Medição de temperatura usando sensores termopares

Escrito por Grant Maloy Smith, o especialista em aquisição de dados

Neste artigo, discutiremos como a temperatura é medida hoje através de termopares, com detalhes suficientes para que você:

• Veja o que são termopares e como funcionam
• Aprenda os tipos básicos de termopares disponíveis e como eles são utilizados
• Entenda como os termopares podem interagir com o seu sistema DAQ

Você está pronto para começar? Vamos lá!

Introdução

Você sabia que a temperatura é a medição física MAIS registrada? Saber a temperatura é fundamental para o funcionamento correto de tudo, desde o corpo humano até o motor de um automóvel e tudo mais.

Precisamos saber a temperatura dos objetos para um número quase infinito de propósitos. A temperatura costuma ser um indicador de que algo está errado: talvez você esteja com febre, ou as pastilhas de freio de seu carro estejam prestes a falhar, ou a turbina de uma usina de energia esteja muito quente. Você entendeu a ideia. 

A temperatura é medida com um ou mais tipos de sensores de temperatura. Existem vários disponíveis no mercado hoje:

• Sensores termopar
• Sensores RTD
• Sensores  termistor
• Sensores infravermelhos de temperatura

O que é um termopar?

Um termopar é um sensor usado para medir temperatura. O termopar é um sensor muito popular devido ao seu custo relativamente baixo, intercambialidade, ampla faixa de medição e confiabilidade.

Sensor termopar típico
Hartke, Wikimedia Commons, domínio público

Os termopares são amplamente utilizados em todos os setores, desde automação de fábricas e controle de processos até automotivo, aeroespacial, militar, produção de energia, fabricação de metais, ciências médicas e muitos outros.  

Eles têm tipos de conectores padrão, tornando-os intercambiáveis ​​e fáceis de obter. Na extremidade de medição do sensor, eles podem ser tão simples como dois metais trançados juntos ou podem ser colocados dentro de uma sonda resistente para uso em ambientes industriais pesados.

Sonda de termopar longa conectada a um medidor
Harke / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Embora os termopares sejam bastante populares, precisões muito melhores do que 1 ° C não são facilmente obtidas com eles. Mas independentemente, devido às suas muitas vantagens, eles continuam sendo o tipo mais popular de sensor usado para medições industriais hoje.

Como funciona um termopar?

Os termopares são baseados no efeito Seebeck , que diz que quando um par de metais diferentes em contato um com o outro em cada extremidade é sujeito a mudanças de temperatura, eles criam um pequeno potencial de tensão. E fazem isso passivamente, ou seja, não precisam ser alimentados por um condicionador de sinal.

Como isso é possível? Estamos criando energia gratuita do nada? De forma alguma - é apenas física!

Considere que os elétrons carregam eletricidade e calor. Pegue um pedaço de fio de cobre nu e feche a mão em torno dele em uma das pontas. Energizados pelo calor da pele, os elétrons se propagam da área onde você está tocando para a extremidade mais fria, longe de você, criando um gradiente de temperatura ao longo do comprimento do fio. O calor foi transformado em energia.

Este fenômeno foi descoberto originalmente pelo cientista italiano Alessandro Volta (para quem chamamos de "o volt") em 1794. Mas o físico alemão Thomas Johann Seebeck o redescobriu em 1821. Ele observou que quando fios feitos de dois metais diferentes eram unidos em cada extremidade, e havia uma diferença de temperatura entre essas extremidades, aquele pequeno potencial de tensão foi criado nas junções.

Chamamos esse potencial de Tensão Seebeck e a criação desse potencial a partir da energia térmica de “Efeito Seebeck”. Com base nas observações de Seebeck há 200 anos, os físicos são capazes de determinar o coeficiente de Seebeck , ou seja, a magnitude da voltagem termoelétrica que é induzida por diferenças de temperatura em um determinado material.

