23845580 Relatorio Pratica 1 Medidores de Temperatura

1FATEB FACULDADE DE TELMACO BORBACURSO DE ENGENHARIA QUMICA

LABORATORIO DE ENGENHARIA QUMICA IPROF.: RUBIANE G. MARQUES

RELATRIO: PRTICA 1 - 2 BIMESTREMEDIDORES DE TEMPERATURA

Acadmicos 6 Perodo:Alexandre M. de Almeida

Alisson Pinheiro

Pmila H. de Melo

Rodrigo da Silva

Telmaco Borba - PR

Laboratrio de Engenharia Qumica I Experimento: Medidores de Temperatura

Outubro 2007

RESUMO

Em todas as instalaes industriais, a medio da temperatura de extrema

importncia, permite a medio de nveis de energia trmica, conhecer a eficincia

dos equipamentos trmicos e assim poder corrigir as suas condies de

funcionamento, bem como conhecer a eficincia de ciclos termodinmicos.

Os termopares so os sensores de temperatura preferidos nas aplicaes

industriais, seja pela sua robustez, seja pela simplicidade de operao. Entretanto,

para que as medies de temperatura com termopar sejam significativas e

confiveis, fundamental conhecer no somente os princpios bsicos de operao,

como tambm as condies que o usurio deve proporcionar para que esses

princpios sejam vlidos.

Este relatrio apresenta a definio e classificao de termopares, construo de um

termopar para verificao da f.e.m. da ordem de milivolts formada, como tambm um

mtodo de calibrao de termopares.

2


SUMRIO

PARA A CALIBRAO DOS PARES TERMOELTRICOS, SEGUIU-SE OS SEGUINTES PASSOS EXPERIMENTAIS:...20

1. INTRODUOA temperatura a segunda grandeza mais medida no mundo, perdendo

apenas para o tempo. S por isso, j temos uma idia da sua importncia na vida

das pessoas e na produo industrial. Monitoramento ambiental; meteorologia;

investigao de novos combustveis; aproveitamento da energia solar;

desenvolvimento de motores para automveis; cuidados mdicos; qualidade final de

um produto e conservao de alimentos nas gndolas dos supermercados so

alguns exemplos da influncia da temperatura no dia-a-dia das pessoas. E

praticamente todo o processo industrial est sobre os efeitos dessa grandeza.

Ao contrrio da presso, a medio da temperatura no depende da

quantidade do material que se pretende avaliar. Por esse motivo, foram muitas as

dificuldades em se criar um instrumento capaz de medi-la corretamente. Galileu

Galilei considerado o primeiro inventor de um termmetro, em 1592. Depois dele,

vrios modelos foram desenvolvidos. Santorio Santorre criou o termoscpio a base

de ar e equipado com uma escala para leitura, em 1612. S em 1714, um fabricante

holands de instrumentos de preciso chamado Gabriel Fahrenheit desenvolveu os

primeiros termmetros de mercrio precisos e repetitivos. Em 1821, Thomas

Seebeck descobriu o termopar, mais importante sensor industrial de temperatura.

O Sistema Internacional de Unidades (SI) classifica a temperatura universal

em Kelvins. Porm, admite-se que essa escala no adequada para o uso dirio.

Assim, foi estabelecida a seguinte proporo: t / C = T / K 273,15. Atualmente, a

medio de temperaturas por meio de termmetros de platina muito importante

nos processos de controle industrial. O maior objetivo da monitorao de variveis e

controle em processos industriais obter produtos de alta qualidade, com melhores

condies de rendimento e segurana, com custos de produo compatveis com a

3


grande competitividade do mercado globalizado. Mas, a influncia da temperatura

no pra por a, ela pode ser responsvel tambm pela eficcia dos processos de

esterilizao; tratamento trmico de metais; refino de ao e conservao de

alimentos, como tambm em processos de fabricao de celulose e papel, onde a

temperatura influencia diretamente o processos de cozimento da madeira ou outro

material celulsico.

2. OBJETIVOS EXPERIMENTAISOs experimentos aqui relatados possuem os seguintes objetivos

especficos:

Constatar a veracidade do surgimento de uma f.e.m. em um termopar cujas

junes so submetidas a temperaturas diferentes;

Calibrar um par termoeltrico e adquirir conhecimento suficiente para, a partir

da manipulao dos dados obtidos, construir a curva de calibrao de um par

termoeltrico.

3. FUNDAMENTAO TERICA TERMOPARESTermopar um tipo de sensor de temperatura muito simples, robusto,

barato e de fcil utilizao. O dispositivo gera eletricidade a partir de diferenas de

temperatura. Dois fios condutores de eletricidade, por exemplo, o cobre e uma liga

de cobre/nquel chamada constant, quando unidos em uma de suas extremidades,

geram uma tenso eltrica, que pode ser medida na outra extremidade, se existir

diferena de temperatura entre elas. Como a diferena de potencial proporcional

diferena de temperatura entre suas junes, este princpio, denominado efeito

Seebeck em homenagem ao cientista que o descreveu, amplamente utilizado para

medir temperatura na indstria, em muitos tipos de mquinas e equipamentos.

