Elétrica

Pra que serve o sensor termopar e como ele funciona na prática

Mardey Costa
Escrito por Mardey Costa em 20/01/2022
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Você sabe pra que serve o sensor termopar?

Neste artigo, você vai descobrir o que é o sensor termopar, para que ele serve, quais são os tipos e como ele funciona na prática.

Portanto, se você quer aprender mais sobre esse assunto, então continue lendo esse artigo. Nele você vai aprender sobre:

E se você gostou do que vem por aí, então não deixe de compartilhar este artigo com seus amigos nas redes sociais, para que eles possam conhecer mais sobre o sensor termopar.

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O que é termopar

O termopar é um tipo de sensor de temperatura muito utilizado para fazer a medição de temperaturas em ambientes industriais.

Esse tipo de sensor de temperatura é muito famoso entre os os métodos de medição de temperatura por ser o mais barato e cobrir também uma maior faixa de temperatura.

Além disso, os termopares mais baratos são feitos de ferro, cobre ou níquel, e os modelos mais caros utilizam platina em sua composição.

A diferença entre os modelos de termopar no mercado é relativa ao custo de fabricação, confiabilidade, gama de temperaturas suportadas entre outros fatores.

Para que serve um termopar

O termopar é o tipo de sensor de temperatura considerando simples, mas ao mesmo tempo robusto e também de baixo custo.

Ele é muito usado para os vários tipos de aplicações na indústria porque possui uma ampla faixa de temperatura que pode ser medida.

Ou seja, desde algumas dezenas negativas até milhares de graus Celsius, e por isso, é um dos tipos de sensores de temperatura mais utilizados em todo o mundo.

Mas se você quiser saber mais sobre o sensor PT100, clique aqui para saber mais sobre esse tipo de sensor de temperatura.

Onde é usado o sensor termopar

O sensor de temperatura é muito usado em diversas aplicações principalmente na setor da indústria.

Mas também são muito utilizados em casos em que há possível dano em outras formas de sensores.

Neste caso, como na medição de temperatura de jatos de turbinas e temperatura interna de motores de combustão.

Aqui na Viver De Elétrica já fizemos vários artigos explicando sobre os tipos de sensor de temperatura.

Como funciona o sensor termopar

O princípio básico de funcionamento do termopar foi descoberto por acaso pelo físico estoniano Thomas Seebeck em 1821.

Ele percebeu que se há uma união entre dois metais diferentes, e os dois forem mantidos a temperaturas diferentes, então aparecerá assim uma diferença de potencial elétrico entre os dois metais.

Essa descoberta foi chamada de efeito Seebeck e o sensor termopar consiste nessa união de dois metais.

Sensor termopar com efeito seebeck na prática

Na imagem abaixo é possível visualizar um exemplo de como funciona o sensor termopar.

como funciona o sensor termopar

Neste caso, eles são ligados a um voltímetro que é capaz de medir a tensão de saída do par termoelétrico.

Por isso, a partir dessa tensão que será medida, é possível determinar a temperatura em que a união dos metais se encontra.

Sensor termopar com combinação de metais

Para fazer sensores de temperaturas como o termopar e utilizando esse princípio, é usado combinações de metais que já foram normalizadas.

Isso acontece porque essa normalização ocorre porque certas combinações de metais já possuem as tensões elétricas de saída tabeladas, além de atuarem em uma ampla gama de temperatura.

Mas também poderia ser possível construir um sensor de temperatura com praticamente qualquer combinação de metais.

Outro aspecto importante do sensor termopar está ligado a sua curva do termopar.

Curva do sensor termopar

Na imagem abaixo é possível visualizar a curso do sensor termopar com a relação entre a tensão de saída em milivolts e a temperatura do sensor termopar.

Curva do sensor termopar

Neste caso, os valores de temperatura para cada tensão medida para os diferentes tipos de termopar estão tabelados.

Portanto, medindo a tensão de saída no sensor, é possível saber a temperatura medida, verificando a tabela.

Mas é importante destacar que para diferentes tipos de termopares também irão possuir diferentes curvas de temperatura é que vamos entender agora.

Quais os tipos de sensor termopar

Para entender os tipos de termopar disponíveis no mercado, vamos abordar os tipos de termopar fabricados pela Alutal.