O termopar detecta mudanças de temperatura com um par de metais diferentes quando eles entram em contato um com o outro

Décadas de pesquisa, tentativa e erro levaram ao entendimento atual de quais metais nos dão os melhores resultados quando os emparelhamos para criar um termopar. Combinações diferentes fornecem faixas de medição eficazes diferentes. E, claro, cada metal tem propriedades ambientais, o que determina ainda onde e como eles podem ser usados.

A ciência por trás dos termopares está bastante madura agora, e temos “tipos” padrão da indústria disponíveis no mercado hoje, como o Tipo K , que combina metais Chromel e Alumel, fornecendo uma faixa de medição muito ampla. Mais sobre os tipos de termopar abaixo . 

Parece muito simples - pegue um par de fios de termopar e conecte uma extremidade dele ao seu sistema DAQ ou um voltímetro e comece a medir a temperatura, certo? Bem, há um pouco mais do que isso.

Há duas etapas adicionais que devem ser executadas para converter a saída de um sensor termopar em uma leitura de temperatura utilizável: compensação de junta fria e linearização. Vamos examinar cada um deles para ver como funcionam e o que fazem.

Compensação de junta fria

Para fazer uma medição absoluta, o termopar deve ser “referenciado” a uma temperatura conhecida na outra extremidade dos cabos do sensor. Antigamente, essa referência seria um banho de gelo de água destilada quase congelada, que tem uma temperatura conhecida de 0 ° C (32 ° F). Mas, como isso é inconveniente de transportar, outro método foi criado usando um minúsculo termistor ou RTD protegido do ambiente para medir a temperatura ambiente. Isso é chamado de “ compensação de junta fria ” (CJF).

CJC inside a Dewesoft IOLITE TH thermocouple module. The white wires connect to a thermistor that is embedded within the white thermal paste.

A “ junção quente ” é a extremidade de medição do conjunto do termopar e a outra extremidade é a “ junção fria ”, também conhecida como junção do termopar de referência, onde o chip CJF está localizado. Portanto, embora a temperatura da junta fria possa variar, ela fornece uma referência conhecida pela qual o sistema de medição pode derivar a temperatura na extremidade de medição do sensor com uma precisão muito boa e repetível.

Linearização

A saída de pequena tensão de um sensor termopar não é linear, ou seja, não muda linearmente com as mudanças de temperatura. A linearização pode ser feita pelo próprio condicionador de sinal ou usando um software executado dentro do sistema DAQ.

Curvas de linearização para os tipos de termopares mais populares
Imagem do curso de treinamento PRO online da Dewesof

Tipos de termopar

O emparelhamento de diferentes tipos de metais nos dá uma variedade de faixas de medição. Eles são chamados de “tipos”. Um muito popular é o termopar tipo K , que emparelha Chromel e Alumel, resultando em uma ampla faixa de medição de −200 ° C a +1350 ° C (−330 ° F a +2460 ° F). Outros tipos populares são J, T, E, R, S, B, N e C.

Os termopares tipos J, K, T e E também são conhecidos como termopares de metal base. Os termopares dos tipos R, S e B são conhecidos como termopares de metal nobre, usados ​​em aplicações de alta temperatura. Aqui estão os tipos de termopares mais populares em uso hoje:

ANSI	IEC	Alloys Used	Cordilheira mais ampla	Magnético?	Comentários
J	J	Iron-Constantan	-40° to 750° C -40° to 1382° F	Sim	Melhor para altas temperaturas do que baixas
K	K	Chromel-Alumel	−200° to 1350 °C −330° to 2460 °F	Sim	Alance mais amplo, mais popular. O níquel é magnético.
T	T	Copper (Cu)	-270 to 400° C -454 to 752° F	Não	Bom para temperaturas mais baixas e ambientes úmidos.
E	E	Chromel-Constantan	−50° to 740 °C	Não	Bom para uso criogenico
N	N	Nicrosil (Ni-Cr-Si)	-270 to 1300° C -450 to 2372° F	Não	Ampla faiya de temperaturas, mais estável do que o tipo K
B	B	Platinum-30% Rhodium (Pt-30% Rh)	0 to 1820° C 32 to 3308° F	Não	Alta temperatura, não insira em tubos de metal
R	R	Platinum-13% Rhodium (Pt-13% Rh)	-50 to 1768° C -58 to 3214° F	Não	Alta temperatura, não insira em tubos de metal
S	S	Platinum-10% Rhodium (Pt-10% Rh)	-50 to 1768° C -58 to 3214° F	Não	Alta temperatura, não insira em tubos de metal
C	C	Tungsten-3% Rhenium (W-3% Re)	0 to 2320° C 32 to 4208° F	Não	Feito para aplicacoes de alta temperatura, mas não ambient oxidantes

