Os leitores fiéis de nossa série de postagens no blog "Kaye's Time Warp" podem se perguntar sobre a importância da Referência de Ponto de Gelo Kaye no contexto da validação de processos térmicos no ambiente BPx. Na verdade, é mais provável que as Referências Kaye Ice Point sejam encontradas em fornos de alumínio, em bancadas de teste de turbinas ou em salas de controle de usinas de energia. No entanto, o conhecimento básico que o fundador da nossa empresa, Dr. Joseph Kaye, adquiriu no início da década de 1950 nesse contexto foi crucial para o desenvolvimento de Sistemas de Validação de alta precisão baseados em termopares como sensores de temperatura.
Como qualquer elemento sensor, os termopares, independentemente do tipo, apresentam fontes de erro inerentes. Elas devem ser levadas em conta ao configurar um circuito de medição. Para garantir a medição precisa da temperatura, a compensação completa dessas fontes de erro é absolutamente necessária. Particularmente, a execução cuidadosa da compensação da junção fria é de suma importância nos termopares.
O que é compensação de junção fria?
A medição de temperatura de um termopar baseia-se no chamado efeito Seebeck, no qual uma tensão é gerada quando dois materiais diferentes e condutores de eletricidade são conectados termicamente em um ponto e aquecidos de forma diferente. Em resumo: um gradiente de temperatura ao longo de uma conexão de metais diferentes gera uma tensão elétrica.
O desafio agora é que qualquer conexão de dois metais diferentes também funciona como um termopar e gera um sinal termoelétrico correspondente à sua temperatura. Na prática, o sinal do termopar é frequentemente distorcido pelos termopares indesejados dos terminais da linha de medição - isso é chamado de efeito de junta de solda fria.
A compensação da junção fria é, portanto, um componente essencial nos circuitos de medição de termopar. Sem ela, o sinal de temperatura medido na extremidade seria uma função de duas temperaturas - a temperatura real desejada e a temperatura na junta de solda fria. Essa compensação permite que o sinal do ponto de medição real seja isolado e, portanto, fornece uma medição de temperatura precisa e confiável.
Para abordar a compensação eficaz da junção fria na tecnologia de medição de termopar, há três soluções técnicas disponíveis:
1. Utilização do efeito **Seebeck**: Esse efeito, batizado em homenagem ao físico alemão Thomas Johann Seebeck, descreve a conversão de diferenças de temperatura em tensão elétrica e vice-versa. Em um termopar, as diferenças de temperatura nas junções dos dois metais diferentes geram uma tensão.
2. Utilização do **Efeito Peltier**: Esse efeito, nomeado em homenagem ao físico francês Jean Charles Athanase Peltier, descreve a quantidade de calor gerada ou absorvida em um circuito quando uma corrente flui por dois materiais diferentes.
3. A medição direta da temperatura no ambiente real diretamente na junta de solda fria.
Método 1: Efeito Seebeck
Historicamente, o método de referência de ponto de gelo (efeito Seebeck) foi o primeiro a ser usado para a compensação de juntas de solda a frio. O método é relativamente simples, exigindo apenas um banho de ponto de gelo para manter uma temperatura constante na junção, precisamente a 0°C. Esse método já foi implementado nos primórdios da tecnologia de medição de termopares, muito antes de os sistemas de medição equipados com computadores de processo rápidos e controlados por software estarem disponíveis para a compensação eficiente desse erro de medição.
Uma combinação cuidadosa de gelo e água, embalada em um invólucro industrial robusto, equipado com tecnologia de controle rudimentar e uma fonte de alimentação - o que parece instruções de construção do filme "De volta para o futuro" é, na realidade, a base para as referências de ponto de gelo multicanal do Dr. Kaye, aplicáveis a uma variedade de usos industriais. Sim, você leu certo! Por mais surpreendente que pareça, esse conceito inovador foi amplamente aceito em várias aplicações industriais e não perdeu sua relevância até hoje. Embora esse princípio de medição ainda forme a base para as referências Kaye Ice Point atuais, os componentes eletrônicos de controle evoluíram naturalmente - e o mais notável é que as referências Kaye Ice Point, apesar dessas mudanças técnicas mínimas, ainda estão entre as mais precisas do mercado.
Método 2: Efeito Peltier
O efeito Peltier geralmente não é usado explicitamente para a compensação de juntas de solda fria em instrumentos de medição industriais. O efeito Peltier é normalmente usado em unidades de resfriamento/aquecimento para criar uma diferença de temperatura e, assim, obter resfriamento, como no caso do Kaye Block Calibrator LTR-150.
Embora seja teoricamente possível usar um resfriador Peltier na junta de solda fria para manter a temperatura constante na junta de solda fria e, assim, eliminar a necessidade de compensação, essa abordagem seria impraticável e cara na maioria das aplicações e, portanto, só é usada em circuitos de medição de termopar muito específicos.
Método 3: Medição direta da temperatura ambiente real diretamente na junta de solda fria
O método mais difundido atualmente é a medição direta da temperatura na junta de solda fria e a compensação subsequente usando software. Isso se tornou possível com o advento da tecnologia de microprocessadores e algoritmos de software.
Nesse método, um sensor de temperatura separado, geralmente um termômetro de resistência de alta precisão ou um termistor, é usado para medir a temperatura na junta de solda fria. Essa informação é então usada para compensar o sinal do termopar. A compensação é feita convertendo-se a temperatura da junta de solda fria medida em uma tensão de termopar correspondente usando a relação conhecida entre tensão e temperatura do termopar (curva de Seebeck). Essa "tensão de compensação" é então subtraída do sinal do termopar medido para obter apenas o sinal da junta "quente" (o ponto de medição). É importante observar que a qualidade da compensação depende muito da precisão, da estabilidade e da resposta do sensor de temperatura da junta de solda fria utilizado. Além disso, a junta de solda fria deve ser bem isolada termicamente para minimizar os distúrbios causados por flutuações externas de temperatura.
Esse princípio de medição também é usado nos registradores de dados da Kaye. Já na primeira família de produtos Kaye Digistrip, esse método era usado, e os modernos validadores Kaye AVS usam essa opção de compensação diretamente no ponto de conexão do SIM (Módulo de Entrada do Sensor), onde todos os termopares são conectados.
Conclusão
Pode-se notar que as descobertas da pesquisa básica do fundador da empresa, Dr. Kaye, foram e continuam a ser consistentemente implementadas em soluções industriais pela Kaye. Uma adaptação contínua, baseada em componentes eletrônicos novos, mais precisos e mais rápidos em uma base de microchip, é parte integrante da filosofia de desenvolvimento da Kaye. É interessante notar que o conhecimento físico fundamental permanece o mesmo desde os primeiros dias da fundação da empresa, destacando a relevância e a aplicabilidade atemporais desses princípios científicos.
