calibração de um termopar de cobre constantan
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Calibração de Um Termopar de Cobre ConstantanTRANSCRIPT
ISEP – Instituto Superior de Engenharia do Porto
Engenharia de Instrumentação
e Metrologia
Calibração de um termopar de cobre constantan
TERAP – Termodinâmica Aplicada
Docente: Maria Ribeiro
31/10/2014
Curso: EIM
Turma: 2DA
João Ribeiro – 1111263
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Sumário
A presente actividade laboratorial teve como objectivos a calibração de um termopar de cobre constantan utilizando os valores de tensão eléctrica e temperatura lidos para traçar a curva de calibração na gama de temperaturas de 0ºC a 90ºC, a determinação do coeficiente de Seebeck pelo método gráfico e a obtenção da temperatura da neve carbónica introduzindo a sonda de referência no seu interior e em água aquecida.
Experimentalmente, este trabalho consistiu na colocação de umas das ligações do termopar dentro de um banho termoestatizado e a outra ligação numa tina de gelo picado e água. Colocou-se um termómetro digital dentro do banho termostático para registar a temperatura em incrementos de 5°C e mediu-se a tensão associada a cada temperatura. Partindo dos valores de tensão e temperatura obtidos obteve-se por regressão linear a recta que melhor se ajusta ao conjunto de pontos experimentais e determinou-se a partir da equação a sensibilidade do termopar.
Na segunda parte do trabalho, colocou-se uma ligação do termopar na neve carbónica e mediu-se o valor da tensão eléctrica repetindo este processo três vezes.
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Índice
Introdução teórica...........................................................................................................................................3
Parte Experimental.........................................................................................................................................4
Resultados Obtidos........................................................................................................................................5
Cálculos..........................................................................................................................................................8
Conclusão......................................................................................................................................................9
Anexos.........................................................................................................................................................10
Anexo A...................................................................................................................................................10
Anexo B...................................................................................................................................................11
Anexo C...................................................................................................................................................12
Bibliografia....................................................................................................................................................13
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Introdução teórica
O termopar consiste em dois condutores metálicos sendo cada um constituído por dois metais diferentes, que quando estão em contacto, permitem a passagem de eletrões (sempre do metal com menor trabalho de extração para o outro) entre eles, formando assim uma força electromotriz. O termopar é o instrumento de maior uso industrial para medição de temperaturas, uma vez que, são baratos (salvo raras exceções), têm capacidade de ler uma vasta gama de temperaturas, entre -200ºC a 2300ºC e sendo possível substituir um termopar por outro sem causar grandes erros de leitura.
Se construirmos um termopar, como indica a figura 1, com os metais A e B, verificamos o aparecimento de uma força eletromotriz entre os pontos 3 e 4,que depende da diferença de temperaturas entre as junções 1 e 2 (este efeito é designado por efeito Seebeck).
Figura 1 – Esquema do termopar
A relação existente entre a força eletromotriz e a diferença de temperaturas, (– 0) e V = V (- 0), pode ser representada por um polinómio do tipo:
Para um termopar que trabalhe numa gama não muito extensa de temperaturas, a função quadrática será suficiente (i. é, toma-se apenas até ao termo de segunda ordem).
A derivada da tensão termoelétrica em ordem à temperatura designa-se por sensibilidade ou coeficiente de Seebeck () do termopar:
Esta relação, que caracteriza as propriedades do termopar, verifica-se em muitos casos, com bastante rigor, até cerca dos 300ºC.
O termopar utilizado neste trabalho é um termopar de cobre-constantan.Neste caso vamos fazer uma aproximação ainda maior, tomando a expressão da força
termelétrica por uma reta (isto é, toma-se apenas o termo de primeira ordem).
O termopar utilizado nesta experiência foi o termopar do tipo T (Cobre-Constantan). È dos termopares mais indicados para medições na gama dos - 270 a 400°C e apresenta as seguintes especificações:
Termoelemento positivo (TP): Cu100%; Termoelemento negativo (TN): Cu55%Ni45% (Constantan); Faixa de utilização: -270°C a 400°C; F.e.m. produzida: -6,258mV a 20,872m.
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Parte ExperimentalEsquema de Montagem
Fig. 2 - Esquema de Montagem
Material
Termopar de Cobre-Constantan;
Banho termostático;
Tina com gelo;
Neve Carbónica;
Aparelhos de medição:
Multímetro;
Termómetro digital.
Procedimento Experimental
Inicialmente, registou-se o valor inicial da temperatura da água e de seguida anotou-se os valores das diferenças de temperatura da água do banho em incrementos de 5 °C, até ao limite de 80 °C
Quando se chegou á temperatura terminal pretendida e tendo os valores anotados, desligou-se o banho termostático e esperou-se que a temperatura diminui-se ate aos 60 °C.
Obtida a temperatura, acima referida, regulou-se o banho termostático para os 60 °C e de seguida ligou-se. Esperou-se até que a temperatura estabilizasse. Traçou-se um gráfico com os valores obtidos experimentalmente e a partir da equação reduzida da recta que melhor se ajusta a estes valores, determinou-se a sensibilidade do termopar, η.