Em 1821, o fsico alemo Thomas Johann Seebeck observou que, unindo

as extremidades de dois metais diferentes Fe e Cu (Figura 1), e submetendo as

junes 1 e 2 a temperaturas diferentes T1 e T2, surge uma f.e.m. (fora

eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os pontos A e B, denominada

tenso termoeltrica.

4


A B

Cobre

Juno 1 Juno 2

Cobre

Ferro

Figura 1 Par termoeltrico e junes.

Este fenmeno conhecido por "Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao se

conectar dois metais diferentes (ou ligas metlicas) do modo mostrado na Figura 1,

tem-se um circuito tal que, se as junes 1 e 2 forem mantidas em temperaturas

diferentes T1 e T2, surgir uma f.e.m. termoeltrica e uma corrente eltrica i

circular pelo chamado "par termoeltrico ou "termopar".

Qualquer ponto deste circuito poder ser aberto e nele inserido o

instrumento para medir a f.e.m. (Figura 2). Uma conseqncia imediata do efeito

Seebeck o fato de que, conhecida a temperatura de uma das junes, pode-se

saber a temperatura da outra juno atravs da f.e.m. produzida. A medio de

temperatura , na realidade, a maior aplicao do termopar (que tambm pode ser

usado como conversor termoeltrico, embora apresente baixo rendimento),

bastando para isso que se conhea a relao f.e.m. x variao de temperatura na

juno do termopar. Esta relao pode ser conseguida atravs de uma calibrao,

ou seja, uma comparao com um padro.

Juno de Medio

A

B

C

C

Juno de Referncia

Voltmetro

5


Figura 2 Circuito para medir o potencial de Seebeck compreendendo dois fios diferentes (A e B), duas junes e um voltmetro.

A tenso de circuito aberto atravs da juno de referncia a chamada

tenso de Seebeck e aumenta medida que a diferena de temperatura entre as

junes aumenta. O termopar tem como princpio geral de funcionamento as leis que

seguem abaixo:

Lei das Temperaturas Sucessivas: Estabelece a correspondncia entre as foras eletromotrizes obtidas para diferentes temperaturas de referncia.

Permite, em conseqncia, compensar ou prever dispositivos que

compensam mudanas de temperatura da junta de referncia.

Lei dos Metais Intermedirios: A fora eletromotriz de um termopar no ser afetada se em qualquer ponto de seu circuito for inserido um metal genrico

desde que as novas junes sejam mantidas a temperaturas iguais.

Existe uma variedade de meios em que o termopar pode ser incorporado

como um sensor capaz de medir temperatura de um sistema fsico. necessrio

garantir que a juno de medio esteja numa condio isotrmica, da a

importncia de imergir o termopar a uma profundidade adequada (grosseiramente

entre 10 a 20 vezes seu dimetro externo incluindo as protees). Pelo fato de o

transdutor responder a um gradiente de temperatura, ele deve ser conectado a dois

sistemas fsicos em duas temperaturas diferentes.

A juno de referncia deve ser isotrmica para propiciar uma temperatura

conhecida e auxiliar na obteno de uma interface do sinal, que isola o sensor da

instrumentao. Os fios de transmisso do sinal da juno de referncia at o

instrumento esto freqentemente em um meio mais controlado do que aquele de

outros sensores de temperatura, especialmente se a juno de referncia estiver

dentro do instrumento. Se o instrumento for um voltmetro, a interpretao dos dados

requerer informao extra a respeito da temperatura de referncia e da tabela do

termopar, caso contrrio esta informao pode estar includa no instrumento e a

temperatura ser indicada diretamente.

Todas as tabelas normalizadas do os valores da tenso de sada do

termopar considerando que a segunda juno do termopar (a juno fria) mantida

a exatamente a zero grau Celsius. Antigamente isto se conseguia conservando a

juno em gelo (da o termo compensao por juno fria). Contudo, a manuteno

6


do gelo nas condies necessrias no era fcil, e logo se optou por medir a

temperatura da juno fria e compensar a diferena para zero grau Celsius.

Normalmente, a temperatura da juno fria medida por um transmissor de

preciso. A leitura desta segunda temperatura, em conjunto com a leitura do valor da

tenso do prprio termopar, utilizada para o clculo da temperatura verificada na

extremidade do termopar. Em aplicaes menos exigentes, a compensao da

juno fria feita por um semicondutor sensor de temperatura, combinando o sinal

do semicondutor com o do termopar. importante a compreenso da compensao

por juno fria, pois qualquer erro na medio da temperatura da juno fria ir

ocasionar igualmente erros na medio da temperatura da extremidade do termopar.

Conforme visto na Figura 3.

Isothermal Region

Ice BathT = 0C

T1+

-

Figura 3 Esquema de calibrao com temperatura de referncia.

O instrumento de medida tem de ter a capacidade de lidar com a

compensao da juno fria, bem como com o fato de a sada do termopar no ser

linear. A relao entre a temperatura e a tenso de sada uma equao polinomial

de 5 a 9 ordem, dependendo do tipo do termopar. Alguns instrumentos de alta

preciso guardam em memria os valores das tabelas dos termopares para eliminar

esta fonte de erro.

