Relatório Prática 1 - Medidores de Temperatura

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FATEB – FACULDADE DE TELÊMACO BORBA

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

LABORATORIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I

PROFª.: RUBIANE G. MARQUES

RELATÓRIO: PRÁTICA 1 - 2° BIMESTREMEDIDORES DE TEMPERATURA

Acadêmicos 6° Período:

Alexandre M. de Almeida

Alisson Pinheiro

Pâmila H. de Melo

Rodrigo da Silva

Telêmaco Borba - PR

Outubro 2007

Laboratório de Engenharia Química I – Experimento: Medidores de Temperatura

RESUMO

Em todas as instalações industriais, a medição da temperatura é de extrema

importância, permite a medição de níveis de energia térmica, conhecer a eficiência

dos equipamentos térmicos e assim poder corrigir as suas condições de

funcionamento, bem como conhecer a eficiência de ciclos termodinâmicos.

Os termopares são os sensores de temperatura preferidos nas aplicações

industriais, seja pela sua robustez, seja pela simplicidade de operação. Entretanto,

para que as medições de temperatura com termopar sejam significativas e

confiáveis, é fundamental conhecer não somente os princípios básicos de operação,

como também as condições que o usuário deve proporcionar para que esses

princípios sejam válidos.

Este relatório apresenta a definição e classificação de termopares, construção de um

termopar para verificação da f.e.m. da ordem de milivolts formada, como também um

método de calibração de termopares.

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ------------------------------------------------------------------------------04

2. OBJETIVOS EXPERIMENTAIS -----------------------------------------------------------05

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA – TERMOPARES -------------------------------------05

3.1 TERMOPARES COMERCIAIS ------------------------------------------------09

3.2 ERROS EM MEDIÇÕES COM TERMOPARES ----------------------------13

4. MATERIAIS E MÉTODOS -----------------------------------------------------------------18

4.1 MONTAGEM DOS EQUIPAMENTOS ---------------------------------------19

4.2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS --------------------------------------19

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO -----------------------------------------------------------21

5.1 CONSTRUÇÃO DE PARES TERMOELÉTRICOS E MEDIDA DA F.E.M.

TERMOELÉTRICA ----------------------------------------------------------------------------21

5.2 CALIBRAÇÃO DOS PARES TERMOELÉTRICOS --------------------------22

6. CONCLUSÃO --------------------------------------------------------------------------------25

LISTA DE FIGURAS ---------------------------------------------------------------------------26

LISTA DE TABELAS ---------------------------------------------------------------------------26

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ---------------------------------------------------------27

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1. INTRODUÇÃO

A temperatura é a segunda grandeza mais medida no mundo, perdendo

apenas para o tempo. Só por isso, já temos uma idéia da sua importância na vida

das pessoas e na produção industrial. Monitoramento ambiental; meteorologia;

investigação de novos combustíveis; aproveitamento da energia solar;

desenvolvimento de motores para automóveis; cuidados médicos; qualidade final de

um produto e conservação de alimentos nas gôndolas dos supermercados são

alguns exemplos da influência da temperatura no dia-a-dia das pessoas. E

praticamente todo o processo industrial está sobre os efeitos dessa grandeza.

Ao contrário da pressão, a medição da temperatura não depende da

quantidade do material que se pretende avaliar. Por esse motivo, foram muitas as

dificuldades em se criar um instrumento capaz de medi-la corretamente. Galileu

Galilei é considerado o primeiro inventor de um termômetro, em 1592. Depois dele,

vários modelos foram desenvolvidos. Santorio Santorre criou o termoscópio a base

de ar e equipado com uma escala para leitura, em 1612. Só em 1714, um fabricante

holandês de instrumentos de precisão chamado Gabriel Fahrenheit desenvolveu os

primeiros termômetros de mercúrio precisos e repetitivos. Em 1821, Thomas

Seebeck descobriu o termopar, mais importante sensor industrial de temperatura.

O Sistema Internacional de Unidades (SI) classifica a temperatura universal

em Kelvins. Porém, admite-se que essa escala não é adequada para o uso diário.

Assim, foi estabelecida a seguinte proporção: t / ºC = T / K – 273,15. Atualmente, a

medição de temperaturas por meio de termômetros de platina é muito importante

nos processos de controle industrial. O maior objetivo da monitoração de variáveis e

controle em processos industriais é obter produtos de alta qualidade, com melhores

condições de rendimento e segurança, com custos de produção compatíveis com a

grande competitividade do mercado globalizado. Mas, a influência da temperatura

não pára por aí, ela pode ser responsável também pela eficácia dos processos de

esterilização; tratamento térmico de metais; refino de aço e conservação de

alimentos, como também em processos de fabricação de celulose e papel, onde a

temperatura influencia diretamente o processos de cozimento da madeira ou outro

material celulósico.

