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Conheça nossa Série de Termopares e os tipos de Termopares

Termopares

Os termopares são dispositivos elétricos utilizados na medição de temperatura. Foram descobertos por acaso em 1822, quando o físico Thomas Seebeck juntou dois metais que geraram uma tensão elétrica em função da temperatura.

Nos dias de hoje, são praticadas normas de combinações de dois metais, que possuem tensões de saídas previsíveis e suportam altas temperaturas. Os termopares não são caros em relação a função que exercem em medir uma vasta gama de temperturas, e podem ser substituídos sem gerar erros relevantes.

No mercado especializado, os termopares podem ser encontrados em diversos formatos, desde modelos com a junção descoberto que proporcionam tempo de resposta rápido, até os modelos que estão incorporados em sonda Encontre os tipos de termopares que está procurando.

Ao escolher um termopar, o consumidor deve levar em conta a aplicação que se deseja do mesmo, em termos da temperatura suportada, além da exatidão, confiabilidade da leitura, especificação do tipo de liga e construção física externa.

A maior limitação de um termopar, é a exatidão, uma vez que erros inferiores a 1°C são difíceis de obter.

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Conhecimentos Técnicos sobre Termopares

Efeito de Seebeck

Seebeck observou que quando dois fios de metais dissimilares são unidos para formar um circuito elétrico fechado e uma extremidade está em uma temperatura maior que a outra é gerada uma corrente elétrica, como mostrado esquematicamente na Figura 1. Nessa figura A e B são fios de metais diferentes ou ligas metálicas e o galvanômetro indica que a corrente circula quando as junções estão em temperaturas diferentes.

Galvanômetro - Junção de Medição e Junção de Referência

Figura 1. Circuito termoelétrico básico compreendendo dois fios diferentes, A e B, duas junções e um galvanômetro

A intensidade da corrente aumenta com o aumento da diferença de temperatura entre as junções. Veremos que esse fenômeno, ao mesmo tempo em que permite a construção de termômetros do tipo termopar, também é responsável pelos efeitos termoelétricos indesejáveis, que podem ser a maior fonte de erro nas medições, quando existirem várias junções de fios em temperaturas diferentes.

As duas junções são normalmente chamadas de "junta quente" e "junta fria", mas a terminologia mais adequada é junção de medição e junção de referência, conforme ilustra a Figura 1.

Para uma melhor compreensão, um conceito chave é o de ambiente isotérmico, ou seja, uma região no espaço dentro da qual a temperatura é constante. A junção de referência a 0ºC é normalmente tornada isotérmica usando-se o ponto de gelo.

Um circuito mais adequado para um termopar é ilustrado na Figura 2, que usa um multímetro, ao invés de um galvanômetro. As junções de medição e de referência estão em ambientes isotérmicos, cada uma numa temperatura diferente.

Volimetro - Junção de Medição e Junção de Referência

Figura 2. Circuito para medir o potencial de Seebeck compreendendo dois fios diferentes, A e B, duas junções e um voltímetro. Fios de cobre conectam a junção de referência ao instrumento.

A tensão de circuito aberto através da junção de referência é a chamada tensão de Seebeck ou força eletromotriz (FEM) e aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as junções aumenta. Esse fenômeno foi descrito por Seebeck em 1821.

Superficialmente, como observado por Seebeck e ainda hoje incorretamente descrito, o efeito de Seebeck parece, erroneamente, estar relacionado a uma corrente termoelétrica em circuitos fechados e parece ocorrer somente quando dois materiais dissimilares estão unidos. Atualmente, à luz da física moderna, reconhece-se que o efeito Seebeck é um fenômeno voltaico, ao invés de uma corrente e ocorre em metais individuais, independentemente de circuitos. O efeito de Seebeck ocorre em qualquer par de pontos que não estejam à mesma temperatura, em qualquer parte de um fio condutor elétrico. Não é um fenômeno relacionado à existência de uma junção.

O termopar, que opera sob o efeito Seebeck é, portanto, diferente da maioria dos outros sensores de temperatura uma vez que a tensão gerada não está diretamente relacionada à temperatura, porém a um gradiente de temperatura, ou seja, da diferença de temperatura ao longo do fio termopar.

O coeficiente de Seebeck (σ) é a alteração na FEM de Seebeck que resulta de um pequeno incremento de temperatura, ΔT. É a medida da sensibilidade termoelétrica do metal ou liga metálica, também chamado coeficiente de sensibilidade. Quando essa sensibilidade se refere a um material individual, é chamada coeficiente de Seebeck absoluto. É comumente expresso em µV/ºC ou mV/ºC. Matematicamente,

Isso significa que se o termoelemento for homogêneo, o aumento na tensão de Seebeck, ΔE é proporcional ao coeficiente de Seebeck do termoelemento, σ(T) e à diferença de temperatura, ΔT, independentemente do comprimento do termoelemento. A equação pode ser escrita, alternativamente, como:

Esta é a equação básica para se analisar um circuito termopar, conhecida como "Lei Fundamental da Termometria Termoelétrica".

