Especificação termopares termoresistências

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CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO 
 
PROF. Antonius Henricus Maria de Knegt. 
METODOLOGIA DE PROJETOS DE AUTOMAÇÃO 
 
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5. ESPECIFICAÇÃO DE TERMOPARES E TERMORESISTÊNCIAS 
 
5.1 Introdução: Os dois sensores de temperatura mais utilizados 
industrialmente são o termopar e a termoresistência. Ambos devem estar 
imersos no ambiente cuja temperatura se deseja medir sendo por isto 
classificados como sensores de contato. Para que a medição seja completada 
devem também atingir a mesma temperatura do meio a ser medido. 
Proporcionalmente a temperatura deste meio, ocorre no sensor uma variação 
na resistência elétrica (termoresistências) ou é gerada uma milivoltagem 
(termopares). Neste capítulo apresenta-se procedimentos para especificação 
de termopares e termoresistências. 
 
5.2 Termopares: Verifica-se na prática, que se conectarmos as extremidades 
de dois condutores de materiais X e Y diferentes, e estas extremidades 
estiverem a temperaturas diferentes T1 > T2, haverá circulação neste circuito 
de uma corrente elétrica. Este fenômeno é conhecido como EFEITO SEEBECK 
(naturalmente derivado do nome de seu descobridor). Um circuito dete tipo é 
denominado par termoelétrico ou simplesmente TERMOPAR. Caso este 
circuito seja aberto num ponto qualquer, aparecerá neste ponto uma força 
eletromotriz. Por convenção, o condutor X é considerado positivo em relação 
ao condutor Y, se a corrente fluir na direção indicada na figura com T1 > T2. 
par termoelétrico - termopar 
Além do efeito Seebeck, dois outros fenômenos também serão observáveis 
caso haja circulação de corrente elétrica no circuito, independentemente desta 
estar sendo gerada externamente ou induzida pelo próprio termopar: 
 EFEITO PELTIER: Calor será absorvido na junção mais quente e calor será 
liberado na junção mais fria. Para tanto, no caso da figura acima a junção p, 
para absorver calor do ambiente em torno dela deverá estar a uma temperatura 
um pouco abaixo deste ambiente. Analogamente, a junção q para liberar calor 
tem de estar a uma temperatura acima do ambiente próximo. 
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 EFEITO THOMSON: Este efeito se refere à liberação ou absorção de calor 
que ocorre quando uma corrente elétrica atravessa um condutor homogêneo 
que está submetido a um gradiente de temperatura: Calor será liberado, ao 
longo do condutor, sempre que o sentido da corrente for o mesmo que o 
sentido do gradiente de temperatura, e calor será absorvido, ao longo do 
condutor quando os sentidos de corrente e gradiente forem opostos. 
Na verdade, os fenômenos de liberação e absorção de calor dos efeitos Peltier 
e Thomson são sustentados por respectivamente uma tensão de Peltier e uma 
tensão de Thomson, as quais superpostas, compõe a tensão de Seebeck. 
Finalmente, é necessário citar ainda um outro fenômeno termoelétrico que 
ocorre sempre que uma corrente elétrica atravessa um condutor que é o efeito 
Joule. 
5.2.1 Potência termoelétrica: Para um determinado par termoelétrico A,B 
submetido a uma pequena diferença de temperatura teremos: dEs = A,B dT, 
onde o coeficiente de proporcionalidade A,B (coeficiente de Seebeck) é 
também chamado de Potência termoelétrica. A potência termoelétrica é o valor 
da inclinação da curva numa dada temperatura (veja figura). Quanto maior a 
potência termoelétrica de um termopar, dentro de uma faixa estreita de 
temperatura, maior será a variação de sua FEM, correspondente a uma 
variação de temperatura T. 
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5.2.2 Recomendações para instalação de termopares: Para obter uma boa 
medição é necessário que a junta de medição esteja bem no meio do ambiente 
cuja temperatura se deseja medir. O comprimento mínimo recomendado, para 
minimizar erros causados pela condução de calor ao longo da proteção, é de 
dez vezes o diâmetro externo do tubo ou poço de proteção do termopar (ver 
figura). Recomenda-se também uma distância mínima de 100 mm do cabeçote 
a parede do processo, para que a temperatura máxima de utilização dos 
fios/cabos de compensação ou extensão não seja excedida. 
 
 
 
5.3 Termoresistências: A resistência elétrica de vários materiais muda com a 
temperatura de forma repetitiva, formando a base da medição resistiva de 
temperatura. Os materiais hoje empregados com esta finalidade caem em duas 
classes principais: condutores (metais) e semicondutores. Os resistores 
metálicos foram empregados primeiro e por isto são comumente chamados de 
termoresistores. Mais recentemente a terminologia “Resistance Temperature 
Detectors” (RTD) vem sendo utilizada. Ao segundo tipo de material empregado, 
o semicondutor, dá-se a denominação genérica “Termistor”. 
 
