Temperatura

Temperatura

1) Introduo Conceitual

O objetivo de se medir e controlar as diversas variveis fsicas em processos industriais obter produtos de alta qualidade, com melhores condies de rendimento e segurana, a custos compatveis com as necessidades do mercado consumidor. Nos diversos segmentos de mercado, sejam estes qumicos, petroqumico, siderrgico, cermico, farmacutico, vidreiro, alimentcio, papel e celulose, hidreltrico, nuclear entre outros, a monitorao da varivel Temperatura fundamental para a obteno do produto final especificado.

1.1 Definio de Temperatura e Calor

Todas as substncias so constitudas de pequenas partculas, molculas e que se encontram em contnuo movimento. Quanto mais rpido o movimento das molculas, mais quente se apresenta o corpo e quanto mais lento mais frio se apresenta o corpo. Ento define-se temperatura como o grau de agitao trmica das molculas.

Calor energia em trnsito ou a forma de energia que transferida atravs da fronteira de um sistema em virtude da diferena de temperatura.

1.2 Escalas da Temperatura

A primeira escala de temperatura foi a de Farenheit em 1714, no qual convencionou 32F para a temperatura de congelamento de uma mistura entre gelo e amnia e 212F para a temperatura de ebulio da gua. A diferena entre estes pontos foi dividida em 180 partes iguais a qual se deu o nome de grau Farenheit.

Mais tarde, Celsius tomando os mesmos dois pontos, definiu 0C para o congelamento da gua e 100C para a ebulio da gua, ambas presso atmosfrica, a qual se deu o nome de graus Celsius ou Centrgrados. No princpio de 1800, Thonsom (Lord Kelvin) desenvolveu uma escala termodinmica universal, baseada no coeficiente de expanso de um gs ideal. Kevin estabeleceu o coneito de Zero Absoluto e a sua escala permanece como padro para a termometria moderna.

Zero absoluto ou Zero Kevin a menor temperatura que um corpo pode alcanar, 0 K equivale a -273,15C.

As equaes de converso das unidades mais usadas na termometria moderna so:

C = ( F - 32 ).5/9

F = 9/5.C + 32

K = C + 273,15

C = K - 273,15

Existem outras escalas como a Rankine e a Ramur, porm so de pouco uso.

R = F + 459,67

Re = 4/5.C

1.3 Escala Internacional de Temperaturas (ITS - 90)

Para melhor melhor expressar as leis da termodinmica, foi criada uma escala baseada em fenmeno de mudana de estado fsico de substncias puras, que ocorrem em condies nicas de temperatura e presso. So chamados de pontos fixos de temperatura.

Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prtica Internacional de Temperatura. A primeira escala prtica internacional de temperatura surgiu em 192, modificada em 1948 (IPTS-48). Em 1960 mais modificaes foram feitas e em 1968 uma nova Escala Prtica Internacional de Temperatura foi publicada (IPTS-68).

A ainda atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34C baseada em pontos de fuso, ebuliao e pontos triplos de certas substncias puras como por exemplo, o ponto de fuso de alguns metais puros. Hoje j existe a ITS-90 Escala Internacional de Temperatura, definida em fenmenos determinsticos de temperatura e que definiu alguns novos pontos fixos de temperatura.

Pontos Fixos IPTS-68 IPTS-90

Ebulio do Oxignio -182,962C -182,954C Pponto Triplo da gua +0,010C +0,010C Solidificao do Estanho +231,968C +231,928C Solidificao do Zinco +419,580C +419,527C Solidificao do Prata +961,930C +961,780C Solidificao do Ouro +1064,430C +1064,180C

1.4 Normas e Padres Internacionais

Com o desenvolvimento tecnolgico diferente em diversos paises, criou-se uma srie de normas e padronizaes, cada um atendendo a uma dada regio. As mais importantes so:

ISA - AMERICANA

DIN - ALEM

JIS - JAPONESA

BS - INGLESA

UNI - ITALIANA

Para atender as diferentes especificaes tcnicas na rea da termometria, cada vez mais se somam os esforos com o objetivo de se unificar estas normas. Para tanto, a Comisso Internacional Eletrotcnica-IEC, vem desenvolvendo um trabalho junto aos paises envolvidos neste processo normativo, no somente para obter normas mais completas e aperfeioadas mas tambm de prover meios para a internacionalizao do mercado de instrumentao relativo a termopares.

Como um dos participantes desta comisso, o Brasil, atravs da Associao Brasileira de Normas Tcnicas - ABNT, est tambm diretamente interessado no desdobramento deste assunto e vem adotando tais especificaes como Normas Tcnicas Brasileiras

1.5 Tipos de Sensores de Temperatura

Sensores, detetores ou elementos primrios de temperatura so transdutores que alteram algumas de suas caractersticas fsicas ao se equalizar com o meio a ser determinada a temperatura. Como exemplo poderamos citar a dilatao do mercrio num termmetro de vidro, a gerao de tenso num termopar, a variao de resistncia hmica num termistor entre outras.

Dos inmeros tipos de sensores de temperatura existentes, como termmetros de vidro, termmetros bimetlicos, termmetros de gs, termistores, termmetros de quartzo, termopares, termoresistncias, termmetros de germnio e outros; os mais utilizados industrialmente so os termopares e as termoresistncias.

2) Termopares

Os Termopares so sensores de maior uso industrial para medio de temperatura. Eles cobrem uma faixa bastante extensa de temperatura que vai de -200 a 2300C aproximadamente, com uma boa preciso e repetabilidade aceitvel, tudo isto a um custo que se comparado com outros tipos de sensores de temperatura so mais econmicos.

2.1 Teoria Termoeltrica

O fenmeno da temoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado formado por dois condutores metlicos e distintos A e B, quando submetidos a um diferencial entre as suas junes, ocorre uma ciruculao de corrente eletrica ( i ).

A existncia de uma fora eletro-motriz (F.E.M.)EAB no cirucuito conhecida como Efeito Seebeck, e este se produz pelo fato de que a densidade de eltrons livres num metal, difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando este circuito interrompido, a tenso do cirucuito aberto (Tenso de Seebeck ) torna-se uma funo das temperaturas das junes e da composio dos dois metais.

Denominamos a juno na qual est submetida temperatura a ser medida de Juno de Medio (ou junta quente) e a outra extremidade que vais se ligar no instrumento medidor de juno de referncia (ou junta fria). Quando a temperatura da juno de referncia (Tr) mantida constante, verifica-se que a F.E.M. trmica (EAB) uma funo da temperatura da juno de medio (T1). Isto permite utilizar este cirucuito como um medidor de temperatura, pois conhecendo-se a Tr e a F.E.M. gerada, determina-se a T1.

abaixo, a Curva de Correlao F.E.M. x Temperatura dos Termopares

2.2 Definio de Termopar

O aquecimento de dois metais diferentes com temperaturas diferentes em suas extremidades, gera o aparecimento de uma F.E.M. (da ordem de mV). Este princpio conhecido com efeito Seebeck propiciou a utilizao de termopares para medio de temperatura.

Um termopar ou par termomtrico consiste de dois condutores metlicos de natureza distinta, na forma de metais puros ou ligas homogneas. Os fios so soldados em um extremo ao qual se d o nome de juno de medio; a outra extremidade, juno de referncia levada ao instrumento medidor por onde flui a corrente gerada. Convencionou-se dizer que o metal A positivo e B negativo, pois a tenso e corrente geradas so na forma contnua (cc).

2.3 Leis do Circuito Termoeltrico

a) Lei do Circuito Homogneo

A F.E.M. gerada por um termopar depende nica e exclusivamente da composio qumica dos dois metais e das temperaturas entre as duas junes; ou seja, a tenso gerada independe do gradiente de temperatura ao longo dos fios.

Uma aplicao desta lei que podemos medir temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante a diferena de temperatura entre as suas junes.

b) Lei dos Metais Intermedirios

A F.E.M. gerada por um par termoeltrico no ser alterada se inserirmos em qualquer ponto do circuito, um metal genrico diferente dos que compem o sensor, desde que as novas junes formadas sejam mantidas na mesma temperatura.

Uma aplicao prtica desta lei o uso dos contatos de lato ou cobre no bloco de ligao, para a interligao do termopar ao seu cabo.

c) Lei das Temperaturas Intermedirias

A F.E.M. gerada em um circuito termoeltrico com suas junes s temperaturas T1 e T3 respectivamente, a soma algbrica de F.E.M. gerada com as junes s temperaturas T1 e T2 e a F.E.M. do mesmo circuito com as junes s temperaturas de T2 e T3.

Uma consequncia desta lei o uso dos cabos compensados, que tendo as mesmas caractersticas termoeltricas do termopar, podem ser introduzidos no circuito sem causar erros no sinal gerado.

2.4 Compensao da Temperatura Ambiente ( Tr )

Como dito anteriormente, para se usar o termopar como medidor de temperatura, necessrio conhecer a F.E.M. gerada e a temperatura da juno de referncia Tr, para sabermos a temperatura da juno de medio T1.

E = ET1 - ETr

Portanto no podemos encontrar a temperatura T1 a no ser que saibamos quanto a temperatura Tr. Uma maneira de se determinar a temperatura Tr (ponto de conexo do termopar ao instrumento de medida) fora-la para um valor conhecido, como por exemplo 0C.

Ao colocarmos as extremidades do termopar a zero graus (banho de gelo), o sinal gerado pelo sensor s depender da temperatura T1 do meio a ser medido, pois a tenso gerada a 0 zero em mV. Ento a F.E.M. lida no instrumento ser diretamente proporcional temperatura T1 (juno de medio).

O banho de gelo ainda muito usado em laboratrios e indstrias, pois consiste num mtodo relativamente simples e de grande preciso. Hoje dispositivos alternativos foram desenvolvidos para simular automaticamente uma temperatura de 0C, chamada de compesao automtica da juno de referncia ou da temperatura ambiente. Nestes instrumentos encontra-se um sensor de temperatura que pode ser um resistor, uma termoresistncia, termistor, diodo, transistor ou mesmo um circuito integrado que mede continuamente a temperatura ambiente e suas variaes, adicionando o sinal que chega do termosensor uma mV correspondente diferena da temperatura ambiente para a temperatura de 0C.

Ex:

Termopar tipo K sujeito a 100C na juno de medio e 25C na borneira do instrumento (juno de referncia)

Se no existisse a compensao, o sinal de 3,095V seria transformado em indicao de temperatura pelo instrumento e corresponderia a aproximadamente 76C; bem diferente dos 100C ao qual o termopar est submetido (erro de -24C). Como o instrumento medidor, est incorporado um sistema de compensao da temperatura ambiente, este gera um sinal como se fosse um outro termopar que chamamos de E1;

O sinal total que ser convertido em temperatura pelo instrumento ser a somatria do sinal do termopar e da compesao, resultando na indicao correta da temperatura na qual o termopar est submetido (independendo da variao da temperatura ambiente).

A indicao no instrumento ser de 100C, que a temperatura do processo (juno de medio do termopar).

2.5 Converso de Tenso para Temperatura

Com relao a F.E.M. x temperatura de um termopar no linear, o instrumento indicador deve de algum modo linearizar o sinal gerado pelo sensor. No caso de alguns instrumentos analgicos (como registradores), a escala grfica do instrumento no linear acompanhando a curva do termopar; e em instrmentos digitais usa-se ou a tabela de correlao F.E.M. x temperatura, armazenada em memria ou uma equao matemtica que descreve a curva do sensor. Esta equao um polinmio, que a depender da preciso requerida pode alcanar uma ordem de at 9 grau.

