TM362 - Sistemas de Medição 2 Prof. Alessandro Marques www. metrologia

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1 TM362 - Sistemas de Medição 2 Prof. Alessandro Marques www. metrologia
TM362 - Sistemas de Medição 2 Prof. Alessandro Marques

2 Termopares Sensores self-generating ou sensores ativos ! Exemplos:
Piezoelétricos; Termopares; Piroelétricos; Fotovoltaicos ; Eletroquímicos. Geram um sinal elétrico a partir de um mensurando sem necessitar de alimentação. Usados nas medições de temperatura, de força , de pressão e de aceleração. Fotovoltaico (Luz) A Eletroquímica é um ramo da química que estuda as reações e fenômenos onde há transferência de carga elétrica

3 Termopares O método mais comum de medição de temperatura e controle de temperatura utiliza um circuito elétrico chamado TERMOPAR. Um termopar consiste: Dois condutores elétricos feitos de metais diferentes e que possuem pelo menos uma conexão elétrica. Essa conexão é chamada de junção ou junta. Junção pode ser criada por soldagem ou qualquer método que proporcione um bom contato elétrico entre os dois condutores. A saída é uma tensão, e existe uma relação definida entre essa tensão e as temperaturas das junções que formam o circuito do termopar.

4 Termopares Considere esse circuito básico de termopar.
Junção 1 está a temperatura T1 Junção 2 está a temperatura T2 Se T1 e T2 não são iguais, um potencial elétrico finito de circuito aberto, fem1, será medido.

5 Termopares Existem 3 fenômenos básicos que podem ocorrer em um circuito de termopar: o efeito de Seebeck; o efeito de Peltier; o efeito Thomson.

6 Termopares Efeito de Seebeck
Em 1821 e 1822 o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou o circuito para um termômetro termopar, como o ilustrado na figura. Ambas as junções, de medição e de referência estão em ambientes isotérmicos (de temperatura constante), cada uma numa temperatura diferente. A tensão de circuito aberto através da junção de referência é a chamada tensão de Seebeck e aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as junções aumenta. Ocorre a geração de eletricidade a partir da diferença de temperaturas.

7 Termopares

8 Termopares Efeito de Peltier
Jean Peltier descobriu que, quando existe um fluxo de corrente na junção de dois metais diferentes, há liberação ou absorção de calor . Ocorre a geração de diferença de temperatura a partir de eletricidade.

9 Termopares - Efeito de Peltier
Esse comportamento foi descoberto durante experimento com o termopar de Seebeck. Ele observou que a passagem de uma corrente elétrica através de um circuito de termopar de duas junções. Faz aumentar a temperatura em uma junção ao mesmo tempo em que causa a diminuição de temperatura na outra junção.

10 Termopares Efeito de Thomson
Existe um terceiro fenômeno que ocorre em circuitos termoelétricos. Que está sujeito a um gradiente longitudinal de temperatura, e também a uma diferença de potencial de modo que existe um fluxo de corrente e de calor no condutor . Esse energia foi primeiramente observada por William Thomson em 1851

11 Termopares Leis fundamentais dos termopares
A utilização de circuitos de termopar para medir temperatura é baseada nos comportamentos de materiais e circuitos de termopares cuidadosamente controlados. As seguintes leis fornecem a base necessária para a medição de temperatura com termopares: 1. Lei dos materiais homogêneos 2. Lei dos materiais intermediários 3. Lei das temperaturas sucessivas ou intermediárias.

12 Termopares Leis fundamentais dos termopares
1. Lei dos materiais homogêneos Uma corrente termoelétrica não pode ser sustentada em um circuito de um único material homogêneo apenas pela aplicação do calor, independentemente de como a seção transversal do material possa variar. Portanto 2 materiais diferentes devem ser usados na construção de termopares.

13 Termopares Leis fundamentais dos termopares
2. Lei dos materiais intermediários. A soma algébrica das forças termoelétricas em um circuito composto por qualquer número de materiais diferentes é zero se todo o circuito está a um mesma temperatura. Essa lei permite que um material diferente dos materiais do termopar possa ser inserido no circuito sem variação na fem de saída do circuito.

