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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
13º. PARTE
Termoelectricidade - 8ª parte : Termopares (constituição e critérios de escolha); Conversores termoeléctricos; Pirometria; Sensores termoeléctricos.
No artigo de hoje finaliza-se o estudo dos termopares. Analisa-se a utilização de termoconversores na medida de grandezas eléctricas. Descrevem-se as termopilhas e a sua utilização. O sub-capítulo sobre Termoelectricidade será terminado no próximo número.
29.1.5› CONSTITUIÇÃO DE TERMOPARES A construção do termopar depende do tipo de utilização. a) Termopar simples A forma mais simples de termopar é um par de fios ligados na extremidade por soldadura ou por torção, dependendo do esforço esperado (figura 84). Este tipo de termopar destina-se a baixas temperaturas em ambientes favoráveis. As limitações no uso deste termopar resultam da temperatura admissível pelo material isolante (PVC, fibra de vidro, etc.) e da exposição da junção ao meio ambiente.
Figura 84 . Termopar nu
c) Termopar com bainha (ou manga) (figura 86) Um termopar pode ter os condutores protegidos com um isolamento de óxido de magnésio envolvido por uma bainha. Este tipo de protecção bainha-isolamento protege os condutores do contacto químico com o meio ambiente, de interferências eléctricas, de choques e vibrações.
Figura 86 . Termopar com bainha TIPOS DE JUNÇÃO
A montagem mais simples de junção de medida é aquela em que a junção está exposta (figura 87 (a)), o que permite maior velocidade de resposta do termopar, mas também maior vulnerabilidade a um meio agressivo. Noutro tipo de montagem a junção está isolada electricamente do tubo de protecção (figura 87 (b)), o que evita a interferência de sinais externos, mas diminui a velocidade de resposta. Na montagem aterrada (figura 87 (c)) a junção está ligada electricamente ao tubo metálico de protecção, o que aumenta a velocidade de resposta em relação à isolada, mas também aumenta o risco de interferências externas.
Figura 85 . Termopar isolado
b) Termopar com armadura Quando é necessário proteger o termopar de fluidos quentes do meio onde está instalado, é envolvido por uma armadura flexível de aço inoxidável. Figura 87 . Junção de medida
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numa corrente contínua (no termopar), através da conversão intermédia em calor2. Por esta razão, chama-se um conversor termoeléctrico3.
29.3› PIROMETRIA . SENSORES TERMOELÉCTRICOS Há situações em que é necessário medir a temperatura de um objecto sem o tocar como, por exemplo, quando o objecto está em movimento (numa linha de montagem), quando está muito quente (num forno), quando não está acessível (numa câmara de vácuo), quando pode haver risco de deterioração ou de contaminação devida ao contacto. O método usado para o conseguir chama-se pirometria de radiação4. Este método baseia-se no facto de que todos os corpos emitem radiações electromagnéticas infravermelhas dependentes da sua temperatura. Os aparelhos que funcionam de acordo com este princípio designam-se termómetros de radiação5 ou pirómetros. A primeira patente de um destes termómetros usando um sensor termoeléctrico data de 1901. Este tipo de aparelho é, em regra, constituído por um sistema óptico e por um detector. O sistema óptico concentra a energia recebida no detector. Este último é sensível à radiação. É possível usar termopares para medir a radiação infravermelha. Esta incide sobre um absorvedor que está em contacto com a junção de medida do termopar. A diferença entre a temperatura atingida pelo absorvedor e a temperatura da junção fria é medida por um voltímetro acoplado ao termopar. Para aumentar o valor da f.e.m. gerada usam-se termopilhas (ver ponto 28.2) cujo funcionamento se baseia no efeito Seebeck. Originalmente eram constituídas por termopares de antimónio e bismuto por apresentarem elevadas f.e.m. termoeléctricas. Já em 1835 N. Nobili apresentou uma termopilha. Na figura 92 mostra-se o esquema de princípio de um pirómetro com termopilha.
Figura 92 . Pirómetro com termopilha
termopares numa área de alguns milímetros quadrados, o que lhes confere maior sensibilidade. Devido às reduzidas dimensões têm maior rapidez de resposta. Estes sensores são montados em invólucros semelhantes aos usados pelos transístores, como se mostra na figura 93.
exercícios Resolução dos exercícios propostos no número anterior EXERCÍCIO 22 T1 = 390,4 ºC (quadro da figura 78). Figura 93 . Termopilha sensora com materiais semicondutores
A abertura no centro é a janela por onde entra a radiação infravermelha que vai atingir o absorvedor.
1 Em corrente alternada, define-se valor eficaz I duma cor-
rente como o valor que produz numa resistência o mesmo efeito calorífico que uma corrente contínua com esse valor I. É este valor que o aparelho mede. 2 Por isto, este tipo de circuito pode medir correntes de
A f.e.m. correspondente a 30 ºC é 1,196 mV (figura 78) (em relação à temperatura de referência de 0 ºC). A f.e.m. correspondente a T1, em relação à temperatura ambiente T2 = 30 ºC é E1(T1-T2) = 19,306 mV. A f.e.m. correspondente a T1, em relação à temperatura de referência de 0 ºC é E3(T1-T3). E3 = E1+E2 = 19,306 + 1,196 = 20,502 mV T1 = 390,4 ºC (quadro da figura 78)
frequências muito elevadas (100 MHz). 3 Os circuitos que transformam corrente alternada em
contínua e os que produzem outros tipos de transformação chama-se conversores. 4 A palavra pirometria resulta do grego "pyro", que quer
Hoje são construídas termopilhas sensoras com materiais semicondutores com base no silício, constituídas por centenas de
EXERCÍCIO 23 O método de resolução está explicado no ponto "28.1.3 - a) Termopar calibrado".
dizer "fogo". 5 A palavra termómetro resulta do grego "thermos" que
significa "quente".
Conclui-se que a temperatura medida nos dois casos é a mesma (390,4 ºC). O voltímetro indica um valor maior (20,502 mV) quando a diferença entre a temperatura de medida e a temperatura de referência é maior, ou seja, quando a temperatura de referência é 0 ºC.