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2. OBJETIVOS EXPERIMENTAIS

Os experimentos aqui relatados possuem os seguintes objetivos

específicos:

Constatar a veracidade do surgimento de uma f.e.m. em um termopar cujas

junções são submetidas a temperaturas diferentes;

Calibrar um par termoelétrico e adquirir conhecimento suficiente para, a partir

da manipulação dos dados obtidos, construir a curva de calibração de um par

termoelétrico.

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA – TERMOPARES

Termopar é um tipo de sensor de temperatura muito simples, robusto,

barato e de fácil utilização. O dispositivo gera eletricidade a partir de diferenças de

temperatura. Dois fios condutores de eletricidade, por exemplo, o cobre e uma liga

de cobre/níquel chamada constantã, quando unidos em uma de suas extremidades,

geram uma tensão elétrica, que pode ser medida na outra extremidade, se existir

diferença de temperatura entre elas. Como a diferença de potencial é proporcional à

diferença de temperatura entre suas junções, este princípio, denominado efeito

Seebeck em homenagem ao cientista que o descreveu, é amplamente utilizado para

medir temperatura na indústria, em muitos tipos de máquinas e equipamentos.

Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que, unindo

as extremidades de dois metais diferentes “Fe” e “Cu” (Figura 1), e submetendo as

junções “1” e “2” 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 1 – Par termoelétrico e junções.

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Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao se

conectar dois metais diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado na Figura 1,

tem-se um circuito tal que, se as junções “1” e “2” 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. (Figura 2). Uma conseqüência imediata do efeito

Seebeck é o fato de que, conhecida a temperatura de uma das junções, pode-se

saber a temperatura da outra junção através da f.e.m. produzida. A medição de

temperatura é, na realidade, a maior aplicação do termopar (que também pode ser

usado como conversor termoelétrico, embora apresente baixo rendimento),

bastando para isso que se conheça a relação f.e.m. x variação de temperatura na

junção do termopar. Esta relação pode ser conseguida através de uma “calibração”,

ou seja, uma comparação com um padrão.

Figura 2 – Circuito para medir o potencial de Seebeck compreendendo dois fios diferentes (A e

B), duas junções e um voltímetro.

A tensão de circuito aberto através da junção de referência é a chamada

tensão de Seebeck e aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as

junções aumenta. O termopar tem como princípio geral de funcionamento as leis que

seguem abaixo:

Lei das Temperaturas Sucessivas: Estabelece a correspondência entre as

forças eletromotrizes obtidas para diferentes temperaturas de referência.

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Permite, em conseqüência, compensar ou prever dispositivos que

compensam mudanças de temperatura da junta de referência.

Lei dos Metais Intermediários: A força eletromotriz de um termopar não será

afetada se em qualquer ponto de seu circuito for inserido um metal genérico

desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.

Existe uma variedade de meios em que o termopar pode ser incorporado

como um sensor capaz de medir temperatura de um sistema físico. É necessário

garantir que a junção de medição esteja numa condição isotérmica, daí a

importância de imergir o termopar a uma profundidade adequada (grosseiramente

entre 10 a 20 vezes seu diâmetro externo – incluindo as proteções). Pelo fato de o

transdutor responder a um gradiente de temperatura, ele deve ser conectado a dois

sistemas físicos em duas temperaturas diferentes.

A junção de referência deve ser isotérmica para propiciar uma temperatura

conhecida e auxiliar na obtenção de uma interface do sinal, que isola o sensor da

instrumentação. Os fios de transmissão do sinal da junção de referência até o

instrumento estão freqüentemente em um meio mais controlado do que aquele de

outros sensores de temperatura, especialmente se a junção de referência estiver

dentro do instrumento. Se o instrumento for um voltímetro, a interpretação dos dados

requererá informação extra a respeito da temperatura de referência e da tabela do

termopar, caso contrário esta informação pode estar incluída no instrumento e a

temperatura ser indicada diretamente.

Todas as tabelas normalizadas dão os valores da tensão de saída do

termopar considerando que a segunda junção do termopar (a junção fria) é mantida

a exatamente a zero grau Celsius. Antigamente isto se conseguia conservando a

junção em gelo (daí o termo compensação por junção fria). Contudo, a manutenção

do gelo nas condições necessárias não era fácil, e logo se optou por medir a

temperatura da junção fria e compensar a diferença para zero grau Celsius.

Normalmente, a temperatura da junção fria é medida por um transmissor de

precisão. A leitura desta segunda temperatura, em conjunto com a leitura do valor da

tensão do próprio termopar, é utilizada para o cálculo da temperatura verificada na

extremidade do termopar. Em aplicações menos exigentes, a compensação da

junção fria é feita por um semicondutor sensor de temperatura, combinando o sinal

do semicondutor com o do termopar. É importante a compreensão da compensação

por junção fria, pois qualquer erro na medição da temperatura da junção fria irá

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ocasionar igualmente erros na medição da temperatura da extremidade do termopar.

Conforme visto na Figura 3.

