Termodinâmica 1 Termometria - Termopares José Queiroz - Unilins.

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Termodinâmica 1

Termometria - Termopares

José Queiroz - Unilins

x

yi

T2=T. ambienteT1

“a” “b”

Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que, unindo as extremidades de dois metais diferentes “x” e “y” e submetendo as junções “a” e “b” a temperaturas diferentes T1 e T2, surge uma f.e.m. (força eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os pontos a e b, denominada “tensão termoelétrica”.

Figura 2 - Experimento de Seebeck

TERMOELETRICIDADETERMOPARES

TERMOELETRICIDADETERMOPARES

Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao se conectar dois metais diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado na Figura abaixo, tem-se um circuito tal que, se as junções “a” e “b” forem mantidas em temperaturas diferentes T1 e T2, surgirá uma f.e.m. termoelétrica e uma corrente elétrica “i” circulará pelo chamado "par termoelétrico” ou "termopar". Qualquer ponto deste circuito poderá ser aberto e nele inserido o instrumento para medir a f.e.m.

Em 1826, o físico francês Antonie Becquerel sugeriu pela primeira vez a utilização do efeito Seebeck para medição de temperatura.

x

yi

T2=T. ambienteT1

“a” “b”

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

1a Lei Termoelétrica

“A força eletromotriz "" de um termopar depende somente da natureza dos condutores e da diferença de temperatura entre as junções de contato”.

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Algumas conseqüências importantes da 1a Lei a) Se as junções estiverem a mesma temperatura, a

f.e.m. gerada pelo termopar é nula.

b) A f.e.m. gerada pelo termopar independe do ponto escolhido para medir o sinal. Por isso, ao confeccionar o termopar, numa das junções não é realizada a solda, introduzindo-se alí o instrumento.

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Lei dos Metais Intemediários

A f.e.m. do termopar não será afetada se em qualquer ponto do circuito for inserido um terceiro metal, desde que suas junções sejam mantidas a mesma temperatura. T3 = T4 --> E1 = E2

Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão ou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

2a Lei Termoelétrica(Lei das Temperaturas Intermediárias)

“Se dois metais homogêneos diferentes produzem uma f.e.m. E1 quando as junções estão às temperaturas T1 e T2, e uma f.e.m. E2, quando as junções estão a T2 e T3, a f.e.m. gerada quando as junções estão a T1 e T3 será E1 + E2”.

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – CIRCUITOS DE TERMOPARES E MEDIÇÕES DE F.E.M.

A Figura mostra um termopar usado para medir a temperatura T1; o instrumento indicará uma tensão proporcional a

diferença (T1 - T2 ). T2 pode ser medida com um termômetro

convencional.

      

  

x

y

a

bT1

T2

Cu

Cu

RT

Rv

      

No Circuito equivalente acima, Rv é a resistência interna do voltímetro. RT é a resistência dos fios do termopar

acrescido dos fios que levam o sinal ao instrumento.

MEDIÇÃO DE TEMPERATURA COM TERMOPAR

JUNTA DEMEDIÇÃO

TERMOPAR

BLOCO DELIGAÇÃO

CABO DEEXTENSÃO

JUNTA DEREFERÊNCIA

GRADIENTE DE TEMPERATURA (∆T)

TRM DE TEMP.,INDICADOR OUCARTÃO INPUT(CLP)

Efeitos Termoelétricos:Seebeck: A experiência de SEEBECK demonstrou que num circuito fechado, formado por dois fios de metais diferentes, se colocarmos os dois pontos de junção à temperaturas diferentes, se cria uma corrente elétrica cuja intensidade é determinada pela natureza dos dois metais, utilizados e da diferença de temperatura entre as duas junçõesPeltier : É o inverso do termopar: uma corrente elétrica é forçada a passar por junções de metais diferentes, resultando em aquecimento de uma e resfriamento de outra.Outros Efeitos: Thomson e Volta.

