Informações sobre TERMOPARES
No caso a seguir, consideramos o caso da existência de uma dupla inversão, isto acontece com freqüência pois, quando uma simples inversão é constatada, é comum pensar-se que uma nova troca de ligação dos terminais compensará o erro. Porém isto não acontece, e a única maneira de solucionar o problema será efetuar uma ligação correta.
- Inversão dupla
Conforme o esquema a seguir, os fios de compensação foram invertidos.
Assume-se que o forno esteja a 538°C, o cabeçote a 38°C e o registrador a 24°C. Devido a diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador, será gerada uma FEM de 0,57 mV. Porém em virtude da simples inversão, o fio positivo está ligado no borne negativo do registrador e vice-versa. Isto fará com que FEM produzida ao longo do circuito se oponha àquela do circuito de compensação automática do registrador. Isto fará com que o registrador indique uma temperatura negativa.
- Inversão simples
Como no caso acima, a FEM efetiva no cabeçote é de 20,74 mV. Dela até o registrador, são utilizados fios de extensão compensados, os quais adicionam á FEM uma parcela igual a 0,57 mV, fazendo assim com que chegue ao registrador uma FEM efetiva de 22,26 mV. Este valor corresponderá a temperatura real dentro do forno (538°C). A vantagem desta técnica provém do fato de que os fios de compensação, além de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, também são mais resistentes.
Uma solução simples é que normalmente é usada na prática, será a inserção de fios de compensação entre o cabeçote e o registrador. Estes fios de compensação em síntese, nada mais são que outros termopares cuja função é compensar a queda da FEM que aconteceu no caso estudado, ocasionada pela diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador.
Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invés de cobre usamos um fio compensado. A figura mostra de que maneira se processa a instalação.
- Usando fios de cobre
Geralmente na aplicação industrial, é necessário que o termopar e o instrumento encontrem-se relativamente afastados, por não convir que o aparelho esteja demasiadamente próximo ao local onde se mede a temperatura. Nestas circunstâncias deve-se, processar a ligação entre os terminais do cabeçote e o aparelho, através de fios de extensão ou compensação.
Tal, procedimento é executado sem problemas desde que, o cabeçote onde estão os terminais do termopar e o registrador, estejam a mesma temperatura de medição.
Vejamos o que acontece quando esta norma não é obedecida.
Erros de ligação
1- Convenciona-se chamar os fios aqueles condutores constituídos por um eixo sólido e de cabos aqueles formados por um feixe de condutores de bitola menor, formando um condutor flexível.
2- Chama-se de fios ou cabos de extensão aqueles fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam. Exemplo: Tipo TX, JX, EX e KX.
3- Chama-se de fios ou cabos de compensação aqueles fabricados com ligas diferentes das dos termopares a que se destinam, porém que forneçam, na faixa de utilização recomendada, uma curva da força eletromotriz em função da temperatura equivalente á desses termopares. Exemplo: Tipo SX e BX.
Os fios e cabos de extensão e compensação são recomendados na maioria dos casos para utilização desde a temperatura ambiente até um limite máximo de 200°C.
Definições:
Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura, através de termopares, o elemento sensor não se encontra junto ao instrumento receptor.
Nestas condições toma-se necessário que o instrumento seja ligado ao termopar, através de fios que possuam uma curva de força eletromotriz em função da temperatura similar aquela do termopar, afim de que no instrumento possa ser efetuada a correção na junta de referência.
Cabos de compensação e extensão
A leitura agora está correta, pois 2,25 mV corresponde a 50°C que é a temperatura do processo.
Hoje em dia a maioria dos instrumentos fazem a compensação da junta de referência automaticamente. A compensação da junta de referência pode ser feita manualmente. Pega-se o valor da mV na tabela corresponde a temperatura ambiente e acrescenta-se ao valor de mV lido por um milivoltímetro.
FEM = JM - JR
FEM = 2,25 - 1,22
FEM = 1,03 mV à 20°C
Esta temperatura obtida pelo cálculo está errada pois o valor da temperatura correta que o meu termômetro tem que medir é de 50°C.
