INSTITUTO FEDERAL CATARINENSE

CMPUS LUZERNA

TCNICO EM AUTOMAO INDUSTRIAL

APOSTILA DE INSTRUMENTAO INDUSTRIAL

AUTOR: MARCOS FIORIN

EDITADA POR: RAFAEL GARLET DE OLIVEIRA

LUZERNA SC

2012

Sumrio

1 INSTRUMENTAO INDUSTRIAL......................................................................................... 3

1.1 APLICAES DA INSTRUMENTAO: ...................................................................................... 3 1.2 DIAGRAMAS DE INSTRUMENTAO ....................................................................................... 4 1.3 SISTEMAS DE MEDIO ......................................................................................................... 7

1.3.1 Transdutores ................................................................................................................ 7 1.4 TIPOS DE SINAIS EM INSTRUMENTAO: ................................................................................. 7 1.5 CARACTERSTICAS DOS INSTRUMENTOS: ................................................................................ 7

2 INSTRUMENTOS DE MEDIO DE PRESSO .................................................................... 9

2.1 BARMETRO ....................................................................................................................... 9 2.2 MANMETRO .................................................................................................................... 10 2.3 TUBO DE BOURDON ........................................................................................................... 10 2.4 COLUNA DE LQUIDO.......................................................................................................... 10 2.5 MEMBRANA OU DIAFRAGMA .............................................................................................. 11 2.6 MANMETRO DE FOLE ...................................................................................................... 12 2.7 STRAIN GAUGE ................................................................................................................... 12 2.8 SENSOR DE PRESSO CAPACITIVO ....................................................................................... 13 2.9 SENSOR DE PRESSO PIEZOELTRICO ................................................................................... 13 2.10 PRESSOSTATO COMO DISPOSITIVO DE PROTEO ................................................................... 14

3 INSTRUMENTOS DE MEDIO DE NVEL ......................................................................... 15

3.1 SENSOR DE NVEL CAPACITIVO .......................................................................................... 15 3.2 SENSOR DE NVEL CHAVE BOIA (PRA).............................................................................. 16 3.3 SENSOR DE NVEL CONDUTIVO .......................................................................................... 16 3.4 SENSOR DE NVEL VIBRATRIO ......................................................................................... 17 3.5 SENSOR DE NVEL P ROTATIVA ........................................................................................ 17 3.6 SENSOR DE NVEL DE DIAFRAGMA ..................................................................................... 18 3.7 VISOR DE NVEL ................................................................................................................ 18 3.8 SENSOR DE NVEL POR INCLINAO (TILT) ......................................................................... 19 3.9 SENSOR DE NVEL HIDROSTTICO ..................................................................................... 19 3.10 SENSOR DE NVEL POR PRESSO DIFERENCIAL .................................................................. 20 3.11 SENSOR DE NVEL MAGNETORESTRITIVO ........................................................................... 20 3.12 SENSOR DE NVEL ULTRASSNICO .................................................................................... 21 3.13 SENSOR DE NVEL POR ONDA GUIADA ............................................................................... 21 3.14 SENSOR DE NVEL POR RADIAO ...................................................................................... 22

4 INSTRUMENTOS DE MEDIO DE VAZO ....................................................................... 23

4.1 SENSORES POR PRESSO DIFERENCIAL: ........................................................................... 23 4.1.1 Placa de Orifcio ........................................................................................................ 23 4.1.2 Tubo Venturi .............................................................................................................. 24 4.1.3 Tubo de Pitot ............................................................................................................. 25

4.2 SENSORES DE VAZO POR TURBINAS: .................................................................................. 25 4.3 MEDIDORES DE VAZO MAGNTICOS: ................................................................................. 26 4.4 MEDIDORES DE VAZO ULTRASSNICOS: ............................................................................ 27 4.5 MEDIDORES DE VAZO DOPPLER ........................................................................................ 28 4.6 ROTMETRO ..................................................................................................................... 29 4.7 MEDIDOR CORIOLIS .......................................................................................................... 29 4.8 VORTEX............................................................................................................................ 30 4.9 COMPARAO ENTRE ALGUNS TIPOS DE SENSORES ............................................................ 31

5 INSTRUMENTOS DE MEDIO DE TEMPERATURA ........................................................ 32

5.1 TERMOPARES .................................................................................................................... 32 5.2 TERMORESISTNCIA .......................................................................................................... 36 5.3 TERMISTORES................................................................................................................... 37 5.4 TERMMETRO INFRAVERMELHO ......................................................................................... 38

6 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................... 39

7 ANEXO A UNIDADES DE MEDIDA ................................................................................... 40

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1 Instrumentao Industrial Instrumentao o ramo da engenharia que trata do projeto, fabricao, especificao,

montagem, operao e manuteno dos instrumentos de medio e controle das variveis dos processos industriais.

Um processo pode ser definido como uma operao qualquer a ser controlada, geralmente envolvendo transformao de matria ou energia. Um processo industrial , em geral, uma instalao ou um local onde introduzido material, energia, e insumos, que so processados para se obter um produto final de qualidade, gerando resduos e efluentes a serem descartados, tratados ou reciclados em outro processo (Ogata, 2011).

Em um sistema de controle, as informaes do processo precisam ser adquiridas e transmitidas a uma sala de controle, onde so tomadas as decises que sero enviadas ao processo por meio dos atuadores.

Existem sensores baseados em princpios fsicos diversos que possibilitam medir as variveis de processo bsicas, sejam elas temperatura, presso, vazo de fluido, e nvel, propriedades fsicas tais como viscosidade, calor de combusto e densidade, composies (concentraes), etc.

Para o bom desempenho e segurana de um sistema de controle de processo necessrio que a medio dessas variveis seja a mais precisa possvel. Sendo assim, a partir dos conceitos anteriores, pode-se definir a Instrumentao Industrial como sendo o conjunto de equipamentos que possibilitam a medio, monitorao e controle de variveis de processo, propriedades fsicas e composies dentro de um processo industrial.

1.1 Aplicaes da Instrumentao:

Monitorao: Algumas aplicaes de instrumentos de medida tm a simples funo de monitorao da varivel medida, ou seja, suas medidas no so utilizadas para controle. Medidores de consumo de gs, gua e energia eltrica utilizados em residncias, so bons exemplos desta classe de aplicao (Albertazzi, 2002).

Anlise Experimental de Engenharia (Investigao): Refere-se s aplicaes onde a medio fornecida por algum instrumento tem uso destinado uma anlise ps-medio, para determinao de algum parmetro, modelo e/ou validao do mesmo.

Controle de Processos: Uma aplicao muito frequente de instrumentao a especificao de instrumentos de medida como elementos de uma malha de controle. Esta classe de aplicao representada no diagrama de blocos, como apresentado na Figura 1.

Figura 1: Diagrama de blocos

Para qualquer classe de aplicao, a seleo de um instrumento de medida deve ser criteriosa, responsvel e adequada aos objetivos definidos para a aplicao. Para isto necessrio um amplo espectro de informaes a respeito da instrumentao comercial disponvel e de suas caractersticas tcnicas, que precisam ser especificadas de acordo com as condies operacionais a serem impostas ao instrumento e com as demandas do processo em relao medio (preciso e tempo de resposta, por exemplo).

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1.2 Diagramas de Instrumentao

As malhas de controle podem ser representadas por meio de diagramas de instrumentao, que seguem os padres da ISA (Instrumentation Symbols and Indentification) (Alves, 2010). Este diagrama identifica todos os equipamentos instalados no sistema, sejam sensores, controladores, atuadores, etc. Na Figura 2 representado um diagrama de instrumentao de um sistema de controle de nvel.

Figura 2: Diagrama de instrumentao de um sistema de controle de nvel.

Note que este diagrama apresenta a interligao dos equipamentos fsicos (bomba, tanque, vlvula, etc.) em um sistema coerente de controle. Existem setas indicando fluxo de materiais, energia e informao. Cada seta possui uma simbologia prpria (por exemplo, seta tracejada representa um sinal eltrico, seta com chanfros representa fluxo pneumtico, etc.). A simbologia das diferentes setas est representada na Figura 3.

Os dispositivos instalados no sistema podem ser computadores, CLPs, compartilhados ou no. Para fazer a distino entre estes tipos de dispositivos pode-se utilizar a Figura 4, que relaciona a cada tipo de dispositivo um smbolo diferente.