A Uma comparação detalhada de termopares está disponível na imagem abaixo. Clique na imagem para ampliar:

Desafios e soluções de medição de termopar

Devido à saída muito pequena de microvolts e milivolts desses sensores, ruído elétrico e interferência podem ocorrer quando o sistema de medição não está isolado. Os dispositivos Dewesoft DAQ tratam disso por meio de condicionamento de sinal diferencial. Quase todos os módulos de condicionamento de sinal Dewesoft são isolados galvanicamente, além de serem diferenciais. Essas são as melhores maneiras de rejeitar tensões de modo comum que entram na cadeia de sinal.

Outra forma de reduzir o ruído é colocar o digitalizador o mais próximo possível do sensor. Evitar longas linhas de sinal é uma estratégia comprovada para maximizar a fidelidade do sinal e reduzir custos. Veja nossos dispositivos DAQ modulares SIRIUS e KRYPTON para as melhores soluções aqui.

Um CJC inadequado resulta em leituras erradas. Este conjunto precisa ser protegido de mudanças de temperatura ambiente para fornecer uma referência sólida. A Dewesoft usa um chip CJC separado para cada canal em seus CJCs de última geração, que são fresados ​​a partir de um bloco sólido de alumínio e montados com precisão para obter a melhor referência possível.

Os fios do termopar são mais caros do que os fios de cobre simples, fornecendo mais um motivo pelo qual a junção fria deve ser localizada o mais próximo possível da fonte do sinal (enquanto ainda evita oscilações extremas de temperatura ambiente). 

Sistemas como o módulo termopar isolado de canal único KRYPTON ONE da Dewesoft fornecem o que há de mais moderno  nessa área, permitindo que a referência fria seja distribuída em qualquer lugar em que os sensores estejam localizados e interconectados até 100 m (328 pés) de distância. O sinal é convertido para a direita digital no ponto de medição e transmitido via EtherCAT para o sistema de medição host, eliminando ruídos e longas extensões de cabos termopares caros. 

Aplicações de medição de termopar

Uma amostra de teste na parte superior do forno está sendo instrumentada com termopares Tipo K (observe os conectores amarelos na lateral do forno)
Achim Hering / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

A temperatura é a propriedade física mais medida no mundo, e os termopares são os sensores mais populares para medição de temperatura. Portanto, existem literalmente milhões e milhões de aplicações para termopares, em todos os setores e indústrias. Aqui estão apenas alguns deles:

• Usinas de energia elétrica (a temperatura é um indicador de superaquecimento dos componentes)
• Eletrodomésticos, onde termistores não são suficientes
• Controle de processos industriais e automação de fábrica
• Fabricação de alimentos e bebidas
• Fábricas de processamento de metais e celulose e papel
• Monitoramento e estudos ambientais
• Pesquisa e desenvolvimento científico (P&D)
• Fabricação e teste de suprimentos farmacêuticos e médicos
• Sistemas automotivos e aplicativos de teste, testes de clima quente e frio, testes de freio, testes
• ADAS, análise de combustão e muito mais
• Sistemas e testes de motores de aeronaves e foguetes
• Fabricação e teste de satélites e espaçonaves

Vantagens e desvantagens dos termopares

Vantagens do termopar:

• Auto-alimentado (passivo)
• Simples de usar
• Conectividade fácil e intercambiável
• Relativamente barato
• Grande variedade de sondas termopares disponíveis
• Amplas faixas de temperatura em muitos tipos
• Capacidades de temperatura mais altas do que outros sensores
• Não afetado por diminuições ou aumentos de resistência

