Relatorio calibracao de termopar

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REFERÊNCIAS
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS – UFMG
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
LABORATÓRIO DE TÉRMICA
Prof.: Matheus Pereira Porto 
CALIBRAÇÃO DE TERMOPAR
Darah Cristine Macedo de Souza
Lucca Carvalho Dias de Abreu 
Maria Eduarda Alves Santos 
Vinícius Marcelo Martins Dada
Vitória Raisa de Oliveira Ferreira
BELO HORIZONTE
MARÇO/2023
Sumário
1. INTRODUÇÃO	3
2. OBJETIVO	3
3. REFERENCIAL TEÓRICO	4
3.1. ESCALA DE TEMPERATURA	4
3.2 MEDIÇÃO TERMOELÉTRICA DE TEMPERATURA	4
3.3 LEIS FUNDAMENTAIS DOS TERMOPARES	4
3.4 TIPOS DE TERMOPARES	4
3.5 CALIBRAÇÃO DE TERMOPAR	5
3.6 EFEITO SEEBECK	5
3.7 ERROS E INCERTEZAS	6
4. MATERIAIS E MÉTODOS	7
5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL	8
5.1 Preparação	8
5.2 Experimento	9
6. RESULTADOS E DISCUSSÕES	9
7. CONCLUSÃO	11
8. CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO	12
1. INTRODUÇÃO
Termopares são instrumentos muito utilizados para medir a temperatura de maneira mais precisa nas indústrias e centro de pesquisas. Esses são de fácil utilização por sua facilidade de leitura, que se baseia em uma diferença de potencial. Outro ponto positivo se dá pela sua extensa faixa de medição de temperaturas tendo modelos que podem ler de -200 °C a 1700°C. Além de seu baixo custo e boa confiabilidade.
Os termopares possuem diversos tipos e formatos, e devem ter sua característica levada em conta a cada aplicação. Essas diferenças, se baseiam no tipo de liga dos materiais que constituem o instrumento e na sua construção física. 
Para garantir que as medições estejam sempre corretas é necessário que o instrumento esteja calibrado. Essa calibração pode ser realizada de maneiras diferentes. Uma delas é a calibração por comparação, com a utilização de uma termorresistência, também calibrada. Onde se conhece a temperatura do forno em que o equipamento será inserido e uma temperatura de referência a qual está ligada a termorresistência. 
2. OBJETIVO
2
OBJETIVO
O seguinte relatório tem como objetivo estudar e entender o funcionamento do termopar, compreendendo a sua calibração, conceitos, plotar e analisar os dados obtidos experimentalmente, comparar os resultados com o certificado da empresa Ecil, além da emissão de um certificado de calibração.
3. REFERENCIAL TEÓRICO
Inicialmente, neste tópico, será realizado um estudo teórico a respeito do funcionamento de termopares, como é realizada a sua calibração, além dos tipos de erros que podem estar associados à medição e norma referente àquele procedimento para que, assim, haja confiabilidade nos resultados da medição.
3.1. ESCALA DE TEMPERATURA
As escalas de temperatura são estabelecidas com base em zeros absolutos, que são o ponto de partida para a definição das mesmas. A partir dessa medida, são estabelecidos pontos fixos de temperatura. São definidos métodos de interpolação,de acordo com a Escala Internacional de Temperatura (ITS-90) que padroniza os procedimentos e metodologias utilizadas. Existem três escalas de temperatura comuns: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. A escala Celsius usa os pontos de congelamento e ebulição da água como referência, com 0°C e 100°C, respectivamente. A escala Fahrenheit também usa esses pontos, mas com 32°F e 212°F, respectivamente. Já a escala Kelvin é baseada no zero absoluto, onde 0 K é igual a -273,15°C, usando a teoria cinética dos gases. Cada escala é usada em diferentes áreas de estudo e as conversões entre elas são possíveis por meio de equações matemáticas simples. 
3.2 MEDIÇÃO TERMOELÉTRICA DE TEMPERATURA 
A medição termoelétrica de temperatura utiliza o efeito Seebeck, que é gerado pela diferença de temperatura entre dois metais diferentes, para medir a temperatura. Esse efeito é aplicado em termopares, que são compostos por dois fios de metais diferentes conectados em uma junta de medição. A mudança de temperatura na junta gera uma tensão elétrica que pode ser convertida em uma leitura de temperatura. A precisão da medição depende da escolha dos metais do termopar, bem como das condições de uso, como estabilidade térmica e calibração adequada.
