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Jorge Castilho Cabrita, Engenheiro Electrotécnico (IST)/ Professor do Ensino Secundário
lições
LIÇÕES DE ELECTRICIDADE
{CAPITULO II · corrente contínua Jorge Castilho Cabrita, Engenheiro Electrotécnico (IST)/ Professor do Ensino Secundário
11º. PARTE
Termoelectricidade - 6ª parte : Aplicações do efeito Seebeck; tipos, características e uso de termopares.
Neste capítulo sobre Termoelectricidade inicia-se a apresentação das aplicações do efeito Seebeck. A mais conhecida é na medição de temperatura com uso de termopares. Analisam-se os vários tipos e características dos termopares. Diversa informação útil sobre termopares é indicada, quer no texto, quer em tabelas. O texto sobre termopares continua no próximo número. 29› APLICAÇÕES DOS EFEITOS SEEBECK, PELTIER E THOMSON Iremos referir as seguintes aplicações: Efeito Seebeck: Medição de temperatura (Termopares e pilhas termoeléctricas ou termopilhas); Medição de corrente e tensão (conversor termoeléctrico); Geração termoeléctrica. Efeito Peltier: Arrefecimento termoeléctrico ; controlo de temperatura. Efeito Thomson: interesse teórico apenas.
29.1.1› Tipos e características de termopares Uma das características dos elementos que entram na constituição de termopares é a sua f.e.m. termoeléctrica em relação a outro elemento tomado como referência, tendo-se escolhido para tal a platina. A f.e.m. desta é, por isso, 0 V. A junção de referência é colocada a 0º C. Na Tabela 4a indicam-se estas f.e.m. para vários elementos com temperaturas da junção de medida de 100 ºC e de 200 ºC. A Tabela 4b apresenta as f.e.m. de vários termopares com a junção de referência a 0 ºC, quando a temperatura da junção de medida é 100 ºC, 200 ºC, 500 ºC, 1000 ºC e 1500 ºC (ver ponto 28.1.2 - c)). Tabela 4a . F.e.m. termoeléctrica - Elementos (em relação à Platina e temperatura da junção de referência = 0 ºC)
29.1› MEDIÇÃO DE TEMPERATURA . TERMOPARES OU PARES TERMOELÉCTRICOS A temperatura de um corpo é uma grandeza que nos dá uma sensação de calor ou frio quando o tocamos. Representa a capacidade de transferência de calor de um corpo a maior temperatura para outro a menor temperatura. O valor desta grandeza corresponde à energia cinética média das partículas constituintes1 da matéria do corpo e exprime-se em graus (Celsius, por exemplo) ou em Kelvin (no Sistema Internacional). Existem vários tipos de sensores de temperatura2 usados na medida eléctrica do valor desta grandeza. Os mais usados são os termopares ou pares termoeléctricos3 cujo princípio de funcionamento já foi explicado no ponto 23. A sua popularidade resulta de serem robustos, económicos, de poderem trabalhar com gamas de temperaturas alargadas.
Cromel - liga de Ni (80%) + Cr (20 %) | Alumel - liga de Ni (95%) + Al (2%) + Mn (2%) + Si (1%) Constantan - liga de Cu (60%) + Ni (40%) Tabela 4b . F.e.m. termoeléctrica - Termopares (temperatura da junção de referência = 0 ºC)
A Tabela 5 mostra os vários tipos de termopares, suas características e aplicações. Os termopares são designados por letras maiúsculas de acordo com as normas americanas ANSI
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Já anteriormente se referiu que os coeficientes de Seebeck dos vários elementos termoeléctricos são dependentes da temperatura. Na figura 74 mostram-se gráficos dos coeficientes de Seebeck de vários tipos de pares termoeléctricos em função da temperatura.
Figura 74 · Coeficientes de Seebeck : termopares E, J, K, R, S, T
Apesar de alguns intervalos de temperatura com alguma linearidade, os coeficientes
são, em geral, não lineares com a temperatura. Em aplicações em que sejam mais importantes as variações de temperatura do que a amplitude da f.e.m. escolhem-se termopares nas faixas de temperatura em que apresentam maior linearidade. Assim, os do tipo K na zona de 400 ºC a 800 ºC, os do tipo S de 900 ºC a 1700 ºC, por exemplo.
Classe 2 têm valores intermédios. Para os termopares de tungsténio o erro máximo é superior a ±4,5 ºC ou ±1.0 %.
Os limites de erro dos termopares são variáveis, dependendo do tipo, da classe e também da faixa de temperaturas. As Classes de Tolerância estão definidas na recomendação IEC 584-2 (1989). Os da Classe 1 têm tolerâncias entre ± 0,5 ºC e ± 1,5 ºC, para as temperaturas mais baixas e ± 0,4 %, para as temperaturas mais altas, consoante o tipo de termopar. Nos da Classe 3 as tolerâncias variam entre ± 1 ºC e ± 4 ºC, para as temperaturas mais baixas e entre ± 0,5 % a ± 1,5 % para as mais altas. Os da 1 Átomos, moléculas ou fotões 2 Com o uso de sensores, uma medida é feita de forma indirecta, havendo uma conversão de um tipo de grandeza (térmica, por exemplo) numa grandeza de outra natureza (eléctrica, por exemplo). O valor da segunda (em Volt) define o valor da primeira (em ºC). O elemento activo do sensor que realiza este tipo de conversão chama-se transdutor. 3 Além destes há outros transdutores de temperatura: resistências variáveis com a temperatura (RTD e termistores) (a estudar nestas "Lições de Electricidade" no ponto dedicado a "Tipos de resistências"), díodos semicondutores e termopilhas para pirómetros de radiação (a estudar no ponto 29.2).
exercícios Resolução do exercício proposto no número anterior: EXERCÍCIO 21 Sim, porque o material de soldadura constitui um terceiro metal adicionado ao termopar. Desde que as junções deste metal com os condutores do termopar estejam à mesma temperatura, como é o caso, a sua inclusão não tem qualquer influência na f.e.m. termoeléctrica gerada ( lei dos materiais intermédios).