Texto extraído do site INCB - www.newtoncbraga.com.br

Pares termoelétricos (ART138)

Processos industriais delicados, equipamentos eletrônicos exigem em muitos casos a monitoração precisa da temperatura. Na industria o principal tipo de sensor de temperatura é o par termoelétrico ou termopar  como também é conhecido. Neste artigo analisamos o seu princípio de funcionamento e as suas principais aplicações práticas.

 

Quando dois metais diferentes são unidos de modo a formar uma junção, algumas propriedades elétricas importantes se manifestam em função da temperatura.

Ligando o dispositivo formado por dois metais ligados da forma indicada a um indicador de tensão e aquecendo este dispositivo, conforme mostra a figura 1, observamos o aparecimento de uma tensão que depende da temperatura.

 

 

Normalmente, para usar este dispositivo para a medida de temperatura ele é ligado em série com uma segunda junção que serve de referência, sendo mantida numa temperatura mais baixa (junção de referência).  O dispositivo formado pela junção dos dois metais serve então para a medida da temperatura e é denominado par termoelétrico.

Na prática, para se usar um termopar ou par termoelétrico para medir temperaturas existem alguns requisitos adicionais, já que a linearidade e a precisão precisam ser levados em conta e também a necessidade de se amplificar a tensão pois os valores obtidos em função dos materiais mais comuns usados são muito baixos.

Iniciamos então a análise do funcionamento de um par termoelétrico analisando o porque do aparecimento da tensão quando a junção é aquecida.

 

 

HISTÓRICO

Foi em 1821 que Seebeck observou que quando um fio de cobre formava uma junção com um fio de ferro, conforme mostra a figura 2 e havia o aquecimento dos dois, uma força eletromotriz (f.e.m.) podia ser media entre

eles.

 

 

Posteriormente, foi descoberto que esta tensão tinha origem em dois fenômenos separados que receberam os nomes de seus descobridores.

 

a)Força Eletromotriz de Peltier

Segundo Peltier se uma corrente elétrica flui na junção entre dois metais diferentes, calor é gerado ou absorvido neste local numa quantidade proporcional à intensidade da corrente.

Se calor vai ser gerado ou absorvido depende do sentido da corrente, o que quer dizer que podemos fazer com que a junção gere calor ou absorva calor simplesmente invertendo o sentido da corrente, conforme mostra a figura 3.

 

 

Na prática, os dispositivos de efeito Peltier justamente podem ser usados para esfriar um local, pela circulação de uma corrente em sentido apropriado na sua junção.

Por outro lado, observar-se também que o efeito inverso ocorre quando esfriamos ou aquecemos a junção. Uma corrente que cujo sentido depende justamente do fato de esfriarmos ou aquecermos a junção é gerada pelo mesmo efeito.

 

 

b)Força Eletromotriz de Thomson

Thomson observou que se um condutor uniforme for aquecido de maneira não uniforme, conforme mostra a figura 4, aparece nas suas extremidades uma força eletromotriz cuja polaridade e intensidade dependem do gradiente de temperatura no trecho considerado do condutor.

 

 

Na prática a f.e.m. de Thomson apresenta algumas anormalidade já que existem materiais em que ocorrem inversões de polaridade com a variação da temperatura, como por exemplo o Bismuto.

O fato importante é que, a tensão que aparece nas extremidades de uma junção termoelétrica pode ser usada para a medida da temperatura e isso leva a construção de diversos tipos de termopares de uso em instrumentação eletrônica para industria e em muitas outras aplicações.

 

 

OS TIPOS DE TERMOPARES

Para se obter um termopar que possa ser usado na medida de temperaturas com precisão, alguns cuidados devem ser tomados com a escolha dos materiais tais como:

As f.e.m. de Thomson devem somar-se no circuito

AS f.em. de Thomson devem variar na proporção direta com a temperatura

As f.e.m. de Peltier devem ter a mesma polaridade das f.e.m. de Thomson

As f.e.m. de Peltier também devem variar na proporção direta com a temperatura

A potência elétrica gerada pelo par deve ser a maior possível

Na prática é impossível encontrar materiais que apresentem estas características, mas com o uso de ligas apropriadas podem ser obtidos pares termoelétricos com características que bem próximas do ideal.

Assim, o que encontramos nas aplicações em instrumentação eletrônica, são pares feitos de materiais que são escolhidos de acordo com a faixa de temperaturas que devem ser medidas. Estes materiais são então tais que sua linearidade, precisão e potência atendam justamente a faixa indicada possibilitando assim a medida precisa da temperatura.

Para termos um termopar que seja útil numa aplicação ele deve apresentar as seguintes propriedades:

 

a)Linearidade na faixa de temperaturas medidas - a f.e.m. apresentada deve manter uma relação de proporcionalidade direta com a temperatura, conforme mostra a figura 5.

 

 

b)Resistência à temperatura medida - o par termoelétrico deve resistir a faixa de temperaturas que devem ser medidas.

 

c)Sensibilidade - devem apresentar uma tensão de saída (fem) razoável na faixa de temperaturas que devem ser medidas.