A Alutal é uma empresa nacional, especializada na fabricação e comercialização de sensores e instrumentos para medição, monitoramento e controle de temperatura, nível, vazão, vibração, pressão e detecção de gases.

Ela está no mercado há mais de 25 anos e sua fábrica está localizada em uma área de mais de 2.000m² na cidade de Votorantim/SP a 100 km da capital de São Paulo.

Seus produtos atendem os mais exigentes segmentos da indústria como Óleo & Gás/Onshore & Offshore, Químicas & Petroquímicas, Plantas de Geração De Energia Elétrica, Siderúrgicas & Fundições, Mineração, Açúcar & Álcool e OEM.

Por isso, existem vários tipos de termopares industriais que conseguem medir em uma faixa de temperatura entre -270 graus até +2320 graus Célsius.

Confira abaixo como sobre cada um dos tipos de sensores termopar da Alutal, sua faixa de temperatura e onde eles podem ser usados.

Sensor termopar tipo B

O sensor termopar tipo B possui características muito próximas aos modelos R e S e são termopares nobres.

Ou seja, são aqueles cujos pares são constituídos de platina.

Esse tipo de sensor de temperatura é mais estável em função da sua sensibilidade reduzida.

Por isso, eles são utilizados apenas para medir temperaturas acima dos 300°C e até 1800°C.

Isso acontece, porque diferente de outros termopares, este origina a mesma temperatura na saída a 0 e a 42 °C, o que impede a sua utilização abaixo dos 50 °C.

Em compensação, utiliza cabos de extensão de cobre comum desde que a sua conexão com o termopar esteja neste intervalo (0 °C a 50 °C).

É importante destacar que os demais termopares necessitam de cabos de ligação com o mesmo material do termopar.

Neste caso, estarão sob o risco de formarem com o cobre um “outro termopar”, se a conexão estiver a temperatura diferente do instrumento de processamento do sinal (p.ex. transmissor)

Pode ser utilizado em atmosferas oxidantes, inertes e, por um curto espaço de tempo, no vácuo.

No entanto, ele não deve ser usado em atmosferas redutoras ou que contenham vapores, tanto metálicos quanto não metálicos.

Esse equipamento não deve ser inserido diretamente num tubo de proteção primário metálico, e requer a utilização de isoladores e tubos de proteção cerâmicos de alta alumina.

Abaixo segue algumas características do sensor termopar, confira:

  • Termoelemento positivo (BP): Pt70,4%Rh29,6% (Ródio-Platina)
  • Termoelemento negativo (BN): Pt93,9%Rh6,1% (Ródio-Platina)
  • Faixa de utilização: 0 °C a 1820 °C
  • f.e.m. produzida: 0,000 mV a 13,820 mV

Agora nosso próximo passo é entender o sensor termopar do tipo E.

Sensor termopar tipo E

O sensor termopar tipo E (cromel-constantan) é adequado para baixas temperaturas ou quando é desejável detectar pequenas variações de temperatura, devido a sua elevada sensibilidade (68 µV/°C).

O sensor termopar tipo E quando comparado com os outros modelos de termopares que são geralmente, possui uma maior potência termoelétrica.

Ou seja, é algo bastante vantajoso para quem deseja detectar pequenas variações de temperatura.

Esse tipo de sensor pode ser utilizado em atmosferas oxidantes, inertes ou vácuo.

Mas é importante destacar que ele não é indicado para atmosferas alternadamente oxidantes e redutoras.
Confira algumas características do termopar do tipo E:

  • Termoelemento positivo (EP): Ni90%Cr10% (Cromel)
  • Termoelemento negativo (EN): Cu55%Ni45% (Constantan)
  • Faixa de utilização: -270 °C a 1000 °C
  • f.e.m. produzida: -9,835 mV a 76,373 mV

Agora vamos conhecer outro tipo de sensor termopar do tipo J.

Sensor termopar tipo J

O sensor termopar tipo J (ferro-constantan) é usado em equipamentos já obsoletos que nem sempre são compatíveis com os tipos de termopares mais modernos.

Esse tipo de sensor termopar pode ser utilizado em atmosferas redutoras, neutras ou oxidantes.