3.3 LEIS FUNDAMENTAIS DOS TERMOPARES 
Existem três leis fundamentais dos termopares, sendo duas de maior relevância para este estudo: a Lei dos Metais Intermediários e a Lei dos Metais Homogêneos. A Lei dos Metais Intermediários estabelece que, se dois metais diferentes são conectados em série com um terceiro metal diferente, a tensão elétrica gerada em cada junta será igual à soma das tensões geradas em cada junta individual. Já a Lei dos Metais Homogêneos afirma que, se dois fios do mesmo material são conectados em série, a tensão elétrica gerada será zero, independentemente da temperatura.
3.4 TIPOS DE TERMOPARES
Existem vários tipos de termopares feitos de diferentes pares de metais, escolhidos de acordo com as condições de medição. Os tipos mais comuns são o K (Cromel e Alumel) e J (Ferro e Constantan). Outros tipos, como R e S, são usados em alta temperatura e T em baixa temperatura, no qual foi utilizado no experimento.
3.5 CALIBRAÇÃO DE TERMOPAR
A calibração de termopares é o processo de ajuste do instrumento para garantir que as leituras correspondam aos valores reais de temperatura. Isso é feito comparando as leituras do termopar com um padrão de referência conhecido em diferentes pontos de temperatura. A calibração deve ser realizada periodicamente para garantir que as leituras permaneçam precisas ao longo do tempo.
Figura 1 –Esquema de montagem para a calibração do termopar
Fonte: Norma NBR 13770:19
3.6 EFEITO SEEBECK
O efeito seebeck descreve o surgimento de uma diferença de potencial entre junções de condutores ou semicondutores de quando submetidas a diferentes temperaturas. O efeito se forma porque as densidades dos elétrons em um metal se distinguem em metais diferentes e essa depende da temperatura. Ao se criar duas junções em dois condutores e submetê-los a diferentes temperaturas cria-se também um transporte de cargas que acontece em ritmos diferentes. A integral de curva desse campo termoelétrico é a Força Eletromotriz Térmica de Seebeck. Esse efeito é a base do funcionamento de um termopar
Figura 2 –Efeito SEEBECK
Coeficiente do efeito seebeck em função da temperatura para cada tipo de termopar. 
Figura 3 –Coeficiente Seebeck x temperatura
3.7 ERROS E INCERTEZAS
Alguns erros podem estar associados à calibração de termopares, como a incerteza na informação da temperatura do pelo próprio sensor. De acordo com VIM (2009), um erro de medição nada mais é do que a diferença entre o valor medido de uma grandeza e um valor de referência. Nesse sentido, quanto menor for o erro de medição, maior será a sua exatidão.
Os erros podem ser classificados em três tipos dependendo do comportamento, sendo:
· Erro sistemático: provocado por uma grandeza de influência, podendo ser corrigido, desde que sua fonte seja detectada. Contudo, sua correção não é perfeita e sempre haverá uma dúvida. (Erros de inserção, aquecimento ou resfriamento de junções, erros de plugs e fios de extensão, desconhecimento dos materiais ou variações nos materiais durante as medições, efeitos de campo magnético, erro de corrente galvânica, dentre outros). 
· Erro aleatório: não pode ser previsto e, portanto, não pode ser corrigido. Constitui a causa principal de variações em observações repetidas. É possível minimizar seus efeitos aumentando o número de leituras. ( Imprecisão de leituras e variações nas condições do ambiente)
· Erro grosseiro: é imprevisível. Embora possa alterar significativamente os resultados finais, é facilmente detectado e corrigido (para fins deste estudo serão considerados nulos). 
Em contrapartida, temos a incerteza, que é um parâmetro associado ao resultado de uma medição. Ao contrário do erro, que pode até ser corrigido, a incerteza é um intervalo de confiança das medidas. De acordo com a NBR 13770 a incerteza da calibração é expressa por:
onde:
 a são as incertezas de cada uma das fontes de erros conhecidas e quantificadas. 
Um exemplo prático seria analisar a temperatura de referência, que no caso utilizadopelo grupo foi banho de gelo a 0 graus celsius. Caso essa temperatura não seja atingida, deverá ser considerado erros durante a medição. Na tabela 1 do Anexo A, podem ser verificadas as incertezas associadas a cada tipo de termopar.