MEDIÇÃO DE TEMPERATURA COM TERMOPAR

A (+)

B (-)

T + T T - T

E

T Tr

A (+)

B (-)

I

Efeito Seebeck""

" Efeito Peltier "

Peltier : É o inverso do termopar: uma corrente elétrica é forçada a passar por junções de metais diferentes, resultando em aquecimento de uma e resfriamento de outra.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

mV

T

E

J

T

K

NICROSIL-NISIL

RS

B

Correlação da F.E.M. x Temperatura

FORNO

TIPO “T"

TERMÔMETRODIGITAL

50 ºC

2,035 mV

JR = 0,992 mV 25 ºC

A A

T2 E1 = 19,68 E2 = 0,96

Cr Cr

0 ºC24 ºC

Correção da Junta de Referência

F.e.m. = Jm – JrF.e.m. = 2,035 – 0,992F.e.m. = 1,043 mV

CABEÇOTE

CABO DE COBRE

REGISTRADOR24 °C

0,960 mV

0,00 mV

20,371 mV

38 °C1,529 mV

538 °C

22,260 mV

TC TIPO K

FORNO

+ 20,731 mV+ 0,000 mV+ 0,960 mV

+21,691 mV 525 °C ERRO = - 13 °C

EXTENSÃO -ERROS DE LIGAÇÃO

* Usando fios de cobre.

CABEÇOTE

CABO TIPO KX

REGISTRADOR24 °C

0,960 mV

0,569 mV

20,371 mV

38 °C1,529 mV

538 °C

22,260 mV

TC TIPO K

FORNO

+ 20,731 mV+ 0,569 mV+ 0,960 mV

+ 22,260 mV 538 °C ERRO = ' 0

* Usando fios de compensação.

EXTENSÃO – COMPENSAÇÃO CABO ESPECIAL

CABEÇOTE

CABO TIPO KX

REGISTRADOR24 °C

0,960 mV

0,569 mV

20,731 mV

38 °C1,529 mV

538 °C

22,260 mV

TC TIPO K

FORNO

- 20,731 mV+ 0,569 mV+ 0,960 mV

- 19,202 mV

* Inversão simples.

EXTENSÃO -ERROS DE LIGAÇÃO

CABEÇOTE

CABO TIPO KX

REGISTRADOR24 °C

0,960 mV

0,569 mV

20,731 mV

38 °C1,529 mV

538 °C

22,260 mV

TC TIPO K

FORNO

+ 20,731 mV- 0,569 mV+ 0,960 mV

+ 21,102 mV 511 °C ERRO = - 27 °C

* Inversão Dupla.

EXTENSÃO -ERROS DE LIGAÇÃO

ASSOCIAÇÃO SÉRIE DE TERMOPARES

1. - Associação Série – Exemplo tipo K

F.e.m. = E56 – E50F.e.m. = (2,27 - 1,0) + (2,022 – 1,0)F.e.m. = 1,27 +1,022F.e.m. = 2,292 mV

ASSOCIAÇÃO DE TERMOPARES

1. - Associação Série Oposta – Exemplo tipo K

ASSOCIAÇÃO DE TERMOPARES

1. - Associação Paralelo – Exemplo tipo K

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

 Termopares básicos

 São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior. A seguir daremos informações sobre os termopares da norma ANSI MC – 96.1 e baseados na ITS – 90.

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Normas e Características - básico 

Tipo T Cor do fio: ( + ) Azul ( - ) VermelhoCor do cabo: AzulLiga: ( + ) Cobre - ( 99,9 % ) ( - ) Constantan - São as ligas de Cu - Ni compreendidos no

intervalo entre Cu ( 50 % ) e Cu ( 65 % ) Ni ( 35 % ). A composição mais utilizada para este tipo de termopar é de Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ).

Características:Faixa de utilização: - 184 °C a 370 °CF.e.m. produzida: - 6,258 mV a 20,810 mVAplicações: Criometria (baixas temperaturas), Indústrias de refrigeração,

Pesquisas agronômicas e ambientais, Química e Petroquímica.

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Normas e Características - Básico 

Tipo J Cor do fio: ( + ) Branco ( - ) VermelhoCor do cabo: PretoLiga: ( + ) Ferro - ( 99,5 % ) ( - ) Constantan= Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ).

