Junção fria de um termopar: por que é realmente importante e como funciona o CJC

Se você já comparou dois termopares no mesmo tubo e observou que eles discordavam em alguns graus, a ponta do sensor provavelmente não era o problema. Mais frequentemente, a resposta está na outra extremidade do circuito, no bloco terminal onde os fios do termopar encontram o instrumento. Esse ponto de conexão é a junção fria e, uma vez que você entende o que ela faz, a medição do termopar deixa de parecer uma adivinhação.

Este artigo explica o que é a junção fria, por que um termopar não pode relatar uma temperatura absoluta sem ela, como funciona a compensação da junção fria em instrumentos modernos e quais hábitos evitam que a junção de referência estrague silenciosamente seus dados.

Como um termopar produz tensão

Um termopar são dois fios de metais diferentes unidos em uma extremidade. Essa junta, a junção de medição ou quente, é o que você coloca no processo. Quando os dois metais apresentam uma diferença de temperatura entre a extremidade unida e as extremidades livres, o efeito Seebeck gera uma pequena voltagem, normalmente dezenas de microvolts por grau Celsius.

O detalhe que chama a atenção é este: essa tensão não corresponde apenas à temperatura da junção de medição. Corresponde à diferença entre a junção de medição e o ponto onde terminam os fios. Um termopar tipo K produz aproximadamente 41 microvolts por grau Celsius, portanto, uma mudança de 5 °C nos terminais aparece como uma mudança de 5 °C na leitura, mesmo que o processo nunca tenha se movido.

O que exatamente é a junção fria?

A junção fria, também chamada de junção de referência, é formada onde o termopar ou seus fios de extensão se conectam ao instrumento de leitura: um bloco terminal do transmissor, uma entrada do controlador, um registrador de dados ou um transmissor de temperatura.

Duas coisas sobre isso são comumente mal compreendidas:

• Não é simplesmente a temperatura ambiente. É a temperatura real desses terminais naquele momento, sob quaisquer correntes de ar, calor do gabinete e carga do cabo.
• Nem sempre é um local conveniente. Cada conexão intermediária feita com o fio errado cria uma junção extra, e cada uma contribui com sua própria tensão.

Se os parafusos de cobre ou os trilhos da placa de circuito tocarem os fios do termopar, esses pontos de contato se tornarão parte do circuito termoelétrico. Manter a área terminal isotérmica, ou seja, todas as conexões na mesma temperatura, é a base física de um bom projeto de junta fria.

Dos banhos de gelo à compensação eletrônica

Durante grande parte do século passado, a junção de referência foi mantida a uma temperatura conhecida de 0 °C num frasco de gelo derretido. A tensão medida poderia então ser comparada diretamente com tabelas publicadas baseadas nessa referência. Era preciso e ainda é a ideia por trás das tabelas de termopares padrão usadas hoje, mas dificilmente é prático em uma unidade petroquímica ou ao lado de um forno de tratamento térmico.

Instrumentos modernos resolvem o problema eletronicamente. Em vez de forçar a junção fria a 0 °C, eles medem sua temperatura real e adicionam a tensão que o termopar teria produzido se sua referência estivesse em 0 °C. Essa quantidade adicionada é a tensão de compensação da junta fria.

Como funciona a compensação de junção fria

Dentro de um transmissor, controlador ou cartão de aquisição de dados, o processo se divide em três etapas.

1. Meça a temperatura terminal. Um pequeno RTD, termistor ou sensor de silício fica ao lado do bloco terminal, tão próximo da junção real quanto o layout permitir.
2. Converta essa temperatura em um EMF de termopar equivalente. Usando tabelas padrão para o tipo de termopar em uso, o instrumento calcula a tensão que apareceria se a junção de medição estivesse naquela temperatura terminal enquanto a referência permanecesse em 0 °C.
3. Adicione e linearize. A tensão de compensação é adicionada ao sinal medido e o total é convertido através de polinômios ou tabelas de consulta em um valor de temperatura final.

Como a correção depende do tipo de termopar, a compensação só é válida quando a entrada do instrumento, o sensor e a fiação de extensão coincidem. Um sensor tipo K alimentando um transmissor configurado para tipo J fornece um deslocamento sistemático que nenhuma recalibração removerá. A compensação baseada em software em um sistema de aquisição de dados segue a mesma lógica, mas o sensor de referência geralmente fica mais longe dos terminais, e é nessa distância que a precisão é mais facilmente perdida.

Armadilhas comuns da junção fria

A maioria dos problemas de junção fria de que ouvimos falar se enquadram em vários padrões. A tabela abaixo resume o que normalmente dá errado e o que tende a consertar.

