A escolha da bainha para termopares
isolados por mineral
H. L. Daneman, P. E
INTRODUÇÃO
A forma de termopar com isolamento mineral integralmente revestido em metal
(MIMS) consiste em fios de termopar...
INTRODUÇÃO
Por duas décadas, as pessoas têm atribuído à construção MIMS uma capacidade
maior do que a merecida. Com bastan...
HISTERESE
Histerese termoelétrica é um fator contribuinte para instabilidade na calibração. A
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OXIDAÇÃO
Outro fenômeno que afeta a calibração é a oxidação.
Ligas de Ni-Cr-Al (por exemplo, Chromel*) têm vida
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OXIDAÇÃO
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(**), são compostos de Nicrosil com 1,5% ou 3,0% de nió...
OXIDAÇÃO
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satisfatória para atmosferas redutoras, tais como as
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CONTAMINAÇÃO
Uma terceira influência na estabilidade da calibração é a contaminação. A ideia por
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FADIGA DO METAL
Fadiga do metal é outra causa da redução da vida útil do termopar. Coeficientes de
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COMPOSIÇÃO
As alterações da composição em pares de aço inoxidável revestidos são geralmente
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COMPOSIÇÃO
O Tipo 304 tem ≈ 2% manganês. Outros têm concentrações de manganês que variam
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UMIDADE
O vapor de água tem um efeito múltiplo dentro da bainha. É rapidamente absorvido
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UMIDADE
Essa resistência reduzida pode resultar em leituras enganosas de temperatura, falha
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Figura 2. O desvio in situ em termopares Tipo N com pontas mantidas a 1100°C. As curvas
referem-se a termopares revestidos...
RECOMENDAÇÕES
Embora não mencionado acima, há uma relação entre o diâmetro desses materiais de
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A Escolha da Bainha para Termopares Isolados por Mineral

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A forma de termopar com isolamento mineral integralmente revestido em metal consiste em fios de termopar envoltos em material isolante compactados por laminação, trefilação ou estampagem até que se alcance uma redução no diâmetro da bainha.

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A Escolha da Bainha para Termopares Isolados por Mineral

  1. 1. A escolha da bainha para termopares isolados por mineral H. L. Daneman, P. E
  2. 2. INTRODUÇÃO A forma de termopar com isolamento mineral integralmente revestido em metal (MIMS) consiste em fios de termopar envoltos em material isolante (geralmente MgO) compactados por laminação, trefilação ou estampagem até que se alcance uma redução no diâmetro da bainha. As vantagens de termopares MIMS são: • Isolamento químico dos fios da atmosfera ao redor. • Blindagem dos termoelementos das fontes de interferência elétrica. • Proteção dos fios e isolamento de danos resultantes de choque. • Flexibilidade do conjunto final, permitindo curvatura.
  3. 3. INTRODUÇÃO Por duas décadas, as pessoas têm atribuído à construção MIMS uma capacidade maior do que a merecida. Com bastante frequência, essa forma mostrou menos estabilidade, menos durabilidade e limites de temperatura menores do que os elementos correspondentes não revestidos. Os termopares MIMS com recobrimento de níquel, usados acima de 400 °C (750 °F) são especialmente vulneráveis à instabilidade de calibração e têm vida útil reduzida – fatores que pesam fortemente sobre a seleção e o uso de termopares.
