Medição industrial de Temperatura via Termopares

Os termopares baseiam-se no efeito termelétrico, descoberto no século XIX por Thomas Seebeck e que transforma temperaturas em valores de tensão contínua.

Consiste da junção de metais diferentes, que apresentam pequenas quedas de tensão, por exemplo, à temperatura ambiente. Aquecendo-se ou esfriando-se essas junções, as tensões mudam de valor proporcionalmente.

Observou-se uma elevada repetibilidade, ou seja, sempre que uma temperatura está próxima de um valor conhecido, a leitura de tensão observada está próxima do valor lido anteriormente.

O que sugeriu a o uso de tensão elétrica, para expressar temperatura no ponto monitorado. Bastou então, tabelar a tensão em correspondência. Durante muito tempo, este foi o uso do efeito termoelétrico.

Considerações gerais

Não apenas a medição da temperatura se mostrou repetitiva: dois termopares construídos do mesmo modo, resultam leituras repetitivas. Isto possibilitou especificar-se a construção dos termopares.

Variando-se os pares de metais num termopar, as leituras de tensão x temperatura mudam. Um termopar pode ser composto também de um metal e de uma liga metálica.

E experimentando-se diferentes pares, chegou-se a alguns termopares notáveis, que apresentam resultados melhores em determinadas faixas de medição. Uma grande vantagem dos termopares, é o porte reduzido.

É sabido que termômetros introduzem “erros” nas leituras, pois alteram a massa do conjunto e trazem temperatura própria para dentro do processo. Por isso, quanto menores esses sensores, menos “perturbam” o fenômeno observado.

Os termopares, por outro lado, são frágeis e sujeitos a ataque térmico e químico dos ambientes monitorados. Isto expõe a necessidade de proteção ao sensor.

Uma vez que a decomposição química de um termopar, pode comprometer inclusive o processo monitorado. Assim, um modo de proteção adotado, consiste de poços de aço inoxidável (ou outro material de alta resistência térmica).

Onde o termopar pode permanecer seguro, ou ser introduzido apenas no momento da leitura, conforme as exigências do processo.

Também em vista do custo acessível, alguns sensores podem ser usados de modo temporário, antes de ser consumidos. Resumindo:

  • Porte reduzido;
  • Custo acessível;
  • Portabilidade;
  • Repetibilidade;
  • Confiabilidade;
  • Intercambiabilidade.

Otimizando a medição

Com o advento da eletrônica, no início do século XX, abriu-se o caminho para a criação dos primeiros indicadores de temperatura em tempo real.

A necessidade de interligar a um circuito, formou termopares parasitas, que apareceram na malha do sensor, inclusive imersos em temperaturas ambientes, não apenas diferentes das do processo monitorado, mas que variam ao longo de um dia.

A solução para esses problemas, foi a adoção de uma segunda junção na mesma malha, mas em sentido inverso, que anula os termopares parasitas.

Essa segunda junção, também conhecida como junta-fria, permanece imersa no ambiente externo ao processo, compensando as naturais flutuações que ocorrem entre dia e noite, entre inverno e verão.

A leitura da temperatura do processo, é atrelada à diferença das tensões das duas junções (ou juntas). A função de transferência tensão x temperatura dos termopares, é muito próxima de uma reta.

E assim, foi tratada enquanto os instrumentos (indicadores, controladores, integradores, registradores) se limitaram à tecnologia analógica (ver também Termopar tipo J características).

O advento da tecnologia digital, nas décadas de 1960-70, e a tecnologia dos circuitos integrados em larga escala, acabaram originando componentes programáveis, nos quais a real função de transferência dos termopares pôde ser memorizada.

Atualmente, na era dos microcontroladores, é possível se programar a equação de transferência nestes, gerando resposta contínua e quase instantânea, de temperatura em função de tensão.

Termopar tipo J

Bastante indicado para temperaturas ambientes a partir de 0°C, o termopar tipo J consiste da junção de Ferro (Fe) com a liga Constantan.

Que é composta de Níquel (Ni), Cobre (Cu) e Zinco (Zn). Compatível com aplicações até 800°C, para o sensor termopar tipo J, é sugerida a adoção de invólucros protetores, caso o processo monitorado se aqueça acima de 480°C.

Termopar tipo K

Termopar tipo K funcionamento: esse é resultante da junção das ligas Chromel e Alumel, a primeira, liga de Cromo e Níquel.

A segunda, é liga de Manganês, Silício, Ferro e Alumínio. Esta composição confere resistência a temperaturas entre -200 e 1200°C.

O que, embora cubra o alcance do tipo J, proporciona menor sensibilidade. Quanto ao funcionamento, o termopar tipo K tem igualmente restrições quanto à exposição a diversos compostos químicos, o que torna indicados cuidados na instalação.

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