Termopares: Princípios, Tipos, Aplicações e Fontes de Erro

Princípio de Funcionamento do Termopar

O funcionamento do termopar baseia-se no efeito Seebeck. Este fenômeno ocorre quando duas junções de metais ou ligas diferentes são unidas para formar um circuito fechado. Ao submeter essas junções a diferentes temperaturas, gera-se uma força eletromotriz (F.E.M.) térmica. Essa F.E.M. pode ser medida com um multímetro.

Para realizar a medição, o circuito termoelétrico é aberto em uma das extremidades, enquanto a outra extremidade é posicionada no local cuja temperatura se deseja medir. Um multímetro é conectado à extremidade aberta do circuito. A tensão Seebeck medida indica a F.E.M. térmica em uma condição de circuito aberto, onde a corrente elétrica é nula. O valor dessa tensão é proporcional à diferença de temperatura entre as junções do termopar.

Para determinar a temperatura absoluta do local desejado, é essencial realizar a compensação da temperatura ambiente. A tensão medida é proporcional à diferença de temperatura; ao subtrair a F.E.M. correspondente à temperatura ambiente (EJR), obtém-se a F.E.M. que representa a temperatura do ponto de medição.

Tipos Comuns de Termopares e Aplicações

• Tipo K: Amplamente utilizado em atmosferas oxidantes ou inertes, com faixa de temperatura de -200°C a 1200°C. São ideais para temperaturas acima de 540°C e ocasionalmente usados abaixo de 0°C. A relação entre F.E.M. e temperatura é praticamente linear.
• Tipo T: Utilizado na indústria de refrigeração e ar-condicionado, e para medições em baixas temperaturas em geral.
• Tipo J: Comum na indústria em geral.

Diferenças na Força Eletromotriz entre Termopares

Termopares de diferentes composições químicas, submetidos às mesmas diferenças de temperatura nas junções, geram diferentes forças eletromotrizes devido à dependência da tensão produzida pelo efeito Seebeck em dois fatores: a diferença de temperaturas e a composição química. A variação na composição química altera a densidade de elétrons livres, o que, por sua vez, afeta a F.E.M. gerada.

Principais Fontes de Erro de Leitura em Termopares

1. Compensação Eletrônica da Temperatura Ambiente

• Ruído Elétrico: Sinais de termopares geralmente estão na faixa de milivolts, tornando-os suscetíveis a ruídos externos ou gerados pelo próprio dispositivo de medição. Filtros de alta frequência e amplificadores de sinal são usados para mitigar esse problema. A montagem direta do termopar em materiais condutores ou sua imersão em líquidos condutores também podem introduzir ruído.
• Incerteza na Medição da Temperatura Ambiente: A precisão da compensação da temperatura ambiente depende da exatidão da medição dessa temperatura. A incerteza na medição ambiente propaga-se para o cálculo final da temperatura.
• Erros de Offset: Dispositivos de medição podem introduzir erros de offset, que se tornam significativos quando os sinais de saída do termopar são muito baixos (próximos de 0V).

2. Compensação por Junta Fria (CJC)

• Gradiente de Temperatura na Junta Fria: A diferença de temperatura entre a junção fria e o sensor de CJC é uma fonte comum de erro, frequentemente apresentando as maiores variações. Manter o dispositivo termopar em um ambiente estável, com mínima variação de temperatura e baixo fluxo de ar, é crucial. Fontes de calor próximas também podem afetar a exatidão do sensor de CJC.
• Pureza da Água (Junta de Gelo + Água): Se for utilizada uma junta fria de gelo + água como referência, a pureza da água é importante. Água não destilada pode introduzir erros na determinação da temperatura de referência.