Qual o TERMOPAR ideal para minha aplicação? Saiba tudo sobre termopares

Termopar – Falando sobre medição de temperatura.

Existem diversos tipos de sensores de temperatura no mercado, mas qual o mais adequado para sua aplicação? Essa questão é bem ampla e depende muito das características do seu processo.

Não pense que medição de temperatura é algo simples, pois não é. Assim como outras variáveis de processo, a medição de temperatura tem evoluído bastante nos últimos tempos.

Por exemplo, o medidor de temperatura em processos utilizando sensor de superfícies está cada vez mais preciso e dependendo da sua necessidade, é uma excelente opção.

Hoje, vamos falar um pouco sobre o termopar. Um sensor de temperatura relativamente simples em seu conceito, mas você encontra no mercado diversas variações, tipos e cuidados para quando ele é utilizado.

Vamos começar do ínicio falando sobre princípio de funcionamento, características, junções, cabos de extensão, cabos de compensação, etc. 

Vamos aprender mais sobre  termopar?

Tabela de conteúdo:

• O que é termopar?
• Tipos de sensores de temperatura? Qual o melhor?
• Quais os tipos de termopar?
• Tipos de junção nos sensores de temperatura?
• Quais a diferenças entre cabo de compensação e cabo de extensão?
• Como escolher um termopar?
• Perguntas sobre medição de temperatura

O que é termopar?

Precisamos entender o principio de funcionamento do sensor do tipo termopar. Para isso, preciso falar um pouco de sua história! 😉

Voltando ao passado, mais especificamente em 1821. Nós encontramos o físico alemão chamado Thomas Johann Seebeck.

Fazendo algumas pesquisas, ele descobriu que se você pegar dois tipos de metais diferentes e juntar eles em uma das pontas, terá uma diferença de temperatura entre a junção realizada e com isso foi possível observar um campo magnético.

Ele chamava isso de magnetismo térmico (Thermo-Magnestim). No entanto, depois foi visto que esse magnetismo era na verdade uma corrente termoelétrica.

Falando mais claramente, o que acontece é que essa diferença de temperatura nos metais gera uma tensão que é relacionada a temperatura na qual a junção é exposta.

A tensão gerada pelo termopar depende do tipo de material que é utilizado e você vai encontrar um range de milivolts.

Mas afinal de contas, o que é um termopar? Como funciona termopar?

Pode não estar claro, mas o sensor termopar é utilizado para realizar medições de baixas e altas temperaturas em processos industriais.

O sensor termopar é composto por dois materias diferentes que são colocados juntos em umas das pontas criando uma junção.

Quando os sensores termopares são expostos a uma temperatura X, existe uma diferença de temperatura nos materiais gerando uma tensão na outra extremidade. Utilizando a famosa tabela de termopar, é possível encontrar a temperatura relacionada à aquela milivoltagem.

Existem diversos tipos de termopares e cada um traz um característica, como por exemplo: range de medição, durabilidade, resistência química, etc. Vamos falar sobre cada um desses termopares mais pra frente. 😉

Uma pergunta comum é: “Qual o melhor sensor de temperatura no mercado?” Vou  também falar a respeito logo abaixo! Então continua comigo aqui 😉

Tipos de sensores de temperatura. Qual o melhor?

Se você googlar “Qual o melhor sensor de temperatura?”, verá que essa é de certa forma uma pesquisa comum da área dentro do google!

A resposta pra essa pergunta é bem simples: Não existe o melhor sensor de temperatura. O que existe é o sensor mais adequado para a sua aplicação.

No mercado, você encontrará diversos tipos de sensores de temperatura, como: RTDs, termopares, sensores infravermelho, sensores bimetálicos, etc. No entanto, existe uma questão bem relevante relacionada aos sensores de temperatura.

Devo escolher sensor RTD ou Termopar?

Simples, quando falamos de RTD (Resistance temperature detector), temos a possibilidade de fazer medição de temperatura até 1000°C. Agora, o sensor de temperatura termopar pode realizar medições até 1700°C.

Tenho alguns detalhes que vão lhe ajudar a decidir qual deles utilizar!

Se você tem uma aplicação onde a temperatura é superior a 450°C, o sensor do tipo RTD mesmo indo até 1000°C talvez não seja a melhor opção. O motivo é que depois de 450°C sua precisão começa a ficar pior.