 

d)Prontidão - deve ser de acordo com a aplicação significando a velocidade com que ele pode responder a uma variação da temperatura.

 

e)Estabilidade - não deve mudar de características com o tempo ou mesmo sob a ação do meio em que ele deve funcionar.

 

Na prática existem diversos tipos de pares termoelétricos que são usados na instrumentação industriais em diversas faixas de temperatura.

Na figura 6 mostramos um gráfico em que a faixa de temperaturas de operação dos tipos mais comuns são comparadas com outros tipos de sensores de uso corrente em instrumentação.

 

 

Os principais tipos com suas características são:

 

Cobre-Constantan - (tipos T) - estes sensores são indicados para medir temperaturas na faixa de -84 a 315 oC e tem uma característica que os torna superiores principalmente na medida de temperaturas muito baixas, na faixa abaixo de zero.

 

Ferro-Constantan - (tipo J) - estes sensores são usados principalmente em meios redutores (onde existe falta de oxigênio) para a medida de temperaturas na faixa de -18 a 870 oC. Quando usados em temperaturas acima de 538 oC sua oxidação aumenta rapidamente, o que exige a utilização de um fio mais grosso ou mais pesados para evitar uma ação mais intensa sobre o sensor ou ainda fazer sua proteção com capas protetoras. Os pares termoelétricos deste tipo, sem capas, são bastante usados em medidas de temperatura até 290 oC.

 

Cromo-Alumel - (tipo K) - estes pares termoemétricos são indicados para aplicações em meios em que exista excesso de oxigênio live (oxidantes) para a medida de temperaturas de até 1315 oC. Na verdade, a limitação destes sensores está em 1150 oC se a operação for constante, já que o meio tende a agir sobre o material modificando suas características.

 

Platina-Platina-Ródio - (tipos R,  S10 e 13% de ródio) - temos aqui os termopares de metais nobres que são indicados para medir temperaturas mais elevadas. Meios que contém gases redutores afetam estes sensores, exigindo sua proteção por um tubo impermeável quando usados em temperaturas acima de 540 oC.

 

Para proteger os termopares da ação do meio em que eles devem medir a temperatura existem diversas técnicas que são mostradas na figura 7.

 

O tipo de aplicação do sensor é que vai determinar qual é a melhor proteção que ele necessita.

Normalmente, o par termoelétrico em si, ou seja, as pontas dos fios não são protegidas, devendo ser escolhido o par de material que se adapte a ação possível do meio.

Para a proteção do restante do sensor podem ser usados diversos tipos de materiais resistentes ao calor depende da faixa de temperaturas medidas como a borracha, verniz, amianto trançado, vidro, cerâmica, óxido de alumínio ou molibdeno.

Na figura 8 temos alguns sensores usados em instrumentação industrial já encapsulados e protegidos de acordo com o meio em que devem trabalhar e também a faixa de temperaturas que devem medir.

 

 

Uma vista em corte de um termopar de aplicações industriais é mostrada na figura 9

 

 

Os pares termoelétricos para aplicações na industria, em instrumentação eletrônico seguem especificações padronizadas de modo que uma determinada aplicação pode contar com tipos diferentes de diversos fabricantes.

 

 

OS CIRCUITOS

Na prática, a medida da temperatura usando o sensor termoelétrico ou par termoelétrico é feita por diversos elementos que vão desde o par em si até o circuito de processamento e o indicador, conforme mostrado na figura 10.

 

 

Assim, o que temos são sistemas termoelétricos onde o mais simples usa o par termoelétrico ligado a um milivoltímetro e o mais complexo e sofisticado pode incluir um amplificador operacional que alimenta um indicador de bobina móvel ou ainda um indicador de cristal líquido com todos os decodificadores, conforme mostra a figura 11.

 

 

Circuitos deste tipo podem até incluir a presença de um conversor analógico digital que permite monitorar a temperatura de um local através de um computador ou ainda usá-la para fornecer dados a um microcontrolador responsável pelo controle de um processo industrial.

 

 

CONCLUSÃO

A medida de temperaturas elevadas com precisão exige técnicas que envolvem a previsão de todos os elementos que possam afetar o transdutor num ambiente em condições adversas.

Não basta escolher o transdutor correto (par termoelétrico) para a faixa de temperaturas que se deseja medir, mas também levar em conta a presença de substâncias que, com o tempo, possam afetar o sensor.

Nem sempre é possível trabalhar com sensores que sejam protegidos dada a temperatura muito elevada que se pretende medir e é nesse ponto que os cuidados devem ser redobrados.

Também devem ser levadas em conta as condições de interfaceamento da grandeza medida com o sistema de controle.

As empresas especializadas fornecem em seus catálogos todas as informações que o projetista precisa para o seu projeto, mas é preciso que ele saiba usar estas informações.

Neste artigo damos apenas uma idéia do princípio de funcionamento destes sensores cabendo aos leitores do setor um aprofundamento específico dentro de suas áreas de atuação.

 


 

Referências: Instrumentação Industrial - Harold E. Soisson - Hemus