Calibração de Um Termopar de Cobre Constantan

ISEP – Instituto Superior de Engenharia do Porto

Engenharia de Instrumenta Instrumentação ção e Metrologia

Calibração de um termopar de cobre constantan TERAP – Termodinâmica Aplicada Docente: Maria Ribeiro

311!"!1# Curso: E$M Turma: "DA

João Ribeiro – 1111263

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Sumário A presente actividade laboratorial teve como objectivos a calibração de um termopar de cobre constantan utilizando os valores de tensão eléctrica e temperatura lidos para traçar a curva de calibração na gama de temperaturas de 0! a "0!# a determinação do coe$iciente de Seebec% pelo método gr&$ico e a obtenção da temperatura da neve carb'nica introduzindo a sonda de re$er(ncia no seu interior e em &gua a)uecida* E+perimentalmente# este trabalho consistiu na colocação de umas das ligaç,es do termopar dentro de um banho termoestatizado e a outra ligação numa tina de gelo picado e &gua* !olocou-se um term'metro digital dentro do banho termost&tico para registar a temperatura em incrementos de ./! e mediu-se a tensão associada a cada temperatura* Partindo dos valores de tensão e temperatura obtidos obteve-se por regressão linear a recta )ue melhor se ajusta ao conjunto de pontos e+perimentais e determinou-se a partir da e)uação a sensibilidade do termopar* a segunda parte do trabalho# colocou-se uma ligação do termopar na neve carb'nica e mediuse o valor da tensão eléctrica repetindo este processo tr(s vezes*

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Índice Introdução te'rica*******************************************************************************************************************************************1 Parte E+perimental*****************************************************************************************************************************************2 3esultados 4btidos****************************************************************************************************************************************. !&lculos**********************************************************************************************************************************************************5 !onclusão******************************************************************************************************************************************************" Ane+os*********************************************************************************************************************************************************60 Ane+o A****************************************************************************************************************************************************60 Ane+o 7****************************************************************************************************************************************************66 Ane+o !***************************************************************************************************************************************************68 7ibliogra$ia****************************************************************************************************************************************************61

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Introdução teórica 4 termopar consiste em dois condutores met&licos sendo cada um constitu9do por dois metais di$erentes# )ue )uando estão em contacto# permitem a passagem de eletr,es :sempre do metal com menor trabalho de e+tração para o outro; entre eles# $ormando assim uma $orça electromotriz* 4 termopar é o instrumento de maior uso industrial para medição de temperaturas# uma vez )ue# são baratos :salvo raras e+ceç,es;# t(m capacidade de ler uma vasta gama de temperaturas# entre -800! a 8100! e sendo poss9vel substituir um termopar por outro sem causar grandes erros de leitura* Se construirmos um termopar# como indica a $igura 6# com os metais A e 7# veri$icamos o aparecimento de uma $orça eletromotriz entre os pontos 1 e 2#)ue depende da di$erença de temperaturas entre as junç,es 6 e 8 :este e$eito é designado por e$eito Seebec%;*

Figura 1 – Esquema do termopar

A relação e+istente entre a $orça eletromotriz e a di$erença de temperaturas# (θ – θ ) e < = < (θ - θ0), pode ser representada por um polin'mio do tipo> 0

Para um termopar )ue trabalhe numa gama não muito e+tensa de temperaturas# a $unção )uadr&tica ser& su$iciente :i* é# toma-se apenas até ao termo de segunda ordem;* A derivada da tensão termoelétrica em ordem ? temperatura designa-se por sensibilidade ou coe$iciente de Seebec% (η) do termopar>

Esta relação# )ue caracteriza as propriedades do termopar# veri$ica-se em muitos casos# com bastante rigor# até cerca dos 100!* 4 termopar utilizado neste trabalho é um termopar de cobre-constantan* este caso vamos $azer uma apro+imação ainda maior# tomando a e+pressão da $orça termelétrica por uma reta :isto é# toma-se apenas o termo de primeira ordem;*

4 termopar utilizado nesta e+peri(ncia $oi o termopar do tipo @ :!obre-!onstantan;*  dos termopares mais indicados para mediç,es na gama dos - 8B0 a 200/! e apresenta as seguintes especi$icaç,es> @ermoelemento positivo :@P;> !u600CD  @ermoelemento negativo :@;> !u..Ci2.C :!onstantan;D  4


 

ai+a de utilização> -8B0/! a 200/!D *e*m* produzida> -F#8.5m< a 80#5B8m*

Parte Experimenta Es)uema de Gontagem

!i"# 2 $ E%&uema de 'onta"em

Gaterial • • • •

@ermopar de !obre-!onstantanD 7anho termost&ticoD @ina com geloD eve !arb'nicaD

Aparelhos de medição> • •

Gult9metroD @erm'metro digital*

Procedimento E+perimental Inicialmente# registou-se o valor inicial da temperatura da &gua e de seguida anotou-se os valores das di$erenças de temperatura da &gua do banho em incrementos de . /!# até ao limite de 50 /! Huando se chegou & temperatura terminal pretendida e tendo os valores anotados# desligou-se o banho termost&tico e esperou-se )ue a temperatura diminui-se ate aos F0 /!* 4btida a temperatura# acima re$erida# regulou-se o banho termost&tico para os F0 /! e de seguida ligou-se* Esperou-se até )ue a temperatura estabilizasse* @raçou-se um gr&$ico com os valores obtidos e+perimentalmente e a partir da e)uação reduzida da recta )ue melhor se ajusta a estes valores# determinou-se a sensibilidade do termopar# *

