Nota Técnica
NT-008
Data
05/2013
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Medidores de Temperatura com Sensor Termopar
Titulo Autoria
Código
Analógica Instrumentação e Controle
Campo Aplicação
Analógica, clientes e outras partes interessadas
1. INTRODUÇÃO Temperatura é uma grandeza física vinculada à mecânica, caracterizada por seu aspecto intensivo e não algébrico, independente das demais grandezas fundamentais. Seus valores não são medidos diretamente, obrigando a uma mensuração por meio de métodos indiretos, ora a partir de seus efeitos em outras propriedades físicas mensuráveis nos materiais, ora pelo “quantum” e frequência predominante da energia irradiada pelos objetos, quando em temperaturas acima do zero absoluto. Nesta Nota Técnica 008 (NT-008) a denominação “Medidores Temperatura com Sensor Termopar” é aplicada aos equipamentos que medem temperatura utilizando a força eletromotriz térmica (FEMt) gerada por termopares, um dispositivo sensor e transdutor amplamente utilizado em variadas aplicações, notadamente, onde o valor da temperatura ultrapassa a 420˚C e torna o uso dos sensores termoresistivos mais complicado. Operações envolvendo termopares e outros medidores de temperatura com sensores termopares são condicionadas ao contato físico entre o termopar e o meio cuja temperatura deseja-se medir. Naturalmente, as medições somente devem ser realizadas quando um suficiente equilíbrio térmico entre ambos (termopar-meio) tenha sido alcançado.
2. TERMOPARES 2.1. Introdução Termopar é um sensor de temperatura muito simples quando visto pela perspectiva de confecção. É formado a partir de dois condutores elétricos (metais, ligas metálicas e outros tipos de condutores e semicondutores), desde que estes possuam diferentes propriedades termoelétricas. Esses dois condutores devem ser ligados numa de suas extremidades, ponto chamado de junção de medição, e mantidos abertos nas outras extremidades, chamadas de junção de referência. Operacionalmente, quando há diferença entre as temperaturas dessas duas junções, surge na junção aberta (junção de referência) uma força eletromotriz de origem térmica (FEMt), que é proporcional à diferença de temperatura entre as junções. Essa FEMt é medida em milivolts (mV) e pode ser convertida para temperatura (˚C) a partir do conhecimento da relação mV/˚C. Ver Figura 2.1. 2.1.
2.2. Efeitos Termoelétricos 2.2.1.Efeito Seebeck O “Efeito Seebeck”, que mais tarde passou a ser utilizado como principio funcional do termopar para medição de temperatura, foi descoberto no ano de 1821 pelo físico alemão T. J. Seebeck. (Foto ao lado). A descoberta ocorreu quando Seebeck pesquisava fenômenos magnéticos provocados pela corrente elétrica. Ele observou que, em um circuito fechado, formado por fios de metálicos diferentes, sempre surgia a circulação de corrente elétrica quando as extremidades interligadas dos fios (junções) eram expostas à temperaturas diferentes. Observou, também, que a intensidade dessa corrente era proporcional à diferença entre as temperaturas, bem como dependia dos tipos dos metais interligados.
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Mais de 60 anos apos a descoberta de Seebeck, já em 1887, o francês Le Chatelier utilizou essa descoberta para medir temperatura, construindo um par termoelétrico (termopar) a partir de fios de platina pura e platina com 10%rhodio. Esse termopar é ainda hoje amplamente utilizado, tendo sido incluído no grupo dos termopares de metais nobres com a denominação padronizada de Termopar tipo S.
Figura 2.1 – 2.1 – Diagrama Funcional do Termopar
2.2.2.Efeito Peltier Em 1834, data intermediária entre a descoberta de Seebeck e o uso prático do termopar Le Chatelier, outro francês, Jean Charles Peltier, descobriu que se um par termoelétrico (termopar) quando percorrido por uma corrente elétrica continua induzida por uma fonte CC externa, as temperaturas das junções de interligação alteravam muito além do esperado pelo já conhecido efeito Joule (dissipação térmica provocado por uma corrente elétrica ao percorrer uma resistência elétrica). Esse efeito passou para a história da ciência com a denominação de Efeito Peltier e depende das propriedades termoelétricas dos metais. O efeito Peltier tem ampla e diversificada aplicação tecnológica. Dentre as bem conhecidas pode-se destacar a denominada “bomba de calor”, princípio utilizado em diversas dispositivos de refrigeração, tais como nas geladeiras automotivas, nos banhos refrigerados para uso calibrações de sensores de temperatura, refrigeração interna de equipamentos e em muitos outros artefatos domésticos e de alta tecnologia. 2.2.3.Efeito Thomson Em 1854, Sir Willian Thomson, mundialmente conhecido como Lorde Kelvin, concluiu que forças eletromotrizes de origem térmica também surgem entre dois pontos em um metal (barra, fio, lâmina), desde que esses pontos encontrem numa região sujeita à movimentação de energia (transmissão de calor) devido a existência de um gradiente térmico.
2.3. Leis Fundamentais dos Circuitos Termoelétricos A aplicação de termopares é, fundamentalmente, regida por três leis bastante simples, que envolvem física e matemática. Essas leis são de suma importância para se ter uma boa compreensão funcional dos termopares, de suas potencialidades de aplicação e dos problemas envolvidos. Essas leis condicionam o valor da FEMt resultante. 2.3.1. Lei do Circuito Homogêneo “A força eletromotriz térmica (FEMt) resultante de par termoelétrico formado por dois metais homogêneos depende unicamente da diferença de temperatura entre suas junções . A FEMt não é afetada por gradientes térmicos existentes ao longo dos termoelementos, desde que esses termoelementos sejam termoeletricamente homogêneos.
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2.3.2. Leis dos metais intermediários “O somatório das FEMt em um circuito que contenha um número qualquer de junções de diferentes ”. metais será zero, caso essas junções estejam numa mesma temperatura ”. Deduz-se que, em um circuito formado por um par termoelétrico, a FEMt. produzida não será alterada se inserirmos partes confeccionadas com outros condutores (metais, ligas, etc.) em qualquer ponto do circuito, desde que essas junções sejam mantidas numa mesma temperatura.
Se T3 = T4 então E1 = E2. Se T3 ≠ T4 então E1 ≠ E2.
Figura 2.3.2 – Lei dos Metais Intermediários 2.3.3. Lei das Temperaturas Intermediárias. “A FEMt produzida por um termopar homogêneo com junções mantidas entre duas temperaturas A e B é igual ao somatório de todos os outros possíveis termopares do mesmo tipo com suas junções mantidas entre qualquer número de temperaturas intermediárias” .
Se um termopar Tp gera uma FEMt = E1 com suas junções nas temperaturas TI e T2; uma FEMt = E2 com suas junções nas temperaturas T2 e T3, então a FEMt = E3 será produzida quando suas extremidades estiver nas temperaturas T1 e T3. Ou seja E3 = E1 + E2.
Figura 2.3.2 - Lei das Temperaturas Intermediárias
2.4. Construção de Termopares 2.4.1. Termopar Convencional Termopar convencional
é a denominação aplicada aos termopares confeccionados com itens discretos: termoelementos, isolantes e proteção. Surgiu em contraponto à denominação Termopar com Isolação Mineral , apresentados no Item 2.4.2.
Figura 2.4.1 – Vista Termopar Convencional
O modo mais simples de construção de um termopar é o termopar nu, que consiste de 2 fios (par) condutores diferentes (termoelementos), unidos numa de suas extremidades por solda, caldeamento, torção ou interposição qualquer material condutor. Essa união é chamada de junção de medição na na terminologia aplicada aos termopares. A feitura da junção de medição deve atender aos requisitos da aplicação. Por exemplo, deve assegurar excelente
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contato elétrico entre os termoelementos, não se converter em fonte de contaminação e apresentar as propriedades químicas e mecânicas adequadas, tais como resistência à fadiga, tração, torsão e oxidação. Naturalmente, o termopar tipo nu dificilmente é utilizado nessa condição tão primária. Usualmente, os termopares recebem componentes adicionais para adequá-lo ao uso, com destaque para os seguintes itens: •
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Isolante: Isolante: Material usado para isolar os termoelementos entre si. Pode ser uma camada diretamente depositada sobre os termoelementos (tinta, verniz, etc.), missangas ou tubo capilar de cerâmica, tecidos ou espaguetes confeccionados com material refratário isolante, PVC, teflon, neofon e outros. Alguns desses isolantes são detalhados no Item 2.12.1. Proteção: Proteção: Na maioria das aplicações os termoelementos de um termopar são protegidos por meio uma capa protetora de cerâmica, plástico ou metal. Essa capa recebe várias denominações, como tubo de proteção ou bainha. Para condições extremas, a capa ganha atributos adicionais de proteção e são chamadas de poço de proteção. Essas proteções são mais bem detalhadas no Item 2.12.6. Ligação ao Processo: Processo: Termopares são sensores elétricos que dependem de dispositivos complementares de interface homem/máquina para tornar útil o sinal gerado. Por isso, termopares devem dispor de terminação que viabilize/facilite as interconexões com os processos, tais como terminais (blocos) de ligação, cabeçotes de fechamento, potes com rabichos ou componente similar etc. Alguns desses componentes são detalhados no Itens 2.12.2 a 2.12.5.
2.4.2.Termopar com Isolação Mineral são termos aplicados aos termopares confeccionados a partir um cabo metálico trefilado, que congrega três dos componentes básicos de um termopar: capa de proteção, isolação e os termoelementos. O termopar com isolação mineral tem como contraponto o Termopar Convencional , apresentado no Item 2.4.1. Termopar com Isolação Mineral, ou Termopar Mineral,
Capa de Proteção
Termoelementos MgO
Figura 2.4.2 - Termopar Mineral – Vista de Corte
A tecnologia desenvolvida para o uso da energia nuclear exigiu severas especificações para os sensores aplicados em reatores nucleares e outros componentes aplicados em componentes críticos, sujeitos à radiação (efeitos da transmutação). Esse segmento foi o grande propulsor do termopar com isolação mineral, forma encontrada para assegurar, dentre outras vantagens, estabilidade metrológica e propriedades mecânicas adequadas.
