Existem muitos dispositivos e mecanismos diferentes que permitem medir a temperatura. Alguns deles são usados na vida cotidiana, alguns - para várias pesquisas físicas, em processos de produção e outras indústrias.
Um desses dispositivos é um termopar. Consideraremos o princípio de operação e o esquema deste dispositivo nas seções a seguir.
Base física do funcionamento do termopar
O princípio de funcionamento de um termopar é baseado em processos físicos comuns. Pela primeira vez, o efeito sobre o qual este dispositivo funciona foi estudado pelo cientista alemão Thomas Seebeck.
A essência do fenômeno sobre o qual se baseia o princípio de operação de um termopar é a seguinte. Em um circuito elétrico fechado, composto por dois condutores de tipos diferentes, quando expostos a uma determinada temperatura ambiente, surge a eletricidade.
O fluxo elétrico resultante e a temperatura ambiente atuando nos condutores estão em uma relação linear. Ou seja, quanto maior a temperatura, maior a corrente elétrica produzida pelo termopar. Noeste é o princípio de funcionamento do termopar e do termômetro de resistência.
Neste caso, um contato do termopar está localizado no ponto onde é necessário medir a temperatura, é chamado de "quente". O segundo contato, em outras palavras - "frio", - na direção oposta. O uso de termopares para medição é permitido somente quando a temperatura do ar na sala for menor do que no local de medição.
Este é um breve diagrama do funcionamento de um termopar, o princípio de funcionamento. Os tipos de termopares serão discutidos na próxima seção.
Tipos de termopares
Em todas as indústrias onde são necessárias medições de temperatura, o termopar é a principal aplicação. O dispositivo e o princípio de operação de vários tipos desta unidade são fornecidos abaixo.
Termopares cromo-alumínio
Estes circuitos termopares são utilizados na maioria dos casos para a produção de vários sensores e sondas que permitem controlar a temperatura na produção industrial.
Suas características distintivas incluem um preço bastante baixo e uma grande variedade de temperaturas medidas. Eles permitem que você fixe a temperatura de -200 a +13000 graus Celsius.
Não é aconselhável usar termopares com ligas semelhantes em lojas e instalações com alto teor de enxofre no ar, pois esse elemento químico afeta negativamente tanto o cromo quanto o alumínio, causando mau funcionamento do dispositivo.
Termopares Chromel-Kopel
O princípio de funcionamento de um termopar, cujo grupo de contato consiste nessas ligas, é o mesmo. Mas esses dispositivos operam principalmente em meio líquido ou gasoso, que possui propriedades neutras e não agressivas. O índice de temperatura superior não excede +8000 graus Celsius.
É usado um termopar semelhante, cujo princípio permite que seja usado para determinar o grau de aquecimento de quaisquer superfícies, por exemplo, para determinar a temperatura de fornos de lareira aberta ou outras estruturas semelhantes.
Termopares de ferro-constantan
Esta combinação de contatos em um termopar não é tão comum quanto a primeira das variedades consideradas. O princípio de funcionamento de um termopar é o mesmo, mas essa combinação se mostrou bem em uma atmosfera rarefeita. O nível máximo da temperatura medida não deve exceder +12500 graus Celsius.
No entanto, se a temperatura começar a subir acima de +7000 graus, existe o perigo de violações da precisão da medição devido a mudanças nas propriedades físicas e químicas do ferro. Existem até casos de corrosão do contato de ferro do termopar na presença de vapor d'água no ar ambiente.
Termopares de platina-ródio-platina
O termopar mais caro de fabricar. O princípio de operação é o mesmo, mas difere de suas contrapartes em leituras de temperatura muito estáveis e confiáveis. Tem sensibilidade reduzida.
A principal aplicação desses dispositivos é a medição de altas temperaturas.
Termopares de tungstênio-rênio
Também usado para medir temperaturas ultra- altas. O limite máximo que pode ser fixado usando este esquema chega a 25 mil graus Celsius.
Sua aplicação requer o cumprimento de certas condições. Assim, no processo de medição de temperatura, é necessário eliminar completamente a atmosfera circundante, que tem um efeito negativo nos contatos como resultado do processo de oxidação.
Para isso, os termopares de tungstênio-rênio são geralmente colocados em invólucros de proteção preenchidos com um gás inerte para proteger seus elementos.
Acima, foram considerados cada termopar existente, dispositivo, seu princípio de funcionamento, dependendo das ligas utilizadas. Agora considere alguns recursos de design.
Projetos de termopares
Existem dois tipos principais de projetos de termopares.
- Com camada isolante. Este design do termopar permite isolar a camada de trabalho do dispositivo da corrente elétrica. Esse arranjo permite que o termopar seja usado no processo sem isolar a entrada do terra.
- Sem uso de camada isolante. Tais termopares só podem ser conectados a circuitos de medição cujas entradas não tenham contato com o solo. Se esta condição não for atendida, o dispositivo desenvolverá dois circuitos fechados independentes, resultando em leituras inválidas do termopar.