Normalmente se produz o ferro a partir de sua característica e casa-se o constantan adequado.

Características:Faixa de utilização: 0 °C a 760 °CF.e.m. produzida: - 8,095 mV a 43,559 mVAplicações: Centrais de energia, Metalúrgica, Química, Petroquímica,

indústrias em geral.

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Normas e Características - Básico 

Tipo E Cor do fio: ( + ) Violeta ( - ) VermelhoCor do cabo: VioletaLiga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % ) ( - ) Constantan - Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % )Características:Faixa de utilização: 0 °C a 870 °CF.e.m. produzida: - 9,835 mV a 76,298 mVAplicações: Química e Petroquímica

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Normas e Características - Básico 

Tipo K Cor do fio: ( + ) Amarelo ( - ) VermelhoCor do cabo: AmareloLiga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % ) ( - ) Alumel - Ni( 95,4 % ), Mn( 1,8 % ), Si( 1,6 % ), Al( 1,2 % )Características:Faixa de utilização: 0 °C a 1260 °Cf.e.m. produzida: - 6,458 mV a 54,852 mVAplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e

Cal, Vidros, Cerâmica, Indústrias em geral.

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Termopares Nobres  

São aqueles que os pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios dos termopares.

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Normas e Características – Termopares Nobres 

Tipo S Cor do fio: ( + ) Preto ( - ) VermelhoCor do cabo: VerdeLiga: ( + ) Platina 90% Rhodio 10 % ( - ) Platina 100 %Características:Faixa de utilização: 0 °C a 1480 °CF.e.m. produzida: - 0,236 mV a 18,693 mVAplicações: Siderúrgica, Fundição, Metalúrgica, Usina de Cimento,

Cerâmica, Vidro e Pesquisa Científica. Observação: É utilizado em sensores descartáveis na faixa de 1200 a

1768 °C, para medição de metais líquidos em Siderúrgicas e Fundições

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Normas e Características – Termopares Nobres 

Tipo R Cor do fio: ( + ) Preto ( - ) VermelhoCor do cabo: VerdeLiga: ( + ) Platina 87 % Rhodio 13 % ( - ) Platina 100 %Características:Faixa de utilização: 0 °C a 1480 °CF.e.m. produzida: - 0,226 mV a 21,101 mVAplicações: As mesmas do tipo S 

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Normas e Características – Termopares Nobres 

Tipo B Cor do fio: ( + ) Cinza ( - ) VermelhoCor do cabo: CinzaLiga: ( + ) Platina 70 % Rhodio 30 % ( - ) Platina 94 % Rhodio 6 %Características:Faixa de utilização: 870a 1705 °Cf.e.m. produzida: 0 mV a 13,809 mVAplicações: Vidro, Siderúrgica, alta temperatura em geral. 

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Termopares Especiais  

Ao longo dos anos, os tipos de termopares produzidos oferecem, cada qual, uma característica especial, porém apresentam restrições de aplicação, que devem ser consideradas.

Novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender as condições de processo onde os termopares básicos não podem ser utilizados.

TERMOELETRICIDADETERMOPARES – LEIS TERMOELÉTRICAS

Normas e Características – Termopares Especiais

TUNGSTÊNIO – RHÊNIO : Esses termopares podem ser usados continuamente até 2300 °C e por curto período até 2750 °C.

IRÍDIO 4 0 % - RHODIO / IRÍDIO: Esses termopares podem ser utilizados por períodos limitados até 2000 °C.

 PLATINA - 4 0% RHODIO / PLATINA - 2 0 % R H O D I O: Esses termopares

são utilizados em substituição ao tipo B onde temperaturas um pouco mais elevadas são requeridas. Podem ser usados continuamente até 1600 °C e por curto período até 1800 °C ou 1850 °C.

  OURO-FERRO / CHROMEL: Esses termopares são desenvolvidos para

trabalhar em temperaturas criogênicas.  NICROSIL / NISIL: Basicamente, este novo par termoelétrico é um substituto

para o par tipo K, apresentando uma força eletromotriz um pouco menor em relação ao tipo K.

 

Determine os valores pedidos dos esquemas abaixo :