Figura 3 – Esquema de calibração com temperatura de referência.

O instrumento de medida tem de ter a capacidade de lidar com a

compensação da junção fria, bem como com o fato de a saída do termopar não ser

linear. A relação entre a temperatura e a tensão de saída é uma equação polinomial

de 5ª a 9ª ordem, dependendo do tipo do termopar. Alguns instrumentos de alta

precisão guardam em memória os valores das tabelas dos termopares para eliminar

esta fonte de erro.

Ao se medir a f.e.m. termoelétrica de um par termoelétrico em função da

temperatura, obtém-se, em geral, uma relação do tipo mostrado no gráfico da Figura

4. A curva mostrada no gráfico é denominada de curva de calibração do par

termoelétrico. A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura, normalmente,

não é linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada como

se o fosse (veja a reta 1 da Figura 4).

Figura 4 - Curva de calibração de um par termoelétrico.

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A partir do gráfico pode-se definir uma grandeza denominada de potência

termoelétrica do termopar, dada por:

(1)

A potência termoelétrica representa a sensibilidade de resposta ( ) do par

termoelétrico com a variação de temperatura (dT).

A tensão termoelétrica v0 é uma função não linear da temperatura, que pode ser

representada por uma equação empírica como sendo:

(2)

Onde C1 e C2 são constantes termelétricas dependentes do material usado

na junção e T1 e T2 são as temperaturas das junções.

3.1 TERMOPARES COMERCIAIS

Os termopares disponíveis no mercado têm os mais diversos formatos,

desde os modelos com a junção descoberta que têm baixo custo e proporcionam

tempos de resposta rápidos, até os modelos que estão incorporados em sondas.

Quando se procede à escolha de um termopar, deve-se ponderar qual o

mais adequado para a aplicação desejada, segundo as características de cada tipo

de termopar, tais como: a gama de temperaturas suportada, a exatidão e a

confiabilidade das leituras, entre outras. A escolha de um termopar para um

determinado serviço deve ser feita considerando todas as possíveis variáveis e

normas exigidas pelo processo. A seleção do termopar (ou dos materiais que o

constituem) é feita para:

Oferecer alta estabilidade em níveis maiores de temperatura;

Garantir compatibilidade com a instrumentação disponível;

Minimizar custo;

Maximizar sensitividade sobre a faixa de operação (μV /°C).

Existem três categorias de tipos de termopares: termopares padronizados

de metal nobre (R, S, B); termopares padronizados de metal base (K, J, N, E, T) e

termopares não definidos por letras. Na prática a distinção entre “base” e “nobre” é

que metais nobres contêm platina e metais base contêm níquel. Os termopares

possuem a seguinte classificação de acordo com a norma:

Termopar Tipo K (Cromel/Alumel): O termopar tipo K é um termopar de uso

genérico. Tem um baixo custo e, devido à sua popularidade, estão

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disponíveis variadas sondas. Cobrem temperaturas entre os -250 e os 1250

ºC, tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41μV/°C. Termopares tipo

K são recomendados para uso contínuo em atmosferas inertes ou oxidantes,

em temperaturas de até 1250°C. Sua resistência à oxidação faz com que

esses termopares sejam preferidos, principalmente nas temperaturas

superiores a 540°C. Podem também ser utilizados para medições de –250°C

até 0°C, porém seus limites de erro foram estabelecidos somente para

temperaturas superiores a 0°C.

Os termopares tipo K não devem ser utilizados em:

1) atmosferas redutoras ou alternadamente oxidantes e redutoras, a menos que

estejam devidamente protegidos com tubos de proteção adequados;

2) atmosferas sulfurosas, a menos que devidamente protegidos. O enxofre ataca

ambos os elementos, causando sua rápida corrosão;

3) vácuo, exceto por períodos curtos, pois ocorre vaporização do cromo no

elemento positivo, alterando substancialmente a calibração do termopar;

4) atmosferas que provocam corrosão “green-rot” do elemento positivo. Esta

corrosão resulta da oxidação do cromel, quando uma determinada quantidade de

oxigênio (O2) existente na atmosfera envolve o termopar. Isto pode ter como

conseqüência grandes erros e é mais preocupante em temperaturas na faixa de

820 a 1040°C. Corrosão “green-rot” ocorre freqüentemente quando os

termopares são utilizados com longas proteções de pequeno diâmetro, sem

ventilação interna. O efeito pode ser minimizado com a utilização de tubos de

maior diâmetro ou ventilando internamente tais proteções. Outra técnica é manter

a quantidade de oxigênio, no interior do tubo de proteção, abaixo do nível que

promove oxidação. A introdução de um “getter” (elemento metálico de absorção

de gases, tungstênio) para absorver o oxigênio em tubos de proteção fechados

também é indicada.

Termopar Tipo E (Cromel/Constantã): Este termopar tem uma elevada

sensibilidade (68 μV/°C), que o torna adequado para baixas temperaturas.