O processo de fabricação do cabo mineral começa com a inserção dos termoelementos em um tubo metálico, que posteriormente constituirá na capa de proteção. Segue com o preenchimento do tubo com pó de óxido de magnésio (MgO), que servirá como elemento de isolação elétrica e de condução de calor entre a capa e os termoelementos. Termina com a trefilação do conjunto (tubo, termoelementos, isolante) para uma bitola desejada, processo que implica na redução do diâmetro e numa grande expansão do comprimento. Assim, partindo de um tubo com comprimento inicial de 3m e diâmetro 38mm, chega-se cabos com expansão de comprimento da ordem de 103 vezes (diâmetros finais de 0,5mm até 8,0mm), com boa manutenção das propriedades elétricas e mecânicas do produto. Vale salientar que o MgO é, simultaneamente, um excelente isolante elétrico e um bom condutor de calor e que o processo de trefilação introduz intensas tensões mecânicas nos termoelementos, exigindo tratamento térmico posterior para alívios das tensões e para a estabilização da força eletromotriz do termopar à sua curva característica.
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Para atender a normas de fabricação nacionais e internacionais, os termopares com isolação mineral devem apresentar valores mínimos de isolação elétrica entre os termoelementos e a capa (bainha), e entre os termoelementos entre si. O valor dessa isolação depende da bitola (diâmetro) do termopar, do comprimento e da temperatura. O óxido de magnésio tem sua resistividade elétrica drasticamente diminuída com a elevação da temperatura. A ordem de grandeza esperada para a isolação elétrica de um termopar a 20ºC é de 108 Ω /m. Nota: No idioma inglês é comum o uso da sigla MINS (Mineral Insulated Metal Sheath) para designar os termopares de isolação mineral.
2.4.3. Tipos de Junções de Medições Termopares com isolação mineral podem ser construídos de três formas quanto o posicionamento da junção de medição m edição em relação a bainha de proteção. Comercialmente, a forma mais comum é o da junção isolada. Entretanto, algumas característica funcionais podem recomendar outras escolhas, dependendo da aplicação. A Figura ao lado ilustra, da direta para a esquerda, as junções isolada, exposta e aterrada, aterrada, do melhor tipo, a saber: a) Junção Exposta: Forma de junção em que a um porção da bainha é removida, expondo a junção ao ambiente de medição. São importantes vantagens desse tipo de junção a grande redução do tempo de resposta, o ganho de sensibilidade às pequenas variações na temperatura, a melhora a resposta às variações dinâmicas da medição e a facilidade de visualização das condições da junção. Junção exposta tem como desvantagem a diminuição da robustez mecânica, incremento na taxa de envelhecimento e baixa resistência aos ambientes agressivos. b) Junção Aterrada: Forma em que os termoelementos e a bainha são solidariamente soldados para formar a junção de medição. Apresenta um tempo de resposta maior que o da junção exposta, mas ainda assim, menor que a junção isolada. Pode ser usada em ambientes agressivos, compatíveis com a bainha de proteção. A grande desvantagem desse tipo de montagem é risco a danos elétricos decorrentes do contato da bainha com partes eletrificadas no local de instalação, e da captação de ruídos eletromagnéticos, que podem ser transmitidos aos instrumentos de condicionamento de sinal e indicação e registro. c) Junção Isolada: Forma típica de junção dos termopares de isolação mineral disponíveis no mercado. A junção de medição é eletricamente isolada da bainha. Como os termoelementos são totalmente protegidos do meio ambiente, a vida útil tende a ser prolongada. Também há menor risco de captação de ruídos elétricos e eletromagnéticos. Uma desvantagem relevante e um maior tempo de resposta. 2.4.4. Vantagens do Termopar com Isolação Mineral •
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Praticidade: Na maioria das aplicações, o termopar mineral tem maior praticidade que os termopares convencionais. Maior estabilidade da FEMt: FEMt: Esta maior estabilidade é justificada pelo fato dos termoelementos ficarem totalmente protegidos do meio de uso pelo material da capa e pelo pó isolante compactado, condição que reduz os efeitos de oxidação e o desgaste mecânico, também reduzindo o envelhecimento dos termoelementos. Menor tempo de resposta: O pequeno volume e boa condutividade térmica do óxido de magnésio permitem uma boa taxa de transferência de calor entre o meio e junção de medição, reduzindo o tempo de resposta em comparação com os termopares convencionais. Maior resistência e flexibilidade mecânica: A alta compactação do óxido de magnésio dentro da bainha metálica mantendo os termoelementos uniformemente posicionados, permite que o tubo seja dobrado, achatado, torcido ou estirado, suportando pressões externas e "choques térmicos" sem qualquer perdas de suas propriedades termoelétricas.
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Facilidade de de instalação: A dimensão reduzida, a grande maleabilidade e alta resistência mecânica do termopar com isolação mineral, asseguram uma facilidade de instalação mesmo em locais de difícil acesso. Resistência a corrosão: Os termopares com isolação mineral são disponíveis com diversos diversos tipos de capas metálicas, para garantir sua integridade em qualquer tipo de ambiente corrosivo, qualquer que seja o termopar. Grande resistência de isolação isolação (a frio): A resistência de isolação entre entre condutores e bainha é sempre superior a 100 MΩ (a 200˚C) qualquer que seja o diâmetro, em qualquer condição de umidade. (Valores segundo norma ASTM E-608/84). Blindagem eletrostática: A bainha metálica devidamente aterrada, aterrada, oferece excelente blindagem contra interferências eletromagnéticas e eletrostáticas (ruídos).
2.4.5. Materiais para Fabricação da Capa (Bainha). A escolha do material da capa (bainha) é fundamental e crítica, pois deve assegurar a compatibilidade e a longevidade do termopar mineral com a faixa de temperatura e com o meio de uso. Diversos metais e ligas são aplicados com base nas suas propriedade físicas (ponto de fusão, condutividade térmica e refratariedade) e químicas (resistência a oxidação e a gentes químicos). Muitos fabricantes disponibilizam termopares com bainhas aço oxidável (AISI# 304, 340L, 316, 316L) e aços refratários, como o AISI# 310, e ligas especiais como as conhecidas 446, inconel, hastalloy, monel, nicrobel, omegaclad®. Para aplicações muito especiais, há capas de molibdênio e tântalo, a custos muito elevados. Outras informações sobre capas protetoras também são apresentadas no item 2.11.6.
2.5. Padronização e Características dos Principais Termopares O histórico das aplicações comerciais dos termopares é pontuado por um elevado número de tentativas de padronização de metais e ligas para confecção de termopares. Para mais detalhes, ver Thermocouple Materials, National Bureau of Standards, Monograph 40 (1962), F.R. Caldwell. A princípio, todas possíveis combinações entre metais e suas ligas criam termopares. Porém, algumas foram escolhidas, caraterizadas e definidas como apropriadas para confecção de termopares, notadamente com base em atributos favoráveis, como facilidade de produção, potência termoelétrica elevada, boa linearidade FEMt x temperatura, resistência a oxidação e boa estabilidade física e química e ponto de fusão. Dentre as diversas combinações atualmente padronizadas, as ligas são classificadas em dois grupos, conforme a nobreza dos metais/ligas dos termoelementos. Atualmente, as normas nacionais (NBR, ASTM, ANSI, DIN) e internacionais (ISO/IEC) codificam os termopares com uma letra maiúscula do alfabeto romano e uma cor. Os grupos e códigos citados a seguir. As cores são mostradas na Tabela 1. Termopares de metais básicos (não nobres), nos códigos E, E, J, K, N e T. Termopares metais nobres, nos códigos B, R e S. • •
Também são padronizados e comercializados termopares para aplicações especiais, seja por Nota: Também apresentarem desempenho superior em alguma propriedade, seja para usos em altas temperaturas. São exemplos os termopares formados por termoelementos de ligas tungstênio e tungstênio-rênio, padronizados com códigos G*(w), C*(w5) e D*(w3); certos termopares especiais de platina, como o ® ® Platinel I e Platinel II (Basf Catalysts), que apresentam FEMt similares ao termopar tipo K, porém, com melhor desempenho quanto a oxidação, bem como o termopar tipo L, uma versão padronizado na DIN43710, similar ao tipo J.
2.6. Termopares de Metais Básicos Assim são chamados os termopares E, J, K, N e T, confeccionados com metais e ligas de materiais não nobres, tais como: ferro e suas ligas; cobre e suas ligas; níquel e suas ligas. Também podem ser denominados de termopares básicos.
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São termopares com custo inicial muito mais baixo e quimicamente menos resistentes que os metais nobres. Alguns possuem elevada potência termoelétrica, como os tipos J e E. Podem ser comercialmente encontrados em montagens tipo convencional e com isolação mineral. Em ambas montagens, podem ser complementados por uma vasta gama de componentes acessórios, seja para atendimento Os termopares de metais básicos são, tipicamente, aplicados em processos onde os termopares nobres são preteridos, seja devido ao custo muito mais elevado, seja por outras razões de adequação ao uso. A seguir, são listados e descritos os principais termopares de metais básicos encontrados no mercado nacional e internacional, de acordo com normas nacionais ou internacionais. 2.6.1.TIPO E (Cromel-Constantan) (Cromel-Constan tan) Termoelementos: Termoelementos: Cromel (Ni90Cr10) e Constantan (Cu58 Ni42) Polaridade: Cromel (+) / Constantan (-). Forma de identificação: o cromel é mais duro. Cor de identificação: lilás. Características básicas: Faixa de utilização: -270 ˚C a 1000 ˚C. Faixa recomendada: -167 ˚C a 900 ˚C. FEMt produzida: 68,787 mV na temperatura de 900 ˚C. Possui a maior potência termoelétrica dentre os termopares mais utilizados. Possui alta estabilidade na FEMt. • • • •
Aplicação: Recomendado para uso geral até 900˚C. Pode ser utilizado em atmosferas a vácuo, inertes, oxidantes em aplicações ne geração de energia, metalúrgica, química e petroquímica. Não deve ser aplicado em atmosferas redutoras. Apresenta boa exatidão e baixo custo. (É utilizado em termopilha e em pirômetro de radiação). Nota: Não obstante as suas excelentes características, o termopar tipo E é pouco utilizado no Brasil.