Ao se medir a f.e.m. termoeltrica de um par termoeltrico em funo da

temperatura, obtm-se, em geral, uma relao do tipo mostrado no grfico da Figura

4. A curva mostrada no grfico denominada de curva de calibrao do par

termoeltrico. A relao da f.e.m. termoeltrica com a temperatura, normalmente,

no linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada como

se o fosse (veja a reta 1 da Figura 4).

7


Reta 1

TP

=

T2

1

1T 2T T3T

Figura 4 - Curva de calibrao de um par termoeltrico.

A partir do grfico pode-se definir uma grandeza denominada de potncia

termoeltrica do termopar, dada por:

dTdP = (1)

A potncia termoeltrica representa a sensibilidade de resposta ( d ) do par

termoeltrico com a variao de temperatura (dT).

A tenso termoeltrica v0 uma funo no linear da temperatura, que pode ser

representada por uma equao emprica como sendo:

)()( 222

122110 TTCTTCv += (2)

Onde C1 e C2 so constantes termeltricas dependentes do material usado

na juno e T1 e T2 so as temperaturas das junes.

3.1 TERMOPARES COMERCIAISOs termopares disponveis no mercado tm os mais diversos formatos,

desde os modelos com a juno descoberta que tm baixo custo e proporcionam

tempos de resposta rpidos, at os modelos que esto incorporados em sondas.

Quando se procede escolha de um termopar, deve-se ponderar qual o

mais adequado para a aplicao desejada, segundo as caractersticas de cada tipo

de termopar, tais como: a gama de temperaturas suportada, a exatido e a

confiabilidade das leituras, entre outras. A escolha de um termopar para um

determinado servio deve ser feita considerando todas as possveis variveis e

normas exigidas pelo processo. A seleo do termopar (ou dos materiais que o

constituem) feita para:

Oferecer alta estabilidade em nveis maiores de temperatura;

8


Garantir compatibilidade com a instrumentao disponvel;

Minimizar custo;

Maximizar sensitividade sobre a faixa de operao (V /C).

Existem trs categorias de tipos de termopares: termopares padronizados

de metal nobre (R, S, B); termopares padronizados de metal base (K, J, N, E, T) e

termopares no definidos por letras. Na prtica a distino entre base e nobre

que metais nobres contm platina e metais base contm nquel. Os termopares

possuem a seguinte classificao de acordo com a norma:

Termopar Tipo K (Cromel/Alumel): O termopar tipo K um termopar de uso genrico. Tem um baixo custo e, devido sua popularidade, esto

disponveis variadas sondas. Cobrem temperaturas entre os -250 e os 1250

C, tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41V/C. Termopares tipo

K so recomendados para uso contnuo em atmosferas inertes ou oxidantes,

em temperaturas de at 1250C. Sua resistncia oxidao faz com que

esses termopares sejam preferidos, principalmente nas temperaturas

superiores a 540C. Podem tambm ser utilizados para medies de 250C

at 0C, porm seus limites de erro foram estabelecidos somente para

temperaturas superiores a 0C.

Os termopares tipo K no devem ser utilizados em:

1) atmosferas redutoras ou alternadamente oxidantes e redutoras, a menos que

estejam devidamente protegidos com tubos de proteo adequados;

2) atmosferas sulfurosas, a menos que devidamente protegidos. O enxofre ataca

ambos os elementos, causando sua rpida corroso;

3) vcuo, exceto por perodos curtos, pois ocorre vaporizao do cromo no

elemento positivo, alterando substancialmente a calibrao do termopar;

4) atmosferas que provocam corroso green-rot do elemento positivo. Esta

corroso resulta da oxidao do cromel, quando uma determinada quantidade de

oxignio (O2) existente na atmosfera envolve o termopar. Isto pode ter como

conseqncia grandes erros e mais preocupante em temperaturas na faixa de

820 a 1040C. Corroso green-rot ocorre freqentemente quando os

termopares so utilizados com longas protees de pequeno dimetro, sem

ventilao interna. O efeito pode ser minimizado com a utilizao de tubos de

maior dimetro ou ventilando internamente tais protees. Outra tcnica manter

9


a quantidade de oxignio, no interior do tubo de proteo, abaixo do nvel que

promove oxidao. A introduo de um getter (elemento metlico de absoro

de gases, tungstnio) para absorver o oxignio em tubos de proteo fechados

tambm indicada.

Termopar Tipo E (Cromel/Constant): Este termopar tem uma elevada sensibilidade (68 V/C), que o torna adequado para baixas temperaturas.

Termopares tipo E so recomendados para uso em faixas de temperatura

entre 0 870C, em atmosferas oxidantes ou inertes. Em atmosferas

redutoras, alternadamente oxidantes e redutoras e no vcuo, estes

termopares esto sujeitos s mesmas limitaes dos termopares tipo K. So

utilizados tambm para medies em temperaturas abaixo de 0C, pois no

esto sujeitos corroso em atmosferas midas. Porm, seus limites de erro

para temperaturas abaixo de zero no esto normalizados. Apresentam como

vantagem as maiores potncias termoeltricas em relao a outros tipos de

termopares, motivo pelo qual muitas vezes so preferidos.

