Termopar: princípio de operação, dispositivo

O princípio de operação e design de um termopar é extremamente simples. Isso levou à popularidade deste dispositivo e seu uso generalizado em todos os ramos da ciência e tecnologia. O termopar é projetado para medir temperaturas em uma ampla faixa - de -270 a 2500 graus Celsius. O dispositivo tem sido um assistente indispensável para engenheiros e cientistas há décadas. Ele funciona de forma confiável e sem falhas, e as leituras de temperatura são sempre verdadeiras. Um dispositivo mais perfeito e preciso simplesmente não existe. Todos os dispositivos modernos operam com base no princípio do termopar. Eles trabalham em condições difíceis.

Atribuição de termopar

Este dispositivo converte energia térmica em corrente elétrica e permite a medição de temperatura. Ao contrário dos termômetros de mercúrio tradicionais, ele é capaz de operar em condições de temperaturas extremamente baixas e extremamente altas. Esta característica levou ao uso generalizado de termopares em uma ampla variedade de instalações: fornos metalúrgicos industriais, caldeiras a gás, câmaras de vácuo para tratamento térmico químico, forno para fogões a gás domésticos. O princípio de operação de um termopar permanece sempre inalterado e não depende do dispositivo no qual ele está montado.

A operação confiável e ininterrupta do termopar depende da operação do sistema de desligamento de emergência dos dispositivos em caso de ultrapassagem dos limites de temperatura permitidos. Portanto, este dispositivo deve ser confiável e fornecer leituras precisas para não colocar a vida das pessoas em risco.

Benefícios do uso de termopares

As vantagens de usar tais dispositivos para controle de temperatura, independentemente da aplicação, incluem:

• uma grande variedade de indicadores que podem ser registrados usando um termopar;
• a soldagem do termopar, que está diretamente envolvida na realização das leituras, pode ser colocada em contato direto com o ponto de medição;
• processo simples de fabricação de termopares, sua resistência e durabilidade.

Como funciona o termopar

Um termopar possui três elementos principais. São dois condutores de eletricidade de diferentes materiais, além de um tubo protetor. As duas extremidades dos condutores (também chamados de termoeletrodos) são soldadas e as outras duas são conectadas a um potenciômetro (dispositivo de medição de temperatura).

Em termos simples, o princípio de operação de um termopar é que a junção dos termeletrodos é colocada em um ambiente, cuja temperatura deve ser medida. De acordo com a regra Seebeck, uma diferença de potencial surge nos condutores (caso contrário - termoeletricidade). Quanto mais alta a temperatura do meio, mais significativa é a diferença de potencial. Consequentemente, a seta do dispositivo se desvia mais.

Nos modernos complexos de medição, os indicadores digitais de temperatura substituíram o dispositivo mecânico. No entanto, o novo dispositivo está longe de ser superior em suas características aos dispositivos antigos da era soviética. Em universidades técnicas e em instituições de pesquisa, até hoje eles usam potenciômetros 20-30 anos atrás. E eles exibem uma incrível precisão e estabilidade de medição.

Tipos de dispositivos

Cada tipo de termopar tem sua própria designação e são divididos de acordo com o padrão geralmente aceito. Cada tipo de eletrodo tem sua própria abreviatura: TXA, TXK, TBR, etc. Os conversores são distribuídos de acordo com a classificação:

• Tipo E - é uma liga de chromel e constantan. A característica deste dispositivo é considerada alta sensibilidade e desempenho. Isso é especialmente adequado para uso em temperaturas extremamente baixas.
• J - refere-se a uma liga de ferro e constantan. Possui alta sensibilidade, que pode atingir até 50 μV / ° C.
• O tipo K é considerado a liga de cromo / alumínio mais popular. Esses termopares podem detectar temperaturas que variam de -200 ° C a +1350 ° C. Os dispositivos são usados ​​em circuitos localizados em condições não oxidantes e inertes, sem sinais de envelhecimento. Quando os dispositivos são usados ​​em um ambiente bastante ácido, o chromel rapidamente se corroe e se torna inutilizável para medir a temperatura com um termopar.
• Tipo M - representa ligas de níquel com molibdênio ou cobalto. Os dispositivos podem suportar até 1400 ° C e são usados ​​em instalações que operam com base no princípio de fornos a vácuo.
• Tipo N - dispositivos de nichrosil-nisil, cuja diferença é considerada resistência à oxidação. Eles são usados ​​para medir temperaturas na faixa de -270 a +1300 ° C.

