apostila de instrumentação industrial - senai.pdf

Universidade do Sul de Santa Catarina – UNISUL Curso: Tecnólogo em Eletroeletrônica Disciplina: Instrumentação Industrial Semestre curricular: 2005/A Professor: Edcarlo da Conceição

Apostila Instrumentação industrial

Tubarão, Fevereiro de 2005.

Revisão 2

Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 2

1 - Introdução à Instrumentação

INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais.

Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveis de um processo.

1.1 - Classificação de Instrumentos de Medição

Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os quais podemos ter:

Classificação por: • função • sinal transmitido ou suprimento • tipo de sinal

1.2 - Classificação por Função

Conforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função.

Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados por função cuja descrição sucinta pode ser liga na tabela abaixo.

INSTRUMENTO DEFINIÇÃO


1.3 - Funções de Instrumentos

Podemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo com a função que desempenham no processo.

Indicador: Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na

qual podemos ler o valor da variável. Existem, também, os indicadores digitais que mostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas. A figura 1.3 ilustra dois tipos de indicadores.

Figura 1.3 – Tipos de indicadores analógico e digital

Registrador: Instrumento que registra a traço contínuo ou pontos em um gráfico.

Alguns destes registradores podem ser vistos na figura 1.4.

Figura 1.4 – Alguns tipos de registradores Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma variável no processo

através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo. A figura 1.5 mostra alguns transmissores típicos.


Figura 1.5 – Transmissores de pressão diferencial e de temperatura

Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais

quantidades físicas, modifica, caso necessário, estas informações e fornece um sinal de saída resultante. Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro dispositivo. O conversor é um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinais de entrada e saída padronizados.

Figura 1.6 – Tipos de transdutores

Controlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valor

desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida diretamente pelo controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor.

Figura 1.7 – Alguns tipos de controladores Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da

variável manipulada de uma malha de controle.

Figura 1.8 – Elementos finais de controle


1.4.1. Transmissores

Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e a

transmitem, à distância, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador ou a uma combinação destes.

Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos, hidráulicos e eletrônicos.

1.4.1.1. Transmissão Pneumática

Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável,

linear, de 3 a 15 psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas de 0 a 100 % da variável. Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatur Makers Association), Associação de Fabricantes de Instrumentos, e pela maioria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas de sinais de transmissão. Por exemplo: de 20 a 100 kPa.

Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, utilizam-se as faixas de

0,2 a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15 psi. O alcance do sinal no sistema métrico é, aproximadamente, 5 % menor que o

sinal de 3 a 15 psi. Este é um dos motivos pelos quais devemos calibrar os instrumentos de uma malha (transmissor, controlador, elemento final de controle, etc.) sempre utilizando uma mesma norma.

Note que o valor mínimo do sinal pneumático também não é zero, e sim, 3 psi ou 0,2 kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente o instrumento, comprovando sua correta calibração e detectando vazamentos de ar nas linhas de transmissão.

Percebe-se que, se tivéssemos um transmissor pneumático de temperatura de range de 0 a 200°C e o mesmo tivesse com o bulbo a 0°C e um sinal de saída de 1 psi, este estaria descalibrado.

Se o valor mínimo de saída fosse 0 psi, não seria possível fazermos esta comparação rapidamente. Para que pudéssemos detectá-lo, teríamos de esperar um aumento de temperatura para que tivéssemos um sinal de saída maior que 0 (o qual seria incorreto).

1.4.1.2. Transmissão Eletrônica

Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os

mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discrepâncias nos sinais de saída entre diferentes fabricantes, porque estes instrumentos estão preparados para uma fácil mudança do seu sinal de saída.

A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15 psi

de um sinal pneumático.


O "zero vivo" utilizado, quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a vantagem também de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios, por exemplo), que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo.

1.4.1.3. Protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer)

É um sistema que combina o padrão 4 a 20 mA com a comunicação digital. É um

sistema a dois fios com taxa de comunicação de 1200 bits/s (BPS) e modulação FSK (Frequency Shift Keying). O Hart é baseado no sistema mestre escravo, permitindo a existência de dois mestres na rede simultaneamente.

As vantagens do protocolo Hart são as seguintes: · Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunicação digital. · Usa o mesmo tipo de cabo utilizado na instrumentação analógica. · Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes. As desvantagens são que existe uma limitação quanto à velocidade de

transmissão das informações e a falta de economia de cabeamento (precisa-se de um par de fios para cada instrumento).

1.4.1.4. Fieldbus

É um sistema de comunicação digital bidirecional, que interliga equipamentos

inteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipamentos localizados na sala de controle, conforme mostra a Figura 1.10.

Este padrão permite comunicação entre uma variedade de equipamentos, tais

como: transmissores, válvulas, controladores, CLPs, etc. Estes podem ser de fabricantes diferentes (Interoperabilidade) e ter controle distribuído (cada instrumento tem a capacidade de processar um sinal recebido e enviar informações a outros instrumentos para correção de uma variável: pressão, vazão, temperatura, etc.).

Uma grande vantagem é a redução do número de cabos do controlador aos instrumentos de campo, ou seja, apenas um par de fios é o suficiente para a interligação de uma rede fieldbus.


Figura 1.10 – Sistema Fieldbus

1.5 - Sensores

Os sensores são transdutores eletrônicos que geram um sinal de saída quando um objeto é introduzido em seu campo de atuação.

Os sensores surgiram para auxiliar nas automatizações de máquinas e equipamentos, substituindo as chaves de acionamento mecânico dando maior versatilidade e durabilidade às aplicações. 1.6 - Tipos de Sensores

- Indutivos - Capacitivos - Magnéticos - Fotoelétricos - Ultra-sônicos - Laser

2- Sensores de Proximidade Indutivo

Os sensores de proximidade indutivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a proximação de peças, componentes, elementos de máquinas, etc, em substituição as tradicionais chaves fim de curso. A detecção ocorre sem que haja o contato físico entre o acionador e o sensor, aumentando a vida útil do sensor por não possuir peças móveis sujeitas a desgastes mecânicos. Os sensores Indutivos são sensores de proximidade, ou seja, geram um sinal de saída quando um objeto metálico (aço, alumínio, cobre, latão, etc) entra na sua área de detecção, vindo de qualquer direção, sem que seja necessário o contato físico.


2.1 - Princípio de Funcionamento

Figura 1 - Sensor de proximidade indutivo

A bobina faz parte de um circuito oscilador que em condição normal (desacionada) gera um sinal senoidal. Quando um metal aproxima-se do campo, este por correntes de superfície (Foucault), absorve a energia do campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado no oscilador.

A variação de amplitude deste sinal é convertida em uma variação contínua que comparada com um valor padrão, passa a atuar no estágio de saída. 2.2 - Face Sensora

É a superfície onde emerge o campo eletromagnético. 2.3 - Distância Sensora (S)

É à distância em que se aproximando o acionador da face sensora, o sensor muda o estado da saída. 2.4 - Distância de Acionamento

À distância de acionamento é função do tamanho da bobina. Assim, não podemos especificar a distância sensora e o tamanho do sensor simultaneamente. 2.5 - Distância Sensora Nominal (Sn)

É à distância sensora teórica, a qual utiliza um alvo padrão como acionador e não considera as variações causadas pela industrialização temperatura de operação e tensão de alimentação. E o valor em que os sensores de proximidade são especificados.

Como utiliza o alvo padrão metálico, a distância sensora nominal informa também a máxima distância que o sensor pode operar. 2.6 - Distância Sensora Real

Valor influenciado pela industrialização, especificado em temperatura ambiente (20o C) e tensão nominal, desvio de 10%:


2.7 - Distância Sensora Efetiva

Valor influenciado pela temp. de operação, possui um desvio máximo de 10% sobre a distância sensora real. 2.8 - Distância Sensora Operacional (Sa)

É à distância em que seguramente pode-se operar, considerando-se todas as variações de industrialização, temperatura e tensão de alimentação. 2.9 - Alvo Padrão (Norma DIN 50010)

É um acionador normalizado utilizado para calibrar a distância sensora nominal durante o processo de fabricação do sensor. Consiste de uma chapa de aço de um mm de espessura, formato quadrado. 0 lado deste quadrado é iqual ao diâmetro do circulo da face sensora ou 3 vezes a distância sensora nominal quando o resultado for maior que o anterior. 2.10 - Material do Acionador

À distância sensora operacional varia ainda com o tipo de metal, ou seja, é especificada para o ferro ou aço e necessita ser multiplicada por um fator de redução.

Material Fator Aço (St 37) 1

Latão 0,35 0,5 Cobre 0,25...0,45

Alumínio 0,35...0,50 Aço inoxidável 0,6...1

2.11 - Histerese

É a diferença entre o ponto de acionamento (quando o alvo metálico aproxima-se da face sensora) e o ponto de desacionamento (quando o alvo afasta-se do sensor). Este valor é importante, pois garante uma diferença entre o ponto de acionamento e desacionamento, evitando que em uma possível vibração do sensor ou acionador, a saída oscile.


Figura 2 - Histerese em sensores 2.12 - Embutido (blindado)

Este tipo de sensor tem o campo eletromagnético emergindo apenas na face sensora e permite que seja montado em uma superfície metálica. 2.13 - Não embutido (não blindado)

Neste tipo o campo eletromagnético emerge também na superfície lateral da face sensora, sensível a presença de metal ao seu redor.

Figura 3 - Sensores embutido (direita) e não embutido (esquerda)

2.14 - Freqüência de Comutação

A freqüência de comutação é o máximo número de acionamentos por segundo (Hz).

Figura 4 - Freqüência de comutação

2.15 - Aplicações

Os sensores indutivos substituem com muitas vantagens as chaves fim de curso. Abaixo visuliza-se algumas das aplicações.


Posição por cames controle de rotação e sentido

Controle por transfer controlde de posição

controle do número de peças posição de comportas

Figura 5 - Algumas das aplicações dos sensores indutivos

2.16 - Vantagens

- Funcionam em condições ambientais extremas. - Acionamento sem contato físico. - Saída em estado sólido. (PNP ou NPN). - Alta durabilidade quando bem aplicado.

3 - SENSORES DE PROXIMIDADE CAPACITIVOS

Os sensores de proximidade capacitivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a presença ou aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, líquidos, madeiras, papéis, metais, etc.

Os sensores Capacitivos são semelhantes aos Indutivos, porém sua diferença básica é exatamente no princípio de funcionamento, o qual baseia-se na mudança da capacitância da placa detectora localizada na região denominada face sensível do sensor.

Estes sensores podem detectar praticamente qualquer tipo de material, por exemplo, Metais, madeira, plásticos, vidros, granulados, pós-minerais tipo cimento, talco, etc. Os líquidos de maneira geral são ótimos acionadores para os sensores capacitivos.


3.1 - Principio de Funcionamento

O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor.

O capacitor é formado por duas placas metálicas, carregadas com cargas elétricas opostas, montadas na face sensora, de forma a projetar o campo elétrico para fora do sensor, formando desta forma um capacitor que possui como dielétrico o ar.

Figura 6 - Princípio de funcionamento

Quando um material aproxima-se da face sensora, ou seja, do campo elétrico o dielétrico do meio se altera, alterando também o dielétrico do capacitor frontal do sensor. Como o oscilador do sensor é controlado pelo capacitor frontal, quando aproximamos um material a capacitância também se altera, provocando uma mudança no circuito oscilador. Esta variação é convertida em um sinal contínuo que comparado com um valor padrão passa a atuar no estágio de saída.

Figura 7- Diagrama em blocos dos elementos do sensor 3.2 - Face sensora

É a superfície onde emerge o campo elétrico. É importante notar que os modelos não embutidos, com região sensora lateral, são sensíveis aos materiais a sua volta.


Figura 8 - Face sensora do embutido e do não embutido

3.3 - Distância Sensora Nominal(Sn)

É à distância sensora teórica a qual utiliza um alvo padrão como acionador e não considera as variações causadas pela industrialização temperatura de operação e tensão de alimentação. E a distância em que os sensores são especificados. 3.4 - Alvo Padrão

À distância sensora nos capacitivos são especificados para o acionador metálico de aço SAE 1020 quadrado, com lado igual a três vezes a distância sensora para os modelos não embutidos (na grande maioria) e em alguns poucos casos de sensores capacitivos embutidos utiliza-se o lado do quadrado igual ao diâmetro do sensor. 3.5 - Distância Sensora Efetiva (Su)

Valor influenciado pela industrialização e considera as variações causadas pela temperatura de operação. 3.6 - Distância Sensora Operacional (Sa)

É a distância que observamos na prática, sendo considerados os fatores de industrialização (81% Sn) e um fator que é proporcional ao dielétrico do material a ser detectado, pois o sensor capacitivo reduz sua distância quanto menor o dielétrico do acionador.

Sa = 0,81 . Sn . F(εr)


3.7 - Material a ser Detectado

A tabela abaixo indica o dielétrico dos principais materiais, para efeito de comparação; sendo indicado sempre um teste prático para determinação da distância sensora efetiva para o acionador utilizado. Deve-se, no entanto considerar que em caso de materiais orgânicos deve-se considerar a que a distância de detecção está fortemente influenciada pela presença de água.