Existe um concesso comum na indústria: Quando uma aplição requer uma medição menor que 850°C, então podemos ir com RTD. Agora, se você tem uma medição onde a temperatura é maior que 850°C, vá com o termopar.

Uma informação adicional é: Termopares tem melhor tempo de resposta em relação aos RTDs, mas os RTDs tem uma melhor estabilidade a longo prazo e melhor precisão comparado aos Termopares.

Sua empresa tem uma visão diferente? Deixe seu comentário e vamos conversar discutir a respeito. Agora, qual tipo de termopar devemos utilizar em determinada aplicação?

Quais os tipos de sensor termopar?

Existem diversos tipos de sensores termopares no mercado. Além do medidor de range de temperatura maior em relação aos RTDs, seu preço pode ser muito melhor também.

No entanto, você já sabe os pontos positivos entres os dois sensores, certo? Então, cabe verificar a real necessidade da sua aplicação para saber qual o sensor mais adequado.

Vou listar os sensores termopares e falar um pouco sobre suas características, além de informações que podem ser importantes.

Termopar tipo K:

Este é o sensor citado na tirinha! Acredito que você já ouviu falar bastante sobre o sensor tipo K pois sua aplicação é bem ampla. Este sensor faz medição de temperatura de -270 até 1260°C e seu cabo de extensão de 0 até 200°C.

Mas e sua precisão? O tipo K tem uma precisão na versão padrão de +-0.75%, mas em versões especiais sua precisão pode chegar até +-0.4%.

Uma coisa importante para verificar é o material de fabricação do sensor. Aqui temos níquel-cromo e níquel-alumínio.

Resumindo o termopar tipo K:

• Range de medição: -270 até 1260°C
• Cabo de extensão: 0 até 200°C
• Precisão padrão: +-0.75%
• Precisão modelo especial: +-0.4%

Termopar tipo J:

Também podemos considerar o tipo J como um modelo amplamente aplicado em diversas indústrias.

Os termopares tipo J fazem medição de temperatura de -210 até 760°C e seu cabo de extensão é similar ao tipo K trabalhando um uma temperatura de 0 até 200°C.

Outra similaridade com o K é quando falamos de precisão, onde temos o padrão com +-0.75% e versão especial de +-0.4% Para finalizar, os termopares tipo J são construidos com ferro e constantã.

Resumindo o termopar tipo J:

• Range de medição: -210 até 760°C
• Cabo de extensão: 0 até 200°C
• Precisão padrão: +-0.75%
• Precisão modelo especial: +-0.4%

Termopar tipo T:

Ainda comigo? Faltam poucos, não desiste. (Rs)

Quando você tem uma medição de baixas temperaturas, o tipo T é um dos sensor que é comumente aplicado neste cenário.

Os termopares tipo T tem um range de medição de -270 até 370°C,  cabo de extensão também vai de 0 até 200°C.

E quando falamos de precisão na medição, temos um cenário identicos aos já citados, com o padrão +- 0.75% e a versão especial até +-0.4%

Os sensores termopares tipo T são construídos com cobre e constantã. Legal, né?

Resumindo Termopar T:

• Range de medição: -210 até 760°C
• Cabo de extensão: 0 até 200°C
• Precisão padrão: +-0.75%
• Precisão modelo especial: +-0.4%

Termopar tipo E:

Os termopares tipo E tem como característica uma melhor precisão do que o tipo K. O range de medição dos termopares tipo E vai de -270 até 870°C, além do cabo de extensão que tem como característica ir de 0 até 200°C.

Os materiais de construção do termopar tipo E são o níquel-cromo e o cantantã e sua precisão é de +-0.5% e versão especial de +-0.4%.

Resumindo Termopar E:

• Range de medição: -270 até 870°C
• Cabo de extensão: 0 até 200°C
• Precisão padrão: +-0.5%
• Precisão modelo especial: +-0.4%

Termopar tipo N:

Os termopares tipo N tem um custo maior por conta do material de construção, seu range de medição é de -270 até 1300°C e o cabo de extensão 0 até 200°C.

Não temos muitas novidades quando falamos de precisão, pois a versão padrão apresenta um precisão de +-0.75% e a versão especial +-0.4%.

Os materiais utilizados na construção dos termopares tipo N são  o nicrosil e nisil.

