LPI Termopar

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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNA CAMPUS AIMORÉS
LABORATÓRIO DE PRÁTICAS INTEGRADAS - LPI ENGENHARIAS
CONSTRUÇÃO DE TERMOPAR
AUTORES:
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Átila Vítor
Jennifer Martins de Souza
Karine Cristina Rosa
Pedro Brandão
TURMA: ECV1BN-AIA
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Autores:
 Átila Vítor
 Jennifer Martins de Souza
 Karine Cristina Rosa
 Pedro Henrique Brandão
TURMA: ECV1BN-AIA
CONSTRUÇÃO DO TERMOPAR
Trabalho de pesquisa apresentado à disciplina Laboratório de práticas integradas, curso de Engenharias, com o objetivo de identificar na prática, o funcionamento e componentes de um termopar.
Instrutora: Elisete Lopez da Cunha
BELO HORZONTE – MG – 2/2019
Introdução
Termopares são sensores de temperatura simples, robustos e de baixo custo, amplamente utilizado nos mais diversos tipos de medição de temperatura. É um equipamento constituído por dois condutores metálicos unidos por uma de suas extremidades e a outra extremidade ligadas a algum dispositivo que possa mapear os dados e convertê-los em números, formando assim um circuito fechado, que por sua vez, quando submetido a variações de temperatura, irá gerar uma diferença de potencial, ou seja, uma tensão.
 Um termopar é também conhecido por sua versatilidade como sensor de temperatura. Normalmente são utilizados em uma ampla gama de aplicações - desde um termopar de uso industrial à um termopar regularmente encontrado em utilitários e aparelhos regulares. Devido à sua vasta gama de modelos e especificações técnicas, é extremamente importante entender a sua estrutura básica e funcionamento, para melhor determinar qual é o tipo certo de material para sua aplicação.
 O princípio termoelétrico dos termopares deriva de uma propriedade física dos condutores metálicos submetidos a um gradiente térmico em suas extremidades: a extremidade mais quente faz com que os elétrons dessa região tenham maior energia cinética e se acumulem no lado mais frio, gerando uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades do condutor na ordem de alguns Milivolts.
BELO HORZONTE – MG – 2/2019
Objetivo
O objetivo da atividade proposta é a construção de um termopar de forma caseira, com utilização de chapas ou fios metálicos, uma bússola e uma fonte térmica, baseado nas informações dadas no laboratório, somos capazes de desenvolver toda a estrutura do equipamento, realizar os testes práticos e realizar uma análise crítica dos resultados apresentados, o conteúdo deste relatório tem como objetivo de documentar todo o processo de construção, testes e reações causadas durante o experimento, afim de desenvolver a dinâmica em grupo, o pensamento crítico e analítico com a apresentação dos resultados de forma clara e objetiva.
FUNCIONAMENTO DE UM TERMOPAR
 Uma das extremidades de suas junções chamamos de junta quente e a outra extremidade onde ligamos os aparelhos ou cabos de compressão é chamada de junta fria. A junta quente quando submetida a uma fonte de calor faz com que seja gerada uma tensão pequena, na casa dos milivolts, que é proporcional a sua junta fria, este efeito é chamado de Seebeck.
Esta possibilidade de medição de temperatura foi descoberta acidentalmente utilizando a junção de dois tipos de metais diferentes, gerando uma tensão eléctrica em função da temperatura pelo físico Thomas Seebeck no ano de 1822.
Mas não é qualquer metal que provoca um efeito perceptivo, algumas ligas são adotadas pelo sistema internacional devido sua confiabilidade e precisão na mudança de tensão em relação a mudança de temperatura.
Existem vários tipos de termopares industriais que permitem medir diversas temperaturas, no quadro abaixo citamos alguns que medem entre -180 °C e + 1705 °C com uma precisão de medição que varia de 0,5 °C a 2,0 °C, dependendo do termopar.
Além disso, o indicador mínimo e máximo de medição de temperatura de cada termopar, pode variar de acordo com a bitola do fio metálico utilizado, fazendo assim uma relação entre bitola / temperatura; quanto menor a bitola do material, menor será o índice máximo de temperatura que o equipamento será capaz de medir e vice versa, conforme indicado na figura abaixo.
 
Abaixo listamos as aplicações para alguns tipos de termopares;
TIPO T
Podem ser utilizadas em atmosferas oxidantes (excesso de oxigênio), redutoras (rico em hidrogênio, monóxido de carbono), inertes (neutras) e vácuo. É resistente a corrosão em atmosfera úmida e adequada para medição abaixo de zero °C. Em temperaturas acima de 310°C o cobre começa a se oxidar e próximo 400°C oxida-se rapidamente.