A palavra homogêneo implica que cada parte do fio tem uma condição idêntica, tanto física quanto quimicamente. Mudanças deliberadas, tais como emendas e conexões no circuito ou mudanças involuntárias como mudança na estrutura metalúrgica devido ao encruamento, mudança na composição metalúrgica devido à migração de átomos e corrosão do fio criam não homogeneidades, fruto de alterações físico-químicas de um metal ou liga metálica e, conseqüentemente, alteram seu coeficiente de Seebeck σ(T) característico. Se um fio não for homogêneo em toda sua extensão, apresentará coeficientes de Seebeck diferentes, dependendo da posição.

Base termoelétrica de termômetro termopar

Volimetro - Junção de Medição e Junção de Referência dE = σ(T) dT

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.

Faixas de Utilização e Limites de Erro para Termopares

Letra designada pela ASTM E 230 Nome dos Termoelementos Faixa de Utilização (ºC) Limite de Erro* (Escolher o maior)
Padrão Especial
E (+) Chromel
(-) Constantan
0 a 870 ±1,7ºC ou ±0,5% ±1ºC ou ±0,4%
-200 a 0 ±1,7ºC ou ±1% -
J (+) Ferro
(-) Constantan
0 a 760 ±2,2ºC ou ±0,75% ±1,1ºC ou ±0,4%
K (+) Chromel
(-) Alumel
0 a 1260 ±2,2ºC ou ±0,75% ±1,1ºC ou ±0,4%
-200 a 0 ±2,2ºC ou ±2% -
N (+) Nicrosil
(-) Nisil
0 a 1260 ±2,2ºC ou ±0,75% ±1,1ºC ou ±0,4%
T (+) Cobre
(-) Constantan
0 a 370 ±1ºC ou ±0,75% ±0,5ºC ou ±0,4%
-200 a 0 ±1ºC ou ±1,5% -
R (+) Platina/13% Ródio
(-) Platina
0 a 1480 ±1,5ºC ou ±0,25% ±0,6ºC ou ±0,1%
S (+) Platina/10% Ródio
(-) Platina
0 a 1480 ±1,5ºC ou ±0,25% ±0,6ºC ou ±0,1%
B (+) Platina/30% Ródio
(-) Platina/6% Ródio
870 a 1700 ±0,5% -
C (+) tungstênio-5% rênio
(-) tungstênio-26% rênio
0 a 2315 ±4,4ºC ou ±1% -

Temperaturas limites para diversos diâmetros

Limites superiores de temperatura sugeridos para os vários tipos de termopares com proteção, conforme ASTM E-230 (não se aplicam para termopares de isolação mineral)

Temperaturas limite para as diversas bitolas (ºC)
Termopar Tipo 8 AWG
(3,26 mm)
14 AWG
(1,63 mm)
20 AWG
(0,81 mm)
24 AWG
(0,51 mm)
28 AWG
(0,33 mm)
30 AWG
(0,25 mm)
T 370 260 200 200 150
J 760 590 480 370 370 320
E 870 650 540 430 430 370
K,N 1260 1090 980 870 870 760
R,S 1480
B 1700
C 2315

Limites de temperatura sugeridos para Termopares de Isolação Mineral, conforme ASTM E608/608M

Temperaturas limite para os diversos diâmetros (ºC)
Diâmetro da Bainha (mm) Termopar Tipo
T J E K / N
0,5 260 260 300 700
1,0 260 260 300 700
1,5 260 440 510 920
2,0 260 440 510 920
3,0 315 520 650 1070
4,5 370 620 730 1150
6,0 370 720 820 1150
8,0 370 720 820 1150

Dúvidas sobre Termopares

Que tipo de junção que devo usar?

Não existe procedimento padronizado para se construírem termopares, pois eles podem ser adaptados a uma variedade de situações. Sempre que possível, deve-se adquirir o termopar já montado, de um fornecedor conhecido e de qualidade, pois muitas vezes estão envolvidos materiais e técnicas especializadas. A seguir são descritos os principais aspectos da construção, para ajudar o usuário a especificar o termopar na compra.

A função primária da junção do termopar é propiciar continuidade elétrica ao longo da faixa de temperatura requerida, no período de uso.

Uma decisão importante na construção da junção do termopar é o tamanho apropriado. O limite para o tamanho da junção é determinado pelo requisito de que ela deve sempre estar circundada pelo meio isotérmico. Uma vez que este limite tenha sido determinado, o tamanho da junção dependerá do tamanho da região sob investigação.

O tamanho será afetado pelo método de construção (Figura 7.5) e o diâmetro do fio usado. Os limites no diâmetro do fio dependerão do erro de imersão tolerado.

Os fios devem ser limpos, antes de serem juntados. Para junções muito pequenas, os dois fios podem ser soldados de topo. Um outro modo é torcer o par de fios de modo que cada termoelemento fique em contato com outro. Os fios podem ser mantidos juntos por solda de estanho para baixas temperaturas, por fusão para temperaturas mais altas ou com solda de topo para operações rápidas.