Cada dispositivo instalado no sistema possui um respectivo cdigo de letras que serve para identificar a sua funo e distinguir qual o tipo de varivel relacionada. Este cdigo de letras definido na Tabela 1. A identificao destes cdigos de letras funciona da seguinte maneira: a primeira letra se refere varivel envolvida, como por exemplo F: fluxo (flow), L: nvel (level), T: temperatura (temperature). As demais letras indicam a funo do dispositivo, como por exemplo C: controlador, I: indicador, T: transmissor, V: vlvula. Como exemplo, o dispositivo LIC da figura anterior um controlador (C) e indicador (I) de nvel (L).

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Figura 3: Sinais utilizados nos diagramas de instrumentao.

Figura 4: Smbolos de instrumentos utilizados nos diagramas de instrumentao.

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Tabela 1: Smbolos para identificao dos instrumentos.

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1.3 Sistemas de medio

Os sistemas de medio so elementos importantes da malha de controle, pois o controle de uma varivel somente pode ser correto se o seu valor for lido corretamente. Os sensores so responsveis por fazer a medio das grandezas envolvidas no processo, como temperatura, nvel, presso, etc. Estes elementos so divididos em algumas partes: transdutor, unidade de tratamento de sinais e registrador, como apresentado na Figura 5.

Figura 5: Sistema de medio.

1.3.1 Transdutores

O transdutor um elemento responsvel por transformar um efeito fsico em um sinal de baixa energia, geralmente so utilizados sinais eltricos. Os transdutores so divididos em duas categorias:

Transdutor Passivo: aquele que necessita de uma fonte auxiliar de energia que fornece a maior parte da potncia de sada, ou seja, o sinal de entrada contribui com uma poro insignificante da energia (Tooley, 2007).

Transdutor Ativo: aquele em que a energia de sada quase que inteiramente fornecida pelo sinal de entrada; a energia de sada pode ser da mesma forma que a de entrada ou poder haver converso de uma forma para outra. Um exemplo de transdutor passivo o manmetro tipo de Bourdon (Seo 2.3), j que toda a energia usada para mover o ponteiro vem da presso a ser medida.

1.4 Tipos de sinais em instrumentao:

Analgicos: so sinais contnuos no tempo, ou seja, que variam de forma contnua. Podem ser pneumticos (padro de transmisso em presso 3 a 15 psi) ou eletrnicos (padro de transmisso em corrente 4 a 20 mA e padro de transmisso em tenso 1 a 10 Vcc). Outro tipo de sinal analgico bastante usado o sinal em mV, obtido em termopares.

Sinais discretos: sinais discretos so sinais oriundos de sinais analgicos em que se faz uma discretizao no tempo, ou seja, somente em determinados intervalos de tempo que um sinal discreto pode assumir algum valor.

Sinais digitais: so sinais que s assumem dois estados: verdadeiro ou falso, aberto ou fechado. Esses sinais so provenientes de chaves de campo (chave de nvel, de presso, de temperatura, fim de curso), alarmes e sistemas de segurana.

1.5 Caractersticas dos Instrumentos:

O desempenho dos instrumentos de medida pode ser caracterizado a partir dos conceitos apresentados a seguir:

Ganho: O ganho a relao entre a variao na sada e a variao unitria na entrada, ou o Span da sada dividido pelo Span da entrada. Assim, para um transmissor eletrnico de temperatura com uma faixa de entrada de 100 a 200C e uma sada de 4 a 20 mA, o ganho :

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Faixa de Indicao (Range): a regio entre os limites mximo e mnimo nos quais a quantidade medida, recebida ou transmitida pode variar. Toda varivel medida e todo instrumento possuem um determinado range.

Alcance (Span): a diferena algbrica entre os limites superior e inferior da faixa de indicao. Por exemplo, se um instrumento possui um range com limite inferior de 100 psi e superior de 400 psi, o alcance do instrumento de 300 psi.

Exatido: indica o quanto o sensor capaz de indicar um valor prximo do valor real. Geralmente o conceito de exatido relacionado ao conceito de erro sistemtico, que uma tendncia no sistema de medio em produzir um desvio no resultado.

Preciso: a medida da consistncia do sensor e indica a sua repetibilidade, isto , qual a capacidade do sensor em indicar o mesmo valor, estando nas mesmas condies de operao, para vrias medies diferentes de um mesmo mensurando.

Repetibilidade: a medida da capacidade de um instrumento repetir a mesma sada (medida) para um dado valor, quando a mesma entrada precisa aplicada varias vezes. Existem duas definies matemticas possveis para repetibilidade:

Zona Morta: a maior variao que a varivel pode ter, sem que provoque variao na indicao de um instrumento. Est relacionada com folgas entre os elementos mveis do instrumento, como engrenagens, etc. Ex.: Um instrumento com range de O a 200C possui uma zona morta de 0,1% do span. 0,1% = (0,1/100 x 200) = O,2C Portanto, se a varivel variar de 0,2C, o instrumento no apresentar resposta nenhuma.

Tempo Morto: o tempo necessrio para que o sensor comece a responder a alteraes na varivel medida (entrada).

Resoluo: a menor diferena entre indicaes que pode ser significativamente percebida. Como exemplo, para mostradores digitais, a resoluo corresponde ao incremento do dgito menos significativo do indicador.

Sensibilidade: a menor mudana na entrada do sensor que ir resultar em uma mudana na sada do mesmo. A resoluo d uma indicao de quo pequena uma variao na entrada de energia pode ser percebida por um sensor.

Linearidade: um sistema de medio definido como linear, quando sua caracterstica de resposta varia de forma linear (grfico de uma reta) em relao a variaes nos valores do mensurando.

Histerese: o efeito da histerese notado em instrumentos que possuem comportamento diferente para entrada crescente em relao entrada decrescente.

Calibrao Esttica: Operao de eliminao dos erros sistemticos em um sistema de medio.

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2 Instrumentos de Medio de Presso

Presso uma grandeza fsica obtida pelo quociente entre a intensidade da fora (F) e a rea (A) em que a fora se distribui (P = F/A). A presso a grandeza fsica mais medida em controle de processos, pois utilizada tambm para a medio de nvel e de vazo, como ser visto nos prximos captulos.

Presso Atmosfrica: a fora exercida pela atmosfera na superfcie terrestre. Esta fora equivale ao peso dos gases que esto presentes no ar e que compem a atmosfera.

A presso atmosfrica pode variar de um lugar para o outro, em funo da altitude e das condies meteorolgicas (como a umidade e a densidade do ar). Ao nvel do mar esta presso aproximadamente de 760 mmHg, ou 1 ATM. Quanto mais alto o local, mais rarefeito o ar e, portanto, menor a presso atmosfrica. O Instrumento que mede a presso atmosfrica o barmetro.

Presso Relativa: determinada tomando-se como referncia a presso atmosfrica local. Para medi-la, usam-se instrumentos denominados manmetros. Por esta razo, a presso relativa tambm chamada de presso manomtrica. A maioria dos manmetros calibrada em zero para a presso atmosfrica local. Assim, a leitura do manmetro pode ser positiva (quando indica o valor da presso acima da presso atmosfrica local) ou negativa (quando se tem um vcuo). Quando se fala em presso de uma tubulao de gs, refere-se presso relativa ou manomtrica.

Presso Absoluta: a soma da presso relativa e atmosfrica. No vcuo absoluto, a presso absoluta zero, e a partir da ser sempre positiva. Na indstria a maior parte dos instrumentos mede presso relativa.

Presso Diferencial: a diferena entre duas presses, sendo representada pelo smbolo P. Essa diferena de presso normalmente utilizada para medir vazo, nvel, etc.

Existem alguns princpios de funcionamento que so utilizados para a medio de presso. Dependendo do princpio utilizado, os transdutores de presso podem ser divididos em: Gravitacionais (colunas de liquido, pistes e pesos); Mecnicos (Fole, tubo de Bourdon, diafragmas); Eltricos (strain gauge, capacitivos, piezeltricos, magnticos).

2.1 Barmetro

Utilizado para a medio da presso

atmosfrica. Consiste de um tubo de vidro medindo 1 m de comprimento, fechado numa extremidade e aberto noutra, e preenchido com mercrio (Hg). A extremidade aberta do tubo invertida num pequeno recipiente aberto com mercrio (conforme Figura 6). A coluna de mercrio desce para dentro do recipiente at que o peso da coluna de mercrio iguale o peso de uma coluna de ar de igual dimetro, que se estende da superfcie at o topo da atmosfera. Portanto, o comprimento da coluna de mercrio indica a medida da presso atmosfrica.

Figura 6: Barmetro.

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2.2 Manmetro

Manmetro , de uma forma geral, o nome dado aos indicadores de presso (Figura 7). Existem diversos tipos de manmetros, dependendo do tipo de elemento sensvel: deslocamento de lquido em coluna ou tubo, diafragma, fole, tubo Bourdon, entre outros.