Material εεεεr

ar, vácuo 1 óleo, papel, petróleo, poliuretano, parafina,

silicone, teflon 2 a 3

araldite, baquelite, quartzo, madeiras 3 a 4 vidro, papel grosso, borracha, porcelana 4 a 5

mármore, pedras, madeiras pesadas 6 a 8 álcool 26 água 80

3.8 - Ajuste de sensibilidade

O ajuste de sensibilidade presta-se principalmente para diminuir a influência do acionamento lateral no sensor, diminuindo-se a distância sensora. Permite ainda que se detecte alguns materiais dentro de outros, como por exemplo: Iíquidos dentro de garrafas ou reservatórios com visores de vidro, pós dentro de embalagens, ou fluidos em canos ou mangueiras plásticas.


Figura 9 – Ajuste de sensibilidade

Deve se tomar em conta de que existe a possibilidade de que se o detector está

regulado de maneira muito sensível, que este seja influenciado por uma modificação do meio (temperatura, umidades, ou poluição). 3.9 - Aplicações

Pode-se destacar que os sensores capacitivos são mais versáteis do que os indutivos, porem podemos ressaltar que são mais sensível a perturbações externas o que torna mais atraente usar os sensores indutivos se existem metais a serem detectados.

Controle de nível detecção de ruptura de fio

sinalização de corte de esteira controle de nível de garrafas

controle de tensão em esteira Contador e controle de nível

Figura 10 - Aplicações de sensores capacitivos


3.10 - Vantagens

- Detectam praticamente todos os tipos de materiais. - Acionamento sem contato físico. - Saída em estado sólido. - Alta durabilidade quando bem aplicado.

4 - SENSORES ÓTICOS

Os sensores fotoelétricos, também conhecidos por sensores ópticos, manipulam a luz de forma a detectar a presença do acionador, que na maioria das aplicações é o próprio produto. 4.1 - Princípio de Funcionamento

Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha (invisível ao ser humano), que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado.

Os fotoelétricos são compostos por dois circuitos básicos: um responsável pela emissão do feixe de luz, denominado transmissor e outro responsável pela recepção do feixe de luz, denominado receptor.

Os Sensores Ópticos funcionam pelo princípio de emissão e recepção de feixes de luz modulada e são divididos em 3 princípios distintos: Sistema por Óticas alinhadas, Difusão e Sistema Reflectivo.

Figura 11 - Princípio de funcionamento dos sensores fotoelétricos

O transmissor envia o feixe de luz através de um fotodiodo, que emite flashes, com alta potência e curta duração, para evitar que o receptor confunda a luz emitida pelo transmissor com a iluminação ambiente.

O receptor é composto por um fototransistor sensível a luz, que em conjunto com um filtro sintonizado na mesma freqüência de pulsação dos flashes do transmissor, faz com que o receptor compreenda somente a luz vinda do transmissor.

4.2 - Sistema por Barreira

O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos um frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do


transmissor. O acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper o feixe de luz.

Figura 12 - Sistema por barreira

4.2.1 - Distância Sensora Nominal(Sn)

À distância sensora nominal (Sn) para o sistema por barreira é especificada como sendo a máxima distância entre o transmissor e o receptor, o que não impede o conjunto de operar com distâncias menores. 4.2.2 - Dimensões Mínimas do Objeto

Quando um objeto possui dimensões menores que as mínimas recomendadas, o feixe de luz contorna o objeto e atinge o receptor, que não acusa o acionamento. Nestes casos devem-se utilizar sensores com distância sensora menor e conseqüentemente permitem a detecção de objetos menores.

Figura 13 - Dimensão insuficiente para ser detectada

4.3 - Sistema por Difusão Óptica (Fotosensor)

Neste sistema o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade. Sendo que o acionamento da saída ocorre quando a objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor.


Figura 14 - Sistema por difusão

4.3.1 - Sistema por Difusão Óptica Convergente

Neste princípio o sensor tem seu funcionamento análogo ao princípio Difuso, diferenciando-se por possuir um ponto focal, sendo, portanto muito mais preciso.

Figura 15 - Sistema por difusão convergente

4.3.2 - Sistema por Difusão Óptica Campo Fixo ( fixed-field )

Semelhante ao princípio convergente, por possuir também um único ponto focal, diferencia-se por executar a função de supressão ao plano de fundo.


Figura 16 - Sistema por difusão campo fixo

4.3.3 - Distância Sensora Nominal (Sn)

À distância sensora nominal no sistema por difusão é a máxima distância entre o sensor e o alvo padrão. 4.3.4 - Alvo Padrão

O alvo padrão no caso dos sensores por difusão é uma folha de papel fotográfico branco com índice de refletividade de 90%, com dimensões especificadas para cada modelo de sensor. Utilizado durante a industrialização para calibração da distância sensora nominal (Sn).

4.3.5 - Distância Sensora Efetiva (Su)

Valor influenciado pela industrialização e considera as variações causadas pela temperatura de operação. 4.3.6 - Distância Sensora Operacional (Sa)

Para os modelos tipo fotosensor existem vários fatores que influenciam o valor da distância sensora operacional (Sa), explicados pelas leis de reflexão de luz da física.

Sa = 0,81 . Sn . FC (cor, material, rugosidade, outros)

Abaixo apresentamos duas tabelas que exemplificam os fatores de redução em função da cor e do material do objeto a ser detectado.

Cor FC Material Fc

branco 0,95 a 1 metal polido 1,20 a 1,80 amarelo 0,90 a0,95 metal usinado 0,95 a 1,00

verde 0,80 a 0,90 papeis 0,95 a 1,00


vermelho 0,70 a 0,80 madeira 0,70 a 0,80 azul claro 0,60 a 0,70 borracha 0,40 a 0,70

violeta 0,50 a 0,60 papelão 0,50 a 0,60 preto 0,20 0,50 pano 0,50 a 0,60

Nota: Em casos onde há a necessidade da determinação exata do fator de redução deve-se fazer um teste prático, pois outros fatores podem influenciar a distância sensora, tais como: rugosidade, tonalidade, cor, dimensões, etc. Lembramos também que os fatores são acumulativos, como por exemplo: papelão (0,5) preto (0,5) gera um fator de 0,25.

4.3.7 -Zona Morta

É a área próxima ao sensor, onde não é possível a detecção do objeto, pois nesta região não existe um ângulo de reflexão da luz que chegue ao receptor. A zona morta normalmente é dada por: 10 a 20% de Sn.

Figura 17 - Zona morta onde não ha detecção

4.4 - Sistema Refletivo

Este sistema apresenta o transmissor e o receptor em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor somente após ser refletido por um espelho prismático, e o acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper este feixe.

Figura 18 - Sistema refletivo

4.4.1- Distância Sensora Nominal(Sn)


À distância sensora nominal (Sn) para o sistema refletivo é especificada como sendo a máxima distância entre o sensor e o espelho prismático, sendo possível montá-los com distância menor. Disponíveis para até 10m. 4.4.2 - Espelho Prismático

O espelho permite que o feixe de luz refletido para o receptor seja paralelo ao feixe transmitido pelo transmissor, devido às superfícies inclinadas a 45º o que não acontece quando a luz é refletida diretamente por um objeto, onde a luz se espalha em vários ângulos. À distância sensora para os modelos refletivos é função do tamanho (área de reflexão) e o tipo de espelho prismático utilizados.

Figura 19 - Funcionamento do espelho prismático 4.4.3 - Detecção de Transparentes

A detecção de objetos transparentes, tais como: garrafas de vidro, vidros planos, etc; podem ser detectados com a angulação do feixe em relação ao objeto, ou através de potenciômetros de ajuste de sensibilidade, mas sempre se aconselha um teste prático. A detecção de garrafas plásticas tipo PET, requerem sensores especiais para esta finalidade.

Figura 20 - Detecção de transparentes


4.4.4 - Detecção de Objetos Brilhantes

Quando o sistema refletivo for utilizado na detecção de objetos brilhantes ou com superfícies polidas, tais como: engradados plásticos para vasilhames, etiquetas brilhantes, etc; cuidados especiais devem ser tomados, pois o objeto neste caso pode refletir o feixe de luz. Atuando assim, como se fosse o espelho prismático, ocasionando a não interrupção do feixe, confundindo o receptor que não aciona a saída, ocasionando uma falha de detecção, para se prevenir aconselha-se utilizar um dos métodos: 4.4.4.1 - Montagem Angular

Consiste em montar o sistema sensor espelho de forma que o feixe de luz forme um ângulo de 10O a 30O em relação ao eixo perpendicular ao objeto.

Figura 21 - Opção para detecção de objetos brilhantes 4.4.4.2 - Filtro Polarizado

Existem sensores com filtros polarizados incorporados, que dispensam o procedimento anterior. Estes filtros mecânicos servem para orientar a luz emitida, permitindo apenas a passagem desta luz na recepção, que é diferente da luz refletida pelo objeto, que se es palha e m todas as direções.


Figura 22 - Polarização do feixe de luz

4.4.5 - Imunidade à Iluminação Ambiente

Normalmente, os sensores ópticos possuem imunidade à iluminação ambiente, pois operam em freqüências diferentes. Mas podem ser afetados por uma fonte muito intensa (exatamente como acontece com as rádios FM), como por exemplo, uma Iâmpada incandescente de 60W a 15cm do sensor, ou um raio solar incidindo diretamente sobre as lentes.

Figura 23 - Espectro de iluminação 4.4.6 - Meio de Propagação

Entende-se como meio de propagação, o meio onde a luz do sensor deverá percorrer. A atmosfera em alguns casos pode, estar poluída com partículas em suspensão, dificultando a passagem da luz. A tabela abaixo apresenta os fatores de atmosfera que devem ser acrescidos no cálculo da distância sensora operacional Sa.


Condições Fatm Ar puro, podendo ter umidade sem condensação 1 Fumaça e fibras em suspensão, com alguma condensação 0,4 a 0,6 Fumaça pesada, muito pó em suspensão e alta condensação 0 a 0,1

4.4.7 - Acessórios para sensores ópticos

Uma das grandes vantagens de se trabalhar com sensores ópticos é que eles são muito mais flexíveis do que os outros sensores. Abaixo temos uma lista de alguns acessórios que podem ajudar a solucionar vários problemas de aplicação:

- Espelhos prismáticos ultra-reflectivos. - Fibras ópticas em diversos diâmetros. - Fibras ópticas para alta temperatura. - Temporização. - Ajuste remoto e inteligente.

4.4.8 - Vantagens

- Detectam todos os tipos de materiais. - Acionamento sem contato físico. - Modelos com Saída em estado sólido, relê ou analógica. - Maior durabilidade quando bem aplicado. - Trabalha em grandes distâncias (Mais de 200mt E/R)

5 - SENSORES ULTRA-SÔNICOS

Sensores Ultra-sônicos emitem ondas de som com freqüência acima da audível pelo ouvido humano. Os objetos a serem detectados refletem estas ondas e os sensores às recebem e interpretam.

Com estes sensores podemos detectar com facilidade objetos transparentes de plástico, vidros ou superfícies liquidas, diferente dos sensores fotoelétricos que dependem da opacidade ou refletividade do material. 5.1- Princípio de Funcionamento

O emissor envia impulsos ultra-sônicos sobre o objeto a analisado. As ondas sonoras voltam ao detector depois de um certo tempo, proporcional à distância. O tempo de resposta é então dependente da velocidade do som e também da distância do objeto. Os detectores ultra-sônicos podem detectar líquidos, sólidos e granulados.


Figura 24 - princípio de funcionamento do sensor ultra-sônico 5.2 – Aplicações

Medição de espessura de chapas Detecção de frascos de vidros

Figura 25 - Aplicação do sensor ultra-sônico 5.3 - Vantagens

- Detectam todos os tipos de materiais. - Acionamento sem contato físico. - Modelos com Saída em estado sólido, relê ou analógica. - Possui circuito inteligente

6 - Sistema Touch Control

Permite os ajustes dos sensores digitais através de dois botões montados, na lateral do sensor.


Figura 25 – Sistema touch control Procedimento de Ajuste: Touch Control

Pressione os Botões T1 e T2 simultaneamente por mais de 3 segundos, até, o LED D1 piscar na cor amarela, então solte os botões. Pressione o botão T1 para aumentar ou o botão T2 para diminuir a distância de atuação, observe que o LED para de piscar quando um objeto é detectado, se possível teste a detecção do objeto.

O armazenamento da distância ajustada ocorre caso nenhum botão for pressionado por um intervalo de 20s. O acionamento da saída pode ser monitorado através do LED de sinalização que permanece verde sem objeto e torna-se laranja quando o objeto permanece na zona válida de detecção.

7 - Qual o melhor sensor? Determinando a aplicação: Observar:

- Qual o material a ser detectado? - Qual à distância do alvo ao sensor? - Qual o princípio ativo do sensor que melhor se adapta a identificar o alvo? - Existe algum obstáculo que possa interferir na resposta do sensor? - Qual a freqüência de acionamento do sensor? - Quais as condições ambientais ao qual o sensor será submetido?


8 - Cuidados básicos com os sensores Nunca:

Utilize lâmpadas incandescentes como carga ou teste. O filamento quando frio apresenta um alto consumo de corrente, causando a queima do sensor. Manuseie o sensor estando o circuito energizado. Qualquer descuido (curto - circuito), poderá ser fatal para o sensor e para você.

