Relatorio-Termopares

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ - UNIFEI
CAMPUS ITABIRA
PROFESSOR ROGER JUNIO CAMPOS
Relatório Técnico - Termopares
.
Brenno Lima Altoé - RA: 2017017301
Felipe de Aquino Luiz - RA: 2017013920
Gabriel Pereira Rosa - RA: 2017016242
Geomar Alves da Silva Junior - RA: 2019007190
Pedro Henrique de Abreu Reis - RA: 2017012127
Tainan Duro Agostini - RA: 2017018828
Itabira, 18 de novembro de 2021
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 O que é um Termopar? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Efeitos termoelétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1 Efeito Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2 Efeito Peltier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.3 Efeito Thomson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Tipos de Termopares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 Termopares Básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 Termopares Nobres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.3 Termopares Especiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Termorresistência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 EXEMPLOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1 Termorresistências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4 CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5 REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
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1 Introdução
Atualmente é essencial a medição de temperatura de inúmeras coisas, sendo que é
impossível imaginarmos como séria a nossa vida sem o termômetro, como saberíamos se
um bolo atingisse a temperatura certa sem queimar? O ponto certo para assar o pão de
queijo, além de outas coisas, por essas e outras aplicações utilizamos termômetros. Neste
relatório abordaremos sobre as principais características dos termopares, que são sensores
de temperatura bastante utilizados no mercado. Ademais, vale ressaltar os físicos: Seebeck
no qual foi responsável pela descoberta do efeito termoelétrico, Peltier que descobriu sua
reversibilidade e Thomson que descobriu a relação entre as teorias e uma pequena falha
na forma de medição.
1.1 Objetivos
• Estudar e apresentar as principais características dos termopares, compreendendo o
principio físico por trás de suas aplicações e principalmente perceber a importância
de tais equipamentos para a indústria.
• Compreender as melhores utilizações para cada tipos de termopares, sendo eles mais
baratos ou com maior precisão e que consigam suportar as condições ambientais onde
serão empregados.
4
2 Fundamentação Teórica
2.1 O que é um Termopar?
Termopares são sensores de temperatura simples e robustos que medem de forma
muito confiável e econômica. Os termopares são amplamente utilizados nos mais diversos
processos de medição de temperatura e consistem em dois metais diferentes conectados
em uma extremidade. Quando há uma diferença de temperatura entre a extremidade de
conexão e a extremidade livre, há uma diferença de potencial que pode ser medida com
um voltímetro. Diferentes tipos de termopares têm diferentes tipos de curvas. Esta é uma
curva que representa a mudança na diferença de potencial com em relação à temperatura.
Figura 1 – Termopar Tipo J
O termopar é o método mais famoso de medição de temperatura porque é o mais
barato e cobre uma faixa de temperatura mais ampla. Uma extremidade de seu conector é
chamada de conector quente e a outra extremidade do dispositivo ou cabo de compressão
ao qual conectamos é chamada de frio conector. A quente quando submetida a uma fonte
de calor faz com que seja gerada uma tensão pequena, na casa dos mili volts, que é
proporcional a sua junta fria, este efeito é chamado de Seebeck.
Existem vários tipos de termopares industriais que permitem medir temperaturas
entre -270 graus ate + 2320 graus Célsius são eles:
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 5
Figura 2 – Tabela de Termopares
2.2 Efeitos termoelétricos
2.2.1 Efeito Seebeck
O Efeito Seebeck, é assim denominado em reconhecimento ao físico estoniano Tho-
mas Johann Seebeck no inicio do século X!X. O efeito Seebeck se produz pelo fato de que
a densidade dos transportadores de carga (elétrons em um metal) difere de um condutor
para outro, sendo dependente da temperatura. O efeito Seebeck pode ser observado na
Figura 3.
Figura 3 – Efeito Seebeck
Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções e
estas são mantidas a diferentes temperaturas, a difusão dos transportadores de carga nas
junções se produz a ritmos diferentes. Tendo origem um movimento dos transportadores
de varga como se fosse impulsionados por um campo não eletrostático.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 6
Atualmente, o efeito Seebeck é muito utilizado para a construção de termômetros
em que se mede diferença de temperatura através de um voltímetro calibrado para este fim.