Figura 7: Indicador de presso - manmetro.

2.3 Tubo de Bourdon

O princpio de funcionamento de um dispositivo de medio baseado neste elemento sensvel bastante simples. A presso aplicada no interior do tudo tende a retificar a curvatura deste, alterando a posio do ponteiro indicador. Existem 3 tipos construtivos: tipo C, espiral, e helicoidal, como apresentado na Figura 8. Geralmente so utilizados materiais metlicos em sua construo, para trabalho com petrleo recomendado o ao inoxidvel (Alves, 2010).

Figura 8: Tubo de Bourdon.

2.4 Coluna de Lquido

Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de lquido, fixado a uma base com uma escala graduada. As colunas podem ser basicamente de trs tipos, como mostra a Figura 9: reta vertical, reta inclinada e em forma de U. Os lquidos mais utilizados nas colunas so gua (normalmente com um corante) e mercrio. Quando se aplica uma presso na coluna, o lquido deslocado, sendo que este deslocamento proporcional presso aplicada. O tubo inclinado, por sua construo, apresenta uma maior preciso nas medidas. O tubo em U permite medir a diferena de presso a partir da diferena de altura nas suas colunas.

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Figura 9: Colunas de deslocamento de lquido.

2.5 Membrana ou Diafragma

constitudo por um disco de material elstico (metlico ou no), fixo pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco est ligada a um mecanismo de indicao. Quando uma presso aplicada, a membrana se desloca e esse deslocamento proporcional presso aplicada, como apresentado na Figura 10.

Figura 10: Manmetro de diafragma.

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2.6 Manmetro de Fole

tambm muito empregado na medio de presso. Consiste basicamente em um cilindro metlico, corrugado ou sanfonado, como mostra a Figura 11. Ao ser aplicada uma presso no interior do fole provocada a sua distenso. O deslocamento do indicador proporcional presso aplicada, que se ope fora de oposio da mola e flexibilidade do material do cilindro.

Figura 11: Manmetro de Fole.

2.7 Strain Gauge

Baseia-se no princpio de variao da resistncia de um fio, mudando-se as suas dimenses. Para variarmos a resistncia de um condutor devemos analisar a equao geral da resistncia:

R: Resistncia do condutor

: Resistividade do material L: Comprimento do condutor S: rea da seo transversal

A equao nos explica que a resistncia eltrica de um condutor diretamente

proporcional resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional a rea da seo transversal. A maneira mais prtica de alterarmos as dimenses de um condutor tracionarmos o mesmo no sentido axial.

O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lmina de base, dobrando-se to compacto quanto possvel. Esta montagem denomina-se tira extensiomtrica como vemos na Figura 12:

Figura 12: Princpio do Sensor Strain Gage.

Observa-se que o fio, apesar de solidamente ligado a lmina de base, precisa estar eletricamente isolado da mesma. O resultado do sensor um sinal de resistncia que deve ser medido com uma ponte de Wheatstone.

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2.8 Sensor de Presso Capacitivo

O funcionamento deste tipo de sensor se baseia no deslocamento das placas do capacitor, como mostrado na Figura 13. Tal deformao altera o valor da capacitncia total que medida por um circuito eletrnico. Esta montagem, se por um lado, elimina os problemas mecnicos das partes mveis, expe a clula capacitiva s rudes condies do processo, principalmente a temperatura do processo. Este inconveniente pode ser superado atravs de circuitos sensveis temperatura montados juntos ao sensor.

Outra caracterstica inerente montagem a falta de linearidade entre a capacitncia e a distncia das armaduras devido deformao no linear, sendo necessrio, portanto, uma compensao (linearizao) a cargo do circuito eletrnico.

Uma diferena de presso entre as cmaras de alta e de baixa presso produz uma fora no diafragma isolador que transmitida pelo lquido de enchimento. A fora atinge a armadura flexvel (diafragma sensor) provocando sua deformao, alterando portanto, o valor das capacitncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura mvel. Esta alterao medida pelo circuito eletrnico que gera um sinal proporcional variao de presso aplicada cmara da cpsula de presso diferencial capacitiva.

Figura 13: Sensor de Presso Capacitivo.

2.9 Sensor de Presso Piezoeltrico

Os elementos piezoeltricos so cristais, como o quartzo, a turmalina e o titanato que acumulam cargas eltricas em certas reas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformao fsica, por ao de uma presso. So elementos pequenos e de construo robusta, como apresentado na Figura 14. Seu sinal de resposta linear com a variao de presso, so capazes de fornecer sinais de altssimas frequncias de milhes de ciclos por segundo. O efeito piezoeltrico um fenmeno reversvel. Se for conectado a um potencial eltrico, resultar em uma correspondente alterao da forma cristalina. Este efeito altamente estvel e exato, por isso utilizado em relgios de preciso.

A carga devido alterao da forma gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo um elemento transmissor ativo. Esta carga conectada entrada de um amplificador, sendo indicada ou convertida em um sinal de sada, para tratamento posterior. Permite medir presses nas faixas de 0-1,5 psi a 0-5000 psi. Pode ser chamado, em alguns casos, de sonda de presso, ou sonda submersa, utilizada para medir grandes presses.

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Figura 14: Sensor de Presso Piezoeltrico.

2.10 Pressostato como dispositivo de proteo

Pressostato um componente utilizado para a proteo de equipamentos ou processos que trabalham a presses variadas. Sua funo bsica de proteger a integridade de equipamentos contra sobrepresso ou subpresso aplicada aos mesmos durante o seu funcionamento.

constitudo em geral por um sensor, um mecanismo de ajuste de set-point e uma chave de duas posies (aberto ou fechado). O elemento sensor pode ser compreendido por um diafragma, Bourdo ou pisto. Como mecanismo de ajuste de set-point utiliza-se na maioria das aplicaes uma mola com faixa de ajuste selecionada conforme presso de trabalho e ajuste, e em oposio presso aplicada. O mecanismo de mudana de estado mais utilizado o micro interruptor, podendo ser utilizado tambm ampola de vidro com mercrio, fechando ou abrindo o contato que pode ser do tipo normal aberto ou normal fechado.

Os pressostatos so projetados para controlar sistemas de presso do vapor, gua, ar, leo e gases. Tm grande utilizao em indstrias qumicas, siderrgicas, fbricas de papel e celulose, produtos farmacuticos, bombas e compressores, sistemas hidrulicos estacionrios e mveis, controle de processos, sistema de alarmes e outros.

Na Figura 15 apresentado um pressostato de Bourdon, onde (1) o tubo de Bourdon, (2) o microinterruptor e (3) a alavanca.

Figura 15: Pressostato de Bourdon.

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3 Instrumentos de Medio de Nvel

As malhas de controle de nvel so aplicadas em larga escala na indstria. comum encontrar malhas de controle multivariveis, envolvendo variveis como nvel, vazo, temperatura. Em alguns casos, os instrumentos de medio de nvel utilizam sensores de presso, vistos no captulo anterior. Alguns sensores possuem somente dois estados, indicando que o nvel est, ou no est, em um determinado patamar. Existem ainda sensores capazes de indicar com preciso o nvel exato, sendo indicados para controle avanado.

3.1 Sensor de Nvel Capacitivo

O princpio de funcionamento deste transdutor diferente dos sensores de presso capacitivos. Neste caso no so as placas capacitivas que se movem (como no caso dos transdutores de presso), o que ocorre a mudana do material dieltrico entre as placas do capacitor. O elemento sensor constitudo por uma haste contendo as placas capacitivas. Com a variao do nvel, o material a ser medido penetra nesta haste, o que modifica o dieltrico entre as placas, como ilustra a figura abaixo.

Figura 16: Sensor de Nvel Capacitivo.

Assim, este sensor no apresenta nenhuma parte mvel uma vez que seu princpio de funcionamento baseado na variao de capacitncia que ocorre quando a haste detecta produtos com constantes dieltricas diferentes da do ar. Um circuito eletrnico responsvel por efetuar a gerao do sinal, proporcionalmente variao da capacitncia. No momento em que o produto entra em contato com a haste, o contato eltrico da sada acionado.

Este instrumento possui como principal vantagem o fato de ser uma chave de nvel extremamente verstil uma vez que pode ser aplicada na deteco e controle de nvel de tanques, silos ou reservatrios contendo praticamente qualquer tipo de produto como lquido ou slido. Vrias configuraes e modelos esto disponveis para a grande diversidade de aplicaes, diferentes opes de hastes sensores e materiais, verses para altas temperaturas e presses, para reas classificadas, etc. Aplicvel para controle de nvel de lquidos como gua, leo, efluentes, produtos qumicos, e para slidos como areia, gros, ps, cimento, cavaco de madeira, minrios, polpas, lamas e lquidos viscosos.