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Existem termopares feitos de ligas de ródio e platina. Eles pertencem aos tipos B, S, R e são considerados os dispositivos mais estáveis. As desvantagens desses conversores incluem alto preço e baixa sensibilidade.

Em altas temperaturas, dispositivos feitos de ligas de rênio e tungstênio são amplamente utilizados. Além disso, de acordo com sua finalidade e condições de operação, os termopares podem ser submersíveis e superficiais.

Por design, os dispositivos têm uma união ou flange estática e móvel. Os conversores termoelétricos são amplamente usados ​​em computadores, que geralmente são conectados por meio de uma porta COM e são projetados para medir a temperatura dentro do gabinete.

Efeito Seebeck

O princípio de operação de um termopar é baseado neste fenômeno físico. O resultado final é o seguinte: se você conectar dois condutores feitos de materiais diferentes (às vezes, semicondutores são usados), uma corrente circulará ao longo desse circuito elétrico.

Assim, se a junção dos condutores for aquecida e resfriada, a agulha do potenciômetro oscilará. A corrente também pode ser detectada por um galvanômetro conectado ao circuito.

Caso os condutores sejam do mesmo material, não haverá força eletromotriz, respectivamente, não será possível medir a temperatura.

Diagrama de conexão de termopar

Os métodos mais comuns de conexão de instrumentos de medição a termopares são os chamados método simples, bem como o diferenciado. A essência do primeiro método é a seguinte: o dispositivo (potenciômetro ou galvanômetro) é conectado diretamente a dois condutores. Com o método diferenciado, não uma, mas as duas pontas dos condutores são soldadas, enquanto um dos eletrodos é "quebrado" pelo dispositivo de medição.

É impossível não mencionar o chamado método remoto de conexão de um termopar. O princípio de operação permanece o mesmo. A única diferença é que fios de extensão são adicionados ao circuito. Para este propósito, um cabo de cobre comum não é adequado, uma vez que os fios de compensação devem ser necessariamente feitos do mesmo material que os condutores do termopar.

Desvantagens de medir a temperatura com um termopar

As desvantagens de usar um termopar incluem:

• A necessidade de monitoramento constante da temperatura do contato "frio" do termopar. Esta é uma característica distintiva do projeto de instrumentos de medição, que são baseados em um termopar. O princípio de operação deste esquema restringe o escopo de sua aplicação. Eles só podem ser usados ​​se a temperatura ambiente for inferior à temperatura no ponto de medição.
• Violação da estrutura interna dos metais usados ​​na fabricação de um termopar.O fato é que em decorrência da influência do meio externo, os contatos perdem a homogeneidade, o que ocasiona erros nos indicadores de temperatura obtidos.
• Durante a medição, o grupo de contato de um termopar é geralmente exposto a influências ambientais negativas, que causam distúrbios durante a operação. Isso requer novamente a vedação dos contatos, o que causa custos adicionais de manutenção para tais sensores.
• Existe o perigo de ondas eletromagnéticas afetando o termopar, que é projetado com um grupo de contato longo. Isso também pode afetar os resultados da medição.
• Em alguns casos, há uma violação da relação linear entre a corrente elétrica que surge no termopar e a temperatura no ponto de medição. Esta situação requer calibração do equipamento de controle.

Materiais condutores

O princípio de operação de um termopar é baseado na ocorrência de uma diferença de potencial nos condutores. Portanto, a seleção dos materiais do eletrodo deve ser abordada com muita responsabilidade. A diferença nas propriedades químicas e físicas dos metais é o principal fator no funcionamento de um termopar, cujo dispositivo e princípio de funcionamento se baseiam na ocorrência de um CEM de auto-indução (diferença de potencial) no circuito.