FEM = JM - JR
FEM = 2,25 - 1,22
FEM = 1,03 Mv + a mV correspondente a temperatura ambiente para fazer a compensação automática, portanto:
FEM = mV JM - mV JR - mV CA (Compensação automática)
FEM = 2,25 - 1,22 + 1,22
FEM = 2,25 mV à 50°C
É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as temperaturas das junções. Então para medirmos a temperatura do ponto desejado precisamos manter a temperatura da junção de referência invariável.
As tabelas existentes da f.e.m. gerada em função da temperatura para os termopares, têm fixado a junta de referência a 0°C ( ponto de solidificação da água), porém nas aplicações práticas dos termopares junta de referência é considerada nos terminais do instrumento receptor e esta se encontra a temperatura ambiente que é normalmente diferente de 0°C e variável com o tempo, tornando assim necessário que se faça uma correção da junta de referência, podendo esta ser automática ou manual.
Os instrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer a correção da junta de referência automaticamente, sendo um dos métodos utilizados, a medição da temperatura nos terminais do instrumento, através de circuito eletrônico, sendo que este circuito adiciona a milvoltagem que chega aos terminais, uma milvoltagem correspondente a diferença de temperatura de 0°C á temperatura ambiente.
Existem também alguns instrumentos em que a compensação da temperatura é fixa em 20°C ou 25°C. Neste caso, se a temperatura ambiente for diferente do valor fixo, o instrumento indicará a temperatura com um erro que será tanto maior quanto maior for a diferença de temperatura ambiente e do valor fixo.
Correção da junta de referência
Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala Prática Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68), recentemente atualizada pela ITS-90, para os termopares mais utilizados.
A partir dessas tabelas podemos construir um gráfico conforme a figura a seguir, onde está relacionado a milvoltagem gerada em função da temperatura, para os termopares segundo a norma ANSI, com a junta de referência a 0°C.
Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura, podemos observar uma variação da f.e.m. gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlação entre temperatura e a f.e.m., por uma questão prática padronizou-se o levantamento destas curvas com a junta de referência á temperatura de 0°C.
Correção da F.E.M. em Função da Temperatura
A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta enunciado a seguir:
"Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencial que pode ser da ordem de Volts".
Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente.
Efeito termoelétrico de Volta
Em 1854, Thomson conclui, através das leis da termodinâmica,que a condução de calor, ao longo dos fios metálicos de um par termoelétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio.
Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variação adicional na distribuição da temperatura denomina-se efeito Thomson.
O efeito Thomson depende do metal de que é feito o fio e da temperatura média da pequena região considerada. Em certos metais há absorção de calor, quando uma corrente elétrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que há geração de calor quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto é, há liberação de calor quando uma corrente elétrica flui da parte quente para a parte fria do metal. Concluí-se que, com a circulação de corrente ao longo de um fio condutor, a distribuição de temperatura neste condutor se modificará, tanto pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.
Efeito termoelétrico de Thomson
O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam ua junção, sendo independente da temperatura da outra junção. O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto.
Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas as junções á mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas da junções variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito ao efeito Joule. Esta variação adicional de temperatura é o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior como pelo próprio par termoelétrico.
Efeito termoelétrico de Peltier
O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metal difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções e estas são mantidas a diferentes temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos diferentes.
O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeck quando ele notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura DT entre as suas junções. Denominamos a junta de medição de Tm, e a outra, junta de referência de Tr. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante, verifica-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste. Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro.
Efeito termoelétrico de Seebeck
Efeitos Termoelétricos
Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junções mantidas a diferentes temperaturas, quatro fenômenos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Tomson e o efeito Volta.
A aplicação científica e tecnológica dos efeitos termoelétricos é muito importante e sua utilização no futuro é cada vez mais promissora. Os estudos das propriedades termoelétricas dos semicondutores e dos metais levam, na prática, à aplicação dos processos de medições na geração de energia elétrica (bateria solar) e na produção de calor e frio. O controle de temperatura feito por pares termoelétricos é uma das importantes aplicações do efeito Seebeck.
Atualmente, busca-se o aproveitamento industrial do efeito Peltier, em grande escala, para obtenção de calor ou frio no processo de climatização ambiente.
O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m..
Este princípio conhecido por efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura. Nas aplicações práticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura ao lado.
O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura (DT) existente entre as juntas quente e fria, será de um modo geral indicado, registrado ou transmitido.
Medição de temperatura com termopar
Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (Força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente.
O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência
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