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3.2 Sensor de Nvel Chave Boia (Pra)

Mtodo simples de medio de nvel, muito usado em lugares simples, como stios, residncias e at mesmo na indstria. Este equipamento no informa valores de nvel, mas sim um sinal eltrico atravs dos contatos que possui que pode ligar ou desligar uma bomba, uma vlvula, ou apenas sinalizar. No caso de cargas maiores do que a da especificao necessria a utilizao de um contator ou dispositivo de comando similar.

Suspensa por um cabo de PVC, a chave tem seu funcionamento em funo da inclinao do invlucro. Quando a inclinao maior que 45, o contato eltrico acionado. Disponvel com comprimentos de cabo variveis, a chave no utiliza micro contato de mercrio e tem invlucro fabricado em PP, podendo de esta forma ser utilizado em aplicaes como gua potvel at efluentes. Pode ser aplicado para alarme ou controle de nvel e controle ou proteo de bombas, tanto para lquidos limpos como gua at efluentes.

Pelos motivos citados acima, no devem ser feitas emendas no cabo de alimentao, que eventualmente possam entrar em contato com o lquido existente no reservatrio. Este equipamento no indicado para uso em lquidos inflamveis ou corrosivos.

Figura 17: Chave Bia.

3.3 Sensor de Nvel Condutivo

Instrumento desenvolvido para a deteco e controle de nvel de tanques ou reservatrios onde so armazenados materiais lquidos como gua ou outros produtos condutivos. Hastes metlicas encontram-se em contato com o processo e o funcionamento baseado na condutividade eltrica. Quando o lquido entra em contato com a haste, o circuito eltrico fechado e o contato da chave acionado. Apresenta fcil instalao e configurao, dispensando praticamente qualquer tipo de manuteno uma vez que no possui qualquer parte mvel em contato com o processo. Diferentes verses esto disponveis com montagem remota ou integral e com hastes rgidas ou flexveis (para grandes reservatrios ou poos profundos). Pode ser aplicado como alarme de nvel, controle de bombas e vlvulas, em reservatrios de lquidos condutivos como gua, produtos qumicos, efluentes tratados, entre outros.

Figura 18: Sensor de Nvel Condutivo.

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3.4 Sensor de Nvel Vibratrio

Seu funcionamento baseia-se na vibrao da haste metlica, por um cristal piezoeltrico colocado em seu interior, sendo a sada ON/OFF acionada quando o produto toca a haste. Encontra-se disponvel em dois modelos, haste rgida e diapaso (garfo).

O modelo com haste rgida utilizado somente com materiais slidos (granulados, ps, etc.) enquanto o modelo com haste diapaso, alm de detectar produtos slidos, pode tambm ser utilizado com lquidos, podendo inclusive atuar com a funo de chave de fluxo em tubulaes (deteco de presena ou ausncia de fluxo). Apresentam caractersticas como fcil instalao (tanto topo como lateral) e configurao, sensibilidade ajustvel, verses para reas classificadas, ausncia de qualquer parte mvel em contato com o processo (no exigindo praticamente qualquer tipo de manuteno) e o fato de seu funcionamento no ser afetado pelas condies do material como variaes de umidade ou constante dieltrica. Aplicvel em alarme de nvel, controle de nvel, tanto para slidos como gros, ps, minrios, cavado de madeira (para verses de haste rgida), como para lquidos e slidos de baixa densidade (verso com haste de diapaso).

Figura 19: Sensor de Nvel de Vibrao.

3.5 Sensor de Nvel P Rotativa

um instrumento eletromecnico utilizado na deteco e controle de nvel de silos contendo materiais slidos como granulados, minrios, brita, entre outros.

As ps da chave permanecem em constante rotao em baixa velocidade movidas por um pequeno motor localizado no interior do invlucro. Este motor automaticamente desligado quando o produto atinge uma das ps impedindo a rotao normal e deste modo, prolongando a vida til do componente. Apresenta construo robusta, fcil instalao (topo ou lateral) e operao, diversos modelos de ps para diferentes produtos, ajuste de sensibilidade e verses para altas temperaturas e para reas classificadas. Devido ao seu princpio, permite ser aplicado em silos que armazenam diferentes materiais sem a necessidade de se efetuar qualquer alterao de configurao ou ajuste. Geralmente aplicvel em alarme ou controle de nvel de slidos como areia de fundio, gros, brita, carvo, minrios, cavaco de madeira, entre outros.

Figura 20: Sensor de Nvel P Rotativa.

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3.6 Sensor de Nvel de Diafragma

Este instrumento utilizado na deteco e controle de nvel de silos que armazenam materiais slidos como gros, ps, cavacos de madeira, entre outros.

Seu funcionamento, que no necessita de alimentao eltrica, baseia-se na presso exercida pelo produto sobre o diafragma, ou seja, quando o material atinge o elemento sensor da chave, a sada (contato eltrico) imediatamente acionada. possvel efetuar um ajuste na sensibilidade em funo do tipo de produto (mais ou menos denso). instalado externamente ao silo e o diafragma permanece rente parede interna, no havendo nenhum outro componente intrusivo. O diafragma o nico elemento que entra em contato com o processo. Se o instrumento necessitar de qualquer tipo de manuteno, esta pode ser efetuada totalmente pelo lado externo do silo, no sendo preciso retirar toda a chave do local instalado. Apresenta diferentes materiais para o diafragma (como Ao Inox, PTFE ou Neoprene) e verses para reas classificadas. Aplicvel para alarmes e controle de nvel com materiais slidos secos como gros, areia, ps, cimentos, cavaco de madeira, plsticos, entre outros.

Figura 21: Sensor de Nvel de Diafragma.

3.7 Visor de nvel

Normalmente constitudo por um tubo de vidro reto, com espessura adequada a cada aplicao. conectado a blocos metlicos. O comprimento e o dimetro do tubo dependem das condies a que o visor ser submetido. Para proteger o tubo de vidro de eventuais choques mecnicos so montadas, hastes protetoras metlicas ou tubos e chapas plsticas envolvendo o tubo de vidro.

Figura 22: Visor de nvel.

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3.8 Sensor de Nvel por Inclinao (Tilt)

um instrumento utilizado na indicao ou controle de nvel alto de silos contendo materiais slidos como gros, minrios, carvo, entre outros. Seu funcionamento baseado na inclinao do invlucro quando o produto entra em contato. Quando isto ocorre, uma pequena esfera metlica existente dentro do alojamento aciona um contato eltrico. No h necessidade de alimentao eltrica para a chave operar. A sada desativada no momento em que o invlucro estiver novamente alinhado (quando o produto no estiver mais em contato com a chave).

Apresenta fcil instalao e operao e verso para reas classificadas, podendo ainda ser utilizado na deteco de sobrecarga em correias transportadoras. Usado para alarme de nvel alto em slidos como gros, brita, cavaco de madeira, areia, carvo, clcio, entre outros.

Figura 23: Sensor de Nvel por Inclinao (Tilt).

3.9 Sensor de Nvel Hidrosttico

Este instrumento foi desenvolvido para medir continuamente e com grande preciso o nvel em tanques ou reservatrios contendo produtos lquidos.

No apresenta qualquer parte mvel uma vez que seu princpio de operao totalmente baseado na medio da presso exercida pela coluna de lquido que fica acima do sensor. Um circuito eletrnico converte o sinal que vem do sensor de presso em corrente 4-20 mA. Por isto, pode ser utilizado em tanques com presena de espuma, turbulncia ou gases/vapores alm de no ser afetado por caractersticas do fludo que possam sofrer mudanas como viscosidade ou constante dieltrica.

Duas verses encontram-se disponveis, pendular e lateral. A verso lateral instalada pelo lado externo do tanque, sendo que a nica parte em contato com o meio um diafragma. De fcil montagem, apresenta diversas faixas de operao alm de, opcionalmente, poder contar com indicao local e conexo sanitria. Possui vrias aplicaes envolvendo gua, produtos qumicos, alimentcios, farmacuticos, entre outros. A verso pendular composta somente por um sensor preso a um cabo, sendo submerso at o fundo do tanque. Sua principal aplicao a medio de gua, tanto em tanques ou reservatrios como em poos profundos, uma vez que devido ao seu tamanho reduzido, permite ser introduzido atravs de bocais de pequeno dimetro. Normalmente usado no monitoramento contnuo de nvel de tanques ou reservatrios, ambos para lquidos como gua, produtos qumicos, entre outros e ainda na medio do nvel de poos profundos (verso pendular).

