Introdução

Esta pesquisa tem por fundamento, expor de maneira clara os aspectos referentes aos

diversos tipos de ligas metálicas que compõem os termopares, sua classificação e utilização,

de acordo com suas características construtivas.

TERMOPAR

Definição

Termopares são sensores de medição de temperatura constituídos por dois condutores

metálicos e distintos, puros ou homogêneos. Em uma de suas extremidades são unidos e

soldados, à qual convencionou-se o nome de junta de medição ( ou junta quente ). E a outra

extremidade aberta onde se fazem as devidas interligações de junta de referência. Logo,

quando submetemos suas extremidades a temperaturas diferentes, a composição química dos

metais gera uma força eletromotriz da ordem de mV, que é o princípio mais conhecido por

SEEBEK.

Classificação

Os termopares são classificados quanto ao tipo de liga metálica o qual é constituído.

São eles:

- Termopares Básicos

- Termopares Nobres

Termopares Básicos

São assim chamados por serem de maior uso industrial, em que os fios são de custo

relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior.

Tipos:

Termopar Tipo T – CuCo - (Copper-Constantan)

Liga: + Cobre - (99,9%)

-Constantan (São as ligas de Cu-Ni compreendidos no intervalo entre Cu50 e Cu65 Ni35).

A composição mais utilizada para este tipo de temopar é de Cu58 Ni42.

Possui excelente resistência à corrosão, sendo utilizado em temperaturas negativas(- 184 a

370ºC). A FEM produzida varia de : -5,333 a 19,027 mV.

Sua potência termoelétrica média é de : 5,14 mV / 100ºC (para temperaturas positivas),

pode ser utilizado em atmosferas a vácuo, inertes, oxidantes ou redutoras,

apresenta uma boa precisão na faixa de utilização, devido à grande homogeneidade do cobre,

em temperaturas acima de 310ºC o cobre começa a se oxidar e próximo de 400ºC, oxida-se

rapidamente,com certas precauções e devidamente calibrado, pode ser utilizado até - 2620C.

Aplicações:

Criometria (baixas temperaturas). Indústrias de Refrigeração, Pesquisas Agronômicas e

Ambientais, Química e Petroquímica.

Termopar Tipo E - NiCr-Co

Liga: +Chromel - Ni90Cr10

- Constantan - Cu58 Ni42

Sua faixa de utilização é de 0 a 8700C.

Tem FEM produzida de O a 66,473mV.

Potência Termoelétrica média: 7,64mV/1000C, pode ser utilizado em atmosferas a vácuo,

inertes e oxidantes, possui a maior potência termoelétrica dentre os termopares mais utilizados.

Em temperaturas abaixo de 0ºC os fios não sofrem corrosão, podendo, assim ser utilizado em

temperaturas abaixo de 0ºC. É utilizado em termopilha e em pirômetro de radiação.

Possui alta estabilidade na f.e.m. (durabilidade) devido à sua resistência à oxidação, é

vulnerável à atmosfera redutora.

Aplicações: Química e Petroquímica.

Termopar Tipo J - FeCo –

Liga: + Ferro - (99,5%)

- Constantan (Cu58 Ni42, normalmente se produz o ferro e a partir de sua característica casa-

se o constantan adequado).

Sua FEM produzida é de O a 42,922mV.

A potência termoelétrica média é 5,65mV/1000C,pode ser utilizado em atmosferas a vácuo,

inertes, oxidantes ou redutoras, possui baixo custo relativo, sendo assim é um dos mais

utilizados industrialmente.

Tem baixa homogeneidade, devido à dificuldade de obtenção do ferro com alto teor de pureza,

indicado para serviços contínuos até 7600C em atmosfera neutra ou redutora.

Tem limite máximo de utilização em atmosfera oxidante de 7600C, devido à rápida oxidação do

ferro.Pode ser utilizado, ocasionalmente, para temperaturas abaixo de 0ºC, porém, a possível

ferrugem ou quebra do ferro, sob esta condição, o tornam inadequado.

Aplicação: Centrais de Energia, Metalúrgica, Química, Petroquímica, Indústrias em geral.

Não se recomenda a utilização deste termopar em locais que contenham enxofre.