14 Termopares Leis fundamentais dos termopares
2. Lei dos materiais intermediários. Ex: Bloco de Ligação Borne de latão niquelado

15 Termopares Leis fundamentais dos termopares
2. Lei dos materiais intermediários. Ex: É possível o uso de um conector comum

16 Termopares Leis fundamentais dos termopares
2. Lei dos materiais intermediários. Ex: Solda feita na junção de medição

17 Termopares Leis fundamentais dos termopares
3. Lei das temperaturas sucessivas ou intermediárias. Se dois materiais homogêneos diferentes que formam um circuito de termopar produzem fem1 quando as junções estão a T1 e T2 e produzem fem2 quando as junções estão a T2 e T3, então a fem gerada quando as junções estão a T1 e T3 será fem1 + fem2. Essa lei possibilita que um termopar calibrado para um temperatura de referência seja utilizado em outra temperatura de referência.

18 Termopares Medição básica de temperatura com termopares
Esse circuito de termopar básico pode ser utilizado para medir a diferença entre as duas temperaturas T1 e T2

19 Cromel é uma liga de 90% Ni (Niquel) e 10% Cr (Cromo)
Termopares Medição básica de temperatura com termopares Para medições práticas da temperatura, uma dessas junções torna-se uma junta de referência, e é mantida a uma temperatura constante de referência. A outra junção torna-se então a junta de medição e a fem existente no circuito para qualquer temperatura T1 é uma indicação direta da temperatura na junta de medição . Multímetro Cromel é uma liga de 90% Ni (Niquel) e 10% Cr (Cromo)

20 Termopares - Medição básica de temperatura com termopares
Multímetro Circuito de termopar básico, utilizando um termopar de cromel-constantan e um banho de gelo para criar a temperatura de referência. Os fios do termopar são conectados diretamente a um multímetro para medir a fem.

21 Termopares - Medição básica de temperatura com termopares
Multímetro Fios de extensão de cobre, criando duas junções de referência. A lei dos materiais intermediários assegura que nem o multímetro nem os fios de extensão modificarão a fem do circuito, desde que as junções de conexão no multímetro e as duas no banho de gelo não apresentem diferenças de temperatura.

22 Termopares Padrões de termopares
O NIST (National Institute of Standards and Technology) fornece especificações para materiais e construção de circuitos padrões de termopares para medição de temperatura. Existe muitas combinações de materiais para termopares. São identificadas por tipo de termopar e designada por letras. A escolha depende da faixa de temperatura a ser medida, da aplicação em particular e do nível de incerteza desejado.

23 Termopares - Padrões de termopares
designação de letras polaridade aplicação Alumel (94% Níquel com 3% manganês, 2% Alumínio e 1% silício Figliola, pg 266

24 Termopares - Padrões de termopares
Para determinar a fem de saída de uma combinação específica de um material, um termopar é formado de um material candidato e de uma liga padrão de platina para formar um circuito de termopar com temperatura de referência de 0 ⁰C. A figura mostra a fem de saída para varias combinações de materiais com a platina-67. A letra em cada curva indicam o tipo de termopar.

25 Termopares - Padrões de termopares
A lei das temperaturas intermediárias permite então a determinação da fem de dois materiais quaisquer cujas fems relativas a platina sejam conhecidas. O gráfico mostra a fem como uma função da temperatura para alguma combinação de materiais comuns em termopares.

26 Termopares Tensão Padrão do termopar
A tabela fornece a composição padrão de materiais de termopares, juntamente com os limites padrões de erro para varias combinações de materiais. Esses limites são os erros máximos esperados

27 Termopares Tensão Padrão do termopar
O NIST utiliza materiais de alta pureza para estabelecer o valor padrão da tensão de saída para um termopar composto de dois materiais específicos. Isso resulta em tabelas padrões ou equações utilizadas para determinar a temperatura medida a partir do valor de fem medido.  Tabela para termopar de ferro/constantan, termopar tipo J

28 Termopares Tensão Padrão do termopar
Essa tabela apresenta equações que relacionam a fem e a temperatura para termopares padrões.

29 Termopares Tensão Padrão do termopar
Por causa da ampla necessidade de se medir temperatura, surgiram indústrias especializadas na produção de fios de termopares de alta qualidade. Os fabricantes podem fornecer, também, termopares com limites de tolerância especiais relativas as tensões padrões do NIST variando de ±1,0 ⁰C até cerca de ±0,1 ⁰C. Os termopares construídos de fios de termopar padrão não necessitam de calibração para fornecer medidas de temperatura dentro dos limites de tolerância dados na tabela 8.5 (pagina 266 –Figliola)

30 Termopares Tipos de termopares
Os vários tipos de metais ou ligas comumente empregados na constituição de termopares dependem em primeiro lugar da temperatura a medir. Existe uma série de termopares padronizados segundo uma determinada faixa de aplicação levando em conta também outros fatores, tais como ambiente e tipo de material que se deseja medir.