Figura 24: Sensor de Nvel Hidrosttico.

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3.10 Sensor de Nvel por Presso Diferencial

Estes instrumentos, quando utilizados em medio de nvel, medem diferenciais de presso que so provocados pela coluna lquida presente nos equipamentos cujo nvel se deseja medir. O lado de alta presso do transmissor de presso diferencial ligado pela tomada da parte inferior do tanque e o lado de baixa presso aberto para a atmosfera.

Visto que a presso esttica do lquido diretamente proporcional ao peso do lquido, este pode ser obtido pela medida do primeiro. O transmissor de presso diferencial usualmente montado em uma posio que corresponde o nvel baixo de medio.

Figura 25: Sensor de nvel por presso diferencial.

3.11 Sensor de Nvel Magnetorestritivo

um instrumento desenvolvido para a medio contnua do nvel de produtos lquidos limpos em tanques ou reservatrios onde necessria uma elevada preciso. Seu funcionamento baseado no movimento de uma boia em torno de uma haste. Um circuito eletrnico monitora constantemente e de modo extremamente preciso a posio da boia atravs de pulsos que so enviados atravs de um fio condutor localizado no interior desta haste. A posio convertida em um sinal analgico de 4-20 mA que pode ser interligado a qualquer outro dispositivo externo. Encontra-se disponvel com diversos itens opcionais como indicao local, sada Hart, haste flexvel ou rgida, partes molhadas em material metlico ou termoplstico ou verses para reas classificadas. Possui fcil instalao e manuseio alm de no ser afetado por determinadas caractersticas do processo como presena de espuma, gases/vapores, mistura de lquidos ou variaes de constante dieltrica ou condutividade. Usado para o monitoramento contnuo de nvel de tanques ou reservatrios com lquidos com espuma, lquidos com uma densa camada de gs ou vapor sobre o lquido. Tambm pode ser usado com produtos qumicos, leos, solventes, hidrocarbonetos, entre outros.

Figura 26: Sensor de Nvel Magnetorestritivo.

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3.12 Sensor de Nvel Ultrassnico

A medio pela tecnologia do ultrassom baseia-se no tempo de trnsito (transit time) que uma onda sonora leva para se deslocar em um meio. Um sensor ultrassnico (transmissor/receptor) emite uma onda na frequncia do ultrassom, que se desloca pelo ambiente at atingir a superfcie do material que se quer medir. Ao atingir a superfcie do material, o sinal refletido de volta ao sensor. Pelo tempo decorrido desde a emisso do sinal at o seu retorno pode-se obter a distncia percorrida pelo mesmo. Este instrumento utilizado na medio contnua e precisa do nvel de produtos lquidos ou slidos armazenados em tanques, reservatrios ou silos. No possui qualquer parte mecnica em contato com o processo uma vez que seu funcionamento totalmente baseado na emisso de pulsos de ultrassom por um sensor instalado no tanque/silo que so refletidos pelo material que est sendo monitorando.

Apresenta diferentes opes de materiais para o transdutor, verses para reas classificadas, verses para montagem remota ou integral alm de funes de controle ou alarme de nvel. A grande quantidade de opes permite que este medidor seja utilizado nas mais variadas aplicaes que necessitam da medio de nvel sem que ocorra qualquer tipo de contato fsico do instrumento com o meio devido a agressividade (produtos qumicos como cidos), pureza (gua ultra pura) ou caracterstica intrnseca (como produtos altamente viscosos). Aplicvel no monitoramento contnuo do nvel de tanques ou reservatrios, controle de nvel (bombas, vlvulas ou outro dispositivo), monitoramento do nvel de rios, lagos e barragens ou outros locais abertos, para lquidos como gua, produtos qumicos, leos, efluentes, esgotos, polpas, e slidos como areia, gros, ps, farinha, chips de plstico, entre outros.

Figura 27: Sensor de Nvel Ultrassnico.

3.13 Sensor de Nvel por Onda Guiada

Este instrumento pode ser utilizado na medio de nvel tanto de produtos lquidos como slidos em tanques ou reservatrios de diferentes formatos ou dimenses onde necessrio elevada preciso. No possui qualquer tipo de parte mvel em contato com o processo. O nico componente que estar permanentemente em contato com o meio um cabo ou haste e que ser responsvel pela medio do nvel. Um circuito eletrnico emite pulsos que viajam pelo cabo em alta velocidade at encontrar o produto. Neste instante, o pulso acaba sendo refletido em direo ao topo onde est o circuito. A partir do tempo decorrido entre a emisso e a reflexo deste pulso possvel determinar o nvel do produto uma vez que a velocidade de propagao constante e conhecida. Trata-se portanto de um medidor extremamente verstil e preciso e que apresenta vrias opes de cabo ou haste (neste caso rgida), comprimentos, materiais e conexes de processo alm de verses com a presena de indicador local e para processos crticos como reas classificadas ou com altas temperaturas.

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Alm disso, seu funcionamento no afetado pela presena de gases, vapores, p, poeira, espuma bem como alteraes que possam ocorrer no meio como de densidade ou condutividade. Aplicado no monitoramento contnuo do nvel de tanques, reservatrios ou silos que comportam lquidos como solventes, GLP, produtos qumicos, leos, lquidos viscosos, alm de slidos como granulados e ps como chips de plstico, cimento, cal, cinzas, alumina, entre outros. Como principais caractersticas tem, elevada preciso, verses para altas temperaturas, e no afetado por variaes de constante dieltrica, temperatura ou densidade. A grande vantagem deste tipo de medidor em relao ao ultrassnico a imunidade efeitos provocados por gases, p, e espuma entre a superfcie e o detector, porm possuem um custo relativo alto.

Figura 28: Sensor de nvel por onda guiada.

3.14 Sensor de nvel por radiao

O sistema de medio por radiao consiste em um emissor de raios-gama (Cobalto 60, Csio 137, etc.) montado verticalmente na lateral do tanque. Do outro lado do tanque, h um detector de radiao, por exemplo do tipo Contador Geiger, que transforma a radiao gama recebida, em um sinal eltrico de corrente contnua, como mostra a figura abaixo.

Figura 29: Sensor de nvel por radiao Gamma.

Os medidores de nvel que utilizam radiaes se distinguem pelo fato de serem completamente isentos do contato com os produtos que esto sendo medido. Alm disso, dispensam-se sondas ou outras tcnicas que mantm contato com o produto, tornando possvel, em qualquer momento, realizar a manuteno desses medidores.

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4 Instrumentos de Medio de Vazo

Na maioria dos casos so dispositivos desenvolvidos para determinar a medio de fluxo utilizando outras variveis, relacionadas fisicamente com a vazo, como: velocidade de escoamento do fluido lquido ou gasoso, diferena de presso, variao de energia, etc. Sensores de vazo medem a quantidade de um fluido passando por um ponto em certo tempo.

Para a indstria de processos qumicos, a vazo uma medio bastante importante, pois permite realizar os balanos de massa e energia, utilizados nos processos.

4.1 Sensores por Presso Diferencial:

Este tipo de sensor se baseia em inserir uma dificuldade passagem do fluido, como a diminuio do dimetro da tubulao, por exemplo. Assim, o fluido em movimento apresenta duas velocidades diferentes, uma antes e uma depois desta modificao. Uma delas sendo a velocidade normal do escoamento e a outra sendo uma velocidade modificada. Com isso, surgem tambm duas presses diferentes, cuja diferena indica a vazo do fluido.

4.1.1 Placa de Orifcio

A presso de um fluido em movimento proporcional vazo. O sensor de vazo mais simples do tipo Placa de Orifcio, pois sua instalao fcil. Este sensor consiste em inserir um obstculo em algum ponto, como uma placa com um orifcio. A diferena de presso entre os pontos antes e depois da placa indica a vazo do fluido. Proporciona grande perda de presso no recupervel, da ordem de 30% a 40% da presso diferencial (como mostrado no grfico da Figura 30), devido a gerao de um escoamento turbulento depois da placa. Apresenta baixa exatido e pode ser mais abrasivo.

Figura 30: Medio de Vazo com Sensores com placa de Orifcio.

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Existem trs diferentes formas de orifcios: concntrica, excntrica ou segmental, como apresentado na Figura 31. A placa concntrica recomendvel para lquido ou vapor isolados, sendo as outras recomendveis para lquido e vapor juntos, ou quando existem slidos em suspenso.