Metais tecnicamente puros não são adequados para uso como termopar (com exceção do ferro ARMKO). Várias ligas de metais não ferrosos e preciosos são comumente usadas. Tais materiais possuem características físicas e químicas estáveis, de forma que as leituras de temperatura serão sempre precisas e objetivas. Estabilidade e precisão são qualidades essenciais na organização do experimento e no processo de produção.

Atualmente, os termopares mais comuns são dos seguintes tipos: E, J, K.

O princípio de operação e estrutura dos termopares

O termopar é composto por dois condutores e um tubo que serve de proteção para termeletrodos. Os termoeletrodos consistem em metais básicos e nobres, na maioria das vezes ligas, fixados entre si em uma extremidade (extremidade de trabalho ou junção quente), portanto, eles formam uma das partes do dispositivo. As outras extremidades do termopar (risers ou junção fria) são conectadas ao medidor de tensão. Um EMF aparece no meio de dois terminais desconectados, o valor depende da temperatura da extremidade de trabalho.

Conversores térmicos idênticos combinados em paralelo fecham o circuito, de acordo com a regra de Seebeck, vamos considerar esta regra mais adiante, uma diferença de potencial de contato ou efeito termoelétrico é formado entre eles, cargas elétricas aparecem nos condutores quando eles se tocam, uma diferença de potencial surge entre suas extremidades livres, e isso depende da diferença de temperatura. Somente quando a temperatura entre os termeletrodos é a mesma, a diferença de potencial é igual a zero.

Por exemplo: Ao colocar uma junção com coeficientes diferentes de zero, em duas panelas de ebulição com líquido, a temperatura da primeira é 50 e da segunda é 45, então a diferença de potencial será 5.

A diferença de potencial é determinada pela diferença de temperatura entre as fontes. O material do qual os eletrodos do termopar são feitos também depende. Exemplo: Um termopar Chromel-Alumel tem um coeficiente de temperatura de 41 e um Chromel-Constantan tem um coeficiente de 68.

Termopar tipo K

Este é talvez o tipo de termopar mais comum e amplamente utilizado. Um par de chromel - alumínio funciona muito bem em temperaturas que variam de -200 a 1350 graus Celsius. Este tipo de termopar é altamente sensível e detecta até mesmo um pequeno salto na temperatura. Graças a este conjunto de parâmetros, o termopar é usado tanto na produção quanto na pesquisa científica. Mas também tem uma desvantagem significativa - a influência da composição do ambiente de trabalho. Portanto, se esse tipo de termopar funcionar em um ambiente de CO2, o termopar fornecerá leituras incorretas.Esse recurso limita o uso desse tipo de dispositivo. O circuito e o princípio de operação do termopar permanecem inalterados. A única diferença está na composição química dos eletrodos.

Tipos de termopares

Os requisitos técnicos para termopares são determinados pelo GOST 6616-94. As tabelas padrão para termômetros termoelétricos - características de conversão estática nominal (NSC), classes de tolerância e faixas de medição são fornecidas no padrão IEC 60584-1.2 e no GOST R 8.585-2001.

• platina-ródio-platina - TPP13 - Tipo R
• platina-ródio-platina - TPP10 - Tipo S
• platina-ródio-platina-ródio - TPR - Tipo B
• ferro-constantan (ferro-cobre-níquel) TLC - Tipo J
• cobre-constantan (cobre-cobre-níquel) TMKn - Tipo T
• nichrosil-nisil (níquel-cromo-níquel-níquel-silício) TNN - Tipo N.
• chromel-alumel - TXA - Tipo K
• chromel-constantan TChKn - Tipo E
• chromel-copel - THK - Tipo L
• cobre-copel - TMK - Tipo M
• silkh-silin - ТСС - Tipo I
• tungstênio e rênio - tungstênio rênio - TVR - Tipo A-1, A-2, A-3

A composição exata da liga de termopares para termopares de metal básico não é fornecida na IEC 60584-1. НСХ para termopares chromel-copel ТХК e termopares de tungstênio-rênio são definidos apenas em GOST R 8.585-2001. Não há dados de termopar no padrão IEC. Por esse motivo, as características dos sensores importados feitos desses metais podem diferir significativamente dos nacionais, por exemplo, o Tipo L importado e os THK domésticos não são intercambiáveis. Ao mesmo tempo, via de regra, os equipamentos importados não são projetados para o padrão nacional.

