Conheça nossa Série de Termopares e os tipos de Termopares

Base termoelétrica de termômetro termopar

A aplicação da equação de um circuito termopar a um caso real implicaria em diversas complicações na utilização prática de termopares. Isso porque seriam necessárias informações detalhadas sobre o perfil da temperatura e o material de construção, não apenas dos fios, mas também sobre todos os componentes do voltímetro. Obviamente não é desejável ter o instrumento de medição como parte do sensor e, portanto, é necessário separá-los.

A aplicação de dois teoremas básicos ao circuito mostra como fazê-lo e também como o circuito pode se comportar como um termômetro. Os teoremas baseiam-se no conceito de um ambiente isotérmico e de fios homogêneos.

Teorema 1 Se não houver gradiente de temperatura, dT = 0, ou seja, existe uma condição isotérmica, então não é produzida nenhuma tensão de Seebeck (provado pela substituição direta na Equação).

Teorema 2 Se um fio for homogêneo, a tensão de Seebeck depende da temperatura das extremidades do fio (provado pela integração da Equação).

Observação. Os termos isotérmico e homogêneo representam ideais que só podem ser aproximados na prática. O Teorema 1 pode ser considerado o mais forte simplesmente porque uma condição isotérmica pode ser prontamente verificada através da medição enquanto que uma medição de homogeneidade é mais difícil.

A parte mais complexa do circuito é o voltímetro e para remover sua contribuição termoelétrica à medição, ele deve ser mantido numa condição isotérmica. Como os efeitos termoelétricos são a maior fonte de erro nos voltímetros, a maioria é projetada de modo a minimizá-los. Por exemplo, os terminais de ligação de latão são usados para dar um pequeno efeito termoelétrico com os fios de cobre, mas se usados com outros fios metálicos, a manutenção da condição isotérmica é essencial. Pode-se testar a significância dos efeitos termoelétricos aquecendo-se um dos terminais com os dedos. Portanto, deve-se tomar todo o cuidado para evitar mudanças rápidas na temperatura ambiente.

As junções entre os fios (soldas ou emendas) são claramente não homogêneas, mesmo se forem muito pequenas. Portanto, de acordo com o Teorema 1 uma junção deve ficar num ambiente isotérmico para evitar que qualquer tensão seja por ela produzida. Devem ser evitadas quaisquer outras fontes de tensão tal como atividade eletroquímica ou existência de uma corrente elétrica e resistência do circuito. Portanto, a regra de ouro para o uso dos termopares é:"qualquer junção não deve gerar tensão"

A análise do circuito na Figura agora se reduz à determinação dos efeitos termoelétricos de três fios: A e B para o termopar e C para os condutores ao instrumento. Do que foi anteriormente exposto percebe-se claramente que qualquer conexão deve ser isotérmica. Os fios A, B e C devem ser mantidos o mais homogêneos possível, evitando-se qualquer distúrbio químico ou físico em qualquer parte do fio.

A tensão E, produzida pelo circuito é a soma das três partes. O Teorema 2 pode ser aplicado a cada fio separadamente, resultando em:

Onde, para os fios A, B e C, EΑ, EB e EC são as tensões das extremidades TM e TR, que são a junção de medição e a junção de referência, respectivamente. Observe que a extremidade final não é a posição da junção, mas a temperatura da região isotérmica que inclui a junção. Da Equação pode-se perceber que a contribuição líquida dos condutores ao instrumento, é zero e, portanto, sob essas condições a instrumentação usada para medir o termopar pode ser considerada independente do sensor.

Também da Equação a tensão de saída do par de fios (A e B) está relacionada com a diferença entre o efeito termoelétrico dos fios A e B. É comum considerar-se apenas uma tensão de Seebeck relativa, EΑΒ e um coeficiente de Seebeck relativo, σΑΒ tornando a Equação 3:

Uma simplificação adicional foi feita escolhendo-se 0ºC como a temperatura de referência para todos os termopares. Desta forma, TR = 0 ºC e ajustando EΑΒ (0 ºC) = 0

Onde t, na escala Celsius é usado para indicar que tanto a temperatura quanto a tensão possuem um ponto arbitrário, zero. A Equação é a equação básica do termopar que relaciona a tensão produzida no circuito à temperatura que está sendo medida. Entretanto, esta equação implica em diversas suposições, que o usuário precisa ter certeza que se aplicam ao circuito em questão. As suposições são:

• A junção de referência está a 0 ºC
• O coeficiente de Seebeck relativo é conhecido
• Os instrumentos e cabos de conexão estão em condições isotérmicas
• As junções de medição e referência estão em condições isotérmicas
• Os fios que conectam as junções de medição e referência são homogêneos

Em qualquer circuito real essas suposições podem ser apenas aproximações. Os erros resultantes podem ser minimizados seguindo-se bons procedimentos para a construção e uso dos termopares.