Explicação do desenvolvimento do sistema de captura de sinal para um membro par do tipo K com uma resolução não superior a 0,5ºC / estado na faixa positiva e uma faixa negativa de -100ºC

Introdução

Objetivo

Explicar detalhadamente a elaboração um sistema de aquisição para o sinal de um termo par do tipo K com uma resolução de no máximo 0,5ºC/ estado na faixa positiva sendo que a faixa negativa tenha inicio em -100ºC

Teoria

Definição de Termopar

São sensores com larga aplicação para medição de temperatura. Trata-se de um circuito fechado formado por dois condutores metálicos e distintos A e B, quando submetidos a um diferencial entre as suas junções, ocorre uma circulação de corrente elétrica.

Figura 1 – Termopar (http://www.iope.com.br/3ia1_termopares.htm)

Eles consistem de dois condutores metálicos de natureza distinta, na forma de metais puros ou ligas homogêneas. Esses fios são soldados em um extremo ao qual dá-se o nome de junção de medição e a outra extremidade, junção de referência é levada ao instrumento medidor por onde passa a corrente.

Figura 2 - Modelo de termopar (http://www.iope.com.br/3ia1_termopares.htm)

O aquecimento dos dois metais diferentes com temperaturas diferentes em suas extremidades gera o aparecimento de uma F.E.M. (da ordem de mV). Este princípio conhecido com efeito Seebeck. Essa F.E.M é produzida no circuito pelo fato de que a densidade de elétrons livres num metal, difere de um condutor para outro.

A junção de Medição ou junta quente é denominada a junta no qual esta submetida a temperatura a ser medida, e a outra extremidade que liga-se ao medidor é conhecida como junta de referencia ou junta fria.

Quando a temperatura da junção de referência (Tr) é mantida constante, verifica-se que a F.E.M. térmica (EAB) é uma função da temperatura da junção de medição (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.

Figura 3 - Circuito aberto. (http://www.iope.com.br/3ia7_termopares.htm)

Efeito Termelétrico ou Peltier-Seebeck

São dois efeitos que podem ser considerados como diferentes manifestações do mesmo fenômeno físico.

Figura 4 - Circuito do efeito Efeito Peltier-Seebeck (http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Seebeck)

Efeito Seebeck

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).

Figura 5 - Efeito Seebeck (http://www.edtec.com.br/termopares.htm)

Efeito Peltier

O efeito Peltier é a produção de uma gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma tensão elétrica em um circuito fechado, conseqüentemente percorrido por uma corrente elétrica.

Figura 6 - Efeito Peltier (http://www.edtec.com.br/termopares.htm)

Leis do Circuito Termoelétrico

Lei do Circuito Homogêneo

É a F.E.M. desenvolvida no circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com as junções as temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios, assim sendo a F.E.M. medida depende exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções.

Figura 7 - Lei do circuito homogêneo (http://www.edtec.com.br/termopares.htm)

Lei dos metais intermediários

“A soma algébrica das F.E.M. termais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver a mesma temperatura". Deduz-se daí que o circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a F.E.M. produzida não será alterada ao inserir, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.

Figura 8 - Lei dos metais intermediários (http://www.edtec.com.br/termopares.htm)

Onde se conclui que:

T3=T4 à E1=E2

T3=T4 à E1=E2

Lei das temperaturas intermediárias

"A F.E.M produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as suas junções as temperaturas T1 e T3 respectivamente , é a soma algébrica da F.E.M. deste circuito com as junções as temperaturas T1 e T2 e a F.E.M. deste mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e T3.”

Figura 9 - Lei das temperaturas intermediárias (http://www.edtec.com.br/termopares.htm)

Correção da F.E.M. em Função da Temperatura

A F.E.M. gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, a cada grau de variação de temperatura, obtém uma variação da F.E.M. gerada pelo termopar.

Com isso foi criado uma tabela de correlação entre as temperatura e a F.E.M gerada, a partir dessas tabelas pode-se construir um gráfico conforme a figura a seguir, onde está relacionado a milivoltagem gerada em função da temperatura, para os termopares segundo a norma ANSI, com a junta de referência a 0°C.

Figura 10 - Correção da F.E.M em Função da Temperatura (http://www.edtec.com.br/termopares.htm)

Correção da junta de referência

As tabelas existentes da F.E.M. gerada em função da temperatura para os termopares têm fixado a junta de referência a 0°C, porém nas aplicações práticas dos termopares junta de referência é considerada nos terminais do instrumento receptor e esta se encontra a temperatura ambiente que é normalmente