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Jepois# na segunda parte do trabalho# mergulhou-se a junção do termopar na neve carb'nica# esperou-se )ue estabilizasse e registou-se os 1 valores lidos no mult9metro*

Re%utado% (btido% Primeiramente# $oram e$ectuadas mediç,es com o objectivo de calibrar o termopar* !om a obtenção dos valores da temperatura em $unção da tensão gerada pelo termopar# $oi poss9vel calcular a sensibilidade deste aparelho* A gama de temperaturas escolhida para esta calibração $oi de 8. a 50!* A tabela 1 apresenta esses valores* )abea 1 – 3egisto de valores e+perimentais para a calibração do termopar*

KL=@banho-@gelo :!;

< :m<;

!om as tens,es medidas para as di$erentes temperaturas# obteve-se uma recta por regressão linear )ue permite determinar a sensibilidade do termopar* Essa recta est& representada no gr&$ico seguinte>

*rá+ico 1 –
Através da e)uação da recta obtida y = x +¿ sabemos )ue a sensibilidade do termopar : ƞ; é o 6M :declive da recta;# ou seja#

ƞ=

1

❑

=mV / ° C

*

inalizada a calibração do termopar# passou-se para a segunda parte do trabalho )ue

consiste em determinar a temperatura da neve carb'nica* a tabela 8 encontram-se os resultados obtidos* )abea 2 – 3egisto de valores para a obtenção da temperatura da neve carb'nica*

 6 8

KL :!;

< :m<;

6


1 Gédia

,ácuo% -eterminação da temperatura da ne.e carbónica/ 4 c&lculo do valor da temperatura da neve carb'nica $oi realizado da seguinte $orma> V = ƞ × ( θ1− θ 2)

θ=θ 2+ b

sendo

θ

a temperatura da neve carb'nica#

:6; :8;

θ1

e

θ2

a variação da temperatura lida no

term'metro e b# o valor da ordenada na origem da recta de calibração do termopar :60*256; vem )ue>

¿ ×(−θ ) 2

θ=+ ¿

N

N

θ2= ⁰ C

θ= ⁰ C

Erro% 0%%ociado% (Exemplo de cálculo dos erros - Anexo A)

A tabela 3 apresenta os valores dos erros associados ao con$ronto entre os valores te'ricos e os valores calculados a partir dos dados obtidos e+perimentalmente* )abea 3 – 3egisto dos erros associados ao c&lculo da temperatura da neve carb'nica* aor teórico  ⁰

Neve Carbónic

C 

aor cacuado  ⁰

C



Erro ab%outo  ⁰

Erro reati.o

C 

- 50

Incerte4a% 0%%ociada% ao% In%trumento% 5tii4ado% (Cálculo das incertezas - anexo A)

Tabela # % $ncerte&a%padrão do term'metro

Incerte4a$padrão uxi 0#08" !

7


)abea  $ Incerte4a$padrão do mut7metro

Incerte4a$padrão uxi 5 x 10-3 V

,oncu%ão o presente trabalho laboratorial veri$icou-se e+perimentalmente a calibração de um termopar de !obre-!onstantan* !onclui-se )ue )uanto maior $or a temperatura# menor ser& a $orça electromotriz gerada pelo termopar* Em relação ao primeiro método# analisando a curva de calibração# obteve-se um coe$iciente de correlação linear igual a 0#""F# $ato )ue podemos considerar muito $avor&vel# j& )ue# )uanto mais pr'+imo de 6 estiver o valor do coe$iciente de correlação linear# maior ser& a )ualida de dos resultados* o segundo método# determinou-se a temperatura da neve carb'nica# utilizando o termopar j& calibrado*
° C

para a temperatura da neve

carb'nica* 4 erro absoluto calculado $oi de 10*56 ° C # sendo o erro relativo de 1"*FC*

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0nexo% 0nexo 0 Re%oução do% In%trumento%/  

@erm'metro> 0#6 !D Gult9metro> 0*06 s*

Incerte4a 0%%ociada ao% In%trumento% 5tii4ado%

)ermómetro a = 0#6M 8 = 0#0.

u xi  = 0#0. M √ 3 = 0#08" ! 'ut7metro %=2

u xi  = 0,01/2 = 5 x 10-3 V

,ácuo do% Erro% 9


Erro 0b%outo = valor calculado – valor te'rico Erro Reati.o = :Oerro absolutoOMvalor te'rico; + 600 C

0nexo 8 9ue%t:e% coocada%/ 1 ez a calibração do termopar para temperaturas positivas* Ser& correto utilizar a recta obtida nessas condiç,es para $azer a determinação da temperatura da neve carb'nica )ue é negativa Qusti$i)ue* 2 Seria poss9vel )ue o termopar $osse constitu9do somente por cobre Qusti$i)ue* 9ue%t:e% re%o.ida%/ 6; Sim# por)ue um termopar tem um elevado alcance de temperaturas# entre os- 8B0 e os R 200!* 8; ão# por)ue é devido ? ligação do termopar ser constitu9da por dois metais di$erentes )ue e+iste uma tensão ou $orça electromotriz# ou seja# os dois metais geram uma passagem de electr,es* Se a ligação $osse# por e+emplo* somente constitu9da por cobre# não haveria uma tensão# logo o termopar não $uncionaria* A e+ist(ncia desta tensão ou $orça electromotriz é a base do $uncionamento do termopar*

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0nexo ,

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8ibio"ra+ia ;1< uião de laborat'rio> =-E!I$>R'$,aibração de um )ermopar de ,obre ,on%tantan?#

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Calibração de Um Termopar de Cobre Constantan

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