Fio de extensão e compensação merece destaque especial, pois é a parte do laço mais frequentemente substituída pelo que havia no almoxarifado. O cabo de cobre é adequado para transportar um sinal de 4 a 20 mA, mas não pode transportar um sinal de termopar sem criar uma nova junção em cada extremidade. O fio de compensação é feito de ligas compatíveis com o tipo de termopar, e sua classificação de temperatura deve cobrir o ponto mais quente por onde passa, incluindo qualquer seção que passe por um recipiente quente ou revestimento de forno.

Fio de compensação de termopar trançado de aço inoxidável de alta temperatura de fibra de vidro Para loops de termopar, este fio de compensação trançado de aço inoxidável isolado com fibra de vidro abrange temperaturas de -50 a 1600°C e suporta solicitações de cotação ou PDF. Ver Produto →

Hardware que lida com a junção fria para você

O local onde a junção fria reside efetivamente depende de onde você decide digitalizar o sinal. Três acordos cobrem a maioria das instalações industriais:

• Fiação direta a um controlador ou placa de entrada, com o sensor de referência dentro do instrumento.
• Um transmissor montado na cabeça ou de campo no sensor, realizando compensação localmente e enviando um sinal digital ou de 4-20 mA para a sala de controle.
• Um transmissor montado em trilho no gabinete, para sensores de difícil acesso.

Mover o transmissor para o sensor costuma ser a maior melhoria disponível. O termopar e sua fiação de extensão ficam mais curtos, as junções intermediárias desaparecem e o sinal percorre a maior parte da distância como um loop de corrente robusto em vez de um EMF de nível de microvolt. Nossos transmissores de temperatura integrados são construídos exatamente para esse arranjo, com a junção de referência posicionada dentro do invólucro, e não na extremidade de um longo cabo.

Transmissor de temperatura integrado com saída SBWR/SBWZ de dois fios 4-20 mA Os módulos SBWR/SBWZ são instalados em caixas de conexão de termopares ou RTD, encurtando a fiação do sensor e produzindo 4-20 mA lineares para medição e controle. Ver Produto →

Se você está comparando transmissores analógicos com transmissores inteligentes, nosso guia sobre como funcionam os transmissores de temperatura abrange classes de precisão, desvios e critérios de seleção com mais detalhes.

Hábitos práticos para uma junção fria confiável

Durante a instalação

• Mantenha cada conexão terminal de um termopar dentro de uma única zona isotérmica em vez de dividi-la em dois blocos.
• Não monte blocos terminais ou transmissores diretamente acima de contatores, inversores ou fontes de alimentação.
• Use fio de grau termopar, respeite sua classificação de temperatura e verifique a polaridade antes de apertar.
• Proteja os terminais do fluxo de ar direto e da luz solar, especialmente em gabinetes externos.

Em serviço

• Verifique o circuito em relação a uma referência conhecida, como um calibrador de bloco seco ou uma entrada simulada de milivolts.
• Inspecione os terminais quanto a oxidação e reaperte-os após os primeiros ciclos térmicos de uma nova instalação.
• Registre a temperatura do gabinete juntamente com as leituras do processo; o desvio sazonal em um processo estável geralmente aponta para o invólucro, não para o sensor.

No lado do controle, um controlador com manipulação de junção de referência sonora tira esse trabalho das mãos do operador. Nossos controladores de temperatura PID digitais compactos aceitam entradas de termopares diretamente e gerenciam a junção fria internamente, o que mantém pequenos skids, incubadoras e fornos simples de construir e fáceis de manter.

Controlador de temperatura PID digital compacto xmtg1001 com manuseio interno de junção fria Para pequenos skids, incubadoras ou fornos, este controlador de 48×48 mm aceita entradas de termopares e gerencia a junção de referência internamente com saída de relé. Ver Produto →

Tratando o Loop como um Sistema

O comportamento da junção fria é uma parte de um circuito de medição e o restante do circuito merece a mesma atenção. O tipo de sensor, o material da bainha, o tubo de proteção, o método de montagem e a rota do cabo interagem, e um transmissor perfeitamente compensado não pode resgatar um termopar instalado onde ele não sobreviverá. Em plantas petroquímicas, um termopar à prova d'água e resistente ao desgaste, combinado com um fio de compensação com classificação correta, geralmente é mais importante do que uma pequena diferença na precisão do catálogo. Em processos de alta temperatura, os sensores de platina-ródio e tungstênio-rênio mantêm a junção de medição confiável onde os tipos de metais básicos não durariam. Você pode ver como essas combinações se juntam em nosso páginas de aplicação da indústria .

Nada disso precisa ser complicado. Aceite que um termopar reporte uma diferença em vez de um valor absoluto, dê à junção de referência um local estável e isotérmico, use um fio que corresponda ao sensor e deixe um transmissor ou controlador bem especificado lidar com a aritmética. Faça essas quatro coisas e a junta fria deixa de ser uma fonte oculta de erro e se torna o que deveria ser: uma parte silenciosa e compreendida do ciclo de medição.