Aplicações: Indústria de refrigeração, ar condicionado, criometria (baixas temperaturas), pesquisas agronômicas e ambientais, química e petroquímica.
TIPO J
Podem ser utilizados em atmosferas inertes, oxidantes, redutoras ou vácuo, com
baixo custo relativo sendo por este motivo, um dos mais utilizados industrialmente. Com dificuldade de obtenção do ferro com alto teor de pureza, possui baixa homogeneidade. Indicado para serviços contínuos até 760°C em atmosfera neutra ou redutora. Limite máximo de utilização em atmosfera oxidante de 760°C, devido à rápida oxidação.
Utilizar tubo de proteção acima de 480 °C. Pode ser utilizado ocasionalmente para temperaturas abaixo de zero °C, porém, com a possível oxidação ou quebra do ferro sob esta condição o torna inadequado.
Aplicação: Centrais de energia, metalúrgica, química, petroquímica, indústria em geral.
TIPO E
Podem ser utilizados em atmosferas a vácuo, inertes ou oxidantes. Vulnerável a atmosferas redutoras. Possui a maior potencial termoelétrico dentre os termopares mais utilizados. Em temperaturas abaixo de 0 °C os fios não sofrem corrosão, podendo ser usados nestas condições, desde que não sejam expostos a atmosferas úmidas que atacam os condutores.
Aplicação: Química e petroquímica.
TIPO K
Podem ser utilizados em atmosferas inertes e oxidantes. É mais resistente mecanicamente do que os tipos “S” e “R”, além de ter uma vida útil superior ao tipo “J”, em altas temperaturas (entre 800 °C e 1200 °C). Vulnerável em atmosferas redutoras e sulfurosas, requerendo substancial proteção quando aplicados nestas condições. Sua mais importante aplicação ocorre na faixa de 700 °C a 1260 °C. Pode ser aplicado ocasionalmente em temperaturas abaixo de zero °C.
Aplicação: Metalúrgica, siderúrgica, fundição, usina de cimento e cal, vidro, cerâmica e indústrias em geral.
TIPO S (Nobre)
Podem ser utilizados em atmosferas inertes e oxidantes. Apresentam boa precisão em altas temperaturas. Muito utilizado como padrão de calibração em outros termopares por apresentarem alta precisão.
TIPO R (Nobre)
Possuem as mesmas características do tipo “S”, variando a liga metálica, porém é menos usado.
Escolha o termopar mais adequado
O termopar é um equipamento de baixo custo e com uma grande precisão de medição de temperaturas. Medindo entre -270 °C e + 2320 °C, é necessário a análise do ambiente e equipamento a ser utilizado para determinar o termopar mais adequado para o caso.
Já que um termopar mede amplos intervalos de temperatura e é relativamente reforçado, ele é muito utilizado na indústria. Os seguintes critérios devem ser observados na escolha de um termopar:
- Intervalo de temperatura.
- Resistência química do termopar ou material da bainha.
- Resistência à abrasão e vibração.
- Requisitos para instalação (a compatibilidade com o equipamento existente dever ser observada; orifícios existentes podem determinar o diâmetro da sonda).
Termopar de Fio Desencapado
O termopar de fio desencapado é o modelo mais simples. Consiste em dois pedaços de fio de ligas metálicas diferentes unidos por uma solda. Pelo fato de a junção do termopar estar exposta, existem limitações à suas aplicações. O termopar de fio desencapado não deve ser utilizado em líquidos que possam corroer ou oxidar a liga.
Superfícies metálicas também podem ser problemáticas, muitas vezes, superfícies metálicas, especialmente tubos, são utilizadas para aterrar sistemas elétricos. A conexão indireta a um sistema elétrico pode afetar a medição do termopar. Em geral, os termopares de fio desencapado são uma boa escolha para a medição da temperatura de gases, em função de seu dimensionamento reduzido, também proporcionam um tempo de resposta mais rápido.
Sonda Termopar
Uma sonda termopar possui um fio alojado no interior de um tubo metálico. A parede do tubo é denominada bainha da sonda. Dentre os materiais mais comuns utilizados na bainha, destacam-se o aço inoxidável e o inconel. O inconel suporta intervalos de temperatura superiores quando comparado ao aço inoxidável. Por outro lado, o aço inoxidável é preferível por sua ampla compatibilidade química. Outros materiais específicos de bainha estão disponíveis para temperaturas muito elevadas. 
