Medição de temperatura usando sensores termopares

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.

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.

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.

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).

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.

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:

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.

EM BREVE

A importância do isolamento nos sistemas de aquisição de dadosIsolamento elétrico é a separação de um circuito de outras fontes de potencial elétrico. Saiba mais sobre a importância do isolamento galvânico em sistemas DAQ.

O que é Condicionamento de Sinais ou Condicionador de Sinais?Guia completo de condicionamento de sinal na aquisição de dados. O que é condicionamento, tipos de condicionadores de sinal e a tecnologia envolvida.

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

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

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.

Em breve

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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 DewesoftX 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).

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