Termopares tipo E são recomendados para uso em faixas de temperatura

entre 0 – 870°C, em atmosferas oxidantes ou inertes. Em atmosferas

redutoras, alternadamente oxidantes e redutoras e no vácuo, estes

termopares estão sujeitos às mesmas limitações dos termopares tipo K. São

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utilizados também para medições em temperaturas abaixo de 0°C, pois não

estão sujeitos à corrosão em atmosferas úmidas. Porém, seus limites de erro

para temperaturas abaixo de zero não estão normalizados. Apresentam como

vantagem as maiores potências termoelétricas em relação a outros tipos de

termopares, motivo pelo qual muitas vezes são preferidos.

Termopar Tipo J (Ferro/Constantã): A sua gama limitada de temperaturas (-

40 a 750 °C) é a responsável pela sua menor popularidade em relação ao tipo

K. Aplica-se, sobretudo, com equipamento já antigo que não é compatível

com termopares mais modernos. A utilização do tipo J acima dos 760 ºC leva

a uma transformação magnética abrupta que lhe estraga a calibração. Estes

termopares são apropriados para medição em vácuo e atmosferas oxidantes,

redutoras e inertes, em temperaturas que chegam até 760°C. A taxa de

oxidação do ferro é alta a partir de 540°C, em que são recomendados

elementos de bitola maior. Não é recomendado o uso deste termopar com

elementos nus em atmosferas sulfurosas acima de 540°C.

Termopar Tipo N (Nicrosil/Nisil): A sua elevada estabilidade e resistência à

oxidação em altas temperaturas tornam o tipo N adequado para medições a

temperaturas elevadas, sem recorrer aos termopares que incorporam platina

em sua constituição (tipos B, R e S). Foi desenhado para ser uma “evolução”

do tipo K. Os termopares tipo B, R e S apresentam características

semelhantes. São os termopares mais estáveis, contudo, devido à sua

reduzida sensibilidade (da ordem dos 10 μV/°C), utilizam-se apenas para

medir temperaturas acima dos 300 ºC. Note-se que devido à pequena

sensibilidade destes termopares, a sua resolução de medida é também

diminuta. Termopares tipo N são recomendados para uso em faixas de

temperatura de 0 a 1260°C. Comparado com o termopar tipo K é melhor

alternativa em função de maior resistência à oxidação, melhor estabilidade

em temperaturas altas e aumento da vida útil. Substitui o termopar tipo K em

atmosferas em que este apresenta o problema denominado “greenrot”.

Termopar Tipo B (Platina/Ródio-Platina): Adequado para medição de

temperaturas até aos 1800 ºC. Contra aquilo que é habitual nos outros

termopares, este origina a mesma tensão na saída a 0 e a 42 ºC, o que

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impede a sua utilização abaixo dos 50 ºC. Os termopares tipo B são

recomendados para uso contínuo em atmosferas inertes ou oxidantes, à

temperatura limite de 1800°C. São também indicados para operar no vácuo

até sua temperatura limite. Não é aconselhado o uso destes termopares em

ambientes redutores ou que contenham vapores, a menos que devidamente

protegidos com tubos de proteção não metálicos. Sob condições adequadas

de temperatura e ambiente, os termopares tipo B demonstram menos

desgaste a menores desvios de calibração. Os termopares tipo B apresentam

vantagens sobre os termopares tipos S e R, em relação à não necessidade

de utilização de cabos de compensação específicos.

Termopar Tipo R (Platina/Ródio-Platina): Adequado para medição de

temperaturas até aos 1600 ºC. Reduzida sensibilidade (10 μV/°C) e custo

elevado.

Termopar Tipo S (Platina/Ródio-Platina): Adequado para medição de

temperaturas até aos 1600 ºC. Reduzida sensibilidade (10 μV/°C), elevada

estabilidade e custo elevado.

Termopar Tipo T (Cobre/Constantã): É dos termopares mais indicados para

medições na gama dos -270°C a 400°C. Note-se que a escolha de um

termopar deve assegurar que o equipamento de medida não limita a gama de

temperaturas que consegue ser medida. Estes termopares são resistentes à

corrosão em atmosferas úmidas e indicados também para a medição de

temperaturas abaixo de zero. Pode ser utilizado em atmosferas oxidantes,

redutoras ou inertes. Este é o único termopar cujos limites de erro estão

estabelecidos para temperaturas abaixo de zero.

A tabela abaixo apresenta as características para termopares convencionais

aplicados industrialmente.

Tabela 1 – Características dos principais termopares comerciais.