Entretanto, a maior desvantagem da utilização da geração de energia termelétrica diret, é
a baixa potência, sendo assim, obrigando a contrução de milhares de células termelétrcas
para a obtenção de alguns watts de potência. O efeito Seebeck é devido a dois fenômenos:
difusão de portadres de carga e arrastamento de fônon, tal efeito é considerado o reverso
do efeito Peltier
2.2.2 Efeito Peltier
O Efeito Peltier foi batizado em homenagem ao físico francês Jean Charles Atha-
nase Peltier, que descobriu esse fenômeno em 1834. O Efeito Peltier é a presença de
aquecimento ou resfriamento em uma junção eletrificada de dois condutores diferentes.
Quando uma corrente flui através de uma junção entre dois condutores, o calor pode ser
adicionado ou removido na junção.
O efeito Peltier pode ser verificado experimentalmente usando a seguinte configu-
ração: Figura 4.
Figura 4 – Demonstração do efeito Peltier
Conforme mostrado, dois pedaços de fio de cobre são conectados aos dois terminais
de uma bateria. Essas duas peças são então interligadas com a ajuda de um fio de bismuto,
que completa a configuração.
Observa-se que quando o circuito é fechado, conforme descrito acima, desenvolve-
se o gradiente de temperatura previsto pelo efeito Peltier. Na junção onde a corrente passa
do cobre para o bismuto, a temperatura aumenta, enquanto na junção onde a corrente
passa do bismuto para o cobre, a temperatura cai.
O efeito Peltier ocorre devido ao fato de que a energia média dos elétrons en-
volvidos na transferência da corrente elétrica é diferente para diferentes condutores. É
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 7
dependente de vários fatores, incluindo o espectro de energia dos elétrons, sua concentra-
ção no condutor e seu espalhamento sob a influência da voltagem aplicada.
Na junção de dois condutores diferentes, os elétrons passam de um condutor para
outro. Dependendo da direção do fluxo da carga elétrica, esses elétrons irão transferir seu
excesso de energia para os átomos circundantes ou absorver energia deles. Como tal, no
primeiro, o calor é dissipado, enquanto no segundo, é absorvido.
2.2.3 Efeito Thomson
O efeito Thomson se inspirou numa abordagem teórica de unificação dos efeitos
Seebeck e Peltier e foi previsto teoricamente e subsequentemente observado experimen-
talmente por William Thamson, que se tornou Lord Kelvin, em 1851. O efeito Thomson
descreve a capacidade generalizada de um metal submetido a uma corrente elétrica e um
gradiente de temperatura em absorver energia térmica ou gerar calor. Ele provou que a
relação e tensão elétrica não se comporta de forma linear, por esse motivo usa-se uma
tabela de relação de temperatura para a tensão elétrica e cada tipo de sensor tem-se sua
própria tabela.
Qualquer condutor submetidoa uma corrente elétrica,com exceção de supercondu-
tores, com uma diferença de temperatura em suas extremidades, pode emitir ou absorver
calor, dependendo da diferença de temperatura e da intensidade e direção da corrente elé-
trica. Se uma corrente elétrica de densidade, J,flui por um condutor homogêneo, o calor
produzido por unidade de volume é dado pela Equação 2.1.
𝑞 = 𝜌𝐽2 − 𝜇𝐽 𝑑𝑇
𝑑𝑥
(2.1)
Onde:
- 𝜌 é a resistividade do condutor.
- 𝑑𝑇
𝑑𝑥
é o gradiente de temperatura ao longo do condutor.
- 𝜇 é o coeficiente de Thomson
O primeiro termo 𝜌𝐽2 é simplesmente o aquecimento da Lei de Joule, que não é
reversível. Já o segundo termo é o calor de Thomson, que muda de sinal quando J muda
de direção.
Em metais como zinco e cobre, com o terminal "quente"conectado a um potencial
elétrico maior e o terminal "frio"conectado a um potencial elétrico menor, onde a corrente
elétrica flui do terminal quente para o frio, a corrente elétrica está fluindo de um ponto alto
potencial térmico para um potencial térmico menor. Nessa condição há evolução no calor.
É chamado de efeito positivo de Thomson. Em metais como cobalto, níquel, e ferro, com
o terminal "frio"conectado a um potencial elétrico maior e o terminal "quente"conectado a
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 8
um potencial elétrico menor, onde a corrente elétrica flui do terminal frio para o quente,
a corrente elétrica está fluindo de um ponto baixo potencial térmico para um ponto
de potencial térmico maior. Nessa condição há absorção do calor. É chamado de efeito
negativo de Thomson.