Mas é importante destacar que ele não é recomendado em atmosferas com alto teor de umidade e também em baixas temperaturas.

Isso acontece, porque o termoelemento JP pode se tornar quebradiço.

E acima de 540°C o ferro oxida-se rapidamente e também não é recomendado em atmosferas sulfurosas acima de 500°C.

Neste caso também, a utilização do termopar tipo J acima dos 760 °C leva a uma transformação magnética abrupta que estraga a calibração.

Para proteger a ponta do termopar é possível utilizar elementos como o vidro, cerâmicas ou ligas metálicas interferindo o mínimo possível na medida do termopar, evitando uma possível corrosão.

Confira abaixo algumas características do sensor termopar do tipo J.

  • Termoelemento positivo (JP): Fe99,5%
  • Termoelemento negativo (JN): Cu55%Ni45% (Constantan)
  • Faixa de utilização: -210 °C a 760 °C
  • f.e.m. produzida: -8,096 mV a 42,919 mV

Agora o nosso próximo passo será conhecer o sensor termopar do tipo K, confira abaixo.

Sensor termopar tipo K

A principal característica do sensor termopar tipo K (cromel-alumel) está ligada ao seu baixo custo e também a seu uso popular para diversos tipos de sondas.

O sensor termopar tipo K consegue cobrir uma faixa de temperatura que pode variar entre -200 °C a 1200 °C, com sensibilidade de aproximadamente 41µV/°C

Esse tipo de sensor termopar pode ser usado em atmosferas inertes e oxidantes.

Pela sua alta resistência à oxidação é utilizado em temperaturas superiores a 600°C, e ocasionalmente em temperaturas abaixo de 0°C.

Mas esse tipo de sensor não deve ser utilizado em atmosferas redutoras e sulfurosas.

Isso acontece porque em altas temperaturas e em atmosferas pobres de oxigênio ocorre uma difusão do cromo.

E isso pode provocar grandes desvios na curva de resposta do termopar, e este último efeito é chamado “green – root “.

Além disso, a estabilidade da f.e.m pode ser afetada por um fenômeno chamado “magnetização”, através de gradientes térmicos, tensão mecânica ou pela não homogeneidade das ligas.

Neste caso, a magnetização é atribuída à ordenação/desordenação da estrutura molecular da liga Cromel (+), isso ocorre com maior frequência na faixa de 200 até 600 ºC.

É importante destacar qeu Isso pode ser revertido por meio de tratamento térmico.

Confira abaixo algumas características do sensor termopar do tipo K.

  • Termoelemento positivo (KP): Ni90%Cr10% (Cromel)
  • Termoelemento negativo (KN): Ni95%Mn2%Si1%Al2% (Alumel)
  • Faixa de utilização: -270 °C a 1200 °C
  • f.e.m. produzida: -6,458 mV a 48,838 mV

Agora vamos conhecer o outro tipo de sensor termopar do tipo N.

Sensor termopar tipo N

O sensor termopar tipo N (nicrosil-nisil) apresenta grande estabilidade e resistência à oxidação a altas temperaturas.

Por isso, o sensor termopar tipo N é uma evolução do sensor termopar tipo K, e o gráfico abaixo pode mostrar o desvio em temperatura sofrido pelo termopar tipo N em comparação ao tipo K em uma atmosfera oxidante à temperatura de 1000°C.

Termopar tipo N em comparação com o termopar tipo K

Neste caso, ele é uma boa opção para medições a temperaturas elevadas, sem precisar recorrer aos termopares que incorporam platina na sua constituição (tipos B, R e S).

Esse tipo de sensor é recomendado para atmosferas oxidantes, inertes ou pobres em oxigênio, uma vez que não sofre o efeito de “green -root”.

Mas ele não deve ser exposto a atmosferas sulfurosas.

Confira as características do sensor termopar tipo N:

  • Termoelemento positivo (NP): Ni84,4%Cr14,2%Si1,4%
  • Termoelemento negativo (NN): Ni95,45%Si4,40%Mg0,15%
  • Faixa de utilização: -270°C a 1300°C
  • f.e.m. produzida: -4,345 mV a 47,513 mV

Agora vamos conhecer o sensor termopar tipo R.

