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Sensor

Tensão e temperatura do termopar

Calcule a tensão EMF do termopar a partir da temperatura com compensação de junção fria. Determine a saída Seebeck para sensores dos tipos K, J, T e E.

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Fórmula

E=S×(Thot−Tcold)E = S × (T_hot − T_cold)

Referência: NIST Monograph 175

S— Coeficiente de Seebeck (K: 41 μV/°C) (μV/°C)
T— Temperatura (°C)

Como Funciona

Esta calculadora calcula EMF de termopares a partir da temperatura usando o efeito Seebeck, essencial para engenheiros de processo, técnicos de instrumentação e projetistas de sistemas de controle que medem temperaturas de -270 a +2300 C. Os termopares geram uma tensão proporcional à diferença de temperatura entre as junções quente (medição) e fria (referência): E = S * (T_hot - T_cold), onde S é o coeficiente de Seebeck em UV/c. NIST As tabelas de termopares ITS-90 (Monografia 175) definem os coeficientes padrão: Tipo K (Chromel-Alumel) = 41 uV/c, Tipo J (Ferro-Constantano) = 51 uV/c, Tipo T (Cobre-Constantan) = 43 uV/c, Tipo E (Chromel-Constantan) = 68 uV/c (maior sensibilidade). A compensação de junção fria (CJC) é obrigatória, pois a junção de referência está na temperatura do instrumento, não 0 C. A aproximação linear de Seebeck fornece precisão de +/- 2-3% em intervalos de 100 C; para aplicações de precisão, as tabelas polinomiais do NIST alcançam uma precisão de +/- 0,02 C de acordo com a IEC 60584-1:2013.

Exemplo Resolvido

Problema: Um termopar tipo K mede um forno a 850 C. O bloco de terminais do instrumento está a 28 C. Calcule o EMF medido, a correção CJC e a tensão real referenciada a 0 C.

Solução:

  1. Coeficiente de Seebeck tipo K: S = 41 uV/c (média NIST 0-1000 C)
  2. Diferença de temperatura: dT = T_hot - T_cold = 850 - 28 = 822 C
  3. EMF medido: E_meas = 41 * 822 = 33.702 uV = 33,70 mV
  4. Correção de junção fria: E_cjc = 41 * 28 = 1.148 uV = 1,15 mV
  5. EMF verdadeiro (ref 0 C): E_true = E_meas + E_cjc = 33,70 + 1,15 = 34,85 mV
  6. Verificação: tabela NIST Tipo K a 850 C = 35,313 mV (erro de aproximação linear = 1,3%)

Resultado: O EMF medido é 33,70 mV; após a correção CJC, o EMF verdadeiro é 34,85 mV referenciado ao ponto de gelo de 0 C. Para uma precisão de +/- 0,5 C, use tabelas polinomiais do NIST.

Dicas Práticas

  • ✓Use o mesmo fio de extensão de liga que o termopar (extensão Tipo K com sensor Tipo K) para evitar a criação de junções Seebeck adicionais nos conectores de acordo com os requisitos da ASTM E230
  • ✓Para temperaturas acima de 1000 C, a precisão do Tipo K se degrada devido à oxidação do cromo; mude para o Tipo R ou S (platina-ródio) para obter +/ -0,25% de precisão até 1600 C de acordo com a IEC 60584-2
  • ✓Os ICs de amplificadores de termopar dedicados (AD8495, MAX31855) incluem CJC integrado e fornecem saída digital direta, simplificando o condicionamento de sinal para um único componente

Erros Comuns

  • ✗Ignorando a compensação de junção fria: se o terminal estiver a 30 C em vez de 0 C, o erro é 30* 41 = 1230 uV = 30 C de erro de temperatura para o Tipo K; instrumentos modernos incluem CJC automático, mas medidores mais antigos podem não
  • ✗Usando calibração incorreta do tipo de termopar: os cabos Tipo K e Tipo J parecem idênticos; a aplicação da calibração J ao fio K causa erros de até 50 C a 800 C de acordo com as tabelas de desvio da IEC 60584-1
  • ✗Roteamento do fio de extensão do termopar próximo aos cabos de alimentação: os sinais de milivolts se acoplam indutivamente; o IEEE 518 exige uma separação mínima de 50 mm ou o uso de fio de extensão de termopar blindado trançado

Perguntas Frequentes

Os termopares medem a diferença de temperatura entre as junções quentes e frias, não a temperatura absoluta. Se a junção fria (terminal do instrumento) não estiver a 0 C, a leitura incluirá um deslocamento. O CJC mede a temperatura do terminal com um sensor separado (termistor ou RTD) e adiciona a correção de tensão equivalente. Sem o CJC, uma temperatura terminal de 25 C causa um erro de medição de 25 C. Os transmissores modernos incluem CJC automático; verifique se ele está ativado e calibrado de acordo com os requisitos ISA-MC96.1.
O tipo K (Chromel-Alumel) é o padrão da indústria, cobrindo -200 a +1372 C com sensibilidade de 41 uV/c e +/- 2,2 C ou +/- 0,75% de precisão (o que for maior) de acordo com a IEC 60584-1 Classe 2. Representa 80% das instalações industriais de termopares. O tipo T é preferido para baixas temperaturas (-200 a +350 C) devido à melhor precisão (+/- 1 C) e resistência à oxidação em ambientes úmidos. O tipo J oferece maior sensibilidade (51 uV/c), mas é limitado a +760 C no máximo.
A aproximação linear é de +/- 2-3% em um intervalo de 100 C ao redor do ponto de calibração, adequada para a maioria dos monitoramentos industriais. Para medições de precisão ou amplas faixas de temperatura, o NIST Monograph 175 fornece coeficientes polinomiais atingindo uma precisão de +/- 0,02 C. O polinômio tem de 9 a 14 termos, dependendo do tipo de termopar e da faixa de temperatura. As implementações de microcontroladores normalmente usam tabelas de pesquisa com interpolação linear para precisão de +/- 0,1 C com computação mínima.

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