5.3.1 Construção física do sensor: Um fio de platina ou níquel é enrolado de 
maneira helicoidal e encapsulado dentro de um bulbo cerâmico. Outro método 
consiste em depositar um filme fino de platina sobre o isolador (ver figura). 
 
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Construção física dos termoresistores. 
 
 
 
5.3.2 Tempo de resposta das termoresistências: Para completar a medição 
com termoresistores é necessário que o sensor atinja a mesma temperatura 
que o processo. Para tanto, o calor do processo têm passar através do tubo de 
proteção, da isolação mineral ou do ar que preenche o tubo para em seguida 
aquecer o bulbo cerâmico que contém o resistor. Todo este conjunto pode ser 
aproximado por um sistema de 1a ordem. A figura a seguir apresenta os 
diferentes tempos de resposta em função do diâmetro do bulbo. Quanto menor 
este diâmetro mais rápida será a resposta do sensor, uma vez que menor será 
sua capacitância térmica. 
 
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Tempo de resposta de uma termoresistência com isolação mineral. 
 
 
 
 
 
 
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5.4 Critérios para especificação de termopar ou termoresistência: 
5.4.1 Escolha entre termopar ou termoresistência: 
As termoresistências podem ser empregadas para medir temperaturas de -200º 
C até 650º C. Nesta faixa, apesar das desvantagens de custo, fragilidade e 
tempo de resposta, em princípio, elas devem ser escolhidas devido as 
vantagens que apresentam conforme tabela abaixo. Para temperaturas acima 
de 650oC escolhe-se o termopar. 
 
Vantagens/desvantagens termopares × termoresistências 
 
TERMORESISTÊNCIAS 
VANTAGENS 
TERMORESISTÊNCIAS 
DESVANTAGENS 
Possuem maior precisão dentro da faixa 
de utilização do que os termopares. 
São mais caras do que os termopares 
na mesma faixa de temperatura. 
Tem características de estabilidade e 
repetibilidade melhores do que os 
Termopares. 
Range de temperatura menor do que os 
termopares. 
Com ligação adequada, não existe 
limitação para distância de operação 
 
Deterioram-se com mais facilidade, 
caso a temperatura ultrapasse o valor 
máximo de utilização. 
Dispensa o uso de fios e cabos de 
extensão e compensação para ligação. 
Emprega para isto condutores de 
comuns de cobre. 
É necessário que todo o corpo do bulbo 
esteja com a temperatura estabilizada 
para medição correta. 
Curva resistência temperatura mais 
linear. 
 
Tempo de resposta maior do que os 
termopares. 
Menos influenciada por ruídos elétricos. 
 
Mais frágil mecanicamente. 
 
 
 
5.4.2 Caso seja escolhido um termopar: Então o passo seguinte é definir 
qual é o tipo do termopar. Existem diversos tipos de termopares para diferentes 
faixas de temperaturas e diferentes atmosferas (oxidantes ou redutoras). A 
tabela a seguir relaciona os termopares com faixa de temperatura, aplicações e 
restrições de uso. 
 
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Tipo 
 
 
Materiais do par 
 
Faixa de 
temperatura 
 
 
Aplicações 
 
Restrições 
 
 
T 
 
 
 
Cobre (+) 
Constantan(-) 
 
 
 
 
-184 a 370
o
C 
 
a) Resiste a atmosfera corrosiva. 
 
b) Aplicável em atmosfera 
redutora ou oxidante abaixo de 
310oC. 
 
c) Estável em temperaturas abaixo 
de 0
o
C. 
 
a) Oxidação do cobre acima de 
310
o
C. 
 
J 
 
Ferro(+) 
Constantan(-) 
 
0 a 760
o
C 
 
a) Baixo custo. 
 
b) Indicado para atmosferas 
neutras ou redutoras 
 
a) Utilizar tubo de proteção acima 
de 480
o
C. 
 
 
E 
 
 
Chromel(+) 
Constantan(-) 
 
0 a 870
o
C 
 
a) Alta potência termoelétrica. 
 
b) Alta resistência a corrosão. 
 
c) Pode ser utilizado em atmosfera 
oxidante. 
 
a) Baixa estabilidade em 
atmosfera redutora. 
 
K 
 
Chromel(+) 
Alumel(-) 
 
0 a 1260
o
C 
 
a) Indicado para atmosfera 
oxidante. 
 
b) Para temperaturas mais 
elevadas tem maior rigidez 
mecânica que os tipos S ou R e 
vida mais longa que o J. 
 
a) Vulnerável em atmosferas 
redutoras, sulfurosas como SO2 e 
H2S, requerendo substancial 
proteção nestas condições. 
 
