CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR

CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR

UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA FACULDADE DE TECNOLOGIA - FT CURSO ENGENHARIA QUÍMICA – FT12 GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO – FT06 LABORATÓRIO DE FÍSICA B; TURMA 2 – IEF102

DAVE MONTEIRO BONATES – MAT: 21601485

Data do experimento: 05/05/2017

MANAUS- AM 2017

DAVE MONTEIRO BONATES – 21601485

MANAUS - AM 2017

Relatório apresentado para obtenção de nota parcial da disciplina de Física Geral Experimental B, ministrado pelo professor Oleg Grigorievich Balev, do Departamento de Física da Universidade Federal do Amazonas

1. OBJETIVO4
2. INTRODUÇÃO4
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA4
3.1 TEORIA TERMOELÉTRICA4
3.2 DEFINIÇÃO DE TERMOPAR6
4. PARTE EXPERIMENTAL6
4.1 MATERIAL NECESSÁRIO6
4.2 PROCEDIEMNTO6
5. TRATAMENTO DE DADOS7
6. CONCLUSÃO10

SUMÁRIO 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 1

1. OBJETIVO Calibrar um termopar.

2. INTRODUÇÃO

Os termopares são os sensores de temperatura preferidos nas aplicações industriais, seja pela sua robustez, seja pela simplicidade de operação. Entretanto, para que as medições de temperatura com termopar sejam significativas e confiáveis, é fundamental conhecer não somente os princípios básicos de operação, como também as condições que o usuário deve proporcionar para que esses princípios sejam válidos.

Os sensores de temperatura podem ser calibrados pelo método de comparação com um sensor padrão de referência ou pelo método de pontos fixos (pontos de fusão, solidificação ou pontos triplos de substâncias quimicamente puras) definidos na Escala Internacional de Temperatura de 1990. Além desses dois métodos de calibração de sensores de temperatura, temos um terceiro denominado calibração pelo método da ponte ou fio. Este método, que é uma variação do método por pontos fixos, aplica-se à calibração de termopares de metais nobres (tipos S, R ou B) e é uma alternativa para a calibração desses sensores a altas temperaturas (até aproximadamente 1600 °C). Este trabalho apresenta os resultados e análise das calibrações de dois termopares tipo S, utilizando o método da ponte, realizadas pelo Laboratório de Metrologia do IPT. Estes resultados são confrontados com as calibrações anteriores utilizando o mesmo método, realizadas pelo NPL (National Physical Laboratory – Inglaterra) e também com os resultados das calibrações por comparação com termopares de referência, que foram calibrados em células de ponto fixo primárias no PTB (Alemanha) e no INMETRO.

Neste experimento iremos calcular o coeficiente de Seebeck, e em seguida escrever a equação de calibração do termopar.

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 TEORIA TERMOELÉTRICA

O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando elenotou que em um circuito fechado formado por dois condutores metálicos e distintos A eB, quando submetidos a um diferencial entre as suas junções, ocorre uma circulação decorrente elétrica ( i ).

A existência de uma força eletromotriz (F.E.M.) EAB no circuito é conhecida como

Efeito Seebeck, e este se produz pelo fato de que a densidade de elétrons livres num metal, difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando este circuito é interrompido, a tensão do circuito aberto (Tensão de Seebeck) torna-se uma função das temperaturas das junções e da composição dos dois metais.

Denominamos a junção na qual está submetida à temperatura a ser medida de Junção de

Medição (ou junta quente) e a outra extremidade que vai se ligar no instrumento medidor de junção de referência (ou junta fria). Quando a temperatura da junção de referência (Tr)é mantida constante, verifica-se que a F.E.M. térmica (EAB) é uma função da temperaturada junção de medição (T1). Isto permite utilizar este circuito como um medidor de temperatura, pois conhecendo-se a Tr e a F.E.M. gerada, determina-se a T1, conforme podemos ver na equação abaixo.

A figura 3 mostra a curva característica para os diferentes tipos de termopares.

Figura 1 - Circuito fechado formado por dois condutores metálicos distintos. Figura 2 - Efeito Seebeck.

Figura 3 - Curva de correlação F.E.M x temperatura dos termopares.