Termopar Tipo K -CrAl -

Liga : + Chromel (Ni90Cr10)

-AIumel ( Ni95,4Mn1,8Si1,6AI1,2)

Pode ser utilizado em atmosferas inertes e oxidantes, em altas temperaturas (entre 800 a

1200ºC) é mais resistente mecanicamente, do que os tipos S e R, tendo uma vida útil superior

ao tipo J, vulnerável em atmosferas redutoras e sulfurosas, com gases como SO2 e H2S,

requerendo

substancial proteção quando utilizado nestas condições.

Sua mais importante aplicação ocorre na faixa de 700 a 1260º, pode ser utilizado,

ocasionalmente, para temperaturas abaixo de 0ºC.

Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e CaL, Vidros,

Cerâmica, é o mais utilizado na indústria em geral, pois tem uma excelente resistência à

oxidação em alta temperatura e à corrosão em baixas temperaturas.

Termopares Nobres

São classificados como Termopares Nobres por apresentarem um alto grau de pureza e

homogeneidade de suas ligas, tem baixa potência termoelétrica e uma excelente precisão de

leitura. O custo de um termopar nobre é relativamente maior que os termopares básicos. A

composição química de suas ligas é, na maioria das vezes, de platina.

Tipos:

Termopar Tipo S -PtRhPt –

Liga: + Platina Rhodio 10%

- Platina 90%

Foi desenvolvido em 1886 por Le Chatelier.

Sua FEM produzida é de 0 a 15,336mV, com potência termoelétrica média: 1,04mV/100ºC.

Este é o mais conhecido e usado entre os Termopares Nobres. Possui uma precisão altíssima

em altas temperaturas ,uma ampla faixa de utilização(0 a 1480ºC), alta repetibilidade de leitura

e baixa potência termoelétrica. Com todas essas características este Termopar é utilizado em

laboratórios de calibração como um Termopar Padrão e na sua faixa de trabalho é

recomendado para ser utilizado em locais oxidantes sempre com tubos de proteção cerâmica.

Com o uso próximo de seu limite de aplicação, a platina pura apresenta crescimento de grão

acentuado, tornando-se quebradiça e isto pode tornar a vida útil do termopar curta, quando

aplicado em processos sujeitos a esforços mecânicos (vibração).

Aplicações: Siderúrgica, Fundição, Metalúrgica, Usina de Cimento, Cerâmica, Vidro e Pesquisa

Científica.

É utilizado em "Sensores Descartáveis" na faixa de 1200 a 1768, para medição de temperatura

de metais líquidos em Siderúrgicas e Fundições.

Termopar Tipo R -PtRhPt –

Liga:

+ Platina 87% Rhodio 13%

Possui as mesmas características de uso e recomendações do Termopar tipo S, porém sua

composição é um pouco diferente contendo 87% platina e 13% ródio.

É um tipo recente, surgido a cerca de 40 anos atrás, devido à necessidade de se adaptar a

alguns instrumentos que presentavam erros da ordem de 20%.

Aplicações: As mesmas do tipo “S”.

Termopar Tipo B -PtRhPt -

Liga: + Platina 70% Rhodio 30%

- Platina 94% Rhodio 6%

Faixa de utilização: 870 a 1705ºC.

Tem FEM produzida de 3,708 a 12,485mV, Potência termoelétrica média: 1,05mV/10OºC.

Pode ser utilizado em atmosferas inertes, oxidantes e por curto período de tempo em vácuo,

utilizado em medidas constantes de temperatura elevadas (acima de 1400ºC).

Apresenta melhor estabilidade na FEM e resistência mecânica, do que os tipos “S” e “R” a

temperaturas elevadas.Não necessita de compensação da junta de referência, se a

temperatura desta não exceder a 50ºC.

Não necessita de cabo de compensação se a temperatura de seus terminais não exceder a

100ºC e não pode ser utilizado em temperatura inferior a 100ºC.

Aplicações: Vidro, Siderúrgica, alta temperatura em geral.

Conclusão

Conclui-se que foram desenvolvidas diversas combinações de pares de Ligas Metálicas, desde

os mais corriqueiros de uso industrial, até os mais sofisticados para uso especial ou restrito a

laboratório.Essas combinações foram feitas de modo a se obter uma alta potência

termoelétrica, aliando-se ainda as melhores características como homogeneidade dos fios e

resistência à corrosão, na faixa de utilização, assim cada tipo de termopar tem uma faixa de

temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para que se tenha a maior vida útil do

mesmo.