A equao matemtica genrica de um termopar:

Listamos abaixo os coeficientes de vrios tipos de

termopar:

2.6 Tipos e Caractersticas dos Termopares

Foram desenvolvidas diversas combinaes de pares de ligas metlicas com o intuito de se obter uma alta potncia termoeltrica (mVC) para que seja detetvel pelos instrumentos de medio, aliando-se ainda s caractersticas de homogenidade dos fios, resistncia corroso, relao razoavelmente linear entre temperatura e tenso entre outros, para que se tenha uma maior vida til do mesmo. Podemos dividir os termopares em trs grupos:

- Termopares de Base Metlica ou Bsicos - Termopares Nobres ou a Base de Platina - Ttermopares Novos

Os termopares de base metlica ou bsicos so os termopares de maior uso industrial, em que os fios so de custo relativamente baixo e sua aplicao admite um limite de erro maior. As nomenclaturas adotadas esto de acordo com as normas IEC 584-2 de julho de 1982.

*Tipo T

- Composio: Cobre (+) / Cobre - Nquel (-) O fio negativo cobre - nquel conhecido comercialmente como Constantan. - Faixa de Utilizao: -200 a 350C - Caractersticas: Estes termopares so resitentes a corroso em atmosferas midas e so adequados para medidas de temperaturas abaixo de zero. Seu uso no ar ou em ambientes oxidantes limitado a um mximo de 350C devido a oxidao do fio de cobre. Podem ser usados em atmosferas oxidantes (excesso de oxignio), redutoras (rica em hidrognio, monxido de carbono) e no vcuo; na faixa de -200 a 350C. - Identificao da polaridade: O cobre (+) avermelhado e o cobre - nquel (-) no. - Aplicao: Sua maior aplicao est em indstrias de refrigerao e ar condicionado e baixas temperaturas em geral.

*Tipo J

- Composio: Ferro (+) / Cobre - Nquel (-) O fio negativo cobre - nquel conhecido comercialmente como constantan. - Faixa de utilizao: -40 a 750C - Caractersticas: Estes termopares so adequados par uso no vcuo, em atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. A taxa de oxidao do ferro rpida acima de 540C e o uso em tubos de proteo recomendado para dar uma maior vida til em altas temperaturas. O termolpar do tipo J no deve ser usado em atmosferas sulfurosas (contm enxofre) acima de 540C. O uso em temperaturas abaixo de 0C no recomendada, devido rpida ferrugem e quebra do fio de ferro, o torna seu uso em temperaturas negativas menor que o tipo T. Devido a dificuldade de obteno de fios de ferro com alto teor de pureza, o termopar tipo J tem custo baixo e um dos mais utilizados industrialmente. - Identificao da Polaridade: Indstrias em geral em at 750C.

*Tipo E

- Composio: Nquel - Cromo (+) / Cobre - Nquel (-) O fio positivo nquel - cromo conhecido comercialmente como Cromel e o negativo cobre - nquel conhecido como Constantan. - Faixa de utilizao: -200 a 900C - Caractersticas: Estes termopares podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras, alternadamente oxidante e redutora e no vcuo, no devem ser utilizados pois perdem suas caractersticas termoeltricas. adequado para uso em temperaturas abaixo de zero, desde que no esteja sujeito a corroso em atmosferas midas. O termopar tipo E o que apresenta maior maior gerao de V/C do que todos os outros termopares, o que o torna til na deteco de pequenas alteraes de temperatura. - Identificao da Polaridade: O nquel - cromo (+) mais duro que o cobre - nquel (-). - Aplicao: Uso geral at 900C.

Nota: Os termopares tipo T, J e E tem como fio negativo a liga constantan, composto de cobre e nquel, porm a razo entre estes dois elementos varia de acordo com as caractersticas do fio positivo (cobre, ferro e nquel - cromo). Portanto a constantan do fio negativo no deve ser intercambiado entre os trs tipos de termopares.

*Tipo K

- Composio: Nquel - Cromo (+) / Nquel - Alumnio (-) O fio positivo nquel - cromo conhecido conhecido comercialmente como Cromel e o negativo nquel - alumnio conhecido como Alumel. O alumel uma liga de nquel, alumnio, mangans e silcio. - Faixa de utilizao: -200 a 1200C - Caractersticas: Os termopares tipo K so recomendveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. Por causa de sua resistncia em oxidao, so melhores que os tipos T, J e E e por isso so largamente usados em temperaturas superiores a 540c.

Podem ser usados ocasionalmente em temperaturas abaixo de zero graus. O termopar de Nqul - Cromo (ou Cromel) / Nquel - Alumnio (ou Alumel) como tambm conhecido, no deve ser utilizado em:

1. Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora. 2. Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rgida ferrugem e quebra do termopar. 3. Vcuo, exceto por curtos perodos de tempo, pois o cromo do elemento positivo pode vaporizar causando descalibrao do sensor. 4. Atmosferas que facilitem a corroso chamada de "Green-Root", ou oxidante verde, ocorre quando a atmosfera ao redor do termopar contm pouco oxignio, como por exemplo dentro de um tubo de proteo longo, de pequeno dimetro e no ventilado. Quando isto acontece os fios ficam esverdeados e quabradios, ficando o fio posiotivo (cromel) magntico e causando total descalibrao e perdas de suas caractersticas. O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxignio atravs do uso de um tubo de proteo de maior dimetro ou usado um tubo ventilado.

Outro modo de diminuir a porcentagem de oxignio para um valor abaixo da qual proporcionar a corroso. Isto feito inserindo-se dentro do tubo u "getter" ou elmento que absorve oxignio e vedando-se o tubo. O "getter" pode ser por exemplo uma pequena barra de titnio. - Identificao da Polaridade: O Nquel - Cromo (+) no atrai m e o Nquel - Alumnio (-) levemente magntico. Aplicao: o termopar mais utilizado na indstria em geral devido a grande faixa de atuao at 1200C.

Os termopares nobres so aqueles cujas ligas so constitudas de platina. Possuem um custo elevado devido ao preo do material nobre, baixa potncia termoeltrica e uma altssima preciso dada a grande homogeneidade e pureza dos fios.

*Tipo S

- Composio: Platina 90%- Rdio 10% (+) / Platina (-)

*Tipo R

- Composio: Platina 87% - Rdio 13% (+) / Platina (-) - Faixa de Utilizao: 0 a 1600C - Caractersticas: Os termopares tipo S e R so recomendados para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. O uso contnuo em altas temperaturas causam excessivo crescimento de gro, ao qual podem resultar numa falha mecnica do fio de platina (quebra do fio), e tambm tornar os fios susceptveis contaminao, o que causa e reduo da F.E.M. gerada. Mudanas na calibrao tambm so causadas pela difuso ou valorizao do rdio do elemento positivo para o fio de platina pura do elmento negativo. Todos estes efeitos temdem a causar heterogeneidades, o que tira o sensor de sua curva caracterstica. Os termopares tipo S e R no devem ser usados no vcuo, em atmosferas redutoras ou atmosferas com vapores metlicos a menos que bem protegidos com tubos protetores e isoladores cermicos de alumina. A excesso o uso de tubo de proteo de platina (tubete) que por ser do mesmo material no contamina os fios e d proteo necessria aos termoelementos. Estes sensores apresentam grande preciso e sestabilidade em altas temperaturas, sendo usados como sensor padro na aferio de outros termopares. No deve ser utilizado em temperaturas abaixo de zero, pois sua curva F.E.M. x temperatura varia irregularmente.

A diferena entre os termopares deo tipo S e R est somente na potncia termoeltrica gerada. O tipo R gera um sinal aproximadamente 11% maior que o tipo S.

Identificao da Polaridade: Os fios positivos PtRh 10% e PtRh 13% so mais duros que os fios de platina pura (fio negativo). Aaplicao: Seu uso est em processos com temperaturas elevadas ou onde exigido grande preciso como indstras de vidro, cermicas, siderrgicas entre outras

*Tipo B

- Composio: Platina 70% - Rdio 30% (+) / Platina 94% - Rdio 6% (-) - Faixa de utilizao: 600 a 1700C - Caractersticas: O termopar tipo B recomendado para uso em atmosferas oxidantes ou inertes. tambm adequado para certos perodos em vcuo. No deve ser aplicado em atmosferas redutoras nem naquelas contendo vapores metlicos, requerendo tubo de proteo cermico como os tipo S e R. O tipo B possui maior resistncia mecnica que os tipos S e R e sob certas condies apresenta menor crescimento de gro e menor drift de calibrao que o S e R. Sua potncia termoeltrica muitssimo baixa, o que torna sua sada em temperaturas de at 50C quase nula. o nico termopar que no necessita de cabo compensado para sua interligao com o instrumento receptor, fazendo-se o uso de cabos de cobre comuns (at 50C).

- Identificao da Polaridade: O fio de platina 70% - Rdio 30% (+) mais duro que o Platina 94% - Rdio 6% (-).

Aplicao: Seu uso em altas temperaturas como indstria vidreia e outras.

Termopares Novos:

Ao longo dos anos, novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender as condies de processo onde os termopares vistos ate aqui no atendiam a contento. A maioria destes termopares ainda no esto normalizados e nem so fabricados no Brasil.

*Platina 60% - Rdio 40% (+) / Platina 80% - Rdio 20% (-) usado continuamente at 1800C ou ocasionalmente a 1850C, em substituio ao tipo B. No recomendado para esferas redutoras. Existem tambm o Pt 80% - Rh 20% / Pt 95% - Rh 5%, Pt 87% - Rh 13% / Pt 99% - Rh 1%, Pt 95% - Mo 5% / Pt 99% - Mo 0,15 e o Pt85% - Ir 15% / Pd.

*Irdio 60% - Rdio 40% (+) / Irdio (-) Termopares feitos com propores variveis destes dois elementos. Podem ser utilizados at 2000C em atmosferas inertes ou no vcuo. No recomendado para atmosferas redutoras ou oxidantes.

*Platinel I Paldio 83% - Platina 14% - Ouro 3% (+) / Oouro 65% - Paldio 35% (-) Atuando em uma faixa de 1250C, se aproxima bastante do tipo K. Por sua composio conter somente metais nobres, apresenta excelente estabilidade em atmosfera oxidante, porm no recomenda'vel em atmosfera redutora ou em vcuo.

*Tungstnio 95% - Rhnio 5% (+) / Tungstnio 74% - Rhnio 26% Seu smbolo no normalizado e C. Este termopar pode ser utilizado continuamente at 2300C e por outros perodos at 2700C no vcuo, na presena de hidrognio ou gs inerte. No recomendado em atmosfera oxidante. Sua principal aplicao em reatores nucleares.

Variaes na composio das ligas tambem existem como:

Tungstnio (+) / Tungstnio 74% - Rhnio 26% Smbolo G (no oficial)

Tungstnio 97% - Rhnio 3% (+) / Tungstnio 75% - Rhnio 25% Smbolo D (no oficial)

*Nquel - Cromo (+) / Ouro - Ferro (-) Usado em temperaturas criognicas at -268, 15C.

