PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DO PARAN

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Pontifcia Universidade Catlica do ParanESCOLA POLITCNICACURSO DE ENGENHARIA QUMICA

HERON DE SANTI SOARES

TERMOPARES

CURITIBA

2014

HERON DE SANTI SOARES

termopares

Relatrio tcnico apresentado disciplina Instrumentao e Controle, do Curso de Graduao em Engenharia Qumica da Pontifcia Universidade Catlica do Paran como forma parcial de avaliao.

Orientadora: Karine Isabel

cURITIBA2014SUMRIO1Introduo termopares32.1 tipos TERMOPARES........................................................................................4/52.2 aplicaes termopares ......................................................................... 5/62.3 EFEITO SEEBECK .............................................................................................7/82.4 UTILIZAES TRANSMISSORES COM OS TERMOPARES....................9/10/112.5 APLICAO PLANTA INDUSTRIAL ...................................................................123 concluso ........................................................................................................134 referencias bibliograficas ......................................................................14

IntroduoEsta trababalho tem por objetivo apresentar um pouco dos fundamentos respeito dos termopares. A maioria dos princpios bsicos da termometria de termopares j era conhecida por volta de 1900, mas s recentemente tornou-se clara a verdadeira fonte do potencial termoeltrico. Os termopares so sensores de temperatura de grande aplicao industrial, onde se tem o objetivo de controlar diversas varveis fsicas em processos industriais, para se obter produtos de alta qualidade, com melhores condies de rendimento e segurana, a custos operacionais compatveis. utilizado em diversos segmentos, seja qumico, petroqumico, farmautico, alimentcio, entre outros, com a monitorao da varivel temperatura. Os termopares podem mudar seu comportamento sob aes de grandezas fsicas, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza.O sinal de um sensor pode se utilizado para detectar e corrigir desvios em sistema de controle, e nos instrumentos de medio, que frequentemente podem estar ligados aos SC de malha aberta (no automticos), orientando o usurio nas aes. Quando operam diretamente, convertendo uma forma de energia neutra, so chamados transdutores, j os de operao indireta alteram suas propiedades, como a resistncia, capacitncia ou a indutncia, sob ao de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional. Duas caractersticas importantes dos termopares so a linearidade que seria o grau de proporcionalidade entre sinal gerado e a grandeza fsica, onde quanto maior, mais fiel a resposta do sensor ao estmulo, e a faixa de atuao, que nada mais que o intervalo de valores da grandeza em que se pode usar o sensor, sem imppreciso ou destruio.

reviso bilbiogrfica2.1 TIPOS TERMOPARES Os termopares so divididos em duas classes, termopares nobres e os termopares bsicos.So divididos em oito tipos de termopares: (S, R, B, J, K, N, T e E), conforme tabela abaixo:Tipo Composio Faixa de Utilizao

T Cobre (+)/Cobre-Nquel(-) -200 a 350C

J Ferro (+)/Cobre-Nquel(-)-40 a 750C

E Nquel-Cromo (+)/Cobre-Nquel(-) -200 a 900C

K Cromo (+)/Nquel-Alumnio(-) -200 a 900C

S 10% Rdio (+)/90% Platina(-) 0 a 1600 C

R 13% Rdio (+)/87% Platina(-) 0 a 1600 C

B 30% Rdio (+)/70% Platina(-) 600 a 1700 C

N Nquel-Cromo-Silcio(+)/Nquel- Silcio(-) -200 a 1200 C

-TERMOPARES BASICOS(T, J, E, K): Tem maior uso industrial, em que os fios so de baixo custo e sua aplicao admite um erro maior.

2.2 APLICAES Termopar TipoT- CuCo (Liga + Cobre 99%)) A composio mais utilizada para este tipo de termopar de Cu58Ni42. Possui excelente resistncia a corroso, sendo utilizada em temperaturas (-184 a 370 C). FEM:-5,33 a19,027Mv. Potencia termoeltrica:5,14mV / 100 C. Utilizada em atmosferas a vcuo, inertes, oxidantes ou redutoras. Com certas precaues e devidamente calibrado, pode ser utilizado at -2620 C. Aplicado em indstrias de refrigerao, qumica, petroqumica.

