Um termopar produz uma tensão dependente da temperatura; um sensor de fibra óptica por fluorescência utiliza uma cadeia óptica. Ambos podem medir em pontos de contato definidos. A seleção precisa considerar a faixa térmica, o percurso do cabo ou da fibra, a exposição eletromagnética e a montagem real. A comparação deve incluir o instrumento e os requisitos de processamento do sinal de cada método.
Sensores de temperatura de fibra óptica e termopares podem fornecer medição pontual de temperatura, mas seus métodos de medição e transmissão de sinais são muito diferentes. Um termopar gera uma pequena tensão elétrica na junção de dois metais diferentes e transmite esse sinal por fios condutivos. Uma sonda de temperatura de fibra óptica usa um caminho óptico de medição e envia o sinal pela fibra óptica.
Termopares são amplamente usados na medição industrial convencional de temperatura, especialmente quando a capacidade de operar em altas temperaturas, a construção simples e a instrumentação estabelecida são importantes. A medição por fibra óptica torna-se especialmente útil quando isolamento elétrico, resistência à interferência eletromagnética, medição não condutiva ou ambientes eletromagnéticos intensos são importantes.
Sensor de temperatura de fibra óptica e termopar: medição e instalação
| Comparação | Sensor de temperatura de fibra óptica | Termopar |
|---|---|---|
| Princípio de medição | Medição óptica pontual de temperatura | Tensão termoelétrica em uma junção metálica |
| Caminho do sinal | Fibra óptica | Fios elétricos condutivos |
| Condutividade elétrica | Caminho não condutivo de medição | Caminho condutivo de medição |
| Resistência a EMI / RFI | O caminho óptico de medição apresenta alta resistência à interferência eletromagnética | Sinal elétrico de baixo nível pode exigir blindagem e instalação correta |
| Medição em alta tensão | Adequado para medição direta perto de estruturas energizadas | Adequado quando isolamento e cabeamento são corretamente projetados |
| Campos magnéticos intensos | Não afetado pelo acoplamento de campo magnético ao longo da fibra | Pode exigir cuidados adicionais com blindagem ou trajeto |
| Faixa típica de temperatura | Depende da configuração da sonda óptica | Depende do tipo de termopar e da construção da sonda |
| Tempo de resposta | Sondas pequenas podem responder rapidamente | Depende do tipo de junção e do diâmetro da bainha |
| Tamanho da sonda | Ponta sensível compacta, variável conforme a configuração | Ampla variedade de construções, de fios finos a sondas com bainha |
| Encaminhamento de sinais a longa distância | Trajeto de fibra óptica com isolamento elétrico | Trajeto de cabo de extensão ou compensação |
| Monitoramento em múltiplos pontos | Várias sondas conectadas a um instrumento de múltiplos canais | Vários termopares conectados a sistemas de aquisição ou PLC |
| Condicionamento de sinal | Exige transmissor ou instrumento de monitoramento de temperatura de fibra óptica | Exige compensação de junta fria e eletrônica de aquisição |
| Integração com PLC / SCADA | Por RS485, Modbus, saída analógica ou relé do instrumento de monitoramento | Por módulo de entrada de termopar, transmissor ou unidade de aquisição de dados |
| Aplicações típicas | Enrolamentos de transformadores, equipamentos de alta tensão, locais sensíveis a RF/EMI | Fornos, estufas, máquinas, medição industrial geral |
Como os dois sensores medem temperatura
Sensor de temperatura de fibra óptica
A luz percorre a fibra óptica até uma ponta definida da sonda, onde ocorre a medição. O sinal óptico de retorno é processado por um instrumento de monitoramento, que o converte em uma leitura de temperatura. Nenhum sinal elétrico de medição é necessário no ponto de medição.
Termopar
Dois metais diferentes formam uma junção de medição. Uma diferença de temperatura na junção produz uma pequena tensão termoelétrica, efeito conhecido como efeito Seebeck. Esse sinal é transportado por fios condutivos do termopar, e a eletrônica de medição o converte em um valor de temperatura.
Isolamento elétrico e medição em alta tensão
Essa é uma das distinções mais importantes entre as duas tecnologias. Uma sonda de fibra óptica usa um caminho óptico não condutivo de medição, enquanto um termopar depende de uma junção metálica conectada por fios condutivos.
Essa distinção importa em aplicações como enrolamentos de transformadores, equipamentos de teste de alta tensão, painéis elétricos, componentes energizados e equipamentos de alta corrente. Termopares podem ser usados em muitas aplicações elétricas quando isolamento, aterramento e cabeamento são corretamente projetados. Entretanto, aplicações que exigem um caminho de medição não condutivo podem favorecer a fibra óptica.
EMI, RFI e campos eletromagnéticos intensos
A transmissão de sinais por fibra óptica apresenta, por natureza, alta resistência à interferência eletromagnética ao longo da fibra sensora. Termopares usam sinais elétricos de baixo nível; por isso, blindagem, aterramento, trajeto dos cabos e projeto da instrumentação podem ganhar importância em ambientes eletricamente ruidosos.