  4. 4. HISTERESE Histerese termoelétrica é um fator contribuinte para instabilidade na calibração. A histerese é uma forma de fenômeno de ordem/desordem de curto intervalo que ocorre entre 200 e 600 °C (com pico em ≈ 400 °C) para ligas de Ni-Cr, tais como o Tipo K. É evidenciada pela mudança de vários graus na calibração quando a temperatura do termopar estiver num ciclo dentro dessa faixa de temperatura. Os termopares Tipo N apresentam histerese de até 5 °C quando aquecidos e resfriados entre 200 e 1000°C (com pico em cerca de 750 °C). A 900 °C a histerese é de 2 a 3 °C. Se, por exemplo, o termopar Tipo K for usado abaixo de 500 °C, a histerese pode ser reduzida por recozimento a 450 °C de um dia para outro
  5. 5. OXIDAÇÃO Outro fenômeno que afeta a calibração é a oxidação. Ligas de Ni-Cr-Al (por exemplo, Chromel*) têm vida limitada no ar acima de 500 °C devido à oxidação. Uma forma especial de oxidação é chamada “podridão verde”, que é uma oxidação preferencial de Cr em atmosferas com baixo teor de oxigênio (por exemplo, bainhas em que o volume de ar é limitado e estagnado). Nicrosil resiste à oxidação até cerca de 1.250°C (2.300°F) e não apresenta podridão verde. (*) CHROMEL é uma marca registrada da Hoskins Manufacturing Co.
  6. 6. OXIDAÇÃO Vários novos materiais de bainha, denominados “Nicrobell” (**), são compostos de Nicrosil com 1,5% ou 3,0% de nióbio. Nicrobell “A” é especialmente formulado para resistir à oxidação. Outro novo material de bainha resistente à oxidação,conhecido como Nicrosil + (***), consiste de Nicrosil acrescido de 0,15% de magnésio. Alegadamente, esse material (ref. 4) apresenta menos fragmentação e possui uma vida provavelmente mais longa do que algumas versões de Nicrobell já testadas. (**) NICROBELL é uma marca registrada da NICROBELL Pty. Ltd. NICROBELL ligas para r evestimentos são patenteadas em vários países, incluindo os Estados Unidos. (***) NICROSIL + é uma marca registrada da Pyrotenax Australia Pty. Ltd.
  7. 7. OXIDAÇÃO O Nicrosil, em si, não apresenta resistência satisfatória para atmosferas redutoras, tais como as encontradas na maioria dos processos de combustão ou em muitos tratamentos térmicos. Outras adaptações de Nicrosil para uso como material de bainha (como Nicrobells B, C e D) podem ser oferecidas para uso em atmosferas tipicamente não oxidantes.
  8. 8. CONTAMINAÇÃO Uma terceira influência na estabilidade da calibração é a contaminação. A ideia por trás do termopar isolado por mineral e revestido em metal integrado é que a compressão uniforme do isolamento por óxidos minerais (tipicamente MgO) finamente divididos envolvendo os fios e preenchendo a bainha vedaria o volume interno, eliminando assim a contaminação.
  9. 9. CONTAMINAÇÃO O volume do isolamento comprimido por estampagem, laminação ou trefilação é da ordem de 85% de material sólido. Isso é uma característica útil que permite que o tubo seja dobrado e também que conjuntos de diâmetro menor sejam fabricados. Isso, no entanto, permite a intrusão de gases como o vapor de água ou ar. Também permite difusão de vapor dos elementos que compõem os fios ou a bainha. Bentley e Morgan determinaram que a difusão da fase de vapor de Mn (manganês) por meio do isolamento de MgO tem a maior influência na descalibração do termopar.
  10. 10. FADIGA DO METAL Fadiga do metal é outra causa da redução da vida útil do termopar. Coeficientes de temperatura diferentes na expansão linear entre bainhas e fios causam deformação durante o aquecimento ou resfriamento. Essas deformações resultam em uma eventual fratura devido à fadiga do metal. Quando aquecido a 900°C, a expansão térmica do Nisil difere da do aço inoxidável304 em 0,4% do comprimento.
  11. 11. COMPOSIÇÃO As alterações da composição em pares de aço inoxidável revestidos são geralmente maiores do que em pares com revestimento de Inconel (****). Em testes realizados por Anderson, et al., o segmento de KN apresentou um aumento de cromo, mas uma diminuição de alumínio. Essas mudanças na composição contribuíram com a maior parte da mudança resultante da calibração do termopar. A maioria dos aços inoxidáveis contém 1% a 2% de manganês. (****) INCONEL é uma marca registrada da International Nickel Co.