*Tipo N (Nicrosil / Nisil)

Nquel - Cromo - Silcio (+) / Nquel - Silcio (-) Este termopar desenvolvido na austrlia tem sido aceito e aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado pela ASTM, NIST (NBS) e ABNT. Este novo par termoeltrico um substituto ao termopar tipo K, apresentando um range de -200 a 1200C, uma menor potncia termoeltrica em relao ao tipo K, porm uma maior estabilidade, menor drift x tempo, excelente resistncia a corroso e maior vida til. Seu uso no recomendado no vcuo.

Apresentamos abaixo, um grfico de variao F.E.M. versus temperatura para os vrios tipos de termopares existentes:

Limites de Erros dos Termopares

Entende-se por erro de um termopar, o mximo desvio que este pode apresentar em relao a um padro, que adotado como padro absoluto. Este erro pode ser expresso em Graus Celsius ou em porcentagem da temperatura medida, adotar sempre o que der maior.

A tabela abaixo fornece os limites de erros dos termopares, conforme recomendao da norma ANSI MC 96.1 - 1982, segundo a IPTS-68.

Tipo de Termopar

Faixa de Temperatura

Limites de Erro Standard

(Escolher o Maior) Especial

(Escolher o Maior) T 0 a 350C 1C ou 0,75% 0,5C ou 0,4% J 0 a 750C 2,2C ou 0,75% 1,1C ou 0,4% E 0 a 900C 1,7C ou 0,5% 1C ou 0,4% K 0 a 1250C 2,2C ou 0,75% 1,1C ou 0,4%

S e R 0 a 1450C 1,5C ou 0,25% 0,6C ou 0,1% B 800 a 1700C 0,5% - T -200 a 0C 1C ou 1,5% - E -200 a 0C 1,7C ou 1% - K -200 a 0C 2,2C ou 2% -

Notas: - Estes limites atendem as normas ASTM-E-230/77 - USA, UNI 7938 - ITLIA, BS-4937 - INGLATERRA, JIS C1602 - JAPO e IEC 584-2 de 1982 para termopares convencionais e de isolao mineral. - Temperatura da juno de referncia a 0 C. - Quando o limite de erro expresso em % este se aplica a temperatura que est sendo medida. - Estes erros no incluem os erros devido a instalao.

Apesar destes limites de erros atenderem a norma IEC 584-2 de 1982 e ainda serem utilizados, apresentando a reviso feita em junho de 1989 da IEC 584-2. Segundo esta norma internacional IEC 584-2 de 1989, foi adotado em diversos pases do globo, inclusive adotada pela ABNT tornando-se uma NBR, as seguintes tolerncias e faixas de trabalho para os termopares, todos eles referenciados a zero graus Celsius.

Limites de erros para Termopares convencionais e minerais segundo a norma IEC 584-2 (Reviso junho de 1989):

Tipos de Termopares

Classe 1 (Especial)

Classe 2 (Standard)

Classe 3 (Standard)

Tipo T

Range Tolerncia

Range Tolerncia

-40 a 125C 0,5C

125 a 350C 0,4%

-40 a 133C 1,0C

133 a 350C 0,75%

-67 a 40C 1,0C

-200 a -67C 1,5%

Tipo E

Range

Tolerncia Range

Tolerncia

-40 a 375C 1,5C

375 a 800C 0,4%

-40 a 333C 2,5C

333 a 900C 0,75%

167 a 40C 2,5C

-200 a 167C 1,5%

Tipo J

Range Tolerncia

Range Tolerncia

-40 a 375C 1,5C

375 a 750C 0,4%

-40 a 333C 2,5C

333 a 750C 0,75%

- - - -

Tipo K/N

Range

Tolerncia Range

Tolerncia

-40 a 375C 1,5C

375 a 1000C 0,4%

-40 a 333C 2,5C

333 a 1200C 0,75%

-167 a +40C 2,5C

-200 a 167C 1,5%

Tipo S/R

Range Tolerncia

Range Tolerncia

0a 1100C 1,0C

110 a 1600C [1 + 0,003 (t-1100)]C

0 a 600C 1,5C

600 a 1600C 0,25%

- - - -

Tipo B

Range Tolerncia

Range Tolerncia

- - - -

- -

600 a 1700C 0,25%

600 a 800C 4,0C

800 a 1700C 0,5%

Notas: a) A nomenclatura dos termopares segundo a IEC 584-2:

Tipo T: Cobre / Cobre - Nquel Tipo J: Ferro / Cobre - Nquel Tipo E: Nquel - Cromo / Cobre - Nquel Tipo K: Nquel - Cromo / Nquel - Alumnio Tipo S: Platina - 10% Rdio /Platina Tipo R: Platina - 13% Rdio /Platina Tipo B: Platina - 30% Rdio / Platina - 6% Rdio Tipo N: Nquel - Cromo - Silcio / Nquel - Silcio

b) Existem, segundo a norma DIN 43710, duas designaes diferentes para os termopares que so o tipo U (cobre / cobre - nquel) e o tipo L (ferro / cobre - nquel). Estes termopares so anlogos aos tipos T e J da ANSI e IEC, s que com composies qumicas diferentes.

2.8 Termopares de Classe Especial

Conforme verificado nas tabelas anteriores, existem duas classes de prciso para termopares: a Classe Standard que a mais comum e mais utilizada e a Classe Especial tambm chamada de "Premium Grade". Estes termopares so fornecidos na forma de pares casados; ou seja, com caractersticas de ligas com graus de pureza superiores ao Standard. Alm disso h tambm todo um trabalho laboratorial para adequar num lote de fios, aqueles que melhor se adaptam (casam entre si), conseguindo com isso uma melhor preciso na medio de temperatura.

2.9 Relao Temperatura Mxima x Bitola do Fio

Os termopares tem limites mximos e mnimos de aplicao que so funes das caractersticas fsicas e termoeltricas dos fios. Os limites mnimos segundo a ANSI MC 96.1 so -200C para os tipos T, E e K, 0C para os tipos S e R e 800C para o tipo B.

Os limites superiores dependem do dimetro do fio utilizado na construo dos termopares. Na tabela abaixo temos os limites mximos de temperatura em funo dos dimetros dos fios, segundo a ANSI MC 96.1 - 1982.

Tipo de Termopar

Bitola 8 AWG

( 3,26mm)

Bitola 14 AWG

( 1,63mm)

Bitola 20 AWG

( 0,81mm)

Bitola 24 AWG

( 0,51mm) T - 370C 260C 200C J 760C 590C 480C 370C E 870C 650C 540C 430C K 1260C 1090 980C 870C

S e R - - - 1480C B - - - 1700C

Nota: Estes limites se aplicam para termopares convencionais em uso contnuo, com poos ou tubos de proteo com a extremidade fechada; portanto no sendo vlida para os termopares isolao mineral.

2.10 Relao Resistncia hmica x Bitola do Fio

Apresentamos a seguir a tabela de resistncia hmica dos termopares em relao ao dimetro do fio, segundo a ASTM - STP 470 B, em hms por metro a 20C.

BITOLA (AWG)

TIPO DE TERMOPAR

J K T E R S B

8 0,07 0,12 0,06 0,14 - - - 14 0,29 0,48 0,24 0,58 - - - 16 0,46 0,76 0,38 0,91 - - - 20 1,17 1,93 0,97 2,30 - - - 24 - - - - 1,49 1,45 1,81

Nota: Todos os valores informados nas tabelas anexas, so um guia de consultas para o usurio e no deve ser tomado como valores absolutos e nem como garantia de vida e desempenho satisfatrios. Estes tipos de dimenses so usados algumas vezes acima dos limites citados, mas geralmente a custa de estabilidade, vida til ou ambos; em outras circunstncias necessrio reduzir os limites supra, a fim de alcanar uma aplicao desejada.

2.11 Unio da Juno de Medio

A juno de medio (junta quente) de um termopar pode ser obtida por qualquer mtodo que d a solidez necessria e um bom contato eltrico entre os dois fios, sem contudo alterar as caractersticas termoeltricas dos mesmos, podendo estes serem torcidos ao redor de outros antes da solda (juno torcida) ou simplesmente serem encostados um no outro para ser soldado depois (juno de topo).

Para os termopares de base metlica com os tipos E, T, J e K, deve-se inicialmente fixar as pontas dos fios antes da solda. J para os termopares nobres, no h necessidade de se preparar a superfcie, entretanto deve-se tomar muito cuidado na manipulao dos fios, evitando a contaminao por leo, suor ou poeira. Entre as diferentes maneiras de se realizar um bom contato eltrico na juno de medio do termopar, a solda a mais utilizada, porque assegura uma ligao perfeita dos fios por fuses dos metais do termopar. Com excesso da solda prata, no colocado nenhum outro material metlico para se realizar a solda, tendo somente a fuso dos metais. O nico incoveniente da soldagem , se a chama do maarico no estiver bem regulada, de contaminar os fios criando eterogeineidades; o que pode tirar o termopar de sua curva de calibrao.

Lembrar que numa solda feita a maarico oxi-acetileno, se a porcentagem do oxignio for muito pequena, tem-se uma chama com caractersticas redutoras, o que prejudicial aos termopares do tipo E, K, S, R e B. O ajuste do tipo de chama adequado muitas vezes dado pela colorao da chama. Alm do maarico, pode-se usar solda TIG, resistncia (caldeamento) ou arco plasma.

2.12 Aferio de Termopares

Todos os termopares em servio esto sujeitos a desvios de calibrao, particularmente sob condies de alta temperatura e contaminao atmosfrica. Um termopar descalibrado, envelhecido ou contaminado est fora das especificaes admitidas por norma, ou seja, apresentam erros positivos ou negativos que podem ir desde dcimos at centenas de graus centgrados. Outras fontes de erros em termopares so:

- No homogeneidade das ligas - Tenses mecnicas nos fios - Choque Trmicos - Fios de pequenos dimetros - Altas temperaturas - Ambientes agressivos

A importncia da verificao do termopar varia de acordo com a aplicao e o grau de preciso requerido, mas a maioria tem por objetivo maior preciso, maior segurana operacional, aumento da eficincia, melhor qualidade, reduo nos ndices de refugo, aumento do perodo entre paradas, diminuio da manuteno corretiva, menor desgaste de equipamento, menor periodicidade de troca de refratrios e menores custos de produo.

Mtodos de Aferio

Existem 2 tcnicas de se aferir sensores de temperatura que so: a) A aferio absoluta ou por pontos fixos b) Por comparao

Veremos a seguir os dois mtodos: a) A aferio Absoluta ou por Pontos Fixos baseia-se na verificao do sinal gerado por um termopar em vrios pontos fixos de temperatura como pontos de solidificao, ebulio e pontos triplos de substncias puras, padronizadas atualmente pela ITS-90.

Escala de Temperatura Padronizada pela ITS-90:

Zero Absoluto................................. Ponto Triplo do Hlio....................... Ponto Triplo do Neon...................... Ponto de Ebulio do Nitrognio...... Ponto Triplo do Argnio................... Ponto de Ebulio do Oxignio........ Ponto Triplo do Mercrio................. Ponto Triplo do gua...................... Ponto Triplo do Hlio...................... Ponto de Fuso do Glio................ Ponto de Solidificao do ndio........ Ponto de Solidificao do Estanho... Ponto de Solidificao do Zinco....... Ponto de Solidificao do Alumnio... Ponto de Solidificao da Ouro........ Ponto de Solidificao do Cobre.......

