Termopar

Efeito Seebeck

Quando metais diferentes são postos em contacto, na interface entre eles surge uma diferença de potencial cujo valor depende da temperatura e da natureza dos metais envolvidos.Este efeito é chamado efeito Seebeck em homenagem ao seu descobridor, Thomas Johann Seebeck, em 1821. A descoberta foi acidental. Ele serve de base para o funcionamento do termopar, instrumento bastante usado nas indústrias químicas para medir temperaturas.

O efeito contrário é chamado efeito Peltier. Neste caso uma diferença de potencial resulta numa diferença de temperatura na junção.

Termopar

O termopar consiste em dois fios de metais diferentes unidos nas duas extremidades. Se uma das extremidades for aquecida (1) e a outra for mantida fria (2), uma corrente vai circular no circuito devido ao surgimento de uma diferença de potencial entre as junções. Obviamente, se ambas as junções estiverem na mesma temperatura não existirá diferença de potencial e, portanto, não haverá corrente. Então, o termopar mede a diferença de temperatura entre as junções quente e fria  e não temperaturas absolutas.

Por isso, a junção fria é mantida numa temperatura conhecida, que, por padrão, é 0°C, sendo conhecida como junção de referência. A junção quente é colocada no local onde se deseja medir a temperatura. Para o termopar o que importa mesmo são as temperaturas nas junções. Considerando estas temperaturas, o aumento da diferença entre elas implica no aumento da voltagem. No termopar cada grau provoca um aumento correspondente na voltagem entre 1 e 70 microvolts deendendo da natureza dos metais envolvidos.

Termoelemento

Observando a corrente na junção de referência observa-se que ela flue de um fio para o outro. O fio de onde a corrente sai é considerado como sendo o termoelemento positivo e o fio para onde a corrente entra é o termoelemento negativo.

O uso de termopares são baseados em três leis. São elas:

Lei do material homogêneo

O aquecimento de materiais homogêneos não gera corrente termoelétrica. Então, variação de temperatura ao longo de um fio não causam efeito Seebeck.

Lei dos materiais intermediários

Num circuito formado por termoelementos de diferentes materiais o efeito termoelétrico é nulo se todas as junções estiverem na mesma temperatura.

Lei das temperaturas intermediárias

Se um termopar registra a diferença de potencial V1 quando as temperaturas de suas junções são T1 e T2, e registra a diferença de potencial V2 quando as temperaturas das junções for T2 e T3, então, quando a temperatura for T1 e T3 a diferença de potencial será V1 + V2.

Principais termopares

Nos termopares descritos a seguir o primeiro metal ou liga é o termoelemento positivo e o segundo, o termoelemento negativo.

Tipo K

Cromel (Ni90%Cr10%) / Alumel ( Ni95%Mn2%Si1%Al2% )

Este é um termopar de uso genérico podendo ser usado na faixa que vai de -200°C até 1300°C tendo uma sensibilidade média de aproximadamente 40µV/°C. É o mais popular dos termopares.Tem um baixo custo e, devido à sua popularidade está disponível em várias sondas.

Tipo E

Cromel (Ni90%Cr10%) / Constantan (Cu55%Ni45%)

Este termopar tem uma elevada sensibilidade (70 µV/°C) que o torna adequado para baixas temperaturas dai ser usado em criogenia. A sua faixa de utilização vai de -270°C até 100°C.

Tipo J

Ferro (Fe99,5%) / Constantan (Cu55%Ni45%)

A sua faixa de temperatura estreita (-40 a 750°C) é a responsável pela sua menor popularidade em relação ao tipo K. O que limita este termopar é o ponto de Curie do ferro que ocorre a 760°C. A utilização deste termopar acima dos 760°C leva a uma transformação magnética abrupta causa uma descalibração do mesmo. Sua sensibilidade é de 40 mV/°C.

Tipo N

Nicrosil (Ni84,5%Cr14%Si1,5%) / Nisil (Ni95,4%Si4,5%Mg0,4%)

Foi idealizado para ser uma melhoia do tipo K. A sua elevada estabilidade e resistência à oxidação a altas temperaturas tornam o tipo N adequado para medições em temperaturas elevadas, sem recorrer aos termopares que incorporam platina na sua constituição (tipos B, R e S). Foi desenhado para ser uma “evolução” do tipo K.

Os termopares seguintes, dos tipos B, R e S, usam termoelementos baseado em ligas de platina ou platina pura, são, portanto, caros e, por isso, inadequados ao uso geral.

Tipo B

Ródio-Platina (Pt70,4%Rh29,6%) / Ródio-Platina (Pt93,9%Rh6,1% )

Os termopares tipo B, R e S apresentam características semelhantes. São dos termopares mais estáveis, contudo, devido à sua reduzida sensibilidade (da ordem dos 10 µV°C), utilizam-se apenas para medir temperaturas acima dos 300°C, pelo mesmo motivo a sua resolução de medida é também reduzida. São adequados para medição de temperaturas até aos 1800°C.

 Tipo R

Ródio-Platina (Pt70,4%Rh29,6%) / Platina (Pt100%)

Adequado para medição de temperaturas na faixa que vai de -50°C até 1768°C. Reduzida sensibilidade (10 µV/°C) e custo elevado são as desvantagens. O fio Ródio-Platina (Pt70,4%Rh29,6%) é o termoelemento positivo e a Platina o negativo. 

Tipo S

Ródio-Platina (Pt90%Rh10%) / Platina (Pt100%)

Adequado para medição de temperaturas até aos 1600°C. Reduzida sensibilidade (10 µV/°C), elevada estabilidade e custo elevado.

Tipo T

Cobre (Cu100%) / Constantan (Cu55%Ni45%)

É mais indicado para medições na faixa de -270°C a 400°C.

Para usos verdadeiramente criogênicos com faixa de temperaturas entre 1,2°K e 300°K,  existe o termopar Cromel (Ni90%Cr10%) no termoelemento positivo e ouro contaminado com ferro. A faixa mais baixa de trabalho deste termopar  vai de 1,2°K até 4,6°K.