Termopares são termômetros que são amplamente utilizados na medição de temperatura industrial. Eles são particularmente adequados para medir altas temperaturas. Mas como funcionam os termopares? Como medir temperaturas com dois fios simples? A chave para compreendê-lo está no efeito Seebeck.
Conteúdo
Contexto geral
O efeito Seebeck, descrito pela primeira vez em 1821 por Thomas Johann Seebeck, é o fenômeno que uma corrente elétrica fraca flui em um circuito elétrico de dois condutores diferentes quando os pontos de contato dos condutores têm temperaturas diferentes. Esta conexão de condutores é chamada de termopar ou termopar.
O Efeito Seebeck
Para entender o efeito Seebeck, podemos olhar para um único condutor elétrico. Dentro do condutor estão átomos entre os quais os elétrons livres se movem. Em um estado de equilíbrio térmico, os elétrons livres são distribuídos uniformemente no condutor.
No entanto, se o calor for aplicado em um lado do condutor, a velocidade dos elétrons livres nesse ponto aumenta. O aumento da velocidade dos elétrons os desloca para a extremidade mais fria do condutor. Neste ponto frio, um centro de gravidade de carga é criado.
No entanto, este efeito por si só não permite a medição de temperatura reprodutível, uma vez que é altamente dependente da temperatura e não fornece uma relação constante entre temperatura e tensão.
Aplicação do efeito Seebeck
Para obter uma medição de temperatura reprodutível, dois metais diferentes com comportamento diferente dos elétrons em relação à temperatura podem ser usados. Quando esses metais são conectados e há uma diferença de temperatura entre as juntas , diferentes centros de carga e uma tensão térmica mensurável são criados.
Um exemplo de termopar é o termopar tipo N, constituído por NiCrSi e NiSi. Se houver uma diferença de temperatura entre os pontos de contato dos dois condutores, cria-se uma tensão térmica mensurável, que pode ser detetada com um voltímetro.
Duas condições são importantes:
- Os dois condutores devem estar ligados um ao outro.
- Deve haver uma diferença de temperatura entre as junções T1 e T2.
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Calibração de termopares
A Klasmeier oferece calibrações acreditadas de acordo com a norma DIN EN ISO/IEC (DAkkS) para termopares. A calibração é efetuada em pontos fixos de temperatura ITS-90 ou de acordo com o método de comparação no intervalo de -196 °C a 1200 °C. Os termopares de metais preciosos e metais não preciosos são calibrados, incluindo varreduras de falta de homogeneidade para obter resultados de medição precisos.
Tipos comuns de termopares
Os termopares vêm em diferentes tipos, cada um caracterizado pela combinação de materiais de seus fios. Cada tipo tem suas próprias vantagens e desvantagens, bem como áreas específicas de aplicação. Aqui estão alguns dos tipos de termopares mais comuns:
- Tipo B (platina-ródio/platina):
- Faixa de temperatura: 0°C a 1.800°C
- Precisão de alta temperatura
- Tipo E (níquel-crómio/constantano):
- Faixa de temperatura: -270°C a 1.000°C
- Alta tensão térmica e boa precisão
- Tipo J (Ferro/Constantan):
- Faixa de temperatura: -210°C a 1.200°C
- Não adequado para atmosferas oxidantes acima de 550°C
- Tipo K (níquel-crómio/níquel-alumínio):
- Faixa de temperatura: -200°C a 1.260°C
- Ampla faixa de temperatura e custo-benefício
- Tipo N (Nicrosil/Nisil):
- Faixa de temperatura: -270°C a 1.300°C
- Melhor estabilidade térmica e resistência à oxidação do que o Tipo K
- Tipo R (platina-ródio/platina):
- Faixa de temperatura: -50°C a 1.760°C
- Precisão de alta temperatura
- Tipo S (platina-ródio/platina):
- Faixa de temperatura: -50°C a 1.760°C
- Semelhante ao Tipo R, frequentemente utilizado na indústria do vidro e da cerâmica
- Tipo T (Cobre/Constantano):
- Faixa de temperatura: -270°C a 400°C
- Bom para baixas temperaturas, estável em atmosferas oxidantes
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Termopar de precisão Pt/Pd (0 °C a 1500 °C)
A Klasmeier oferece termopares de precisão Pt/Pd com uma faixa de temperatura de 0 °C a 1500 °C. Estes são caracterizados por um desenho de compensação de tensão, baixa falta de homogeneidade e baixas incertezas de medição. A pureza dos fios térmicos é de 99,99%, resultando em medições precisas e estáveis. Particularmente adequado para aplicações com requisitos de alta precisão.
Marcação por cores do miniconector
Os termopares são hoje uma parte indispensável de muitas aplicações industriais e da investigação científica. A sua capacidade de medir temperaturas com precisão e fiabilidade torna-os uma ferramenta importante. A identificação correta dos termopares é crucial para a correta medição da temperatura.
Uma maneira é verificar a cor das fichas e isolamento (códigos de cores). Ao longo dos anos, um grande número de tipos diferentes foram desenvolvidos, consistindo em diferentes pares de materiais. A fim de permitir uma distinção clara, os diferentes tipos foram dotados de cores de identificação. Essas combinações de cores são representadas em tabelas de cores. No entanto, deve-se notar que existem diferentes códigos de cores para diferentes países, por exemplo, aqueles classificados de acordo com “IEC” (International Electrotechnical Commission), “BS” (British Standard) ou “ANSI” (American National Standards Institute).