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Termopar Faixa de Uso Aconselhada

Algumas Aplicações:

Vantagens: Desvantagens:

J Ferro/Constantã

-40 a 750 °C

-Têmperas; -Recozimento; -Fornos Elétricos;

-Baixo Custo;-Devem ser usados tubos de proteção para T 480 °C

K Cromel/Alumel -200 a 1200 °C

-Tratamento Térmico; -Fornos; -Fundição; -Banhos;

-Adequado para atmosferas oxidantes; -Boa resistência mecânica em altas temperaturas

-Vulnerável a atmosferas redutoras

T Cobre/Constantã

-270 a 400 °C

-Estufas; -Banhos; -Fornos Elétricos para Baixa Temperatura;

-Resiste a atmosferas corrosivas; -Resiste a atmosferas redutoras e oxidantes; -Utilizável em temperaturas negativas

-Oxidação do cobre acima de 315 °C

R e S Platina/13 e 10%

Ródio -18 a 1600 °C

-Vidros; -Fornos (T>1300°C); -Fundição; -Alto Forno;

-Pode operar em atmosfera oxidante; -Operar numa faixa maior que o tipo K

-Contamina facilmente em atmosfera não oxidante; -Fragiliza em altas temperaturas

3.2 ERROS EM MEDIÇÕES COM TERMOPARES

Existe uma variedade de meios em que o termopar pode ser incorporado

como um sensor capaz de medir temperatura de um sistema físico. Alguns detalhes

da sua instalação são fundamentais para garantir a correta indicação da

temperatura, evitando assim, erros grosseiros nas medições:

É necessário garantir que a junção de medição esteja numa condição

isotérmica, daí a importância de imergir o termopar a uma profundidade

adequada (grosseiramente entre 5 e 15 vezes seu diâmetro externo –

incluindo as proteções);

Pelo fato de o transdutor responder a um gradiente de temperatura, ele deve

ser conectado a dois sistemas físicos em duas temperaturas diferentes;

A junção de referência deve ser isotérmica para propiciar uma temperatura

conhecida e para auxiliar na obtenção de uma interface do sinal, que isola o

sensor da instrumentação.

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Pode-se estimar a temperatura correta de um gás medido por um termopar

em um poço cilíndrico inserido em uma corrente de gás, através dos seguintes

dados:

T1 = 260 °C – temperatura indicada pelo termopar;

Tp = 175 °C – temperatura da parede;

h = 680 W/m2°C – coeficiente de transferência de calor;

k = 105 W/m°C – condutividade térmica da parede do poço;

y = 2 mm – espessura da parede do poço;

L = 60 mm – comprimento do poço.

Onde a instalação deste termopar segue como na figura a seguir:

Figura 5 – Instalação de um termopar em uma corrente de gás.

A espessura da parede y da parede do poço está em contato com a

corrente de gás por um dos lados apenas, e a espessura é pequena quando

comparada ao diâmetro. Portanto a distribuição de temperatura ao longo dessa

parede será aproximadamente a mesma que aquela ao longo de uma barra de

espessura 2y, em contato com a corrente gasosa dos dois lados.

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Considerações que devem ser feitas afim de encontrar o valor

correto da temperatura do gás em questão:

T é função de x apenas;

Nenhum calor é absorvido pelas áreas final e lateral;

O fluxo térmico na superfície é dado por , onde h é

constante e T depende apenas de x.

Fazendo-se o balanço de energia sobre um segmento ∆x, tem-se:

(3)

Dividindo por ∆x:

(4)

Passando o limite quando ∆x tende a zero, tem-se:

(5)

O primeiro termo é a definição de derivada, levando-se em consideração o sinal,

tem-se:

(6)

Inserindo a lei de Fourier para condução de calor, (qx = -AkdT/dx). E supondo k

constante:

(7)

(8)

(9)

A equação deve ser resolvida com as seguintes equações de contorno:

Fazendo-se , tem-se:

(10)

15


Temos, então, que a solução geral da equação (10) é:

(11)

Tomando, então, a segunda condição de contorno para encontrar C1 e C2, temos:

Aplicando-se as condições de contorno, tem-se:

Resolvendo-se o sistema obtêm-se as constantes C1 e C2:

Substituindo os valores das constantes na solução da equação diferencial (10) e

manipulando a equação, tem-se:

(12)

(13)

(14)

Substituindo os valores na solução geral (14), tem-se:

(15)

Portanto, o erro relativo encontrado para esta instalação de termopar é encontrado

através da seguinte expressão:

16


(16)

A seguir são apresentados os limites de erro dos termopares comerciais de acordo

com a norma padrão.

Tabela 2 – Limites de erro para termopares, de acordo com ASTM E-230 (com junção de

referência a 0 ºC).