Acione um motor diretamente com o sensor, use dispositivos apropriados como, por exemplo: Relês, Chaves - Contatoras, etc.

Observar:

Sempre a Tensão ( AC/DC) de alimentação , sua polaridade ( PNP / NPN ) , respeitar a capacidade de Corrente do sensor e sua Temperatura de trabalho.

A existência de peças e ou partes móveis que possam atingir e danificar a face do sensor e ou seu cabo.

A incidência de água, óleo, sujeira produtos químicos e ou elementos que possam danificar ou interferir em seu funcionamento.

Figura 26 – Cuidados básicos com os sensores


9 - Para a escolha apropriada de sensores eletrônicos, a seguinte terminologia é adotada a) Faixa de medida (RANGE): conjunto de valores da variável medida que estão

compreendidos dentro dos limites inferiores e superior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Se Expressa determinando os valores extremos;

b) Alcance (SPAN): é a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa

de medida do instrumento. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida de 100ºC a 250ºC, possui um alcance de 150ºC.

c) Erro: é a diferença entre o valor medido ou transmitido pelo instrumento, em relação

ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, estável, chamaremos de "erro estático" que será positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento que poderá estar indicando a mais ou a menos. Quando tivermos a variável se alterando, teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor, onde o valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença é chamada de "erro dinâmico";

d) Precisão: define-se como sendo o maior valor de erro estático que um instrumento

pode ter ao longo de sua faixa de trabalho. Pode ser expressa de diversas maneiras como: porcentagem do alcance, unidade da variável e porcentagem do valor medido;

e) Zona morta: é a não alteração na indicação ou no sinal de saída de um instrumento

ou em valores absolutos da faixa de medida do mesmo, apesar de ter ocorrido uma sensível variação da variável. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida entre 0ºC a 200ºC possui uma zona morta de ±0,1% do alcance, ou seja, ±0,2ºC. Portanto, para variações inferiores a este valor, o instrumento não apresentará alteração da medida;

f) Sensibilidade (linearity): é a razão entre a variação do valor medido ou transmitido

para um instrumento e a variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Pode ser expressa em unidades de medida de saída e de entrada. Por exemplo, um termômetro de vidro com faixa de medida de 0ºC a 500ºC possui uma escala de leitura de 50cm, portanto, a sua sensibilidade é de 0,1cm/ºC;

g) Histerese: é a diferença máxima apresentada por um instrumento, para um mesmo

valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente;

h) Repetibilidade: é a máxima diferença entre diversas medida de um mesmo valor da

variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Se Expressa em porcentagem do alcance;

i) Resolução: é a menor variação que se pode detectar. A resolução está relacionada

com o número de "bit" do instrumento: quanto maior o número de "bit" melhor a resolução. O cálculo da resolução de um instrumento é dado pelo quociente da faixa


de medida por 2número de "bit" do mesmo. Por exemplo, para um transdutor linear de 100mm e 12 bit, tem-se uma resolução de 0,024mm.

10 - Célula de Carga

As células de carga são sensores projetados para medir cargas estáticas e dinâmicas de tração e compressão, princípio extensométrico e cargas de 0 a 300t.

As células são totalmente estanques (proteção IP67) e podem ser utilizadas em atmosferas agressivas. Externamente o transdutor é usinado a partir de um único bloco de aço inoxidável sem qualquer parte soldada. As células de carga são, ainda, resistentes à vibração e impacto. O seu tamanho compacto permite sua aplicação em pequenos espaços e em locais de difícil acesso.

O uso de células de carga como transdutores de medição de força abrange hoje uma vasta gama de aplicações: desde nas balanças comerciais até na automatização e controle de processos industriais.A popularização do seu uso decorre do fato que a variável peso é Interveniente em qrande parte das transações comerciais e de medição das mais frequentes dentre as grandezas físicas de processo. Associa-se, no caso particular do Brasil, a circunstância que a tecnologia de sua fabricação, que antes era restrita a nações mais desenvolvidas, é hoje amplamente dominada pelo nosso País, que desponta como exportador importante no mercado internacional.

Um tipo de célula de carga é a Doc 438, modelo TU-K5C, para cargas de tração e compressão da Gefran Brasil, com flange para a aplicação de cargas suspensas, FLA703, e articulação esférica, SND022. A figura 27 apresenta as dimensões mecânicas da célula de carga Doc 438 e sua montagem com junta esférica dupla e flange para cargas suspensas. Algumas especificações técnicas desta célula: - Precisão: 0,2%; - Faixa de medição: 0 a 500Kg; - Sensibilidade: 2mV/V; - Erro combinado - não linearidade/histerese/repetibilidade: ±0,2% do fundo de escala; - Tensão nominal de alimentação: 10V; - Tensão máxima de alimentação: 15V; - Faixa de temperatura permissível: -20ºC a 60ºC; - Carga estática máxima: 130% a capacidade máxima; - Carga dinâmica máxima: 100% a capacidade máxima; - Carga máxima aplicável: 150% a capacidade máxima; - Carga de ruptura: 300% a capacidade máxima; - Grau de proteção (DIN 40050): IP67; - Ligações elétricas: cabo blindado 4x0,25 / 3m; - Material do elemento elástico: aço inoxidável.


Figura 27 - Célula de Carga

Embora a resolução da célula de carga seja infinita, pois depende da IHM (GEFRAN, 1997), o conjunto célula de carga – IHM (figura 28) permitirá uma resolução de 0,015Kg.

Figura 28 – Indicador de alta freqüência (IHM)

10.1 - Princípios de Funcionamento

O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação da resistência ôhmica de um sensor denominado extensômetro ou strain gage (Fig. 29), quando submetido a uma deformação. Utiliza-se comumente em células de carga quatro extensômetros ligados entre si segundo a ponte de Wheatstone (Fig. 30) e o desbalanceamento da mesma, em virtude da deformação dos extensômetros, é proporcional à força que a provoca. É através da medição deste desbalanceamento que se obtém o valor da força aplicada.

Figura 29 - Extensômetro ou strain gage

Os extensômetros são colados a uma peça metálica (alumínio, aço ou liga cobre-berílio), denominada corpo da célula de carga e inteiramente solidários à sua deformação. A força atua, portanto sobre o corpo da célula de carga e a sua deformação é transmitida aos extensômetros, que por sua vez medirão sua intensidade.


Figura 30 - Ponte de Wheatstone

Obviamente que a forma e as características do corpo da célula de carga devem ser objeto de um meticuloso cuidado, tanto no seu projeto quanto na sua execução, visando assegurar que a sua relação de proporcionalidade entre a intensidade da força atuante e a conseqüente deformação dos extensômetros seja preservada tanto no ciclo inicial de pesagem quanto nos cilcos subsequentes, independentemente das condições ambientais. A forma geométrica, portanto, deve conduzir a uma "linearidade" dos resultados (fig. 31).

Figura 31 - Gráfico de deformação x carga, mostrando histerese, repetibilidade e não linearidade

Considerando-se que a temperatura gera deformações em corpos sólidos e que estas poderiam ser confundidas com a provocada pela ação da força a ser medida, há necessidade de se "compensar" os efeitos de temperatura através da introdução no circuito de Wheatstone de resistências especiais que variem com o calor de forma inversa a dos extensômetros. Um efeito normalmente presente ao ciclo de pesagem e que deve ser controlado com a escolha conveniente da liga da matéria-prima da célula de carga é o da "histerese" decorrente de trocas térmicas com o ambiente da energia elástica gerada pela deformação, o que acarreta que as medições de cargas sucessivas não coincidam


com as descargas respectivas (Fig. 31). Outro efeito que também deve ser controlado é a "repetibilidade" ou seja, indicação da mesma deformação decorrente da aplicação da mesma carga sucessivamente, também deve ser verificada e controlada através do uso de materiais isotrópicos e da correta aplicação da força sobre a célula de carga (Fig. 31).

Figura 32 - Gráfico de deformação x tempo mostrando a fluência ou creep

Finalmente, deve-se considerar o fenômeno da "fluência" ou creep, que consiste na variação da deformação ao longo do tempo após a aplicação da carga. Este efeito decorre de escorregamentos entre as faces da estrutura cristalina do material e apresenta-se como variações aparentes na intensidade da força sem que haja incrementos na mesma (Fig. 32).

10.2 - Alguns critérios devem ser utilizados na escolha de uma célula de carga

10.2.1- Capacidade nominal

A força máxima que ela deverá medir (OS fatores de segurança, 50% de sobrecarga contra danos de funcionamento e 300% para a ruptura, são intrínsecos a própria célula).

10.2.2 - Sensibilidade

A medição do desbalanceamento da ponte de Wheatstone é feita através da variação da tensão de saída em função da tensão de excitação aplicada na entrada da ponte.

Quando a célula de carga esta carregada, este valor é dado em milivolt por volt aplicado e, normalmente, entre 2 e 3 mV/V. Isto significa que uma céluLa de carga de 30kg de capacidade nominal e 2mV/V de sensibilidade, com uma tensão de excitação na entrada de 10 V, quando sujeita a uma força de 30Kg apresentará na saída uma variação de tensão de 20mV.

10.2.3 - Precisão

É o erro máximo admissível relacionado em divisões da capacidade nominal. As células de carga neste caso podem ser divididas em:


Baixa precisão: até 1.000 divisões (ou 0,1% da capacidade nominal) Média precisão: de 3.000 a 5.000 divisões (ou 0,03 a 0,02% da capacidade nominal).

Alta precisão: 10.000 divisões (ou 0,01% da capacidade nominal)

10.2.4 - Formato

De acordo com a aplicação, determinados formatos são requeridos, considerando-se se a carga é apoiada (células tipa viga) ou se a carga é sustentada (célula tipo Z), ou ainda se a carga introduz momentos torsores na célula (células tipo single point).

10.2.5 - Ambiente de trabalho

Ambientes úmidos quimicamente agressivos requerem células de carga herméticas, com grau de proteção IP67, que se consegue normalmente nas do tipo shear-beam. Dever ser evitado o uso de células de carga em ambientes sujeito à vibração intensa, apesar do projeto das mesmas incluir uma verificação de freqüência natural, no sentido de se evitar o fenômeno de ressonância.

O uso de células de carga em ambientes explosivos deve ser acompanhado por barreiras de segurança intrínseca. Alerta-se que o uso de barreiras de segurança intrínseca inserem resistências em série nos circuitos, o que poderia baixar as tensões da excitação. É recomendável o uso de indicadores que compensem esta diminuição através de ligações a 7 fios (tipo Kelvin).

10.2.6 - Dispositivos de montagem

Devem ser escolhidos visando não transmitir à célula de carga nenhum outro esforço que não seja o da força a medir e, portanto, visando assegurar para a carga todos os graus de liberdade de deslocamento possíveis, à excessão do relativo à direção da força a medir.

10.2.7 - Tempo da pesagem

Muitas vezes dispõe-se de um tempo limitado para se efetuar a pesagem. Neste caso deve-se considerar 1 segundo como um tempo mínimo para cada pesagem, considerando-se o amortecimento das oscilações que a célula sofre ao receber o carregamento. Eventualmente este tempo pode ser reduzido através do uso de sistemas de amortecimento.

10.2.8 - Limites de sobrecarga e deslocamentos

Em células de carga tipo flexão ou bending, normalmente de baixa capacidade, é necessário prever-se limites de sobrecarga que impeçam a célula de carga de deformar-se além de um dado valor. Nas células tipo cisalhamento (shear beam) e compressão (canister), são difíceis aplicar limites de sobrecarga, tendo em vista o pequeno valor da


flecha produzida em função da carga nominal aplicada e, portanto, cabe ao usuário precaver-se quanto a eventualidade do uso de cargas excessivas.

Outros limites de deslocamento usados são os tirantes, necessários para limitar o deslocamento de tanques e silos, quando as células de carga estão situadas abaixo do centro de gravidade dos mesmos (portanto, não são autocentrantes), sujeitos a ação dos ventos ou com misturadores instalados. O objetivo destes tirantes é obstar deslocamentos não verticais.

10.2.9 - Conclusão

As células de carga são transdutores bastante precisos e de vida útil muito longa (são projetados e testados em protótipo para dez milhões de ciclos de pesagem). Esta longetividade e precisão podem ser facilmente obtidas desde que sejam convenientemente especificadas e instaladas. A assessoria técnica do fabricante é sempre muito útil e evita falhas de projeto muito custosas. Procurou-se dar aqui algumas informações fundamentais, que não excluem, porém a eventual necessidade daquela consulta, a qual fortemente recomenda-se não renunciar.

10.3 – Exemplos de Células de Cargas

Célula de carga para compressão em corte

Dispositivos para utilização de Células de Carga,

aplicadas no mundo inteiro.


Modelo de Célula para Compressão

Modelo de Célula para tração

Figura 33 – Modelos de Células de Carga

11 - Encoders

Podemos definir este equipamento como sendo um transdutor que executa a transformação (decodificação) de um movimento mecânico em um sinal eletrônico. Seu funcionamento está baseado na interrupção ou não de um sinal óptico, normalmente um feixe luminoso, conseguido comumente através de um emissor e um sensor separados pôr um nônio e um disco de vidro, plástico ou metais estriados que alternadamente permitem ou não a passagem de luz do emissor para o receptor.

