Tudo sobre termopares – Parte II

Tudo sobre termopares – Parte II

Nossa discussão sobre termopares continua nesta edição com mais conselhos práticos e um conhecimento mais profundo sobre como instalar e manter termopares de forma a controlar o coração de qualquer sistema de processamento térmico. Vamos aprender mais.

As técnicas de instalação corretas e bons procedimentos de manutenção são essenciais. O problema operacional mais comum em fornos atualmente é um controle de temperaturas inadequado devido, em grande parte, ao fato de os termopares estarem no forno por mais tempo do que a sua expectativa de vida normal.

Como Instalar Termopares

Uma característica comum a todos os fornos é o fato de que dentro da sua câmara isolada há níveis horizontais com o mesmo fluxo de calor (ou seja, áreas de temperaturas iguais chamadas de isotermas). Os fatores que causam a ocorrência destes níveis, ou gradientes, de temperaturas incluem aquecimento desigual, circulação inadequada, distribuição desigual da carga de trabalho dentro do forno, localização inadequada da fonte de aquecimento e outros. Para um termopar detectar adequadamente a temperatura do forno, ele deve ser orientado em paralelo a estas isotermas e instalado dentro do forno com um mínimo de 20 vezes o diâmetro do termopar. Por exemplo, um termopar com diâmetro de 3 mm terá que ser inserido 63,5 milímetros para dentro da câmara do forno.

Qual o Máximo Comprimento Útil de um Termopar?

Os dois fatores principais para determinar o comprimento útil de um termopar são a resistência total do circuito e a prevenção de ruídos no sinal elétrico. Como os termopares são feitos com dois fios diferentes, a resistência elétrica irá variar com base no tipo de fio, bem como em função do seu diâmetro e comprimento. A resistência do circuito permitida (tipicamente inferiores a 100 ohms) é afetada pela resistência de entrada do circuito do amplificador ao qual ele está ligado. Como orientação geral, um fio de 20 AWG (American Wire Gauge – Escala Americana Normalizada) ou mais grosso é adequado para operar a até 30 metros. O fio do termopar gera um sinal de baixa tensão e não deve ser utilizado perto de fios de energia, motores, etc. Para ajudar a minimizar o efeito de ruídos, os termopares utilizados em aplicação nos fornos industriais são quase sempre instalados em um conduíte metálico separado.

Há 3 tipos básicos para a construção de termopares (Tabela 1). Cada um tem suas vantagens e desvantagens. Por exemplo, um termopar com revestimento cerâmico (Fig. 1) perde em flexibilidade quando comparado com os termopares feitos à base de metal, os quais podem ter vários tipos de isolantes colocados diretamente no fio, fazendo-o extremamente flexível. Por outro lado, os termopares com revestimento cerâmico podem ser utilizados, com frequência, em temperaturas de operação mais altas do que muitos dos termopares feitos à base de metal.

Os termopares de isolação mineral, com uma bainha metálica (Fig. 2), apresentam um desempenho excelente e podem substituir, em muitos casos, os elementos com revestimento cerâmico e os feitos à base de metal. O cabo com bainha metálica pode ser encontrado em diversos tamanhos e materiais e pode ser otimizado para aumentar o tempo de medições de temperaturas de forma estável.

Por Que Utilizar Tubos de Proteção?

Geralmente os termopares são inseridos dentro de um tubo de proteção (Fig. 3). Os tubos de proteção (Tabela 2) são utilizados para isolar os termopares de contaminante e/ou de danos mecânicos. O profissional de tratamento térmico deve estar ciente de que todos os tipos de tubos de proteção de termopares podem trincar ou se deformar, mesmo em ambientes nos quais eles deveriam proteger, caso os mesmos forem potencialmente danosos. Além disso, a contaminação devido ao manuseio/toque nos fios, óleos e pós dentro do tubo de proteção e contaminações oriundas do lado externo do tubo de proteção são alguns dos muitos fatores que podem causar erro na leitura do termopar.

Colocando Termopares na Carga de Trabalho

Para cargas estacionárias, uma das melhores formas de se determinar a temperatura da peça é utilizar um ou mais termopares na carga de trabalho. Idealmente, você gostaria de ter acesso a um furo cego interno que te permitisse medir a temperatura no centro da maior espessura da seção transversal da peça. Infelizmente, nem sempre podemos dar-nos a este luxo. A próxima melhor escolha é é utilizar blocos postiços, os quais são pré-usinados e representativos da máxima seção transversal das peças da corrida. Se não for possível nem o furo cego e nem bloco postiço, o melhor seria a colocação do termopar em contato direto com a superfície da peça, utilizando a regra de ouro de uma hora por polegada de área da seção transversal para o encharque da peça.