  12. 12. COMPOSIÇÃO O Tipo 304 tem ≈ 2% manganês. Outros têm concentrações de manganês que variam entre 1% e 10%. O Inconel tem até 1% Mn. Como regra geral, cada 1% de Mn presente no material do revestimento contribui em -10 °C de variação de calibração por mil horas a 1100 °C. De acordo com Bentley, a 1200 °C uma bainha em aço inoxidável Tipo N de 3 mm de diâmetro apresentou desvio de -24 °C dentro de mil horas.
  13. 13. Figura 1. Desvio de 3 mm de diâmetro dos termopares com bainha em aço inoxidável, com bainha do Tipo K Inconel 600 e Nicrosil, em comparação aos termopares Nisil em 1200 °C, no vácuo. As inclinações na curva de desvio são o resultado do “teste de homogeneidade no local”, em que as amostras foram extraídas da fornalha por 5 cm.
  14. 14. UMIDADE O vapor de água tem um efeito múltiplo dentro da bainha. É rapidamente absorvido pelo MgO, reduzindo a resistência do isolamento. A intrusão da umidade pode arruinar o conjunto de termopares MIMS em um tempo muito curto, como em poucos minutos. Em quantidades menores, a umidade destrói o evestimento protetor de óxido em ligas de níquel-cromo, submetendo-o a uma deterioração mais rápida. As mudanças causadas pelo vapor de água podem ser suficientemente graves para inutilizar os pares afetados, reduzindo a resistência do isolamento.
  15. 15. UMIDADE Essa resistência reduzida pode resultar em leituras enganosas de temperatura, falha prematura ou até mesmo leituras errôneas depois de aberto o circuito. O vapor de água pode ser introduzido durante a fabricação do termopar, na sua reparação, ou mesmo por mudanças na pressão atmosférica durante o transporte aéreo ou durante longos períodos de armazenamento (por exemplo, seis meses) em canteiros de obra. Deve-se ter cuidado com os selos herméticos durante o transporte e a instalação.
  16. 16. Figura 2. O desvio in situ em termopares Tipo N com pontas mantidas a 1100°C. As curvas referem-se a termopares revestidos em metal com isolamento mineral e bainhas de 3 milímetros de DE em aço inoxidável (SS) 310 ou Nicrosil (NCR) e termopares de fios desencapados de 1,6 mm, ao ar livre. O intervalo no desvio para este último também é indicado.
  17. 17. RECOMENDAÇÕES Embora não mencionado acima, há uma relação entre o diâmetro desses materiais de termopar e a estabilidade e a longevidade quando submetidos a temperaturas elevadas. A superfície da alvenaria na qual aquecedores elétricos são apoiados torna-se condutiva a temperaturas elevadas. Isso resulta em um fluxo de corrente elétrica por meio das bainhas de termopar para terra ou talvez por meio do instrumento de medição. Deve-se resistir à tentação de usar termopares com o revestimento mais fino (de até 1 mm) para ambientes industriais altamente corrosivos ou em altas temperaturas.
  18. 18. RECOMENDAÇÕES O aço inoxidável é um revestimento mais fraco para isolamento mineral de termopares com revestimento metálico como o Inconel 600 ou o Nicrosil modificado, quando usado com termopares de Ni-Cr como os Tipos K ou N. Os termopares revestidos com Nicrosil modificado oferecem uma resistência à oxidação melhorada a até 1100 °C (1200 a 1250 °C para o Tipo N), um número reduzido de falhas devido à expansão térmica diferencial, melhor ductilidade e a eliminação dos problemas de variação causada pela difusão de vapor de manganês de aços inoxidáveis ou Inconel.
  19. 19. RECOMENDAÇÕES Considerando o estado atual de fornecimento dos materiais mais novos, uma boa opção seria escolher um termopar MIMS Tipo K revestido em Inconel com baixo teor de manganês (0,3% ou menos), até que os dados de comprovação do termopar Tipo K ou N revestido em Nicrosil modificado estejam disponíveis.
  20. 20. Leia mais sobre Medição e controle de Processos em nossos Manuais de Referência Técnica! Solicite o seu gratuitamente através do site br.omega.com/literature
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