Termopar Tipo J (Ferro/Constant): A sua gama limitada de temperaturas (-40 a 750 C) a responsvel pela sua menor popularidade em relao ao tipo K. Aplica-se, sobretudo, com equipamento j antigo que no compatvel

com termopares mais modernos. A utilizao do tipo J acima dos 760 C leva

a uma transformao magntica abrupta que lhe estraga a calibrao. Estes

termopares so apropriados para medio em vcuo e atmosferas oxidantes,

redutoras e inertes, em temperaturas que chegam at 760C. A taxa de

oxidao do ferro alta a partir de 540C, em que so recomendados

elementos de bitola maior. No recomendado o uso deste termopar com

elementos nus em atmosferas sulfurosas acima de 540C.

Termopar Tipo N (Nicrosil/Nisil): A sua elevada estabilidade e resistncia oxidao em altas temperaturas tornam o tipo N adequado para medies a

temperaturas elevadas, sem recorrer aos termopares que incorporam platina

em sua constituio (tipos B, R e S). Foi desenhado para ser uma evoluo

do tipo K. Os termopares tipo B, R e S apresentam caractersticas

10


semelhantes. So os termopares mais estveis, contudo, devido sua

reduzida sensibilidade (da ordem dos 10 V/C), utilizam-se apenas para

medir temperaturas acima dos 300 C. Note-se que devido pequena

sensibilidade destes termopares, a sua resoluo de medida tambm

diminuta. Termopares tipo N so recomendados para uso em faixas de

temperatura de 0 a 1260C. Comparado com o termopar tipo K melhor

alternativa em funo de maior resistncia oxidao, melhor estabilidade

em temperaturas altas e aumento da vida til. Substitui o termopar tipo K em

atmosferas em que este apresenta o problema denominado greenrot.

Termopar Tipo B (Platina/Rdio-Platina): Adequado para medio de temperaturas at aos 1800 C. Contra aquilo que habitual nos outros

termopares, este origina a mesma tenso na sada a 0 e a 42 C, o que

impede a sua utilizao abaixo dos 50 C. Os termopares tipo B so

recomendados para uso contnuo em atmosferas inertes ou oxidantes,

temperatura limite de 1800C. So tambm indicados para operar no vcuo

at sua temperatura limite. No aconselhado o uso destes termopares em

ambientes redutores ou que contenham vapores, a menos que devidamente

protegidos com tubos de proteo no metlicos. Sob condies adequadas

de temperatura e ambiente, os termopares tipo B demonstram menos

desgaste a menores desvios de calibrao. Os termopares tipo B apresentam

vantagens sobre os termopares tipos S e R, em relao no necessidade

de utilizao de cabos de compensao especficos.

Termopar Tipo R (Platina/Rdio-Platina): Adequado para medio de temperaturas at aos 1600 C. Reduzida sensibilidade (10 V/C) e custo

elevado.

Termopar Tipo S (Platina/Rdio-Platina): Adequado para medio de temperaturas at aos 1600 C. Reduzida sensibilidade (10 V/C), elevada

estabilidade e custo elevado.

Termopar Tipo T (Cobre/Constant): dos termopares mais indicados para medies na gama dos -270C a 400C. Note-se que a escolha de um

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termopar deve assegurar que o equipamento de medida no limita a gama de

temperaturas que consegue ser medida. Estes termopares so resistentes

corroso em atmosferas midas e indicados tambm para a medio de

temperaturas abaixo de zero. Pode ser utilizado em atmosferas oxidantes,

redutoras ou inertes. Este o nico termopar cujos limites de erro esto

estabelecidos para temperaturas abaixo de zero.

A tabela abaixo apresenta as caractersticas para termopares convencionais

aplicados industrialmente.

Tabela 1 Caractersticas dos principais termopares comerciais.

Termopar Faixa de Uso Aconselhada

Algumas Aplicaes: Vantagens: Desvantagens:

J Ferro/Constant

-40 a 750 C

-Tmperas; -Recozimento; -Fornos Eltricos;

-Baixo Custo;-Devem ser usados tubos de proteo para T 480 C

K Cromel/Alumel -200 a 1200 C

-Tratamento Trmico; -Fornos; -Fundio; -Banhos;

-Adequado para atmosferas oxidantes; -Boa resistncia mecnica em altas temperaturas

-Vulnervel a atmosferas redutoras

T Cobre/Constant

-270 a 400 C

-Estufas; -Banhos; -Fornos Eltricos para Baixa Temperatura;

-Resiste a atmosferas corrosivas; -Resiste a atmosferas redutoras e oxidantes; -Utilizvel em temperaturas negativas

-Oxidao do cobre acima de 315 C

R e S Platina/13 e 10%

Rdio -18 a 1600 C

-Vidros; -Fornos (T>1300C); -Fundio; -Alto Forno;