A ponta da sonda do termopar está disponível em três estilos diferentes, aterrada, isolada e exposta. O termopar permanece em contato com a parede da bainha por uma ponta aterrada. Uma junção aterrada oferece um tempo de resposta rápido, sendo mais suscetível a loops de aterramento elétrico. Nas junções isoladas, o termopar mantém-se distante da parede da bainha por uma camada de isolamento. A ponta do termopar ultrapassa o exterior da parede da bainha com uma junção exposta. Os termopares de junção exposta são os mais adequados para medição de ar.
Sonda de Superfície
A medição da temperatura de uma superfície sólida é difícil para a maioria dos sensores de temperatura. A fim de garantir a exatidão, toda a zona de medição do sensor deve estar em contato com a superfície. Isso é difícil quando se trabalha com sensores rígidos e superfícies rígidas. Por serem fabricados com metais maleáveis, as junções termopares adotam formatos planos e finos, proporcionando máximo contato com superfícies sólidas e rígidas. Os termopares podem ser embutidos em mecanismos móveis, o que facilita a medição de temperatura de superfícies em movimento.
Teste e Calibragem do Termopar
O teste feito para calibrar um termopar usa a temperatura ambiente juntamente a um termistor de alta precisão, uma tabela de comparação ou um equipamento digital de calibração. Para testar o sensor termopar basta ligarmos em um multímetro ou voltímetro usando a escala adequada para tensão e uma variação de temperatura para assim possibilitar a leitura no equipamento.
No caso do termopar feito para essa atividade usamos uma fonte de calor e uma bússola no centro do termopar, onde a variação de giro do ponteiro, nos dará a percepção de presença de campo eletromagnético.
Parte experimental	
Com base nas informações de pesquisas e coletadas em laboratório, desenvolvemos um termopar a base de chapas de cobre e ferro, de aproximadamente 5 mm de espessura, sendo uma barra reta e outra em forma de U, unidas por porcas, parafusos e arruelas pelas extremidades. Foi desenvolvido um segundo dispositivo de fio rígido de cobre, em forma de serpentina, e um pedaço de ferro soldado nas pontas do fio, formando um circuito fechado.
Nos primeiros testes, percebemos que a fonte de calor usada, um isqueiro, foi insuficiente para realizar qualquer tipo de análise, concluímos que o motivo da falha do teste era a espessura das chapas utilizadas no experimento, o que necessitou de uma fonte de calor mais forte que o usado no laboratório. Diante disso, resolvemos realizar os testes em ambiente propício e seguro para uso de maçarico, onde observamos que os ponteiros da bússola se movimentaram de acordo com o aumento de temperatura, o que possibilitou a melhor análise dos resultados.
Materiais Utilizados:
Chapa de Cobre
Chapa de Ferro
Maçarico
Porcas
Parafusos
Arruelas
Ferramentas Utilizadas:
Torno
Chaves de Boca
Alicates
Furadeira
Metodologia
Corte das chapas metálicas, dobra da chapa de cobre com a utilização do torno realizando um formato de U na peça, logo após fura-se as extremidades das chapas com a furadeira de bancada para receber os parafusos juntamente com as porcas e arruelas.
O teste consiste em submeter uma das extremidades ao calor, com uma bússola no meio do termopar para detectar a tensão emitida pelo equipamento, através da movimentação dos ponteiros, variando de acordo com a intensidade de calor a que peça foi submetida. Para realizarmos os testes, foi necessário o uso de uma fonte de calor mais eficiente, onde foi possível perceber a movimentação dos ponteiros da bússola, indicando a presença de uma corrente, mesmo que baixa. 
Conclusão
Com base nos dados observados durante o experimento e de pesquisa realizada, concluímos que o termopar é um dispositivo altamente funcional no dia a dia para medir temperaturas e diferenças de tensão, com fabricação relativamente simples, de forma caseira e econômica, podendo-se utilizar materiais reciclados, torna-se a melhor opção para medir temperaturas muito altas e muito baixas, com uma boa margem de precisão e baixo custo.
Observamos também, que a qualidade dos materiais utilizados influencia diretamente nos resultados, obtendo diferentes resultados de acordo com a espessura, bitola de materiais utilizados para sua construção, por isso devemos primeiro estudar onde vamos aplicar o termopar para escolhermos o tipo mais adequado para cada situação.
Referências
Conteúdo oferecido pela professora durante a aula.
https://br.omega.com/prodinfo/termopares.html
https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-um-termopar/
https://www.novus.com.br/downloads/Arquivos/folheto_termopares.pdf