Termopar Tipo E

- NiCr-Co (Liga +Cromo) Composio:Cu58Ni42, sua faixa de utilizao de 0 a 8700C. FEM: 0 a 473mV. Potencia termoeltrica: 7,64mV/1000 C. Possuem maior potencia termoeltrica dentre os termopares mais utilizados. Os fios no sofrem corroso a temperaturas mais baixas (abaixo de 0C). Utilizado em termopilhas. Suas aplicaes so para indstrias Qumicas e Petroqumicas.

Termopar Tipo J

-FeCo (Liga + Ferro (99,5%)) FEM:0 A 42,99Mv. Potencia Termoeltrica: 5,65mV/1000 C. Pode ser utilizado em atmosferas a vcuo,inertes, oxidantes ou redutoras, possui baixo custo relativo e um dos mais utilizados nas industrias.Tem baixa homogeneidade, onde indicado para servios contnuos ate 7600C, e limite mximo de utilizao em atmosfera oxidante de 7600C, devido a rpida oxidao do ferro. Suas aplicaes so para indstrias Metalrgicas, Qumica, Petroqumica.

Termopar Tipo K

- CrAl (Liga+Cromo) Ni90Cr10. Pode ser utilizado em Atmosferas inertes e oxidantes, em altas temperaturas (800 a 1200OC), onde mais resistente mecanicamente do que os tipos S e R, tendo uma vida til superior ao tipo J. vulnervel em atmosferas redutoras e sulforosas, e requer proteo da mesma. Sua aplicao se d a indstrias Siderrgicas, fundio, Usina de Cimento, Cal e vidros.

-TERMOPARES nobres (S,R,B): Apresentam um alto grau de pureza e homogeneidade de suas ligas, tem baixa potencia termoeltrica e uma enorme preciso de leitura.Tipos:Termopar Tipo S -PtRhPt (Liga: + Platina Rhodio 10%). FEM: 0 a 15,336mV.Potncia termoeltrica: 1,04mV/100C. o mais conhecido e usado entre os Termopares Nobres. Possui uma preciso altssima em altas temperaturas ,uma ampla faixa de utilizao(0 a 1480C), alta repetibilidade de leitura e baixa potncia termoeltrica. Com todas essas caractersticas este Termopar utilizado em laboratrios de calibrao como um Termopar Padro e na sua faixa de trabalho recomendado para ser utilizado em locais oxidantes sempre com tubos de proteo cermica.Com o uso prximo de seu limite de aplicao, a platina pura apresenta crescimento de gro acentuado, tornando-se quebradia e isto pode tornar a vida til do termopar curta, quando aplicado em processos sujeitos a esforos mecnicos (vibrao). Aplicaes em Siderrgica, Fundio, Metalrgica, Usina de Cimento, Cermica, Vidro e Pesquisa Cientfica. utilizado tambm em "Sensores Descartveis" na faixa de 1200 a 1768, para medio de temperatura de metais lquidos em Siderrgicas e Fundies.

Termopar Tipo R -PtRhPt (Liga+ Platina 87% Rhodio 13%).Possui as mesmas caractersticas de uso e recomendaes do Termopar tipo S, porm sua composio um pouco diferente contendo 87% platina e 13% rdio. Possui as mesma aplicaes industriais de S.Termopar Tipo B -PtRhPt (Liga: + Platina 70% Rhodio 30%)/Platina 94% Rhodio 6%.Utilizado para faixas de temperatura de : 870 a 1705C. FEM :3,708 a 12,485mV, Potncia termoeltrica mdia: 1,05mV/10OC.Utilizado em atmosferas inertes, oxidantes e por curto perodo de tempo em vcuo, utilizado em medidas constantes de temperatura elevadas (acima de 1400C). Apresenta melhor estabilidade na FEM e resistncia mecnica, do que os tipos S e R a temperaturas elevadas.No necessita de compensao da junta de referncia, se a temperatura desta no exceder a 50C.No necessita de cabo de compensao se a temperatura de seus terminais no exceder a 100C e no pode ser utilizado em temperatura inferior a 100C. aplicado a industrias de Vidro, Siderrgicas.