Ambientes típicos em que a medição óptica pode ser preferível incluem enrolamentos de transformadores, geradores, sistemas de barramentos de alta corrente, equipamentos de RF, aquecimento por micro-ondas, sistemas de MRI e laboratórios de alta tensão.
Faixa de temperatura e capacidade de operação em altas temperaturas
Termopares estão disponíveis em muitos tipos, como Tipo K, Tipo J, Tipo T, Tipo N, Tipo R e Tipo S, e são amplamente usados em faixas amplas e frequentemente muito altas de temperatura, dependendo do tipo de termopar e da construção da sonda.
Configurações típicas de sondas de fibra óptica podem abranger aproximadamente -40 a 260 °C, dependendo da estrutura da sonda. Para processos industriais em temperaturas muito altas, certos tipos de termopares podem oferecer faixa utilizável maior. Para ambientes eletricamente sensíveis dentro da faixa suportada pela sonda óptica, a medição por fibra óptica pode oferecer maiores vantagens de isolamento elétrico.
Exatidão, estabilidade e qualidade da medição
Sondas de fibra óptica normalmente oferecem exatidão na região de ±0.5 a ±1 °C, dependendo da configuração da sonda e do instrumento. A exatidão do termopar depende do tipo de termopar, da classe de tolerância, da qualidade dos fios, da compensação de junta fria, da instrumentação e da instalação.
| Fator | Fibra óptica | Termopar |
|---|---|---|
| Sinal do sensor | Óptico | Tensão termoelétrica de baixo nível |
| Influência do instrumento | Instrumento de monitoramento | Eletrônica de compensação e aquisição |
| Influência do cabeamento | Sem resistência de fios elétricos na fibra óptica | A qualidade do cabeamento e das junções é importante |
| Sensibilidade a EMI | Muito baixa ao longo do caminho óptico | Exige instalação elétrica correta |
Tempo de resposta e construção da sonda
As duas tecnologias podem responder rapidamente quando são usados elementos sensíveis compactos. Sondas de fibra óptica normalmente atingem tempos de resposta inferiores a 1 segundo, dependendo da estrutura da sonda. O tempo de resposta dos termopares varia significativamente com o tipo de junção — exposta, aterrada ou não aterrada —, assim como com o diâmetro da bainha e a construção geral da sonda.
Tamanho da sonda e locais restritos de medição
Locais compactos de medição, como ranhuras de enrolamentos de transformadores, estatores de geradores, emendas de barramentos e equipamentos elétricos compactos, frequentemente exigem geometrias pequenas de sondas. Os diâmetros típicos de sondas de fibra óptica são aproximadamente 2–3 mm, dependendo da configuração. Termopares também estão disponíveis em muitos formatos físicos, de junções com fios finos a sondas industriais com bainha metálica.
O tamanho físico, isoladamente, não determina a adequação: condutividade elétrica e requisitos de isolamento podem ser igualmente importantes.
Encaminhamento da fibra e cabeamento do termopar
Fibra óptica: A fibra óptica não transporta sinal elétrico de medição. Um trajeto de cerca de 3–5 m é prático para muitas instalações em equipamentos, com configurações mais longas ou mais curtas disponíveis. O raio de curvatura e a proteção da fibra devem ser considerados no encaminhamento.
Termopar: Os sinais são transportados por cabo de extensão ou compensação, em que a polaridade importa e as conexões devem corresponder ao tipo de termopar. Práticas de encaminhamento e blindagem podem ser necessárias, dependendo do ambiente de instalação.
Monitoramento de temperatura em múltiplos pontos
Na medição por fibra óptica, uma sonda pontual geralmente mede um local definido, com várias sondas conectadas a um instrumento de monitoramento de temperatura de múltiplos canais. Vários termopares também podem se conectar a sistemas de aquisição de dados, varredores de temperatura, módulos de entrada PLC ou transmissores de múltiplos canais.
| Requisito | Abordagem por fibra óptica | Abordagem com termopar |
|---|---|---|
| Ponto único | Uma sonda para um canal do instrumento | Um termopar para um canal de entrada |
| Vários pontos | Várias sondas para um instrumento de múltiplos canais | Vários termopares para um módulo de múltiplos canais |
| Vários pontos de equipamentos | Instrumento de monitoramento de múltiplos canais com isolamento elétrico em cada ponto | Sistema de aquisição de dados ou módulo de entrada PLC |
| Visor local | Disponível em muitos instrumentos de monitoramento | Disponível em muitos transmissores e indicadores |
| Monitoramento central | Por sistema de monitoramento de temperatura por fibra óptica | Por PLC / SCADA e sistema de aquisição |
| Integração com PLC / SCADA | Pela saída do instrumento de monitoramento | Por módulo de entrada de termopar ou transmissor |
Integração com PLC, SCADA e aquisição de dados
Instrumentos de monitoramento de temperatura de fibra óptica podem fornecer RS485, Modbus RTU, 4–20 mA, saídas de relé de alarme e visor local, dependendo da configuração do instrumento. Termopares normalmente são integrados por módulo de entrada de termopar, transmissor de temperatura, módulo de entrada PLC ou unidade de aquisição de dados.