A potência termoelétrica é a relação que expressa a quantidade de milivoltagem,
mV, gerada a cada grau Celsius de variação de temperatura, apresentada na Figura 5. A
expressão matemática que define a potência termoelétrica é 𝑃𝑡 = 𝑚𝑉ř𝐶 .
Figura 5 – Relação tensão elétrica por temperatura
Como a milivoltagem gerada por 1°C de variação é um número muito pequeno e
como a variação da f.e.m. gerada em função da temperatura não é linear, é usual definir-se
a potência termoelétrica média no intervalo de utilização de cada termopar e multiplicar-
se este valor por 100°C. A potência termoelétrica é uma grandeza útil na caracterização
e comparação de termopares.
2.3 Tipos de Termopares
2.3.1 Termopares Básicos
São os termopares de maior uso industrial, cujos fios são de custo relativamente
baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior.
Termopar tipo T (Cobre - Constantan)
-Termoelemento positivo (TP): Cu100%
-Termoelemento negativo (TN): Cu55%Ni45%
-Faixa de utilização: -270°C a 400ºC
-f.e.m produzida: -6,258 mV a 20,872 mV
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 9
Os termopares do tipo T podem ser utilizados em atmosferas inertes, oxidantes
ou redutoras. Possui uma boa precisão devido à grande homogeneidade com que o cobre
pode ser processado. Em temperaturas acima de 300ºC, a oxidação do cobre torna-se
muito intensa, com isso reduz sua vida útil e provoca desvios em sua curva de resposta
original.
Termopar tipo J (Ferro - Constantan)
-Termoelemento positivo (JP): Fe99,5%
-Termoelemento negativo (JN): Cu55%Ni45%
-Faixa de utilização: -210°C a 760ºC
-f.e.m produzida: -8,096 mV a 42,919 mV
Os termopares do tipo J podem ser utilizados em atmosferas neutras, oxidantes
ou redutoras, não é recomendado em atmosferas com alto teor de umidade e em baixas
temperaturas, pois o termoelemento JP torna-se quebradiço. Acima de 540°C o ferro
oxida-se rapidamente. Não é recomendado em atmosferas sulfurosas acima de 500°C.
Termopar tipo E (Cromel - Constantan)
-Termoelemento positivo (EP): Ni90%Cr10%
-Termoelemento negativo (EN): Cu55%Ni45%
-Faixa de utilização: -270°C a 1000ºC
-f.e.m produzida: -9,835 mV a 76,373 mV
Os termopares do tipo E podem ser utilizados em atmosferas oxidantes, inertes
ou vácuo, não devendo ser utilizado em atmosferas alternadamente oxidantes e reduto-
ras. Dentre os termopares usualmente utilizados, o tipo E é o que possui maior potência
termoelétrica, bastante conveniente quando se deseja detectar pequenas variações de tem-
peratura.
Termopar tipo K (Cromel - Alumel)
-Termoelemento positivo (KP): Ni90%Cr10%
-Termoelemento negativo (KN): Ni95%Mn2%Si1%A12%
-Faixa de utilização: -270°C a 1200ºC
-f.e.m produzida: -6,458 mV a 48,838 mV
Os termopares do tipo K podem ser utilizados em atmosferas inertes e oxidantes.
Pela sua alta resistência à oxidação é utilizado em temperaturas superiores a 600°C, e
ocasionalmente em temperaturas abaixo de 0°C. Não deve ser utilizado em atmosferas
redutoras e sulfurosas. Em altas temperaturas e em atmosferas pobres de oxigênio ocorre
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 10
uma difusão do cromo, provocando grandes desvios na curva de resposta do termopar. Este
último efeito é chamado "green - root ". A estabilidade da f.e.m pode ser afetada por um
fenômeno chamado "magnetização", através de gradientes térmicos, tensão mecânica ou
pela não homogeneidade das ligas. A magnetização é atribuída à ordenação/desordenação
da estrutura molecular da liga Cromel (+), isso ocorre com maior frequência na faixa de
200 até 600 ºC. Isso pode ser revertido por meio de tratamento térmico.