Quando o disco sofre um deslocamento angular interrompe a passagem de luz, gerando um pulso. Este pulso representa um certo ângulo mínimo, que define a resolução do sistema. Podermos dividir estes equipamentos em dois tipos:

• Encoders incrementais; • Encoders absolutos.


11.1 – Encoder Absoluto

Em um encoder absoluto cada posição representada unicamente pôr um código padrão. Este código prove de trilhas independentes e está gravado no disco do encoder, onde para cada trilha existe um sensor óptico correspondente. Cada sensor irá fornecer um sinal de nível lógico “1” ou “0” dependente do código padrão do disco para cada posição (ver figura abaixo). Uma vantagem deste tipo de encoder é que não haverá perda da posição no caso de falta de energia, pois não é necessário indexar ou referenciar a partir de um determinado ponto.

Figura 34 – Disco codificado de um encoder absoluto

Cada trilha do disco codificado significa um bit, dependendo então do número de trilhas verificaremos a resolução deste sistema. Pôr exemplo, um disco com 8 trilhas poderá identificar 256 posições diferentes. A expressão (8) mostra analiticamente como podermos determinar a resolução de um encoder absoluto em função do número de bits do disco codificado. ∆θ = 360° (8) N

2 Onde: N é o número de bits ou trilhas do disco. O disco do encoder pode ser codificado de varias maneiras diferentes, porém, existem dois códigos que são os mais utilizados: o código binário e o código de Gray. O código binário é amplamente utilizado nas aplicações para automação industrial e o código de Gray, possui como principal vantagem a que de uma posição para outra apenas um bit é alterado. Assim, fica possível encontrar erros provocados pôr ruídos elétricos ou eletromagnéticos através de software. Podemos ainda, dividir os encoders absolutos em dois tipos: single turn e multi turn. Os encoders do tipo single turn repetem o código da posição a cada 360°


para uma volta do eixo. Normalmente estes encoders são fornecidos até a resolução de 14 bits, ou seja, 16384 posições por volta, ou ainda, o menor ângulo que pode ser representado é o de 0,02I9°. Já os do tipo multi turn possuem discos codificados adicionais que permitem a leitura de varias voltas. A figura Abaixo pode nos dar uma idéia de como isto é realizado.

Figura 35 – Disco codificado de um encoder absoluto multi-turn

A resolução do encoder absoluto é dada por contagem/revolução, isto é, se ele tiver no seu disco (encoder rotativo) 12 faixas para código de gray, então terá 2¹² combinações possíveis perfazendo um total de 4096 combinações. Com relação à saída destes encoders podemos encontrar: saída paralela, saída serial ou comunicação em rede. Para os encoders com saída paralela, para cada

bit existe um condutor, e o elemento de controle deverá obviamente possuir uma porta paralela para leitura destes sinais. Os encoders com saída serial são muito utilizados, pois a grande maioria dos processadores no mercado utilizam este sistema de transmissão de dados.


Existem algumas vantagens, dentre as quais: • Baixo custo em função do cabeamento; • Maior velocidade de transmissão (até 1,5 G bps); • Reduzido número de componentes; • Maior imunidade a ruídos. Os encoders com saída para comunicação em rede também são seriais, porém adotam protocolos amplamente conhecidos no mercado de automação, como pôr exemplo: CAN (Devicenet), Interbus, Profibus (DP) e entre outros. 11.2 – Aplicações dos Encoders Absolutos As aplicações para este tipo de encoder seriam aquelas onde necessitamos fazer posicionamentos em uma única volta e que podem permanecer desativadas pôr um longo período de tempo, tais como:

• Radares; • Telescópios;


• Guindastes; • Manipuladores; • Robôs; • Comportas; • Sistemas de nível; • Posicionamento de eixos; • Posicionamento de válvulas; • Mesas planas, etc.

11.3 – Encoder Incremental Nestes encoders cada deslocamento angular é representado pela geração de um

pulso. É possível ainda determinar o sentido de rotação do eixo através do nônio ou de duas faixas regularmente defasadas (ver figura 36). Na verdade um circuito eletrônico poderá detectar o sentido de giro através de operações lógicas. O encoder incremental

fornece normalmente dois pulsos quadrados defasados em 90º, que são chamados usualmente de canal A e canal B. A leitura de apenas um canal fornecendo somente a velocidade, enquanto que a leitura dos dois canais fornece também o sentido do movimento. Um outro sinal chamado de Z ou zero também está disponível e ele dá a posição absoluta zero do encoder. Este sinal é um pulso quadrado em a fase e a largura é as mesmas do canal A.

Figura 36 – Encoder Incremental

A resolução é determinada através do número de pulsos que o encoder gera pôr volta ou pelo número de pulsos pôr rotação (PPR). A máxima resolução que encontrarmos para estes casos está pôr Volta de 10000 pulsos/rotação (podendo chegar a 40000 com alguns recursos adicionais), pois acima disto fica muito difícil construir ranhuras tão próximas umas das outras. O que não devemos nunca esquecer é que a resolução do encoder deve ser igual, ou melhor, do que aquela requerida pela aplicação. Como todo transdutor o encoder incremental possui duas velocidades inerentes: a


mecânica e a eletrônica, que pôr sua vez impõem limites a velocidade de operação. A combinação de vários fatores tais como, rolamentos, freqüência de resposta, PPR para cada aplicação, também influencia nestas questões. De modo geral, a máxima velocidade de operação para um encoder incremental depende diretamente da aplicação. Podemos determinar a velocidade de operação para nina dada aplicação através da seguinte expressão: f = PPR x n 60

Onde: f é a freqüência de operação [Hz]; PPR é a resolução do encoder;

n é a rotação [rpm]. Para os terminais de saída é adotada uma terminologia própria. Os sinais são transmitidos utilizando circuitos de corrente continua, para que sejam atingidas altas velocidades de transmissão. Esta transmissão é feita pôr uma corrente que pode fluir do encoder para o circuito (NPN) ou do circuito para o encoder (PNP), embora a maioria dos encoders possa ser configurada em outros padrões, além do PNP ou NPN, tais como: Push Pull, Line Drive ou RS422. Os encoders incrementais ainda podem ser unidirecionais ou bidirecionais ou ainda com sinal de referencia. Adicionalmente podem ser transmitidos também como sinal singular “sigle ended” ou com seus sinais complementares “diferenciais”.

Para a especificação de encoders incrementais devem ser informadas algumas características, que podemos dividir em:

• Mecânicas: flange, diâmetro do eixo ou eixo vazado, máxima carga do

eixo, pulsos pôr volta, velocidade, momento de inércia, temperatura de operação, proteção [IP], dimensões e tipo de conexão (elétrica).

• Eletrônicas: freqüência, tipo de eletrônica, formato da saída, imunidade a

ruído, proteção do circuito (inversão de polaridade, sobretensão, curto-circuito na saída) e alimentação.

As aplicações para encoders incrementais abrangem vários processos entre os quais podemos citar:

• Realimentação de sistemas digitais de controle de velocidade; • Maquinas de embalagens; • Ajustes de fusos para preparação de espessura de um produto; • Robôs; • Misturadores; • Mesas rotativas.


12 – Sensor de Umidade

As medições de umidade é feitas desde o século XV com relação à atmosfera. Não é difícil se fazerem medições de umidade, a menos que se exija muita precisão e controle rigoroso. Há três métodos gerais para se medir a umidade relativa do ar: o psicrômetro, o sensor eletrônico e o ponto de orvalho.

No método do psicrômetro é utilizado como sensor um fio de cabelo humano ou uma membrana animal que muda de dimensões com a umidade. Durante muitos anos estes elementos higromecânicos foram usados como indicadores e como chaves de controle.

O sensor elétrico satisfaz a necessidade industrial quanto a velocidade, versatilidade, precisão e alta sensibilidade, usando massa pequena e componentes não-metálicos.

Onde é importante o teor real de água do ar, ou onde a condensação da umidade deve ser evitada, aplica-se com mais eficiência o controle do ponto de orvalho. 12.1 – Sensor Eletrônico

Um sensor eletrônico de umidade é um dispositivo de precisão capaz de detectar

uma variação de 1% na umidade relativa. Um tipo de sensor eletrônico é constituído de duas grades de ouro entrelaçadas,

estampadas sobre plástico e cobertas com uma complexa camada de sais higroscópicos. Conforme aumenta a umidade relativa (UR), a camada se torna mais condutiva e a resistência entre as grades diminui. A variação de resistência é calibrada em unidades de UR, e o controlador associado interpreta as variações de modo a ativar o equipamento adequado de controle de umidade. 12.2 – Sensor Ponto de Orvalho

Um tipo de sensor de ponto de orvalho consiste em eletrodos de fio bifilar,

enrolados sobre uma luva de pano, que cobre um tubo oco ou carretel. (Bifilar significa um enrolamento de dois fios enrolados lado a lado, separados de uma distância uniforme). A luva de pano é impregnada com uma solução de cloreto de lítio e deixada secar. Os fios bifilares são ligados ao secundário de um transformador integral. Os eletrodos bifilares não estão interligados. Dependem da condutividade do cloreto de lítio atmosfericamente umedecido para que haja um fluxo de corrente.

O cloreto de lítio possui duas características únicas que o tornam apropriado às medidas de ponto de orvalho. Ë altamente higroscópico, isto é, tem uma grande afinidade com o vapor d’água e tem uma habilidade inerente para manter-se em um valor constante pouco acima dos 11%, quando presente em uma atmosfera úmida e aquecida por uma corrente elétrica que o percorra. Para valores de 11% ou abaixo, o cloreto de lítio da luva seca-se e se transforma em sólido cristalino e não é condutor.

Um segundo tipo de detector de ponto de orvalho usa uma câmara de observação onde é introduzida uma amostra de gás que contém vapor úmido. Um manômetro indica diretamente a relação entre a amostra do gás e a pressão atmosférica. A amostra de gás é mantida a uma pressão um pouco acima da atmosférica. Quando se abre uma válvula de operação, o gás escapa para a câmara de


observação e se expande à pressão atmosférica. Quando o gás é libertado acende-se uma lâmpada, de modo que quando o gás se resfria, abaixo do ponto de orvalho, forma-se uma névoa característica na câmara. O procedimento é repetido de modo a estabelecer o ponto final ou o ponto de fuga da neblina. Este ponto final pode ser determinado com precisão quando medido pela relação de pressão do ponto de fuga.

Outras técnicas do ponto de orvalho envolvem a observação da formação do orvalho sobre uma superfície polida, e diminuindo a temperatura por técnicas de refrigeração obtém-se um depósito de orvalho dos gases confinados. A medição e/ou controle da umidade é desejável ao se estabelecer um ambiente confortável ao homem (como as áreas de temperatura e umidade controladas para trabalhos especiais), em áreas de armazenamento, em gases comprimidos usados em instrumentação e trabalhos analíticos, em fornalhas de atmosfera controlada e em fornos de secagem. O controle da umidade é também essencial na indústria do papel, para que o mesmo possa ser calandrado na espessura correta e armazenado sem expansão dimensional. Sem o controle adequado da umidade, o papel poderia ser esticado no processo de calandragem e depois ser contraído até se quebrar.

12.3 – Sensores Capacitivos de Umidade

O tipo mais usado para medida de umidade relativa em higrômetros de uso

doméstico, comercial ou industrial é o capacitivo. Este sensor é formado por uma folha de material não condutivo coberta nas duas

faces por uma finíssima camada de ouro (condutor) numa estrutura que corresponde justamente a um capacitor plano.

A construção desse capacitor, entretanto, é tal que a umidade do ar pode penetrar com facilidade no material dielétrico, alterando sua capacitância. Com a penetração da umidade a capacitância aumenta.

Para um sensor típico, a capacitância se altera de aproximadamente 112 pF para uma umidade relativa de 10% para 144 pF para uma umidade relativa de 90% (que é a faixa de utilização do sensor).

Para dar acesso à umidade ao dielétrico, o conjunto é montado num invólucro dotado de pequenos orifícios.

Figura 37 - Sensor de temperatura e umidade


12.3.1 – Sensor de Umidade da Philips Components

Com um número de catálogo bastante complicado para ser utilizado numa loja, o sensor 2322 691 90001 da Philips Components possui características que permitem sua utilização em higrômetros de boa precisão. Algumas publicações técnicas tratam este sensor como um "umidistor", mas não achamos que este seja um nome conveniente. As principais características deste sensor são: · Faixa de umidades medidas: 10% a 90% · Sensibilidade entre 12 e 75% de umidade relativa: 0,4 pF / % · Faixa de freqüências de operação : 1 kHz a 1 MHz · Tensão máxima AC ou DC: 15 V · Faixa de umidade para armazenamento: 0 a 100% · Faixa de temperatura de operação: 0 a 85 graus centígrados 13 – Sensor de PH

O princípio de funcionamento dos sensores de pH é muito simples.

Figura 38 – Sensor de PH

O bulbo de vidro detecta íons de H+ e gera uma corrente elétrica (59,2 mV por unidade de pH a 25 oC). O gel interno recebe a corrente elétrica (+) e transmite ao interior do sensor. O fio de prata pura (tratado com cloreto de prata AgCl) capta a corrente e transmite ao cabo de conexão, que leva o sinal do sensor ao leitor/controlador.