-Pode operar em atmosfera oxidante; -Operar numa faixa maior que o tipo K

-Contamina facilmente em atmosfera no oxidante; -Fragiliza em altas temperaturas

3.2 ERROS EM MEDIES COM TERMOPARESExiste uma variedade de meios em que o termopar pode ser incorporado

como um sensor capaz de medir temperatura de um sistema fsico. Alguns detalhes

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da sua instalao so fundamentais para garantir a correta indicao da

temperatura, evitando assim, erros grosseiros nas medies:

necessrio garantir que a juno de medio esteja numa condio

isotrmica, da a importncia de imergir o termopar a uma profundidade

adequada (grosseiramente entre 5 e 15 vezes seu dimetro externo

incluindo as protees);

Pelo fato de o transdutor responder a um gradiente de temperatura, ele deve

ser conectado a dois sistemas fsicos em duas temperaturas diferentes;

A juno de referncia deve ser isotrmica para propiciar uma temperatura

conhecida e para auxiliar na obteno de uma interface do sinal, que isola o

sensor da instrumentao.

Pode-se estimar a temperatura correta de um gs medido por um termopar

em um poo cilndrico inserido em uma corrente de gs, atravs dos seguintes

dados:

T1 = 260 C temperatura indicada pelo termopar;

Tp = 175 C temperatura da parede;

h = 680 W/m2C coeficiente de transferncia de calor;

k = 105 W/mC condutividade trmica da parede do poo;

y = 2 mm espessura da parede do poo;

L = 60 mm comprimento do poo.

Onde a instalao deste termopar segue como na figura a seguir:

13


+ -

Fios do termopar para potnciometro

Tp Temperatura da Parede

Juno do Termopar a Temperatura T 1

X

Corrente de Gs

Parede do Poo

60

2

Figura 5 Instalao de um termopar em uma corrente de gs.

A espessura da parede y da parede do poo est em contato com a

corrente de gs por um dos lados apenas, e a espessura pequena quando

comparada ao dimetro. Portanto a distribuio de temperatura ao longo dessa

parede ser aproximadamente a mesma que aquela ao longo de uma barra de

espessura 2y, em contato com a corrente gasosa dos dois lados.

Consideraes que devem ser feitas afim de encontrar o valor correto da temperatura do gs em questo:

T funo de x apenas;

Nenhum calor absorvido pelas reas final e lateral;

O fluxo trmico na superfcie dado por )( = TThqx , onde h constante e T depende apenas de x.

Fazendo-se o balano de energia sobre um segmento x, tem-se:0)(2|| =

+ TTxWhqxq xxxx (3)

Dividindo por x:

14


0)(2||

=

+ TTWhxqxq xxxx (4)

Passando o limite quando x tende a zero, tem-se:

)(2||lim0

+

TTWh

xqxq xxxx

x (5)

O primeiro termo a definio de derivada, levando-se em considerao o sinal,

tem-se:

)(2

= TTWhdxdqx (6)

Inserindo a lei de Fourier para conduo de calor, (qx = -AkdT/dx). E supondo k

constante:

)(22

=

TTWh

dxdTyWk

dxd

(7)

)(22 22

= TTWh

dxTdyWk (8)

)(22

= TT

ykh

dxTd (9)

A equao deve ser resolvida com as seguintes equaes de contorno:

0

0

==

==

dxdTLxem

TpTxem

Fazendo-se ykhmeTT /)( 2 ==

, tem-se:

=ykh

dxd

2

2

(10)

Temos, ento, que a soluo geral da equao (10) :mxmx eCeC 21 += (11)

Tomando, ento, a segunda condio de contorno para encontrar C1 e C2, temos:

0

0

=

=

==

dxdLxem

pxem

Aplicando-se as condies de contorno, tem-se:

)(0 21

21mLmL eCeCm

CCp+=

+=

Resolvendo-se o sistema obtm-se as constantes C1 e C2:

15


mLmL

mL

epC

eepC 222

2

1 1;

1 +

=

+

=

Substituindo os valores das constantes na soluo da equao diferencial (10) e

manipulando a equao, tem-se:

mL

mx

mL

mxmL

epe

eepe

22

2

11 +

++

=

(12)

mL

mx

mL

mx

ee

ee

p 22 11 ++

+=

(13)

)cosh()](cosh[

mLxLm

p

=

(14)

Substituindo os valores na soluo geral (14), tem-se:

( )

=

Lky

h

LLky

h

TTTT

p cosh

cosh1 (15)

( )

gsdorealatemperaturCT

TT

TT

==

=

=

26693427,049725,248

2136,151

175260

06,0105002,0

680cosh

06,006,0105002,0

680cosh

175260

Portanto, o erro relativo encontrado para esta instalao de termopar encontrado

atravs da seguinte expresso:

1001

=

TTTER (16)

%25,2100266

260266=

=

CCCER

A seguir so apresentados os limites de erro dos termopares comerciais de acordo

com a norma padro.

Tabela 2 Limites de erro para termopares, de acordo com ASTM E-230 (com juno de referncia a 0 C).