2.6.2.TIPO J (Ferro/Constantan) (Ferro /Constantan) Termoelementos: Termoelementos: Ferro - (99,5%) / Constantan. Polaridade: Ferro (+) / Constantan (-). (A liga constantan não tem a mesma composição da utilizada para o termopar tipo T) Cor de identificação: preto. Características básicas: Faixa de utilização: -210 ˚C a 1200 ˚C. Faixa recomendada: -40 ˚C a 750 ˚C. FEMt produzida: 42,281 mV na temperatura de 750 ˚C. • •
Aplicação: Pode ser utilizado em vácuo, em atmosferas inertes, oxidantes ou redutoras. Foi um termopar muito utilizado em aplicações de geração de energia, metalúrgica, química e petroquímica, notadamente devido a sua ótima potência termoelétrica, baixo custo e facilidade de produção. Atualmente, devido a forte tendência de oxidação do ferro, seu uso vem caindo, sendo substituído pelos termopares tipo K e N. 2.6.3.TIPO K (Cromel-Alumel) ( Cromel-Alumel) Por razões históricas (antiguidade no mercado), ampla faixa de temperatura de uso, boa potência termoelétrica, compatibilidade com a maioria dos instrumentos de medição e boas propriedade físico-
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químicas dos termoelementos, o termopar tipo K é um dos mais conhecidos e aplicados, mundialmente, para medições até 1200˚C. Termoelementos: Termoelementos: Cromel (Ni90Cr10) e Alumel (Ni95,4Mn1,8Si1,6AI1,2) Polaridade: Cromel (+) e Alumel(-). Identificação: O alumel é levemente magnético. Cor de identificação: amarela. Características básicas: Faixa de utilização: -270 ˚C a 1372 ˚C. Faixa recomendada: -167 ˚C a 1200 ˚C. FEMt produzida: 41,276mV na temperatura de 1000 ˚C. Pode ser utilizado utilizado em atmosferas inertes e oxidantes. Uso limitado em vácuo. vácuo. Pode ser utilizado em temperaturas negativas. Aplicações: Metalurgia, siderurgia, fundição, cimento e cal, vidro, vidro, cerâmica e indústrias, em geral. • • • • •
Aplicação: Pode ser utilizado atmosferas inertes e oxidantes. Tem vasto campo de aplicação, com destaque para os usos em atividades da metalurgia, siderurgia, cimento, vidros e nos processos cerâmicos. Em geral, possui uma vida útil superior ao tipo J. É pouco resistente as atmosferas redutoras e sulfurosas. Pode apresentar pequenas instabilidades (0,2 ˚C) para medições em torno de 500 ˚C ± 100 ˚C, causadas por um fenômeno físico, conhecido como “ordem-desordem da estrutura atômica. Por razões técnicas e históricas, é o termopar mais popular no Brasil. 2.6.4. TIPO N (Nicrosil-Nisil). O termopar N apresenta um desempenho superior ao do termopar tipo K para certas aplicações, notadamente, por apresentar maior estabilidade de longo prazo e não apresentar flutuações da FEMt em torno de 500˚C. Foi padronizado a partir da década de 1980, por isso seu uso ainda é pouco disseminado. Tem custo maior o que o K. Termoelementos: Termoelementos: Nicrosil (Ni90,Cr9,5,0,5Si) e Nisil (Ni95,3Mn1,0Si,2AI) Polaridade: Nicrosil (+) / Nisil (-). Cor de identificação: laranja. Características básicas: Faixa de utilização: -270˚C a 1300˚C. Faixa recomendada: -167˚C a 1200˚C. FEMt produzida: 36,256mV na temperatura de 1000˚C. • •
Aplicação: Pode ser utilizado atmosferas inertes e oxidantes. Pode ser aplicado em todos os processos que utilizam o termopar K (metalurgia, siderurgia, fabricação de cimento, vidro e cerâmica). 2.6.5. TIPO T (Cobre/Constantan). É um termopar muito utilizado para medições numa faixa em que compete com os sensores termoresistivos de platina (Pt100). Para aplicações em processos químicos, biológicos e alimentícios, apresenta vantagens importantes como menor incerteza que o termopar tipo K, facilidade de produção das ligas, e, por consequência, custo levemente inferior aos outros competidores do mesmo grupo e das termoresistências Pt100. Termoelementos: Cobre Termoelementos: Cobre e constantan. O constantan é o nome dado a uma família de ligas de Cu-Ni, com o teor de cobre variando entre 50% a 65%. A composição mais utilizada no tipo T é Cu58-Ni42. Polaridade: Cobre (+) e Constantan (-). O cobre pode ser identificado por sua cor avermelhada. Cor de identificação: azul.
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Características básicas: Faixa de utilização: -270 ˚C a 400 ˚C. Faixa recomendada: -40 ˚C a 350˚C. FEMt produzida: 17,819 mV na temperatura de 350ºC. • •
Aplicação: Processos ambientais, químicos, biológicos e alimentos. Pode ser utilizado em vácuo, atmosferas inertes, oxidantes e redutoras. Boa exatidão. Acima de 310ºC o cobre começa a se oxidar, e, a partir de 400ºC deteriora rapidamente. Pode ser utilizado em criogenia até - 262ºC. 2.6.6. Quadro Sintético dos Termopares de Matais Básicos Limite de Erro – Conforme Norma IEC 60584 (Tomar o que for maior )
TERMOPAR Tipo K Tipo T Tipo J Tipo N Tipo E
Classe I
Classe II
Classe III
±1,5˚C de -40˚C a 375˚C ±0,4% de >375˚C a 1000˚C ±0,5˚C de -40˚C a 125˚C ±0,4% de >125˚C a 350˚C ±1,5˚C de -40˚C a 375˚C ±0,4% de >375˚C a 750˚C ±1,5˚C de -40˚C a 375˚C ±0,4% de >375˚C a 1000˚C ±1,5˚C de -40˚C a 375˚C ±0,4% de >375˚C a 800˚C
±2,5˚C de -40˚C a 333˚C ±0,75% de >333˚C a 1200˚C ±1,0˚C de -40˚C a 133˚C ±0,75% de >133˚C a 350˚C ±2,5˚C de -40˚C a 333˚C ±0,75% de >333˚C a 750˚C ±2,5˚C de -40˚C a 333˚C ±0,75% de >333˚C a 1200˚C ±2,5˚C de -40˚C a 333˚C ±0,75% de >333˚C a 900˚C
±2,5˚C de -167˚C a 40˚C ±1,5% de -200˚C a -167˚C ±1,0˚C de -67˚C a 40˚C ±1,5% de -200˚C a -67˚C Não definido ±2,5˚C de -167˚C a 40˚C ±1,5% de -200˚C a -167˚C ±2,5˚C de -167˚C a 40˚C ±1,5% de -200˚C a -167˚C
2.7. Termopares Nobres São os termopares confeccionados com metais e ligas metálicas nobres, tais como platina, paládio, ródio, rênio e ouro. Embora tenham custo muito mais elevado que os termopares de metais básicos, apresentam melhor exatidão e estabilidade de longo prazo. Nos processos de produção, esses termopares tendem a apresentar maior homogeneidade e melhor pureza nos termoelementos, fatores que resultam em maior repetibilidade das características termoelétricas. Também são muito mais resistentes a ataques químicos, seja nos aspecto da corrosão quanto da oxidação. Alguns termopares nobres apresentam uma baixa potência termoelétrica (mV/˚C), fato que exige equipamento de medição (voltimétricos) com maior sensibilidade e resolução. 2.7.1. TIPO S – Platina/Platina-10% Ródio. Termoelementos: Termoelementos: Platina Pura(Pt100%) e Platina-10%Ródio Polaridade: Platina/Ródio 10% (+) e Platina Pura(-). O termoelemento Pt90Rh10 é mais duro. Cor de identificação: verde. Características básicas: Faixa de utilização: -50 ˚C a 1768 ˚C. Faixa recomendada: 0 ˚C a 1600 ˚C. FEMt produzida: 16,777 mV na temperatura de 1600 ˚C. • •
Aplicação: O termopar Tipo S tem predominância em aplicação, considerando os demais termopares nobres, embora possua desempenho muito similares ao termopar tipo R. É aplicado em situações que exigem boas exatidão e precisão, como por exemplo, para uso como padrão na calibração de outros tipos de termopares. Pode ser utilizado atmosferas inertes e oxidantes, mas não deve ser utilizado em atmosfera redutora, exceto quando devidamente protegido com tubos cerâmicos de boa
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qualidade. São muito sensíveis a contaminação, com perda da calibração quando expostos (uso em contato) com metais ou outros materiais que contenham metais. A potência termoelétrica em torno de 0˚C é muito baixa, desaconselhado seu uso abaixo de 50˚C. O uso próximo em temperaturas elevadas leva ao grande crescimento de grão, condição em que os termoelementos se tornam frágeis. 2.7.2. TIPO R – Platina/Platina-13% Ródio. Termoelementos: Termoelementos: Platina Pura(Pt100%) e Platina-13%Ródio Polaridade: Platina/Ródio 13% (+) e Platina Pura(-). O termoelemento Pt90Rh10 é mais duro. Cor de identificação: verde (mesma do termopar tipo S. Características básicas: Faixa de utilização: -50 ˚C a 1768 ˚C. Faixa recomendada: 0 ˚C a 1600 ˚C. FEMt produzida: 18,849 mV na temperatura de 1600 ˚C. • •
Aplicação: Possui características e desempenho muito similares às do termopar tipo S, com uma potencia termoelétrica levemente maior (cerca de 15%). O percentual de ródio é maior no termoelemento positivo. 2.7.3. TIPO B - Platina-6%Ródio/Platina-30% Ródio. Termoelementos: Termoelementos: Platina-30%Ródio/Platina-6%Ródio Polaridade: Platina-30%Ródio (+) e Platina-6%Ródio (-). O termoelemento Pt30Rh é mais duro. Cor de identificação: cinza. Características básicas: Faixa de utilização: 0 ˚C a 1820 ˚C. Faixa recomendada: 600 ˚C a 1700 ˚C. FEMt produzida: 12,433mV na temperatura de 1700 ˚C. • •
Aplicação: Aplicado para temperatura superiores às cobertas pelos tipos S e R. Pode ser utilizado atmosferas inertes e oxidantes, mas não nas redutoras, exceto quando protegido por tubos cerâmicos de boa qualidade. São sensíveis a contaminação, com perda da calibração quando expostos (uso em contato) com metais ou outros materiais que contenham metais. A potência termoelétrica até 300˚C é desprezível, desaconselhado seu uso até esse valor. Tem preço bem superior aos dos tipos R e S. 2.7.4.Quadro Sintético dos Termopares Nobres. Limites de Erro – Conforme Norma IEC 60584 (Tomar o que for maior )
TERMOPAR Classe I
Classe II
Classe III
Tipo S Tipo R
±1˚C de 0˚C a 1000˚C ou ±[1+0,3% x (leitura – 1100)]˚C
±1,5˚C de 0˚C a 600˚C ou ±0,25% leitura
Não definido
Tipo B
Não definido
±0.25% da leitura. De 600˚C a 1700˚C
±4˚C de 00˚C a 800˚C ±0.25% da leitura de >800˚C a 1700˚C
2.7.5.Outros Tipos T ipos de Termopares Nobres. Nob res. São comercialmente conhecidos e tecnicamente aplicados alguns outros tipos termopares nobres, desenvolvidos para aplicações especiais. São exemplos mais conhecidos:
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Platinel I® e Platinel II®: são termopares que utilizam utilizam termoelementos de ligas composta por ouro, paládio e platina, desenvolvidos pela Basf Catalysts. São comumente utilizados em turbinas de propulsão e possuem FEMt próximas as geradas pelo termopar tipo K. São comercializados tipos tipos especiais especiais de termopares com termoelementos de ouro, paládio e platina. Esses termopares são utilizados como padrões de referência para interpolação na aplicação da ITS90, inclusive por laboratórios nacionais. Apresentam superior estabilidade de longo prazo, uma excelente reprodutibilidade em termos de construção e alto desempenho quanto a resistência à oxidação e aos ataques químicos. Termopares confeccionados com termoelementos de metais e ligas nobres com platina, irídio e ródio. São termopares de uso muito específico, aplicados em aviões e naves espaciais.
