Um termopar é um dispositivo para medir temperaturas em todos os ramos da ciência e tecnologia. Este artigo apresenta uma visão geral dos termopares com uma análise do projeto e princípio de funcionamento do dispositivo. Variedades de termopares com suas breves características são descritas, e também é feita uma avaliação do termopar como instrumento de medição.
Contente
Dispositivo de termopar
O princípio de funcionamento de um termopar. Efeito Seebeck
O funcionamento de um termopar se deve à ocorrência do efeito termoelétrico, descoberto pelo físico alemão Tomas Seebeck em 1821.
O fenômeno é baseado na ocorrência de eletricidade em um circuito elétrico fechado quando exposto a uma determinada temperatura ambiente. Uma corrente elétrica ocorre quando há uma diferença de temperatura entre dois condutores (termoeletrodos) de composição diferente (metais ou ligas diferentes) e é mantida mantendo o local de seus contatos (junções). O dispositivo exibe o valor da temperatura medida na tela do dispositivo secundário conectado.
A tensão de saída e a temperatura estão linearmente relacionadas. Isso significa que um aumento na temperatura medida resulta em um valor de milivolts mais alto nas extremidades livres do termopar.
A junção localizada no ponto de medição de temperatura é chamada de “quente”, e o local onde os fios são conectados ao conversor é chamado de “frio”.
Compensação de temperatura de junção fria (CJC)
A compensação de junta fria (CJC) é uma compensação aplicada como uma correção à leitura total ao medir a temperatura no ponto onde os fios do termopar estão conectados. Isso se deve a discrepâncias entre a temperatura real das extremidades frias e as leituras calculadas da tabela de calibração para a temperatura da junta fria a 0°C.
CCS é um método diferencial no qual as leituras de temperatura absoluta são encontradas a partir de uma temperatura de junção fria conhecida (também conhecida como junção de referência).
Projeto de termopar
Ao projetar um termopar, a influência de fatores como a "agressividade" do ambiente externo, o estado de agregação da substância, a faixa de temperaturas medidas e outros são levados em consideração.
Características do projeto do termopar:
1) As junções dos condutores são interconectadas por torção ou torção com mais soldagem a arco elétrico (raramente por soldagem).
IMPORTANTE: Não é recomendado usar o método de torção devido à rápida perda das propriedades da junção.
2) Os termoeletrodos devem ser isolados eletricamente em toda a sua extensão, exceto no ponto de contato.
3) O método de isolamento é selecionado levando em consideração o limite superior de temperatura.
- Até 100-120°C - qualquer isolamento;
- Até 1300°C - tubos ou contas de porcelana;
- Até 1950°C - tubos de Al2O3;
- Acima de 2000°С - tubos feitos de MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Capa protetora.
O material deve ser resistente térmica e quimicamente, com boa condutividade térmica (metal, cerâmica). O uso de uma bota evita a corrosão em determinados ambientes.
Fios de extensão (compensação)
Este tipo de fio é necessário para estender as extremidades do termopar até o instrumento secundário ou barreira. Os fios não são usados se o termopar tiver um conversor integrado com um sinal de saída unificado. O mais utilizado é o conversor de normalização, localizado na cabeça terminal padrão do sensor com sinal unificado 4-20mA, o chamado “tablet”.
O material dos fios pode coincidir com o material dos termoeletrodos, mas na maioria das vezes é substituído por um mais barato, levando em consideração as condições que impedem a formação de termofems parasitas (induzidos). O uso de fios de extensão também permite otimizar a produção.
Corte de vida! Para determinar corretamente a polaridade dos fios de compensação e conectá-los ao termopar, lembre-se da regra mnemônica MM - menos é magnetizado. Ou seja, pegamos qualquer ímã e o menos da compensação será magnetizado, ao contrário do positivo.
Tipos e tipos de termopares
A variedade de termopares é explicada por várias combinações de ligas metálicas utilizadas. A escolha do termopar é realizada dependendo da indústria e da faixa de temperatura necessária.
Termopar cromo-alumel (TXA)
Eletrodo positivo: liga de cromo (90% Ni, 10% Cr).
Eletrodo negativo: liga de alumelo (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Material de isolamento: porcelana, quartzo, óxidos metálicos, etc.
Faixa de temperatura de -200°С a 1300°С de curto prazo e 1100°С de aquecimento de longo prazo.
Ambiente de trabalho: inerte, oxidante (O2=2-3% ou completamente excluído), hidrogênio seco, vácuo de curto prazo. Em atmosfera redutora ou redox na presença de uma capa protetora.
Desvantagens: facilidade de deformação, instabilidade reversível do termo-EMF.
Podem ocorrer casos de corrosão e fragilização do alumelo na presença de traços de enxofre na atmosfera e cromelo em atmosfera fracamente oxidante (“argila verde”).
Termopar chromel-kopel (TKhK)
Eletrodo positivo: liga de cromo (90% Ni, 10% Cr).
Eletrodo negativo: liga Kopel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Faixa de temperatura de -253°С a 800°С a longo prazo e 1100°С aquecimento de curto prazo.
Ambiente de trabalho: inerte e oxidante, vácuo de curto prazo.
Desvantagens: deformação do termoeletrodo.
Possibilidade de evaporação do cromo sob vácuo prolongado; reação com uma atmosfera contendo enxofre, cromo, flúor.
Termopar ferro-constantan (TGK)
Eletrodo positivo: ferro comercialmente puro (aço macio).
Eletrodo negativo: liga constantan (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Usado para medições em meios redutores, inertes e vácuo. Temperatura de -203°С a 750°С a longo prazo e 1100°С aquecimento de curto prazo.
A aplicação desenvolve-se na medição conjunta de temperaturas positivas e negativas. Não é rentável usar apenas para temperaturas negativas.