Esteja ciente de que apesar de algumas pessoas sugerirem que o contato seja feito pela soldagem de uma extremidade do termopar à peça, esta prática é altamente questionável, pois pode alterar o sinal em milivolts e fornecer resultados imprecisos. O epóxi ou outros adesivos falham prematuramente em serviço e não são uma boa escolha. Fazer uma corrida com uma carga teste, simulando as condições de processo, é, com frequência, a melhor maneira de se determinar os tempos de aquecimento e de encharque para cargas em movimento ou em fornos com mecanismos de transferência internos.

Termopares na Indústria de Tratamento Térmico

O profissional de tratamento térmico, e não o fabricante original do equipamento ou o departamento de manutenção, é que deveria ser o responsável pela seleção do tipo de termopar, bem como por assegurar que eles estejam na posição correta dentro do forno (tanto em termos de localização quanto da profundidade de inserção) para assegurar a medição e o controle de temperatura do forno. Se os termopares estiverem localizados muito próximos das fontes de aquecimento ou de isolamento ou se estiverem, ainda, muito próximos da própria carga, eles não irão mostrar a temperatura correta do forno. Se a checagem da uniformidade de temperaturas for realizada nas áreas de carga de trabalho, ela irá conduzir a um desvio do termopar de controle. Apesar de, em alguns casos, serem permitidas compensações de temperatura, esta prática é altamente desaconselhada.

A maioria das aplicações de processamento térmico na indústria metalúrgica, incluindo praticamente todos os processos de tratamento térmico, ocorre na faixa de -185 a 1.650°C. Nenhum tipo de termopar consegue trabalhar nessa faixa inteira e, muitas vezes, tentamos utilizar um termopar em particular muito além de sua temperatura normal, simplesmente porque “ele está disponível”. Esta prática deveria ser evitada, uma vez que afeta tanto a precisão quanto a vida útil do termopar se exposto a condições anormais. Por mais estranho que possa parecer, não é raro encontrar o tipo errado de termopar sendo utilizado para controlar um processo crítico.

Os termopares devem ser verificados regularmente quanto à sua precisão, em relação a um padrão de termopar conhecido e certificado (sonda). E este procedimento deve ser realizado (pelo menos) anualmente. Esta calibração deve ocorrer com o termopar instalado em seu local de funcionamento normal para serem obtidas medições confiáveis. A vida útil de um termopar depende da sua temperatura de trabalho, do tempo na temperatura de operação, da temperatura ambiente, dos ciclos de trabalho (altas ou baixas variações de temperaturas) e, muito frequentemente esquecido em aplicações de tratamento térmico, a influência dos contaminantes a que estão expostos tanto o termopar como o próprio tubo de proteção. Muitos termopares são substituídos periodicamente, tipicamente a cada seis a nove meses, dependendo da severidade da aplicação final.

Normas Industriais

O fio de termopar segue diversos padrões industriais (Tabela 3).

Considerações Finais

Os temopares não são, como muitos acreditam, uma tecnologia na qual se faz a instalação e esquece. Eles necessitam de um monitoramento constante e confirmação da sua precisão para assegurar que a temperatura que está sendo medida e controlada é precisa. Lembre-se, a qualidade dos seus produtos são altamente dependente destes dispositivos simples e relativamente baratos, o que faz com que a sua correta seleção, cuidados e substituição sejam críticos para o seu sucesso.

Referências


 
[1] Mr. James T. LaFollette, GeoCorp, Inc. (www.geocorpinc.com), technical and editorial review.
[2] Herring, Daniel H., “What is a Thermocouple?” Heat Treating Progress, March 2003.
[3] ASTM E230/E230M-12 (Standard Specification and Temperature-Electromotive Force (EMF) Tables for Standardized Thermocouples), ASTM International.
[4] The Right Thermocouple Makes A World of Difference, The Cleveland Electric Laboratories, white paper.
[5] Volume 4: Heat Treating, Metals Handbook, 10th Edition, ASM International.
[6] Wang, T. P., Thermocouples for Special Applications, Proceedings of the International Conference: Equipment and Processes, 1994, ASM International.
[7] Nanigian, J., Improving Accuracy and Response of Thermocouples in Ovens and Furnaces, Proceedings of the International Conference: Equipment and Processes, 1994, ASM International.
[8] Omega Electric Company (www. omega.com).
[9] Kanthal Corporation (www.kathal.com).

 

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