13.1 - Sensor de referência:

Figura 39 – Sensor de Referência


O septo poroso isola o gel ou solução interna de KCl do meio externo. A concentração constante de íons de cloreto dentro do sensor gera uma corrente elétrica (-) com o fio de prata. O fio de prata pura (tratado com cloreto de prata AgCl) capta a corrente e transmite ao cabo de conexão, que leva o sinal do sensor ao leitor/controlador.

Figura 40 – Sensores de PH 13.2 – Sensor combinado de pH e referência

Figura 41– Sensor Combinado

Um sensor combinado consiste de um sensor de pH e um sensor de referência dentro de um mesmo corpo.

13.3 – Aplicações típicas para estes sensores são:

• Efluentes oleosos ou gordurosos;

• Lodo calcário;

• Refinamento de açúcar;

• Emulsões;


• Lavagem de gases;

• Coagulação de floculantes;

• Fabricação de papel e celulose;

• E muitas outras;

13.4 – Especificações Banda de pH: 0 - 12 pH Banda de temperatura: 0 - 50 oC. Banda de pressão: 0 - 100 psi. Sensor de referência: Duplo septo poroso com Ag/AgCl

14 – Interferômetro

O interferômetro é um aparelho inventado pelo norte-americano Albert Michelson que permite calcular a velocidade da luz.

Figura 42 – Interferômetro

14.1 – Funcionamento

O interferômetro de Michelson (1852 - 1931, prêmio Nobel em 1907), é a forma fundamental da grande variedade de interferômetros de 2 feixes. No esquema a seguir (fig.43), a luz vem expandida da fonte L, incide na placa paralela P, sofre uma refração até incidir na outra superfície semi-espelhada, aonde irá se dividir em 2 feixes, os quais irão atingir os espelhos A1 e A2 perpendicularmente.


Figura 43 - Esquema óptico do interferômetro

Os retornos dos feixes irão atingir a face semi-espelhada da placa P, e as franjas

de interferência podem ser vistas diretamente a olho nu, ou através de um telescópio F. Notar que a luz refletida por A2 passa através da placa P 3 vezes, enquanto que a luz refletida por A1 passa apenas 1 vez. A placa compensadora P1 é idêntica na espessura e no paralelismo à placa P. Sua inserção vai equalizar os caminhos dos dois feixes.

Quando os espelhos estiverem a distâncias iguais e perpendiculares, o campo de interferência será uniforme. Quando as superfícies refletoras não estiverem perpendiculares, as franjas passam de circulares a linhas. Quanto maior a diferença entre as distâncias dos espelhos A1 e A2 à placa P, mais círculos concêntricos de interferência serão observados. Assim toda vez que o deslocamento do espelho móvel atingir um valor múltiplo de l /2, o valor da intensidade se repete.

A presença das lâminas de vidro trazem também um sistema paralelo de reflexões na segunda face e conseqüentemente de franjas. A intensidade deste sistema secundário é fraca, e dificilmente é possível observá-lo.

Figura 44 - Sugestão para o alinhamento


14.2 – Objetivos

Familiarização c/ o instrumento e alinhamento de seus elementos. Uso do interferômetro para medidas precisas de pequenos deslocamentos, l de fontes monocromáticas, comparação de superfícies planas, medida de comprimento de coerência de diversas fontes luminosas e índice de refração de gases. 14.3 - Procedimento experimental 14.3.1 – Alinhamento

O feixe direto emitido pelo Laser constitui um fino raio intenso, monocromático e coerente que facilita o alinhamento (fig.44). A idéia aqui é a de alinhar os espelhos de modo que a reflexão de cada um deles volte exatamente pelo mesmo caminho, o que pode ser verificado observando as reflexões sobre o cartão c/ furo.

Quando os espelhos estão alinhados (Perpendiculares entre si) as duas reflexões sobre S, voltam passando pelo furo.

Observe que o espelho A2 possue apenas 1 grau de liberdade e o espelho A1 possue 2. Logo para que as reflexões retornem ao Laser, a reflexão do espelho 2 só pode ser ajustada deslocando todo o equipamento ( A base toda), só depois ajusta-se a reflexão do espelho 1 através dos parafusos.

Na condição de alinhamento perfeito, devem-se observar círculos de interferência. Para ligeiros desalinhamentos se observam franjas aproximadamente retas e paralelas. Estas figuras de interferência são mais fáceis de se observar com uma fonte extensa ou com um feixe expandido. Por esta razão, depois do alinhamento inicial utilizamos uma lente divergente para expandir o feixe Laser, permitindo assim observar no anteparo o padrão de interferência. O ajuste é feito alinhando com cuidado o espelho 1, de modo a se observar o padrão na forma de círculos.

É importante lembrar que a distribuição luminosa do feixe Laser não é uniforme, mas sim Gaussiana, ou seja, mais intensa no centro do que nas bordas. Assim, o encontro da borda de um feixe com o centro de outro produz franjas de menor visibilidade.

14.3.2 – Escala do parafuso micrométrico

Devido à ordem de grandeza dimensional que é operada no interferômetro (350nm) é necessários um sistema mecânico que permita o deslocamento do espelho com bastante suavidade. Conforme pode ser observado no equipamento, o espelho é deslocado através de um sistema de redução por alavanca, conjugado com um parafuso micrométrico. A cada duas voltas do parafuso, sua ponta desloca 1mm, e o espelho através da alavanca caminha aproximadamente 5 vezes menos ( Os equipamentos não são exatamente iguais).

A cada duas voltas do parafuso, sua ponta desloca 1mm. (0,5mm por volta) A escala do tambor do parafuso divide 1mm em 100 partes (0.01 mm por divisão).


14.3.3 – Calibração do parafuso micrométrico Determinação da relação de redução R = D Lparafuso / D Lespelho ou R = no divisões parafuso /D Lespelho. I

Iluminando o interferômetro com a luz extensa do Laser de He-Ne e inclinando levemente o espelho para se obter franjas quase retas, desloca-se o parafuso do espelho móvel um certo número de divisões e conta-se o número de franjas de interferência que passam pelo centro do campo de visão.

Figura 45 - Sistema de redução dos movimentos

Cada interferômetro possue uma razão de redução R entre os movimentos do

parafuso micrométrico e o espelho móvel, o valor desta razão deverá ser determinada com precisão (Fazer várias leituras e depois um tratamento estatístico). Obs.1 - Cada franja que aparece ou desaparece no campo de visão, representa um deslocamento do espelho móvel de l/2. Obs. 2 - O Laser de He-Ne tem l = 632.8 nm (6328 A) 14.3.4 – Determinação do l de uma fonte espectral

Depois de conhecida a geometria do equipamento, é possível através de um processo inverso ao que foi feito, determinar-se o l de uma outra linha espectral, através da contagem das franjas interferométricas (R = D L parafuso / D L espelho).

Substituindo-se o Laser por uma lâmpada espectral, selecione o l que se deseja determinar, interpondo um filtro para selecionar uma faixa desejada, coloque no suporte do interferômetro uma placa de vidro despolido para espalhar a luz e incline levemente o espelho móvel para tornar as franjas aproximadamente retas. As franjas não serão mais projetadas na parede, só poderão ser vistas diretamente no equipamento.


14.3.5 – Determinação do Dl das linhas do Na

Substituindo-se a fonte de luz por uma lâmpada de sódio, coloque no suporte do interferômetro uma placa de vidro despolido para difundir a luz e incline levemente o espelho móvel para tornar as franjas mais ou menos retas.

Figura 46 - Curva de contraste dos anéis

Devido à proximidade dos ls das duas linhas amarelas do sódio, aparece um

padrão de franjas cuja visibilidade aumenta e diminui periodicamente (Fig. 46) ao variarmos bastante a distância entre os espelhos através do parafuso micrométrico.

Observando a distância que o espelho móvel caminha, determine T usando o DL do parafuso micrométrico e a R já aferida entre os máximos de contraste (ou mínimos que são mais fáceis de discriminar), para calcular o Dl das duas linhas amarelas do sódio . Obs. Para o cálculo usar o lmédio medido ou consultar uma tabela. 14.4 – Resumo do roteiro sugerido a) - Alinhar o interferômetro (Observe os reflexos no Laser). b) - Encontrar as franjas de interferência usando-se o Laser de He-Ne com um expansor. c) - Contar aproximadamente 300 franjas, note que o erro será menor se o no de franjas coincidir com um no de divisões no parafuso completas e plotando um gráfico de várias medidas. Determinar a razão de redução parafuso/espelho. d) - Usando a razão encontrada no item anterior, determine o l de alguma das linhas espectrais do Hg ou o lmédio do Na (Contar aproximadamente 200 franjas). Observe que as franjas não serão mais projetadas, e sim observadas dentro do equipamento - Usar um filtro p/ (selecionar a faixa espectral desejada). e) - Usando a lâmpada de Na, determine a diferença de comprimento de onda Dl do "dublet", não contar as franjas, apenas observar os ciclos de contraste. f) – Usando um Laser ou uma lâmpada de luz branca, encontre a condição de Diferença de caminho ótico nulo (DCON) onde haverá franjas policromáticas. g) – Determinar o índice de refração do ar. h) – Se a placa compensadora for removida, o que ocorrerá – explique.


14.4.1 – Medidas de pequenas diferenças de comprimento de onda

A figura 47 representa num esquema resumido, alguns elementos importantes para a formação da figura de interferência pelo interferômetro de Michelson. S1 e S2 são as duas imagens virtuais, formadas pelos dois espelhos, da fonte de luz a ser analisada pelo instrumento. A figura de interferência, na forma de anéis concêntricos claros e escuros forma-se no anteparo A e é centrada no ponto P. Imaginemos agora que cada uma das fontes virtuais (de mesma potência) emita em duas freqüências muito próximas w1 e w 2, sendo w 1>w2.

Figura 47 - Formação da figura de interferência

Suponhamos que para a freqüência w1 a intensidade no ponto P seja máxima, o

que implica (ver equações para o interferômetro) em: d = (m + 1/2) l1 m = 0,1,2,... (1) Onde d é à distância entre as duas imagens (S1 e S2) e l1 é o comprimento de onda associado à freqüência w1. Suponha que ao mesmo tempo em que isto acontece, a intensidade em P para a freqüência w2 seja mínima (zero), o que implica em: d = m l2 = 2m l2/2 m = 0,1,2,... (2) onde l2é o comprimento de onda associado à w2.

Estas duas últimas equações, quando satisfeitas simultaneamente para a distância d significam que o anteparo está uniformemente iluminado pelas duas fontes, pois onde existe um mínimo de interferência para w2 (anel escuro), existirá um máximo para w1 (anel claro) e vice-versa. Chamaremos esta condição de condição de anticoincidência de anéis.

Nesta condição, podemos afirmar que no comprimento d cabe exatamente um número ímpar de meios comprimentos de onda l1 e um número par de meio comprimento de onda l2. [Ver eqs. (1) e (2)]. Como a razão d/(l1/2) é um número ímpar, e d/(l2/2) é um número par, teremos evidentemente: [d/(l1/2)] - [d/(l2/2)] = número ímpar = N. (3). Se o espelho móvel do interferômetro for agora deslocado de tal forma que surja a nova condição de anti-coincidência, teremos: [d’/(l1/2)] - [d’/(l2/2)] = N + 2 (4) porquê N + 2 é o número ímpar mais próximo que se segue a N. Nesta equação, d’ é a nova distância entre as imagens virtuais S1 e S2. Subtraindo a eq. (3) da eq. (4) e fazendo D = d’- d, teremos: (2D/l1) - (2D/l2) = 2 . (5)


Como l1 = l m - Dl /2 e l2 = l m + Dl /2, onde lm = (l1 + l2)/2, e Dl = l2 - l1, deduz-se imediatamente que: D l»(lm)2/D (6) onde se considerou (Dl )2 » 0 devido D l<<lm.

Finalmente, lembrando-se que ao se deslocar o espelho móvel de uma distância x qualquer a imagem se desloca de 2x, podemos escrever: D l» (lm)2/2T (7) onde T é a distância que o espelho do interferômetro efetivamente se move para que ocorram duas anti-coincidências sucessivas no anteparo. 14.4.2 – Franjas de luz branca - Equalização dos dois braços do interferômetro (DCON)

Deslocando-se o espelho móvel, ou seja, variando a distância entre os dois braços do interferômetro, pode-se observar que o tamanho dos anéis varia. Isto depende se a diferença de caminho óptico está aumentando ou diminuindo, (Se a diferença entre os dois diminui, o raio dos anéis aumenta) e pode, portanto ser aproveitada para achar o ponto, onde a diferença de caminho óptico é nula (DCON). Nesta situação o tamanho dos anéis é tão grande que não cabe mais no campo de observação.

Retirando-se a lâmpada de Na, coloca-se uma lâmpada de luz branca com um filtro interferencial ( 5 nm de largura de passagem), o que torna a luz "quase" monocromática. Como na situação anterior, as franjas não serão projetadas, mas sim observadas diretamente no equipamento. Variando-se a posição do espelho móvel, quando se atinge a condição de DCON surgirão franjas, sendo que seu aparecimento e desaparecimento não são periódicos (Ocorrerá apenas uma vez).