Construções das Junções de Termopares

As junções de medição podem ser classificadas quanto à posição em relação à proteção metálica:

Junção Isolada - isolada eletricamente do tubo de proteção. É o tipo mais utilizado nos processos industriais. Sua principal vantagem é que a resistência de isolação pode ser testada antes e depois da instalação; existe menor possibilidade de interferência no circuito termoelétrico; evita erros devido à diferença de potencial de terra entre o termopar e o instrumento. Como desvantagem apresenta tempo de resposta mais lento

Junção aterrada – faz contato com a bainha do termopar. Possui melhor tempo de resposta, porém permite a interferência de sinais no circuito termoelétrico.

Junção exposta - exposta ao ambiente, isto é, a proteção não é fechada na extremidade. Possui tempo de resposta ainda melhor do que a junção aterrada, mas permite a interferência de sinais no circuito termoelétrico, além de deixar os fios expostos ao ambiente de processo e conseqüente deterioração.

A escolha entre essas alternativas está relacionada principalmente ao tempo de resposta desejado. Convém lembrar que a velocidade de resposta do termopar não depende somente deste fator; outras condições de processo, tais como, tipo de fluído, velocidade do fluído, capacidade térmica do fluído, também influenciam.

Quais são os códigos de cores de termopares?

Código de cores para fios e cabos de extensão e compensação

Tipo do Termopar Designação do Termoelemento Cor da isolação
ASTM E 230 IEC 60584
Capa externa Condutor individual Capa externa Condutor individual
TX TPX (+)
TNX (-)
Azul Azul
Vermelho
Marrom Marrom
Branco
JX JPX (+)
JNX (-)
Preto Branco
Vermelho
Preto Preto
Branco
EX EPX (+)
ENX (-)
Roxa Roxo
Vermelho
Violeta Violeta
Branco
KX KPX (+)
KNX (-)
Amarela Amarelo
Vermelho
Verde Cerde
Branco
NX NPX (+)
NNX (-)
Laranja Laranja
Vermelho
Rosa Rosa
Branco
RX ou SX RPX/RSX (+)
RNX/SNX (-)
Verde Preto
Vermelho
Laranja Laranja
Branco
BX BPX (+)
BNX (-)
Cinza Cinza
Vermelho
Cinza Cinza
Branco

Qual é o tempo de resposta de termopares minerais isolados?

Tempo de Resposta

Quanto menor for o diâmetro, o mais rápido o termopar irá responder. A junção tipo aterrada também irá melhorar o tempo de resposta em cerca de 50%. Constante de tempo, ou tempo de resposta térmica, é uma expressão da rapidez com que um sensor responde às mudanças de temperatura.

Tempo de resposta é definido como o tempo que leva um sensor para atingir 63,2% de uma etapa de mudança de temperatura. Vai levar cerca de cinco constantes de tempo para obter-se leituras estáveis. O tempo de resposta depende da massa do sensor e sua eficiência na transferência de calor a partir das suas superfícies exteriores ao fio elemento sensor. Um tempo de resposta rápido é essencial para exatidão em um sistema com mudanças de temperatura afiadas. Tempo de resposta varia com o tamanho físico da sonda e de sua construção

Tempo de respostas de um Termopar

Tempo de resposta médio (em segundos) para água parada (as leituras são para 63,2% da temperatura do meio):

Diâmetro da Bainha Junção Aterrada Junção Isolada
Polegadas Milímetros
1/2 12,7 15 20
3/8 9,5 8 11
5/16 7,9 5 7
1/4 ,4 2,2 4,1
3/16 4,8 1 2,3
1/8 3,2 0,5 1,1
1/16 1,6 0,22 0,4
1/25 1,0 0,04 0,13

Tempo de resposta de um termopar com bainha de 6,4 mm em água parada a 80 ºC

Constante de Tempo Tempo de Resposta Etapa da Mudança Temperatura Medida (ºC)
Aterrada Isolada
1 2,2 4,1 63,2% 50,6
2 4,4 8,2 86,5% 69,2
3 6,6 12,3 95,0% 76,0
4 8,8 16,4 98,2% 78,6
5 11,0 20,5 99,3% 79,4
6 13,2 24,6 99,8% 79,8

Em sistemas muito grandes ou nos quais existe um mecanismo de controle, o erro de capacidade térmica é inexistente ou desprezível. Entretanto, será necessário algum tempo para que o sistema reponha o calor absorvido pelo termômetro e para o termômetro se estabilizar à temperatura do sistema. Se não for aguardado o tempo suficiente, haverá erro na indicação. O erro é estimado como:

Onde Tinic e Tamb são a temperatura inicial do termômetro e a temperatura do sistema, respectivamente, τ é o tempo entre o momento da imersão e o momento da leitura e τ0 é a constante de tempo do termômetro ou do sistema de controle, o que for mais lento. Essa equação, plotada na Figura 4.9. permite estimar o tempo de espera para que a leitura seja realizada com erro mínimo

Erro relativo de uma temperatura
Ecil