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Termodinâmica 1 Termometria - Termopares José Queiroz - Unilins.

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1 Termodinâmica 1 Termometria - Termopares José Queiroz - Unilins

2 Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que, unindo as extremidades de dois metais diferentes x e y e submetendo as junções a e b a temperaturas diferentes T 1 e T 2, surge uma f.e.m. (força eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os pontos a e b, denominada tensão termoelétrica. Figura 2 - Experimento de Seebeck TERMOELETRICIDADE TERMOPARES

3 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao se conectar dois metais diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado na Figura abaixo, tem-se um circuito tal que, se as junções a e b forem mantidas em temperaturas diferentes T 1 e T 2, surgirá uma f.e.m. termoelétrica e uma corrente elétrica i circulará pelo chamado "par termoelétrico ou "termopar". Qualquer ponto deste circuito poderá ser aberto e nele inserido o instrumento para medir a f.e.m. Em 1826, o físico francês Antonie Becquerel sugeriu pela primeira vez a utilização do efeito Seebeck para medição de temperatura.

4 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS 1 a Lei Termoelétrica A força eletromotriz " " de um termopar depende somente da natureza dos condutores e da diferença de temperatura entre as junções de contato.

5 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Algumas conseqüências importantes da 1 a Lei a)Se as junções estiverem a mesma temperatura, a f.e.m. gerada pelo termopar é nula. b) A f.e.m. gerada pelo termopar independe do ponto escolhido para medir o sinal. Por isso, ao confeccionar o termopar, numa das junções não é realizada a solda, introduzindo-se alí o instrumento.

6 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Lei dos Metais Intemediários A f.e.m. do termopar não será afetada se em qualquer ponto do circuito for inserido um terceiro metal, desde que suas junções sejam mantidas a mesma temperatura. T3 = T4 --> E1 = E2 Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão ou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.

7 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS 2 a Lei Termoelétrica (Lei das Temperaturas Intermediárias) Se dois metais homogêneos diferentes produzem uma f.e.m. E 1 quando as junções estão às temperaturas T 1 e T 2, e uma f.e.m. E 2, quando as junções estão a T 2 e T 3, a f.e.m. gerada quando as junções estão a T 1 e T 3 será E 1 + E 2.

8 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M. A Figura mostra um termopar usado para medir a temperatura T 1 ; o instrumento indicará uma tensão proporcional a diferença (T 1 - T 2 ). T 2 pode ser medida com um termômetro convencional. No Circuito equivalente acima, R v é a resistência interna do voltímetro. R T é a resistência dos fios do termopar acrescido dos fios que levam o sinal ao instrumento.

9 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA COM TERMOPAR JUNTA DE MEDIÇÃO TERMOPAR BLOCO DE LIGAÇÃO CABO DE EXTENSÃO JUNTA DE REFERÊNCIA GRADIENTE DE TEMPERATURA (T) TRM DE TEMP., INDICADOR OU CARTÃO INPUT(CLP) Efeitos Termoelétricos: Seebeck: A experiência de SEEBECK demonstrou que num circuito fechado, formado por dois fios de metais diferentes, se colocarmos os dois pontos de junção à temperaturas diferentes, se cria uma corrente elétrica cuja intensidade é determinada pela natureza dos dois metais, utilizados e da diferença de temperatura entre as duas junções Peltier : É o inverso do termopar: uma corrente elétrica é forçada a passar por junções de metais diferentes, resultando em aquecimento de uma e resfriamento de outra. Outros Efeitos: Thomson e Volta.

10 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA COM TERMOPAR

11 A (+) B (-) T +) T T -) T E T Tr A (+) B (-) I Efeito Seebeck" " " Efeito Peltier " Peltier : É o inverso do termopar: uma corrente elétrica é forçada a passar por junções de metais diferentes, resultando em aquecimento de uma e resfriamento de outra.

12 mV T E J T K NICROSIL-NISIL R S B Correlação da F.E.M. x Temperatura

13 FORNO TIPO T" TERMÔMETRO DIGITAL 50 ºC 2,035 mV JR = 0,992 mV 25 ºC A A T2E1 = 19,68 E2 = 0,96 Cr 0 ºC 24 ºC Correção da Junta de Referência F.e.m. = Jm – Jr F.e.m. = 2,035 – 0,992 F.e.m. = 1,043 mV

15 CABEÇOTE CABO TIPO KX REGISTRADOR 24 °C 0,960 mV 0,569 mV 20,371 mV 38 °C 1,529 mV 538 °C 22,260 mV TC TIPO K FORNO + 20,731 mV + 0,569 mV + 0,960 mV + 22,260 mV 538 °C ERRO =' 0 * Usando fios de compensação. EXTENSÃO – COMPENSAÇÃO CABO ESPECIAL

16 CABEÇOTE CABO TIPO KX REGISTRADOR 24 °C 0,960 mV 0,569 mV 20,731 mV 38 °C 1,529 mV 538 °C 22,260 mV TC TIPO K FORNO - 20,731 mV + 0,569 mV + 0,960 mV - 19,202 mV * Inversão simples. EXTENSÃO -ERROS DE LIGAÇÃO

17 CABEÇOTE CABO TIPO KX REGISTRADOR 24 °C 0,960 mV 0,569 mV 20,731 mV 38 °C 1,529 mV 538 °C 22,260 mV TC TIPO K FORNO + 20,731 mV - 0,569 mV + 0,960 mV + 21,102 mV 511 °C ERRO = - 27 °C * Inversão Dupla. EXTENSÃO -ERROS DE LIGAÇÃO

18 ASSOCIAÇÃO SÉRIE DE TERMOPARES 1. - Associação Série – Exemplo tipo K F.e.m. = E 56 – E 50 F.e.m. = (2,27 - 1,0) + (2,022 – 1,0) F.e.m. = 1,27 +1,022 F.e.m. = 2,292 mV

19 ASSOCIAÇÃO DE TERMOPARES 1. - Associação Série Oposta – Exemplo tipo K

20 ASSOCIAÇÃO DE TERMOPARES 1. - Associação Paralelo – Exemplo tipo K

21 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Termopares básicos São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior. A seguir daremos informações sobre os termopares da norma ANSI MC – 96.1 e baseados na ITS – 90.