-273,15 C -259,3467 C -248,5939 C -195,7980 C -189,3442 C -182,9540 C -38,8344 C +0,01 C +29,7646 C +156,5985 C +231,9280 C +419,5270 C +660,3230 C +961,7800 C +1064,1800 C +1084,6200 C

Para a realizao da aferio coloca-se o sensor a ser aferido nestes pontos fixos e faz-se a leitura do sinal gerado com um instrumento padro. O sinal lido comparado com o valor conhecido do ponto fixo, verificando-se qual o erro ou desvio do sensor em relao ao ponto fixo.

Isto feito em vrias temperaturas diferentes para cobrir toda a faixa de trabalho do sensor. Este um mtodo de extrema preciso porm de dificuldade de realizao, pois exige um laboratrio altamente sofisticado assim como instrumentos padres para a leitura. Devido ao grau de preciso e a repetibilidade alcanados (algumas vezes at de 0,0001C) usado para a determinao sensores padres.

b) O mtodo de comparao baseia-se na comparao do sinal gerado por um sensor padro (referncia) com o sensor a ser aferido, ambos no mesmo meio termostatado.

O sensor padro (para termopares usa-se normalmente os tipos S ou R) possui um certificado de aferio em vrias temperaturas, levantado contra um padro hierarquicamente superior a ele (padro primrio, secundrio); e garantido sua preciso, estabilidade e repetibilidade devido ao seu uso no contnuo, alm de todos os cuidados na sua manipulao.

Como meio termostatado ou ambiente com teperatura controlada e estabilizada, usam-se diferentes tipos de banhos e fornos (para trabalhar em toda a faixa de temperatura), que garantem estabilidade e uniformidade, fundamentais para uma boa aferio. Usa-se Banho de Lquido Agitado para temperaturas negativas at aproximadamente 630C, garantindo excelente homogeneidade e estabilidade. Para temperaturas de -70 a 980C utiliza-se Banhos de Leito Fluidizado. Para valores superiores a 620C usam-se Fornos Eltricos Tubulares.

Os procedimentos de aferio so:

Coloca-se o forno numa temperatura desejada, com os termopares que se deseja aferir na mesma posio que o sensor padro. Isto fundamental para que tenhamos a mesma temperatura nos dois sensores.

Espera-se um tempo de estabilizao para a completa homogeneizao do forno com os sensores a serem aferidos.

Para a compensao da juno de referncia, utiliza-se um banho de gelo ou zero eletrnico, caso o instrumento de leitura no o faa; ou ligando diretamente os termopares no instrumento se este tiver o circuito compesador da juno de referncia. Um tempo para estabilizao tembm requerido.

Faz-se a leitura dos sinais gerados tanto do padro como dos sensores em teste. Corrigido o desvio do padro (com seu respectivo certificado), faz-se a converso dos sinais para unidades de egenharia (C ou F) e verifica-se a diferena entre as duas indicaes (C teste - C padro). Esta diferena no deve ser maior que os valores mximos admitidos por norma (veja Limites de erros para Termopares).

Aps estes procedimentos, eleva-se a temperatura do banho ou forno para um outro valor estabelecido e repete-se os tens anteriores, fazendo isto para diversas temperaturas.

Segundo a ASTM E-220/86, o nmero de pontos de temperatura para se fazer uma aferio por comparao, depende muito do tipo de termopar e do grau de preciso requerido. Esta norma recomenda cobrir a faixa toda de trabalho do termopar de 100 em 100, porm esta faixa de variao pode aumentar, usando-se a interpolao matemtica para os valores no cobertos.

A aferio por comparao um mtodo suficientemente preciso e de relativa facilidade de obteno, no exigindo laboratrios sofisticados como no caso da aferio por pontos fixos.

O desenho abaixo mostra uma aferio por comparao:

Observao:

O fato da tenso de sada de um termopar ser desenvolvida em regies de gradientes de temperatura, e no em junes, apresenta algumas implicaes importantes ao se buscar uma preciso na medio de temperatura. importante que os condutores dos termopares em regies de gradientes de temperatura, sejam qumica e fisicamente homogneos; qualquer poro no homognea do termopar (partes dos condutores qumica ou fisicamente alterados), devem estar em reas isotrmicas. Isto tem fundamental importncia quando os sensores so aferidos depois de serem utilizados durante algum tempo.

Num meio termostatado, provvel que o gradiente de temperatura se encontre acima do comprimento um tanto limitado do termopar que est sendo aferido. Ao se aferir qualquer termopar, assume-se que as caractersticas

termoeltricas so uniformes em todo o seu comprimento e a regio de temperatura forme uma amostra representativa do restante da unidade. Com um termopar novo, sem uso, isto geralmente representa uma suposio satisfatria e a afeiro ser vlida par qualquer distribuio subsequente de temperatura do longo dele.

Sob certa condies de trabalho a altas temperaturas e ambientes agressivos, as caractersticas termoeltricas de alguns condutores do termopar podem se alterar gradualmente. Esta situao encontra-se representada na figura abaixo, onde o comprimento do termopar na regio aquecida sofreu alteraes.

Uma vez que o material alterado, inevitavelmente, se estenda para dentro do gradiente de temperatura, o sinal gerado ser modificado, muito embora as temperaturas das junes permaneam constantes. Costuma-se frequentemente fazer referncia a este fenmeno com "Alterao do valor da Leitura do Termopar" (Thermocouple Drift).

Agora deve estar aparente que a tentativa de aferir ou mesmo checar um termopar alterado, pela remoo do processo para um ambiente de aferio, no resultar em condies satisfatrias, pois o resultado obtido est totalmente dependente da localizao do gradiente de temperatura de aferio ao longo do sensor.

Por exemplo: se o termopar for imerso profundamente num banho ou forno de aferio, a parte contaminada no sofrer um gradiente de temperatura, e o termopar parecer que manteve seus valores origiginais de calibrao (vide figura abaixo).

Por outro lado, uma curta imerso expem o material contaminado a um gradiente total de temperatura e ir aparecer uma alterao muito maior do que estava ocorrendo na prtica.

Portanto, torna-se impraticvel simjular uma situao do gradiente de temperatura de trabalho a que o sensor estava submetido, em relao a cada termopar enviado para ser aferido num forno de aferio.

Restam duas possibilidades para garantir o desempenho preciso: ou se coloca periodicamente um sensor padro no mesmo local de operao do termopar (processo) e faz-se uma checagem, ou substitui-se o sensor suspeito por uma unidade nova dentro das normas.

Alm dos sensores padres que so uma referncia e os meios termostatados para aquecimento e estabilizao, necessrio tambm instrumentos para leitura e aquisio de dados, chaves seletoras, referenciadores de zero grau, curvas e tabelas dos sensores padres e dos sensores em uso, procedimentos e rotinas de aferio de sensores de temperaturas e instalaes necessrias para complementar o laboratrio como tenso eltrica isolada, estabilizada e filtrada, temperatura ambiente e umidade controladas entre outras.

3) Termopar Isolao Mineral

O desenvolvimento dos termopares isolao mineral partiu da necessidade de satisfazer as severas exigncias do setor nuclear. Desde ento, os benefcios deste trabalho puderam ser transmitidos indstria em geral, que os utilliza numa grande variendade de aplicaes devido a srie de vantagens que oferecem, tais como grande estabilidade, resistncia mecnica entre outros.

O termopar isolao mineral consiste de trs partes bsicas: um ou mais pares de fios isolados entre si por um material cermico compactado a uma bainha metlica externa.

Este tipo de montagem de extrema utilidade pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos, que podem causar a completa deteriorao dos termoelementos, alm da grande resistncia mecnica, o que faz com que o termopar isolao mineral possa ser usado em um nmero quase infinito de aplicaes.

3.1 Construo do cabo isolao mineral

O processo de fabricao dos termopares isolao mineral comea com os termoelementos de dimetro definidos, inseridos num tubo metlico e isolados entre si e o tubo por um material cermico (p de xido de magnsio).

Atravs de um processo mecnico de estiramento (trefilao), o tubo e os termoelementos so reduzidos em seus dimetros (aumentado seu comprimento) e o xido de magnsio fica altamente compactado, isolando e posicionando os fios em relao a bainha metlica.

O xido de magnsio um excelente isolante eltrico e um bom condutor trmico, de maneira que qunado compactado, ocupa todos os espaos internos, isolando eletricamente os fios entre si e a bainha alm de dar alta resistncia mecnica ao conjunto e proporcionar boa troca trmica.

Como este processo de trefilao ou estiramento (reduo do dimetro e aumento do comprimento proporcionalmente), cria tenses moleculares no material, torna-se necessrio tratar termicamente o conjunto. Este tratamento trmico alivia estas tenses e recoloca o termopar em sua curva caracterstica, obtendo assim um produto final na forma de caabos compactados, muito reduzidos em seus dimetros (desde 0,5 mm at 8,0 mm de dimetro externo), porm mantendo proporcionalmente as dimenses e isolao da forma primitiva.

Existe uma relao entre dimetro externo da bainha para o dimetro dos fios termopares e espesssura da parede da bainha, oferecendo uma razo para a espessura da bainha (para proteo do termopar) e o espaamento interno (para garantir a elevada isolao eltrica em altas temperaturas).

Onde: dF o dimetro dos fios termopares, eB a espessura da parede da bainha e e o espaamento entre os fios e a bainha.

Na tabela abaixo damos alguns valores de dimetro dos fios (dF) e espessura da bainha (eB) em funo do dimetro externo (D) para termopar isolao mineral simples:

D(mm) 0,5 1,0 1,5 2,0 3,0 4,5 6,0 8,0

eB (mm) 0,08 0,16 0,24 0,32 0,48 0,72 0,96 0,28 dF (mm) 0,10 0,19 0,29 0,38 0,57 0,86 0,14 0,52 e (mm) 0,05 0,10 0,15 0,20 0,30 0,45 0,80 0,80

Nota: Dados segundo a ASTM - STP 470B

Alm do xido de magnsio, usa-se tambm como material isolante a alumina, xido de berlio e xido de trio, porm o xido de magnsio mais barato, compatvel com os termoelementos e mais comum de ser encontrado. Uma grande ateno deve ser tomada com a pureza qumica e metalrgica dos componentes envolvidos na fabricao do termopar isolao mineral.

3.2 Iisolao Eltrica do Cabo Isolao Mineral

Devido a tendncia natural do xido de magsio em absorver a umidade (higroscpio) e outras substncias que podem vir a contaminar os termoelementos, uma isolao eltrica mnima admitida entre os condutores e a bainha de no mnimo 100 M em temperatura ambiente (20C).

Vrias precaues devem ser mantidas para a fabricao do termopar isolao mineral, tais como: - No deixar o cabo aberto exposto no ambiente por mais de 1 mnuto. Imediatamente sele a ponta aberta com resina,

depois de aquece-la para retirar a umidade. - O armazenamento deve ser em local aquecido e seco (aproximadamente 38C e 25% de umidade relativa do ar).

