Termopar Instrumento
Definição
Um instrumento termopar é definido como um dispositivo de medição que utiliza um termopar para determinar temperatura, corrente e tensão. Este instrumento versátil é capaz de realizar medições em circuitos de corrente alternada (CA) e corrente contínua (CC), tornando-o uma ferramenta valiosa em uma ampla gama de aplicações.
Princípios Básicos do Termopar
Um termopar é um dispositivo elétrico composto por dois fios feitos de metais diferentes. Sua funcionalidade baseia-se em um princípio fundamental: no ponto de junção onde esses dois metais diferentes se encontram, a energia térmica é convertida em energia elétrica. Este fenômeno, conhecido como efeito Seebeck, forma a base para o funcionamento dos instrumentos termopares, permitindo-lhes medir com precisão a temperatura e outros parâmetros elétricos, aproveitando o potencial elétrico gerado nas juntas metálicas.
Mecanismo de Funcionamento
Para medir a magnitude de uma corrente elétrica, a corrente a ser medida é passada pela junção do termopar. À medida que a corrente flui, ela gera calor no elemento aquecedor. Em resposta, o termopar induz uma força eletromotriz (fem) em seus terminais de saída. Esta fem induzida é então medida usando um instrumento de Bobina Móvel Permanente (PMMC). A magnitude desta fem é diretamente proporcional tanto à temperatura na junção do termopar quanto ao valor quadrático médio (RMS) da corrente medida.
Principais Vantagens
Uma das principais vantagens dos instrumentos termopar é sua adequação para medições de corrente e tensão de alta frequência. Estes instrumentos exibem maior precisão ao lidar com frequências acima de 50Hz, tornando-os ideais para aplicações em que parâmetros elétricos de alta frequência precisam ser determinados com precisão.
Princípio de Funcionamento dos Instrumentos Termoelétricos
A geração de fem térmica ocorre em um circuito composto por dois metais diferentes. A temperatura na junção onde esses metais se encontram desempenha um papel crucial no funcionamento geral e é um parâmetro chave para entender como o instrumento funciona.
Sejam a e b constantes cujos valores são determinados pelas propriedades dos metais usados no termopar. Geralmente, o valor de a varia de 40 a 50 microvolts, enquanto b tem um valor na faixa de alguns décimos a centenas de microvolts por grau Celsius ao quadrado μV/C°2.
Denote Δθ como a diferença de temperatura entre as juntas quente e fria do termopar. Com base nisso, as expressões relevantes relacionadas à temperatura podem ser derivadas da seguinte forma.
O aquecedor gera calor, e a quantidade de calor produzida é diretamente proporcional ao produto do quadrado do valor quadrático médio (RMS) da corrente (I) e da resistência (R) do elemento aquecedor, expresso pela fórmula I2R. Consequentemente, o aumento de temperatura também é proporcional ao calor gerado pelo elemento aquecedor. Esta relação é fundamental para entender como o aquecedor opera e influencia a temperatura no sistema, estabelecendo uma conexão clara entre a entrada elétrica e a saída térmica.
O instrumento termopar possui duas juntas, fria e quente. A diferença entre estas duas juntas é expressa como
O valor de b é muito pequeno em comparação com o de a e, portanto, é negligenciado. A temperatura na junção é expressa como
A deflexão de um instrumento de Bobina Móvel Permanente (PMMC) é diretamente proporcional à força eletromotriz (fem) induzida em seus terminais. Esta relação significa que, à medida que a fem induzida aumenta ou diminui, a deflexão da bobina móvel do instrumento muda de maneira correspondente. Matematicamente, a deflexão da bobina móvel dentro desses instrumentos pode ser expressa pela seguinte equação, que encapsula os princípios físicos que governam a resposta do instrumento à entrada elétrica.
Aqui, a expressão K3 - aK1K2R resulta em um valor constante. Esta característica dá origem ao instrumento exibir uma resposta de lei quadrática, significando que a saída do instrumento varia como o quadrado da quantidade de entrada (como corrente ou tensão).
Construção do Instrumento Termoelétrico
Um instrumento termoelétrico é composto principalmente por dois componentes essenciais: o elemento termoelétrico e o instrumento indicador. Essas duas partes trabalham em conjunto para permitir a medição precisa de quantidades elétricas e térmicas.
Elementos Termoelétricos
Quatro tipos distintos de elementos termoelétricos são comumente empregados em instrumentos termopar. Cada tipo possui suas próprias características e princípios de operação únicos, detalhados abaixo.
Tipo de Contato
O elemento termoelétrico de contato utiliza um aquecedor separado. Como ilustrado na figura abaixo, a junção do termopar é trazida em contato físico direto com o aquecedor. Este contato direto facilita a transferência eficiente de calor do aquecedor para a junção do termopar, o que é crucial para converter com precisão a energia térmica gerada pelo aquecedor em um sinal elétrico (força eletromotriz ou fem) que pode ser medido pelo instrumento indicador.
Funções do Elemento Aquecedor Elétrico
O elemento aquecedor elétrico serve aos seguintes propósitos críticos dentro de um instrumento termoelétrico:
Conversão de Energia: Atua como um componente-chave na transformação de energia elétrica em energia térmica. Esta conversão é o primeiro passo no processo que permite a medição de quantidades elétricas utilizando efeitos térmicos.
Conversão Termoelétrica: Utilizando o efeito Seebeck, a energia térmica gerada pelo elemento aquecedor é então convertida em energia elétrica. Esta conversão ocorre na junção do termopar, onde a diferença de temperatura entre as juntas quente e fria cria uma força eletromotriz (fem).