Figura 31: Placas de orifcio a) concntrica, b) excntrica e c) segmental.

4.1.2 Tubo Venturi

Para evitar a perda de presso no recupervel, pode-se utilizar o Tubo Venturi para criar a diferena de presso. Propicia pequena perda de presso (mais eficiente), alta exatido, resistncia abraso. A dificuldade de instalao maior, ao comparar com as placas de orifcio, alm de ter um alto custo, o que pode limitar a sua utilizao.

Figura 32: Tubo de Venturi.

Geralmente utilizado para medir lquidos com slidos em suspenso e grandes vazes de ar de combusto, pois geram uma presso diferencial adequada.

Uma variao ao tubo Venturi o Bocal, apresentado na Figura 33. O bocal de fluxo utilizado para medio de vazo de alta velocidade onde eroso e cavitao pode desgastar ou danificar uma placa de orifcio.

Figura 33: Bocal, ou Tubeira.

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4.1.3 Tubo de Pitot

O Tubo Pitot um sensor de vazo baseado na presso que causa um mnimo de restrio ao escoamento. Consiste em dois tubos, um deles instalado paralelamente ao escoamento e outro instalado perpendicularmente ao escoamento, como mostra a Figura 34. O primeiro mede a presso de impacto do fluido enquanto que o segundo mede presso esttica. A presso de impacto sempre maior que a presso esttica e a diferena entre elas proporcional velocidade de escoamento, isto , vazo.

...............

Figura 34: Tubo de Pitot.

muito utilizado em aeronaves, para medir a sua velocidade em relao ao ar. A Figura 35 mostra um tubo de Pitot da asa de uma aeronave.

Figura 35: Tubo de Pitot em aeronaves.

4.2 Sensores de Vazo por Turbinas:

Os medidores de vazo tipo turbina aplicam-se medio da vazo de fluidos, lquidos e gases, ambos limpos, como gua, leo, combustveis, ar comprimido e gases diversos. Para medio de lquidos importante que a tubulao permanea totalmente preenchida pelo fluido no local de instalao do sensor. Possuem um rotor balanceado individualmente e montado em um eixo disposto em posio axial ao fluxo.

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Figura 36: Medio de Vazo por Turbina.

A energia cintica do fluido transferida ao rotor que gira em velocidade proporcional velocidade do fluido. Um sensor eletrnico detecta a velocidade de rotao do rotor, informando a velocidade ao mdulo eletrnico para medidor de vazo o qual indica a vazo e o volume totalizado e fornece vrias opes de sinais de sada como pulsos por unidade de volume, sinal analgico de 4 a 20 mA proporcional vazo e alarmes para vazo alta e/ou baixa.

Figura 37: Sensor de Vazo tipo Turbina.

O movimento da hlice captado por um sensor de efeito Hall. Um m permanente encaixado no corpo do rotor, cada vez que uma lmina da turbina passa pelo polo do sensor, a reduo da relutncia altera a permeabilidade do circuito magntico produzindo um pulso de tenso no terminal de sada. A frequncia deste pulso proporcional velocidade de escoamento do fluido.

4.3 Medidores de Vazo Magnticos:

Este elemento sensor se baseia na lei de Faraday do eletromagnetismo, que afirma o seguinte: a tenso induzida atravs de qualquer condutor, ao mover-se perpendicularmente entre um campo magntico proporcional a velocidade do condutor.

E = B.L.V, onde

E: tenso gerada por um condutor;

B: densidade do campo magntico;

L: distncia entre os eletrodos e

V: velocidade de escoamento.

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O campo magntico provocado por um eletrom ou par de bobinas alimentada por fonte de corrente alternada. Dois eletrodos so colocados nas paredes do medidor que revestido por um material isolante (normalmente teflon). De acordo com a lei de Faraday, quando o fludo atravessar o medidor cortando as linhas do fluxo magntico, uma pequena tenso ser induzida entre os eletrodos sendo proporcional ao movimento do fludo.

Figura 38: Medio de Vazo por Campo Magntico.

O conduto deve ser de vidro ou de algum material no condutor. Os eletrodos na superfcie interna do conduto fazem contato direto com o fluido. A tenso de sada muito baixa, por isso deve haver um transdutor/amplificador.

Figura 39: Sensores de Vazo Magnticos.

4.4 Medidores de Vazo Ultrassnicos:

Um medidor de vazo ultrassnico utiliza o efeito da diferena do tempo de propagao, o chamado tempo de trnsito, de pulsos ultrassnicos para a determinao da varivel medida. Este princpio mede o efeito da velocidade do fluxo de um lquido atravs sinais acsticos bidirecionais. Os transdutores so normalmente instalados com um ngulo entre 30 e 45 (Figura 40) e so instalados montante do fluxo, que emite um sinal para um transdutor instalado jusante do fluxo que, por sua vez, emite um sinal em sentido contrrio. Quanto maior a vazo do fluido maior ser o tempo de trnsito entre os pulsos ultrassnicos.

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Figura 40: Medio Ultrassnica de Vazo. Figura 41: Instrumento Sensor Ultrassnico.

4.5 Medidores de Vazo Doppler

Este tipo de sensor tambm se baseia na emisso e reflexo de ondas sonoras. O efeito Doppler bastante notvel quando se observam veculos em movimento. fcil reparar que quando o veculo se aproxima, o som que este produz sempre mais agudo do que quando o veculo se afasta, como apresenta a figura abaixo. Isto ocorre pois a velocidade do veculo altera a frequncia das ondas sonoras produzidas.

Figura 42: Efeito Doppler.

Este princpio utilizado para a medio de vazo em fluidos que apresentam partculas slidas, ou impurezas. Uma onda de ultrassom emitida pelo emissor do sensor e refletida pelas partculas contidas no fluido. Devido ao movimento do fluido com relao ao elemento sensor, e, considerando que o som espalhado se move com o fluido, a frequncia da onda sonora recebida diferente da onda sonora emitida. Este desvio de frequncia diretamente proporcional vazo do fluido.

As figuras a seguir apresentam duas formas de utilizar este princpio, atravs de uma onda contnua que atravessa o fluido e atravs de uma onda refletida pelas partculas slidas contidas no fluido.

Figura 43: Sistema Doppler de Onda Contnua. Figura 44: Sistema Doppler Pulstil.

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Na figura abaixo ilustrado um medidor por efeito Doppler, com seu elemento emissor e receptor, com as ondas sonoras refletidas pelos particulados no fluido. Ao invs de emisso de ondas sonoras, existem tambm dispositivos que se baseiam na emisso e recepo de laser, seguindo o mesmo princpio do efeito Doppler.

Figura 45: Medidor por efeito Doppler.

4.6 Rotmetro

um dispositivo de medio direta de vazo utilizado em lquidos e gases. Possui escala aproximadamente linear, preciso em torno de 15% e no necessita de trecho reto em sua instalao, pois no sofre influncia da turbulncia do fluido.

constitudo de um tubo cnico, geralmente de vidro, contendo um flutuador que pode se mover livremente no sentido vertical. A posio do flutuador indicada em uma escala graduada de acordo com a vazo, como ilustrado abaixo.

Figura 46: Rotmetro.

4.7 Medidor Coriolis

construda por tubos pequenos, por onde o fluxo deslocado. Pelo princpio de Coriolis, uma partcula em movimento linear, mas sobre uma superfcie em movimento circular, tende a modificar a sua trajetria. Nos medidores por efeito Coriolis, esta mudana na trajetria sentida como uma fora exercida nas paredes dos tubos, que proporcional vazo do fluido em questo.

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Figura 47: Instrumento medidor de Coriolis.

Existem dois tipos, o rotativo e o vibratrio. O medidor rotativo consiste em dois tubos em forma de U que so postos em rotao a uma velocidade angular constante. O fluxo dividido de forma a passar pelos dois tubos, o que causa uma deformao nestes tubos. O medidor vibratrio no gira. Os tubos vibram com frequncia f em sentidos opostos. Em cada tubo aparecer uma toro, que estar no inverso um do outro, provocando alterao na distncia entre os tubos. Essa distncia pode ser medida por sensores de proximidade de preciso. Os medidores vibratrios so os mais usados na indstria, por ocuparem menos espao e por oferecerem maior exatido na medida. Os tubos podem ter formas diversas, existindo inclusive tubos em espiral.

4.8 Vortex

Este medidor pode ser utilizado para a medio de vapor, gases e lquidos. O princpio de funcionamento est baseado na disperso do vortex provocado pela colocao de um obstculo na passagem da vazo. Se o obstculo possui uma geometria abrupta, com perfil no suave, o fluido no pode seguir seu contorno e h o aparecimento de um vortex, ou seja, de um vrtice, ou escoamento giratrio. O vortex disperso em uma frequncia diretamente proporcional velocidade e, portanto, vazo do fluido.