A arquitetura de integração é diferente, mas as duas tecnologias podem atender a sistemas de monitoramento industrial.
Onde termopares costumam ser a escolha prática
Termopares continuam sendo uma escolha prática para uma ampla variedade de aplicações, incluindo fornos, estufas, fornos de cerâmica, sistemas de exaustão, equipamentos de processo e máquinas industriais em geral.
Termopares costumam ser práticos quando:
- É necessária capacidade de operar em temperaturas muito altas
- O cabeamento condutivo é aceitável
- O isolamento elétrico não é uma preocupação principal
- A instrumentação existente já suporta entradas de termopares
- A construção padrão de sonda industrial é adequada
- É necessária medição convencional com custo reduzido
Onde a medição de temperatura por fibra óptica costuma ser preferida
A medição pontual de temperatura por fibra óptica é frequentemente usada em enrolamentos de transformadores, a seco e imersos em óleo, enrolamentos de geradores, equipamentos de alta tensão, painéis elétricos, equipamentos de RF, sistemas de micro-ondas, sistemas de MRI, testes de alta tensão e ambientes com EMI intensa.
As principais razões são isolamento elétrico, caminho não condutivo de medição, resistência à interferência eletromagnética, construção compacta da sonda e conexão a um instrumento remoto de monitoramento.
Fibra óptica e termopar por aplicação
| Aplicação | Fibra óptica | Termopar | Principal consideração de seleção |
|---|---|---|---|
| Enrolamento de transformador | Frequentemente preferido | Depende da instalação | Isolamento elétrico no enrolamento |
| Transformador a seco | Frequentemente preferido | Depende da instalação | EMI e proximidade da tensão |
| Painéis elétricos | Opção comum | Opção comum | Localização em relação às partes energizadas |
| Conexão de barramento | Frequentemente preferido | Depende da instalação | Proximidade de alta corrente / tensão |
| Motor / gerador | Opção comum | Opção comum | Acesso ao enrolamento e nível de EMI |
| Máquinas industriais | Depende da instalação | Opção comum | Viabilidade de cabeamento convencional |
| Forno / estufa | Específico da aplicação | Frequentemente preferido | Capacidade de operar em altas temperaturas |
| Equipamentos de processo | Depende da instalação | Opção comum | Instrumentação existente |
| Micro-ondas / RF | Frequentemente preferido | Adequado com projeto apropriado | Interferência de RF no cabeamento |
| MRI / campo magnético intenso | Frequentemente preferido | Adequado com projeto apropriado | Interação com o campo magnético |
| Testes de alta tensão | Frequentemente preferido | Adequado com projeto apropriado | Proximidade direta de alta tensão |
| Bancada de teste de laboratório | Opção comum | Opção comum | Flexibilidade e montagem existente |
Como escolher entre um sensor de temperatura de fibra óptica e um termopar
Escolha um termopar quando:
- É necessária capacidade de operar em temperaturas muito altas
- O cabeamento condutivo padrão é aceitável
- O ambiente tem condições controláveis de EMI
- A instrumentação existente já suporta entradas de termopares
- Uma sonda industrial convencional se adapta ao ponto de medição
- A aplicação é medição de temperatura em fornos, processos ou máquinas em geral
Considere medição por fibra óptica quando:
- O ponto de medição está perto de alta tensão
- O isolamento elétrico é importante
- Há EMI / RFI intensa
- Há campos de RF ou micro-ondas
- Há campos magnéticos intensos
- O cabeamento condutivo do sensor é indesejável
- O ponto de medição fica dentro de estruturas de enrolamentos de transformadores ou geradores
Perguntas a fazer antes de escolher um termopar ou sensor de fibra óptica
- Qual é a faixa de temperatura necessária?
- O ponto de medição é energizado?
- É necessário isolamento elétrico?
- Há EMI / RFI intensa?
- Há energia de RF ou micro-ondas?
- Há campo magnético intenso?
- Quanto espaço está disponível para a sonda?
- Qual a distância entre o instrumento e o ponto de medição?
- Quantos pontos de medição são necessários?
- O sistema existente já aceita entradas de termopares?
- É necessário RS485 / Modbus?
- É necessário 4–20 mA?
- É necessário visor local?
- São necessárias saídas de relé de alarme?
- É necessária uma sonda não metálica?
Equívocos comuns ao comparar sensores de fibra óptica e termopares
"Sensores de fibra óptica sempre têm uma faixa de temperatura maior." Não necessariamente. Muitos tipos de termopares são projetados para temperaturas muito altas.
"Termopares não podem ser usados perto de equipamentos elétricos." Incorreto. Eles são amplamente usados em equipamentos industriais e elétricos quando cabeamento e isolamento são corretamente projetados.
"A medição por fibra óptica serve apenas para transformadores." Ela também é usada em RF, micro-ondas, geradores, testes de alta tensão, MRI e ambientes de laboratório.
"Termopares são sempre mais rápidos." A resposta depende fortemente do projeto da junção, do diâmetro da sonda e da bainha protetora.
"Só o tipo de sensor importa." Tamanho da sonda, trajeto, quantidade de canais, ambiente e interface de monitoramento também são importantes.