Termopar móvel e sua aplicação
Existe umuma espécie deste dispositivo, chamado de "execução". Vamos agora considerar o princípio de operação de um termopar em execução com mais detalhes.
Este projeto é usado principalmente para detectar a temperatura de um tarugo de aço durante seu processamento em torneamento, fresamento e outras máquinas semelhantes.
Ress alte-se que neste caso também é possível utilizar um termopar convencional, porém, se o processo de fabricação exigir alta precisão de temperatura, é difícil superestimar o termopar em funcionamento.
Ao aplicar este método, seus elementos de contato são previamente soldados na peça de trabalho. Então, durante o processamento do blank, esses contatos são constantemente expostos à ação de um cortador ou outra ferramenta de trabalho da máquina, fazendo com que a junção (que é o principal elemento nas leituras de temperatura) pareça “funcionar” ao longo dos contatos.
Este efeito é amplamente utilizado na indústria metalúrgica.
Recursos tecnológicos de projetos de termopares
Ao fabricar um circuito de termopar em funcionamento, são soldados dois contatos de metal, que, como você sabe, são feitos de materiais diferentes. A junção é chamada de junção.
Ress alte-se que não é necessário fazer esta conexão com solda. Basta torcer dois contatos juntos. Mas esse método de produção não terá um nível de confiabilidade suficiente e também pode gerar erros ao fazer leituras de temperatura.
Se você precisa medir altotemperaturas, a soldagem de metais é substituída por sua soldagem. Isso se deve ao fato de que na maioria dos casos a solda utilizada na conexão tem um ponto de fusão baixo e se desfaz quando é excedido.
Circuitos que foram soldados podem suportar uma faixa de temperatura mais ampla. Mas esse método de conexão também tem suas desvantagens. A estrutura interna do metal quando exposto a altas temperaturas durante o processo de soldagem pode sofrer alterações, o que afetará a qualidade dos dados obtidos.
Além disso, a condição dos contatos do termopar deve ser monitorada durante sua operação. Assim, é possível alterar as características dos metais no circuito devido ao impacto de um ambiente agressivo. Pode ocorrer oxidação ou interdifusão de materiais. Em tal situação, o circuito de operação do termopar deve ser substituído.
Tipos de junções de termopares
A indústria moderna produz vários projetos que são usados na fabricação de termopares:
- junção aberta;
- com junção isolada;
- com junção aterrada.
Uma característica dos termopares de junção aberta é a baixa resistência a influências externas.
Os dois tipos de projeto a seguir podem ser usados ao medir temperaturas em ambientes agressivos que têm um efeito devastador no par de contatos.
Além disso, a indústria está atualmente dominando esquemas para a produção de termopares usando tecnologias de semicondutores.
Erro de medição
A exatidão das leituras de temperatura obtidas usando um termopar depende do material do grupo de contato, bem como de fatores externos. Estes últimos incluem pressão, radiação de fundo ou outros motivos que podem afetar os parâmetros físico-químicos dos metais a partir dos quais os contatos são feitos.
O erro de medição consiste nos seguintes componentes:
- erro aleatório causado pelo processo de fabricação do termopar;
- erro causado por violação do regime de temperatura do contato "frio";
- erro causado por interferência externa;
- erro do equipamento de controle.
Os benefícios do uso de termopares
Os benefícios de usar esses dispositivos de controle de temperatura, independentemente da aplicação, incluem:
- grande variedade de indicadores que podem ser registrados usando um termopar;
- A junção do termopar, que está diretamente envolvida nas leituras, pode ser colocada em contato direto com o ponto de medição;
- Os termopares são fáceis de fabricar, duráveis e duradouros.
Desvantagens da medição de temperatura com termopar
As desvantagens de usar um termopar incluem:
- A necessidade de monitoramento constante da temperatura do contato "frio" do termopar. Este é um diferencialcaracterística de 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 utilizados na fabricação de termopares. O fato é que em decorrência da exposição ao ambiente externo, os contatos perdem sua uniformidade, o que causa erros nos indicadores de temperatura obtidos.
- Durante o processo de medição, o grupo de contato do termopar é normalmente exposto à influência negativa do ambiente, o que causa distúrbios no processo. Isso novamente requer a vedação dos contatos, o que causa custos adicionais de manutenção para esses sensores.
- Existe o risco de exposição a ondas eletromagnéticas em um termopar, cujo projeto prevê 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 ocorre no termopar e a temperatura no local de medição. Esta situação requer calibração do equipamento de controle.
Conclusão
Apesar de suas deficiências, o método de medição de temperatura usando termopares, que foi inventado e testado pela primeira vez no século 19, encontrou sua ampla aplicação em todos os ramos da indústria moderna.
Além disso, existem aplicações onde o uso de termoparesé a única maneira de obter dados de temperatura. E depois de ler este material, você entendeu completamente os princípios básicos do trabalho deles.
