Sensores - Medição

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Departamento de Engenharia Mecatrônica

Medição de Temperatura

PMR 2727 – Sensores: Tecnologias e Aplicações

– Nº USP:

Professor: Celso Massatoshi Furukawa

11.4. Termopares

Termopares são sensores de temperatura que consistem em dois materiais diferentes em contato térmico (junção). Uma junção pode ser feita torcendo-se dois arames juntos ou pode ser feita através de soldagem, brasagem, etc. dos materiais. A operação de um termopar é baseada na combinação de efeitos termoelétricos que produzem uma pequena tensão de circuito aberto quando as duas junções do termopar são mantidas em temperaturas diferentes. A geração dessa tensão é devida ao efeito Seebeck, que é produzido pela difusão de elétrons através da interface entre os dois materiais. A magnitude da força de difusão é controlada pelas temperaturas das junções do termopar e, por isso, os potenciais elétricos das junções fornecem a medida da temperatura. Adicionalmente ao efeito Seebeck, outros dois efeitos termoelétricos ocorrem em termopares: os efeitos Peltier e Thompson, que afetam a acurácia da medição. Esses dois efeitos podem ser minimizados ao se limitar severamente a corrente que passa através do circuito do termopar. Conversões mais acuradas da tensão medida pelo termopar em temperatura podem ser obtidas através de tabelas de calibração (para consulta) ou através de polinômios de alto grau que relacionem a temperatura com a tensão medida.

11.4.1. Princípios do Comportamento dos Termopares

O uso prático de termopares é baseado em seis princípios do comportamento termoelétrico:

1. Um circuito de termopar deve conter, ao menos, duas junções de dois materiais diferentes;

2. A tensão de saída do termopar depende apenas da diferença entre as temperaturas nas junções;

3. Se um terceiro metal for inserido em qualquer ramo do circuito do termopar, a tensão lida não é afetada, posto que as duas novas junções são mantidas à mesma temperatura;

4. A inserção de um metal intermediário em qualquer junção não afeta a tensão lida, posto que as junções formadas pela inserção do terceiro metal são mantidas à mesma temperatura;

5. Se a leitura de tensão de um circuito termopar com temperaturas de junção T1 e T2 for (vo) 1/2 = f(T1 -T2), e o mesmo exposto a temperaturas T2 e T3 produz uma tensão de (vo)2/3 =f(T2 – T3), a leitura de tensão do mesmo circuito se exposto às temperaturas T1 e T3 será de (vo)1/3 =(vo)1/2 + (vo)2/3 ;

6. Se um circuito termopar, fabricado com materiais A e C, gera uma leitura de tensão de (vo)A/C e um circuito similar fabricado com materiais C e B, gera uma leitura (vo)C/B então um termopar fabricado com os materiais A e B irá gerar uma leitura dada por (vo)A/B =(vo)A/C + (vo)C/B (se os três termopares forem expostos às mesmas temperaturas de junção T1 e T2).

Esses seis princípios fornecem a base para projeto e aplicações de termopares em medições de temperatura.

11.4.2. Materiais Termoelétricos

O efeito termoelétrico ocorre toda vez que um circuito termopar é fabricado de dois metais diferentes quaisquer. Por essa razão, um grande número de materiais é adequado para o uso em termopares. Na maioria das vezes, os materiais são selecionados para fornecer estabilidade em longo prazo a altas temperaturas, garantir compatibilidade com a instrumentação disponível, minimizar custos e maximizar sensibilidade na faixa de operação.

A estabilidade térmica em longo prazo é uma propriedade importante em uma instalação de termopares se a temperatura for monitorada por longos períodos de tempo. O efeito negativo mais importante de instabilidades térmicas é a mudança gradual e cumulativa na leitura de tensão do termopar durante longas exposições a temperaturas elevadas. Esse efeito é devido, principalmente, a mudanças de composição causadas por oxidação.

11.4.3. Temperatura Referencial de Junção

Como os circuitos termopares respondem a diferenças de temperatura (T1 e T2), é essencial que a junção de referência seja mantida a uma constante e acuradamente conhecida temperatura T2. Alguns métodos são comumente utilizados para manter a temperatura de referência. Dentre eles, o mais simples imerge a junção de referência em uma mistura de gelo e água em um recipiente térmico fechado para evitar perdas de calor e gradientes de temperatura. Esse método pode manter a temperatura a 0,1°C do ponto de congelamento da água.

11.4.4. Procedimentos de Fabricação e Instalação

A instalação adequada de um termopar envolve fabricação da junção, escolha dos arames (diâmetro e isolação) e a fixação do termopar no fluido ou na superfície do componente no ponto onde a temperatura deve ser medida. O procedimento recomendado para a formação de uma junção do termopar consiste em unir os dois arames por soldagem, brasagem, etc. para formar uma pequena esfera de material em volta da junção. O diâmetro do arame a ser usado depende da resposta dinâmica desejada para o termopar e do grau de hostilidade do ambiente em que o termopar deve operar. Quando as oscilações de temperatura são rápidas, o diâmetro deve ser pequeno e qualquer proteção deve ser eliminada para diminuir o atraso térmico. Por outro lado, termopares são muito usados em longos períodos de operação em altas temperaturas, em atmosferas redutoras ou oxidantes. Nesses casos, proteções ou arames e junções com grandes diâmetros (para que parte da junção possa ser sacrificada) podem ser usados para estender o período estável de operação. O material a ser usado para fornecer isolamento para os arames é determinado pela temperatura máxima a que o termopar será exposto. Para temperaturas extremamente altas (~2300°C), tubos de cerâmica (Beryllia) são muito usados.

11.6. Resposta Dinâmica de Sensores de Temperatura

Para entradas Tm na forma de funções-degrau, resultados da relação T/Tm= (1 – e-t / β) - onde T é a temperatura da junção, Tm é a temperatura do meio, t é o tempo de exposição do sensor e β é a constante de tempo do sensor – indicam que um sensor de temperatura requer um tempo considerável antes que ele comece a se aproximar da temperatura do meio ao redor