31 Termopares Exemplo 1: O circuito do termopar mostrado na figura é utilizado para medir a temperatura T1. A junção de termopar marcado com 2 está a temperatura de 0 ⁰C, mantido por um banho de gelo fundente. A tensão de saída é medida como 9,669 mV utilizado um multímetro. Qual é o valor de T1 ? fem do multímetro = 9,669 mV

32 Termopares Exemplo 1: Qual é o valor de T1 ?
fem do multímetro = 9,669 mV Se o termopar segue o padrão da NIST, temos Olhando a tabela que é referenciada a 0 ⁰C. Pode-se dizer que a temperatura nesse caso é de 180 ⁰C

33 Termopares Exemplo 2: Suponha que o circuito de termopar no exemplo anterior tem agora a junção 2 mantida a temperatura de 30 ⁰C e produz uma tensão de saída de 48,769 mV. Qual a temperatura da junção de medição ?

34 Termopares Exemplo 2: Suponha que o circuito de termopar no exemplo anterior tem agora a junção 2 mantida a temperatura de 30 ⁰C e produz uma tensão de saída de 48,769mV. Qual a temperatura da junção de medição ? Se o termopar segue o comportamento de fem padrão da NIST, temos: Pela lei das temperaturas intermediárias, a fem de saída para um circuito de termopar que possui 2 junções, uma a 0 ⁰C e a outra a T1, seria a soma das fems para o circuito de termopar entre 0 ⁰C e 30 ⁰C e entre 30 ⁰C e T1. Portanto, fem fem30-T1 = fem0-T1 1, ,769 = 50,306 mV Portanto, o termopar está captando a temperatura de 875⁰C.

35 Características Genéricas
Termopares Tipo Liga Faixa de Operação (ºC) e (mV) Características Genéricas T Cobre/Constantan Cu/CuNi -200 à +350 20.872 Pode apresentar problemas de oxidação. Bom na presença de umidade. Recomendável para baixas temperaturas e meios criogênicos. J Ferro/Constantan Fe/CuNi +1000 -8.095 a 69.553 Atmosferas redutoras, inertes e com condições de vácuo. Limitações em atmosferas oxidantes a elevadas temperaturas. Não recomendado para baixas temperaturas. K Cromel/Alumel NiCr/NiAl 54.886 Atmosferas oxidantes e inertes. Limitações na utilização em vácuo ou em atmosferas redutoras. A sua sensibilidade é muito aproximadamente linear. S Platina-10% Ródio / Platina Pt10%Rh / Pt 1500 18.693 Atmosferas oxidantes ou inertes. Não deve ser inserido em tubos metálicos. Utilizado a altas temperaturas. Sensível a contaminações. R Platina-13% Ródio / Platina Pt13%Rh/Pt 0.226 a Semelhante ao termopar tipo S B Platina-30% Ródio / Platina-6% Ródio Pt30%Rh/Pt6%Rh 1820 a Atmosferas oxidantes ou inertes. Não deve ser inserido em tubos metálicos. Utilizado a altas temperaturas. Sensível a contaminações. Muito habitual na industria do vidro. E Cromel/Constantan NiCr/CuNi 1000 76.373 Atmosferas oxidantes ou inertes. Uso limitado em atmosferas redutoras e , entre todos, a mais elevada f.e.m.

36 Termopares Termopar-isolação mineral
Este tipo de montagem é de extrema utilidade pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos, que podem causar a completa deterioração dos termoelementos, além da grande resistência mecânica o que faz com que o termopar isolação mineral possa ser usado em um número quase infinito de aplicações.

37 Termopares Os principais termopares comerciais
Pode-se simplificadamente citar os requisitos gerais e simultâneos desejados na escolha dos metais para formação de um par termoelétrico: Resistência à oxidação e à corrosão consequentes do meio e de altas temperaturas. Linearidade dentro do possível; Ponto de fusão maior que a maior temperatura à qual o termopar é utilizado; Sua fem deve aumentar continuamente com aumento da temperatura. Os metais devem ser homogêneos; Sua resistência elétrica não devem apresentar valores que limitem seu uso; Sua fem deve ser estável durante a calibração e o uso dentro de limites aceitáveis; Sua fem não deve ser alterada consideravelmente por mudanças químicas, físicas ou pela contaminação do ambiente; Deve ser facilmente soldado pelo usuário.

38 Bibliografia BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J.; Instrumentação e fundamentos de medidas, volume 1, 2010. FIGLIOLA, R.S.; BEASLEY D.E., Teoria e Projeto para Medições Mecânicas, 4a Edição, LTC, 2007. Notas de aula Prof. Hélio Padilha e Prof. Marcos Campos