Aprenda os conceitos básicos do termopar para compreender o seu funcionamento, bem como os diferentes tipos. Este artigo é patrocinado pela Danfoss.

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O que é um Termopar?

Um termopar típico tem o seguinte aspeto.

Normalmente, é fornecido com uma sonda de temperatura portátil ou mesmo com um multímetro. Também são incorporados nestas caixas sólidas para um design muito mais robusto. Os termopares são muito rápidos e fáceis de utilizar. Basta ligar a sonda ao dispositivo de medição; neste caso, um multímetro barato - e selecionar a definição de temperatura. Podemos obter uma leitura precisa da temperatura num instante.

Isto serve para muitas aplicações. Com um termopar, ligamos dois metais diferentes numa extremidade. E as outras extremidades ligam-se a um bloco de terminais. Depois usamos um voltímetro para ler a diferença de tensão entre os dois. A tensão aqui será muito, muito pequena. Quando ligamos o termopar a um multímetro e depois aplicamos calor à junção. podemos ver que vai gerar uma tensão. comoComo pode ver neste exemplo, conseguimos gerar uma tensão muito pequena utilizando uma chama e, quando retiramos o calor, a tensão diminui.

Os termopares estão disponíveis em diferentes gamas de temperatura, que são indicadas por uma letra que indica a sua gama de temperaturas nominais. O tipo mais comum é o K. Trata-se de uma versão de uso muito geral. Cada letra utiliza uma combinação diferente de materiais, o que nos dá uma leitura de temperatura diferente e permite diferentes gamas de temperatura.

Como é que um termopar funciona?

Se tivermos uma vareta metálica na mão e colocarmos a outra extremidade numa chama, sabemos que a vareta vai aquecer e que este calor vai viajar ao longo do comprimento da vareta até à nossa mão. Podemos ver isto utilizando uma câmara de imagem térmica. Repare que a energia térmica viaja ao longo do comprimento do fio de cobre para longe da fonte de calor.

O que acontece aqui é que o calor excita os átomos e as moléculas que constituem a estrutura do material. O calor faz vibrar as moléculas e os átomos. Esta vibração é tão pequena que não seria possível senti-la com a mão. Os átomos excitados permitirão que os seus electrões livres se desloquem mais facilmente e deslocar-se-ão em direção à extremidade mais fria da haste. Isto só acontece porque existe umaGradiente de temperatura: uma diferença de temperatura de uma extremidade à outra. Assim, na extremidade mais fria, teremos um pouco mais de electrões do que na extremidade mais quente. Como os electrões têm carga negativa, obtemos uma extremidade da barra com carga ligeiramente negativa e outra ligeiramente positiva.

A tensão é como a pressão. quando mede a diferença ou diferença de potencial; entre dois pontos. se imaginarmos um tubo de água pressurizado. podemos ver a pressão usando um manómetro. a leitura da pressão também está a comparar dois pontos diferentes. a pressão dentro do tubo comparada com a pressão atmosférica fora do tubo. quando o tanque está vazio o manómetro lê zero, porque temO mesmo acontece com a tensão. Estamos a comparar a diferença de um ponto para outro. Se fizermos uma leitura através de uma bateria de 1,5 V, podemos obter uma leitura de 1,5 V. Mas se tentarmos medir o mesmo lado, não leremos qualquer tensão, porque não há diferença. Só podemos medir a diferença entre dois pontos diferentes

A propósito, também já falámos anteriormente sobre "como funciona uma bateria". AQUI .

Voltando ao termopar, se ligarmos dois fios do mesmo material, digamos que são ambos de cobre, e aplicarmos calor na extremidade para criar uma diferença de temperatura, os electrões espalhar-se-ão e acumular-se-ão nas extremidades frias. No entanto, acumular-se-ão em quantidades iguais em cada fio, porque são do mesmo material. Assim, ambos os fios conduzirão o calor de forma igual e oNo entanto, se ligarmos dois fios de materiais diferentes, por exemplo, um de cobre e outro de ferro, os dois metais conduzirão o calor de forma diferente, pelo que o gradiente de temperatura será diferente, o que significa que o eletrão que se acumula no ponto frioserão diferentes, pelo que podemos ligar um voltímetro e ler a diferença de tensão.

Para que esta ferramenta seja útil, basta calibrá-la, testando o dispositivo contra temperaturas conhecidas e anotando as tensões geradas. Depois, basta utilizar uma fórmula para calcular a temperatura a partir da tensão medida. Para que isto funcione melhor, devemos submergir a junção fria num banho de gelo, de modo a obtermos uma tensão com uma referência relativa a 0 graus Celsius. Lembram-se de que eu dissesobre a pressão num tubo e como a estamos a comparar com a pressão atmosférica no exterior. Isto porque conhecemos a pressão no exterior do tubo - a sua pressão atmosférica. Assim, para que a leitura da voltagem seja exacta, precisamos de medir contra algo que conhecemos, por isso usamos água gelada porque sabemos que esta água tem uma temperatura constante de zero graus Celsius. Este método é usado em muitos laboratórios de ciências, no entanto, comoEm vez disso, para melhorar a precisão, deixamos as ligações frias a temperaturas ambientes iguais e depois compensamos a diferença medindo a temperatura da ligação e aplicando uma fórmula para compensar o erro. Para medir a temperatura da ligação, utilizamos frequentemente um sensor de temperatura RTD, queque veremos a seguir.

Detetor de temperatura de resistência

RTD significa detetor de temperatura por resistência. Trata-se também de uma conceção bastante simples, provavelmente mais fácil de compreender do que o termopar. Normalmente, são fornecidos com estas diferentes concepções para aplicações de engenharia com uma caixa robusta.

Como funcionam? Bem, sabemos que a eletricidade é o fluxo de electrões num circuito. Quando passamos a eletricidade através de um material, digamos um fio de cobre, o material terá alguma resistência ao fluxo de electrões. Podemos medir esta resistência com um multímetro. Diferentes materiais terão diferentes níveis de resistência. Por exemplo, este fio de cobre de 1 m de comprimento, mostra uma resistência muito baixaresistência de apenas 0,2 ohms.

Mas este fio de níquel-cromo com 1 m de comprimento apresenta uma resistência muito elevada de 22,1 ohms.

A temperatura do material altera a sua resistência. A maioria dos condutores aumenta a sua resistência à medida que aquecem, o que é típico dos metais. Por exemplo, este fio de cobre apresenta uma resistência de 0,1 ohms à temperatura ambiente, mas quando aquecido com uma chama aumenta para 0,9 ohms.

Isto acontece porque, à medida que os átomos e as moléculas ficam excitados, vão-se movimentar muito, o que torna mais difícil para os electrões livres passarem sem colisão. Utilizando uma fórmula conhecida como lei de ohms, a tensão é igual à corrente multiplicada pela resistência, o que significa que, desde que mantenhamos a corrente igual, uma alteração na resistência causará uma alteração na tensão.Utilizamos um material como a platina porque tem uma resistência quase linear em relação ao gradiente de temperatura. Testamos o material a temperaturas conhecidas para obter o gráfico. Por exemplo, a zero graus Celsius o material terá uma resistência de 100 ohms e a 100 graus Celsius tem uma resistência de 138,5 ohms.Existem muitos modelos diferentes para este tipo, mas normalmente são do tipo película, em que a platina é revestida numa placa de cerâmica num padrão e selada em vidro, ou será um fio de platina enrolado à volta de um núcleo de cerâmica, novamente selado em vidro para proteção.