Resumindo Termopar N:

• Range de medição: -270 até 1300°C
• Cabo de extensão: 0 até 200°C
• Precisão padrão: +-0.75%
• Precisão modelo especial: +-0.4%

Termopar tipo S:

Os termopares tipo S podem ser aplicados em medição de altas temperaturas, o tipo S tem um range de medição de -50 até 1480°C e cabo de extensão de 0 ate 200°C.

Outra característica dos termopares tipo S é a precisão, onde a versão padrão oferece uma precisão de +-0.25% e a versão especial +-0.1%. Nada mal, certo?

O tipo S é construido com plátina e 10% Ródio-platina.

Resumindo Termopar S:

• Range de medição: -50 até 1480°C
• Cabo de extensão: 0 até 200°C
• Precisão padrão: +-0.25%
• Precisão modelo especial: +-0.1%

Termopar tipo R

Os termopares tipo R tem poucas diferenças comparados com o tipo S. O material de construção é a platina e 13% Ródio-Platina.

Além disso, seu range de medição de temperatura vai de -50 até 1480°C, com cabo de extensão indo de 0 até 200°C.

Os termopares tipo R apresentam alta precisão também, como a versão padrão tendo uma precisão de +-0.25% e versão especial +-0.1%.

Resumindo o termopar tipo R:

• Range de medição: -50 até 1480°C
• Cabo de extensão: 0 até 200°C
• Precisão padrão: +-0.25%
• Precisão modelo especial: +-0.1%

Termopar tipo B:

Este sensor é utilizado para fazer medição de altas temperaturas no processo, trazem o maior range de medição comparado aos demais.

Os materiais de construção dos termopares tipo B são o 30% Ródio-Platina e 6% Ródio-Platina. O range de medição vai de 0 até 1700°C e seu cabo de extensão de 0 até 200°C.

A precisão dos termopares tipo B em sua versão padrão é de +-0.5% e versões especiais apresentam uma precisão de +-0.25%.

Resumindo Termopar tipo B:

• Range de medição: 0 até 1700°C
• Cabo de extensão: 0 até 200°C
• Precisão padrão: +-0.5%
• Precisão modelo especial: +-0.25%

Tipos de junção nos sensores de temperatura?

Agora já sabemos alguns dos tipos de termpares disponíveis no mercado.

Além disso, temos informações relevântes para determinar qual termopar se adequada melhor ao range e precisão da sua aplicação.

Uma característica importante do sensor que pode alterar tempo de resposta por exemplo é o tipo de junção utilizada.

Existem 4 tipos de junções utilizadas nos termopares e vou fazer uma breve explicação dando algumas características de cada uma dessas junções.

• Aterrada: Neste tipo encontramos a bainha e o termopar soldados e dessa forma é criado uma junção na ponta da sonda. Este tipo tem uma tempo de resposta bem mais rápido do que a versão isoladas por exemplo, mas do lado negativo alguns ruídos transientes podem afetar a medição.
• Isoladas: Diferente da versão aterrada, a versão isolada apresenta um isolamento mineral. Desta forma, este tipo não é afetado por ruídos transientes, algo que nosso amigo anterior sofre. No lado negativo, o tempo de resposta é retardado por conta desta caracaterística de construção.
• Expostas:  O sensor é soldados nas pontas do termopar e inserido diretamente no processo, aumentando dessa forma o tempo de resposta do sensor. No entanto, o tempo de vida do sensor diminui pois ele terá um degradação maior como também uma maior corrosão.
• Ungrounded uncommon: Esta versão possui sensores duplos que são isolados um dos outros utilizando uma bainha, além disso  ele também isola seus elementos um dos outros.

Qual a diferença entre o cabo de compensação e cabo de extensão?

Essa é uma pergunta bem comum tambem, quando devo utilizar o cabo de compensação ao invés do cabo de extensão e qual diferença entre ambos?

Bom, os cabos de extensão são construidos utilizando os mesmos materiais que os termopares que estiver utilizando. Este cabos enviam a força eletromotriz (FEM) precisamente.

Quando você ver um X na descrição do cabo, tipo KX, isso quer dizer que estamos falando de um cabo de extensão para termopar tipo K.

Os cabos de compensação são uma alternativa de baixo custo e você pode ter a mesma FEM em uma distância limitada. Na descrição dos cabos a letra C identifica um cabo de compensação.