3.3 Montagem do Termopar Isolao Mineral

Depois de concludas as etapas de trefilao, tratamento trmico e alguns testes como inspeo visual, continuidade, isolao e inspeo dimensional inicia-se a montagem do termopar.

a) Montagem de juno de medio

- Corte do cabo no comprimento desejado - Remoo do xido de magnsio da ponta - Solda dos termoelementos usando solda TIG com atmosfera inerte - Preenchimento do espao vazio com xido de magnsio (esta etapa no feita se a juno de medio for aterrada) - Solda do plug de fechamento - Verificao da integridade da solda - Testes de continuidade, polaridade e isolao

b) Montagem de juno de referncia

- Decapamento da bainha - Solda dos rabichos (cabos compensados) - Colocao do pote de adaptao ou conector compensado - Selagem da juno de referncia com resina epoxi - Testes para verificao da integridade da juno de referncia, garantindo total vedao ao meio - Testes finais para a aprovao no Ccontrole de Qualidade - Aferio

Termopar isolao mineral completo

3.4 Vantagens do Termopar Iisolao Mineral

a) Estabilidade na F.E.M. Esta estabilidde caracterizada pelos condutores estarem totalmente protegidos de ambientes agressivos que normalmente causam oxidao e envelhecimento dos termopares.

b) Resposta Rpida O pequeno volume e alta condutividade trmica do xido de magnsio, promovem uma rpida transferncia de calor, superior aos termopares com montagem convencional.

c) Grande Resistncia Mecnica e Flexibilidade Devido a alta compactao do xido de magnsio dentro da bainha metlica mantendo os termoelementos uniformemente posicionados, permite que o cabo seja dobrado, achatado, torcido ou estirado, suportando presses externas e "choques trmicos" sem qualquer perda de suas propriedades termoeltricas.

d) Resistncia a Corroso Os termopares isolao mineral so disponveis com diversos tipos de capas metlicas, para garantir sua integridade em qualquer tipo de ambiente corrosivo, qualquer que seja o termopar.

f) Resistncia de Isolao (a frio) A resistncia de isolao entre condutores e bainha sempre superior a 100 M (a 20C) qualquer que seja o dimetro, em qualquer condio de umidade. Valores segundo norma ASTM E-608/84.

g) Blindagem Eletrosttica A bainha metlica devidamente aterrada, oferece excelente blindagem contra interferncias eletrostticas (rudos).

3.5 Caractersticas Tcnicas

Para a perfeita seleo de um termopar isolao mineral, devem ser levados em considerao todas as possveis caractersticas e normas exigidas pelo processo. Estamos fornecendo algumas caractersticas tcnicas, fundamentais para a escolha do mesmo:

3.5.1 Tipos e Nmeros de Sensores

Os termopares isolao mineral podem ser dos tipos T, E, J e K, podendo ser simples (1 par de fios), duplo (2 pares de fios) ou at mesmo triplo (6 termoelementos dentro de uma nica bainha).

Obs.: Existem termopares isolao mineral de platina dos tipos S, R e B. Sua isolao pode ser de xido de magnsio, xido de berlio, alumina e o material da bainha de molibdnio, tntalo ou titnio. A escolha destes materiais vai depender da temperatura e do meio em que for colocado o termopar, mas sua aplicao muito pequena.

3.5.2 Caractersticas da Bainha Metlica

A escolha do material da bainha fundamental para a vida til do termopar isolao mineral, pois se a bainha resistir s condies do ambiente agressivo, o termoelemento tambm resistir.

Material da Bainha

Temperatura Mx. Recomendada C

Consideraes Gerais

Inx 304 900

Boa resistncia a corroso, podendo ser usada em atmosfera oxidante, redutora, neutra e no vcuo. No recomendvel o uso na presena de enxofre ou chamas redutoras.

Inx 310 1100

Boas propriendades de resitncia a oxidao em altas temperaturas, utilizvel em atmosfera oxidante, redutora, neutra ou no vcuo.Bom para uso em atmosfera sulfurosa

Inx 316 900 Maior resistncia a corroso do que o Inx 304, boa resistncia a cidos e lcalis.

Alloy 600 1150 Excelente resistncia a oxidao em altas temperaturas.Seu uso em atmosferas com enxofre deve ser evitado.

Ao Cromo 446 1100 Excelente resistncia corroso e oxidao em alta temperatura.Boa resistncia em atmosferas sulfurosas.

Nota.: Nesta tabela esto listados os materiais normalmente utilizados, porm existe a disponibilidade de outros materiais.

3.5.3 Calibrao

Os termopares isolao mineral apresentam os mesmos limites de erros que os termopares convencionais, tendo tambm classes standard e especial (que apresenta maior preciso). Estes erros so normalizados segundo a ANSI MC 96.1 - 1982 e atualmente pela IEC 584-2 de 1989 (vide as tabelas de limites de erros no tem 2.7).

3.5.4 Isolao

Os termopares isolao mineral apresentam uma resistncia de isolao eltrica mnima temperatura ambiente (23C 3C) entre condutores e bainha segundo as normas ASTM E-608/84 e apresentam os seguintes valores:

Dimetro (mm)

Tenso Aplicada V dc Isolao Mnima

M

D < 0,8 50 100 0,8 < D < 1,5 50 500

D > 1,5 500 1000

Isolao a Quente Conforme recomendao da Petrobrs, a introduo do termopar a 80% num forno a 600C, aps uma hora deve apresentar uma isolao entre condutor e bainha de 20 M , aplicando-lhe uma tenso de 500 Vdc.

3.5.5 Dimetros

Os mais variados dimetros podem ser obtidos com termopares isolao mineral, pois s variar os dimetros durante a trefilao do cabo. Os dimetros mais comuns so os de 0,5 / 1,0 / 2,0 / 3,0 / 4,5 / 6,0 e 8,0 mm. Estes dimetros so da bainha metlica externa.

3.5.6 Tipos de Junes de Medies

Podemos classificar os termopares isolao mineral com relao a posio da juno de medio em relao bainha metlica, em trs tipos:

a) Juno Exposta: neste tipo de montagem, parte da bainha e da isolao so removidos, expondo os termoelementos ao ambiente.

Tem como caractersticas um tempo de resposta extremamente pequeno e grande sensibilidade a pequenas variaes na temperatura, mas representa como desvangtagem o rpido envelhecimento dos termoelementos devido ao contato com o ambiente agressivo, altas temperaturas e presses.

b) Juno Aterrada: neste, os termoelementos e a bainha so soldados juntos para formar a juno de medio. Assim os fios so aterrados na bainha.

Este tipo de montagem apresenta um tempo de resposta um pouco maior que a jno exposta, mas ainda assim menor que a juno isolada, podendo ser usado em ambientes agressivos devido a isolao dos termoelementos. No recomendvel para ambientes ruidosos devido captao destes rudos, podendo transmiti-los para o instrumento indicador gerando erros e instabilidade na leitura.

c) Juno Isolada: quando a juno de medio isolada eletricamente da bainha. Este tipo de montagem o mais utilizado.

Suas caractersticas so: 1. Um tempo de resposta maior que as montagens anteriores 2. Os termoelementos ficam totalmente protegidos do meio externo garantindo maior vida til e podendo ser usado em ambientes sujeitos a campos eltricos, pois sendo isolado da bainha, fica mais imune a interferncias eletrostticas.

3.5.7 Relao Temperatura x Dimetro

Esta tabela sugere os limites superiores de temperatura para vrios tipos de termopares simples, isolao mineral, com relao aos seus dimetros externos, segundo a norma ASTM E-608/84.

Dimetro da bainha (mm)

Temperaturas em C T J E K

0,5 260 260 300 700 1,0 260 260 300 700 1,6 260 440 510 920 3,2 315 520 650 1070 6,3 370 720 820 1150

3.5.8 Relao Resistncia hmica x Dimetro

Esta tabela sugere resistncias hmicas com relao ao seu dimetro externo para vrios tipos de termopares isolao mineral em hms por metro a 20C.

Nmero de Condutores

Dimetro Externo

(mm) Valores em /metro

T J E K

02

0,5 79,6 106,3 191,9 152,5 1,0 22,2 26,4 48,6 38,6 1,6 9,1 10,7 19,6 15,5 3,2 2,3 2,7 5,5 3,9 6,4 0,5 0,6 1,3 1,1

04 1,6 12,3 14,1 28,7 21,0 3,2 2,8 3,8 7,2 5,9 6,4 0,7 1,0 1,7 1,6

3.5.9 Tempos de Resposta

As constantes de tempo apresentadas na tabela abaixo, so tpicas para termopares isolao mineral submetidos a um gradiente de temperatura de aproximadamete 20C para 100C.

Dimetro da Bainha (mm)

Tipo de Juno de Medio

Tempo de Resposta em Segundos

0,5 aterrada 0,05 0,5 isolada 0,15 1,0 aterrada 0,10

1,0 isolada 0,30 1,5 aterrada 0,20 1,5 isolada 0,50 3,2 aterrada 0,70 3,2 isolada 1,30 6,3 aterrada 2,00 6,3 isolada 4,50 6,3 *exposta* 0,10

Define-se constante de tempo como perodo requerido para o termopar detetar 63,2% da temperatura de ensaio. Pela ASTM STP-470A o tempo total para responder a 100% do degrau de temperatura de aproximadamente 5 vezes a constante de tempo.

3.6 Aplicaes do Termopar Isolao Mineral

As vantagens dos termopares isolao mineral permitem sua utilizao em um nmero ilimitado de processos industriais, seja na indstria cermica, ferro e ao, qumica e petroqumica, papel e celulose, alimentcia, cimenteira, vidreira, de eletricidade, automotiva, de eletrodomstico, nuclear, aeronutica, txtil e muitas outras.

O termopar isolao mineral tambm se aplica em laboratrios de pesquisas experimentais para estudos em arco plasma, feixe de eltrons, laser e outros experimentos fsicos.

4) Fios e Cabos de Extenso e Compensao

Na grande maioria das aplicaes dos termopares de medio de temperatura, o processo industrial fica a grandes distncias do instrumento receptor (indicao, registro ou controle). Apesar de tecnicamente podermos utilizar um termopar de comprimento tal que v do processo ao instrumento, os grandes custos para este tipo de montagem inviabilizam-na totalmente (principalmente no caso de termopares nobres).

Poderamos tambm usar para interligar o elemento sensor com o receptor, fios de cobre comuns, conduzindo a milivoltagem gerada pelo termopar at o instrumento. Mas como o termopar gera um sinal proporcional diferena de temperatura entre as suas junes (E gerada = E temp.j.medio - E temp.j.referncia), e como normalmente a temperatura do instrumento no a mesma da juno de referncia do termopar; torna-se necessrio que o instrumento seja ligado ao sensor atravs de fios que possuam uma curva similar quela do termopar, a fim de compensar a diferena de temperatura existente entre a juno de referncia e o instrumento e para que no instrumento possa ser efetuada corretamente a compesao da temperatura ambiente.

Portanto, fios e cabos de extenso e compensao (ou fios e cabos compesados), nada mais so que outros termopares, cuja funo alm de conduzir o sinal gerado pelo sensor, a de compensar os gradientes de temperatura existentes entre a juno de referncia (cabeote) do sensor e os bornes do instrumento, gerando um sinal proporcional de milivoltagem a este gradiente.

Exemplo de ligao do termopar ao instrumento usando fios de cobre comuns:

Temos um termopar tipo K sujeito a 1000C dentro do forno, com o cabeote a 40C. fios de cobre/cobre interligando o sensor at o instrumento (com entrada a termopar tipo K e com compensao da temperatura ambiente) e que tem na sua entrada uma temperatura de 25C.

Portanto teremos indicado no instrumento uma temperatura de 984,3C, quando estamos a 1000C no forno, portanto com um erro de -15,7C ou 1,6%.

Observa-se neste exemplo 2 pontos importantes:

a) O uso de cabos de cobres comuns interligando o termopar ao instrumento, sujeito a temperaturas diferentes entre suas extremidades; surgiro erros na indicao final de temperatura, pois o cabo de cobre no compensou o diferencial de temperatura e nos levou a um erro. Este erro pode ser maior ou menor, dependendo da gradiente de temperatura existente.