Na posição de máximo contraste, pode-se retirar o filtro deixando-se apenas a fonte de luz, que ainda haverá franjas, porém não mais monocromáticas, mas sim policromáticas (Apresenta apenas um máximo de visibilidade com uma franja preta e umas poucas coloridas de cada lado) ao se atingir exatamente o DCON. Note que ao substituir ou deslocar a fonte de luz, as franjas de interferência não mudam de posição. 14.4.3 – Medida do índice de refração de gases

Figura 48 - Esquema para a medida com gases


Para que seja possível fazer a medida do índice de refração de um gás, uma cela deve ser fixada firmemente no lado do braço variável do interferômetro, de modo que não haja nenhum movimento principalmente devido à tração das mangueiras (fig. 48).

O interferômetro deverá ser alinhado com um Laser ou uma lâmpada de Hg até que as franjas se tornem circulares. Ligar a bomba de vácuo e abra a válvula lentamente para que haja tempo de registrar os dados até que o sistema esteja vazio, A sugestão do procedimento, é que um observador conte as franjas e outro anote a pressão do gás, o que pode ser feito a cada 5 franjas.

Um termômetro poderá ser acoplado à cela para anotar variações de sua temperatura. A leitura do manômetro plotada com o número de franjas nos fornecerá uma reta de onde poderemos obter o valor dN/dP ( dN é a variação do no de franjas e o dP é variação de pressão). Se o comprimento da cela for l, a variação do caminho óptico com a admissão do gás de índice de refração n será de 2 l ( n -1 ) e o número de franjas contadas será de 2 l ( n-1 ) /l , onde l é o comprimento de onda da luz usada no experimento.

O índice de refração do gás depende quase que inteiramente da densidade e não da pressão e da temperatura separadamente. Notar que somente as diferenças de pressão devem ser consideradas Um outro método, consiste em determinar o DCON antes de introduzir o gás na cela (cela com ar ou vácuo) , e o novo DCON com o gás a ser determinado, então a partir do deslocamento do espelho entre as duas situações, é possível calcular o índice de refração do gás.

Para que as medidas sejam confiáveis não esquecer de: a) Desvios da lei de gás ideal assumida no modelo matemático. b) Mudança nas dimensões da cela devido à pressão atmosférica quando estiver em vácuo. c) Influência da umidade relativa do ar. d)Variações dimensionais do interferômetro durante as medidas. 1155 -- SSeennssoorreess ddee TTeemmppeerraattuurraa

O controle de temperatura é necessário em processos industriais ou comerciais, como a refrigeração de alimentos e compostos químicos, fornos de fusão (produção de metais e ligas, destilação fracionada (produção de bebidas e derivados de petróleo), usinas nucleares e aquecedores e refrigeradores domésticos (fornos elétricos e microondas, freezers e geladeiras)).


15.1 - Medição de temperatura com Termopar

Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente.

O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.

Figura 49 – Partes de um Termopar

O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m. Este

princípio conhecido por efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura. Nas aplicações práticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura acima.

O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura (∆T) existente entre as juntas quente e fria, será de um modo geral indicado, registrado ou transmitido.

15.1.2 – Efeitos Termoelétricos

Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junções mantidas a diferentes temperaturas, quatro fenômenos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta.

A aplicação científica e tecnológica dos efeitos termoelétricos é muito importante e sua utilização no futuro é cada vez mais promissora. Os estudos das propriedades termoelétricas dos semicondutores e dos metais levam, na prática, à aplicação dos processos de medições na geração de energia elétrica (bateria solar) e na produção de calor e frio. O controle de temperatura feito por pares termoelétricos é uma das importantes aplicações do efeito Seebeck.

Atualmente, busca-se o aproveitamento industrial do efeito Peltier, em grande escala, para obtenção de calor ou frio no processo de climatização ambiente.


15.1.2.1 – Efeito termoelétrico de Seebeck

O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeck quando ele notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir um diferença de temperatura ∆T entre as suas junções. Denominamos a junta de medição de Tm, e a outra, junta de referência de Tr. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante, verifica-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste. Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro.

Figura 50 – Efeito Termoelétrico Seebeck

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metal

diferem de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções e estas são mantidas a diferentes temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos diferentes.

15.1.2.2 – Efeito termoelétrico de Peltier

Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junções variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variação adicional de temperatura é o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior como pelo próprio par termoelétrico.

Figura 51 – Efeito Termoelétrico Peltier

O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma

junção, sendo independente da temperatura da outra junção.O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto.


15.1.2.3 – Efeito termoelétrico de Thomson

Em 1854, Thomson conclui, através das leis da termodinâmica, que a condução de calor, ao longo dos fios metálicos de um par termoelétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio.

Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variação adicional na distribuição da temperatura denomina-se efeito Thomson.

O efeito Thomson depende do metal de que é feito o fio e da temperatura média da pequena região considerada. Em certos metais há absorção de calor, quando uma corrente elétrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que há geração de calor quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto é, há liberação de calor quando uma corrente elétrica flui da parte quente para a parte fria do metal. Conclui-se que, com a circulação de corrente ao longo de um fio condutor, a distribuição de temperatura neste condutor se modificará, tanto pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.

15.1.2.4 – Efeito termoelétrico de Volta

A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta enunciado a seguir: “Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencial que pode ser da ordem de Volts”.

Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente.

15.1.3 – Leis Termoelétricas

Da descoberta dos efeitos termoelétricos partiu-se através da aplicação dos princípios da termodinâmica, a enunciação das três leis que constituem a base da teoria termoelétrica nas medições de temperatura com termopares, portanto, fundamentados nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os fenômenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores.

15.1.3.1 – Lei do circuito homogêneo

“A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com suas junções as temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios". Em outras palavras, a f.e.m. medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções.


Figura 52 – Lei do circuito homogêneo

Um exemplo de aplicação prática desta lei é que podemos ter uma grande

variação de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, que esta não influirá na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura entre as juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas.

15.1.3.2 – Lei dos metais intermediários

“A soma algébrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura". Deduz-se daí que um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.

Figura 53 – Lei dos metais Intermediário

Onde se conclui que: T3 = T4 --> E1 = E2 T3 = T4 --> E1 = E2

Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão ou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.


15.1.3.3 – Lei das temperaturas intermediárias

Figura 54 – Lei das Temperaturas Intermediaria

“A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da f.e.m. deste circuito, com as junções às temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e T3”.

Um exemplo prático da aplicação desta lei, é a compensação ou correção da temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.

15.1.4 – Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura

Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura, podemos observar uma variação da f.e.m. gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlação entre temperatura e a f.e.m., por uma questão prática padronizou-se o levantamento destas curvas com a junta de referência à temperatura de 0°C.

Figura 55 – Gráfico de Temp X mV


Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala Prática Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68), recentemente atualizada pela ITS-90, para os termopares mais utilizados.

A partir dessas tabelas podemos construir um gráfico conforme a figura a seguir, onde está relacionadas a milivoltagem gerada em função da temperatura, para os termopares segundo a norma ANSI, com a junta de referência a 0°C.

15.1.5 – Tipos e Características dos Termopares

Existem várias combinações de dois metais condutores operando como termopares. As combinações de fios devem possuir uma relação razoavelmente linear entre temperatura e f.e.m. devem desenvolver uma f.e.m. por grau de mudança de temperatura, que seja detectável pelos equipamentos normais de medição.

Foram desenvolvidas diversas combinações de pares de Ligas Metálicas, desde os mais corriqueiros de uso industrial, até os mais sofisticados para uso especial ou restrito a laboratório.

Essas combinações foram feitas de modo a se obter uma alta potência termoelétrica, aliando-se ainda as melhores características como homogeneidade dos fios e resistência a corrosão, na faixa de utilização, assim cada tipo de termopar tem uma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para que se tenha a maior vida útil do mesmo. Podemos dividir os termopares em três grupos, a saber:

- Termopares Básicos - Termopares Nobres - Termopares Especiais

15.1.5.1 – Termopares básicos

São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior.

15.1.5.1.1 – TIPO T Nomenclaturas: T - Adotado pela Norma ANSI CC - Adotado pela Norma JIS Cu - Co Cobre - Constantan Liga: (+) Cobre - (99,9 %) (-) Constantan - São as ligas de Cu-Ni compreendidos no intervalo entre Cu (50 %) e Ni (35 %). A composição mais utilizada para este tipo de termopar é de Cu (58 %) e Ni (42 %). Características:

Faixa de utilização: - 200 °C a 370 °C F.e.m. produzida: - 5,603 mV a 19,027 mV


Aplicações: Criometria (baixas temperaturas), Indústrias de refrigeração, Pesquisas agronômicas e ambientais, Química e Petroquímica.

15.1.5.1.2 – TIPO J Nomenclaturas: J - Adotada pela Norma ANSI IC - Adotada pela Norma JIS Fe-Co Ferro - Constantan Liga: (+) Ferro - (99,5 %) (-) Constantan - Cu (58 %) e Ni (42 %), normalmente se produzem o ferro a partir de sua característica casa-se o constantan adequado. Características:

Faixa de utilização: -40 °C a 760 °C F.e.m. produzida: - 1,960 mV a 42,922 mV Aplicações: Centrais de energia, Metalúrgica, Química, Petroquímica, indústrias

em geral.

15.1.5.1.3 – TIPO E Nomenclatura: E - Adotada pela Norma ANSI CE - Adotada pela Norma JIS NiCr-Co Liga: (+) Chromel - Ni (90 %) e Cr (10 %) (-) Constantan - Cu (58 %) e Ni (42 %) Características:

Faixa de utilização: -200 °C a 870 °C F.e.m. produzida: - 8,824 mV a 66,473 mV Aplicações: Química e Petroquímica

15.1.5.1.4 – TIPO K Nomenclaturas: K - Adotada pela Norma ANSI CA - Adotada pela Norma JIS Liga: (+) Chromel - Ni (90 %) e Cr (10 %) (-) Alumel - Ni (95,4 %), Mn (1,8 %), Si (1,6 %), Al (1,2 %) Características:

Faixa de utilização: - 200 °C a 1260 °C F.e.m. produzida: - 5,891 mV a 50,99 mV Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e Cal,

Vidros, Cerâmica, Indústrias em geral.


15.1.5.2 - Termopares nobres

São aqueles que os pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios dos termopares.

15.1.5.2.1 – TIPO S Nomenclaturas: S - Adotada pela Norma ANSI Pt Rh 10 % - Pt Liga: (+) Platina 90% Rhodio 10 % (-) Platina 100 % Características:

Faixa de utilização: 0 °C a 1600 °C F.e.m. produzida: 0 mV a 16,771 mV Aplicações: Siderúrgica, Fundição, Metalúrgica, Usina de Cimento, Cerâmica,

Vidro e Pesquisa Científica.

Observação: É utilizado em sensores descartáveis na faixa de 1200 a 1768 °C, para medição de metais líquidos em Siderúrgicas e Fundições.

15.1.5.2.2 – TIPO R Nomenclaturas: R - Adotada pela Norma ANSI PtRh 13 % - Pt Liga: (+) Platina 87 % Rhodio 13 % (-) Platina 100 % Características:

Faixa de utilização: 0 °C a 1600 °C F.e.m. produzida: 0 mV a 18,842 mV Aplicações: As mesmas do tipo S

15.1.5.2.3 – TIPO B Nomenclaturas: B - Adotada pela Norma ANSI PtRh 30 % - PtRh 6 % Liga: (+) Platina 70 % Rhodio 30 % (-) Platina 94 % Rhodio 6 % Características:

Faixa de utilização: 600 a 1700 °C


F.e.m. produzida: 1,791 mV a 12,426 mV Aplicações: Vidro, Siderúrgica, alta temperatura em geral.

15.1.5.3 – Termopares especiais

Ao longo dos anos, os tipos de termopares produzidos oferecem, cada qual, uma característica especial, porém, apresentam restrições de aplicação, que devem ser consideradas.

Novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender as condições de processo onde os termopares básicos não podem ser utilizados. 15.1.5.3.1 – Tungstênio – Rhênio

Esses termopares podem ser usados continuamente até 2300 °C e por curto período até 2750 °C.

15.1.5.3.2 – Irídio 4 0 % - Rhodio / Irídio

Esses termopares podem ser utilizados por períodos limitados até 2000 °C.

15.1.5.3.3 – Platina - 4 0% Rhodio / Platina - 2 0 % Rhodio

Esses termopares são utilizados em substituição ao tipo B onde temperaturas um pouco mais elevadas são requeridas. Podem ser usados continuamente até 1600 °C e por curto período até 1800 °C ou 1850 °C.

15.1.5.3.4 – Ouro-Ferro / Chromel

Esses termopares são desenvolvidos para trabalhar em temperaturas criogênicas.

15.1.5.3.5 – Nicrosil / Nisil

Basicamente, este novo par termoelétrico é um substituto para o par tipo K, apresentando uma força eletromotriz um pouco menor em relação ao tipo K.

