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Termometria - Termopares

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Apresentação em tema: "Termometria - Termopares"— Transcrição da apresentação:

1 Termometria - Termopares
Termodinâmica 1 Termometria - Termopares José Queiroz - Unilins

2 Figura 2 - Experimento de Seebeck
TERMOELETRICIDADE TERMOPARES 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 T1 e T2, surge uma f.e.m. (força eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os pontos a e b, denominada “tensão termoelétrica”. Figura Experimento de Seebeck

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 T1 e T2, 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 TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS
TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS 1a 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 Algumas conseqüências importantes da 1a Lei
TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Algumas conseqüências importantes da 1a Lei 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 TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Lei dos Metais Intemediários
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 TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS (Lei das Temperaturas Intermediárias)
TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS 2a Lei Termoelétrica (Lei das Temperaturas Intermediárias) “Se dois metais homogêneos diferentes produzem uma f.e.m. E1 quando as junções estão às temperaturas T1 e T2, e uma f.e.m. E2, quando as junções estão a T2 e T3, a f.e.m. gerada quando as junções estão a T1 e T3 será E1 + E2”.

8 TERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M.
TERMOELETRICIDADE TERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M. A Figura mostra um termopar usado para medir a temperatura T1; o instrumento indicará uma tensão proporcional a diferença (T1 - T2 ). T2 pode ser medida com um termômetro convencional. x y a b T 1 2 Cu RT e Rv No Circuito equivalente acima, Rv é a resistência interna do voltímetro. RT é a resistência dos fios do termopar acrescido dos fios que levam o sinal ao instrumento.

9 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA COM TERMOPAR
BLOCO DE JUNTA DE LIGAÇÃO REFERÊNCIA JUNTA DE TERMOPAR CABO DE MEDIÇÃO EXTENSÃO TRM DE TEMP., INDICADOR OU GRADIENTE DE TEMPERATURA ( ∆T) 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 - E Tr 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 Correlação da F.E.M. x Temperatura
mV 80 E 70 60 K 50 J NICROSIL-NISIL 40 30 20 R T S B 10 T 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

13 Correção da Junta de Referência
Cr Cr 0 ºC T2 E1 = 19,68 24 ºC E2 = 0,96 A A FORNO F.e.m. = Jm – Jr F.e.m. = 2,035 – 0,992 F.e.m. = 1,043 mV TERMÔMETRO DIGITAL 50 ºC TIPO “T" 2,035 mV JR = 0,992 mV 25 ºC

14 CABEÇOTE CABO DE COBRE REGISTRADOR 24 °C 0,960 mV 0,00 mV 20,371 mV
TC TIPO K FORNO + 20,731 mV + 0,000 mV + 0,960 mV +21,691 mV 525 °C ERRO = - 13 °C EXTENSÃO -ERROS DE LIGAÇÃO * Usando fios de cobre.

15 CABEÇOTE CABO TIPO KX REGISTRADOR 24 °C 0,960 mV 0,569 mV 20,371 mV
EXTENSÃO – COMPENSAÇÃO CABO ESPECIAL 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 ERRO = ' * Usando fios de compensação.

16 CABEÇOTE CABO TIPO KX 38 °C 1,529 mV 0,569 mV REGISTRADOR 24 °C
EXTENSÃO -ERROS DE LIGAÇÃO 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.

17 CABEÇOTE CABO TIPO KX REGISTRADOR 24 °C 0,960 mV 0,569 mV 20,731 mV
EXTENSÃO -ERROS DE LIGAÇÃO 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 = °C * Inversão Dupla.

18 ASSOCIAÇÃO SÉRIE DE TERMOPARES
1. - Associação Série – Exemplo tipo K F.e.m. = E56 – E50 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 TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS
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 TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características - básico
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 TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características - Básico
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 TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características - Básico
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 TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS Normas e Características - Básico
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 TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS
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 Normas e Características – Termopares Nobres Tipo S
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 a 1768 °C, para medição de metais líquidos em Siderúrgicas e Fundições

28 TERMOELETRICIDADE Normas e Características – Termopares Nobres Tipo R
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 Normas e Características – Termopares Nobres Tipo B
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 TERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS
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 Normas e Características – Termopares Especiais
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 % - 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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