4. MATERIAIS E MÉTODOS
Os materiais utilizados para o experimento foram: 
· Termopar Ecil tipo T
· Termorresistência tipo Pt-100 a 4 fios
· Keysight 34970A 
· Gelo
· Triturador de gelo
· Forno de calibração Ecil BT
Figura 4 – Fotos dos materiais utilizados durante e experimento
A calibração do termopar foi efetuada conforme a norma NBR 137730:1997, o qual descreve que inicialmente é necessário promover ao ambiente a mesma temperatura na junção de medição do termopar de ensaio e no bulbo sensor da termorresistência de referência, de modo que não ocorram interferências térmicas durante a operação dos equipamentos. O meio térmico utilizado para este experimento foi um forno com faixa de temperatura de -55 a 140 ºC. Posteriormente, é preciso tornar a temperatura da junção de referência conhecida, dessa forma foi utilizada a temperatura de fusão da água, 0ºC, colocando o termopar num cooler contendo gelo triturado com água destilada. Em seguida, foram feitas as ligações entre o termopar e a termoresistência com a unidade de aquisição de dados, conforme figura 5.
Figura 5 – Montagem
O termopar é ligado ao Keysight 34970A e inserido no forno, após isso é necessário aguardar a estabilização da temperatura para iniciar a aquisição dos seguintes dados:
· Diferença de potencial do termopar
· Resistência da termoresistência
· Temperatura do termopar
5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O experimento foi dividido entre as etapas de preparação e coleta de dados.
5.1 Preparação
Na preparação, todo o layout do experimento foi montado. A termorresistência foi ligada em dois canais, CH8 e CH16, enquanto o termopar foi ligado no canal CH1. Para que o termopar pudesse ser manipulado de forma eficiente entre as interfaces de teste, dois fios de extensão foram conectados a ele, entre seus terminais e os terminais do equipamento de medição.
Figura 6 - Conexão no aquisitor de dados.
Paralelamente, o gelo foi fabricado através de água destilada por um aparelho próprio para fragmentação de grandes pedras de gelo, sendo moído e triturado por ela. Assim, criando o ambiente controlado ideal para o equilíbrio térmico do início do teste. O forno foi ligado e configurado para a temperatura inicial de teste.
5.2 Experimento
Como objetivo inicial, buscava-se a obtenção de pelo menos 5 pontos de medição. Tanto o termopar quanto a termorresistência seriam colocados em cada uma destas temperaturas, para comparação. Com o início do experimento, foi observada a dificuldade de alteração da temperatura do forno, o que impossibilitou a realização de mais de quatro medições. 
A primeira medição foi realizada no forno a uma temperatura de 100°C. O termopar e a termorresistência foram inseridos em banho de óleo agitado dentro do forno. Para alterar a temperatura do meio, um botão no painel do equipamento foi usado. Após um período de estabilização térmica, com a leitura dos sensores estáveis, os valores medidos pelos canais citados anteriormente foram documentados. Este procedimento foi repetido para as temperaturas de 110°C, 120°C e 130°C. 
A temperatura ambiente onde foi executado o procedimento foi de aproximadamente 26,0 ºC com umidade de 67,3%.
Dados obtidos por meio do experimento:
	Medição
	Temperatura do Forno (°C )
	DDP (mVDC)
	Resistência do Termopar (Ohm)
	Temperatura indicada no sensor (°C )
	Temperatura ITS-90 (°C)
	1
	100 
	-4,225
	139,22
	103,1
	96,84
	2
	110 
	-4,636
	142,67
	102,2
	105,58
	3
	120
	-5,099
	146,52
	101,3
	115,88
	4
	130 
	-5,574
	150,20
	100,5
	125,55
6. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
A partir dos dados obtidos, foi possível plotar o gráfico de diferença de potencial em função da temperatura e obter a curva do sistema, do tipo y=ax +b , e utilizando a equação , é possível encontrar o valor da temperatura de referência. 
Figura 7 - Gráfico da diferença de potencial (d.d.p) em função da temperatura do termopar tipo T.
A equação é dada por:
Sendo assim, a temperatura de referência no primeiro ponto de calibração seria de -0,39 º C, próximo do esperado para o banho de gelo, que deveria estar a 0 graus, valor aceitável dadas as circunstâncias do experimento. 
A incerteza pode ser calculada por: 
= 
Portanto, a temperatura obtida pela curva, para o estado inicial do banho de gelo é de 
Em termos de diferença de potencial, é possível perceber um comportamento diferente do esperado para a curva, dado que os valores se tornam cada vez mais negativos, ao invés de positivos. Isso ocorreu devido a um erro na montagem da termorresistência, que teve seus polos invertidos na conexão do CH16. Dessa maneira, a leitura de temperatura da junta de medição exibida pelo equipamento não resultou em valores lógicos, uma vez que conforme aumentamos a temperatura do óleo, os valores só diminuíram. 