Notar que este erro (-15,7C ou 1,6%) s devido ao uso de cabos no compesados, no estando incluso neste valor os erros do termopar e do instrumento.

b) Para este tipo de exemplo se utiliza clculos individuais; tenso do termopar, do cabo e do instrumento; somando-as para calcular a tenso total e a respectiva temperatura.

4.1 Definies Tcnicas

a) Fios so aqueles condutores constitudos por um eixo slido, e Cabos condutores formados por um feixe de condutores de menor dimetro, formando um condutor flexvel.

b) Fios e Cabos de Extenso so condutores fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam; portanto apresentam a mesma curva F.E.M. x temperatura.

Os fios e cabos de extenso so usados com os termopares de base metlica ou bsicos tipo T, J, E e K. Apesar de possuirem as mesmas ligas dos termopares, apresntam um custo menor devido a limitao de temperatura que podem ser submetido, pois sua composio qumica no to homognea quanto a do termopar.

c) Fios e Cabos de Compensao so os condutores fabricados com ligas diferentes dos termopares a que se destinam, mas tambm apresentando a mesma curva F.E.M. x temperatura dos termopares. O Fios e Cabos de Compensao so usados pricipalmente com os termopares nobres (feitos a base de platina) tipos S e R, porm pode-se utiliz-lo em alguns termopares bsicos e com os novos tipos que ainda no esto normalizados.

O uso de materiais diferentes do termopar deve-se nica e exclusivamente aos problemas inerentes de custos, pois totalmente invivel economicamente conduzir o sinal gerado pelo termopar ao instrumento, usando fios e cabos de extenso de platina (mesmo tendo um grau de pureza menor). Por isso faz-se uso de ligas diferentes da platina porm, apresentando a mesma curva de F.E.M. x temperatura. A nica restrio no seu uso a temperatura mxima de trabalho que bem menor que os termopares.

Como exemplo, temos para termopares S ou R e a curva do cabo de compensao de cobre/cobre-nquel, indicando que as curvas so as mesmas at um limite de temperatura, na qual se for ultrapassado, a curva do cabo se perde.

Notas: - Pode se usar fios e cabos de compensao para termopar tipo K, porm seu uso limitado devido ao seu rpido envelhecimento e preciso limitada. - Os termopares tipo B usam cabos de cobre comuns, apesar destes serem tabelados como cabos de compensao. - Utiliza-se o sufixo X, segundo a norma ANSI para designar que fio ou cabo de extenso e compensao (TX, JX, EX, KX, SX, RX, BX, WX).

4.2 Faixa de Utilizao, Limites de Erros e Identificao das Isolaes

Os fios e cabos de extenso e compensao so recomendados na maioria dos casos para utilizao desde a temperatura ambiente at um limite mximo de aproximadamente 200C; pois acima deste valor a curva F.E.M. x temperatura no mais vlida e o cabo sai fora de calibrao. Para facilitar a identificao do tipo e da polaridade dos condutores, convencionou-se atravs das cores das isolaes.

A tabela seguinte indica o cdigo de cores, a faixa de trabalho e as tolerncias dos fios e cabos de extenso e compensao para as normas americana e alem (as mais usadas), iglesa, japonesa, japonesa e francesa.

Para uma melhor visualizao desta tabela de cores, em uma nova janela de apresntao

Apesar desta tabela ser muito conhecida e utilizada mundialmente, apresentamos a nova tabela de faixas, erros e cdigo de cores segundo a IEC-584-3 de 1989. Segundo esta norma internacional IEC 584-3, foi adotado em diversos paises do glogo, inclusive adotado pela ABNT tornando-se uma NBR, as novas tolerncias, faixas de trabalho e o cdigo de cores para os fios e cabos de extenso e compensao.

A tabela inclui nos parnteses, as tolerncias aproximadas em graus Celsius. Devido a curva dos termopares no serem lineares, as tolerncias em graus dependem da temperatura da juno de medio do termopar. Nna maioria dos casos, o erro expresso em graus ser maior em temperaturas de junes menores.

Tabela de limites de erros segundo a IEC 584-3/1989

Tipo Range (C) Tolerncia Temperatura da Juno de Medio

TX -25 a 100C

Especial (Classe 1) 30uV (0,5C)

Standard (Classe 2) 60uV (1,0C)

300

JX -25 a 200C



500C

EX -25 a 200C



500C

KX -25 a 200C


Standard ( Classe 2) 100uV (2,5C)

900C

KCA 0 a 150C

Especial (Classe 1) -


900C

NX -25 a 200C



900C

SCB RCB

0 a 200C

Especial (Classe 1) -


1000C

Notas: a) O range de temperatura em alguns casos deve ser menor do que os mostrados na tabela devido limitao das isolaes dos fios ou cabos. b) Os cabos usados para termopar tipo B, so condutores de cobre comuns. Num range de 0 A 100 C o mximo desvio de 40 V(3,5C) com uma temperatura de juno de medio de 1400C. c) Os cabos de extenso so designados com o sufixo "X" e os cabos de compensao apresentam o sufixo "C". Diferentes ligas podem ser usadas para o mesmo tipo de termopar e so distinguidas pela letra adicional "A" ou "B".

Abaixo, temos o cdigo de cores normalizado pelo IEC 584-3 de 1989.

Tipo Capa Condutor (+) Condutor (-)

TX Marrom Marrom Branco JX Preta Preto Branco EX Violeta Violeta Branco KX Verde Verde Branco SX Laranja Laranja Branco RX Laranja Laranja Branco

Em circuitos intrinsicamente seguros, a cor da capa externa deve ser azul para todos os tipos de termopares.

4.3 Exemplo Prtico do Uso de Fios e Cabos Compensados

No exemplo visto anteriormente, temos que o uso de cabos de cobre / cobre nas condies citadas, acarretam um erro de -15,7C (erro somente devido ao no uso de cabos compensados). No exemplo abaixo, temos as mesmas condies porm utilizando um cabo de extenso tipo K (KX):

Tivemos como resultado uma indicao correta da temperatura do processo, provando numericamenteque, quando existir um gradiente de temperatura entre o cabeote e a entrada do instrumento, deve-se obrigatriamente usar fios e cabos de extenso e compensao para compensar este gradiente. No prximo exemplo, mostramos porque o uso de cabos de cobre / cobre para os termopares do tipo B, no acarretam em erros significativos, se a temperatura de suas extremidades no forem superiores a 50C.

Portanto temos um erro de -0,5C (0,4%), o que desprezvel em 1200C. Isto acontece porque na faixa de 0 a 50C o termopar tipoB gera um sinal extremamente baixo, no acarretando portanto em erros substanciais ao processo.

No g'rafico abaixo temos a curva F.E.M. x temperatura do termopar tipo B de o a 55C, mostrando a duplicidade em sua curva:

4.4 Isolao dos Fios e Cabos de Extenso e Compensao

A isolao usada nos fios e cabos de extenso e compensao, deve ser escolhida de tal maneira a resistir s condies do ambiente onde ir trabalhar, levando-se em considerao todas as variveis tais como temperatura, solicitao mecnica, umidade, abraso, presena de leo e outros componentes. Devido a grande variedade de aplicaes, os fios e cabos de extenso e compensao podem ser fornecidos com diversos tipos de isolaes externa e interna.

A tabela abaixo indica os tipos de isolaes comumente utilizadas:

Tipo de Isolao Externa

Temperatura de Utilizao

Resistncia Abraso

Resistncia Umidade

PVC -20 a 80C Muito Boa Excelente Amianto 25 a 500C Boa Regular

Fibra de Vidro 20 a 270C Boa Boa Silicone -60 a 250C Boa Muito Boa Teflon -100 a 260C Excelente Excelente

4.5 Resistncia hmica x Bitola dos Cabos Compensados

Apresentamos uma tabela indicativa da resistncia hmica dos fios e cabos de extenso e compensao em relao aos seus dimetros. Resistncia nominal do loop (+) e (-), em /metro.

Resistncia hmica dos cabos de extenso e compensao

Bitola (AWG)

Dimetro (mm)

TX JX EX KX SX/RX BX

24 0,51 2,46 2,97 5,75 4,73 0,32 0,17 20 0,81 1,01 1,22 2,36 1,94 0,13 0,068 18 1,02 0,62 0,74 1,44 1,18 0,082 0,042 16 1,29 0,39 0,47 0,91 0,75 0,051 0,026 14 1,63 0,26 0,31 0,6 0,49 0,034 0,017

Nota: Resistncia nominal do loop (+ / -) em /metro, a 0C.

4.6 Erros de Instalao

Os erros de instalao oriundos de inverses de polaridades dos cabos compensados ou rudos eltricos, vide captulo 7, Consideraes gerais sobre os termopares e fios e cabos de extenso e compensao.

4.7 Cabos de Extenso e Compensao Isolao Mineral

Existem aplicaes especficas em que devido s condies severas do ambiente, assim como temperatura, umidade, resistncia mecnica e ambientes agressivos, no podem ser aplicados os fios e cabos de compesao com isolaes tradicionais.

Nestes casos utilizam-se os cabos isolao mineral, para que atendam as exigncia do ambiente de utilizao, com longa vida til e eliminando a necessidade de utilizao de codutes. As aplicaes tpicas so em plataformas martimas, indstrias siderrgicas, qumicas, nucleares entre outras.

5) Acessrios dos Termopares,

Caractersticas e Aplicaes

To importante quanto a especificao correta do termopar para as condies de um determinado processo, tambm a escolha dos acessrios que compem a montagem do mesmo.

5.1 Isoladores

Sua funo a de isolar eletricamente os termoelementos e resistir a altas temperaturas. Os isoladores so feitos de cermica; para termopares bsicos usa-se um material a base de slica em vrios tamanhos e formatos; podendo ser redondos, ovais, de pequenos tamanhos (missangas) e tendo de 1 a 6 furos.

J para os termopares nobres, recomenda-se o uso de isoladores de alumina em uma nica pea (capilar), para minimizar a contaminao dos fios com o ambiente externo.

Uma caracterstica importante, que os isoladores no devem desprender a altas temperaturas, gases volteis que contaminem os termoelementos.

Nos termopares isolao mineral, o material usado como isolante um p de xido de magnsio ltamente compactado. Em algumas aplicaes especficas usa-se isoladores de PTFE, PVC, fibra de vidro, amianto e alguns tipos de plsticos, porm sempre com restries com relao ao seu uso.

Na figura abaixo apresentamos vrios tipos de formatos e isoladores:

5.2 Blocos de Ligao

A funo do bloco de ligao a de interligar o termopar ao fio ou cabo de extenso ou compensao, e prend-los no cabeote. A base feita de cermica isolante e os contatos ( que podem ser 2,3,4 ou 6) so feitos de lato niquelado ou cobre.

Existem diversos tamanhos e formatos, que so estabelecidos pelo tipo do termopar e cabeotes utilizados. Na figura abaixo tem-se vrios tipos e tamanhos de blocos de ligao:

5.3 Cabeotes

A funco do cabeote a de proteger os contatos do bloco de ligao, facilitar a conexo do tubo de proteo e do condute, alm de manter uma temperatura estvel nos contatos do bloco de ligao, para que os contatos feitos de materiais diferentes do termopar no interfiram no sinal gerado por ele (vide Lei dos metais intermedirios, Cap. 2.3).

Os cabeotes so feitos normalmente de alumnio ou ferro fundido, existindo tambm em vrios tipos e formatos, dependendo do ambiente a ser aplicado.