Outro princpio do medidor vortex aquele que considera o diferencial de presso em torno do obstculo, que provoca o vortex. Depois do obstculo a velocidade diminui e a presso aumenta.

Figura 48: Medidor de vazo Vortex.

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4.9 Comparao entre alguns tipos de sensores

Para se ter uma ideia inicial de aplicaes, na tabela abaixo, uma pequena comparao entre alguns dos sensores apresentados mostrada.

Medidor de Vazo Perda de Presso

Exatido (% fundo de escala)

Efeito da Viscosidade

Custo

Presso Diferencial

Mdia 0,5 a 3 Alto Baixo

Turbina Alta 0,1 a 1 Alto Alto

Eletromagntico Nenhuma 0,2 a 1 Nenhum Alto

Ultrassnico Nenhuma - Nenhum Alto

Doppler Nenhuma 1 a 5 Nenhum Alto

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5 Instrumentos de Medio de Temperatura

A medida da temperatura extremamente importante na indstria. Sua medida no pode ser feita diretamente. Para realizar a medida desta grandeza deve-se empregar algum fenmeno fsico, como a dilatao trmica, ou alterao da resistncia de um material, por exemplo.

Unidades de temperatura. Existem trs unidades principais de medida de temperatura: Celsius (C), Fahrenheit (F) e Kelvin (K), sendo Kelvin a escala definida no SI. A converso entre estas unidades de medida devem ser feitas seguindo a equao abaixo:

Existem vrios meios e instrumentos de medio de temperatura, tais como, termmetros de dilatao de lquido, termmetros presso de gs e de vapor, termmetros dilatao de slidos, termopares, termorresistores, termistores, pirmetros de radiao, pirmetros pticos, entre outros. Neste catulo sero vistos somente alguns destes instrumentos.

5.1 Termopares

O princpio utilizado pelos termopares para a realizao da medio de temperatura denominado de tenso termoeltrica de Seebeck. Esta tenso surge ao se unir as extremidades de dois metais diferentes, como na Figura 49, e submeter as duas junes a temperaturas diferentes.

Figura 49: Efeito Seebeck.

Devido aos diferentes tipos de metais utilizados existem diversos tipos de termopares, como ser visto no decorrer desta seo. Uma conseqncia imediata do efeito Seebeck o fato de que, conhecida a temperatura de uma das junes pode-se, atravs da tenso produzida, saber a temperatura da outra juno.

Os termopares so dispositivos eltricos com larga aplicao para medio de temperatura. So baratos, podem medir uma vasta gama de temperaturas. A sua maior limitao a exatido, uma vez que erros inferiores a 1C so difceis de obter.

Figura 50: Juno dos metais.

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Os termopares disponveis no mercado tm os mais diversos formatos, desde os modelos com a juno a descoberto que tm baixo custo e proporcionam tempo de resposta rpido, at os modelos que esto incorporados em sondas. Esto disponveis uma grande variedade de sondas, adequadas para diferentes aplicaes (industriais, cientficas, investigao mdica, etc.).

Quando se procede escolha de um termopar deve-se ponderar qual o mais adequado para a aplicao desejada, segundo as caractersticas de cada tipo de termopar, tais como a gama de temperaturas suportada, a exatido e a confiabilidade das leituras, entre outras.

Tambm deve-se levar em considerao, alm da especificao do tipo de liga, a construo fsica do termopar. Para cada processo necessrio uma construo fsica especfica, j que alguns processos agridem o material utilizado. Desta forma, imprescindvel que na especificao do termopar, alm da liga, seja levada em considerao sua construo fsica externa.

Na maioria das aplicaes industriais de medio de temperatura, atravs de termopares, o elemento sensor no se encontra junto ao instrumento receptor. Nestas condies torna-se necessrio que o instrumento seja ligado ao termopar, atravs de fios que possuam uma curva de fora eletromotriz em funo da temperatura similar aquela do termopar, afim de que no instrumento possa ser efetuada a correo na junta de referncia. Chama-se de fios ou cabos de extenso aqueles fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam, exemplo: tipo TX, JX, EX e KX, onde a primeira letra identifica o tipo de termopar. Os fios e cabos de extenso e compensao so recomendados na maioria dos casos para utilizao desde a temperatura ambiente at um limite mximo de 200 C.

Figura 51: Termopares.

Geralmente na aplicao industrial, necessrio que o termopar e o instrumento encontrem-se relativamente afastados, por no convir que o aparelho esteja demasiadamente prximo ao local onde se mede a temperatura. Nestas circunstncias deve-se, processar a ligao entre os terminais do cabeote e o aparelho, atravs de fios de extenso ou compensao. Tal, procedimento executado sem problemas desde que, o cabeote onde esto os terminais do termopar e o registrador, estejam mesma temperatura de medio. Caso contrrio, erros de leitura ocorrero, bem como se cabos estiverem cruzados.

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Figura 52: Ligao Correta do Termopar com Cabo de Extenso.

Os termopares podem ser divididos basicamente em trs grupos bsicos, que dependem dos tipos de metais empregados:

Termopares Bsicos:

So assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios so de custo relativamente baixo e sua aplicao admite incertezas maiores.

Tipo K (Cromel/Alumel): O termopar tipo K um termopar de uso genrico. Tem um baixo custo, alta resistencia oxidao e devido sua popularidade esto disponveis variadas sondas. Cobrem temperaturas entre os -200 e os 1200C, tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41V/C.

o Termoelemento positivo (KP): Ni90%Cr10% (Cromel) o Termoelemento negativo (KN): Ni95%Mn2%Si1%Al2% (Alumel) o Faixa de utilizao: -270 C a 1200 C o f.e.m. produzida: -6,458 mV a 48,838 mV

Tipo E (Cromel/ Constantan): Este termopar tem uma elevada sensibilidade (68 V/C) que o torna adequado para baixas temperaturas.

o Termoelemento positivo (EP): Ni90%Cr10% (Cromel) o Termoelemento negativo (EN): Cu55%Ni45% (Constantan) o Faixa de utilizao: -270 C a 1000 C o f.e.m. produzida: -9,835 mV a 76,373 mV

Tipo J (Ferro/Constantan): A sua gama limitada (-40 a 750C) a responsvel pela sua menor popularidade em relao ao tipo K. Aplica-se sobretudo com equipamento j velho que no compatvel com termopares mais modernos. A utilizao do tipo J acima dos 760C leva a uma transformao magntica abrupta que lhe estraga a calibrao. Podem ser usados no vcuo, em atmosferas oxidantes, redutoras e inertes

o Termoelemento positivo (JP): Fe99,5% o Termoelemento negativo (JN): Cu55%Ni45% (Constantan) o Faixa de utilizao: -210 C a 760 C o f.e.m. produzida: -8,096 mV a 42,919 mV

Tipo T (Cobre / Constantan): dos termopares mais indicados para medies na gama dos -270 a 400C. Estes termopares podem ser usados em atmosferas oxidantes (exceto oxignio), inertes (neutras), redutoras (hidrognio e monxido de carbono), e no vcuo.

o Termoelemento positivo (TP): Cu100% o Termoelemento negativo (TN): Cu55%Ni45% (Constantan) o Faixa de utilizao: -270 C a 400 C o f.e.m. produzida: -6,258 mV a 20,872 mV

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Termopares Nobres:

So aqueles que os pares so constitudos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido baixa potncia termoeltrica, apresentam pequenas incertezas, dada a homogeneidade e pureza dos fios dos termopares.

Tipo B (Platina/Rdio-Platina): Os termopares tipo B, R e S apresentam caractersticas semelhantes. So dos termopares mais estveis, contudo, devido sua reduzida sensibilidade (da ordem dos 10 V/C), utilizam-se apenas para medir temperaturas acima dos 300 C. Note-se que devido reduzida sensibilidade destes termopares, a sua resoluo de medida tambm reduzida.