Termopar tipo N (Nicrosil - Nisil)
-Termoelemento positivo (NP): Ni84,4%Cr14,2%Si1,4%
-Termoelemento negativo (NN): Ni95,45%Si4,40%Mg015%
-Faixa de utilização: -270°C a 1300ºC
-f.e.m produzida: -4,345 mV a 47,513 mV
Os termopares do tipo S, possuem muitas características semelhantes aos termo-
pares do tipo K, sendo uma evolução dos mesmos, podendo suportar um teor mais alto
de oxidação. Esses tipos de termopares podem substituir as vezes os termopares Nobres,
feitos de platina, reduzindo assim o custo de operação de um certo equipamento, essa
substituição as vezes pode ser feita devido a resistência da temperatura máxima de utili-
zação dos termopares do tipo N, vale a pena ressaltar que esse termopar não sofre o efeito
"green - root ", portanto ele nunca deve ser utilizado em atmosferas sulfurosas. A Figura
6 mostra a diferença entre as curvas de desvio de temperaturas sofridos pelo termopar do
tipo N em comparação com o termopar do tipo K, como uma atmosfera oxidante e uma
temperatura elevada (1000°C).
Figura 6 – Relação dos desvios de temperaturas sofridos à 1000°C, entre o termopar tipo
N e tipo K.
2.3.2 Termopares Nobres
Os Termopares Nobres possuem esse nome pois possuem pares constituídos de pla-
tina, esses termopares apresentam uma maior precisão em comparação com os termopares
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 11
básicos, isso se deve ao fato de possuir uma baixa potência termoelétrica, esses termopares
possuem um custo elevado e exigem a utilização de instrumentos de alta sensibilidade, que
também possuem um alto custo, portanto na indústria a utilização desse tipo de termopar
deve se suceder apenas após um estudo bem específico de onde ele irá operar.
Termopar tipo S
-Termoelemento positivo (SP): Pt90%Rh10%
-Termoelemento negativo (SN): Pt100%
-Faixa de utilização: -50°C a 1768ºC
-f.e.m produzida: -0,236 mV a 18,693 mV
Os termopares do tipo S geralmente são empregados em atmosferas inertes e bas-
tante oxidantes, esse tipo de termopar quando empregado em altas temperaturas consegue
se mantar estável por um longo período de tempo, isso se deve ao fato de ser constituído
quase integralmente por platina, esses termopares devem ser inseridos em tubos de pro-
teção cerâmica, geralmente feito com alumina de alto teor de pureza e nunca em tubos
metálicos.
Termopar tipo R
-Termoelemento positivo (RP): Pt87%Rh13%
-Termoelemento negativo (RN): Pt100%
-Faixa de utilização: -50°C a 1768ºC
-f.e.m produzida: -0,226 mV a 21,101 mV
As caraterísticas do termopar do tipo R são exatamente as mesmas do termopar
do tipo S, possuindo apenas um potencial termoelétrico maior, cerca de 11%, sendo então
mais indicado em alguns casos.
Termopar tipo B
-Termoelemento positivo (BP): Pt70,4%Rh29,6%
-Termoelemento negativo (BN): Pt93,9%Rh6,1%
-Faixa de utilização: 0°C a 1820ºC
-f.e.m produzida: 0,000 mV a13,820 mV
Os termopares do tipo B, são classificados como termopares Nobres e Especias, em
decorrente de suas caraterísticas e especificações, esse termopar é usualmente empregado
em atmosferas oxidantes e até inertes, por um curto período de tempo, a temperatura
ambiente onde esse termopar é empregado geralmente possui uma temperatura igual ou
superior à 1400°C, o termopar do tipo B se comporta melhor nessas condições devido a
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 12
mmenor difusão de ródio em comparação aos demais tipos, vale a pena ressaltar que para
temperaturas baixas a f.e.m gerada por esse termopar é muito pequena, portanto não
deve ser utilizado nessas condições.
2.3.3 Termopares Especiais
Os Termopares Especiais, se diferenciam dos convencionais pois possuem aplica-
ções bem especificas, precisando muitas vezes apresentar menores desvios de leituras em
comparação com os outros termopares, reduzindo assim o erro ao máximo possível, os
tipos dos termopares classificados como especiais são: B, G, C, e D, onde possuem sua
utilidade em ambientes em condições atípicas, podendo suportar temperaturas bem eleva-
das, podendo atingir 2600°C, ressaltando que cada um desses tipos de termopares possuem
gamas e temperaturas de operação distintos.
