vestígios de enxofre na atmosfera e cromel numa atmosfera fracamente oxidante ("argila verde").
Termopar Cromel-cobre (CTC)
Eléctrodo positivo: liga de cromel (90% Ni, 10% Cr).
Eléctrodo negativo: Liga de copel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Gama de temperaturas -253°C a 800°C a longo prazo e 1100°C a curto prazo.
Meio operacional: inerte e oxidante, vácuo a curto prazo.
Desvantagens: empenamento do termopar.
É possível que o crómio evapore durante o vácuo prolongado; pode reagir com a atmosfera contendo enxofre, crómio, flúor.
Termopar de ferro-constantano-termopar (PCT)
Eléctrodo positivo: ferro puro (aço macio).
Eléctrodo negativo: liga constantan (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Utilizado para medições em ambientes de redução, inertização e vácuo. Gama de temperaturas de -203°C a 750°C a longo prazo e 1100°C a curto prazo.
A aplicação é baseada na medição combinada de temperaturas positivas e negativas. Não adequado apenas para temperaturas negativas.
Desvantagens: deformação do termopar, baixa resistência à corrosão.
Alteração das propriedades físico-químicas do ferro em cerca de 700°C e 900°C. Interage com o enxofre e os vapores de água para formar corrosão.
Termopar Tungsténio-Rénio (TVR)
Eléctrodo positivo: ligas BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 com sílica e aditivo de alumínio)/BP10 (90% W, 10% Rh).
Eléctrodo negativo: ligas de BP20 (80% W, 20% Rh).
Isolamento: Cerâmica de óxidos de metais quimicamente puros.
As características incluem resistência mecânica, resistência à temperatura, baixa sensibilidade à contaminação e facilidade de fabrico.
Mede temperaturas de 1800°C a 3000°C, sendo o limite inferior de 1300°C. Medido em condições de gás inerte, hidrogénio seco ou vácuo. Apenas adequado para medições em ambientes oxidantes para processos rápidos.
Desvantagens: fraca reprodutibilidade dos CEM térmicos, a sua instabilidade durante a irradiação, sensibilidade instável na gama de temperaturas.
Termopar Tungsténio-molibdénio (TM)
Eléctrodo positivo: Tungsténio (tecnicamente puro).
Eléctrodo negativo: molibdénio (tecnicamente puro).
Isolamento: cerâmica de alumina, protegida com pontas de quartzo.
Ambiente inerte, de hidrogénio ou de vácuo. Medidas a curto prazo em ambientes oxidantes possíveis na presença de isolamento. A gama de temperaturas mensuráveis situa-se entre 1400 e 1800°C, com uma temperatura máxima de trabalho de aproximadamente 2400°C.
Desvantagens: fraca reprodutibilidade e sensibilidade do termo-EDC, inversão de polaridade, fragilização a altas temperaturas.
Termopares Platina-Ródio-Platina (PPT)
Eléctrodo positivo: Platinum-Rh (Pt com 10% ou 13% Rh)
Eléctrodo negativo: Platina.
Isolamento: Quartzo, porcelana (normal e refractária). Até 1400°C - cerâmicas com aumento do teor de Al2O3O, acima de 1400°C - Al quimicamente puro2O3.
Temperatura máxima de funcionamento 1400°C a longo prazo, 1600°C a curto prazo. As medições a baixas temperaturas não são normalmente efectuadas.
Ambiente operacional: oxidante e inerte, reduzindo o ambiente na presença de blindagem.
Desvantagens: custo elevado, instabilidade sob irradiação, alta sensibilidade à contaminação (especialmente eléctrodo de platina), crescimento de grãos metálicos a altas temperaturas.
Termopares Platina-Ródio-Platinado-Ródio-Ródio (PRT)
Eléctrodo positivo: liga Pt com 30% Rh.
Eléctrodo negativo: liga Pt com 6% Rh.
Meios de comunicação: Oxidante, neutro e vácuo. Utilização em ambientes metálicos ou não metálicos redutores e que contenham vapor na presença de blindagem.
Temperatura máxima de trabalho: 1600°C a longo prazo, 1800°C a curto prazo.
Isolamento: Cerâmica feita de Al2O3 Cerâmica Al O de alta pureza.
Menos susceptível à contaminação química e ao crescimento de grãos do que o termopar platina-níquel.
Diagrama de cablagem para termopar
- Ligação de potenciómetro ou galvanómetro directamente aos condutores.
- Ligação por meio de fios de compensação;
- Ligação por fios de cobre convencionais a um termopar com uma saída unificada.
Normas de cor do condutor do termopar
O isolamento de condutores coloridos ajuda a distinguir os eléctrodos de termopar uns dos outros para uma correcta ligação aos terminais. As normas diferem de país para país, não há designações de cor específicas para os condutores.
IMPORTANTE: É necessário descobrir o padrão utilizado pela empresa para evitar erros.
Precisão de medição
A precisão depende do tipo de termopar, do intervalo de temperatura a medir, da pureza do material, do ruído eléctrico, da corrosão, das propriedades de junção e do processo de fabrico.
Aos pares térmicos é atribuída uma classe de tolerância (padrão ou especial) que determina o intervalo de confiança da medição.
IMPORTANTE: Características no momento da mudança de fabrico durante o funcionamento.
Velocidade de medição
A velocidade é determinada pela capacidade do transdutor primário de reagir rapidamente aos saltos de temperatura e ao subsequente fluxo de sinais de entrada para o instrumento de medição.
Factores que aumentam a capacidade de resposta:
- Instalação e cálculo correctos do comprimento do transdutor primário;
- Ao utilizar um transmissor com uma cápsula termométrica, reduzir a massa da unidade, seleccionando um diâmetro de cápsula termométrica mais pequeno;
- Minimizar o intervalo de ar entre o transdutor primário e o termowell;
- Usando um transdutor primário com mola e enchendo as cavidades da cápsula termométrica com enchimento termocondutor;
- Meio de movimento rápido ou meio com maior densidade (líquido).
Teste funcional de um termopar
Para verificar o funcionamento, ligar um dispositivo de medição especial (testador, galvanómetro ou potenciómetro) ou medir a tensão de saída com um milivoltímetro. Se a seta ou o visor digital oscilar, o termopar é válido, caso contrário o dispositivo deve ser substituído.
Causas de falha do termopar:
- Falha na utilização de um dispositivo de protecção de protecção;
- Alteração da composição química dos eléctrodos;
- Processos de oxidação que ocorrem a altas temperaturas;
- Falha do instrumento de medição, etc.
Vantagens e desvantagens da utilização de termopares
As vantagens de utilizar este dispositivo incluem:
- Grande intervalo de medição de temperatura;
- Elevada precisão;
- Simples e fiável.
As desvantagens são:
- Monitorização constante da junção a frio, verificação e calibração do equipamento de controlo;
- Alterações estruturais dos metais durante o fabrico do aparelho;
- Dependência da composição atmosférica, custos de selagem;
- Erros de medição devidos à exposição a ondas electromagnéticas.