Seus tipos so: - Universal / miniatura - A Prova de Tempo - A Prova de Exploso - A Prova de Tempo e Exploso - Cabeotes para Multitermopares

- Cabeote Universal, um cabeote para uso geral em processos industriais. Seu corpo feito em alumnio ou ferro fundido e sua tampa parafusada ao corpo ou com fixao do tipo baioneta.

- O Cabeote tipo miniatura tem praticamente as mesmas caractersticas do universal, somente apresentando um menor tamanho.

- O Cabeote a Prova de Tempo, um cabeote mais robusto, indicado ambientes onde necessrio a proteo contra os efeitos do meio ambiente como umidade, gases no inflamveis, poeiras, vapores e e vedao (gaxetas), que fazem a vedao contra o tempo, vapor, gases e p.

Seu corpo feito de alumnio ou ferro fundido com sua tampa rosqueada para maior proteo. Sua classificao NEMA 4.

- O Cabeote a Prova de Exploso um cabeote robusto, destinado a aplicaes em reas classificadas ou locais contendo gases inflamveis sujeitos a exploso. Construidos de acordo com as normas brasileiras ABNT P-EB-239 e internacionais NEC 500 e NEMA 7 para invlucros a prova de exploso.

Tem como finalidade limitar os efeitos de uma eventual exploso ou incndio no seu interior, evitando que seus efeitos venham a atingir reas seguras, instalaes eltricas e painis de controle. Possui resistncia mecnica bem superior aos anteriores, corpo em alumnio ou ferro fundido e tampa rosqueada para facilitar a manuteno.

Usa-se sempre junto a uma unidade seladora, que tem por funo limitar os efeitos de uma exploso para dentro do condute; pois ela fica selada internamente com uma resina epoxi por exemplo, vedendo o processo de salas e painis de controle.

- O Cabeotes pa Multitermopares, so caixas retangulares, quadradas ou redondas a prova de exploso e/ou tempo. So fabricadas em ligas de alumnio ou ferro fundido, e recomendadas para locais que contenham gases inflamveis, atendendo as exigncias da ABNT.

A fixao da tampa feita por meio de parafusos, dobradias ou roscas. No caso de inflamao de gs contido em seu interior, no haver risco de propagao para o meio ambiente, pois a robustez da caixa faz com que ela resista a altas prsses, desenvolvidas por exploses confinadas em seu interior.

Nota: Todos estes equipamentos podem ser fornecidos com certificados de conformidade emitidos por laboratrios oficiais credenciados.

5.4 Conectores Compensados

Nas aplicaes onde se faz necessrio efetuar medies frequentes de temperatura, na qual a conexo do sensor ao cabo ou instrumento tornaria-se onerosa, faz-se uso dos conectores compensados. Estes conectores compensados permitem uma rpida, prtica e deficiente conexo entre os termopares e fios e cabos de extenso ou compensao ou entre instrumentos.

So construidos com as mesmas ligas dos termopares (exceto para os tipos S e R que so de outros materiais), para compensar gradientes de temperaturas que poderiam causar erros na medio como visto anteriormente; seguindo os mesmos limites de erros para os fios e cabos de extenso e compensao segundo as normas ANSI e IEC.

Alm disso eles so polarizados (o pino negativo possui um dimetro maior ou no caso dos mini conectores mais largo) que o positivo, evitando as frequentes e incmodas inveses de polaridade que sempre causam transtorno ao processo. Para realar ainda mais, no seu corpo vem marcado um relevo a polaridade de cada terminal.

Seu corpo pode ser de nylon, fibra de vidro, teflon ou cermica podendo ser usado em vrias temperaturas, a mais comum no mnimo 200C. Sua identificao feita atravs da colorao externa do seu corpo, que est de acordo com a norma ANSI MC 96.1 para termopares.

Tabela de cores para os conectores compensados, segundo a norma americana ANSI MC 96.1 de 1982:

TIPO POSITIVO NEGATIVO COR EXTERNA

T COBRE COBRE - NQUEL AZUL J FERRO COBRE - NQUEL PRETA E NQUEL - CROMO COBRE - NQUEL VIOLETA K NQUEL - CROMO NQUEL - ALUMNIO AMARELA

S/R COBRE COBRE - NQUEL VERDE B COBRE COBRE BRANCA N NQUEL - CROMO- SILCIO NQUEL - SILCIO LARANJA

Para os termopares do tipo B e termoresistncia a dois fios, os conectores so de cobre/cobre, pois estes no precisam de compensao de temperatura. Existem tambm os semi-conectores, que tem as mesmas carctersticas dos conectores comuns, porm com dimenses menores, permitindo o uso em espaos reduzidos e sendo ideais para sensores de pequenos dimetros.

Os painis de conectores so usados para centralizar a conexo de vrios termopares ou termoresistncias, associando-se instrumentao. Usados para conectar um ou vrios sensores, so ideais onde os circuitos devam ser centralizados ou onde so necessrios frequentes engates e desengatas. Tendo as mesmas caractersticas tcnicas como ligas compensadas, polarizadas e cores normalizadas.

Nota: Os conectores podem ser duplos (2 termopares) ou ser com 3 pinos (para termoresistncia).

5.5 Conexes Ajustveis ou Bucins

O bucim ou conexo ajustvel, permite fcil instalao dos termopares isolao mineral e termoresistncias ao processo, facilitando o ajuste do comprimento de insero pelo deslocamento sobre a bainha metlica. Estes podem ser de ao inx, lato ou lato niquelado, podendo ser usados em bainhas de 1,0; 1,5; 3,0; 3,0; 4,5; 6,0 e 8,0 mm de dimetro com diferentes tipos de dimetros de roscas (NPT, BSP, BSPP), para a conexo ao processo.

O bucim constitudo por capa, anilha e seu corpo propriamente dito. Seu funcionamento bastante simples: rosqueando a capa no corpo, a anilha pressionada contra a bainha metlica , dando uma forte fixao.

Os bucins podem ter aplicaes especiais alm de prender o sensor ao processo, eles podem se usados apra vedao (serem hermticos) para vcuo, altas presses ou a prova de tempo (isolao de teflon). Existe tambm o chamado bucim reajustvel, na qual a anilha feita de teflon, permitindo o ajuste em diferentes posies sem prejudicar a anilha como no caso do bucim ajustvel.

5.6 Tubos de Proteo

Os tubos de proteo tem como funo principal a de proteger os termopares de ambientes de trabalho (processo), pois na maioria das aplicaes o ambiente do processo agride os termopares e caso fossem usados sem proteo, teriam uma vida til muito refduzida.

Os tubos de proteo no so designados para ligao estanques de vasos, reatores ou qualquer outro local onde seja necessrio vedao. Na especificao dos tubos de proteo devem ser levados em considerao todas as condies de uso tais como, temperatura, atmosfera do processo, resistncia mecnica, presso, tipos de fluido em contato, velocidade de resposta entre outras.

As condies do processo que devem ser protegidas pelo tubo de proteo so o contato do termopar com metal (slido, lquido ou vapor), gases e fumos proveniente de combusto, enxofre, xidos metlicos, eletrlitos e ouitras diversas substncia que causariam a degradao e perda de calibrao do sensor. Outro fator a se considerar quanto a maneira e local a ser instalado o tubo, com relao a posio, insero e tempo de resposta. Vide captulo 7.

Na figura abaixo, tem-se o equema de um tubo de proteo:

Os tubos de proteo se dividem em metlicos e cermicos.

a) Os tubos de proteo metlicos podem ser com e sem costura.

Um tubo com costura provm de uma chapa metlica enrolada e soldade longitudinalmente (costurada) e polida para dar um acabamento final. Os tubos sem costura so feitos atravs de um proceso mecnico na qual o material metlico fica sem soldas em sua extenso (extrudados).

A extremidade do tubo (independente do modo de construo) normalmente fechada atravs de caldeamento ou soldagem a rosqueado na outra extremidade para adaptao ao cabeote. Devemos lembrar que em temperaturas que ultrapassam 800C aproximadamente, acelera-se o processo de corroso, fadiga do material, dilatao e reaes qumicas que podem danificar a estrutura do material. Quando isto for inevitvel no processo, recomenda-se o uso de tubos duplos (um tubo externo e um interno), dando maior proteo ao termopar.

A conexo do tubo ao processo pode ser feito por meio de rosca, flange ou mesmo soldada, mas normalmente o tubo de proteo no designado para dar estanqueidade (vedao) ao processo e sim somente proteo ao elemento sensor; sendo fixado ou colocado no meio onde vai atuar.

Os materiais metlicos mais usados nos tubos de proteo so ferro fundido, ao carbono, ao inoxidvel (304, 310, 316, 321), ao cromo 446, alloy 600, hastelloy, monel entre outros.

Na pgina seguinte temos alguns materiais metlicos mais utilizados em tubos de proteo e suas caractersticas tcnicas.

SELEO DE MATERIAIS DE POOS E TUBOS DE PROTEO

Para correta especificao destes, necessrio levar em considerao todas as condies de uso, tais como temperatura, resistncia mecnica, atmosfera de trabalho, velocidade de fluxo, tipo de fludo, velocidade de resposta, entre outros.

CARACTERSTICAS DOS MATERIAIS DE PROTEO METLICOS

AO CARBONO:

Temperatura mxima de utilizao 550C. D e uso geral com resistncia a corroso limitada, podendo no ser usado continuamente em ambientes oxidantes ou redutores.

AO INX 304:

Temperatura mxima de utilizao 900C. Largamente utilizado como material de proteo em baixas temperaturas. Resistente a corroso mas no recomendvel para uso em atmosferas sulfurosas ou com chamas redutoras. Sujeito a precipitao de carbide na faixa de 482 a 871C o que pode reduzir sua resistncia a corroso. Aplicaes principais esto em indstrias qumicas, petroqumicas, alimentcias, plstica entre outras.

AO INX 310:

Mxima temperatura de uso 1100C. Elevada resitncia a corroso e oxidao em altas temperaturas. Boa resistncia em ambientes redutores, sulfurosos e carbonizantes. Resistncia mecnica superior ao inx 304.

AO INX 316:

Mxima temperatura de uso 900C. Melhor resistncia ao calor, cidos e lcalis do que o inx 304. Aplicvel para uso na presena de componentes sulfricos.

AO CROMO 446:

Mxima temperatura de uso 1100C. Excelente resistncia a corroso e oxidao em atmosferas sulfurosas. Utilizado para uso em banhos de sal, metais fundidos e outras aplicaes que envolvam altas temperaturas. Boa resistncia em cido ntrico, sulfrico e na maioria dos lcalis.

ALLOY 600:

Mxima temperatura de uso 1150C. Boa aplicao em ambientes corrosivos sujeitos a altas temperaturas. Excelente resistncia mecnica. No aplicvel em atmosferas contendo enxofre (sulfurosas).

ALLOY 800:

Mxima temperatura de trabalho no ar 1090C. Boa resistncia a oxidao, carbonizao e outros efeitos prejudiciais da exposio a altas temperaturas.

NIBIO:

Boa resistncia a corroso em metais lquidos at 1000C. Temperatura mxima de operao 2000C em vcuo ou atmosfera neutra.

TNTALO:

Pode ser utilizado at 2200C em gs inerte no vcuo. Excelente resistncia a muitos cidos em temperatura ambiente.