 S 
 
Platina10%Rhodio(+) 
Platina(-) 
 
 
 
 
 
0 a 1480
o
C 
 
 
a) Indicado para atmosfera 
oxidante. 
 
b) Apresenta boa precisão a altas 
temperaturas. 
 
a) Vulnerável à contaminação em 
atmosferas que não sejam 
oxidantes. 
 
b) Para altas temperatura utilizar 
isoladores e tubos de proteção de 
alumina. 
 
 R 
 
Platina13%Rhodio(+) 
Platina(-) 
 
 
 
 
 
 B 
 
 
 
 
 
Platina30%Rhodio(+) 
Platina6%Rhodio(-) 
 
 
 
 
 
 
 
870 a 1705º C 
 
a) Melhor estabilidade do que os 
tipos S ou R. 
 
b) Melhor resistência mecânica. 
 
c) Mais adequado para altas 
temperaturas do que os tipos S ou 
R 
 
d) Não necessita de compensação 
para junta de referência se a 
temperatura de seus terminais não 
exceder 50
o
C. 
 
 
 
a) Vulnerável à contaminação em 
atmosferas que não sejam 
oxidantes. 
 
b) Utilizar isoladores e tubos de 
proteção de alumina. 
 
Para a escolha do tipo de termopar também deve ser considerada a precisão 
requerida para a medição e obviamente, o custo. Existem duas classes de 
precisão para os termopares: a classe Standard que é a mais utilizada e a 
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classe Especial. Os termopares da classe especial são fornecidos na forma de 
pares com grau de pureza das ligas maiores que a Standard. Além disto, há 
também um trabalho laboratorial para descobrir num lote de fios, aqueles que 
melhor se adaptam (casam entre si), conseguindo assim uma melhor precisão 
na medição de temperatura. 
Portanto, as opções são: 
Classe 2 ou 3 (Standard): É o termopar padrão do fabricante, sendo o 3 um 
pouco mais barato que o 2. 
Classe 1 (Especial): Opção bem mais cara. Só deve ser empregado se for 
realmente necessário. 
A tabela a seguir mostra os limites de erro para cada faixa de utilização de 
diversos termopares. Como pode ser visto, pode-se especificar um termopar 
classe 1 especial quando uma melhor precisão for necessária. Naturalmente 
tais termopares têm custo mais elevado. Veja também que a precisão varia em 
função da faixa de utilização. 
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Ainda com relação à tabela, observe que a precisão melhora da esquerda para 
a direita e os termopares mais caros, que são aqueles que contem platina (S, 
R, e B) estão na parte de baixo da tabela. Então, em geral pode se considerar 
que o custo aumenta da direita para a esquerda e de cima para baixo. No 
entanto, o mais barato é o tipo J. 
 
5.4.3 Caso seja escolhido uma termoresistência: Existem sensores de cobre 
ou níquel, mas em aplicações industriais o mais utilizado é o de platina. Então, 
em geral isto significa empregar um termoresistor de platina 100Ω a 0oC. Como 
os termopares, também as termoresistências podem apresentar maior ou 
menor precisão dependendo de sua classe de fabricação. A figura a seguir 
mostra o erro em graus em função da temperatura para termoresistores de 
platina, classe A e classe B. 
 
5.4.4 Exemplos de especificação: 
Exemplo 1: Seja especificar um sensor de temperatura para a faixa 400 a 700º 
C com uma precisão de ±1,0%. 
A faixa de temperatura está ligeiramente acima do limite máximo das 
termoresistências (650º C). Então vamos escolher um termopar. 
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Verificando na tabela, os tipos E, J, K ou N atendem a faixa de temperatura e a 
precisão requerida. 
Neste caso escolhe-se o tipo J por ser o mais barato. 
Portanto: Termopar tipo J classe 2 Standard. 
 
Exemplo 2: Escolha um sensor de temperatura para a faixa 700 a 1200º C com 
precisão requerida de ±4º C. 
Quatro graus em 1200 corresponde a: 4/1200×100%= 0,33% 
Pela faixa de temperatura: K classe 2, S/R e B atendem. 
Tipo K não atende a precisão, S/R classe 2 ou B classe 2 atendem. 
Com relação a preço os três contém platina. A escolha seria então tipo S ou R 
classe 2 porque possuem potência termoelétrica maior que o B. 
Logo: Termopar tipo S classe 2 Standard. 
 
Exemplo 3: Escolha um sensor de temperatura para a faixa 100 a 300º C com 
precisão requerida de ±2,5%. 
Pela faixa: termoresistência. 
Quanto a precisão: 
0,025×100 = 2,5º C 
0,025×300 = 7,5º C 
Consultando o gráfico “termoresistências limites de erro”: 
Classe B atende facilmente ( 0,8º C para 100 e 1,8º C para 300). 
Portanto: Termoresistor de platina (Pt 100) Classe B.