Adequado para medio de temperaturas at aos 1800C. Contra aquilo que habitual nos outros termopares, este origina a mesma tenso na sada a 0 e a 42C, o que impede a sua utilizao abaixo dos 50 C. Em compensao, utiliza cabos de extenso de cobre comum desde que a sua conexo com o termopar esteja neste intervalo (0C a 50C). Os demais termopares necessitam de cabos de ligao com o mesmo material do termopar, sob o risco de formarem com o cobre um "outro termopar", se a conexo estiver a temperatura diferente do instrumento de processamento do sinal (p.ex. transmissor).

o Termoelemento positivo (BP): Pt70,4%Rh29,6% (Rdio-Platina) o Termoelemento negativo (BN): Pt93,9%Rh6,1% (Rdio-Platina) o Faixa de utilizao: 0 C a 1820 C o f.e.m. produzida: 0,000 mV a 13,820 mV

Tipo R (Platina/Rdio-Platina): Adequado para medio de temperaturas at aos 1600C. Reduzida sensibilidade (10 V/C) e custo elevado. Seu uso est em indstria de vidro, cermicas, entre outras.

o Termoelemento positivo (RP): Pt87%Rh13% (Rdio-Platina) o Termoelemento negativo (RN): Pt100% o Faixa de utilizao: -50 C a 1768 C o f.e.m. produzida: -0,226 mV a 21,101 mV

Tipo S (Platina/Rdio-Platina): Adequado para medio de temperaturas at aos 1600C. Reduzida sensibilidade (10 V/C), elevada estabilidade e custo elevado. o mais usado entre os termopares nobres, por sua faixa de temperatura e preciso de leitura

o Termoelemento positivo (SP): Pt90%Rh10% (Rdio-Platina) o Termoelemento negativo (SN): Pt100% o Faixa de utilizao: -50 C a 1768 C o f.e.m. produzida: -0,236 mV a 18,693 mV

Termopares Especiais:

Os tipos de termopares produzidos oferecem, cada qual, uma caracterstica especial, porm, apresentam restries de aplicao, que devem ser consideradas. Novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender as condies de processo onde os termopares bsicos no podem ser utilizados.

Tipo N (Nicrosil/Nisil): A sua elevada estabilidade e resistncia oxidao a altas temperaturas tornam o tipo N adequado para medies a temperaturas elevadas, sem recorrer aos termopares que incorporam platina na sua constituio (tipos B, R e S). Foi desenhado para ser uma evoluo do tipo K. Sua faixa igual ao termopar K, porm com a vantagem de ter estabilidade, resistente corroso e maior vida til no processo.

TIPO C (Tungstnio/Rhnio): Esses termopares podem ser usados continuamente at 2300 C e por curto perodo at 2750 C.

60% Irdio, 40% Rhdio/Irdio: Esses termopares podem ser utilizados por perodos limitados at 2000 C.

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60% Platina, 40% Rhdio / 20% Platina, 80% Rhdio: Esses termopares so utilizados em substituio ao tipo B onde temperaturas um pouco mais elevadas so requeridas. Podem ser usados continuamente at 1600 C e por curto perodo at 1850 C.

Ouro-Ferro / Chromel - Esses termopares so desenvolvidos para trabalhar em temperaturas criognicas (abaixo de -150C).

5.2 Termoresistncia

Uma termoresistncia (RTD do ingls Resistance Temperature Detector) um instrumento que permite conhecer a temperatura do meio ambiente, recorrendo relao entre a resistncia eltrica de um material e a sua temperatura. A maior parte das termoresistncias feita de platina, mas so tambm utilizados outros materiais, como, por exemplo, o nquel. Por norma, quando se fala de uma termorresistncia ela identificada pelo material que a constitui e pela resistncia que apresenta a 0C. Por exemplo, um Pt-100 ser uma termoresistncia de platina que a 0C apresenta uma resistncia de 100, ao passo que uma Ni-500 ser uma termoresistncia de nquel que a 0C apresenta uma resistncia de 500.

So sensores lineares, de alta preciso e excelente repetibilidade de leitura. Sua faixa de utilizao padro vai de -200 a 850C. Devido a essas caractersticas so utilizados em diversos setores como: laboratrios, farmacutica, petroqumica, alimentcia e outros.

Figura 53: Termoresistncias.

Vantagens da Termorresistncia em Relao ao Termopar: a) Possuem maior preciso dentro da faixa de utilizao do que outros tipos de

sensores;

b) Tm caractersticas de estabilidade e repetibilidade melhores do que os termopares;

c) Com ligao adequada, no existe limitao para distncia de operao;

d) Dispensa o uso de fios e cabos de extenso e compensao para ligao, sendo necessrios somente fios de cobre comuns.

e) Se adequadamente protegido (poos e tubos de proteo), permite a utilizao em qualquer ambiente.

f) Curva de resistncia X temperatura mais linear;

g) Menos influncia por rudos eltricos.

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Para a conexo de um termopar, deve ser inserido um circuito de medio. Em muitos casos este circuito feito utilizando-se uma ponte de Wheatstone.

O mtodo de ligao a dois fios, somente deve ser usado quando o sensor estiver uma distncia pequena, pois neste tipo de medio a 2 fios, sempre que a temperatura ambiente ao longo dos fios de ligao variar, a leitura de temperatura do medidor introduzir um erro, devido a variao da resistncia de linha.

Figura 54: Esquema bsico de Ligao 2 Fios.

No mtodo de ligao a trs fios, a configurao eltrica um pouco diferente, fazendo com que a alimentao fique o mais prximo possvel do sensor, permitindo que a RL1 passe para o outro brao da ponte, balanceando o circuito. Na ligao a 2 fios, as resistncias de linha so ligadas em srie com o sensor, j na ligao a 3 fios elas so separadas.

Figura 55: bsico de Ligao 3 Fios.

Nesta situao, tem-se a tenso EAB, variando linearmente em funo da temperatura do PT-100 e independente da variao da temperatura ambiente ao longo dos fios de ligao. Este tipo de ligao garante relativa preciso mesmo com grandes distncias entre elemento sensor e circuito de medio.

5.3 Termistores

Alm dos termoresistores j apresentados temos ainda um segundo seguimento de sensores sob variao de resistncia, que so chamados de termistores, os tipos PTC e NTC, fabricados de material semicondutor, tais como xido de nquel, cobalto, ou magnsio e sulfeto de ferro, alumnio ou cobre.

NTC (do ingls Negative Temperature Coefficient) - termstores cujo coeficiente de variao de resistncia com a temperatura negativo: a resistncia diminui com o aumento da temperatura.

PTC (do ingls Positive Temperature Coefficient) - termstores cujo coeficiente de variao de resistncia com a temperatura positivo: a resistncia aumenta com o aumento da temperatura.

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Figura 56: Termistores PTC e NTC.

Estes podem servir de proteo contra sobreaquecimento, limitando a corrente eltrica quando determinada temperatura ultrapassada. Outra aplicao, nvel industrial, a medio de temperatura em motores, por exemplo, pois com o termstor podemos obter uma variao de uma grandeza eltrica em funo da temperatura a que este se encontra.

5.4 Termmetro Infravermelho

Esses sensores se baseiam no fato de que qualquer corpo emite uma radiao devido a sua temperatura. Com isso, detectando esta radiao pode-se conhecer a temperatura de determinado objeto. Estes sensores possuem rpido tempo de resposta e no possui contato com o processo. A figura abaixo apresenta duas formas de construo destes sensores.

Figura 57: Termmetros infravermelho.

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6 Bibliografia

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Lathi, B. P. (2007). Sinais e Sistemas Lineares. Porto Alegre: Bookman.

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Ribeiro, M. A. (2005). Instrumentao. Salvador.

Tooley, M. (2007). Cicuitos Eletrnicos: Fundamentos e Aplicaes. Rio de Janeiro: Elsevier.

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7 Anexo A Unidades de Medida

Presso: se baseia em unidades de presso por unidades de rea, ou mesmo deslocamento de fluidos, como mercrio ou gua.

Pa: Pascal. (Sistema Internacional.)

N/m2: Newton por metro quadrado. (1 Pa = 1 N/m2.)

ATM: Atmosfera.

mmHG: Milmetros de mercrio.

Kgf/cm2: Quilograma fora por centmetro quadrado.

mc.a.: Metro de coluna de gua.

PSI: libra fora por polegada quadrada, conhecida somente como libras. Ba: Bria (dina/cm2, dina: unidade de fora).

Bar: mltiplo da Bria.

Nvel: mesma unidade de comprimento, ou distncia.

m: metros. (Sistema Internacional.)

Vazo: pode ser considerada como velocidade de um fluido em uma tubulao, volume de escoamento do fluido por unidade de tempo (vazo volumtrica), ou massa de escoamento por unidade de tempo (vazo mssica).

m/s: metros por segundo.

l/s: litros por segundo.

m3/s: metros cbicos por segundo. (Sistema Internacional.)

kg/s: quilogramas por segundo.

Temperatura:

C: graus clsius.

F: graus fahrenheit.

K: Kelvin. (Sistema Internacional.)