A figura a seguir apresenta os resultados contidos no certificado da empresa Ecil, no qual podemos comparar os resultados em termos de resistência. 
Figura 8 - Valores tabelados do termopar tipo T (Ecil Temperatura Industrial) 
Os resultados de resistência obtidos no experimento se aproximam dos valores correspondentes aos mesmos pontos de calibração da empresa Ecil, o que traz maior confiabilidade nos dados. 
O procedimento ideal seria, além de realizar diversas medições para a mesma temperatura e extrair dados estatísticos como desvio padrão, média e repetitividade, mensurar uma outra temperatura conhecida, diferente dos pontos de calibração e utilizar a equação obtida e comparar seu resultado com o termômetro. No entanto, devido ao tempo disponível no laboratório, tal procedimento não foi possível. 
É importante ressaltar, também, que foram observadas impurezas no recipiente em que foi realizado o banho de gelo, o que pode ter afetado os resultados. Além de que os fios idealmente não devem encostar nas pedras de gelo e nem se encostar. Outro ponto a ser destacado é de que a sala do experimento estava com cerca de 12 pessoas, descontrolando ainda mais o ambiente. 
7. CONCLUSÃO 
É possível concluir com a realização deste experimento que o procedimento de calibração de um termopar é sensível a variáveis externas, o que exige um controle muito rigoroso de todos os equipamentos que são utilizados no processo. Foram observadas diferenças consideráveis em relação à calibração realizada pelo laboratório ECIL, e elas se atribuem aos fatores ambientais que interferem no resultado.
Outro ponto a ser levado em consideração é o tempo de calibração e a familiaridade com o processo. Para a obtenção de resultados confiáveis se faz necessário conhecer profundamente a operação da interface de registro de dados. Dessa maneira, ela pode ser aproveitada em sua totalidade, com o tempo adequado para realização deste tipo de calibração sendo respeitado.
8. CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO
Solicitante: Matheus Porto
Certificado: n°1 
Objeto da Calibração: Termopar tipo T
Fabricante: ECIL Modelo: tipo T n° de Série: 340210
Ident. Cliente: 11959/2022
Instrumento utilizado para a Calibração: 
Termorresistência tipo Pt-100 a 4 fios
Fabricante: ECIL Modelo: - x- x n° de Série: 340210
Comprimento: 320 mm Diâmetro: 6 mm Ident. Cliente: 10533/21
 Demais instrumentos:
· Keysight 34970A 
· Gelo
· Triturador de gelo
· Forno de calibração Ecil BT
Procedimento de calibração: 
A calibração do termopar foi efetuada conforme a norma NBR 137730:1997, de forma que inicialmente é necessário levar ao ambiente a mesma temperatura na junção de medição do termopar de ensaio e no bulbo sensor da termorresistência de referência, de modo que não ocorram interferências térmicas durante a operação dos equipamentos. O meio térmico utilizado para este experimento foi um forno com faixa de temperatura de -55 a 140 ºC. Posteriormente, é precisotornar a temperatura da junção de referência conhecida, dessa forma foi utilizada a temperatura de fusão da água, 0ºC, colocando o termopar num cooler contendo gelo triturado com água destilada. Em seguida, foram feitas as ligações entre o termopar e a termoresistência com a unidade de aquisição de dados. As temperaturas aferidas, estão nas faixas de 100 à 130°C 
As condições ambientais observadas foram: Temperatura: 26,0°C e Umidade 67,3%.
Data da emissão: 27/03/2023 Data da Calibração: 20/03/2023
Resultados da Calibração:
	Profundidade de imersão [mm]
	Padrão
	Vr [°C]
	Vs [μV]
	Erro [°C]
	U [°C]
	Fator K
	Veff
	42
	340210
	100
	4225
	-3,16
	0,5
	2
	∞
	42
	340210
	110
	4636
	-4,42
	0,5
	2
	∞
	42
	340210
	120
	5099
	-4,12
	0,5
	2
	∞
	42
	340210
	130
	5574
	-4,45
	0,6
	2
	∞
3
REFERENCIAL TEÓRICO
REFERÊNCIAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 13770 Termopar- Calibração por comparação com termorresistência de referência. Copyright ©, 1997. 
ALBERTAZZI, A. G. Jr.; SOUSA, A. R. Fundamentos de metrologia científica e industrial. Editora Manole: 2º edição - Barueri, SP. 2018.
FIGLIOLA, R. S; BEASLEY, E. D. Teoria e Projeto para Medições Mecânicas. Editora LTC. Rio de Janeiro, RJ