Sensor termopar tipo R

Antes de falar sobre o sensor termopar tipo R, precisamos entender que os sensores termopar do tipo R, S e B são termopares nobres.

Ou seja, são aqueles cujos pares são constituídos de platina.

O sensor termopar tipo R possui as mesmas características dos sensores termopares do tipo S que será visto adiante.

Em alguns casos pode ser preferível usar este tipo de termopar por ter uma potência termoelétrica de 11% maior.

Mas, esse tipo de sensor de temperatura possui um custo maior de aquisição e sua utilização não é tão comum na indústria em geral.

Eles também exigem instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica.

Mas apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios dos termopares.

Resumindo, ele é adequado para medição de temperaturas até aos 1600 °C e possui e possui sensibilidade reduzida (10 µV/°C).

Confira algumas características desse tipo de sensor:

  • Termoelemento positivo (RP): Pt87%Rh13% (Ródio-Platina)
  • Termoelemento negativo (RN): Pt100%
  • Faixa de utilização: -50 °C a 1768 °C
  • f.e.m. produzida: -0,236 mV a 21,101 mV

Confira agora outro tipo de sensor termopar tipo S.

Sensor termopar tipo S

O sensor termopar tipo S é o tipo de sensor com boa estabilidade quando exposto a altas temperaturas ao longo do tempo.

Esse tipo de sensor é adequado para medição de temperaturas até 1600 °C e possui sensibilidade reduzida (10 µV/°C).

Além disso, quando comparado aos termopares que não usam platina, ele se destaca pela sua superioridade.

Mas esse tipo de sensor de temperatura possui um custo mais elevado.

Ele pode ser utilizado em atmosferas inertes ou oxidantes.

Porém, os termoelementos desse aparelho não devem ficar expostos a atmosferas redutoras ou então com vapores metálicos.

A recomendação para este tipo de sensor, é que ele jamais deve ser inserido diretamente em tubos de proteção metálicos.

Mas primeiramente num tubo de proteção cerâmico com as seguintes especificações abaixo.

Ou seja, fabricado com alumina (Al2O3) de alto teor de pureza (99,7%), comercialmente denominado tipo 799 (antigo 710).

Contudo, vale ressaltar que existem disponíveis no mercado tubos cerâmicos com teor de alumina de 67%, denominados tipo 610, mas sua utilização para termopares de platina não é recomendável.

Outra questão importante é que para temperaturas acima de 1500°C utilizam-se tubos de proteção de platina.

Não é recomendada a utilização dos termopares de platina em temperaturas abaixo de 0°C devido à instabilidade na resposta do sensor.

E em temperaturas acima de 1400°C ocorre um fenômeno de crescimento dos grãos, tornando-os quebradiços.

Confira algumas características desse tipo de sensor termopar tipo S.

  • Termoelemento positivo (SP): Pt90%Rh10% (Ródio-Platina)
  • Termoelemento negativo (SN): Pt100%
  • Faixa de utilização: -50 °C a 1768 °C
  • f.e.m. produzida: -0,236 mV a 18,693 mV

Agora vamos conferir outro modelo de sensor termopar tipo T.

Sensor termopar tipo T

O sensor termopar tipo T (cobre-constantan) possui uma boa precisão por conta de uma grande homogeneidade com que o cobre pode ser processado.

O sensor termopar tipo T é recomendado para fazer medições em faixas de temperatura que variam entre -270 °C a 400 °C.

Mas nas temperaturas acima de 300°C, a oxidação do cobre pode se tornar muito intensa.

E neste caso, isso pode reduzir a vida útil do sensor termopar e até provocar problemas como desvios em sua curva de resposta original.

Por isso, esse tipo de sensor pode ser indicado para atmosferas inertes, oxidantes ou redutoras.

Confira abaixo algumas características desse tipo de sensor:

  • Termoelemento positivo (TP): Cu100%
  • Termoelemento negativo (TN): Cu55%Ni45% (Constantan)
  • Faixa de utilização: -270 °C a 4000 °C
  • f.e.m. produzida: -6,258 mV a 20,872 mV

Finalizamos este artigo sobre o que é termopar e mostramos quais são os tipos e como ele funciona. Espero que esse artigo possa ter ajudado você.