TIPO ANSIMATERIAL

CONDUTORCÓDIGO DE COR ANSI

FAIXA DE USO

LIMITES DE ERRO

STANDARD CLASSE 2

ESPECIAL CLASSE 1

JFerro (Magnético) (+) Branco

0 - 760°C± 2,2°C ou

0,75%± 1,1°C ou

0,40%Constantã (-) Vermelho

KCromel (+) Amarelo

0 - 1250°C± 2,2°C ou

0,75%± 1,1°C ou

0,40%Alumel (Magnético) (-) Vermelho

TCobre (+) Azul

0 - 370°C± 1,0°C ou

0,75%± 0,5°C ou


ECromel (+) Púrpura

0 - 870°C± 1,7°C ou

0,50%± 1,0°C ou


NNicrosil (+) Laranja

0 - 1260°C± 2,2°C ou

0,75%± 1,1°C ou

0,40%Nisil (-) Vermelho

S

Platina; Ródio 10% (+)

Preto0 - 1450°C

± 1,5°C ou 0,25%

± 0,6°C ou 0,10%

Platina (-) Vermelho

R


Preto0 - 1450°C

± 1,5°C ou 0,25%

± 0,6°C ou 0,10%

Platina (-) Vermelho

B


Cinza0 - 1700°C ± 0,50% ± 0,25%

Platina; Ródio 6% (-) Vermelho

4. MATERIAIS E MÉTODOS

Para o experimento da verificação do surgimento de uma f.e.m. em um

termopar e para o experimento da calibração dos termopares, foram utilizados os

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seguintes materiais:

01 multiteste com suas ponteiras (será usado como milivoltímetro);

02 pinos banana para derivação com aperto por rosca;

01 lamparina com capuchama;

01 fio de Al com 300 mm;

02 fios de Cu com 300 mm;

01 fio de Fe com 300 mm;

01 chave de fenda;

01 alicate universal;

01 caixa de fósforos;

01 lixa fina;

03 alinhadores sindais pequenos (com parafusos);

01 béquer com água quente;

01 suporte com associações em série;

01 suporte com frascos calorimétricos EQ088.01;

01 conexão de fio vermelha com pinos banana;

01 conexão de fio preta com pinos banana;

01 suporte II – com o par termoelétrico desejado;

02 termômetros - 0 a 100 °C;

01 seringa de 60 cc;

01 mini funil de vidro;

01 pinça de Mohr;

01 copo becker de 250 ml;

01 proveta graduada de 50 ml;

01 recipiente isolante para cubos de gelo;

Cubos de gelo;

01 garrafa com 600 ml de água destilada a temperatura ambiente (esta água

será utilizada no transcorrer do experimento);

01 garrafa térmica com água quente.

4.1 MONTAGEM DOS EQUIPAMENTOS

Para a montagem dos equipamentos para o experimento da

construção de pares termoelétricos e verificação da f.e.m. segue-se as

figuras abaixo:

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Figura 6 – Termopar conectado a um milivoltímetro.

Figura 7 – Experimento de medição de ddp entre os pontos da placa de associação.

Para a montagem do módulo experimental para calibração dos termopares,

segue-se a figura abaixo:

Figura 8 – Sistema de calibração de um termopar.

4.2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

Para construção de pares termoelétricos e medida da f.e.m. termoelétrica,

seguiu-se os seguintes passos experimentais:

a) Construção de um par termoelétrico de cobre x alumínio:

Lixar as extremidades (1 mm) dos fios de cobre (Cu) e de alumínio (Al);

Introduzir um dos extremos de cada fio, através do alinhador pequeno,

deixando ultrapassá-lo uns 15 mm e apertar os dois parafusos auxiliares do

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alinhador reforçando a união e o contato elétrico dos dois metais, torcendo

suas extremidades entre si com o auxilio do alicate;

Prender as extremidades livres do termopar aos pinos banana para derivação

com aperto por rosca;

Conectar as extremidades livres do par termoelétrico cobre e alumínio aos

terminais do milivoltímetro;

Aqueçer o termopar com a lamparina até a voltagem se tornar constante;

Procedendo semelhantemente, construir mais dois pares termoelétricos,

agora utilizando ferro x alumínio e ferro x cobre, repitindo o experimento.

b) Medida da f.e.m. termoelétrica em diferentes pontos de uma associação de

constantã, ferro e cobre:

Após a verificação do zero, conectar os cabos de conexão aos terminais do

instrumento, adaptando nos extremos livres as garras jacaré;

Utilizar o suporte II-A (associação em série de constantã, ferro e cobre) e

verificar as diferenças de potencial entre os pontos 1, 2, 3 e 4.

Para a calibração dos pares termoelétricos, seguiu-se os seguintes passos

experimentais:

Montar o módulo experimental para calibração de termopares, conforme

mostrado na figura;

Inserir gelo no recipiente para a fonte fria, mantendo a temperatura constante,

preferencialmente em 0 °C;

Inserir água quente no recipiente para a fonte quente afim de realizar as

medições de temperatura e as variações da f.e.m.;

Após a montagem do módulo, iniciar as medições de temperatura e

milivoltagem, utilizando um mínimo de 10 pontos para a construção das

curvas de calibração de cada termopar.