1- Termopares

Os termopares são os sensores de temperatura mais utilizados. Sua simplicidade e confiabilidade são o maior apelo à sua utilização. A maioria dos princípios básicos datermometria de termopares já era conhecida por volta de 1900, mas só recentemente tornou-se clara a verdadeira fonte do potencial termoelétrico. O termopar é um transdutor que compreende dois pedaçosde fios dissimilares, unidos em uma das extremidades.1.1 - Como FuncionaEm 1822, o físico Thomas Seebeck descobriu (acidentalmente) que a junção de dois metais gera uma tensão eléctrica em funçãoda temperatura. O 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 doismetais, utilizam-se apenas algumas combinações normalizadas, isto porque possuem tensões de saída previsíveis e suportam grandes gamas de temperaturas.Existem tabelas normalizadas que indicam a tensãoproduzida por cada tipo de termopar para todos os valores de temperatura que suporta, por exemplo, o termopar tipo K com uma temperatura de 300 °C irá produzir 12,2 mV. Contudo, não basta ligar umvoltímetro ao termopar e registar o valor da tensão produzida, uma vez que ao ligarmos o voltímetro estamos a criar uma segunda (e indesejada) junção no termopar. Para se fazerem medições exactas devemoscompensar este efeito, o que é feito recorrendo a uma técnica conhecida por compensação por junção fria.

Thomas Johann Seebeck (nascido a 9 de Abril de 1770 e falecido a 10 de Dezembro de 1831) foi o físico responsável pela descoberta em 1821 do efeito termoelétrico. Seebeck nasceu no seio de uma abastada família germano-báltica de comerciantes em Reval (atualmente Tallin capital da Estónia). Formou-se em medicina em 1802 na universidade de Göttingen, tendo optado por dedicar-se à física. Em 1821, descobriu o efeito termoelétrico que refere que, uma junção de metais distintos produz uma tensão elétrica cujo valor depende dos materiais que a compõem e da temperatura a que se encontra. Este efeito é conhecido como efeito de Seebeck e é neste princípio que se baseia o funcionamento do termopar.

O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto quando ele notou que em um circuito fechado formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura "T" entre as suas junções. Denominamos a junção mais quente (a temperatura T) de junção de teste, e a outra (a Tr) de junção de referência. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junção de referência é mantida constante, verifica-se que

a F.E.M. térmica é uma função da temperatura T da junção de teste. Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro.

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que a densidade dos transportadores de carga (elétrons em um metal) difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções e estas são mantidas a diferentes temperaturas, a difusão dos transportadores de carga nas junções se produz a ritmos diferentes. Tem origem um movimento dos transportadores de carga como se fossem impulsionados por um campo não eletrostático. A integral curvilínea deste campo

ao longo do par termoelétrico é a F.E.M. de Seebeck.Para um valor dado de Tr, AB é uma função de T. Se Tr é variada para um outro valor constante, a relação AB e T é a mesma, exceto por uma constante aditiva. Deduz-se, portanto, que o valor de é independente de Tr, e depende somente da natureza de A, B e T. A derivada , para qualquer valor de Tr, se denomina potência termoelétrica do termopar.

Convencionou-se dizer que o metal "A" é positivo em relação à "B", se a corrente "I" fluir de "A" para "B" na junta de menor temperatura, isto é, "T é maior que Tr".Baseado nesse efeito podemos construir um gráfico que representa a variação da f.e.m. com a temperatura, considerando Tr =O°C.Definimos o "coeficiente de Seebeck" como a variação de diferença de potencial por unidade de variação de temperatura para uma corrente elétrica nula:

 

Utilização:

Atualmente o efeito Seebeck é muito utilizado para a construção de termômetros em que se mede diferença de temperatura através de um voltímetro calibrado para este fim.Outra aplicação deste mesmo efeito é a construção de pilhas atômicas (Gerador termoelétrico de radioisótopos) para produzir pequenas potências, mas de longa duração, o que é necessário em situações especiais como na sonda Cassini-Huygens.

Desvantagem:

A maior desvantagem da utilização da geração de energia termelétrica direta , é a baixa potência. Isto obrigaria a construção de milhares de células termelétricas para a obtenção de alguns watts de potência.O efeito Seebeck é a produção de uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre duas junções de condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando elas estão a diferentes temperaturas (força eletromotriz térmica).

É o reverso do efeito Peltier que é a produção de um gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma diferença de potencial (tensão elétrica) em um circuito fechado (conseqüêntemente, percorrido por uma corrente elétrica).

Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só e denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termelétrico.