Desvantagens do termopar:

• A saída requer linearização
• Uma junção de "referência fria" CJF é necessária
• Saídas de baixa tensão são suscetíveis a ruído
• Não tão estável quanto os RTDs
• Não tão preciso quanto RTDs

Comparação de Sensores de Temperatura: Termopares, RTDs e Termistores

Sensor	Termistor	Par termoeléctrico	RTD (Pt100)
Faixa de Temperatura	Mais estreito -40°C a 300°C	O tipo J mais amplio é de-210 a 1200°C tipo K is 95 a 1260°C Outos tipos podern variar tao baixo quanto -270°C or ou tao alto quanto 3100°C	Estreito -200- a 600°C Até 850°C é passível
Resposta	Rápido	Médio a rápido Depende de tamanho do sensor diametro do fio e constucao	Lento, depende de tamango e construcao de sensor
Estabilidade de longa duracao	Pobre	Muito bom	Melhor (±0.5°C a ±0.1°C / ano)
Precisao	Justo	Boa	Melhor 0.2%, 0.1% e 0.05%
Linearidade	Exponencial	Não linear Isso generalmente é feto e software	Razoavelmente bom, mas a linearizacao e recomendada
Construcao	Frágil	Banhas e tubos adequados melhoram a fragilidade, mas aumentam o tempo de resposta	Bainhas e tubos frageis melhoram a fragilidad, mas aumentam o tempo de resposta
Tamanho	Muito pequeno	Pequeno	Major
Fiacao	Muito simples	Simples	Complexo
Excitacao/energia necessária	Nenhum	Nenhum	Requeridos
Requisitos Externos	Nenhum	CJC (compensacao de junta fria) e linerizacao do signal	Condicionador de signal RTD
Custo	Os tipos mais baxos de baixa precisao sao muito baratos, mas existem algunas que sao mais precisios e mais caros. Modelos NTC e PTC (coeficiente de temperatura negativo e positivo) estao disponíveis.	Tipos de baixo R e S que usam platina sao mais caros	Altíssima

Especificações são típicas

Escolha do termopar certo para sua aplicação

Para escolher o sensor certo para sua medição, é importante observar vários fatores diferentes:

• Quais são as temperaturas máxima e mínima que você precisa medir? 
• Qual é o orçamento?
• Qual faixa de precisão é necessária?
• Em que atmosfera será usado? (oxidante, inerte, etc.)
• Qual é a vida útil necessária do sensor?
• Qual é a resposta necessária (quão rápido deve reagir às mudanças de temperatura)?
• O uso do termopar será periódico ou contínuo?
• O termopar ficará exposto a dobras ou flexões durante sua vida útil?
• Será imerso em água e em qual profundidade?

Com base nas respostas a essas perguntas e com base na tabela de Tipos de termopares acima, deve ser possível selecionar o(s) melhor(es) sensor(es) para sua aplicação.

Vídeo de treinamento de termopar

Este vídeo da conferência de medição de Dewesoft explica as características básicas e os princípios de funcionamento de termopares e a medição de temperatura com dispositivos e software Dewesoft DAQ .

Dispositivos de medição Dewesoft para termopares

A Dewesoft fornece vários sistemas DAQ que podem medi, armazenar e exibir a temperatura com eficácia. E eles podem fazer isso conectando os sensores de temperatura mais populares do mundo para aplicações DAQ industriais: o termopar. Os sistemas Dewesoft podem medir, armazenar, analisar e visualizar a temperatura de um a centenas de canais em tempo real.

Observe que o software de aquisição de dados Dewesoft X permite que a saída de temperatura de qualquer sensor seja exibida em sua escolha da escala de temperatura. A unidade de medida padrão é Celsius, mas o software fornece conversão fácil e simples para a escala.

Fahrenheit (F) ou para a escala Kelvin (K), a unidade básica de temperatura no Sistema Internacional de Unidades (SI).

