Termopares

Efeito Seebeck

Um fenômeno interessante aplicado no campo da instrumentação é o efeito Seebeck, que é a produção de uma pequena tensão ao longo do comprimento de um fio devido à diferença de temperatura ao longo desse fio. Esse efeito é mais facilmente observado e aplicado com uma junção de dois metais diferentes em contato, cada metal produzindo uma tensão Seebeck diferente ao longo de seu comprimento, que se traduz em uma tensão entre as duas extremidades do fio (não unidas). Quase todos os pares de metais diferentes irão produzir uma tensão mensurável quando sua junção é aquecida, algumas combinações de metais produzindo mais tensão por grau de temperatura do que outras:



O efeito Seebeck é bastante linear; ou seja, a tensão produzida por uma junção aquecida de dois fios é diretamente proporcional à temperatura. Isso significa que a temperatura da junção do fio de metal pode ser determinada medindo a tensão produzida. Assim, o efeito Seebeck nos fornece um método elétrico de medição de temperatura.

Termopares

Quando um par de metais diferentes são unidos com o propósito de medir a temperatura, o dispositivo formado é chamado de termopar . Termopares feitos para instrumentação usam metais de alta pureza para uma relação precisa de temperatura / voltagem (tão linear e previsível quanto possível).

As tensões de Seebeck são bastante pequenas, na casa das dezenas de milivolts para a maioria das faixas de temperatura. Isso os torna um tanto difíceis de medir com precisão. Além disso, o fato de que qualquer a junção entre metais diferentes produzirá voltagem dependente da temperatura cria um problema quando tentamos conectar o termopar a um voltímetro, completando um circuito:

Junção de medição

A segunda junção ferro / cobre formada pela conexão entre o termopar e o medidor no fio superior irá produzir uma tensão dependente da temperatura oposta em polaridade à tensão produzida na junção de medição. Isso significa que a tensão entre os fios de cobre do voltímetro será uma função da diferença na temperatura entre as duas junções, e não a temperatura apenas na junção de medição. Mesmo para os tipos de termopar onde o cobre não é um dos metais diferentes, a combinação dos dois metais que unem os cabos de cobre do instrumento de medição forma uma junção equivalente à junção de medição:

Junção de referência

Esta segunda junção é chamada de referência ou frio junção, para distingui-la da junção no final da medição, e não há como evitar ter uma em um circuito de termopar. Em algumas aplicações, é necessária uma medição de temperatura diferencial entre dois pontos e esta propriedade inerente dos termopares pode ser explorada para fazer um sistema de medição muito simples.



No entanto, na maioria das aplicações, a intenção é medir a temperatura em um único ponto apenas e, nesses casos, a segunda junção torna-se um passivo para funcionar.

A compensação para a tensão gerada pela junção de referência é normalmente realizada por um circuito especial projetado para medir a temperatura lá e produzir uma tensão correspondente para contrariar os efeitos da junção de referência. Nesse ponto, você pode se perguntar:“Se tivermos que recorrer a alguma outra forma de medição de temperatura apenas para superar uma idiossincrasia com termopares, então por que se preocupar em usar termopares para medir a temperatura? Por que não usar essa outra forma de medição de temperatura, seja ela qual for, para fazer o trabalho? ” A resposta é esta:porque as outras formas de medição de temperatura usadas para compensação de junção de referência não são tão robustas ou versáteis quanto uma junção de termopar, mas fazem o trabalho de medir a temperatura ambiente no local da junção de referência muito bem. Por exemplo, a junção de medição de termopar pode ser inserida na chaminé de 1800 graus (F) de um forno de retenção de fundição, enquanto a junção de referência fica a trinta metros de distância em um gabinete de metal em temperatura ambiente, tendo sua temperatura medida por um dispositivo que poderia nunca sobreviva ao calor ou à atmosfera corrosiva da fornalha.

A tensão produzida pelas junções de termopar depende estritamente da temperatura. Qualquer corrente em um circuito termopar é uma função da resistência do circuito em oposição a esta tensão (I =E / R). Em outras palavras, a relação entre temperatura e tensão Seebeck é fixa, enquanto a relação entre temperatura e corrente é variável, dependendo da resistência total do circuito. Com condutores de termopar pesados ​​o suficiente, correntes acima de centenas de amperes podem ser geradas a partir de um único par de junções de termopar! (Eu realmente vi isso em um experimento de laboratório, usando barras pesadas de cobre e liga de cobre / níquel para formar as junções e os condutores do circuito.)

Para fins de medição, o voltímetro usado em um circuito de termopar é projetado para ter uma resistência muito alta, a fim de evitar quedas de tensão que induzam a erros ao longo do fio do termopar. O problema da queda de tensão ao longo do comprimento do condutor é ainda mais grave aqui do que com os sinais de tensão CC discutidos anteriormente, porque aqui temos apenas alguns milivolts da tensão produzida pela junção. Simplesmente não podemos nos dar ao luxo de ter nem mesmo um único milivolt de queda ao longo do comprimento do condutor sem incorrer em erros graves de medição de temperatura.