TITNIO:

Pode ser utilizado at 1000C em atmosfera redutora e 250C em atmosfera oxidante. Boa resistncia a oxidao e ataques qumicos.

FERRO PRETO:

Para temperatura at 800C. Utilizado em recozimento, tmpera, banhos de sal, entre outros.

NODULAR PERLTICO:

Utilizado at 900C. Ideal para metais no ferrosos como alumnio, zinco, etc.

TUBETE DE PLATINA:

Mxima temperatura de uso 1480C. o nico material metlico capaz de operar em atmosferas oxidantes acima de 1260C por longos perodos de tempo. Normalmente usados com termopares tipoS, R e B. Sua aplicao principal em indstrias de vidro, de cermica e em altas temperaturas em geral.

Nota: Outros tipos de materiais podem ser fornecidos sob consulta, como por exemplo molibdnio, hatelloy, cobre, revestimentos de vidro, teflon e outros para aplicaes especficas.

Composio Qumica de Algumas Ligas Metlicas

Material Carbono Silcio Mangans Cromo Nquel Molibdnio Fsforo Enxofre Outros

Inx 304 0,05 0,6 1,3 18,5 9 - 0,03 0,03 - Inx 304-H 0,05 0,6 1,3 18,5 9 - 0,03 0,03 - Inx 310 0,12 0,6 1,8 24,5 20,5 - 0,025 0,025 -

Inx 310-S 0,055 1,2 1,8 24,5 20,5 - 0,025 0,025 - Inx 316 0,05 0,6 1,7 17 13 2,7 0,03 0,03 -

Inx 316-H 0,05 0,6 1,7 17 13 2,7 0,03 0,03 - Ao Cromo

446 0,18 0,5 0,8 26,5 - - 0,03 0,03 N= 0,15

Alloy 600 0,05 0,4 0,8 16 72,5 - 0,015 0,015 Fe=9,5; Ti;

Al Alloy 800H 0,07 0,6 0,6 21 31 - 0,015 0,015 Ti; Al

b) Os tubos de proteo ceramico so usados normalmente que processos que envolvam temperaturas superiores a 1200C, onde as ligas metlicas no resistiriamm por muito tempo.

Poderia-se usar alguns materiais metlicos como o tntalo e o molibdnio que trabalham em temperaturas mais elevadas (at 2500C aproximadamente), mas que oxidam rapidamente em temperaturas altas e so muito caros para o uso. Ento usam-se os materiais cermicos que na maioria dos casos so utilizados para proteger os termopares nobres.

Sua principal aplicao em siderrgicas e fundies, indstrias cermicas e de vidro. Suas vantagens so a resistncia a altas temperatura, neutralidade reaes qumicas, boa resistncia a abraso entre outras caractersticas; porm suas desvantagens so baixa resistnca mecnica, sensibilidade a choques trmicos, porosidade emm temperaturas elevadas.

Os materiais cermicos mais utilizados so a alumina, quartzo, carbureto de silcio entre outros. Existem tambm os tubos metlico/cermicos "Cermets", que so combinaes de metais e xidos metlicos as

quais depois de um tratamento apropriado tornam-se tubos com grande resistncia mecnica, resistente a corroso e choque trmicos, bem melhores do que os tubos cermicos. Usado at 1400C na maioria das atmosferas.

Na tabela anexa, temos alguns materiais cermicos mais utilizados em tubos de proteo e suas caractersticas tcnicas.

CARACTERSTICAS DOS MATERIAIS DE PROTEO CERMICOS

CERMICA TIPO 610-MULITA:

Temperatura mxima de utilizao 1650C. Contm 60% de alumina e 40% de slica na composio. Possui boa condutibilidade trmica, boa resistncia mecnica, sensvel a choques trmicos (deve ser pr-aquecido). Material no poroso.

CERMICA TIPO 710-ALUMINA RECRISTALIZADA:

Temperatura mxima de utilizao 1900C. Contm 99% de alumina na composio. Possui condutibilidade trmica, resistncia mecnica e estabilidade qumica superior ao tipo 6010; sensvel a choques trmicos (um leve pr-aquecimento necessrio). Estes tubos so impermeveis maioria dos gases sob condies de proceso.

CARBURETO DE SILCIO RECRISTALIZADO:

Temperatura mxima de utilizao 1650C. Apresenta baixa resistncia mecnica e porosidade. Possui alta condutibilidade trmica e excelente resistncia a choques trmicos.

Nota: Outros tipos de materiais podem ser fornecidos sob consulta, tais como zirconita, quartzo e outros para aplicaes especficas.

5.7 Poos Termomtricos

O poo termomtrico possui a mesma funo bsica dos tubos de proteo, que a de proteger os termoelementos contra a ao do processo (ambientes agressivos, esforos mecnicos entre outros). Porm sua aplicao difere dos tubos de proteo, pois fornecido com meios para ligao estanque do processo, ou seja, veda o processo contra vazamentos, perdas de presso, contaminaes e outros. Genericamente usa-se o poo onde as condies do processo requisitam alta segurana e so crticas tais como altas temperaturas e presses, fluidos muito corrosivos, vibraes e alta velocidade de fluxo.

O poo termomtrico difere do tubo quanto a sua construo (ja que os materiais utilizados so os mesmos). Enquanto os tubos so fabricados de uma chapa metlica enrolada e soldada, os poos so feitos a partir de uma barra macia usinada, executando um furo interno longitudinal mantendo-se assim a espessura da parede de acordo com especificaes pr-determinadas, proporcionando assim ao conjunto final, resistncia mecnica presso e deformao superiores aos tubos metlicos. Os poos so totalmente usinados interna e externamente, e polidos para diminuir o atrito. Como no h soldas longitudinais, mesmo em altas presses, garante-se a integridade do poo.

Sua fixao ao processo feita por meio de rosca externa, solda, flange ou outros meios para a fixao hermtica a um vaso por exemplo, eliminando a necessidade de parede e esvaziamento do processo para troca ou manuteno dos sensores.

Um problema muito perigoso em que os poos esto sujeitos so os efeitos da vibrao. O fluido que se atrita ao poo, forma uma turbulncia que tem uma frequncia definida na relao entre o dimetro do poo e a velocidade do fluido. importante que o poo tenha suficiente rigidez mecnica para que a frquncia de turbulncia esteja sempre abaixo de sua frequncia natural (ou ressonmica)

Caso a frequncia de turbulncia seja igual a frequncia natural do poo, este vibrar e tender a quebrar. Perdendo-se o poo, alm de no termos mais a vedao do processo, podendo haver uma contaminao, perda de carga ou transbordamento de algum lquido, tambm o sensor de temperatura poder se perder.

Os poos com haste cnica so os que apresentam melhores resultados frete ao problema da vibrao, pois proporcionam maior rigidez mecnica por uma mesma sensibilidade em relao aos poos de haste paralela ou reta. Outo fator a seconsiderar quanto a maneira e o local a ser instalado o poo, com relao a posio, insero e tempo de resposta. Vide captulo 7.

Na montagem de um poo termomtrico, para que haja um distanciamento mnimo do cabeote s paredes do processo e para permitir a remoo do sensor sem ter que parar o processo, utiliza-se de sispositivos que se estendem entre o poo e o cabeote. Esta extenso pode ser lisa a qual chama-se de niple ou com rosca e niple a qual chama-se de unio.

Todos os poos termomtricos passam por uma srie de testes para verificar sua integridade e garantir a vedao do processo. Estes testes so dimensionais, lquido penetrante, presso hidrosttica, ultra-som e inspeo em raio X.

No grfico indicativo anexo, temos a relao Presso x Temperatura para alguns poos termomtricos.

Este grfico mostra que a presso qual o poo submetido, decai com a temperatura, diferentemente para cada tipo de material. Alm de serem metlicos, os poos podem ser revestidos com Teflon ou vidro, para ter maior resistncia a corroso em banhos qumicos, cidos ou outros componentes custicos, em temperaturas de at 200C e presso de 1Kg/cm2 aproximadamente. Suas aplicaes so na indstria farmacutica, alimentcia, cidos, eletro-deposio entre outras.

6) Tipos de Montagens

Existem vrios tipos de montagens para os termopares, que se aplicam em tipos de processos bastante especficos. Estas montagens tem como objetivo obter uma melhor eficincia em termos de tempo de resposta, preciso e vida til.

6.1 Medio de Temperatura de Superfcie

Em algumas aplicaes necessrio medir temperatura em superfcies horizontais e verticais, fixas ou mveis, onde necessrio um rpido tempo de resposta. Para isso se utiliza de sensores de superfcie (ou sondas), na qual os sensores se encontram expostos, na forma de lminas ou chapas, para que fiquem em contato direto com a superfcie em que se deseja medir a temperatura. Exemplo, superfcies em ngulo, paredes, cilindros e bobinas em movimento e muitas outras aplicaes.

6.2 Termopar do Tipo PAD ou SKIN

Em caldeiras ou superaquecedores, muitas vezes necessrio medir a temperatura superficial da tubulao com preciso, para otimizar a produo de vapor e o consumo de energia (leo ou gs). Estes tubos so localizados em reas onde as chamas ou gases esto normalmente centenas de graus acima da parede dos tubos.

Para assegurar a preciso necessrio posicionar os termopares o mais prximo possvel do ponto a ser medido e ter uma eficiente troca trmica.

O termopar PAD ou SKIN uma montagem que tem na sua extremidade uma chapa metlica soldada ou prensada, onde est a juno de medio do termopar. Esta chapa fixada nas paredes da tubulao, onde a troca de calor acontece muito rapidamente e sem perdas, resultando numa precisa e rpida medio de temperatura. O PAD ou SKIN pode ser soldado diretamente numa parede ou ser adaptado (encurvado) para se fixar numa tubulao.

6.3 Termopar Flexvel Tipo Baioneta

Este tipo de montagem muito usado em mquinas injetoras de plsticos ou extrusoras, mquinas de shell-molding, alm de outras aplicaes devido ao seu rpido tempo de resposta e facilidade de instalao. O termopar flexvel tem sua profundidade de insero ajustvel por meio de uma conexo rosqueada sobre uma mola, que permite um contato firme com a superfcie a ser medida, resultando em maior preciso e um rpido tempo de resposta.

6.4 Multi Termopares

Em alguns processos necessrio ou desejvel obter um perfil de temperaturas de um vaso ou tanque. Por causa da limitao de espao ou custo, fica impraticvel inserir vrios termopares no vaso para este tipo de medio.

Para estes casos usam-se os multitermopares, onde num nico tubo ou poo, coloncam-se vrios termopares com as junes de medidas localizadas em pontos especficos, resultando numa medio satisfatria. Geralmente composto de uma caixa de juno (aprova de tempo e/ou exploso) para as junes de referncia e o contato com os cabos compensados.

Os multitermopares so usados em colunas de destilao, craqueadores catalticos, reatores pressurizados e outras diversas aplicaes onde um perfil de temperatura necessrio.

7) Consideraes Gerais sobre os Termopares

e Cabos Compensados

A seleo, instalao, uso e manuteno de termopares e fios e cabos de extenso e compesao, devem ser perfeitamente adequadas para que estes apresentem boas caractersticas de preciso, repetibilidade e vida til.

7.1 Recomendaes para Seleo, Instalao e Uso do Termopares

A escolha de um termopar para uma determinada aplicao deve ser feita considerando-se todas as caractersticas e normas exigidas pelo processo como:

- Faixa de Temperatura - Preciso - Estabilidade - Repetibilidade - Condies de Trabalho - Veloci

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