O arquivo de dados do teste de bateria de íon-lítio onde o sensor termopar foi usado para medir a temperatura das baterias usando o software Dewesoft X e o hardware DAQ

Dewesoft X é tão flexível que você pode exibir uma determinada medida em várias unidades de medida simultaneamente, se necessário.

Medição de termopar com o SIRIUS

SIRIUS é o carro-chefe da linha de produtos Dewesoft. Eles representam o mais alto desempenho do sistema DAQ, combinado com o software DAQ mais poderoso do mercado, DEWESoft X. Para conectar termopares aos sistemas de aquisição de dados SIRIUS , usamos nossos adaptadores Dewesoft Sensor Interface (DSI) populares para fazer a interface com vários módulos de entrada SIRIUS. 

Sistemas de aquisição de dados SIRIUS estão disponíveis numa grande variedade de configurações físicas, a partir de “fatias” modulares que se conectam ao computador por USB ou EtherCAT, sistemas com configuração em Racks R3 e sistemas stand-alone R1, R2, R3, R4 , e R8 , que incluem um computador embutido.

A linha de produtos de dispositivos SIRIUS DA

Os adaptadores de termopar da série DSI-THx têm um conector de entrada do tipo mini lâmina padrão da indústria e um cabo curto de termopar cujos metais correspondem ao tipo. O adaptador DSI-THx são compatível com quatro tipos populares de termopares: J, K, T e C. 

O adaptador DSI-TH-K da Dewesoft (Tipos J, T e C também disponíveis

Os adaptadores DSI usam uma interface TEDS embutida para se configurar automaticamente no software Dewespft X DAQ. Simplesmente conecte o adaptador de termopar DSI-TH na entrada DB9 do módulo SIRIUS selecionado, verifique suas configurações na tela de configuração de hardware no software DEWESoft X e você estará pronto para começar a fazer medições.

Aqui está uma referência cruzada dos módulos SIRIUS e sua compatibilidade com o adaptador DSI-TH8x:

	Módulos SIRIUS dual-core	Módulos SIRIUS HD (alta densidade)	Módulos SIRIUS HS (alta velocidade)
	STG, STGM, LV	HD-STGs, HD-LV	HS-STG, HS-LV
DSI-THx 1	√	√	√

1) Observação - os adaptadores DSI-TH estão disponíveis nos tipos K, J, T, E e C
2) Observação - alguns módulos SIRIUS DAQ têm opções de conector de entrada diferentes de DB9. Escolha DB9 para compatibilidade perfeita do adaptador DSI.

Medição de termopar com KRYPTON

Módulo DAQ termopar KRYPTON sendo testado em um agitador de vibraçã

Os dispositivos KRYPTON DAQ são a linha de produtos mais robusta disponível da Dewesoft. Construído para suportar temperaturas extremas e condições de choque e vibração, KRYPTON é classificado como IP67, protegendo-os contra água, poeira e muito mais. Eles se conectam a qualquer computador Windows (incluindo o modelo IP67 KRYPTON-CPU robusto da própria Dewesoft ) via EtherCAT e podem ser separados por até 100 metros (328 pés), permitindo que você os localize perto da fonte de sinal. Como o SIRIUS, eles executam o software DAQ mais poderoso do mercado, o Dewesoft X. 

KRYPTONi-8xTH - registrador de dados e aquisição de dados de termopar de 8 canais isolad

KRYPTONi-16xTH - registrador de dados e aquisição de dados de termopar de 16 canais isolado

Os termopares podem ser conectados diretamente ao módulo de condicionamento de sinal multicanal KRYPTON-TH e ao módulo de condicionamento de sinal termopar de alta tensão de canal único HV-TH-1.

