Princípio de trabalho Termopar

4 - TERMOPAR

Princípio de funcionamento

Os termopares transformam calor em eletricidade. As duas extremidades de dois fios de metais diferentes (e.g., ferro e constant), são trançadas juntas para formar duas junções: uma de medição e outra de referência. Um voltímetro ligado em paralelo irá mostrar uma tensão termelétrica gerada pelo calor. Esta tensão é função da:

1. diferença de temperatura entre a junção de medição e a junção de referência, que é o princípio da medição da temperatura.

2. tipo do termopar usado. Pesquisas são desenvolvidas para se encontrar pares de metais que tenham a capacidade de gerar a máxima militensão quando submetidos a temperaturas diferentes.

3. homogeneidade dos metais. As instalações de termopar requerem calibrações e inspeções periódicas para verificação do estado dos fios termopares. A degradação do termopar introduz erros na medição.

Circuito de medição

O circuito de medição completo deve possuir os seguintes componentes básicos:

1. o termopar, que está em contato com o processo. O ponto de junção dos dois metais distintos é chamado de junta quente ou junta de medição.

2. a junta de referência ou junta fria ou junta de compensação, localizada no instrumento receptor. Como a militensão é proporcional à diferença de temperatura entre as duas junções, a junta de referência deve ser constante. Como nos primeiros circuitos havia um recipiente com água + gelo, para manter a junta de referência em 0 oC, a junta de referência é também chamada de junta fria. Mesmo quando se mede temperatura abaixo de 0 oC, portanto quando a junta quente é mais fria que a junta fria, os nomes permanecem, por questões históricas. Atualmente, em vez de se colocar um pouco prático balde com água + gelo, utiliza-se o circuito de compensação com termistores e resistências.

3. circuito de detecção do sinal de militensão, geralmente a clássica ponte de Wheatstone, com as quatro resistências de balanço. Na prática o circuito é mais complexo, colocando-se potenciômetros ajustáveis no lugar de resistências fixas. Os ajustes correspondem aos ajustes de zero e de largura de faixa.

4. a fonte de alimentação elétrica, de corrente contínua, para a polarização dos circuitos elétricos de detecção, amplificação e condicionamento do sinal.

Configurações

As configurações de ligações podem ser de três tipos básicos:

1. O termopar é ligado diretamente do processo para o instrumento receptor remoto. Os fios de ligação devem ser de termopar, do mesmo tipo que a junta de medição, a fim de não introduzir erros de medição. Atualmente, são desenvolvidos fios de extensão feitas de ligas com características termelétricas iguais as do termopar e de menor custo.

2. O termopar é ligado ao transmissor eletrônico de temperatura. A entrada do transmissor é o termopar, ligado ao processo e a saída é o sinal padrão de corrente, de 4 a 20 mA cc. A vantagem dessa ligação é que o fio de transmissão é de cobre comum mais econômico que o fio de termopar.

3. O termopar é ligado ao transmissor pneumático de temperatura. A entrada do transmissor é o termopar, em contato com o processo e a saída do transmissor é o sinal pneumático padrão, de 20 a 100 kPa. Essa configuração é adequada quando se tem o instrumento receptor de natureza pneumática.

Fig. 4.1 - Transmissor inteligente de temperatura (Rosemount)

Tipos de termopares

Existem vários tipos de termopares, designados por letras; cada tipo apresentando maior linearidade em determinada faixa de medição. Essa variedade de tipos facilita a escolha, principalmente porque há muita superposição de faixa, havendo uma mesma faixa possível de ser medida por vários termopares.

(a) Sistema completo: bulbo, sensor e poço

(b) Sensor termopar

Fig. 4.2 - Conjunto do termopar

A militensão gerada é de corrente contínua. O termopar é polarizado e cada metal corresponde a uma polaridade. Convenciona-se que o primeiro nome do termo corresponde ao pólo (+).

Os tipos mais utilizados são:

1. tipo J, de Ferro (+) e Constantant (-), com faixa de medição até 900 oC. Para a identificação, o Fe é o fio magnético.

2. tipo K, de Cromel (+) e Alumel (-), para a faixa de medição até 1.200 oC, sendo o Cromel levemente magnético.

3. tipo T, de Cobre (+) e Constantant (-), para faixa até 300 oC. É fácil a identificação do cobre por causa de sua cor característica.

4. tipo S, com a liga (+) de Platina (90%) + Ródio (10%) e Platina pura (-). Atinge até medição de 1.500 oC e para identificação, platina pura é a mais maleável.

5. tipo R, também liga (+) de Platina (87%) + Ródio (13%) e Platina (-), com a mesma faixa de medição até 1.500 oC e identificando-se a platina pura pela maior maleabilidade.

Cada curva de termopar é diferente entre si e todas possuem regiões não-lineares. As curvas são necessárias e úteis para a calibração do receptor de termopar. Quando se quer calibrar um instrumento indicador-registrador de temperatura a termopar, em vez de se ter um banho de temperatura, simula-se diretamente um sinal de militensão substituindo-se o termopar.

Fig. 4.3 - Curvas dos vários tipos de termopar

Vantagens e limitações

O termopar apresenta todas as vantagens inerentes ao sistema elétrico. Por isso, quando comparado ao sistema mecânico de enchimento termal tem-se:

1. menor