2.8. Associação de Termopares Respeitadas certas especificidades, termopares são dispositivos com comportamento muito similar aos das baterias (pilhas) convencionais. Podem ser ligados entre si, para formar combinações que atendam fins específicos na ciência, em processos industriais ou para atender a objetivos na construção de máquinas e equipamentos. As associações mais comuns são que implicam em ligações em série, em paralelo ou série-paralelo. Cada qual resultam em propriedades específicas, conforme descrito em tópicos seguintes. 2.8.1.Associação Série Associação em série é utilizada para amplificar a FEMt gerada. A FEMt resultante da ligação em série de um número qualquer de termopares é somatório das FEMt de cada termopar, desde que os termoelementos sejam iguais e homogêneos, conforme mostra a Figura 2.8.1. Um caso exemplo de aplicação da associação série é o das termopilhas utilizadas como sensores térmicos nos pirômetros de radiação e das células de Peltier utilizadas em processos de aquecimento e refrigeração.
Figure Figura 2.8.1 – Associação de Termopares em Série
2.8.2.Associação em paralelo A FEMt resultante de uma associação de termopares em paralelo é a média aritmética das FEMt dos respectivos termopares. Essa forma de ligação é utilizada para obter a temperatura média de um dado número (n>1) de pontos de leitura. Um caso exemplo é o uso de múltiplos termopares distribuídos ao longo de uma superfície para mediar a temperatura média dessa superfície. Melhores resultados são obtidos quando os termopares são aproximadamente iguais e homogêneos. A Figura 2.8.2 ilustra a forma de ligação de uma associação em paralelo.
Figure Figura 2.8.2 – Associação de Termopares em Paralelo 2.8.3.Associação mista (série- paralelo). É uma combinação simultânea das associações série e paralela. Raramente é utilizada. Serve-se a objetivos especiais em que há interesse simultâneo na amplificação do sinal gerado e na medição de uma temperatura média a partir de mais de um termopar. É utilizada na fabricação de alguns tipos de célula de Peltier, técnica com uso crescente em componentes utilizados para refrigeração em
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utensílios domésticos e automotivos (mini geladeiras e bebedouros), bem como em produtos especiais para área de alta tecnologia (equipamentos médicos, científicos e metrológicos). 2.8.4. Medidas de diferenciais de temperatura. Dois termopares podem ser usados para medição da diferença de temperaturas entre dois pontos. A interligação entre os dois termopares deve ser feita de modo que as forças eletromotrizes sejam opostas, para mutuamente se cancelarem. Para temperaturas iguais, a FEMt resultante é nula. Qualquer valor de FEMt resultante é equivalente à diferença entre as temperaturas. A ligação de termopares no modo diferencial é uma técnica largamente aplicada quando o objetivo é conhecer (medir) diferença de diferença de temperatura. Um exemplo na ciência é a técnica analítica conhecida com DTA (differential thermo analysis), muito aplicada para qualificar e quantificar reações exotérmicos e endotérmicos nas áreas de física e química.
Figure Figura 2.8.3 – Medição de Diferença de Temperatura
3. INTERLIGAÇÃO DE TERMOPARES COM INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO Termopares são sensores (transdutores) que geram sinais elétricos (mV) em função de diferenças de temperaturas. Para dar utilidade a esses sinais, seja para o entendimento humano ou para uso na instrumentação de processo, os termopares dependem de instrumentos complementares. Como temperatura é a grandeza física mais medida e controlada em todo o mundo, há no mercado uma diversificada gama de equipamentos que utilizam sinais gerados por termopares. São exemplos clássicos os indicadores e controladores, analógicos e digitais, de temperatura; dispositivos amplificadores, registradores, conversores e condicionadores de sinais. Excetuando-se situações particulares, sempre existem diferenças de temperaturas entre pontos de conexões ao longo de um circuito que envolva termopares. Por isso, cuidados especiais devem ser observados, pois, do contrário, serão criados termopares indesejados (termopares espúrios) no circuito, tornando as medições incorretas. Técnicas devem ser adotadas para assegurar que os níveis de incerteza nas medições sejam compatíveis com as tolerâncias do processo. Dentre os aspectos mais relevantes, os fios, cabos e outros dispositivos de interligação devem seguir critérios técnicos conhecidos, que levem em conta o tipo do termopar e a qualidade dos produtos, de modo a inibir o aparecimento de termopares espúrios. Essas interconexões também devem ser feitas de modo a minimizar a captura de ruídos eletromagnéticos que possam interferir nos resultados das medições. Um terceiro importante aspecto a ser levado em conta nas interconexões de termopares é preço dos produtos. Dependendo do tipo do termopar esses componentes podem alcançar valores elevados, principalmente, nas aplicações de termopares nobres. Nesses casos, a alternativa mais aplicada é a utilização de materiais não nobres, mas que tenham uma FEMt similar à do termopar nobre. Nos próximos itens desta NT-008 serão discutidos alguns dos componentes básicos utilizados nas interligações de termopares. Na sequência, será mais bem analisado um componente fundamental nas interconexões de termopares: os fios e cabos de interligação, produtos especiais, e bem diferentes dos condutores utilizados na eletricidade geral. Esses fios/cabos tem denominações técnicas específicas: fios e cabos de extensão e fios e cabos de compensação, detalhados a seguir.
3.1. Fios e cabos de extensão Fios e cabos de extensão são os condutores fabricados com o mesmo material (metal ou liga) do termopar, ou seja, além de apresentar uma curva de FEMt x Temperatura igual a do termopar, numa
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faixa normatizada até 220˚C, também tem as mesmas outras propriedades físico-químicas do termopar. Nota: Quando um fio ou um cabo de extensão tem assegurada sua calibração para toda faixa de uso estabelecida para o termopar, ele passa a ser denominado de fio/cabo tipo termopar.
Por uma questão de custo/preço, os fios e cabos de extensão são somente aplicados para os termopares metais básicos (não nobres) tipos E, J, K, N e T.
3.2. Fios e cabos de compensação São os fios e cabos utilizados nas interligações dos termopares nobres (R, S e B) que não confeccionados com os mesmos materiais (metais ou ligas) do termopar, mas que apresentam curvas de FEMt x Temperatura similares à do respectivo termopar, tipicamente numa faixa até 220˚C. Como exemplo, fios e cabos de compensação para termopares à base de platina dos tipos R, S e B são confeccionados com ligas de cobre. Obviamente, tem custo muito inferior aos dos termopares, mas atendem aos requisitos técnicos em interligações mantidas em temperatura abaixo de 220˚C Valer observar que muitas aplicações as distancias cobertas nas interligações entre os termopares e os equipamentos de medição são muito longas (101 a 102 metros), tornando economicamente inviável o uso de fios/cabos de extensão, que são feitos com metais nobres.
3.3. Codificação para fios/cabos de extensão/compensação. Conforme visto nos Itens 2.6 e 2.7 desta NT-008, os termopares e boa parte de componentes complementares seguem preceitos de normas nacionais e internacionais, sendo por elas codificados com letras e cores definidoras. Por meio das cores é fácil identificar o tipo e a polaridade dos fios e cabos de extensão ou compensação, bem como a identificação da maioria dos demais componentes de um interconexão, tais como, conectores compensados, cabeçotes e empunhadeiras. O Quadro 2.9.3 apresenta esses códigos de cores. QUADRO 2.9.3 – CÓDIGO DE CORES - FIOS/CABOS DE EXTENSÃO, COMPENSAÇÃO COMPENSAÇÃO E TERMOPARES Tipo B C
Ligas Platina+6% Ródio / Platina+30%Ródio Tungst.+5% Ródio / Tungst.+26% Ródio
ANSI MC 96.1 (USA-Brasil) (USA-Brasil) Capa
+
-
Cinza
Cinza
Vermelho
Branco
Branco
Vermelho
IEC 60584-3 (Europa) Capa
+
-
DIN 43710 (Alemanha) Capa
+
-
Cinza
Vermelho
Cinza
E
Cromel/Constantan
Violeta
Violeta
Vermelho
Violeta
Violeta
Branco
Preto
Vermelho
Preto -
J
Ferro / Constantan
Preto
Branco
Vermelho
Preto
Preto
Branco
Azul
Vermelho
Azul
K
Cromel / Alumel
Amarelo
Amarelo
Vermelho
Verde
Verde
Branco
Verde
Vermelho
Verde
N
Nicrosil / Nisil
Laranja
Laranja
Vermelho
Rosa
Rosa
Branco
Vermelho
Vermelho
Branco
Verde
Verde
Vermelho
Laranja
Laranja
Branco
Branco
Vermelho
Branco
Verde
Verde
Vermelho
Laranja
Laranja
Branco
Branco
Vermelho
Branco
Azul
Azul
Vermelho
Marron
Marron
Branco
Marron
Vermelho
Marron
R S T
Platina+6% Ródio / Platina+30%Ródio Platina+6% Ródio / Platina+30%Ródio Cobre / Constantan
Observações: 1. Para fios/cabos de extensão (fios para termopares) na Norma ANSI MC96.1, a cor capa é sempre na cor marron café. 2. Conectores e outras partes coloridas para termopares seguem a cor da capa.
