calibração de um termopar

CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR

CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR DE COBRE CONSTANTAN

1. OBJECTIVOS 

Calibração de um termopar de cobre constantan, com o traçado da curva θ(V) na gama de temperaturas (0ºC a 90ºC);



Determinação do coeficiente de Seebeck η =



Introduzindo a sonda de referência em neve carbónica, obter a sua temperatura (tomando como referência a fonte quente);



Comparar os valores obtidos com os valores valores esperados.

dV d θ

pelo método gráfico;

2. MATERIAL NECESSÁRIO 

Multímetro digital; Termopar de Cobre-Constantan; Tina com gelo; Neve carbónica, Banho-Maria com cabeça termostática.

3. BIBLIOGRAFIA 

Calibração de um Termopar - Física (Ed. Calouste Gulbenkian)



Estudo da Função ∆θ (V) (V) - Laboratório de Física (1981)



Laboratório de Termodinâmica - Faculdade de Ciências da Universidade Porto

Departamento de Física do ISEP

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4. INTRODUÇÃO 4.1. DEFINIÇÃO DE TERMOPAR O termopar é usado geralmente para medição de temperatura (isto é, tem a função de um termómetro). Basicamente corresponde à junção de dois metais diferentes – estes, quando entram em contacto, geram a passagem de electrões de um metal para outro (sempre do metal com menor trabalho de extracção para o outro). Se construirmos um termopar, como indica a figura 1, com os metais A e B, detectamos o aparecimento de uma força electromotriz entre os pontos 3 e 4, que depende da diferença de temperaturas entre as junções 1 e 2 (este efeito é designado por efeito Seebeck).

4.2. CONCEITOS BÁSICOS A relação entre a força electromotriz e a diferença de temperaturas θ - θ0, V = V ( θ - θ0) pode ser representada por um polinómio do tipo:

V

=

a⋅

b

2

c

3

(θ − θ ) + (θ − θ ) + (θ − θ ) + ... 0

0

2

3

0

Para um termopar que trabalhe numa gama não muito extensa de temperaturas, a função quadrática será suficiente (i.é, toma-se apenas até ao termo de segunda ordem). A derivada da tensão termoeléctrica em ordem à temperatura designase por sensibilidade ou coeficiente de Seebeck (η) do termopar:

η =


dV d θ

=

a

+ b(θ − θ 0 )

2


Esta relação, que caracteriza as propriedades do termopar, verifica-se em muitos casos, com bastante rigor, até cerca dos 300ºC.

4.3. MÉTODO UTILIZADO O termopar utilizado neste trabalho é um termopar de CobreConstantan e a gama de temperaturas usadas é 0 ≤ ∆θ ≤ 80 . Neste caso vamos fazer uma aproximação ainda maior, tomando a expressão da força termoeléctrica por uma recta (isto é, toma-se apenas o termo de primeira ordem).

V

= a ⋅ (θ − θ 0 )

η =

dV dθ

≅

a

=

V

θ

5. ESQUEMA DE MONTAGEM INICIAL

A ��

E

B

C D

Legenda: A – Banho-maria com cabeça termostática B – Multímetro digital C – Junção de Termopar D – Recipiente com água e gelo E – Termómetro digital 6. MODO DE PROCEDER A primeira parte do trabalho consiste na calibração do termopar (determinação da sensibilidade η); Departamento de Física do ISEP

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6.1. Realizar a montagem de acordo com o esquema, verificando que uma das junções do termopar está dentro do banho-maria e mergulhar a outra numa tina cheia de gelo picado e água (verificar que a junção fica completamente imersa na mistura gelo-água e cobrir o recipiente).

6.2. Colocar o termómetro digital de modo que esteja em contacto com a junção do termopar dentro do banho-maria, usando a garra disponível para o efeito.

6.3. Ler e registar a temperatura do banho, cerca de 5 minutos após colocado o termómetro. Criar uma tabela de registo de duas entradas: numa delas indicar as temperaturas crescentes do banho-maria, em incrementos de 5ºC, usando o valor da temperatura inicial registada; na outra, registar os valores da tensão eléctrica lidos no multímetro para cada temperatura. Tabela-exemplo

1ª leitura

última leitura

∆θ =Tbanho-Tgelo (ºC)

V (Tensão)

18,5 23,5 28,5 33,5 38,5 .... 88,5

Valor “zero”

(mV)

6.4. Na cabeça termostática, rodar o botão de aquecimento para os 90ºC. Ligar a cabeça termostática, pressionando o botão para o efeito.

6.5 Proceder ao registo dos valores de tensão eléctrica para cada temperatura considerada, até ao limite de 80 ºC.

6.6. Desligar a cabeça termostática no botão respectivo. Esperar até que a temperatura diminua para um valor próximo de 60 ºC. Remover, entretanto, a junção do termopar da tina de gelo e água.

6.7. Rodar o botão de aquecimento da cabeça termostática para o valor θBM=60ºC e voltar a ligar a cabeça termostática. Esperar até que a temperatura lida no termómetro esteja estabilizada num valor próximo de θBM.

6.8. Usar os valores de tensão eléctrica e temperatura lidos anteriormente para traçar o gráfico indicado abaixo, usando para isso o MSExcel (ou Departamento de Física do ISEP

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semelhante); obtenha por regressão linear a recta que melhor se ajusta ao conjunto de valores experimentais obtido, e determine a partir da sua equação a sensibilidade do termopar, η .

A segunda parte do trabalho consiste em usar o termopar, já calibrado, para determinar a temperatura da neve carbónica. 6.9. Mergulhar na neve carbónica a junção do termopar que estava na mistura gelo-água.

6.10. Aguardar que a tensão eléctrica estabilize. Registar o seu valor. 6.11. Repetir o procedimento anterior 4 vezes 6.12. Calcular os erros associados a cada uma das grandezas determinadas directamente.

Utilize as relações abaixo indicadas para calcular a temperatura da neve carbónica, θ NC .

V

= η ⋅ (θ BM − θ 2 ) ,

sendo

θ NC = θ 2 + b ;

Questões: 1) Fez a calibração do termopar para temperaturas positivas. Será correcto utilizar a recta obtida nessas condições para fazer a determinação da temperatura da neve carbónica que é negativa? Justifique.


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2) Seria possível que o termopar fosse constituído somente por cobre? Justifique.


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calibração de um termopar

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