2.3 EFEITO SEEBECKThomas Johann Seebeck (nascido a 9 de Abril de 1770 e falecido a 10 de Dezembro de 1831) foi o fsico responsvel pela descoberta em 1821 do efeito termoeltrico, do qual, uma juno de metais distintos produz uma tenso eltrica cujo valor depende dos materiais que a compem e da temperatura a que se encontra. Este efeito conhecido como efeito de Seebeck e neste princpio que se baseia o funcionamento do termopar. Atualmente o efeito Seebeck muito utilizado para a construo de termmetros em que se mede diferena de temperatura atravs de um voltmetro calibrado para este fim.Outra aplicao deste mesmo efeito a construo de pilhas atmicas (Gerador termoeltrico de radioistopos) para produzir pequenas potncias, mas de longa durao, o que necessrio em situaes especiais como na sonda Cassini-Huygens.Seebeck verificou que o fenmeno da termoeletricidade foi descoberto quando ele notou que em um circuito fechado formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulao de corrente enquanto existir uma diferena de temperatura "T" entre as suas junes. Denominamos a juno mais quente (a temperatura T) de juno de teste, e a outra (a Tr) de juno de referncia. A existncia de uma f.e.m. trmica AB no circuito conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da juno de referncia mantida constante, verifica-se que a F.E.M. trmica uma funo da temperatura T da juno de teste. Este fato permite utilizar um par termoeltrico como um termmetro.

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que a densidade dos transportadores de carga (eltrons em um metal) difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando dois condutores diferentes so conectados para formar duas junes e estas so mantidas a diferentes temperaturas, a difuso dos transportadores de carga nas junes se produz a ritmos diferentes. Tem origem um movimento dos transportadores de carga como se fossem impulsionados por um campo no eletrosttico. A integral curvilnea deste campo ao longo do par termoeltrico a F.E.M. de Seebeck.Para um valor dado de Tr, AB uma funo de T. Se Tr variada para um outro valor constante, a relao AB e T a mesma, exceto por uma constante aditiva. Deduz-se, portanto, que o valor de independente de Tr, e depende somente da natureza de A, B e T. A derivada , para qualquer valor de Tr, se denomina potncia termoeltrica do termopar.Convencionou-se dizer que o metal "A" positivo em relao "B", se a corrente "I" fluir de "A" para "B" na junta de menor temperatura, isto , "T maior que Tr".Baseado nesse efeito podemos construir um grfico que representa a variao da f.e.m. com a temperatura, considerando Tr =OC.Definimos o "coeficiente de Seebeck" como a variao de diferena de potencial por unidade de variao de temperatura para uma corrente eltrica nula:

A maior desvantagem da utilizao da gerao de energia termeltrica direta , a baixa potncia. Isto obrigaria a construo de milhares de clulas termeltricas para a obteno de alguns watts de potncia.O efeito Seebeck a produo de uma diferena de potencial (tenso eltrica) entre duas junes de condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando elas esto a diferentes temperaturas (fora eletromotriz trmica). o reverso do efeito Peltier que a produo de um gradiente de temperatura em duas junes de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma diferena de potencial (tenso eltrica) em um circuito fechado (conseqntemente, percorrido por uma corrente eltrica).

2.4 UTILIZAO DE TRANSMISSORES COM TERMOPARESOs sensores de temperatura e transmissores foram projetados para aplicaes de servio de transporte, maquinas e equipamentos, como compressores, bombas, equipamentos de hidrulica, motores industriais, refrigerao, caldeiras, entre outros, controlando a sua aplicao. Um sensor de temperatura est fornecendo sada contnua seguindo a temperatura real no sistema, possibilitando o controle rgido do processo. Podemos dizer tambm que um transmissor de temperatura, de forma bem simplificada, converte um sinal que est sendo transmitido por um sensor primrio (termopar, termo-resistncia e sensor-mV ) em um sinal analgico padro (4 a 20 mA). H no mercado transmissores de temperatura analgicos e micro- processados. Os primeiros, so instrumentos que no possuem, na sua estrutura, componentes microprocessados e sendo assim, toda a forma de ajuste e configurao so feitas manualmente no prprio instrumento. Possuem um preo baixo, no linearizam sinais de termopares, possibilitam a mudana do range e o tipo de sensor de mesma famlia. J os transmissores de temperatura microprocessados so totalmente configurveis, com entrada universal, imunes a rudos, tm isolao galvnica, possuem filtros de sinal na entrada, linearizao e sua configurao feita via software por comunicao serial digital ou comunicao Hart.