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3.4. Isolação convencional e especial dos fios e cabos de extensão e compensação. Cabos e fios de extensão e compensação são confeccionados para atender a um conjunto normatizado de atributos, necessários ou facilitadores, para a maioria das aplicações de termopares na instrumentação. Nesta NT-008 são tratados os aspectos de formação, dimensionamento, codificação, isolação e blindagem fios e cabos utilizados nas interconexões de termopares com os instrumentos complementares. 3.4.1. Formação e bitola dos condutores Quando um condutor possui um único fio é chamado de fio. Quando é composto por múltiplos fios é chamado de cabo. O mercado oferece fios e cabos para termopares, sendo que os fios normalmente são encontrados apenas para as bitolas (diâmetros) finas, já tendem a serem mais rígidos que os cabos. Os cabos, costumeiramente mais caros, são, comparativamente, mais flexíveis. Esta é uma vantagem importante para a maioria das aplicações. Quanto a quantidade de vias, independentes, de um condutor parte-se do chamado fio/cabo singelo (1 via) para os condutores multivias, que podem conter até centenas de vias independentes, dispostas em forma circular ou plana (flat cable). Quanto a definição das bitolas (diâmetros) dos condutores, os países signatários da convenção do metro, majoritariamente, as expressam pela área de seção da corte do condutores, em mm2. Já os países vinculados à cultura inglesa, mesmo que oficialmente tenham aderido ao sistema métrico, ainda preservam a tradição de expressar as bitola dos fios e cabos na unidade AWG (American Wire Gage) nos EUA e SWG na Inglaterra. O Quadro 3.4.1 a seguir mostras as principais bitolas de fios e cabos n sistema métrico (mm2) e AWG. Quadro 3.4.1 – Principais Bitolas para Fios e Cabos de Extensão/Compensação AWG 12 14 16 18 20
mm2 2,05 1,63 1,29 1,02 0,81
AWG 22 24 26 28 30
mm2 0,64 0,51 0,40 0,32 0,25
AWG 32 34 36 38 40
mm 2 0,20 0,16 0,13 0,10 0,08
Os cabos são formados por um conjunto de fios singelos, geometricamente arranjados para se obter um empacotamento otimizado. Esse arranjos obedecem um regra de formação que segue as seguintes formações. 3, 7, 19, 37, 61, 91 e 127 condutores. 3.4.2. Isolação elétrica e blindagem dos fios e cabos. Outras duas importante características dos fios e cabos de extensão/compensação são a isolação elétrica individual dos condutores (isolação primária), isolação elétrica entre os condutores (isolação secundária) e outras proteções feitas com objetivos de blindagem eletromagnética ou contra outras intempéries (umidade, ataque químico, desgaste mecânico, etc.). O natureza do material isolante, e das blindagens caso existam, definem diversas outras características de uso, tais como faixa de temperatura de uso, compatibilidade química com ambiente de instalação, resistência aos aspectos físicos da instalação. O Quadro 3.4.1, a seguir, sumariza as questões relativas a isolação e blindagem dos fios e cabos de extensão/compensação disponíveis no mercado.
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Quadro 3.4.2 – Isolação e Blindagem Blindagem dos Fios e Cabos de Extensão/Compensação Material
Temp. de Uso (˚C)
PVC
-40 a 100
Silicone
-30 a 180
Propriedades Químicas Bom para ácidos e bases. Ruim para cetonas e ésteres Boa resistência a compostos químicos como ácidos, bases, oxigênio e ozônio. Excelente para hidrocarbonetos ácidos, bases e outros solventes. Excelente para hidrocarbonetos ácidos, bases e outros solventes. Excelente para ácidos, bases e outros solventes. Excelente para ácidos, bases e outros solventes. Excelente para ácidos, bases e outros solventes.
Propriedades Físicas
Custo
Flexível, resistente a umidade e boa resistência à abrasão
Baixo
Muito flexível. Boa resistência à abrasão. Boa resistência à umidade.
Médio
Excelente resistência à abrasão e Alto umidade. Boa flexibilidade. Excelente resistência à abrasão e PFA(**) -250 a 250 Alto umidade. Boa flexibilidade. Fibra de Baixa resistência à abrasão e umidade. -50 a 250 Médio Vidro Boa resistência à chamas. Baixa resistência à abrasão. Teflon -200 a 200 Alto Excelente resistência à umidade. Excelente resistência à abrasão e à Kapton -250 a 250 Alto umidade. Boa flexibilidade. Muito baixa resistência à abrasão após Boa resistência aos ácidos, bases e uso em alta temperatura. Fibra de Cerâmica -50 a 1100 outros solventes. Alto Boa resistência à chamas. Excelente para uso em altas temperatura. (*) FEP (Fluorinated ethylene propylene) e (**) PFA (Perfluoroalkoxy (Perfluoroalkoxy polymer resin) são também, genericamente, chamados de FEP(*)
-200 a 200
neoflon.
4. ACESSÓRIOS PARA TERMOPARES A especificação correta de um termopar, além das características básicas primárias, discutidas anteriormente, também deve avaliar a necessidade de acessórios complementares, principalmente aqueles que estão relacionados com a montagem, a substituição e a compatibilidade com outros requisitos do processo. A seguir são descritos os itens mais comuns, básicos ou complementares, comuns às aplicações de termopares.
4.1. Isoladores I soladores A função primária do isolador é isolar, eletricamente, os termoelementos entre si, bem como isolá-los das demais partes condutoras da montagem, notadamente, da capa de proteção. Os isoladores são, majoritariamente, cerâmicos. Há outros produtos concorrentes, principalmente para usos em baixas temperaturas e em aplicações particularizadas, como vidro, quartzo, mulita, teflon, silicone e os chamados plásticos de engenharia. Para termopares não nobres é comum o uso de isoladores cerâmicos, como o tipo Pitágoras 610 (C610), com cerca de 60% Al2O3 + 35% SiO2 + outros. Para termopares nobres, devido ao alto potencial de contaminação por metais ferrosos, requerem tubos de alta alumina, como o Alsint 710 (C799), que possui teor de alumina acima de 99,5% de Al2O3 e pode ser utilizado acima de 1600˚C. Isoladores estão disponíveis numa variada gama de comprimentos, formatos e número de furos. São comuns as missangas até 80 mm e tubos capilares até 1033 mm, com diâmetros de 2 a 12 mm. O número de furos, tipicamente, varia de 1 a 6, permitindo uso de termoelementos nas convencionais. Nota: Nos termopares com isolação mineral, o isolante é um pó de óxido de magnésio (MgO), altamente compactado.
Em algumas aplicações que demanda termopares flexíveis, como em áreas de biologia, química e alimentos e frequente o uso de isoladores de teflon, PVC e plásticos de engenharia. Em altas temperaturas, quando é necessário o uso de termopares flexíveis, fibras de vidro ou sílica, amianto e alguns tipos de plásticos. A Figura 2.12.1, abaixo ilustra sessão em corte de isoladores.
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A Figura 2.12.1 - Sessão em corte de Isoladores Cerâmicos. Redondo
Oval
2 furos
4 furos
6 furos
Foto Geral
4.2. Blocos de Ligação Genericamente, dá-se o nome “bloco de ligação” ao componente utilizado para interligar os termoelementos aos fios/cabos de extensão/compensação. Especificamente, trata-se de um componente fixado dentro de um cabeçote para atender a mesma função. Embora existam blocos de ligação feitos com materiais poliméricos, com destaque para a baquelita, os blocos de cerâmica predominam. Os contatos são de cobre niquelados ou ligas especiais. Podem ter 2, 3, 4 ou 6), para atender às aplicações mais comuns. O mercado disponibiliza diferentes tamanhos e formatos, normalmente definidos para manter compatibilidade com o cabeçote e com o tipo de sensor. (os blocos são também utilizados para interligação de sensores termoresistivos a 2, 3 e 4 fios.). A Figura 4.2 mostra dos tipos comuns de blocos de ligação disponíveis comercialmente.
A Figura 4.2 – Mostra de Blocos de Ligação.
4.3. Cabeçotes Cabeçote é um componente utilizado para permitir, facilitar facilitar e proteger os contatos contatos entre os termoelementos e os fios de ligação (extensão/compensação) com a instrumentação, disponíveis em diversos tamanhos e formatos. Normalmente, abriga internamente um bloco de ligação e disponibiliza duas saídas: uma compatível com a conexão ao processo (conduíte, prensa cabo, etc.) e outra adequada de conexão ao termopar, seja ele convencional ou de isolação mineral. A Figura 4.3 mostra alguns dos tipos mais comuns de cabeçotes.
A Figura 4.3 – Mostra de Cabeçotes.
Os cabeçotes podem ser feitos de ferro fundido. Mas, a maioria são feitos de alumínio ou ligas de alumínio, zinco e cobre, como o zamak. Há diversas denominações comerciais para cabeçotes, quase sempre definidas em função do tamanho e da aplicação. Quanto ao tamanho, são usadas as denominações grande, médio e
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miniatura. Quanto a aplicação, podem ser à prova de tempo (uso externo), à prova de explosão (uso em áreas sujeitas a gases) ou para ambas. Outros parâmetros importantes numa correta especificação são as que definem a forma de fechamento, com pampa rosqueada ou de pressão, bem como as aplicáveis as conexões para o processo (com ou sem rosca, bitola de roscas, outras formas de fixação) e de ligação ao termopar, como bitola para soldagem, fixação por parafuso ou rosca para bucim ou tubo de proteção.