15.1.6 – Correção da Junta de Referência

As tabelas existentes da f.e.m. gerada em função da temperatura para os termopares, têm fixado a junta de referência a 0 °C ( ponto de solidificação da água ), porém nas aplicações práticas dos termopares junta de referência é considerada nos terminais do instrumento receptor e esta se encontra a temperatura ambiente que é


normalmente diferente de 0 °C e variável com o tempo, tornando assim necessário que se faça uma correção da junta de referência, podendo esta ser automática ou manual

Os instrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer a correção da junta de referência automaticamente, sendo um dos métodos utilizados, a medição da temperatura nos terminais do instrumento, através de circuito eletrônico, sendo que este circuito adiciona a milivoltagem que chega aos terminais, uma milivoltagem correspondente a diferença de temperatura de 0 °C à temperatura ambiente.

Existem também alguns instrumentos em que a compensação da temperatura é fixa em 20 °C ou 25 °C. Neste caso, se a temperatura ambiente for diferente do valor fixo, o instrumento indicará a temperatura com um erro que será tanto maior quanto maior for a diferença de temperatura ambiente e do valor fixo.

Figura 56 – Termopar Tipo K

É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as

temperaturas das junções. Então para medirmos a temperatura do ponto desejado precisamos manter a temperatura da junção de referência invariável.

Figura 57 – Leitura Termopar

FEM = JM - JR FEM = 2,25 - 1,22 FEM = 1,03 mV 20 °C

Esta temperatura obtida pelo cálculo está errada, pois o valor da temperatura correta que o meu termômetro tem que medir é de 50 °C.

FEM = JM - JR FEM = 2,25 - 1,22 FEM = 1,03 mV + a mV correspondente a temperatura ambiente para fazer a

compensação automática, portanto: FEM= mV JM – mV JR + mV CA (Compensação automática)


FEM = 2,25 - 1,22 + 1,22 FEM = 2,25 mV 50 °C A leitura agora está correta, pois 2,25 mV corresponde a 50 °C que é a

temperatura do processo. Hoje em dia a maioria dos instrumentos fazem a compensação da junta de

referência automaticamente. A compensação da junta de referência pode ser feita manualmente. Se Pega o valor da mV na tabela correspondente a temperatura ambiente e acrescenta-se ao valor de mV lido por um milivoltímetro.

15.1.7 – Fios de Compensação e Extensão

Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura, através de termopares, o elemento sensor não se encontra junto ao instrumento receptor.

Nestas condições torna-se necessário que o instrumento seja ligado ao termopar, através de fios que possuam uma curva de força eletromotriz em função da temperatura similar aquela do termopar, afim de que no instrumento possa ser efetuada a correção na junta de referência.

Definições: 1- Convenciona-se chamar de fios aqueles condutores constituídos por um eixo

sólido e de cabos aqueles formados por um feixe de condutores de bitola menor, formando um condutor flexível.

2- Chama-se de fios ou cabos de extensão aqueles fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam. Exemplo: Tipo TX, JX, EX e KX.

3- Chama-se de fios ou cabos de compensação àqueles fabricados com ligas diferentes das dos termopares a que se destinam, porém que forneçam, na faixa de utilização recomendada, uma curva da força eletromotriz em função da temperatura equivalente à desses termopares. Exemplo: Tipo SX e BX.

Os fios e cabos de extensão e compensação são recomendados na maioria dos casos para utilização desde a temperatura ambiente até um limite máximo de 200 °C.

15.1.8 – Erros De Ligação

Usando fios de cobre

Geralmente na aplicação industrial, é necessário que o termopar e o instrumento encontrem-se relativamente afastados, por não convir que o aparelho esteja demasiadamente próximo ao local onde se mede a temperatura.Nestas circunstâncias deve-se, processar a ligação entre os terminais do cabeçote e o aparelho, através de fios de extensão ou compensação.

Tal procedimento é executado sem problemas desde que, o cabeçote onde estão os terminais do termopar e o registrador, estejam a mesma temperatura de medição.


Vejamos o que acontece quando esta norma não é obedecida.

Figura 58 – Erro de ligação utilizando fio de cobre

Uma solução simples é que normalmente é usada na prática, será a inserção de fios de compensação entre o cabeçote e o registrador. Estes fios de compensação em síntese, nada mais são que outros termopares cuja função é compensar a queda da FEM que aconteceu no caso estudado, ocasionada pela diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador.

Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invés de cobre usamos um fio compensado. A figura mostra de que maneira se processa a instalação.

Figura 59 – Ligação utilizando fio Compensado

Como no caso acima, a FEM efetiva no cabeçote é de 20,74 mV. Dela, até o

registrador, são utilizados fios de extensão compensados, os quais adicionam a F.E.M. uma parcela igual a 0,57 mV, fazendo assim com que chegue ao registrador uma FEM efetiva de 22,26 mV. Este valor corresponderá a temperatura real dentro do forno (538


°C ). A vantagem desta técnica provém do fato de que os fios de compensação, além de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, também são mais resistentes.

Inversão simples

Conforme o esquema a seguir, os fios de compensação foram invertidos. Assume-se que o forno esteja a 538 °C, o cabeçote a 38 °C e o registrador a 24

°C. Devido a diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador, será gerada uma FEM de 0,57 mV. Porém em virtude da simples inversão, o fio positivo está ligado no borne negativo do registrador e vice-versa. Isto fará com que a FEM produzida ao longo do circuito se oponha àquela do circuito de compensação automática do registrador. Isto fará com que o registrador indique uma temperatura negativa.

Figura 60 – Inversão Simples

Inversão dupla

No caso a seguir, consideramos o caso da existência de uma dupla inversão, isto acontece com freqüência, pois, quando uma simples inversão é constatada, é comum pensar-se que uma nova troca de ligação dos terminais compensará o erro. Porém isto não acontece, e a única maneira de solucionar o problema será efetuar uma ligação correta.

Figura 61 – Inversão Dupla


15.1.9 - Termopares e Acessórios

As figuras 3.26 à 3.28 ilustram termopares convencionais, em sua montagem, com e sem isoladores, cabeçote típico em conjunto com bloco de ligação e proteção de termopares.

Figura 3.26 – Termopares convencionais

Figura 3.27 – Cabeçote e bloco de ligação


Figura 3.28 – Poços de proteção para termopares

Os termopares são, geralmente, montados dentro de tubos de proteção metálicos para torná-los resistentes a eventuais choques mecânicos e corrosão ou abrasão do fluído. 15.1.10 – Termopar de Isolação Mineral

O termopar de isolação mineral é constituído de um ou dois pares termoelétricos, envolvidos por um pó isolante de óxido de magnésio, altamente compactado em uma bainha externa metálica. Devido a esta construção, os condutores do par termoelétrico ficam totalmente protegidos contra a atmosfera exterior, conseqüentemente a durabilidade do termopar depende da resistência a corrosão da sua bainha e não da resistência a corrosão dos condutores. Em função desta característica, a escolha do material da bainha é fator importante na especificação destes.

15.1.10.1 – Vantagens dos termopares de isolação mineral

Figura 62 – Termopar de Insolação Mineral


A. Estabilidade Na Força Eletromotriz A estabilidade da FEM do termopar é caracterizada em função dos condutores

estarem completamente protegidos contra a ação de gases e outras condições ambientais, que normalmente causam oxidação e conseqüentemente perda da FEM gerada.

B. Resistência Mecânica O pó muito bem compactado, contido dentro da bainha metálica, mantém os

condutores uniformemente posicionados, permitindo que o cabo seja dobrado achatado, torcido ou estirado, suporte pressões externas e choque térmico, sem qualquer perda das propriedades termoelétricas.

C. Dimensão Reduzida O processo de fabricação permite a produção de termopares de isolação mineral,

com bainhas de diâmetro externo até 1,0 mm, permitindo a medida de temperatura em locais que não eram anteriormente possíveis com termopares convencionais.

D. Impermeabilidade a Água , Óleo e Gás A bainha metálica assegura a impermeabilidade do termopar a água, óleo e gás.

E. Facilidade De Instalação A maleabilidade do cabo, a sua pequena dimensão, longo comprimento grande

resistência mecânica, asseguram facilidade de instalação, mesmo nas situações mais difíceis.

F. Adaptabilidade A construção do termopar de isolação mineral permite que o mesmo seja tratado

como se fosse um condutor sólido. Em sua capa metálica podem ser montados acessórios, por soldagem ou brasagem e quando necessário, sua seção pode ser reduzida ou alterada em sua configuração.

G. Resposta Mais Rápida A pequena massa e a alta condutividade térmica do pó de óxido de magnésio

proporcionam ao termopar de isolação mineral um tempo de resposta que é virtualmente igual ao de um termopar descoberto de dimensão equivalente.

H. Resistência A Corrosão As bainhas podem ser selecionadas adequadamente para resistir ao ambiente

corrosivo.


I. Resistência De Isolação Elevada O termopar de isolação mineral tem uma resistência de isolação elevada, numa

vasta gama de temperaturas, a qual pode ser mantida sob condições mais úmidas.

J. Blindagem Eletrostática A bainha do termopar de isolação mineral, devidamente aterrada, oferece uma

perfeita blindagem eletrostática ao par termoelétrico.

15.1.11 – Associação de Termopares

Associação série

Podemos ligar os termopares em série simples para obter a soma das mV individuais. É a chamada termopilha. Este tipo de ligação é muito utilizada em pirômetros de radiação total, ou seja, para soma de pequenas mV.

Figura 63 – Termopares ligados em Série

O instrumento de medição pode ou não compensar a mV da junta de referência.

Se compensar deverá compensar uma mV correspondente ao no. De termopares aplicados na associação.

Exemplo: Três termopares mVJR = 1 mV compensa 3 mV

Associação série – oposta

Para medir a diferença de temperatura entre 2 pontos ligamos os termopares em série oposta.

O que mede maior temperatura vai ligado ao positivo do instrumento. Os termopares sempre são do mesmo tipo. Exemplo:

Os termopares estão medindo 56 °C e 50 °C respectivamente, e a diferença será

medida pelo milivoltímetro.


Figura 64 – Termoresistencia ligada em série oposta

FEM T = FEM2 – FEM1 56 °C = 2,27 mV FEM T = 2,27 - 2,022 50 °C = 2,022 mV FEM T = 0,248 mV = 6 °C

Não é necessário compensar a temperatura ambiente desde que as juntas de referência estejam a mesma temperatura.

Associação em paralelo

Ligando 2 ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento, teremos a média das mV geradas nos diversos termopares se as resistências internas foram iguais.

15.2 – Medição de Temperatura por termo-resistência

Os métodos de utilização de resistências para medição de temperatura iniciaram-se ao redor de 1835, com Faraday, porém só houve condições de se elaborar as mesmas para utilização em processos industriais a partir de 1925.

Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas condições

de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixa índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso.

Devido a estas características, esse sensor é padrão internacional para a medição de temperatura na faixa de -270 °C a 660 °C. em seu modelo de laboratório.

15.2.1 – Princípio de Funcionamento

Os bulbos de resistência são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência em função da temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, cobre ou níquel, que são metais que apresentam características de:


a) Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor. b) Ter alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura. c) Ter rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos.

A equação que rege o fenômeno é a seguinte:

Para faixa de -200 a 0 oC: Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T2 + C . T3 . ( T – 100 ) ] Para faixa de 0 a 850 oC: Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T2 ] onde: Rt = resistência na temperatura T (Ω) R0= resistência a 0 oC (Ω) T = temperatura (oC ) A, B, C = coeficientes inerentes do material empregado.

A = 3,90802. 10-3 B = -5,802. 10-7 C = -4,2735 . 10-12

O número que expressa a variação de resistência em função da temperatura é

chamado de alfa (α) e se relaciona da seguinte forma:

RRR oo

0.100

01−

=α

Um valor típico de alfa para R100 = 138,50 Ω é de 3,850. 10-3 Ω . Ω-1. oC-1

segundo a DIN-IEC 751/85.

15.2.2 – Construção Física Do Sensor

O bulbo de resistência se compõe de um filamento, ou resistência de Pt, Cu ou Ni, com diversos revestimentos, de acordo com cada tipo e utilização.

As termorresistências de Ni e Cu têm sua isolação normalmente em esmalte, seda, algodão ou fibra de vidro. Não existe necessidade de proteções mais resistentes à temperatura, pois acima de 300 °C o níquel perde suas propriedades características de funcionamento como termorresistência e o cobre sofre problemas de oxidação em temperaturas acima de 310 °C.

Os sensores de platina, devido a suas características, permitem um funcionamento

até temperaturas mais elevadas, têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro. A este sensor são dispensados maiores cuidados de fabricação, pois, apesar


da Pt não restringir o limite de temperatura de utilização, quando a mesma é utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminação dos fios.

Para utilização como termômetro padrão, os sensores de platina são completamente desapoiados do corpo de proteção. A separação é feita por isoladores, espaçadores de mica, conforme desenho abaixo. Esta montagem não tem problemas relativos à dilatação, porém é extremamente frágil.

Os medidores parcialmente apoiados têm seus fios introduzidos numa peça de alumina de alta pureza com fixador vítreo. É um meio termo entre resistência a vibração e dilatação térmica.

A versão completamente apoiada pode suportar vibrações muito mais fortes, porém sua faixa de utilização fica limitada a temperaturas mais baixas, devido à dilatação dos componentes.