Idealmente, então, a corrente em um circuito de termopar é zero. Os primeiros instrumentos de indicação de termopar usavam circuito de medição de tensão potenciométrica de equilíbrio nulo para medir a tensão de junção. A linha inicial de indicadores / gravadores de temperatura da Leeds &Northrup “Speedomax” foi um bom exemplo dessa tecnologia. Instrumentos mais modernos usam circuitos amplificadores de semicondutores para permitir que o sinal de tensão do termopar acione um dispositivo de indicação com pouca ou nenhuma corrente consumida no circuito.

Termopilha

Os termopares, no entanto, podem ser construídos com fio de calibre pesado para baixa resistência e conectados de forma a gerar correntes muito altas para outros fins que não a medição de temperatura. Uma dessas finalidades é a geração de energia elétrica. Ao conectar muitos termopares em série, alternando temperaturas quentes / frias com cada junção, um dispositivo denominado termopilha pode ser construído para produzir quantidades substanciais de tensão e corrente:

Efeito Peltier

Com os conjuntos de junções esquerda e direita na mesma temperatura, a tensão em cada junção será igual e as polaridades opostas serão canceladas para uma tensão final de zero. No entanto, se o conjunto esquerdo de junções fosse aquecido e o conjunto direito resfriado, a tensão em cada junção esquerda seria maior do que cada junção direita, resultando em uma tensão de saída total igual à soma de todos os diferenciais do par de junção. Em uma termopilha, é exatamente assim que as coisas são configuradas. Uma fonte de calor (combustão, uma substância radioativa forte, calor solar, etc.) é aplicada a um conjunto de junções, enquanto o outro conjunto é ligado a algum tipo de dissipador de calor (refrigerado a ar ou água). Curiosamente, conforme a corrente flui através de um circuito de carga externo conectado à termopilha, a energia térmica é transferida das junções quentes para as junções frias, demonstrando outro fenômeno termoelétrico:o chamado Efeito Peltier (corrente elétrica transferindo energia térmica).

Outra aplicação para termopares é na medição de média temperatura entre vários locais. A maneira mais fácil de fazer isso é conectar vários termopares em paralelo uns com os outros. O sinal em milivolts produzido por cada termopar terá uma média no ponto de junção paralelo. As diferenças de tensão entre as junções caem junto com a resistência dos fios do termopar:



Infelizmente, porém, o cálculo preciso da média desses potenciais de tensão Seebeck depende de as resistências do fio de cada termopar serem iguais. Se os termopares estiverem localizados em locais diferentes e seus fios forem unidos em paralelo em um único local, o comprimento igual do fio será improvável. O termopar com o maior comprimento de fio do ponto de medição ao ponto de conexão paralelo tenderá a ter a maior resistência e, portanto, terá o menor efeito na tensão média produzida.

Junções de termopar múltiplas

Para ajudar a compensar isso, resistência adicional pode ser adicionada a cada uma das ramificações do circuito do termopar paralelo para tornar suas respectivas resistências mais iguais. Sem resistores de dimensionamento personalizado para cada ramo (para tornar as resistências precisamente iguais entre todos os termopares), é aceitável simplesmente instalar resistores com valores iguais, significativamente maiores do que as resistências dos fios do termopar, de modo que essas resistências dos fios tenham um impacto muito menor na resistência total do ramo. Esses resistores são chamados de inundação resistores porque seus valores relativamente altos ofuscam ou "confundem" a resistência dos próprios fios do termopar:

Como as junções de termopar produzem tensões baixas, é imperativo que as conexões dos fios sejam bem limpas e firmes para uma operação precisa e confiável. Além disso, a localização da junção de referência (o local onde os fios do termopar de metal diferente se unem ao cobre padrão) deve ser mantida próxima ao instrumento de medição, para garantir que o instrumento possa compensar com precisão a temperatura da junção de referência. Apesar desses requisitos aparentemente restritivos, os termopares continuam sendo um dos métodos mais robustos e populares de medição de temperatura industrial em uso moderno.

REVER:

• O efeito Seebeck é a produção de uma tensão entre dois metais dissimilares unidos que é proporcional à temperatura dessa junção.
• Em qualquer circuito de termopar, existem duas junções equivalentes formadas entre metais diferentes. A junção colocada no local da medição pretendida é chamada de medição junção, enquanto a outra junção (única ou equivalente) é chamada de referência junção.
• Duas junções de termopar podem ser conectadas em oposição uma à outra para gerar um sinal de tensão proporcional à temperatura diferencial entre as duas junções. Uma coleção de junções assim conectadas com o propósito de gerar eletricidade é chamada de termopilha .
• Quando a corrente flui pelas junções de uma termopilha, a energia térmica é transferida de um conjunto de junções para o outro. Isso é conhecido como Efeito Peltier .
• Várias junções de termopar podem ser conectadas em paralelo umas com as outras para gerar um sinal de tensão que representa a temperatura média entre as junções. Resistores de “inundação” podem ser conectados em série com cada termopar para ajudar a manter a igualdade entre as junções, de modo que a tensão resultante será mais representativa de uma temperatura média real.
• É imperativo que a corrente em um circuito de termopar seja mantida o mais baixa possível para uma boa precisão de medição. Além disso, todas as conexões de fios relacionadas devem estar limpas e apertadas. Meros milivolts de queda em qualquer lugar do circuito causarão erros de medição substanciais.