Medição de Temperatura em Ambientes Eletromagnéticos

Uma das maneiras mais fáceis de medir e registrar a temperatura é com um termopar. Os termopares têm desempenho confiável na maioria dos ambientes, tolerando extremos de temperatura, vibração e até mesmo radiação ionizante. No entanto, eles são suscetíveis aos efeitos dos campos eletromagnéticos e, assim, devem ser usados com cautela, ou nem ser usados, em tais locais.

Este Artigo Técnico da OMEGA Engineering discute os problemas com o uso de termopares em ambientes eletromagnéticos e oferece recomendações para tipos alternativos de instrumentação de temperatura. As seções individuais abordam:

Termopares fazem uso do Efeito de Seebeck, descoberto por Thomas Johann Seebeck em 1821. Este é o fenômeno em que a corrente elétrica flui em um circuito feito de materiais diferentes, quando suas duas junções estão em diferentes temperaturas.

Os metais usados em um termopar devem ter propriedades termelétricas. É nesta condição que os elétrons podem difundir-se através do material. Em temperaturas mais altas, os elétrons ganham energia cinética, tornando-se mais móveis e aumentar o grau em que se movem, criando assim mudanças no potencial elétrico. Muitas ligas de níquel têm essas características e são usadas em fios mais comuns de termopares. Por exemplo, o termopar tipo K usa junções de Cromel e Alumel, que incluem taxas significativas de níquel. Outras combinações de materiais usadas em termopares baseiam-se em platina-ródio e tungstênio-rênio, que também possuem propriedades termelétricas.

A corrente e a tensão produzidas são proporcionais à diferença de temperatura entre as duas junções, apesar de a relação não ser linear. As tensões reais são muito pequenas. Em um termopar tipo K (amplamente utilizado devido à sua faixa de temperatura e baixo custo), a mudança é de 41 microvolts por grau Celsius. Outros tipos de termopar produzem mudanças de magnitude semelhante. Consequentemente, sinais do termopar devem ser amplificados para uso em sistemas de medição. Inevitavelmente, qualquer tensão adicional nos sinais devido a causas externas é amplificada ao mesmo tempo.

Tensões elevadas são comuns em muitas situações em que medições de temperatura são necessárias, e campos eletromagnéticos são inevitáveis. O aquecimento por indução é utilizado em toda a indústria, e a temperatura deve ser medida para assegurar processos consistentes. Linhas de energia elétrica transportam altas tensões. Transformadores têm cargas elevadas e podem se tornar muito quentes. Até mesmo as velas de ignição utilizadas em motores de combustão interna (não apenas motores de automóveis, mas também em grandes geradores) geram sinais eletromagnéticos transitórios.

Campos eletromagnéticos afetam as leituras de termopar de duas maneiras. Eles podem:

Adicionalmente, tensão de modo comum em relação ao solo adiciona tensão ao sinal do termopar. Estes problemas podem ocorrer em ambientes de DC, mas são mais graves na presença de AC.

A lei de Faraday descreve o fenômeno no qual a movimentação de um condutor elétrico através de um campo magnético resulta na geração de potencial elétrico. O mesmo efeito pode criar tensão em fios de termopares, especialmente se esses estão alinhados perpendicularmente a um campo em transformação. Uma vez que o efeito de Seebeck produz tensões muito pequenas, até um pequeno campo pode alterar a leitura da temperatura.

Sujeitar um condutor a um campo eletromagnético alternado cria correntes de condução, gerando temperatura. Assim, com o níquel sendo condutor de eletricidade, um campo magnético alternado que pode ser encontrado em torno de um grande motor ou gerador aquecerá o próprio dispositivo de medição de temperatura. Isso resultará em um sinal que não retrata com precisão a temperatura que está sendo medida.

Quando um termopar é usado ao lado ou como parte do equipamento elétrico, ele geralmente está conectado àquela fonte. Uma vez eletricamente energizado, é possível que uma diferença entre tensões de aterramento afete a tensão de sinal do termopar. A solução, nesses casos, é fornecer isolamento galvânico do sistema de medição de temperatura, ou, alternativamente, buscar outros métodos de medição de temperatura.

Duas tecnologias a explorar são dispositivos de temperatura por resistência tipo Pt100 (RTDs) e detecção de emissão de infravermelho (IR).

RTDs (nos quais o princípio de medição é a alternação na resistência de um segmento de fio de platina) têm a reputação de alta precisão e têm boa imunidade a campos eletromagnéticos. No entanto, eles tendem a ser frágeis e nem sempre são adequados para ambientes industriais.

A medição da emissão de IR tem a vantagem de ocorrer sem contato e poder ser realizada à distância, dependendo do tamanho do emissor. Ele tira vantagem da Lei de Planck, que descreve como um corpo irradia energia proporcionalmente à sua temperatura. Um desafio a ser abordado é que diferentes superfícies à mesma temperatura irradiam a taxas diferentes. Descrito como uma diferença de emissão, isto deve ser levado em consideração quando medimos a temperatura com qualquer tipo de detector de IR.

A Omega Engineering fornece diferentes sensores/transmissores de temperatura por IR adequados para uso em uma ampla gama de situações industriais. O OS137 vem em um invólucro de aço inoxidável com diâmetro de 1” com classificação NEMA-4 e pode ser usado em distâncias de até 48” (note que a meta da medição deve encher o campo de visão do sensor. Se não, a temperatura medida não está correta).

Três modelos do OS137 estão disponíveis, cobrindo temperaturas até 538°C (1000°F). Um acessório de mira a laser pode ser montado na frente durante a instalação, para assegurar o alinhamento exato com o alvo. O tipo de saída deve ser especificado no pedido: escolha dentre saídas de tensão, corrente ou termopar tipo K. Há a possibilidade de um ponto de ajuste de alarme, e a emissão é ajustável.

Com diâmetro de 3/4", o OS136 é o sensor/transmissor de infravermelho mais compacto. O desempenho é semelhante ao do OS137, embora o ângulo de visão seja mais largo (o que pode exigir a colocação mais próxima). Ao contrário do OS137, a emissividade é fixada em 0,95, de modo que deverão ser feitas correções para alvos diferentes.

Termopares medem temperatura em microvolt por graus Celsius. Esses sinais precisam de amplificação para serem úteis, o que os torna suscetíveis a erros de medição, quando utilizado em ambientes eletromagnéticos. Tensões podem ser induzidas nos fios do termopar, o aquecimento por indução pode elevar a temperatura do termopar e questões de aterramento podem aumentar a tensão medida.

Embora vários filtros e vários métodos de proteção possam ser usados, uma abordagem diferente é mudar a tecnologia de medição. RTDs e detecção de emissão por IR têm boa tolerância a campos eletromagnéticos, embora RTDs sejam considerados, com frequência, frágeis demais para ambientes industriais. Sensores/transmissores por IR fornecem medições sem contato com uma gama de opções de saída e estão disponíveis em caixas de proteção robustas.