Desvantagens: deformação do termoeletrodo, baixa resistência à corrosão.
Mudanças nas propriedades físico-químicas do ferro em cerca de 700°C e 900°C. Reage com enxofre e vapor de água para formar corrosão.
Termopar de tungstênio-rênio (TVR)
Eletrodo positivo: ligas BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 com aditivo de sílica e alumínio) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Eletrodo negativo: ligas BP20 (80% W, 20% Rh).
Isolamento: cerâmica de óxido metálico quimicamente pura.
Resistência mecânica, resistência ao calor, baixa sensibilidade à poluição, facilidade de fabricação são notadas.
Medição de temperaturas de 1800°С a 3000°С, o limite inferior é 1300°С. As medições são realizadas em um ambiente de gás inerte, hidrogênio seco ou vácuo. Em ambientes oxidantes apenas para medição em processos rápidos.
Desvantagens: baixa reprodutibilidade do termo-EMF, sua instabilidade durante a irradiação, sensibilidade instável na faixa de temperatura.
Termopar tungstênio-molibdênio (VM)
Eletrodo positivo: tungstênio (comercialmente puro).
Eletrodo negativo: molibdênio (comercialmente puro).
Isolamento: cerâmica de alumina, protegida com pontas de quartzo.
Ambiente inerte, hidrogênio ou vácuo. É possível realizar medições de curto prazo em ambientes oxidantes na presença de isolamento.A faixa de temperaturas medidas é de 1400-1800°C, a temperatura máxima de operação é de cerca de 2400°C.
Desvantagens: baixa reprodutibilidade e sensibilidade de EMF térmica, inversão de polaridade, fragilização em altas temperaturas.
Termopares platina-ródio-platina (TPP)
Eletrodo positivo: platina-ródio (Pt c 10% ou 13% Rh).
Eletrodo negativo: platina.
Isolamento: quartzo, porcelana (simples e refratário). Até 1400°C - cerâmica com alto teor de Al2O3, acima de 1400°C - cerâmica de Al quimicamente puro2O3.
Temperatura máxima de operação 1400°C a longo prazo, 1600°C a curto prazo. A medição de baixas temperaturas geralmente não é realizada.
Ambiente de trabalho: oxidante e inerte, reduzindo na presença de proteção.
Desvantagens: alto custo, instabilidade durante a irradiação, alta sensibilidade à contaminação (especialmente o eletrodo de platina), crescimento de grãos metálicos em altas temperaturas.
Termopares platina-ródio-platina-ródio (TPR)
Eletrodo positivo: liga de Pt com 30% Rh.
Eletrodo negativo: liga de Pt com 6% Rh.
Meio: oxidante, neutro e vácuo. Uso na redução e contenção de vapores de metais ou não metais na presença de proteção.
Temperatura máxima de operação 1600°C a longo prazo, 1800°C a curto prazo.
Isolamento: Al-cerâmica2O3 alta pureza.
Menos suscetível à contaminação química e crescimento de grãos do que um termopar de platina-ródio-platina.
Diagrama de fiação do termopar
- Conectando um potenciômetro ou galvanômetro diretamente aos condutores.
- Conexão com fios de compensação;
- Conexão com fios de cobre convencionais a um termopar com saída unificada.
Padrões de cores do condutor de termopar
O isolamento colorido do condutor ajuda a distinguir os termoeletrodos uns dos outros para uma conexão adequada aos terminais. Os padrões diferem por país, não há códigos de cores específicos para condutores.
IMPORTANTE: É necessário conhecer o padrão utilizado na empresa para evitar erros.
Precisão da medição
A precisão depende do tipo de termopar, faixa de temperatura, pureza do material, ruído elétrico, corrosão, propriedades da junção e processo de fabricação.
Os termopares recebem uma classe de tolerância (padrão ou especial) que estabelece um intervalo de confiança de medição.
IMPORTANTE: As características no momento da fabricação mudam durante a operação.
Velocidade de medição
A velocidade é determinada pela capacidade do conversor primário de responder rapidamente aos saltos de temperatura e o fluxo de sinais de entrada do dispositivo de medição que os segue.
Fatores que aumentam o desempenho:
- Correta instalação e cálculo do comprimento do conversor primário;
- Ao usar um transdutor com manga de proteção, é necessário reduzir a massa da unidade selecionando um diâmetro menor das mangas;
- Minimizando o espaço de ar entre o conversor primário e a luva protetora;
- O uso de um conversor primário com mola e preenchimento dos vazios na manga com um enchimento condutor de calor;
- Um meio de movimento rápido ou mais denso (líquido).
Verificação de desempenho do termopar
Para verificar o desempenho, conecte um dispositivo de medição especial (testador, galvanômetro ou potenciômetro) ou meça a tensão de saída com um milivoltímetro. Se houver flutuações na seta ou no indicador digital, o termopar está em condições de manutenção, caso contrário, o dispositivo deve ser substituído.
Causas de falha do termopar:
- Não utilização de dispositivo de blindagem de proteção;
- Alteração na composição química dos eletrodos;
- Processos oxidativos que se desenvolvem a altas temperaturas;
- Avaria do dispositivo de controle e medição, etc.
Vantagens e desvantagens do uso de termopares
As vantagens de usar este dispositivo são:
- Grande faixa de medição de temperatura;
- Alta precisão;
- Simplicidade e confiabilidade.
As desvantagens incluem:
- Implementação de monitorização contínua da junta fria, verificação e calibração dos equipamentos de controlo;
- Alterações estruturais em metais durante a fabricação do dispositivo;
- Dependência da composição da atmosfera, o custo da vedação;
- Erro de medição devido a ondas eletromagnéticas.