22 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características - básico Tipo T Cor do fio: ( + ) Azul ( - ) Vermelho Cor do cabo: Azul Liga: ( + ) Cobre - ( 99,9 % ) ( - ) Constantan - São as ligas de Cu - Ni compreendidos no intervalo entre Cu ( 50 % ) e Cu ( 65 % ) Ni ( 35 % ). A composição mais utilizada para este tipo de termopar é de Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ). Características: Faixa de utilização: °C a 370 °C F.e.m. produzida: - 6,258 mV a 20,810 mV Aplicações: Criometria (baixas temperaturas), Indústrias de refrigeração, Pesquisas agronômicas e ambientais, Química e Petroquímica.

23 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características - Básico Tipo J Cor do fio: ( + ) Branco ( - ) Vermelho Cor do cabo: Preto Liga: ( + ) Ferro - ( 99,5 % ) ( - ) Constantan= Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ). Normalmente se produz o ferro a partir de sua característica e casa-se o constantan adequado. Características: Faixa de utilização: 0 °C a 760 °C F.e.m. produzida: - 8,095 mV a 43,559 mV Aplicações: Centrais de energia, Metalúrgica, Química, Petroquímica, indústrias em geral.

24 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características - Básico Tipo E Cor do fio: ( + ) Violeta ( - ) Vermelho Cor do cabo: Violeta Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % ) ( - ) Constantan - Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ) Características: Faixa de utilização: 0 °C a 870 °C F.e.m. produzida: - 9,835 mV a 76,298 mV Aplicações: Química e Petroquímica

25 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características - Básico Tipo K Cor do fio: ( + ) Amarelo ( - ) Vermelho Cor do cabo: Amarelo Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % ) ( - ) Alumel - Ni( 95,4 % ), Mn( 1,8 % ), Si( 1,6 % ), Al( 1,2 % ) Características: Faixa de utilização: 0 °C a 1260 °C f.e.m. produzida: - 6,458 mV a 54,852 mV Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e Cal, Vidros, Cerâmica, Indústrias em geral.

26 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Termopares Nobres São aqueles que os pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios dos termopares.

27 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características – Termopares Nobres Tipo S Cor do fio: ( + ) Preto ( - ) Vermelho Cor do cabo: Verde Liga: ( + ) Platina 90% Rhodio 10 % ( - ) Platina 100 % Características: Faixa de utilização: 0 °C a 1480 °C F.e.m. produzida: - 0,236 mV a 18,693 mV Aplicações: Siderúrgica, Fundição, Metalúrgica, Usina de Cimento, Cerâmica, Vidro e Pesquisa Científica. Observação: É utilizado em sensores descartáveis na faixa de 1200 a 1768 °C, para medição de metais líquidos em Siderúrgicas e Fundições

28 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características – Termopares Nobres Tipo R Cor do fio: ( + ) Preto ( - ) Vermelho Cor do cabo: Verde Liga: ( + ) Platina 87 % Rhodio 13 % ( - ) Platina 100 % Características: Faixa de utilização: 0 °C a 1480 °C F.e.m. produzida: - 0,226 mV a 21,101 mV Aplicações: As mesmas do tipo S

29 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características – Termopares Nobres Tipo B Cor do fio: ( + ) Cinza ( - ) Vermelho Cor do cabo: Cinza Liga: ( + ) Platina 70 % Rhodio 30 % ( - ) Platina 94 % Rhodio 6 % Características: Faixa de utilização: 870a 1705 °C f.e.m. produzida: 0 mV a 13,809 mV Aplicações: Vidro, Siderúrgica, alta temperatura em geral.

30 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Termopares Especiais Ao longo dos anos, os tipos de termopares produzidos oferecem, cada qual, uma característica especial, porém apresentam restrições de aplicação, que devem ser consideradas. Novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender as condições de processo onde os termopares básicos não podem ser utilizados.

31 TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características – Termopares Especiais TUNGSTÊNIO – RHÊNIO : Esses termopares podem ser usados continuamente até 2300 °C e por curto período até 2750 °C. IRÍDIO 4 0 % - RHODIO / IRÍDIO: Esses termopares podem ser utilizados por períodos limitados até 2000 °C. PLATINA - 4 0% RHODIO / PLATINA % R H O D I O: Esses termopares são utilizados em substituição ao tipo B onde temperaturas um pouco mais elevadas são requeridas. Podem ser usados continuamente até 1600 °C e por curto período até 1800 °C ou 1850 °C. OURO-FERRO / CHROMEL: Esses termopares são desenvolvidos para trabalhar em temperaturas criogênicas. NICROSIL / NISIL: Basicamente, este novo par termoelétrico é um substituto para o par tipo K, apresentando uma força eletromotriz um pouco menor em relação ao tipo K.

32 Determine os valores pedidos dos esquemas abaixo :


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