4.4. Conectores Compensados Nas aplicações sujeitas à frequentes as manobras de conexão e desconexão de termopares e fios/cabos de extensão/compensação, o uso dos conectores compensados (conectores rápidos), é recomendado. Estes conectores, como o nome indica, asseguram rapidez e praticidade às manobras. Os conectores compensados, similarmente aos fios/cabos de extensão, são confeccionados com as mesmas ligas dos termopares para os termopares não nobres. Quando se trata de termopares nobres (R, S e B) os conectores são confeccionados com ligas que apresentam uma FEMt equivalente às desses termopares. Os conectores compensados rápidos são polarizados. É necessário obedecer a polarização, pois a inversão resulta em erros significativos quando há gradientes térmicos ao longo do conector. Visando impedir inversões, os conectores possuem pinos de tamanho diferente para o positivo e o negativo. O pino negativo maior que o positivo, tanto para os conectores de tamanho padrão (standard), quanto para os miniaturas. Há no mercado dois tamanhos de conectores. Um, chamado de padrão ou tamanho grande. Outro conhecido como miniconector ou miniatura. Ambos apresentam mesmas características termoelétricas e funcionais, exceto quanto a dimensão e a robustez. Observa-se uma preferência pelos conetores padrão nas aplicações industriais, e um maior uso dos miniaturas nas aplicações cientificas, laboratoriais e domésticas.
A Figura 4.4 – Mostra de Conetores Compensados
(Padrão e Miniatura)
Os conectores também são identificados por cores, seguindo mesma codificação da usada para os respectivos termopares. Segue-se a cor de capa, conforme mostrada nos itens 2.6, 2.7 e no Quadro 2.9.3 desta NT-008.
4.5. Conexões Ajustáveis / Bucim Bucins, ou conectores ajustáveis, são dispositivo mecânicos (fittings no inglês) aplicados em certas instalações de termopares, notadamente, para termopares de isolação mineral, que permitem, por exemplo, o ajuste do comprimento de inserção dos termopares, por meio do deslocamento do conector sobre as bainha. Podem ser confeccionados em aço inoxidável, latão ou outras ligas e metais. É comum a disponibilidade para bainhas com diâmetros de 1,5; 2,0; 3,0; 4,5; 6,0 e 8,0 mm, com roscas métricas, NPT, BSP e BSPP nas bitolas convencionais usadas no mercado.
Figura 4.5.1- Conectores Ajustáveis
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Existem bucim reajustável (ou móvel), no qual a anilha feita de teflon ou outro material, permite fácil ajuste de posicionamento do termopar, sem troca de componente.
4.6. Tubos de Proteção Dá-se o nome tubo de proteção a um importante componente utilizado na maioria dos termopares, tanto nos convencionais quanto nos de isolação mineral, cujo objetivo é proteger os termoelementos da agressividade do meio. A Figura 4.6 mostra alguns tipos comuns de tubos de proteção, que podem variar de material e formato em função do meio e de outras exigências das instalações.
A Figura 4.6 – Mostra de Tubos de Proteção
A completeza da especificação para definição de tubos de proteção deve, por exemplo, levar em consideração as condições de uso, tais como a faixa de temperatura, as exigências químicas do meio (atmosfera, líquidos, sólidos) e as exigências físicas, como robustez mecânica à vibração, pressão e impactos, a influência sobre o tempo de resposta do termopar, as padronizações internas, etc. Exceto para aplicações especiais, os tubos de proteção podem ser divididos em dois grupos, os metálicos ou cerâmicos. Nos tópicos seguintes esses dois grupos são mais bem detalhados. 4.6.1. Tubos de Proteção Metálicos Aço Carbono: É Carbono: É o aço comum dos perfis metálicos, facilmente encontrado no mercado, abaixo custo. A temperatura máxima de utilização é de 550ºC. Presta-se ao uso geral em instalações que permitam baixa resistência à corrosão e limitada e aos ambientes oxidantes ou redutores. Aço Inoxidável AISI 304 e 304L: Recomendado 304L: Recomendado para uso até 700°C, sendo largamente utilizado em temperatura até 500˚C, notadamente em plantas químicas, no processamento de alimentos e outros usos similares. Apresenta boa resistente à corrosão, exceto para usos em atmosferas sulfurosas ou em contato com chamas redutoras. Não recomendado para uso em cloretos. Fica sujeito à precipitação do cromo (podridão verde) a partir de 700˚C, o que reduz a resistência à corrosão. Tende a formar e soltar carepas em temperaturas acima de 700˚C. Produto facilmente encontrado no mercado, a baixo preço. Aço Inoxidável AISI 316 e 316L: 316L: Características similares, mas melhoradas, às do AISI304. Pode ser utilizado até 900ºC, com boa resistências aos ácidos e bases. Também não deve ser aplicado quando há presença de enxofre e outros componentes sulfurosos. Produto facilmente encontrado no mercado brasileiro, a preços moderados. Aço AISI 310: Aço 310: Aço classificado com refratário, que pode de ser utilizado até 1100°C. Boa resistência à corrosão e à oxidação. Suporta atmosferas redutoras, sulfurosas e carbonizantes. Possui resistência mecânica superior à dos aços inoxidáveis nas temperaturas acima de 900˚C. Pouco resistente aos ácidos e as bases. Em temperaturas acima de 900˚C, mesmo sem descamar (carepar), desgasta-se com a liberação de um particulado fino (pó), notadamente, quando submetido a ciclos constantes de aquecimento e resfriamento. Produto facilmente encontrado no mercado brasileiro, a preços moderados.
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Aço Cromo 448: Máxima 448: Máxima temperatura de uso 1100°C. Excelente resistência à corrosão e oxidação em atmosferas sulfurosas. Utilizado para uso em banhos de sal, metais fundidos é outras aplicações que envolvam altas temperaturas. Boa resistência em ácidos. Sandvik 253MA: 253MA: Liga patenteada pela Sandvik, que pode ser empregada na confecção de tubos de proteção para trabalhos até 1150˚C. Pode ser utilizado em atmosferas oxidantes, nitretantes e carbonizantes, bem como em atmosferas endotérmicas e hidrogênio. Produto encontrado no mercado brasileiro, a preços moderadamente elevados. Alloy 800/800H e 800HTP: Ligas Fe-Cr-Ni com adição de Al, Ti que podem ser aplicadas para trabalhos até 1100°C. Apresentam boas propriedades mecânicas nas altas temperaturas e são resistentes à oxidação, à carbonização e à nitretação. A composição HTP melhora a resistência à ruptura e à fluência. Produto pode ser encontrado no mercado brasileiro, a preços elevados. Nióbio/Ligas Nióbio: Nióbio: Apresentam boa resistência à corrosão em metais líquidos até 1000°C e podem suportar temperatura até 2000ºC em vácuo ou atmosfera neutra. Produtos não são facilmente encontrados no mercado brasileiro, e, por isso, possuem preços elevados. Tântalo: Tântalo: Excelente resistência às altas temperaturas, com ótima condutividade térmica. Pode ser utilizado da temperatura ambiente até 2000 °C, dependendo da atmosfera. Operação ao ar é limitada a 350 °C. No vácuo, pode ser usado até 2000 °C. Trata-se de um material raro, que exige complexo processo de produção, e, por conseguinte, possui muito elevado. Nicrobel ® e Nicrosil ® : São ligas muito com composição química muito parecidas, ambas patenteadas, que apresentam boa resistência à oxidação em temperaturas até 1200˚C. A composição química e o coeficiente de dilatação resultam em efeitos positivos em suas aplicações como tubos de proteção para os termopares dos tipos K e N, pois minimiza os problemas de contaminação dos termoelementos, bem como ajuda na manutenção das propriedades mecânicas intrínsecas (mesmo coeficiente de dilatação), diminuindo a tendência de deriva de longo prazo da FEMt desses termopares. Produto encontrado no mercado brasileiro e distribuidores especializados, a preços moderadamente elevados. 4.6.2. Tubos de proteção cerâmicos. São tipicamente utilizados em processos que envolvam temperaturas superiores a 1200ºC e em aplicações onde as ligas metálicas são inadequadas. Têm predominância na proteção dos termopares nobres (platina e suas ligas), que não podem entrar em contato direto com metais em altas temperaturas, devido ao alto potencial de contaminação e perda calibração da FEMt padronizada. Apresentam vantagens quanto a resistência à oxidação nas altas temperaturas, bem como uma grande neutralidade às reações químicas com outros produtos em contatos. Majoritariamente, são resistentes à abrasão. Como desvantagens, apresentam baixa resistência mecânica (quebram a sofrerem impactos e quedas), e, alguns, são também pouco resistentes aos choques térmicos. Alguns tubos cerâmicos podem ser porosos e ter baixa capacidade à vedação. Tubos cerâmicos é uma denominação genérica dada à vastíssima combinação dos óxidos de alumínio, silício e magnésio. Há nomes específicos bastante conhecidos, como alumina, mulita, quartzo, carbeto e nitreto de silício, dentre outros. Existem, também, tubos confeccionados por combinações de metais com óxidos cerâmicos, conhecidos como “cermets”. Esses produtos são elaborados para atender a requisitos específicos de aplicação, já que os “cermets” apresentam elevados pontos de fusão, altas durezas, altas resistências à oxidação, etc. A seguir, são citados e descritos alguns típicos de produtos cerâmicos com maior uso na confecção de tubos para proteção de termopares e termoresistências. Alumina 610 (C610, Mulita): Produto Mulita): Produto bem conhecido no mercado com as denominações de alumina tipo 610, C610, mulita e Pitágoras. Podem suportar até 1650ºC, porém, recomenda-se o uso até 1400˚c. A composição típica possui cerca de 60% de Al2O3 e cerca de 40% de SiO2. Possui razoável
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condutibilidade térmica, boa resistência mecânica (exceto impactos) e média sensibilidade a choques térmicos. A porosidade varia com o processo de fabricação e deve ser uma propriedade a ser observada na especificação. Produto facilmente encontrado no mercado, a baixo preço. Alumina 710 (C799, Alsint, Alumina Recristalizada): Produto conhecido no mercado brasileiros com as denominações de alumina tipo 710, C799, alta alumina, alumina recristalizada e Alsint. Com cor branca ou branca-amarelada, suporta muito bem temperatura até 1800˚C. Contém altos percentuais de alumina, quase sempre acima de 99%. Suas propriedades físicas contemplam boa condutibilidade térmica, alta dureza, baixa porosidade e boa impermeabilidade. É sensível ao impacto e ao choque térmico. Tem superior estabilidade química quando comparada ao tipo 610. Excelente para proteção de termopares de platina com uso acima de 1400˚C, desde que apresente teores muito baixos (ppm) de ferro e outros metais na composição. Produto facilmente encontrado no mercado brasileiro e internacional, a preço moderado. Carbeto de Silício: Material Silício: Material composto, basicamente, por Si e C, cor preta-cinza, também conhecido pelo nome carborundum . Tem ponto de fusão acima de 2700˚C, mas é tipicamente utilizado na proteção de termopares até 1600ºC, notadamente em aplicações onde a alumina apresenta problemas físico-químicos de contato com o meio. Em certas aplicações, é utilizado como tubo de proteção primário (externo) para cobrir um tubo secundário de alumina. Trata-se de um material altamente poroso, baixa resistência mecânica e resistente aos meios ácidos e alcalinos. Quando feito com certos cuidados especiais (grão fino recristalização e alta compactação) pode ser utilizado para imersão direta em banhos de zinco, chumbo, alumínio e cobre. Possui alta condutibilidade térmica e boa resistência ao choque térmico. Produto encontrado no mercado brasileiro, a preço moderado. Nitreto de Silício (Si3N4): ): Produto feito à base de nitreto de silício (Si3O4). Apresenta baixa molhabilidade e boa resistência à corrosão. Pode ser aplicado para imersão direta em banhos de metais não ferrosos. Trata-se um produto especial, difícil de ser encontrado no mercado brasileiro (disponível no mercado internacional) a preços elevados. Quartzo: Quartzo: Quartzo é a denominação genérica dada às formas cristalinas do óxido de silício (SiO2). Possui algumas excelentes propriedades físico-químicas, tais como transparência, absorção espectral, refração e baixo coeficiente de expansão. É impermeável, resistente a ácidos e bases (exceto fluoretos),. Possui ponto de fusão acima de 1600˚C (depende da forma cristalina). É aplicado como tubo de proteção de termopares e termoresistência usados como padrões em termometria, e, também, em ensaios físico-químicos nas atividades de pesquisa e desenvolvimento. O contato com certos aletos alcalinos podem catalisar a transformação da estrutura molecular para forma de cristobalita (quartzo esbranquiçado – podridão branca), que fragiliza/danifica o produto. Pode ser encontrado com facilidade no mercado brasileiro, a preços moderadamente elevados.