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 CONSTRUÇÃO DE PARES TERMOELÉTRICOS E MEDIDA DA

F.E.M. TERMOELÉTRICA

Os resultados encontrados das medições de ddp dos pares termoelétricos

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após aquecimento com a lamparina de uma das junções, foram os seguintes:

Associação de Cobre e Alumínio: 0,04 mV;

Associação de Cobre e Ferro: 0,17 mV.

Sendo assim, pode-se observar que, unindo as extremidades de dois metais

diferentes “x” e “y” e submetendo suas junções “a” e “b” a temperaturas diferentes T1

e T2 – no caso do experimento, foi a temperatura imposta pela lamparina e a

temperatura ambiente – surge uma f.e.m. (força eletromotriz, da ordem de mV) entre

os pontos a e b, denominada “tensão termoelétrica”. Este fenômeno é conhecido por

"Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao se Conectar dois metais diferentes (ou

ligas metálicas), 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 esta f.e.m..

A media da f.e.m. termoelétrica a partir da placa de associação em série

não apresentou nenhum valor de ddp, pois não havia nenhuma força motriz para a

ocorrência de ddp, que seria a temperatura, comprovando a 1ª Lei da Termoelétrica,

que diz que: “A força eletromotriz " " de um termopar depende somente da natureza

dos condutores e da diferença de temperatura entre as junções de contato”. A partir

da 1ª Lei da termoelétrica, observa-se alguma conseqüências importantes:

Se as junções estiverem à mesma temperatura, a f.e.m. gerada pelo termopar

é nula;

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 ali o instrumento;

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. Esta propriedade é chamada, por alguns autores, de "Lei dos

Metais Intermediários”.

5.2 CALIBRAÇÃO DOS PARES TERMOELÉTRICOS

A seguir é apresentado os resultados dos valores de f.e.m. dos pares

termoelétricos em função da variação da temperatura na fonte quente, como

também as curvas de calibração plotadas com os dados da Tabela 3, com o

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respectivo ajuste linear pelo método dos mínimos quadrados.

Tabela 3 – Valores de f.e.m. dos pares termoelétricos em função da variação de temperatura.

MedidasTemperatura

Fonte Quente (°C)Temperatura

Fonte Fria (°C)FEM (mV)

Termopar 1 – Cobre/Constantã

1 70,0 1,0 2,22 67,0 1,0 2,13 65,0 1,0 2,04 63,0 1,0 1,95 61,0 1,0 1,86 58,0 1,0 1,67 53,0 1,0 1,48 50,0 1,0 1,39 45,0 1,0 1,1

10 41,0 1,0 0,9Termopar 2 - Ferro/Cobre

1 73,0 4,0 0,72 64,0 4,0 0,63 59,0 4,0 0,54 54,0 4,0 0,45 49,0 4,0 0,36 38,0 4,0 0,27 33,0 4,0 0,18 32,0 4,0 0,19 31,0 4,0 0,1

10 28,0 4,0 0,1Termopar 3 Ferro/Constantã

1 69,0 4,0 3,12 65,0 4,0 2,83 61,0 4,0 2,64 57,0 4,0 2,45 53,0 4,0 2,26 50,0 4,0 2,07 47,0 4,0 1,98 44,0 4,0 1,89 41,0 4,0 1,7

10 36,0 4,0 1,5

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Curvas de Calibração Termopares

y = 0,0479x - 0,3035

R 2 = 0,9873

y = 0,0454x - 0,9725

R 2 = 0,9958

y = 0,0143x - 0,3469

R 2 = 0,9842

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0

Temperatura na Fonte Quente (°C)

FE

M (

mV

)

Termopar 1 - Cobre/Constantã Termopar 2 - Ferro/Cobre Termopar 3 - Ferro/Constantã

Figura 9 – Curvas de calibração dos pares termoelétricos.

Verificou-se, através dos resultados apresentados acima, que todos os

termopares apresentaram uma resposta linear dentro da faixa de utilização (20 a 80

°C). A melhor configuração linear foi a do termopar 1 (Cobre/Constantã). Pode-se

verificar, também, que o termopar 2 (Ferro/Cobre) apresentou uma pequena

variação da f.e.m., sendo este termopar recomendado, então para a aplicação em

medições de altas temperaturas.

No entanto, a temperatura na fonte fria não foi de 0°C, devido a falta de

tempo para execução dos experimentos, mantendo-se constante em 1°C

(Cobre/Constantã) e 4°C (Ferro/Cobre e Ferro/Constantã). Sendo assim, a

temperatura da junção fria é uma grande fonte de erro para a calibração dos

termopares. Outra fonte de erro é a baixa precisão do voltímetro para medição da

milivoltagem provocada pela ddp, onde não foi possível uma verificação mais

precisa da f.e.m. em função da variação de temperatura da junção quente. Esse

fator teve grande influencia na calibração do termopar 2 (Ferro/Cobre), onde a

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variação da temperatura provocou uma pequena variação na ddp, necessitando

assim, de um multímetro de maior precisão para a leitura correta dessa variação.