TIPO ANSI MATERIAL CONDUTORCDIGO DE COR ANSI

FAIXA DE USO

LIMITES DE ERRO

STANDARD CLASSE 2

ESPECIAL CLASSE 1

16


JFerro (Magntico) (+) Branco

0 - 760C 2,2C ou 0,75% 1,1C ou

0,40%Constant (-) Vermelho

KCromel (+) Amarelo

0 - 1250C 2,2C ou 0,75% 1,1C ou

0,40%Alumel (Magntico) (-) Vermelho

TCobre (+) Azul

0 - 370C 1,0C ou 0,75% 0,5C ou


ECromel (+) Prpura

0 - 870C 1,7C ou 0,50% 1,0C ou


N Nicrosil (+) Laranja 0 - 1260C 2,2C ou 0,75% 1,1C ou

0,40%

Nisil (-) Vermelho

SPlatina; Rdio 10%

(+) Preto 0 - 1450C 1,5C ou 0,25% 0,6C ou

0,10%Platina (-) Vermelho

RPlatina; Rdio 13%

(+) Preto 0 - 1450C 1,5C ou 0,25% 0,6C ou

0,10%Platina (-) Vermelho

BPlatina; Rdio 30%

(+) Cinza 0 - 1700C 0,50% 0,25%Platina; Rdio 6% (-) Vermelho

4. MATERIAIS E MTODOSPara o experimento da verificao do surgimento de uma f.e.m. em um

termopar e para o experimento da calibrao dos termopares, foram utilizados os

seguintes materiais:

01 multiteste com suas ponteiras (ser usado como milivoltmetro);

02 pinos banana para derivao com aperto por rosca;

01 lamparina com capuchama;

01 fio de Al com 300 mm;

02 fios de Cu com 300 mm;

01 fio de Fe com 300 mm;

01 chave de fenda;

01 alicate universal;

01 caixa de fsforos;

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01 lixa fina;

03 alinhadores sindais pequenos (com parafusos);

01 bquer com gua quente;

01 suporte com associaes em srie;

01 suporte com frascos calorimtricos EQ088.01;

01 conexo de fio vermelha com pinos banana;

01 conexo de fio preta com pinos banana;

01 suporte II com o par termoeltrico desejado;

02 termmetros - 0 a 100 C;

01 seringa de 60 cc;

01 mini funil de vidro;

01 pina de Mohr;

01 copo becker de 250 ml;

01 proveta graduada de 50 ml;

01 recipiente isolante para cubos de gelo;

Cubos de gelo;

01 garrafa com 600 ml de gua destilada a temperatura ambiente (esta gua

ser utilizada no transcorrer do experimento);

01 garrafa trmica com gua quente.

4.1 MONTAGEM DOS EQUIPAMENTOSPara a montagem dos equipamentos para o experimento da

construo de pares termoeltricos e verificao da f.e.m. segue-se as figuras abaixo:

Figura 6 Termopar conectado a um milivoltmetro.

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Figura 7 Experimento de medio de ddp entre os pontos da placa de associao.

Para a montagem do mdulo experimental para calibrao dos termopares,

segue-se a figura abaixo:

Figura 8 Sistema de calibrao de um termopar.

4.2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAISPara construo de pares termoeltricos e medida da f.e.m. termoeltrica,

seguiu-se os seguintes passos experimentais:

a) Construo de um par termoeltrico de cobre x alumnio:

Lixar as extremidades (1 mm) dos fios de cobre (Cu) e de alumnio (Al);

Introduzir um dos extremos de cada fio, atravs do alinhador pequeno,

deixando ultrapass-lo uns 15 mm e apertar os dois parafusos auxiliares do

alinhador reforando a unio e o contato eltrico dos dois metais, torcendo

suas extremidades entre si com o auxilio do alicate;

Prender as extremidades livres do termopar aos pinos banana para derivao

com aperto por rosca;

Conectar as extremidades livres do par termoeltrico cobre e alumnio aos

terminais do milivoltmetro;

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Aqueer o termopar com a lamparina at a voltagem se tornar constante;

Procedendo semelhantemente, construir mais dois pares termoeltricos,

agora utilizando ferro x alumnio e ferro x cobre, repitindo o experimento.

b) Medida da f.e.m. termoeltrica em diferentes pontos de uma associao de

constant, ferro e cobre:

Aps a verificao do zero, conectar os cabos de conexo aos terminais do

instrumento, adaptando nos extremos livres as garras jacar;

Utilizar o suporte II-A (associao em srie de constant, ferro e cobre) e

verificar as diferenas de potencial entre os pontos 1, 2, 3 e 4.

Para a calibrao dos pares termoeltricos, seguiu-se os seguintes passos

experimentais:

Montar o mdulo experimental para calibrao de termopares, conforme

mostrado na figura;

Inserir gelo no recipiente para a fonte fria, mantendo a temperatura constante,

preferencialmente em 0 C;

Inserir gua quente no recipiente para a fonte quente afim de realizar as

medies de temperatura e as variaes da f.e.m.;

Aps a montagem do mdulo, iniciar as medies de temperatura e

milivoltagem, utilizando um mnimo de 10 pontos para a construo das

curvas de calibrao de cada termopar.