4.7. Poços Termométricos Os poços termométricos são componentes com funções parecidas às dos tubos de proteção. proteção. Porém, diferem, confeccionados para atender a exigências especiais (físicas e mecânicas) de determinados processos. Por exemplo, são normalmente aplicados em montagem em que a longevidade é um requisito importante, ou há exigências particularizadas ou superiores de estanqueidade, suporte à pressões, resistências a meios agressivos, etc. Genericamente, utiliza-se poços termométricos onde as condições de segurança ou manutenção são fatores críticas. Poços termométricos diferem dos tubos de proteção quanto a certos requisitos construtivos. Tipicamente, enquanto os tubos de proteção são fabricados a partir de tubos com ou sem costura existentes no mercado, os poços termométricos são usinados a partir de tarugos de um material apropriado. É comum que a fixação ao processo seja feita por meio de rosqueamento, soldagem, flange ou outros formas de fixação que assegurem robustez mecânica e hermeticidade, eliminando a necessidade de paradas, esvaziamentos do processo para troca ou manutenção dos sensores.
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A Figura 4.7 – Mostra de Poços Termométricos
5. RECOMENDAÇÕES NAS INSTALAÇÕES E MEDIÇÕES COM TERMOPARES 5.1. Escolha de termopares A escolha e a especificação de um termopar pode não é uma tarefa tão simples como pode inicialmente parecer. Ela deve levar em conta os diversos requisitos da aplicação e as características do sensor intrínsecas e extrínsecas do sensor. Os aspectos a serem considerados são muitos e devem ser criteriosamente analisados. A seguir são mencionados apenas aspectos primários da análise, sem a pretensão de aprofundar nos temas. •
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A compatibilidade com a faixa de temperatura de uso. Nesse aspecto, aspecto, pode ser que diversos termopares sem eletivos, levando a melhor escolha a ser definida por outros aspectos. Maior potência termelétrica do termopar (mV/˚C). A princípio, quanto maior for esta relação, melhor será a relação sinal/ruído, o que facilita o processo de medição. Avaliação da precisão precisão e da exatidão exatidão apresentada pelo tipo do termopar. Esses aspectos são definidas por normas nacionais e internacionais aplicadas. Deve-se confrontar o desempenho do termopar com o atendimento à tolerância admitida para o processo. A compatibilidade entre as propriedades físico-químicas do termopar com as do meio de uso. Por exemplo, termopares dos tipos R, S, E, K, N são resistentes à oxidação, mas ruins em atmosferas redutoras. Já os tipos J e T são bons em atmosferas redutoras e ruins nas oxidantes. Homogeneidade típica dos termoelementos. Há, comumente, poucas fontes de informações sobre essa característica. Porém, termopares compostos por termoelementos com elementos químicos mais voláteis, como o magnésio e manganês, são mais susceptíveis as alterações de composição. Elementos puros ou ligas binárias são mais estáveis. Vele destacar que a tendência a heterogeneidade pode resultar periodicidade menor de substituição de sensores. Tempo de resposta do termopar. Definido Definido como o tempo necessário para o termopar reagir às variações da temperatura. Tipicamente é dado em termos da “constante de tempo” para uma resposta de 63,2% da variação. Custo inicial de de instalação. Define o custo de aquisição do sensor e de seus acessórios de instalação. Por exemplo, os termopar nobres tendem exigir componentes diferentes dos aplicados para os não nobres. Custo operacional. Define Define os custo operacional de longo prazo do sensor, levando em conta seu desempenho e expectativa de vida. Facilidade de aquisição. Deve levar em conta a logística de compra e reposição. Compatibilidade com outros outros instrumentos do do processo. Esse é um importante aspecto, que deve considerar o termopar e os demais componentes da instrumentação, como os cabeamentos existentes ou a ser lançados, os transmissores de sinais, indicadores e controladores de processo. Atendimento a padronizações internas e externas. A escolha de um termopar deve considerar aspectos relacionados às normas internas e externas aplicadas pela organização; deve buscar a diminuição do número de itens reposição; deve estar ajustada ao conhecimentos técnicos do usuário e do pessoal da instrumentação e deve atender a muitos outros aspectos relacionados à gestão dos processos relacionados à instrumentação.
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5.2. Instalação I nstalação de termopares Instalação de termopares é uma prática rotineira nos processos que demandam medição de temperatura, notadamente na instrumentação dos processo de produção. A atividade demanda conhecimentos e habilidades pessoais e ferramentas, bem como à observância de um conjunto de cuidados considerados clássicos, sem os quais diversos atributos podem afetar a qualidade das instalações e os resultados das medições (precisão, incerteza e exatidão). Sem se aprofundar nas questões relativas à instalação de termopares, são destacados os seguintes aspectos: •
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Posicionamento do termopar: O termopar deve ser posicionado em local local de fácil acesso, baixo gradiente térmico e baixo risco de interferência com a circunvizinhança e com o produto em processamento térmico. Quando termopares operam em temperaturas muito elevadas, o posicionamento vertical é vantajoso por minimizar a tendência à flexão dos tubos de proteção. Posicionamento da junção de medição: A junção de medição do termopar deve ser posicionada em ponto representativo do local de medição. Isso deve, dentre outras precações, levar em consideração o posicionamento da fonte de adição ou de subtração de calor; deve evitar o posicionamento em zonas mortas; deve-se evitar que chamas de queimadores atinjam diretamente o termopar. Profundidade de imersão: Para medir, corretamente, a junção de medição do termopar deve ser imersa no meio de medição até a uma profundidade suficiente para ajustar os efeitos das perdas ou ganhos de calor para o ambiente aos níveis admitidos na incerteza e tolerados pelo processo. Essa profundidade imersão depende de vários fatores, sendo os mais relevantes o diâmetro do termopar; a condutividade térmica do tubo/capa de proteção; a capacidade e a condutividades térmicas do meio; a diferença entre as temperaturas do meio e do ambiente, bem como a incerteza desejada na medição. Uma regra primária indica que a imersão deva se situar entre 10 a 15 vezes o diâmetro para termopares com proteções cerâmicas e de 15 a 20 ara termopares com proteção metálica. Isso, em algumas aplicações pode exigir o uso de termopares em formatos especiais, como os dobrados em L. Choque térmico: A ocorrência de choques térmicos é um condição que deve ser analisada e evitada nas instalações que utilizam termopares, notadamente, quando são utilizados tubos de proteção cerâmicos. Em termos genéricos, os choques térmicos devem ser evitados, pois, no mínimo, casa fadiga térmica dos termoelementos. Em instalações com temperaturas elevadas, pode ser uma boa prática pré-aquecer o termopar antes de sua inserção em ambiente, ou fazer retiradas lentas para minimizar o choque térmico. Quando os choques térmicos forem inevitáveis, os tubos de proteção devem de materiais resistentes à essa condição. Ruídos eletromagnéticos e transientes elétricos: Ruídos eletromagnéticos e transientes são os distúrbios indevidos, induzidos eletromagneticamente ou conduzidos pelas redes, que geram sinais espúrios que são superpostos ao sinal de um termopar, provocando erros na medição e contribuindo para a elevação da incerteza da medição. Como os termopares geram sinais de baixo nível (milivolts), qualquer campo elétrico ou magnético pode interferir nos sinais gerados pelo sensor. Cuidados específicos devem ser tomados, principalmente quando o termopar ou seus componentes são instalados próximos a fontes de ruídos, tais como fornos elétricos com controles tiristorizados, reatores de lâmpadas, motores, transmissores de comunicação, máquinas de solda, fornos de indução e de micro ondas, transformadores e inúmeras outras fontes de ruídos. Acessórios complementares: As instalações com qualidades adequadas devem levar os uso de acessórios complementares que facilitem a montagem, a manutenção e a minimização de falhas. Boas instalações devem asseguram identificações bem visíveis dos tipos e polaridades dos termoelementos e dos cabos/fios de compensação e extensão; proteção das partes contra intempéries; imunidade ao ruídos eletromagnéticos; minimização de geração de forças eletromotrizes espúrias, dentre outras. Isso deve levar ao uso de cabeçotes, bucins, conectores, e outros componentes corretamente especificados e instalados.