O termopar do tipo B, é utilizado para fazer a medição de altas temperaturas
entre 300°C até 1800°C, como esse termopar é utilizado nessa faixa de temperatura sua
sensibilidade em comparação com os convencionais é reduzido, assim como sua resolução
de medida, esse tipo de termopar é constituído geralmente por ródio e platina em seu
elemento positivo e apenas de platina como negativo, para o termopar do tipo C a gama
de temperatura que ele atua está entre 20°C à 2300°C e é constituído de Rénio e Tungs-
tênio. Para os demais tipos ainda não existem normas oficiais, mas geralmente são feitos
novamente de Rénio e Tungstênio, tanto o termoelemento positivo quanto o negativo, e
suportam temperaturas ainda mais elevadas.
Portanto os termopares especiais são aqueles fabricados para suprir o que os ter-
mopares convencionais não conseguem ser utilizados, sendo buscando um gama de tem-
peratura de operação maior ou até uma maior precisão de medida.
2.4 Termorresistência
A medição por meio da termorresistência tem um coeficiente positivo de tempera-
tura e ocorre através do principio da agitação térmica nos metais, ou seja, com o aumento
da temperatura, também ocorre o aumento da resistência elétrica da termorresistência.
O principal tipo de termorresistência é o Pt100, que é uma termorresistência feita de fios
de platina encapsulados em um bulbo de cerâmica ou vidro, na qual sua resistência a 0
graus Celsius é equivalente a 100 ohms. Em processos industriais, os sensores Pt100 são
frequentemente os mais utilizados
As principais diferenças entre os termopares e as termorresistências são:
• Termopar
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 13
Figura 7 – Sensor Pt100 para imersão em líquidos
– Baseia-se na tensão
– Maior resistência a temperatura
– Mais econômicos
• Termorresistência
– Baseia-se na resistência
– Maior precisão
– Curva de resistência em função da temperatura mais linear
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3 Exemplos
3.1 Termorresistências
As termorresistências são usados principalmente para refrigeração de alimentos e
compostos químicos, fornos de fusão, destilação fracionada, usinas nucleares e aquecedores
e refrigeradores domésticos.
• Instalação em um processo
As termorresistências pode ser instaladas em imersão ou montados na superfície de
contato.
– Na instalação por imersão todo a parte sensitiva do resistor é colocada em
contato direto com o fluido de que deseja-se obter a temperatura. Por estar em
contato direto com o fluido, essa modalidade de instalação tem maior precisão
de medida. É usada geralmente em aplicações onde as características do fluido
permitem o seu contato com o sensor e onde o recipiente que armazena o fluido
pode ser modificado para receber o sensor.
– Na montagem na superfície o sensor não fica em contato com o fluido, mas sim
com a superfície do duto que o conduz. Por essa razão a qualidade da medição
é reduzida. É usada em aplicações onde o contato direto do fluido com o sensor
provocaria atrito, ou quando não é possível o acesso do sensor na parte interna
do duto.
15
4 Conclusões
O tema desenvolvido proporcionou a ampliação dos conhecimentos adquiridos
nesta disciplina. Buscou-se neste relatório explicar de forma sucinta o que é um termopar
e suas características. Com isso, foi possível perceber as suas aplicações e as variedades
de termopares disponíveis no mercado. Com isso, podemos concluir que se a intenção é
baixo custo e uma medição de temperatura com bastante precisão, é mais indicado o uso
do termopar por permite medir temperaturas entre -270 graus ate + 2320 graus Célsius
e por conter vários modelos que atendam a sua necessidade.
16
5 Referências
BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria
dos Circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson Universidades, 2013.
TIPOS de Termopares. Disponível em: https://www.alutal.com.br/br/wiki/termopares/03-
tipos-de-termopares. Acesso em: 18 nov. 2021.
TEKON, Sondas e Transmissores. 2021. Disponível em: https://www.tekonelectronics.com
/download.php?fd=114l=ptkey =3e2772f56eca6d5f443898d96e3055fd. Acesso em: 18 nov.
2021.
MOTA, Thais. Termopar ou termorresistência?. [S. l.], 2017. Disponível em: https://blog.wika.com.br/know-
how/termopar-ou-termorresistencia/. Acesso em: 18 nov. 2021.
	Sumário
	Introdução
	Objetivos
	Fundamentação Teórica
	O que é um Termopar?
	Efeitos termoelétricos
	Efeito Seebeck
	Efeito Peltier
	Efeito Thomson
	Tipos de Termopares
	Termopares Básicos
	Termopares Nobres
	Termopares Especiais
	Termorresistência
	Exemplos
	Termorresistências
	Conclusões
	Referências