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Calibrao de um Termopar

INTRODUO

Termopares so termmetros bastante utilizados, na indstria e em

laboratrios de pesquisa, para medies em uma ampla faixa de temperatura de,

aproximadamente, 250 C a 1500 C. Por se basear na medio de uma diferena de

potencial, um termopar apresenta facilidade de leitura e de monitoramento de

temperatura distncia e de fcil adaptao em sistemas de controle e automao.

Neste experimento, sero discutidos o princpio de funcionamento de termopares e o

modo como eles so construdos e calibrados.

Sabe-se que um campo eltrico pode produzir uma corrente eltrica em

slidos. Da mesma forma, variaes de temperaturas tambm podem produzir

correntes eltricas. Considere, por exemplo, um metal cujas extremidades so

mantidas em temperaturas diferentes por meio de contato trmico com reservatrios

de calor. Nessa situao, a densidade de eltrons livres diferente nas duas

extremidades, o que d origem a um campo eltrico no metal; um outro campo

eltrico produzido pelo gradiente de temperatura no metal variao de

temperatura ao longo do metal ; e, juntos, do origem a uma corrente eltrica. Os

efeitos causados pela interao entre as correntes eltricas e as trmicas em ummaterial so chamados de efeitos termoeltricos. O funcionamento de um termopar

baseia-se em um deles, conhecido como efeito Seebeck.

Para mostrar o efeito Seebeck e o modo como medi-lo, considere dois fios

metlicos A e B , de materiais diferentes, ligados um ao outro, como

representado na Figura 1. As duas junes dos fios so colocadas em contato trmico

com dois reservatrios de calor, cujas temperaturas so T1e T2. Um voltmetro ideal

ligado entre dois pontos de um dos fios, ambos temperatura T0. Como o circuito

formado pelos fios est aberto, a corrente eltrica, nele, nula. Nessa situao, surge

uma fora eletromotriz nas extremidades livres, que depende do material dos fios e da

variao de temperatura entre as junes. Esse fenmeno conhecido como efeito

Seebeck cuja descrio est detalhada no Apndice F.

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T1 T2

T0

T0

A

B1

2

4

3

FIGURA 1 - Dois fios A e B ,de materiais diferentes, ligados umao outro para formar as junes 2 e

3. Quando as temperaturas dessas

junes so diferentes, uma foraeletromotriz produzida nas

extremidades 1 e 4, que esto a

uma mesma temperatura T0.

Para pequenas diferenas de temperatura entre as junes, a fora eletromotriz

proporcional a essa diferena, ou seja, dada por

)( 12 TT

em que , chamado de coeficiente Seebeck,1

depende do material dos fios e da

temperatura.

O dispositivo esquematizado na Figura 1 a base de um termopar utilizado

como termmetro. Para isso, uma das junes colocada em contato trmico com o

objeto cuja temperatura se deseja determinar, enquanto a outra mantida em uma

temperatura constante, chamada de temperatura de referncia, como representado na

Figura 2. Usualmente, utiliza-se a temperatura do gelo em fuso como referncia.

Conhecido o coeficiente Seebeck, a temperatura do objeto pode ser determinada por

meio da medio da fora eletromotriz que gerada.

1Alguns autores chamam este coeficiente de potncia termoeltrica.

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T1

T2

A

A B

gua comgelo

FIGURA 2 - Diagrama esquemtico de um termopar, constitudo de doisfios A e B de materiais diferentes. Uma das junes dos fios

mantida a uma temperatura T1,e a outra deve estar em contato trmico com

o objeto cuja temperatura se deseja determinar; um voltmetro mede afora eletromotriz ento produzida.

O coeficiente Seebeck muito pequeno para os termopares tpicos, ou seja, a

fora eletromotriz gerada pequena mesmo para grandes variaes de temperatura.

No Figura 2, representa-se esse coeficiente em funo da temperatura de alguns

termopares comerciais. Na Tabela 1, esto listados, para cada tipo de termopar, o

valor do coeficiente Seebeck a 20 C e a sensibilidade que deve ter um voltmetro para

permitir uma preciso de 0,1 C na medio de temperatura.

FIGURA 21 - Coeficiente de Seebeck em funo da temperatura de algunstermopares comerciais

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TABELA 1

Coeficiente de Seebeck a 20 C e sensibilidade que deve ter um voltmetro para uma

preciso de 0,1 C na medio de temperatura, de termopares comerciais

Tipo dotermopar

Metais dajuno

Coeficiente Seebecka 20 C

(V/ C)

Sensibilidade dovoltmetro para 0,1 C

(V)E Cromel/Constantan 62 6,2

J Fe/Constantan 51 5,1

K Cromel/Alumel 40 4,0

R Pt/Pt + 13% Rd 7 0,7

S Pt/Pt + 10% Rd 7 0,7

T Cu/Constantan 40 4,0

PARTE EXPERIMENTAL

Objetivo

Calibrar um termopar.Material utilizado

Termopar, voltmetro com sensibilidade mnima de 10 V, termmetro comescala de 0 a 100

oC e sensibilidade mnima de 1

oC, ebulidor, agitador de gua,

recipiente para gua, recipiente refratrio, nitrognio lquido, fsforo ou isqueiro.

Procedimentos

O processo de calibrao de um termopar consiste em fazer medies da fora

eletromotriz gerada para diversos valores conhecidos de temperatura da juno de

medida. Para determinao dessa temperatura, deve-se utilizar um outro termmetro,

j calibrado.

Faa a montagem representada na Figura 2. Neste experimento, a temperatura dereferncia no ser a de gua com gelo; a juno de referncia ser mantida

temperatura ambiente, cujo valor deve ser previamente medido com o termmetro

de mercrio.

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No recipiente refratrio, aquea cerca de 200 ml de gua com o ebulidor, at que otermmetro de mercrio indique uma temperatura entre 90

oC e 100

oC.

Mergulhe a juno de medida do termopar na gua aquecida. Feito isso, mea,com o voltmetro, a diferena de potencial e, com o termmetro de mercrio, a

temperatura da gua.

Em seguida, deve-se medir a diferena de potencial no termopar para diversosvalores de temperatura da gua. Para isso, aos poucos, adicione gua fria gua

quente contida no recipiente e repita as medidas feitas na etapa anterior. Mantenha

a ponta do termopar prxima ao bulbo do termmetro para garantir que ambos

estejam mesma temperatura.

Faa o grfico da diferena de potencial no termopar em funo da temperatura dagua. Com base nesse grfico, verifique se o coeficiente Seebeck desse termopar

constante na faixa de temperatura observada. Assim sendo, faa uma regresso

linear dos resultados das medies e determine o valor desse coeficiente. Escreva,

ento, a equao de calibrao (T) do termopar.

Agora que o termopar est calibrado, utilize-o para medir a temperatura ambientee a temperatura de uma pessoa. Mea essas temperaturas, tambm, com o

termmetro de mercrio e compare os valores obtidos em cada caso.

Ateno: Para as medidas a seguir, NO use o termmetro de mercrio, pois ele ser

danificado.

Utilize o termopar para medir a temperatura do nitrognio lquido e da chama deum isqueiro. Sabe-se que a temperatura do nitrognio lquido de 196

oC. Avalie

os resultados obtidos nessas medies.