CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR

Departamento de Física do ISEP 1

CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR DE COBRE CONSTANTAN

1. OBJECTIVOS

� Calibração de um termopar de cobre constantan, com o traçado da curva

θ(V) na gama de temperaturas (0ºC a 90ºC);

� Determinação do coeficiente de Seebeck ηθ

= dV

dpelo método gráfico;

� Introduzindo a sonda de referência em neve carbónica e água aquecida,

obter a sua temperatura (tomando como referência a fonte quente); � Comparar os valores obtidos com os valores esperados.

2. MATERIAL NECESSÁRIO

� Multímetro digital, termopar de Cobre-Constantan, tina com gelo, neve

carbónica, banho termostático.

3. BIBLIOGRAFIA

� Calibração de um Termopar - Física (Ed. Calouste Gulbenkian) � Estudo da Função ∆θ(V) - Laboratório de Física (1981) � Laboratório de Termodinâmica - Faculdade de Ciências da Universidade

Porto

CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR

Departamento de Física do ISEP 2

4. INTRODUÇÃO

4.1. DEFINIÇÃO DE TERMOPAR

O princípio de funcionamento de um termopar baseia-se no efeito termoelétrico de Seebeck, o qual descobriu que, num circuito formado por dois condutores metálicos diferentes A e B, em que as duas junções 1 e 2 estão a temperaturas diferentes, circula uma corrente I produzida por uma força electromotriz cuja grandeza é directamente proporcional à diferença de temperatura entre as duas junções. Quando os dois metais diferentes entram em contacto, geram a passagem de electrões entre eles (sempre do metal com menor trabalho de extracção para o outro). O termopar é usado geralmente para medição de temperatura, isto é, tem a função de um termómetro.

4.2. CONCEITOS BÁSICOS

A relação entre a força electromotriz e a diferença de temperaturas θθθθ - θθθθ0, V = V ( θθθθ - θθθθ0) pode ser representada por um polinómio do tipo:

( ) ( ) ( ) ...32

30

200 +−+−+−⋅= θθθθθθ cb

aV

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 termoeléctrica em ordem à temperatura designa-se por sensibilidade ou coeficiente de Seebeck (ηηηη) do termopar:

( )0θθθ

η −+== bad

dV

CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR

Departamento de Física do ISEP 3

Esta relação, que caracteriza as propriedades do termopar, verifica-se em muitos casos, com bastante rigor, até cerca dos 300ºC.

4.3. MÉTODO UTILIZADO

O termopar utilizado neste trabalho é um termopar de Cobre-Constantan. Neste caso vamos fazer uma aproximação ainda maior, tomando a expressão da força termoeléctrica por uma recta (isto é, toma-se apenas o termo de primeira ordem).

( )V a= ⋅ −θ θ 0 ηθ θ

= ≅ =dV

da

V

5. ESQUEMA DE MONTAGEM INICIAL

Legenda: A – Banho termostático B – Multímetro digital C – Junção de Termopar D – Recipiente com água e gelo E – Termómetro digital

B

D

C

A 0,0001mv E

CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR

Departamento de Física do ISEP 4

6. MODO DE PROCEDER

A primeira parte do trabalho consiste na calibração do termopar (determinação da sensibilidade ηηηη); 6.1. Realizar a montagem de acordo com o esquema, verificando que uma das junções do termopar está dentro do banho termostático e mergulhar a outra numa tina cheia de gelo picado e água (verificar que a junção fica completamente imersa na mistura gelo-água e cobrir o recipiente). 6.2. Colocar o termómetro digital de modo que esteja em contacto com a junção do termopar dentro do banho termostático, usando a garra disponível para o efeito. 6.3. Ler e registar a temperatura do banho, cerca de 5 minutos após colocado o termómetro. Criar uma tabela de registo de duas entradas: numa delas indicar as temperaturas crescentes do banho termostático, em incrementos de 5ºC, usando o valor da temperatura inicial registada; na outra, registar os valores da tensão eléctrica lidos no multímetro para cada temperatura.

Tabela -exemplo

∆θ ∆θ ∆θ ∆θ =Tbanho -Tgelo

(ºC) V

(Tensão) (mV)

1ª leitura 18,5 Valor “zero”

23,5

28,5

33,5

38,5

....

última leitura 88,5

6.4. Na cabeça termostática, rodar o botão de aquecimento para os 90ºC. Ligar a cabeça termostática, pressionando o botão para o efeito. 6.5 Proceder ao registo dos valores de tensão eléctrica para cada temperatura considerada, até ao limite de 80 ºC. 6.6. Desligar a cabeça termostática no botão respectivo. Esperar até que a temperatura diminua para um valor próximo de 60 ºC. Remover, entretanto, a junção do termopar da tina de gelo e água.

CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR

Departamento de Física do ISEP 5

6.7. Rodar o botão de aquecimento da cabeça termostática para o valor θBM=60ºC e voltar a ligar a cabeça termostática. Esperar até que a temperatura lida no termómetro esteja estabilizada num valor próximo de θBM. 6.8. Usar os valores de tensão eléctrica e temperatura lidos anteriormente para traçar o gráfico indicado abaixo, usando para isso o MSExcel (ou semelhante); obtenha por regressão linear a recta que melhor se ajusta ao conjunto de valores experimentais obtido, e determine a partir da sua equação a sensibilidade do termopar, η.

A segunda parte do trabalho consiste em usar o term opar, já calibrado, para determinar a temperatura da neve carbónica e a temperatura de uma dada quantidade de água retirada do banho termo stático. 6.9. Mergulhar na neve carbónica a junção do termopar que estava na mistura gelo-água. 6.10. Aguardar que a tensão eléctrica estabilize. Registar o seu valor. 6.11. Repetir o procedimento anterior 3 vezes. 6.12. Calcular os erros associados a cada uma das grandezas medidas directamente. 6.13. Retirar com um goblé um pouco de água do banho termostático. Medir com um termómetro a temperatura dessa água e simultaneamente fazer a medição com o termopar (repetir os pontos 6.9. a 6.11. usando agora a água em vez da neve carbónica). Comparar os dois valores de temperatura obtidos. Considerar como valor real de temperatura o medido com o termopar. Calcular o erro relativo e erro absoluto da temperatura medida com o termómetro.

CALIBRAÇÃO DE UM TERMOPAR

Departamento de Física do ISEP 6

Utilize as relações abaixo indicadas para calcular a temperatura da neve carbónica, θNC e a temperatura da água θÁgua.

( )2θθη −⋅= BMV , sendo bÁguaouNC += 2)( θθ ;

Questões:

1) Fez a calibração do termopar para temperaturas positivas. Será correcto utilizar a recta obtida nessas condições para fazer a determinação da temperatura da neve carbónica que é negativa? Justifique.

2) É possível construir termopares com qualquer par de metais? Seria possível que o termopar fosse constituído somente por cobre? Justifique.