5. RESULTADOS E DISCUSSO

5.1 CONSTRUO DE PARES TERMOELTRICOS E MEDIDA DA

F.E.M. TERMOELTRICAOs resultados encontrados das medies de ddp dos pares termoeltricos

aps aquecimento com a lamparina de uma das junes, foram os seguintes:

Associao de Cobre e Alumnio: 0,04 mV;

Associao de Cobre e Ferro: 0,17 mV.

Sendo assim, pode-se observar que, unindo as extremidades de dois metais

diferentes x e y e submetendo suas junes a e b a temperaturas diferentes T1

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e T2 no caso do experimento, foi a temperatura imposta pela lamparina e a

temperatura ambiente surge uma f.e.m. (fora eletromotriz, da ordem de mV) entre

os pontos a e b, denominada tenso termoeltrica. Este fenmeno conhecido por

"Efeito Seebeck". Em outras palavras, ao se Conectar dois metais diferentes (ou

ligas metlicas), tem-se um circuito tal que, se as junes a e b forem mantidas

em Temperaturas diferentes T1 e T2, surgir uma f.e.m. termoeltrica e uma corrente

eltrica i circular pelo chamado "par termoeltrico ou "termopar". Qualquer Ponto

deste circuito poder ser aberto e nele inserido o instrumento para medir esta f.e.m..

A media da f.e.m. termoeltrica a partir da placa de associao em srie

no apresentou nenhum valor de ddp, pois no havia nenhuma fora motriz para a

ocorrncia de ddp, que seria a temperatura, comprovando a 1 Lei da Termoeltrica,

que diz que: A fora eletromotriz " " de um termopar depende somente da

natureza dos condutores e da diferena de temperatura entre as junes de

contato. A partir da 1 Lei da termoeltrica, observa-se alguma conseqncias

importantes:

Se as junes estiverem mesma temperatura, a f.e.m. gerada pelo termopar

nula;

A f.e.m. gerada pelo termopar independe do ponto escolhido para medir o

sinal. Por isso, ao confeccionar o termopar, numa das junes no realizada

a solda, introduzindo-se ali o instrumento;

A f.e.m. do termopar no ser afetada se em qualquer ponto do circuito for

inserido um terceiro metal, desde que suas junes sejam mantidas a mesma

temperatura. Esta propriedade chamada, por alguns autores, de "Lei dos

Metais Intermedirios.

5.2 CALIBRAO DOS PARES TERMOELTRICOSA seguir apresentado os resultados dos valores de f.e.m. dos pares

termoeltricos em funo da variao da temperatura na fonte quente, como

tambm as curvas de calibrao plotadas com os dados da Tabela 3, com o

respectivo ajuste linear pelo mtodo dos mnimos quadrados.

Tabela 3 Valores de f.e.m. dos pares termoeltricos em funo da variao de temperatura.

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Medidas Temperatura Fonte Quente (C)Temperatura

Fonte Fria (C) FEM (mV)

Termopar 1 Cobre/Constant1 70,0 1,0 2,22 67,0 1,0 2,13 65,0 1,0 2,04 63,0 1,0 1,95 61,0 1,0 1,86 58,0 1,0 1,67 53,0 1,0 1,48 50,0 1,0 1,39 45,0 1,0 1,1

10 41,0 1,0 0,9Termopar 2 - Ferro/Cobre

1 73,0 4,0 0,72 64,0 4,0 0,63 59,0 4,0 0,54 54,0 4,0 0,45 49,0 4,0 0,36 38,0 4,0 0,27 33,0 4,0 0,18 32,0 4,0 0,19 31,0 4,0 0,1

10 28,0 4,0 0,1Termopar 3 Ferro/Constant

1 69,0 4,0 3,12 65,0 4,0 2,83 61,0 4,0 2,64 57,0 4,0 2,45 53,0 4,0 2,26 50,0 4,0 2,07 47,0 4,0 1,98 44,0 4,0 1,89 41,0 4,0 1,7

10 36,0 4,0 1,5

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Curvas de Calibrao Termopares

y = 0,0479x - 0,3035R 2 = 0,9873

y = 0,0454x - 0,9725R 2 = 0,9958

y = 0,0143x - 0,3469R 2 = 0,9842

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0Temperatura na Fonte Quente (C)

FEM

(mV)

Termopar 1 - Cobre/Constant Termopar 2 - Ferro/Cobre Termopar 3 - Ferro/Constant

Figura 9 Curvas de calibrao dos pares termoeltricos.

Verificou-se, atravs dos resultados apresentados acima, que todos os

termopares apresentaram uma resposta linear dentro da faixa de utilizao (20 a 80

C). A melhor configurao linear foi a do termopar 1 (Cobre/Constant). Pode-se

verificar, tambm, que o termopar 2 (Ferro/Cobre) apresentou uma pequena

variao da f.e.m., sendo este termopar recomendado, ento para a aplicao em

medies de altas temperaturas.