O padrão IEC 60584 está atualmente em revisão. Prevê-se a introdução no padrão de termopares de tungstênio-rênio do tipo A-1, para o qual o NSX corresponderá ao padrão russo, e do tipo C, de acordo com o padrão ASTM [6].

Em 2008, a IEC lançou dois novos tipos de termopares: ouro-platina e platina-paládio. O novo padrão IEC 62460 estabelece tabelas padrão para esses termopares de metal puro. Ainda não existe um padrão russo semelhante.

Verificando a operação do termopar

Se o termopar falhar, ele não poderá ser reparado. Teoricamente, você pode, é claro, consertar, mas se o dispositivo mostrará a temperatura exata depois disso é uma grande questão.

Às vezes, a falha de um termopar não é óbvia e óbvia. Em particular, isso se aplica a aquecedores de água a gás. O princípio de operação de um termopar ainda é o mesmo. No entanto, ele desempenha um papel ligeiramente diferente e não se destina à visualização das leituras de temperatura, mas à operação da válvula. Portanto, para detectar um mau funcionamento de tal termopar, é necessário conectar um dispositivo de medição (testador, galvanômetro ou potenciômetro) a ele e aquecer a junção do termopar. Para fazer isso, não é necessário mantê-lo em fogo aberto. Basta apertar com o punho fechado e ver se a flecha do aparelho se desvia.

As razões para a falha de termopares podem ser diferentes. Portanto, se você não colocar um dispositivo de proteção especial no termopar colocado na câmara de vácuo da unidade de nitretação por plasma de íons, com o tempo ele se tornará cada vez mais frágil até que um dos condutores se quebre. Além disso, não está excluída a possibilidade de operação incorreta do termopar devido a uma alteração na composição química dos eletrodos. Afinal, os princípios fundamentais do termopar são violados.

Equipamentos de gás (caldeiras, colunas) também são equipados com termopares. A principal causa de falha do eletrodo são os processos oxidativos que se desenvolvem em altas temperaturas.

No caso em que as leituras do dispositivo são deliberadamente falsas e durante um exame externo não foram encontradas pinças fracas, a razão, mais provavelmente, está na falha do dispositivo de controle e medição. Nesse caso, ele deve ser devolvido para reparo.Se você tiver as qualificações adequadas, poderá tentar corrigir o problema sozinho.

E, em geral, se a agulha do potenciômetro ou indicador digital mostra pelo menos alguns "sinais de vida", então o termopar está em boas condições de funcionamento. Nesse caso, o problema é claramente outra coisa. E, consequentemente, se o dispositivo não reagir de forma alguma a mudanças óbvias no regime de temperatura, então você pode mudar o termopar com segurança.

No entanto, antes de desmontar o termopar e instalar um novo, você precisa se certificar de que ele está com defeito. Para isso, basta ligar o termopar com um testador comum ou, melhor ainda, medir a tensão de saída. É improvável que apenas um voltímetro comum ajude aqui. Você precisará de um milivoltímetro ou testador com a capacidade de selecionar uma escala de medição. Afinal, a diferença de potencial é um valor muito pequeno. E um dispositivo padrão nem vai sentir e não vai consertar.

Características de design

Se formos mais escrupulosos quanto ao processo de medição da temperatura, esse procedimento é realizado por meio de um termômetro termoelétrico. O principal elemento sensível deste dispositivo é um termopar.

O próprio processo de medição ocorre devido à criação de uma força eletromotriz no termopar. Existem alguns recursos de um dispositivo termopar:

• Os eletrodos são conectados em termopares para medir altas temperaturas em um ponto usando soldagem a arco elétrico. Ao medir pequenos indicadores, esse contato é feito por meio de solda. Compostos especiais em dispositivos de tungstênio-rênio e tungstênio-molibdênio são executados usando torções apertadas sem processamento adicional.
• A ligação dos elementos é efectuada apenas na zona de trabalho, estando ao longo do resto do comprimento isolados uns dos outros.
• O método de isolamento é executado em função do valor superior da temperatura. Com valores na faixa de 100 a 120 ° C, qualquer tipo de isolamento é usado, inclusive ar. Tubos ou contas de porcelana são usados ​​em temperaturas de até 1300 ° C. Se o valor chegar a 2.000 ° C, é utilizado um material isolante de óxido de alumínio, magnésio, berílio e zircônio.
• Uma capa protetora externa é usada dependendo do ambiente de uso do sensor no qual a temperatura é medida. É feito na forma de um tubo de metal ou cerâmica. Esta proteção fornece impermeabilização e proteção da superfície do termopar contra tensões mecânicas. O material da cobertura externa deve ser capaz de resistir à exposição a altas temperaturas e ter excelente condutividade térmica.

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O design do sensor depende muito das condições de seu uso. Ao criar um termopar, a faixa de temperaturas medidas, o estado do ambiente externo, a inércia térmica, etc. são levados em consideração.

Benefícios do termopar

Por que os termopares não foram substituídos por sensores de medição de temperatura mais avançados e modernos em uma longa história de operação? Sim, pela simples razão de que até agora nenhum outro dispositivo pode competir com ele.

Primeiro, os termopares são relativamente baratos. Embora os preços possam oscilar em uma ampla faixa como resultado do uso de certos elementos e superfícies de proteção, conectores e conectores.

Em segundo lugar, os termopares são despretensiosos e confiáveis, o que permite que sejam operados com sucesso em temperaturas agressivas e ambientes químicos. Esses dispositivos são mesmo instalados em caldeiras a gás. O princípio de operação de um termopar sempre permanece o mesmo, independentemente das condições de operação. Nem todos os outros tipos de sensor serão capazes de suportar esse impacto.

A tecnologia para a fabricação e fabricação de termopares é simples e fácil de implementar na prática.Grosso modo, basta torcer ou soldar as pontas dos fios de diferentes materiais metálicos.

Outra característica positiva é a precisão das medições e o erro desprezível (apenas 1 grau). Essa precisão é mais do que suficiente para as necessidades da produção industrial e para a pesquisa científica.

Tipos de junções de termopar

A indústria moderna produz diversos projetos que são utilizados na fabricação de termopares:

• com uma junção aberta;
• com uma junção isolada;
• com uma junção aterrada.

Uma característica dos termopares de junção aberta é a baixa resistência a influências externas.

Os dois tipos de construção a seguir podem ser usados ​​ao medir temperaturas em meios agressivos que têm um efeito destrutivo no par de contato.

Além disso, no momento, a indústria está dominando os esquemas para a produção de termopares usando tecnologias de semicondutores.

Desvantagens do termopar

Não há muitas desvantagens de um termopar, especialmente quando comparado com seus concorrentes mais próximos (sensores de temperatura de outros tipos), mas ainda assim eles são, e seria injusto manter silêncio sobre eles.

Portanto, a diferença de potencial é medida em milivolts. Portanto, é necessário usar potenciômetros muito sensíveis. E se levarmos em conta que os dispositivos de medição nem sempre podem ser colocados nas imediações do local de coleta de dados experimentais, então alguns amplificadores devem ser usados. Isso causa uma série de inconvenientes e leva a custos desnecessários na organização e preparação da produção.

Tipos de termopares

• Cromel-Alumínio
  ... Eles são usados ​​principalmente na indústria. Características: ampla faixa de temperatura de medição -200 ... + 13000 ° C, custo acessível. Não aprovado para uso em lojas com alto teor de enxofre.
• Chromel-Copel
  ... A aplicação é semelhante ao tipo anterior, a característica é a preservação do desempenho apenas em meios líquidos e gasosos não agressivos. Freqüentemente usado para medir temperaturas em fornos de lareira.
• Constante de ferro
  ... Eficaz em uma atmosfera rarefeita.
• Platina-ródio-platina
  ... Mais caro. Eles são caracterizados por leituras estáveis ​​e precisas. Usado para medir altas temperaturas.
• Tungstênio-rênio
  ... Normalmente, eles possuem capas protetoras em seu design. A principal área de aplicação é a medição de meios com temperaturas ultra-altas.