Tela de configuração do software Dewesoft X, mostrando as 8 entradas de termopar 
KRYPTON Termopar - Tela de configuração de canais do módulo de termopar KRYPTON, mostrando as configurações do sensor e amplificador e visualização do sinal analógico ao vivo

Aqui está uma referência cruzada dos módulos KRYPTON DAQ e sua compatibilidade com termopares, bem como adaptadores DSI feitos para medição de temperatura:

	Módulos multicanais KRYPTON
	TH	STG
Termopares	Entrada de termopar nativa (UNIVERSAL - cada canal pode ser definido para qualquer tipo no software, selecionável entre estes nove tipos: J, K, T, E, R, S, B, N, C)	Requer um pequeno DSI-THx 1)

1) Nota - Os adaptadores DSI-THx estão disponíveis nos Tipos K, J, T, C e E

 

À esquerda: módulo de aquisição de dados termopar de 1 canal KRYPTON-1xTH-HV-1
À direita: módulo de aquisição de dados de sinal universal KRYPTON-1xSTG-1

O KRYPTON ONE de canal único oferece o máximo em modularidade:

	Módulos de canal único KRYPTON-1
	TH-HV-1	STG-1
Termopares	Entrada de termopar tipo K nativo, classificado para isolamento CAT III 600V e CAT II 1000 V.	Requer um pequeno DSI-THx1)

1) Nota - os adaptadores DSI-TH estão disponíveis nos tipos K, J, T, E e C 

Medição de termopar com IOLITE

IOLITE é um produto exclusivo que combina os recursos essenciais de um sistema de controle industrial em tempo real com um poderoso sistema DAQ. Com o IOLITE, centenas de canais analógicos e digitais podem ser gravados em velocidade total e, ao mesmo tempo, enviar dados em tempo real para qualquer controlador mestre EtherCAT de terceiros .

À esquerda: sistema de montagem em rack IOLITEr com 12 slots de módulo de entrada

À direita: sistema de bancada IOLITEs com 8 slots de módulo de entrada

Eles representam um ótimo desempenho do sistema DAQ mais controle em tempo real via EtherCAT , combinados com o software DAQ mais poderoso do mercado, DEWESoft X.
Aqui está uma referência cruzada dos módulos de entrada IOLITE e sua compatibilidade com termopares, bem como adaptadores DSI feitos para medição de termopar:

Módulos multicanais IOLITE
	8xTH	6xSTG
Termopares	Entradas de termopar nativas (8 canals por módulo) Selecionáveis entre estes tipos: K, J, T, R, S, N, E, C, U, B	Via DSI-THx 1) (até 6 canais por módulo)

1)  Nota - os adaptadores DSI-TH estão disponíveis nos tipos K, J, T, E e C 

O módulo IOLITE-8xTH  DAQ oferece isolação canal a terra e canal a canal de até 1000V. Os dados são adquiridos simultaneamente de todos os 8 canais com taxas de amostragem de até 100 S/s usando ADC delta-sigma de 24 bits.
A mesma taxa de amostragem e especificações de isolamento são verdadeiras para o módulo 6xSTG, exceto que ele tem seis canais em vez de oito. O 6xSTG é um módulo muito versátil, capaz de realizar medições de strain gage, resistivas e de baixa tensão, além de ser compatível com adaptadores da série DSI.

Medição de termopar com DEWE-43A e MINITAURs

O DEWE-43A é um sistema DAQ de mão extremamente portátil. Conectando-se ao seu computador por meio de um conector USB com trava, possui oito entradas analógicas universais. Seu “irmão mais velho” é chamado de MINITAURs - é essencialmente o DEWE-43A combinado com um computador e alguns outros recursos, em um único gabinete altamente portátil. As entradas universais de ambos os sistemas são compatíveis com os adaptadores DSI da Dewesoft, permitindo conectar um sensor termopar a qualquer um ou todos os seus oito canais de entrada. 

À esquerda: sistema DAQ portátil DEWE-43A
À direita: modelo MINITAURs, incluindo computador embutido

Os adaptadores DSI-THx estão disponíveis para vários tipos populares de termopares, incluindo os tipos J, K, T e C. Os adaptadores DSI usam a tecnologia de sensor TEDS para se configurar automaticamente no software Dewesoft X DAQ . Simplesmente conecte o adaptador DSI-THx à entrada DB9 da entrada selecionada, verifique suas configurações na tela de configuração do hardware no software Dewesoft X e você estará pronto para começar a fazer medições.