Um transmissor de temperatura, de forma bem simplificada, converte um sinal que est sendo transmitido por um sensor primrio (termopar, termo-resistncia e sensor-mV ) em um sinal analgico padro (4 a 20 mA) A utilizao de transmissores de temperatura na indstria em geral est relacionada aos seguintes fatores:

Economia de fiao: Em muitos casos, a escolha em usar um transmissor de temperatura mais vivel, pois em longas distncias o custo com cabos de extenso para termopares e cabos a trs fios para termo-resistncia invivel, em comparao com a utilizao de um transmissor de temperatura e um par de cabos de cobre para a transmisso do sinal de sada.

Isolao Galvnica: uma proteo entre a entrada e sada do transmissor de temperatura contra loops de terra e rudos da linha.

Compatibilidade eletromagntica: Como em um processo industrial, onde haja, por exemplo, motores de induo, o campo magntico gerado pode interferir nas transmisses dos sinais, da a importncia de um instrumento com imunidade a essa interferncia.

Linearizao do sinal: Como o sinal do sensor primrio no linear (termopares), o transmissor de temperatura lineariza o sinal de sada conforme o sinal do sensor primrio.

Sinais de Entrada e SadaOs sinais de entrada que o transmissor de temperatura aceita so: termopares, termo-resistncias, sensor-mV e potencimetros-. A sada analgica, 4 a 20 mA ou com um resistor shunt (250 ohms) para 1 a 5 Vcc.

Simbologia

Conforme a norma da ISA S5.1, a simbologia para transmissores de temperatura mostrada na figura 1.

FIGURA 1Como Ligar um Transmissores de Temperatura

Existem duas formas para a ligao de um transmissor de temperatura:

Ligao a dois fios: Transmissor de temperatura em que a ligao da alimentao est em comum com a transmisso do sinal de sada (figura 2). Onde o TE envia o sinal proveniente da temperatura do processo para o TT, no qual converte para um sinal analgico (4 a 20 mA) e transmite para um TIC.

Figura 2

Ligao a quatro fios: Transmissor de temperatura em que a ligao da alimentao est separada da transmisso do sinal de sada. Onde o TE envia o sinal proveniente da temperatura do processo para o TT, no qual converte para um sinal analgico (4 a 20 mA) e transmite para um TIC.

2.5 APLICAO PLANTA INDUSTRIALSegue abaixo uma aplicao de termopares na planta de fabricao de cermica, nos canais de exausto de gases, permitindo ao operador maior controle de temperatura e alimentao de combustveis na queima para o processo de fabricao, alm da preservao dos repetitivos ciclos de resfriamento e aquecimento prejudiciais ao materiais construtivos.

3 CONCLUSAO Concluimos que os termopares foram desenvolvidos com diversas combinaes de pares de ligas metlicas, desde as mais simples e sofisticadas, sejam para medies de temperaturas baixas altas, negativas ou positivas. Estas combinaes foram feitas de moda a obter uma alta potncia termoeltrica, assim cada termopar tem uma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para que se tenha maior vida til do equipamento. Podemos concluir tambm que os termopares podem ter uma diversas aplicaes industriais,farmautica,na rea qumica, petroqumica, dada a sua robustez e facilidade de manuseio. Porem, para que se tenha uma medio exata e confivel, de grande importncia se conhecer cada tipo de Termopar, e sua aplicao. Devemos tambem considerar a faixa de temperatura dede medio, a atmosfera presente, se h ou no substancias corrosivas. Alm de os termopares estarem sempre bem calibrados para uma leitura exata e confivel.

4 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

-HAROLD E.SOISSON-HEMUS-Instrumentao Industrial-DE CAMPOS MASSA, M.C.; Teixeira, H. C.G. Controles Tpicos de Equipamentos e Processos Industriais. Editora Edgar Blucher, 2006. Petrobras- SEBORG , D.E.; EDGAR, T. F. MELLICHAMP, D.A. Process Dynamics and Control. Editora John Willey (1989) -BEGA, E. A. Instrumentao Industrial. Editora Intercincia R. J. 2003. Instituto Brasileiro de Petrleo. -