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5.3. Obtenção da Junção de Referência Termopar é um sensor que apenas mede diferenças de temperatura. Ou seja, numa medição de temperatura com termopares, a força eletromotriz gerada de origem térmica (FEMt) é uma variável dependente da diferença entre as temperaturas das junções de medição e de referência. Para que não haja erro na medição, a temperatura de junção de referência deve ser adequadamente mantida e mensurada à cada medição, para seja compensada. Há diversas formas para fazer isso, entretanto, três métodos são universalmente utilizados para estabelecer um valor conhecido para a temperatura da junção de referência. São eles: a) Junção de referência em banho de gelo (0ºC): (0ºC): Nesse método a junção de referência é mantida em um banho de gelo (0˚C), ou seja, num ponto fixo secundário da ITS90. Por sua natureza e exatidão, é um método muito o utilizado nas atividades de calibração de termopares, já que banhos de gelo corretamente preparados e utilizados asseguram incertezas muito baixas (de 0,05˚C a 0,001˚C). Maiores detalhes sobre a preparação e uso de banhos de gelo podem ser encontrados na Nota Técnica 004 publicada pela Analógica. Obviamente, o método do banho de gelo é impraticável na grande maioria das aplicações envolvendo termopares, sendo usado apenas em atividades laboratoriais e cientificas. b) Junção de referência em temperaturas controladas (caixas termostatizadas): termostatizadas): Nesse método, as junções de referência de termopares são mantidas numa temperatura conhecida e controlada. Foi um método bastante utilizado, principalmente na indústria, antes do advento dos atuais métodos de compensação eletrônica, discutidos no tópico seguinte. Nessas caixas termostatizadas, comumente mantidas na temperatura de 50ºC por meio de aquecimento resistivo controlado, são mantidas as junções de referências de um grande número de termopares. O valor da temperatura da caixa passa a ser considerado no cômputo da temperatura medida pelos termopares. c) Junção de referência com compensação automática (junção eletrônica): Atualmente, eletrônica): Atualmente, é o método mais utilizado para o referenciamento de termopares, utilizado na grande maioria dos modernos equipamentos eletrônicos de medição de temperatura que utilizam termopares como sensores. A temperatura da junção de referência é medida por sensores apropriados, (não termopares), tais como termoresistências de platina (Pt100), termistores dos tipos PTC e NTC, diodos e transistores especiais, etc. A temperatura de referência é medida e compensada, automaticamente, com uso de microprocessadores de programas embarcados. Esse método é utilizado nos termômetros digitais facilmente encontrados no mercado mundial.
5.4. Fontes de incerteza nas medições com termopares Todo resultado de uma medição carrega uma incerteza associada, que não pode ser totalmente eliminada. Segundo o Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM), incerteza é o “parâmetro associado ao resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser o”. Conhecer e relatar a incerteza das medições é uma razoavelmente atribuídos ao mensurand o”.
condição necessária para a confiabilidade metrológica e universalização dos valores das medições, inclusive para as medições realizadas com termopares.
Nesta NT-008 não é feita abordagem aprofundada sobre a metodologia mundialmente aplicada para estimar incerteza de medição. Esse assunto é extensivamente tratado na literatura técnica nacional e internacional, com destaque para o Guia para Expressão da Incerteza de Medição (ISBN 85-0700251-X), cuja tradução foi publicada pelo Inmetro e a publicação ISO EA-4/02 11, “Expressão da incerteza de medição em calibração.
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Do ponto de vista com cobertura apenas as fontes de incerteza vinculadas ao sensor termopar, as principais componentes de incerteza são mostradas no Quadro 5.4, colocado a seguir. Quadro 5.4 – Principais Fontes de Incerteza Incerteza - Medição com Termopares Componente Incerteza do instrumento de leitura (indicador, controlador, termômetro, voltímetro, etc.). Resolução limitada do instrumento de leitura. FEMt decorrentes de termopares parasitas parasitas formados na cablagem e conexões. Incerteza dos cabos/fios de extensão e compensação.
Distrib. de Coef. de probabilidade Sensitividade Normal
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Heterogeneidade do termopar.
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Incerteza no estabelecimento estabelecimento da temperatura de referência.
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Incerteza devido a profundidade de imersão
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Comentário Obtida do certificado de calibração do instrumento de leitura. Igual a 50% do valor da resolução. Quase sempre estimada como componente do tipo B. Obtida do certificado de calibração cabos de extensão/compensação. Obtido por medição ou tomado como 20% da incerteza atribuída a tipo de termopar. Componente tipo B se estimada. Componente tipo A, se obtida por medição. Obtida por verificação do efeito de variações incrementais na profundidade de imersão
5.5. Calibração e Reposição de Termopares. Termopar é um componente crítico nos processos de medição. Por conseguinte, necessita ser calibrado antes da instalação inicial, e, posteriormente, ser periodicamente recalibrado. Uma questão sempre levantada no uso de termopares é a periodicidade de recalibração, já que o estado de calibração é afetado por diversos fatores, alguns com identificação e avaliação não triviais. Sem adentrar nos detalhes metodológicos sobre como estabelecer uma boa periodicidade de recalibração, vale citar alguns importantes aspectos a serem avaliados e considerados: •
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Criticidade da medição para o processo, pois quanto mais crítica é a medição, menor dever ser os intervalos entre as verificações e recalibrações. Agressividade do meio de medição com relação o termopar, já que termopares utilizados em meios agressivos tendem a ter menor longevidade e maior potencial de perda de calibração. Valores extremos da temperatura, principalmente quando há uso em temperaturas elevadas elevadas que potencializam a evaporação seletiva de componentes de liga e difusão de contaminantes. Tempo de uso em condições adversas e fadiga por ciclagem térmica. Características construtivas do termopar, tais como tipo e forma de proteção. Dados históricos da aplicação, principalmente relacionados com números de falhas e tendências obtidas de certificados de calibração. (Essas informações podem ser buscadas em desempenhos de terceiros ou aplicações similares, caso não aja dados específicos disponíveis).
No Brasil, não obstante ser o objetivo orientar os laboratórios nacionais acreditados em termometria, a Comissão de Temperatura (CT11) da Coordenação Geral de Acreditação de Laboratórios (Cgcre), do Inmetro, recomenda-se que os termopares de trabalho sejam recalibrados em com periodicidade de 12 meses. Posteriormente, dependendo do histórico do desempenho, os intervalos podem ser reajustados. A metodologia aplicada para calibração de termopares, bem como outros aspectos relacionados ao processo de calibração, são tratados na Nota Técnica Analógica NT-005.
6. BIBLIOGRAFIA 1. EURAMET-CG-08.01 Calibration of Thermocouples. 2. American Society for Testing and Materials: Manual on the use of thermocouples in temperature measurement. ASTM Special Technical Publication 470A. 3. Quinn, T. J.: Temperature. Academic Press: London, 1990
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4. Nicholas, J. V. and White, D. R.: Traceable Temperatures. John Wiley & Sons Ltd.: Chichester, England, 2001. 5. BIPM: Techniques for Approximating the International Temperature Scale Scale of 1990. 1990. 6. Burns, G. W., Scroger M.G., Strouse G. F., Croarkin M. C. and Guthrie W. F.: TemperatureElectromotive Force Reference Functions and Tables for the Letter designated Thermocouple Types Based on the ITS-90, NIST Monograph 175. 7. EN IEC 60584-1 - Thermocouples, Part 1, Reference Reference tables 8. EN IEC 60584-2 - Thermocouples, Part 2, Tolerances 9. EN IEC 60584-3 - Thermocouples, Part 3, Extension and Compensating Cables - Tolerances and Identification System. 10. Jahan, F. and Ballico, M.: A Study Study of the Temperature Dependence of Inhomogeneity in PlatinumBased Thermocouples, in “Temperature: Its Measurement and Control in Science and Industry, Vol. 7 (2003) p. 469 – 473. 11. EA-4/01 - Requirements Concerning Certificates Issued by Accredited Accredited Laboratories. 12. EA-4/02 11- Expressão da incerteza de medição em calibração. calibração. 13. Escala Internacional de Temperatura de 1990, Metrologia, vol. 27, 1990 14. EURAMET-CG-11.01 Guidelines on the Calibration of Temperature Indicators and Simulators Simulators by Electrical Simulation and Measurement. 15. EURAMET-CG-13.01_Calibration of Temperature Block Calibrators. 16. NBR 12550: - Termometria - Terminologia aplicada. 17. NBR 12771 - Termopares - Tabelas de referência. 18. NBR 12812 - Fio nu para termopar. 19. NBR 13522 - Termopar - Calibração por comparação com termopar de referência 20. NBR 13770 -Termopar - Calibração por comparação com termoresistência de referência. 21. NBR 13771 - Cabo e fio de compensação ou extensão para termopar - Calibração por comparação com instrumento padrão. 22. NBR 13774 - Cabos e fios de compensação e/ou extensão para termopar – Tolerâncias e identificação. 23. NBR 13863 - Preparação e uso de junção de referência para calibração de termopar 24. NBR 14670 - Indicador de temperatura para termopar - Calibração por comparação utilizando gerador de sinal. 25. ASTM E235 Specification for Thermocouples, Sheathed, Type K and Type N, for Nuclear or for Other High-Reliability Applications 26. ASTM E574 Specification for Duplex, Base Metal Thermocouple Wire With Glass Fiber or Silica Fiber Insulation 27. ASTME585/E585M Specification for Compacted Mineral-Insulated, Metal-Sheathed, Base Metal Thermocouple Cable 28. ASTM E608/E608M Specification for Mineral-Insulated, Metal-Sheathed Base Metal Thermocouples 29. ASTM E1159 Specification for Thermocouple Materials, Platinum-Rhodium Platinum-Rhodium Alloys, and Platinum 30. ASTM E2181/E2181M Specification for Compacted Mineral-Insulated, Metal-Sheathed, Noble Metal Thermocouples and Thermocouple Cable 31. NISTMonograph175 Temperature-Electromotive Force Reference Functions and Tables for the Letter-Designated Thermocouple Types Based on the ITS-90 Available from National Institute of Standards and Technology (NIST), 100 Bureau Dr., Stop 1070, Gaithersburg, MD 20899.
7. FOTOS E FIGURAS Algumas fotografias e figuras utilizadas para ilustrar esta Nota Técnica 008 foram retiradas da rede mundial de computadores (Internet), tendo como fontes fabricantes, distribuidores e vendedores de termopares e componentes para termopares. A esses autores e entidades, muitos dos quais anônimos, a Analógica agradece e reconhece a contribuição.