Usualmente, os fabricantes recomendam a utilização dos cabos de compensação quando a conexão é feita em um transmissor de temperatura local com distância limitada.

No entanto, em outros cenários é recomendado a utilização dos cabos de extensão.

Como escolher um termopar?

Temos bastante informação sobre os sensores de temperatura do tipo termopar. Ainda falta ver bastante coisa com relação a calibração, verificação, ajuste etc. Vamos deixar isso para outro artigo.

Agora, como escolher um termopar para sua nova aplicação?

Bom, precisamos responder algumas perguntas para achar o modelo ideal para aplicação.

• Onde o sensor será instalado? É necessário analisar onde será feita a instalação do sensor de temperatura.
• Qual range de temperatura? Onde o sensor será instalado e qual o range de temperatura naquela região para determinar o range de medição
• Compatibilidade química? Existe necessidade de algum material específico, ou algum material pode ter um menor tempo de vida, ser suscetível a corrosão, etc?
• Vibração na linha? Qual nível de vibração na sua linha e abrasão também.
• Fazer um check-list de todos requisitos de instalação.

Vamos agora responder algumas perguntas sobre termopares! 🙂

Eu quero testar um loop de termopar injetando uma milivoltagem do campo onde o termopar termina. Aplicarei essa milivoltagem em seu cabo de compensação de volta para uma subestação, onde temos um cartão de conversão (Termopar / mA) com compensação de junta fria. Digamos que o campo esteja em 30°C e a subestação de 10°C.

Aqui precisamos da lei das temperaturas intermediárias. Esta lei estabelece que a soma da força eletromotriz (EMF) de um termopar com suas extremidades nas temperaturas T1 e T2 e outro termopar com suas junções nas temperaturas T2 e T3 é igual a EMF de um termopar entre T1 e T3.

Confuso ainda? Esta ilustração deve facilitar o teste de um termopar.

Falando do seu caso, você terá que somar as milivoltagens (mV) para cada temperatura, do sensor até o cartão de entrada. Você também precisará da temperatura em que o cartão está instalado.

Para obter o mV para cada temperatura, você usará uma tabela de referência de termopar. Se você não consegue encontrar sua leitura de mV na tabela, basta fazer uma pequena interpolação.

Não sabe ler gráficos de termopar? Você pode ver um exemplo aqui!

Você encontrará uma margem de erro mínima na maior parte do tempo. Dê uma olhada nesta nessa ilustração para ter uma ideia melhor do que fazer!

Eu sei que RTDs e termopares normalmente vão em poços, mas tenho visto muitos sensores de superfície na internet. Ouvi dizer que os sensores de superfície realmente oferecem a mesma precisão e uma fácil instalação. Você poderia compartilhar sua opinião?

Certamente posso dar minha opinião sobre os sensores de superfície ou termopares. Sim, você pode instalar um sensor de superfície com mais facilidade do que um RTD ou termopar convencionais.

O mercado tem uma ampla gama de opções que podem atender às suas necessidades de monitoramento de tubulações.

Sensores de superfície permitem instalação rápida, porque na maior parte do tempo eles são instalados ao redor dos tubos. Você também pode escolher um sensor wireless. Essa opção não apenas custa menos na estrutura do que os dispositivos com fio, mas também economiza tempo de configuração.

Alguns manuais técnicos não vão dizer a precisão da medição do sensor, mas deve ser suficiente para um sistema simples de monitoramento de tubulação.

Sensores de superfície podem ser aplicados em diversos processos, mas cada fabricante tem recomendações específicas a seguir para melhor precisão.

Existe muito mais informações para falar sobre o sensor de temperatura do tipo termopar, mas por hoje vou ficando por aqui!

Você tem experiência com sensor do tipo termopar? Deixe seu comentário, dúvida, etc.

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Imagens dos termopares: Thermocouple.info

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Fabrício Andrade

Tenho 12 anos de experiência no mundo da Automação industrial, comecei minha carreira na JAT Instrumentação, depois trabalhei na Emerson Automation Solutions e Endress+Hauser. Tive a chance de implementar projetos, ministrar treinamentos e resolver problemas em diversas empresas no Brasil e Latina América. Trabalhei por 3 anos na Alemanha em um e-commerce de automação industrial e hoje sou gerente de marketing digital global na Endress+Hauser Suiça focado em IIoT. Além disso, sou cartunista e baterista nas minhas horas de folga.

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