Um exemplo das diferenças na codificação de cores é o Tipo R. De acordo com a norma IEC, este tem isolamento laranja, enquanto de acordo com o padrão BS, está marcado a verde. Estas diferenças podem gerar confusão, especialmente quando se utilizam termopares de países diferentes. Por conseguinte, é importante conhecer e ter em conta as normas pertinentes.
A seguir estão alguns tipos comuns e seus códigos de cores correspondentes:
Tipo K: IEC – verde; BS – amarelo; ANSI – amarelo
Tipo J: IEC – preto; BS – branco; ANSI – branco
Tipo T: IEC – castanho; BS – azul; ANSI – azul
Tipo E: IEC – roxo; BS – roxo; ANSI – Roxo
Tipo N: IEC – rosa; BS – laranja; ANSI – laranja
Descarregue a tabela de cores dos termopares em formato PDF:
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Desvios Limite de Termopares
Os desvios limite referem-se ao erro máximo ou imprecisão que pode ocorrer ao medir a temperatura com um termopar.
O desvio limite é especificado na norma IEC 60584 para termopares e indica o erro máximo admissível que pode ocorrer durante a medição de temperatura para ainda ser considerado compatível com a norma. O desvio-limite será dado como um valor absoluto da temperatura (por exemplo, ±1°C) e, na gama de temperaturas mais elevada, como uma percentagem da temperatura medida.
Existem diferentes classes de termopares, cada um com diferentes desvios-limite. Alguns exemplos:
- Classe 1: Estes termopares têm os desvios limite mais baixos e são utilizados para medições precisas.
- Classe 2: Estes são ligeiramente menos precisos do que a Classe 1, mas ainda são usados em muitas aplicações.
- Classe 3: Estes têm os maiores desvios de limite e são usados em aplicações onde a precisão é menos crítica.
É importante notar que o desempenho real de um termopar também é afetado por outros fatores, como a qualidade dos materiais utilizados, a construção do termopar e as condições em que ele é usado. Portanto, é crucial especificar e usar corretamente o termopar para garantir que as medições estejam dentro dos desvios limite esperados.
Desvio limite tipo K
Desvio limite Tipo N
Desvio limite Tipo R
Tipo de desvio limite S
O efeito K dos termopares do tipo K
Os termopares Tipo K, que consistem nos termopares NiCr e NiAl, são amplamente utilizados na indústria e oferecem muitas vantagens graças à sua capacidade de serem usados em uma faixa de temperatura extremamente ampla (-270°C a 1372°C) e sua alta sensibilidade a temperaturas relevantes para a indústria. No entanto, eles não são impecáveis, especialmente em uma faixa de temperatura específica. Trata-se do chamado “efeito K”.
Contexto geral:
Embora os termopares do Tipo K possam ser usados em uma faixa de temperatura extremamente ampla, eles só são confiáveis na vida cotidiana abaixo de 250 °C ou acima de 600 °C. Isto é devido a um fenômeno especial conhecido como o efeito K ou condição do tipo K.
O efeito K:
A perna NiCr de um termopar tipo K tem uma orientação ordenada na rede cristalina abaixo de 400°C. Quando o elemento é aquecido acima deste ponto, uma transição para um estado desordenado ocorre entre 400°C e 600°C. Só acima dos 600°C é que a grelha se reorganiza.
No entanto, arrefecer demasiado depressa causará problemas. A taxas de resfriamento de mais de aprox. 100 °C por hora, a rede cristalina não se transforma como desejado e permanece em um estado desordenado. Isso pode levar a um erro de tensão térmica de até 0,8 mV, o que corresponde a um desvio de cerca de 5°C.
Curiosamente, este efeito K é reversível. Através da chamada têmpera a temperaturas acima de 700°C e subsequente arrefecimento mais lento, a rede pode ser em grande parte restaurada ao seu estado original.
Relevância para a indústria:
Devido a este efeito K, os termopares do Tipo K não são adequados para medições entre 250°C e 600°C, onde a temperatura muda rapidamente. Nesta faixa, eles podem ter defeitos muito grandes e não reprodutíveis, muitas vezes na ordem de 2°C a 10°C.
Considerações Finais:
Embora os termopares Tipo K sejam amplamente utilizados na indústria devido às suas muitas vantagens, como uma ampla faixa de temperatura operacional e custo-benefício, seu escopo de aplicação deve ser cuidadosamente considerado. Em particular, a falta de confiabilidade na faixa de 250 °C a 600 °C devido ao efeito K pode levar a erros de medição significativos.
Recomenda-se considerar alternativas como o termopar Tipo N (NiCrSi-NiSi), que é menos suscetível a este efeito de close-up ligando ambas as pernas com silício.
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Termopar de precisão Tipo R (0 °C a 1200 °C)
O termopar de precisão Tipo R da Klasmeier é adequado para medições e calibrações de temperatura de alta precisão. Possui fios térmicos de metal precioso da mais alta pureza e é montado com uma junta de aço inoxidável. Pode ser calibrado em pontos fixos de temperatura e oferece baixas incertezas de medição. O intervalo de temperatura é de 0 °C a 1200 °C.
Inferência
Os termopares são instrumentos simples, mas poderosos, para medir a temperatura. Eles são baseados no efeito Seebeck e geram uma tensão mensurável que depende da temperatura. Esta tecnologia encontrou amplas aplicações na indústria e na investigação, fornecendo um método fiável de medição de temperatura, especialmente a altas temperaturas.
Fontes:
- Frank Bernhard: Manual de Medição Técnica de Temperatura, 2ª edição
- Thomas Klasmeier: Table Book “Temperatura”, Edição 3