Para se medir temperatura com termopares, são necessários dois tipos de

medição: a tensão do termopar e a temperatura da junção de referência. A

necessidade de se conhecer a temperatura da junção de referência complica a

instrumentação para termopares e muitos métodos podem ser adotados para tornar

esses instrumentos convenientes para o uso. Infelizmente existem métodos bons e

ruins e o usuário raras vezes tem informações para avaliá-los. Para garantir

confiança na medição com termopar os seguintes passos devem ser cumpridos pelo

usuário ou por funções automáticas do instrumento:

Estabelecer uma junção de referência isotérmica;

Conhecer a temperatura da junção de referência;

Usar as tabelas padronizadas ou as funções de referência para determinar a

tensão Seebeck na temperatura da junção de referência;

Fazer uma medição exata da tensão Seebeck do termopar;

Somar as duas tensões;

Usar as tabelas padronizadas ou as funções de referência para determinar a

temperatura medida.

Portanto, afim de se obter um maior desempenho na calibração dos

termopares pode-se fazer as seguintes sugestões:

Manutenção da fonte fria de referência em 0°C, através de banho em gelo,

antes de iniciar as medições de temperatura da fonte quente, através da

aplicação da norma NBR da ABNT para preparação da junção de referência;

Utilização de um sistema eletrônico de compensação da junção fria para 0°C;

Utilização de um voltímetro ou multímetro de maior precisão, com pelo

menos 3 casas decimais, afim de se verificar as variações de ddp em função

de pequenas variações de temperatura.

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6. CONCLUSÃO

Através dos experimentos, pôde-se verificar que houve o surgimento de

uma f.e.m. nos termopares quando submetido a variações de temperatura,

mantendo-se a junção fria isotermicamente.

Pode-se concluir, também, que cada termopar calibrado apresentou um

comportamento diferente, o que determina a faixa de sensibilidade e aplicação

destes termopares. Através das curvas geradas pela calibração dos termopares,

consegue-se aplicar estes termopares industrialmente como medidores de

temperatura com um erro relativo aceitável.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Par termoelétrico e junções.

Figura 2 – Circuito para medir o potencial de Seebeck compreendendo dois fios

diferentes (A e B), duas junções e um voltímetro.

Figura 3 – Esquema de calibração com temperatura de referência.

Figura 4 - Curva de calibração de um par termoelétrico.

Figura 5 – Instalação de um termopar em uma corrente de gás.

Figura 6 – Termopar conectado a um milivoltímetro.

Figura 7 – Experimento de medição de ddp entre os pontos da placa de associação.

Figura 8 – Sistema de calibração de um termopar.

Figura 9 – Curvas de calibração dos pares termoelétricos.

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Características dos principais termopares comerciais.

Tabela 2 – Limites de erro para termopares, de acordo com ASTM E-230 (com

junção de referência a 0 ºC).

Tabela 3 – Valores de f.e.m. dos pares termoelétricos em função da variação de

temperatura.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] Kreith, Frank & S. Bohn, Mark. Princípios de Transferência de Calor. Editora

Thomson Learning. São Paulo. 2003.

[2] WWW.GESTE.MECANICA.UFRGS.BR/MEDTERM/TRABALHOS%202006-

1/PROJETO_DE_TERMOPARES.PDF

[3] WWW.HERMES.UCS.BR/CCET/DEMC/VJBRUSAM/INST/TERMOPAR.PDF

[4] WWW.CPDEE.UFMG.BR/~PALHARES/

EXPERIMENTOS_INSTRUMENTACAO.PDF

[5] WWW.EQUIPE-TERMOPAR.COM.BR/TERMOPARES.HTML#

FUNCIONAMENTO DOS TERMOPARES É BASEADO

NESTE FENÓMENO, QUE É CONHECIDO COMO

EFEITO DE SEEBECK. EMBORA PRATICAMENTE

SE POSSA CONSTRUIR UM TERMOPAR COM

QUALQUER COMBINAÇÃO DE DOIS METAIS,

UTILIZAM-SE APENAS ALGUMAS COMBINAÇÕES

NORMALIZADAS, ISTO PORQUE POSSUEM

TENSÕES DE SAÍDA PREVISÍVEIS E SUPORTAM

GRANDES GAMAS DE TEMPERATURAS.

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http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_seebeck

http://WWW.CPDEE.UFMG.BR/~PALHARES/EXPERIMENTOS_INSTRUMENTACAO.PDF

http://WWW.CPDEE.UFMG.BR/~PALHARES/EXPERIMENTOS_INSTRUMENTACAO.PDF

http://WWW.GESTE.MECANICA.UFRGS.BR/MEDTERM/TRABALHOS%202006-1/PROJETO_DE_TERMOPARES.PDF

http://WWW.GESTE.MECANICA.UFRGS.BR/MEDTERM/TRABALHOS%202006-1/PROJETO_DE_TERMOPARES.PDF

Relatório Prática 1 - Medidores de Temperatura

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