Depois, na segunda parte do trabalho, mergulhou-se a junção do termopar na neve carbónica, esperou-se que estabilizasse e registou-se os 3 valores lidos no multímetro.
Resultados Obtidos
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Primeiramente, foram efectuadas medições com o objectivo de calibrar o termopar. Com a obtenção dos valores da temperatura em função da tensão gerada pelo termopar, foi possível calcular a sensibilidade deste aparelho. A gama de temperaturas escolhida para esta calibração foi de 25 a 80ºC. A tabela 1 apresenta esses valores.
Tabela 1 – Registo de valores experimentais para a calibração do termopar.
Δθ=Tbanho-Tgelo (ºC) V (mV)
Com as tensões medidas para as diferentes temperaturas, obteve-se uma recta por regressão linear que permite determinar a sensibilidade do termopar. Essa recta está representada no gráfico seguinte:
Gráfico 1 – Variação da Temperatura (°C) em função da Tensão (mV)
Através da equação da recta obtida y=x+¿sabemos que a sensibilidade do termopar (ƞ) é o
1/ (declive da recta), ou seja, ƞ= 1❑=mV /° C.
Finalizada a calibração do termopar, passou-se para a segunda parte do trabalho que consiste em determinar a temperatura da neve carbónica. Na tabela 2 encontram-se os resultados obtidos.
Tabela 2 – Registo de valores para a obtenção da temperatura da neve carbónica.
Nº Δθ (ºC) V (mV)123Média
Cálculos
Determinação da temperatura da neve carbónica:
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O cálculo do valor da temperatura da neve carbónica foi realizado da seguinte forma:
V=ƞ×(θ1−θ2) (1)
θ=θ2+b (2)
sendo θ a temperatura da neve carbónica, θ1 e θ2 a variação da temperatura lida no termómetro e b, o valor da ordenada na origem da recta de calibração do termopar (10.481) vem que:
¿×(−θ2) ↔ θ2=⁰C
θ=+¿ ↔ θ=⁰C
Erros Associados(Exemplo de cálculo dos erros - Anexo A)
A tabela 3 apresenta os valores dos erros associados ao confronto entre os valores teóricos e os valores calculados a partir dos dados obtidos experimentalmente.
Tabela 3 – Registo dos erros associados ao cálculo da temperatura da neve carbónica.
Valor teórico (⁰C) Valor calculado (⁰C)
Erro absoluto (⁰C) Erro relativo
NeveCarbónica - 80
Incertezas Associadas aos Instrumentos Utilizados(Cálculo das incertezas - anexo A)
Tabela 4 - Incerteza-padrão do termómetro
Incerteza-padrão u(xi)
0,029 ºC
Tabela 5 - Incerteza-padrão do multímetro
Incerteza-padrão u(xi)
5 x 10-3 V
Conclusão
No presente trabalho laboratorial verificou-se experimentalmente a calibração de um termopar de Cobre-Constantan. Conclui-se que quanto maior for a temperatura, menor será a força electromotriz gerada pelo termopar.
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Em relação ao primeiro método, analisando a curva de calibração, obteve-se um coeficiente de correlação linear igual a 0,996, fato que podemos considerar muito favorável, já que, quanto mais próximo de 1 estiver o valor do coeficiente de correlação linear, maior será a qualidade dos resultados.
No segundo método, determinou-se a temperatura da neve carbónica, utilizando o termopar já calibrado. Verificou-se que, quanto maior a temperatura do forno, menor é a temperatura da neve carbónica. Experimentalmente, obteve-se um valor de -49.19 ° C para a temperatura da neve carbónica. O erro absoluto calculado foi de 30.81° C, sendo o erro relativo de 39.6%.
Anexos
Anexo A
Resolução dos Instrumentos: Termómetro: 0,1 ºC;
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Multímetro: 0.01 s.
Incerteza Associada aos Instrumentos Utilizados
Termómetro
a = 0,1/ 2 = 0,05
u(xi) = 0,05 /√3 = 0,029 ºC
Multímetro
k = 2
u(xi) = 0,01/2 = 5 x 10-3 V
Cálculo dos Erros
Erro Absoluto = valor calculado – valor teórico Erro Relativo = (|erro absoluto|/valor teórico) x 100 %
Anexo B
Questões colocadas:
1) Fez a calibração do termopar para temperaturas positivas. Será correto utilizar a recta obtida nessas condições para fazer a determinação da temperatura da neve carbónica que é negativa? Justifique.
2) Seria possível que o termopar fosse constituído somente por cobre? Justifique.
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Questões resolvidas:
1) Sim, porque um termopar tem um elevado alcance de temperaturas, entre os- 270 e os + 400ºC.
2) Não, porque é devido à ligação do termopar ser constituída por dois metais diferentes que existe uma tensão ou força electromotriz, ou seja, os dois metais geram uma passagem de electrões. Se a ligação fosse, por exemplo. somente constituída por cobre, não haveria uma tensão, logo o termopar não funcionaria. A existência desta tensão ou força electromotriz é a base do funcionamento do termopar.
Anexo C
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Bibliografia
[1] Guião de laboratório: “DEFI-NRM-Calibração de um Termopar de Cobre Constantan”.
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