Tensão e Temperatura do Termopar

Calcula a tensão EMF do termopar a partir da temperatura da junção quente e compensação de junção fria para os tipos K, J, T e E.

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Fórmula

E = S × (T_hot − T_cold)

Referência: NIST Monograph 175

S — Seebeck coefficient (K: 41 μV/°C) (μV/°C)

T — Temperature (°C)

Como Funciona

Um termopar gera um EMF termoelétrico (força eletromotriz) proporcional à diferença de temperatura entre uma junção quente e uma junção fria (referência) por meio do efeito Seebeck. A tensão de saída é E = S × (T_hot − T_cold), onde S é o coeficiente Seebeck em μV/°C. Cada tipo de termopar tem um coeficiente de Seebeck característico: Tipo K (Cromel-Alumel) ≈ 41 μV/°C, Tipo J (Ferro-Constantano) ≈ 51 μV/°C, Tipo T (Cobre-Constantano) ≈ 43 μV/°C e Tipo E (Chromel-Constantan) —Constantan) ≈ 68 μV/°C. Na prática, a junção fria não está a 0 °C — está na temperatura terminal do instrumento de medição. A compensação de junção fria (CJC) adiciona ou subtrai a correção de tensão da junção fria para produzir a medição correta. As tabelas polinomiais do NIST fornecem conversões mais precisas (não lineares) em faixas completas de termopares; a aproximação linear de Seebeck usada aqui tem precisão de ± 1— 3% em faixas de temperatura moderadas.

Exemplo Resolvido

Problema: Um termopar tipo K tem sua junção quente a 350 °C e junção fria a 23 °C. Qual é a tensão medida e qual é a correção necessária da junção fria?

Solução:

1. Coeficiente de Seebeck tipo K S = 41 μV/°C

2. ΔT = T_quente − T_frio = 350 − 23 = 327 °C

3. EMF medido: E = 41 × 327 = 13.407 μV ≈ 13,4 mV

4. Correção de junção fria: E_cjc = 41 × 23 = 943 μV ≈ 0,94 mV

5. Tensão real de junção quente (ref 0 °C): 13,4 + 0,94 = 14,35 mV

Resultado: A saída do termopar é de 13,4 mV; a correção CJC adiciona 0,94 mV à referência a 0 °C.

Dicas Práticas

✓Use o mesmo tipo de fio de extensão do termopar (extensão tipo K com termopar tipo K) para evitar a introdução de junções Seebeck adicionais nas conexões.
✓Um amplificador de instrumentação INA118 ou AD8495 com compensação de junção fria integrada simplifica significativamente o condicionamento do sinal do termopar.
✓Para temperaturas acima de 1000 °C, a precisão do Tipo K se degrada devido à oxidação preferencial do alumínio; os tipos R ou S (à base de platina) fornecem melhor precisão em altas temperaturas.

Erros Comuns

✗Ignorando a compensação da junção fria — se a faixa de terminais estiver a 30 °C em vez de 0 °C, o erro em uma medição do Tipo K é 30 × 41 = 1230 μV, equivalente a um erro de temperatura de 30 °C.
✗Usando o tipo de termopar errado nas tabelas de pesquisa — os cabos Tipo K e Tipo J parecem semelhantes; o uso da calibração J no fio K introduz erros de até 50 °C em altas temperaturas.
✗Roteamento do fio de extensão do termopar próximo a condutores de alta corrente - os sinais de milivolts são facilmente corrompidos pelo acoplamento indutivo; sempre use fio de extensão de termopar blindado trançado.

Perguntas Frequentes

Por que a compensação da junção fria é necessária?

Os termopares medem a diferença de temperatura entre as junções quente e fria, não a temperatura absoluta. Se a junção fria (no terminal de instrumentação) não estiver na temperatura de referência (geralmente 0 °C), a leitura incluirá um erro de compensação. O CJC mede a temperatura do terminal e subtrai a contribuição de tensão correspondente para recuperar a temperatura real da junção quente.

Qual tipo de termopar é melhor para uso geral?

O tipo K é o termopar mais amplamente usado cobrindo −200 °C a +1372 °C com boa sensibilidade (41 μV/°C) e custo razoável. O tipo T é preferido para baixas temperaturas (−200 °C a +350 °C) devido à melhor precisão e resistência à oxidação em ambientes úmidos.

Quão precisa é a aproximação linear de Seebeck?

A aproximação linear tem precisão de ± 2— 3% em uma faixa de ± 100 °C em torno de um ponto de referência. Para medições de precisão ou amplas faixas de temperatura, use as tabelas polinomiais do NIST (Monografia 175 do NIST), que modelam a não linearidade a ± 0,02 °C.

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