Fundamentos do Termopar - Usando o Efeito Seebeck para Medição de Temperatura

Os termopares são um tipo popular de sensor de temperatura devido à sua robustez, preço relativamente baixo, ampla faixa de temperatura e estabilidade a longo prazo. O efeito Seebeck discutido no artigo anterior é o princípio subjacente que rege a operação do termopar. O efeito Seebeck descreve como uma diferença de temperatura (ΔT) entre as duas extremidades de um fio de metal pode produzir uma diferença de tensão (ΔV) ao longo do comprimento do fio. Este efeito é caracterizado pela seguinte equação:

$$S = \frac{\Delta V}{\Delta T} = \frac{V_{frio}-V_{quente}}{T_{quente}-T_{frio}}$$

Onde S denota o efeito Seebeck do material. Essa equação também pode ser expressa como:

$$S(T)=\frac{dV}{dT}$$

Aqui, S(T) enfatiza que o efeito Seebeck é uma função da temperatura. Observe que o efeito Seebeck também é observado em ligas metálicas e semicondutores. Vamos ver como esse efeito pode ser usado para medir a temperatura.

A Equação 1 sugere que, tendo o coeficiente de Seebeck de um material, a diferença de tensão em um condutor pode ser usada para determinar a diferença de temperatura entre as duas extremidades. Embora isso seja teoricamente correto, a medição direta da tensão Seebeck de um material individual é impossível. Como exemplo, considere a configuração mostrada na Figura 1.

As extremidades do fio de cobre estão em T1 = 25 °C e T2 = 100 °C. Suponha que, nessa faixa de temperatura, o coeficiente de Seebeck absoluto do cobre seja constante e igual a +1,5 μV/°C. Usando a Equação 1, podemos encontrar a diferença de tensão no fio como:

$$V_{1}-V_{2}=1,5\vezes(100-25)=112,5\,\mu V$$

A tensão medida pelo multímetro será diferente porque o caminho que consiste nos fios do multímetro e no circuito de entrada do multímetro também sofre uma diferença de temperatura de 75 °C. Tensão Seebeck indesejada nas pontas de prova e no circuito de entrada do multímetro apresenta erros.

Para evitar a criação de uma tensão Seebeck nas pontas de prova e no multímetro, devemos manter essas peças em temperatura constante. Por exemplo, podemos manter o sistema de medição a 25 °C, conforme mostrado na Figura 2.

Neste exemplo, outro condutor é necessário para fazer a conexão elétrica entre a ponta de prova preta e a extremidade quente do fio de cobre. Esta conexão é mostrada por "Metal 2" na figura. É importante observar que o fio de cobre não pode ser usado para esta conexão. Isso ocorre porque ele também experimentará o mesmo gradiente de temperatura que o fio de cobre original, levando a uma diferença de tensão (no Metal 2) de:

$$V_{3}-V_{2}=1,5 \vezes (100-25) = 112,5\,\mu V$$

Portanto, o multímetro medirá zero volts independentemente da diferença de temperatura no fio de cobre original. A discussão acima mostra por que o coeficiente de Seebeck absoluto de um material não pode ser medido diretamente por um multímetro. Um método comum para determinar o coeficiente de Seebeck absoluto é aplicando a relação de Kelvin.

A partir da discussão acima, pode-se supor que materiais com coeficientes de Seebeck desiguais são necessários para produzir uma diferença de tensão proporcional ao gradiente de temperatura. Por exemplo, com cobre que tem um coeficiente de Seebeck de +1,5 μV/°C a 0 °C, podemos usar um fio constantan com um coeficiente de Seebeck absoluto de -40 μV/°C a 0 °C. Substituindo o "Metal 2" por um fio constantan, o multímetro deve medir uma diferença de tensão de 3112,5 μV, calculada abaixo:

$$V_{1}-V_{3}= (V_{1}-V_{2})-(V_{3}-V_{2})= 1,5 \vezes(100-25)-(-40)\ vezes(100 - 25) = 3112,5\,\mu V$$

Observe que o cálculo acima assume que os coeficientes Seebeck de cobre e constantan são constantes e iguais aos valores especificados na faixa de temperatura de interesse.

Portanto, dois condutores diferentes soldados ou soldados juntos em uma extremidade podem ser usados ​​para criar um sensor de temperatura. A estrutura desse sensor de temperatura, conhecido como termopar, é mostrada na Figura 3.