No entanto, a temperatura na fonte fria no foi de 0C, devido a falta de

tempo para execuo dos experimentos, mantendo-se constante em 1C

(Cobre/Constant) e 4C (Ferro/Cobre e Ferro/Constant). Sendo assim, a

temperatura da juno fria uma grande fonte de erro para a calibrao dos

termopares. Outra fonte de erro a baixa preciso do voltmetro para medio da

milivoltagem provocada pela ddp, onde no foi possvel uma verificao mais

precisa da f.e.m. em funo da variao de temperatura da juno quente. Esse

fator teve grande influencia na calibrao do termopar 2 (Ferro/Cobre), onde a

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variao da temperatura provocou uma pequena variao na ddp, necessitando

assim, de um multmetro de maior preciso para a leitura correta dessa variao.

Para se medir temperatura com termopares, so necessrios dois tipos de

medio: a tenso do termopar e a temperatura da juno de referncia. A

necessidade de se conhecer a temperatura da juno de referncia complica a

instrumentao para termopares e muitos mtodos podem ser adotados para tornar

esses instrumentos convenientes para o uso. Infelizmente existem mtodos bons e

ruins e o usurio raras vezes tem informaes para avali-los. Para garantir

confiana na medio com termopar os seguintes passos devem ser cumpridos pelo

usurio ou por funes automticas do instrumento:

Estabelecer uma juno de referncia isotrmica;

Conhecer a temperatura da juno de referncia;

Usar as tabelas padronizadas ou as funes de referncia para determinar a

tenso Seebeck na temperatura da juno de referncia;

Fazer uma medio exata da tenso Seebeck do termopar;

Somar as duas tenses;

Usar as tabelas padronizadas ou as funes de referncia para determinar a

temperatura medida.

Portanto, afim de se obter um maior desempenho na calibrao dos

termopares pode-se fazer as seguintes sugestes:

Manuteno da fonte fria de referncia em 0C, atravs de banho em gelo,

antes de iniciar as medies de temperatura da fonte quente, atravs da

aplicao da norma NBR da ABNT para preparao da juno de referncia;

Utilizao de um sistema eletrnico de compensao da juno fria para 0C;

Utilizao de um voltmetro ou multmetro de maior preciso, com pelo

menos 3 casas decimais, afim de se verificar as variaes de ddp em funo

de pequenas variaes de temperatura.

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6. CONCLUSOAtravs dos experimentos, pde-se verificar que houve o surgimento de

uma f.e.m. nos termopares quando submetido a variaes de temperatura,

mantendo-se a juno fria isotermicamente.

Pode-se concluir, tambm, que cada termopar calibrado apresentou um

comportamento diferente, o que determina a faixa de sensibilidade e aplicao

destes termopares. Atravs das curvas geradas pela calibrao dos termopares,

consegue-se aplicar estes termopares industrialmente como medidores de

temperatura com um erro relativo aceitvel.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Par termoeltrico e junes.

Figura 2 Circuito para medir o potencial de Seebeck compreendendo dois fios

diferentes (A e B), duas junes e um voltmetro.

Figura 3 Esquema de calibrao com temperatura de referncia.

Figura 4 - Curva de calibrao de um par termoeltrico.

Figura 5 Instalao de um termopar em uma corrente de gs.

Figura 6 Termopar conectado a um milivoltmetro.

Figura 7 Experimento de medio de ddp entre os pontos da placa de associao.

Figura 8 Sistema de calibrao de um termopar.

Figura 9 Curvas de calibrao dos pares termoeltricos.

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Caractersticas dos principais termopares comerciais.

Tabela 2 Limites de erro para termopares, de acordo com ASTM E-230 (com

juno de referncia a 0 C).

Tabela 3 Valores de f.e.m. dos pares termoeltricos em funo da variao de

temperatura.

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REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] Kreith, Frank & S. Bohn, Mark. Princpios de Transferncia de Calor. Editora Thomson Learning. So Paulo. 2003.

[2] WWW.GESTE.MECANICA.UFRGS.BR/MEDTERM/TRABALHOS%202006-1/PROJETO_DE_TERMOPARES.PDF

[3] WWW.HERMES.UCS.BR/CCET/DEMC/VJBRUSAM/INST/TERMOPAR.PDF

[4] WWW.CPDEE.UFMG.BR/~PALHARES/EXPERIMENTOS_INSTRUMENTACAO.PDF

[5] WWW.EQUIPE-TERMOPAR.COM.BR/TERMOPARES.HTML#

FUNCIONAMENTO DOS TERMOPARES BASEADO NESTE FENMENO, QUE CONHECIDO COMO EFEITO DE SEEBECK. EMBORA PRATICAMENTE SE POSSA CONSTRUIR UM TERMOPAR COM QUALQUER COMBINAO DE DOIS METAIS, UTILIZAM-SE APENAS ALGUMAS COMBINAES NORMALIZADAS, ISTO PORQUE POSSUEM TENSES DE SADA PREVISVEIS E SUPORTAM GRANDES GAMAS DE TEMPERATURAS.

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Para a calibrao dos pares termoeltricos, seguiu-se os seguintes passos experimentais:

Documents

23845580 Relatorio Pratica 1 Medidores de Temperatura