3.2 DEFINIÇÃO DE TERMOPAR

O aquecimento de dois metais diferentes com temperaturas diferentes em suasextremid ades gera o aparecimento de uma F.E.M. (da ordem de mV). Este princípio conhecido como efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para medição de temperatura. Um termopar ou par termométrico consiste de dois condutores metálicos de natureza distinta, na forma de metais puros ou ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junção de medição; a outra extremidade, junção de referência é levada ao instrumento medidor por onde flui a corrente gerada. Convencionou-se dizer que o metal A é positivo e B é negativo, pois a tensão e corrente geradas são na forma contínua (c), conforme podemos ver na figura 4.

4. PARTE EXPERIMENTAL

4.1 MATERIAL NECESSÁRIO

• 2 pedaços de fios de Constantan • 1 pedaço de fio de cobre

• 1 ebulidor de imersão

• 1 termômetro

• 1 voltímetro

4.2 PROCEDIEMNTO

Nesse experimento, a junção de referência será mantida à temperatura ambiente.

1. Mergulhamos a junção de medida do termopar na agua à temperatura ambiente. Feito isso, medimos, com o voltímetro, a diferença de potencial e, com o termômetro de mercúrio, a temperatura da água (To = 27,1◦C)

Figura 4 - Figura esquemática de um termopar.

2. Medimos diferença de potencial no termopar para diversos valores de temperatura da agua, conforme a tabela abaixo:

Tabela 1 - Temperatura e ddp

5. TRATAMENTO DE DADOS

Com os valores de temperaturas e diferenças de potenciais da Tabela 1, foi possível construir o gráfico a seguir da diferença de potencial no termopar em função da água:

Fazendo a previsão linear, obtemos a seguinte reta:

Temperatura (◦C) Diferença de potencial (mV)

T1 = (To + 05 ) ◦C 32,1 ◦C 0,5 T2 = (To + 10 ) ◦C 37,1 ◦C 0,7 T3 = (To + 15 ) ◦C 42,1 ◦C 0,9 T4 = (To + 20 ) ◦C 47,1 ◦C 1,1 T5 = (To + 25 ) ◦C 52,1 ◦C 1,2 T6 = (To + 30 ) ◦C 57,1 ◦C 1,3

T e n s ão

(m V)

Temperatura (◦C)

A equação da reta no termopar é dada por y = 0,0326x – 0,5027 . O coeficiente angular obtido através da reta, é exatamente o coeficiente de Seebeck (α = 0,0326 mV/ ◦C ) que queríamos calcular.

Pela relação ε = α (Tx − To) ou ε = αTx − αTo). Podemos encontrar a equação de calibração do termopar pela equação da reta obtida através do gráfico. Substituindo os valores de temperaturas medidos no experimento na equação da reta, podemos obter as diferenças de potencias, como mostra a tabela a seguir:

Tabela 2 – Calculo da ddp através da equação da reta

Comparando os valores da diferença de potencial das Tabela 1 e 2, é verificável um desvio nos valores. Esses desvios percentuais podem ser calculados pela seguinte expressão:

Temperatura (◦C) y = 0,0326x – 0,5027 y = DDP (mV)

T e n s ão

(m V)

Temperatura (◦C)

Podemos justificar esses pequenos erros em função de algumas condições como falhas nos equipamentos devido às calibrações, um menor espaço de tempo entre as medições, falhas humanas na coleta dos dados, dentre outros.

6. CONCLUSÃO

Através das práticas realizadas, podemos verificar quais as condições necessárias para o surgimento de uma f.e.m.(força eletromotriz) em um par termoelétrico: ter uma diferença de temperatura entre as extremidades do par; construir o termopar com fios de natureza química diferentes.

Podemos ver que o termopar calibrado, de cobre/constantã, apresentou características específicas para essa espécie, ou seja, se fosse calibrado termopares de diferentes espécies (ex.: ferro/cobre; ferro/constantã), a curva de calibração seria específica para cada um, respeitando a faixa recomendada de temperatura para a espécie. Tendo a curva de calibração, podemos utilizar o termopar para medições tendo um erro relativamente pequeno.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Ed.”

Halliday, D., Resnick, R., Walker, J. – “Fundamentos de Física 3” - São Paulo: Livros Técnicos e Científicos Editora, 4a Edição, 1996. Frank P. Incropera & David P. DeWitt, “Fundamentos de transferência de Calor e Massa, 5° Moreira, Lúcia. Medição de Temperatura Usando-se Termopar. Cerâmica Industrial, 7 5º Setembro/Outubro, 2002

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