Operação do Instrumento: Os terminais de saída do termopar estão conectados a um instrumento de Bobina Móvel Permanente (PMMC). Uma quantidade mínima da energia elétrica produzida é utilizada para desviar o ponteiro do instrumento PMMC. Esta energia é armazenada na mola do instrumento, o que ajuda a manter a posição do ponteiro e indicar o valor medido.
Tipos de Elementos Termoelétricos
Instrumento de Tipo Sem Contato
Em instrumentos termoelétricos de tipo sem contato, não há conexão elétrica direta entre o elemento aquecedor e o termopar. Em vez disso, os dois componentes são separados por uma camada de isolamento elétrico. Embora este isolamento forneça isolamento elétrico, ele também tem um impacto notável no desempenho do instrumento. Comparado aos instrumentos de tipo de contato, o design sem contato torna o sistema menos sensível às mudanças na quantidade medida e resulta em tempos de resposta mais lentos. Isso ocorre porque a transferência de calor do elemento aquecedor para o termopar é menos eficiente devido à presença da barreira de isolamento.
Termoelemento a Vácuo
Em instrumentos termoelétricos baseados em tubos de vácuo, tanto o aquecedor quanto o termopar estão encerrados em um tubo de vidro evacuado. Este ambiente a vácuo aumenta significativamente a eficiência do instrumento. Ao eliminar a presença de ar, a perda de calor por convecção e condução é minimizada. Como resultado, o aquecedor pode reter seu calor por um período prolongado, garantindo uma fonte de calor mais estável e consistente para o termopar. Esta estabilidade na geração de calor leva a medições mais precisas e confiáveis ao longo do tempo.
Tipo Ponte
Em instrumentos termoelétricos de tipo ponte, a corrente elétrica flui diretamente através do termopar. À medida que a corrente passa, ela causa o aumento da temperatura do termopar. A magnitude deste aumento de temperatura é diretamente proporcional ao valor quadrático médio (RMS) da corrente. Esta relação direta entre a corrente, o aumento de temperatura e a saída elétrica resultante do termopar forma a base de como esses instrumentos medem com precisão quantidades elétricas, fornecendo um método confiável e eficiente para várias aplicações de medição.
Vantagens dos Instrumentos Termoelétricos
Os instrumentos termoelétricos oferecem várias vantagens notáveis, tornando-os ferramentas valiosas na medição e análise elétrica:
Indicação Direta RMS: Uma das principais vantagens é a capacidade de exibir diretamente os valores de raiz quadrada média (RMS) de tensão e corrente na forma de onda. Esta característica simplifica o processo de medição, permitindo que os usuários determinem rapidamente e com precisão esses parâmetros elétricos cruciais, sem a necessidade de cálculos adicionais ou métodos de conversão complexos.
Imunidade a Campos Magnéticos Estranhos: Estes instrumentos são inerentemente resistentes à influência de campos magnéticos estranhos. Esta imunidade garante medições mais precisas e confiáveis, pois as perturbações magnéticas externas não interferem na operação do instrumento ou distorcem os resultados. Em ambientes onde a interferência magnética é comum, como perto de máquinas elétricas ou linhas de transmissão, esta vantagem se torna particularmente significativa.
Ampla Faixa de Medição de Corrente: Os elementos termoelétricos empregados nesses instrumentos permitem uma ampla faixa de medição de corrente. Seja em aplicações de baixa corrente ou alta corrente, os instrumentos termoelétricos podem capturar e exibir com precisão os valores relevantes, tornando-os versáteis para diversos sistemas elétricos e configurações experimentais.
Alta Sensibilidade: Os instrumentos termoelétricos apresentam um alto grau de sensibilidade, permitindo-lhes detectar até mesmo pequenas mudanças em quantidades elétricas. Esta sensibilidade é crucial para medições precisas em aplicações onde variações minúsculas em tensão ou corrente podem ter implicações significativas, como em laboratórios de pesquisa ou na calibração de outros dispositivos elétricos.
Utilidade na Calibração de Potenciômetros: São extremamente úteis para calibrar potenciômetros. Ao aproveitar a precisão de uma célula padrão, os instrumentos termoelétricos podem ajudar a garantir o funcionamento e a precisão adequados dos potenciômetros, que são componentes essenciais em muitos circuitos elétricos para regulação e medição de tensão.
Operação Independente de Frequência: Os elementos termoelétricos estão livres de erros de frequência, permitindo que esses instrumentos sejam usados em uma ampla faixa de frequências. Esta característica os torna adequados para aplicações envolvendo sinais de corrente alternada (CA) de frequências variadas, desde sistemas de energia de baixa frequência até circuitos eletrônicos de alta frequência.
Desvantagens dos Instrumentos Termoelétricos
Apesar de suas muitas forças, os instrumentos termoelétricos têm uma limitação notável:
Capacidade de Sobrecarga Limitada: Comparados a outros tipos de elementos de medição elétrica, os instrumentos termoelétricos têm uma capacidade de sobrecarga relativamente baixa. Isso significa que eles são mais vulneráveis a danos ou leituras imprecisas quando expostos a correntes ou tensões elétricas que excedam seus limites nominal. Portanto, deve-se considerar cuidadosamente e tomar medidas de proteção adequadas ao usar esses instrumentos em aplicações onde condições de sobrecarga possam ocorrer para evitar falhas potenciais do instrumento ou comprometimento da precisão da medição.