Figura 65 – Construção Física do Sensor

15.2.3 – Características da Termo-resistência De Platina

As termo-resistências Pt - 100 são as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade, larga faixa de utilização e alta precisão. Devido a alta estabilidade das termorresistências de platina, as mesmas são utilizadas como padrão de temperatura na faixa de -270 °C a 660 °C. A estabilidade é um fator de grande importância na indústria, pois é a capacidade do sensor manter e reproduzir suas características ( resistência - temperatura ) dentro da faixa especificada de operação.

Outro fator importante num sensor Pt 100 é a repetibilidade, que é a característica de confiabilidade da termorresistência. Repetibilidade deve ser medida com leitura de temperaturas consecutivas, verificando-se a variação encontrada quando de medição novamente na mesma temperatura.

O tempo de resposta é importante em aplicações onde à temperatura do meio em que se realiza a medição está sujeito a mudanças bruscas.

Considera-se constante de tempo como tempo necessário para o sensor reagir a uma mudança de temperatura e atingir 63,2 % da variação da temperatura.


Figura 66 – Termo-Resistência de Platina

Na montagem tipo isolação mineral, tem-se o sensor montado em um tubo metálico com uma extremidade fechada e preenchido todos os espaços com óxido de magnésio, permitindo uma boa troca térmica e protegendo o sensor de choques mecânicos. A ligação do bulbo é feita com fios de cobre, prata ou níquel isolado entre si, sendo a extremidade aberta, selada com resina epóxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar.

Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro e apresenta rápida velocidade de resposta.

Vantagens:

a) Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outro tipo de sensores.

b) Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação. c) Dispensa utilização de fiação especial para ligação. d) Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente. e) Têm boas características de reprodutibilidade. f) Em alguns casos substitui o termopar com grande vantagem.

Desvantagens:

a) São mais caras do que os sensores utilizados nessa mesma faixa. b) Deterioram-se com mais facilidades, caso haja excesso na sua temperatura

máxima de utilização. c) Temperatura máxima de utilização 630 °C. d) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada

para indicar corretamente. e) Alto tempo de resposta.

15.2.4 – Princípio de Medição

As termorresistências são normalmente ligadas a um circuito de medição tipo Ponte de Wheatstone, sendo que o circuito encontra-se balanceado quando é respeitada a relação R4.R2 = R3.R1 e desta forma não circula corrente pelo detector de nulo, pois se esta relação é verdadeira, os potenciais nos pontos A e B são idênticos. Para utilização deste circuito como instrumento de medida de termorresistência, teremos as seguintes configurações:


Figura 67 – Configuração da Termo-Resistência

15.2.4.1 – Ligação a 2 fios

Como se vê na figura, dois condutores de resistência relativamente baixa RL1 e RL2 são usados para ligar o sensor Pt-100 (R4) à ponte do instrumento de medição.

Nesta disposição, a resistência R4 compreende a resistência da Pt-100 mais a resistência dos condutores RL1 e RL2. Isto significa que os fios RL1 e RL2 a menos que sejam de muito baixa resistência, podem aumentar apreciavelmente a resistência do sensor.

Figura 68 – Termo-Resistência ligada a 2 Fios

Tal disposição resultará em erro na leitura da temperatura, a menos que algum

tipo de compensação ou ajuste dos fios do sensor de modo a equilibrar esta diferença de resistência. Deve-se notar que, embora a resistência dos fios não se altere em função do tamanho dos fios uma vez já instalado, os mesmos estão sujeitos às


variações da temperatura ambiente, o que introduz uma outra possível fonte de erro na medição.

O método de ligação a dois fios, somente deve ser usado quando o sensor estiver á uma distância de aproximadamente 3 metros.

Concluindo, neste tipo de medição a 2 fios, sempre que a temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação variar, a leitura de temperatura do medidor introduzirá um erro, devido a variação da resistência de linha .

15.2.4.2 – Ligação a 3 fios

Este é o método mais utilizado para termorresistências na indústria. Neste circuito a configuração elétrica é um pouco diferente, fazendo com que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor, permitindo que o RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceando o circuito. Na ligação a 2 fios, as resistências de linha estavam em série com o sensor, agora na ligação a 3 fios elas estão separadas.

Figura 69 – Termo-Resistência ligada a 3 fios

Nesta situação, tem-se a tensão EAB, variando linearmente em função da

temperatura da PT-100 e independente da variação da temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação. Este tipo de ligação garante relativa precisão mesmo com grandes distâncias entre elemento sensor e circuito de medição.

15.3 – Medição de temperatura por radiação

Ao se medirem temperaturas em que o contato físico com o meio é impossível ou impraticável, faz-se uso da pirometria óptica ou de radiação térmica.

Um corpo aquecido emite energia mesmo que esteja no vácuo. Esta energia, a radiação térmica, é transportada por ondas eletromagnéticas, como a energia luminosa, mas com predominância de freqüências bem menores que as do espectro visível, enquanto o corpo está à temperatura não muito elevada.


À medida que se aquece um corpo, a partir de temperaturas da ordem de 500 °C, o corpo começa a ficar visível porque começa a emitir radiações que tem uma fração apreciável com freqüência de luz: o espectro visível.

Ainda assim a maior parte da intensidade da radiação tem freqüência localizada na região do infravermelho.

Se pudéssemos aquecer indefinidamente o corpo, ele passaria do rubro para o branco e para o azul, Isto indica que a predominância da intensidade de radiação emitida dentro do espectro visível corresponde a freqüências crescentes à medida que a temperatura do corpo é elevada.

15.3.1 – Radiação Eletromagnética

Hipóteses de Maxwell

Os trabalhos científicos de Coulomb, Ampère, Faraday e outros estabeleceram os princípios da Eletricidade. Na década de 1860, o físico escocês Maxwell desenvolveu uma teoria matemática, na qual generalizou estes princípios. Considerando que na indução eletromagnética um campo magnético variável induz uma força eletromotriz, o que é característico de um campo elétrico, Maxwell apresentou as seguintes hipóteses: 1 – Um campo magnético variável é equivalente, nos seus efeitos, a um campo elétrico e inversamente, 2 – Um campo elétrico variável é equivalente, nos seus efeitos, a um campo magnético. Com essas hipóteses, Maxwell generalizou, matematicamente, os princípios da Eletricidade. A verificação experimental de sua teoria só foi possível quando se considerou um novo tipo de onda, as chamadas ondas eletromagnéticas. Essas ondas surgem como conseqüência de dois efeitos: um campo magnético variável produz um campo elétrico, e um campo elétrico variável produz um campo magnético. Esses dois campos em constantes e recíprocas induções propagam-se pelo espaço.

Ondas eletromagnéticas As ondas ocorrem quando uma perturbação originada em uma região pode ser reproduzida nas regiões adjacentes em um instante posterior. De acordo com Maxwell, se em um ponto P produzirmos um campo elétrico variável E, ele induzirá um campo magnético B variável com o tempo e com a distância ao ponto P. Além disso, o vetor B variável induzirá um vetor E, que também varia com o tempo e com a distância do campo magnético variável. Esta indução recíproca de campos magnéticos e elétricos, variáveis com o tempo e com a distância, torna possível a propagação desta seqüência de induções através do espaço.


Figura 70 – Propagação das Ondas Eletromagnéticas no espaço

Portanto, uma perturbação elétrica no ponto P, devida à oscilação de cargas elétricas, por exemplo, se propaga a pontos distantes através da mútua formação de campos elétricos e magnéticos variáveis. Maxwell estabeleceu equações para a propagação desta perturbação, mostrando que ela apresentava todas as características de uma onda: refletindo, refratando, difratando e interferindo. Por isto, denominou-a ondas ou radiações eletromagnéticas.

Espectro eletromagnético Hoje, sabemos que existe uma variação ampla e contínua nos comprimentos de onda e freqüência das ondas eletromagnéticas. No quadro abaixo, temos um resumo dos diversos tipos de ondas eletromagnéticas, chamado espectro eletromagnético; as freqüências estão em hertz e os comprimentos de onda, em metros.

Figura 71 – Espectro eletromagnético

Analisando esse quadro, observamos que luz, ondas de rádio e raios X, são nomes

dados a certas faixas de freqüência e comprimentos de onda do espectro eletromagnético. Cada nome caracteriza uma faixa, na qual as ondas são emitidas e recebidas de um modo determinado. Por exemplo, a luz, de comprimentos de onda em


torno de 10-6 m, pode ser percebida através de seu efeito sobre a retina, provocando a sensação de visão; mas, para detectar ondas de rádio, cujo comprimento de onda varia em torno de 105 m a 10-1 m, precisamos de equipamentos eletrônicos.

15.1.2 – Teoria da Medição de Radiação

Em 1860, Gustav Kirchoff demonstrou a lei que estabelecia a igualdade entre a capacidade de um corpo em absorver e emitir energia radiante. Essa lei é fundamental na teoria da transferência de calor por radiação. Kirchoff também propôs o termo "corpo negro" para designar um objeto que absorve toda a energia radiante que sobre ele incide.

Tal objeto, em conseqüência, seria um excelente emissor.

Figura 72 – Gráfico da Radiação

Em 1879, Joel Stefan enunciou, a partir de resultados experimentais, a lei que

relaciona a radiância de um corpo com a sua temperatura. A radiância, W, é a potência da radiação térmica emitida, por unidade de área da superfície do corpo emissor. Ludwig Boltzmann chegou, em 1884, às mesmas conclusões através da termodinâmica clássica, o que resultou na chamada Lei de Stefan-Boltzmann:

W= ε . δ .T4

Onde:


W = energia radiante ( Watts/m2) δ = Constante de Stefan-Boltzmann (5,7 .10 -8 .W.K4) m2 T = Temperatura absoluta ε = Emissividade

Para o corpo negro a máxima emissividade é igual a um. Portanto:

W = δδδδ .T4

Embora o corpo negro seja uma idealização, existem certos corpos como laca

preta, placas ásperas de aço, placas de asbesto, com poder de absorção e de emissão de radiação térmica tão altos que podem ser considerado idênticos ao corpo negro.

O corpo negro é considerado, portanto, um padrão com o qual são comparadas as emissões dos corpos reais.

Quando, sobre um corpo qualquer ocorrer à incidência de irradiação, teremos uma divisão dessa energia em três parcelas:

W = WA + WR + WT Onde: W = energia Incidente WA = energia absorvida WR = energia refletida WT = energia transmitida Sendo: - Absorvidade : α = WA W - Refletividade: δ = WR W - Transmissividade: τ = WT W Figura 73 – Radiação em um Corpo

Somando-se os três coeficientes para um mesmo comprimento de onda temos: α + δ + τ = 1

Para materiais opacos, τ = 0.

Normalmente a absorvidade é denominada "emissividade" que simbolizaremos por εεεε , e é influenciada por vários fatores. Os principais são:


a) Acabamento superficial: as superfícies polidas têm uma baixa absorvidade

porque a refletividade é alta. b) Natureza do material. c) Temperatura da superfície: quando esta aumenta a emissividade também

aumenta. De acordo com Lei de Kirchoff existe uma igualdade entre a capacidade de um

corpo em absorver a energia incidente e sua capacidade de reemiti-la. Chama-se a esta última de “emissividade”, a qual pode ser assim definida:

“A emissividade é a relação entre a energia irradiada, em um dado comprimento de onda, por um corpo qualquer e um corpo negro à mesma temperatura”.

ε = W (corpo qualquer) W (corpo negro)

Assim definida, a emissividade assume sempre valores entre 0 e 1, sendo numericamente iguais à fração de radiação absorvida pelo corpo . Considerando a radiação térmica emitida pelo corpo negro , como composta de ondas eletromagnéticas e obtido experimentalmente o seu espectro em função da temperatura, estava constituído o desafio aos físicos teóricos: explicar este espectro a partir de sua causa microscópica.

Uma onda eletromagnética de rádio ou televisão é emitida por uma antena que essencialmente se constitui de cargas oscilantes, isto é, um oscilador eletromagnético. No caso da radiação emitida por um corpo “as antenas” eram consideradas os osciladores microscópios provenientes da oscilação de cargas moleculares devido à vibração térmica no interior do corpo. Num sólido, a uma determinada temperatura, as diversas moléculas oscilariam nas diversas freqüências, emitindo a radiação com o espectro estudado.

Em 1901, o físico alemão Max PlancK publicou os resultados do seu estudo da radiação térmica, onde satisfazia todos os requisitos conceituais experimentais da radiação do corpo negro.

15.3.3 – Pirômetros Ópticos

O pirômetro óptico é o dispositivo oficial reconhecido internacionalmente para medir temperaturas acima de 1064,43 °C. É usado para estabelecer a Escala Internacional Prática de Temperatura acima de 1064,43 °C.

O pirômetro óptico mede a intensidade de energia radiante emitida numa faixa estreita do comprimento de onda do espectro visível. A intensidade da luz no espectro visível emitida por um objeto quente varia rapidamente com sua temperatura. Assim, com uma pequena variação da temperatura há uma variação muito maior na luminosidade, o que fornece um meio natural para a determinação de temperaturas com boa precisão.


O pirômetro óptico é um instrumento com o qual a luminosidade desconhecida de um objeto é medida comparando-a com a luminosidade conhecida de uma fonte padrão. Os pirômetros utilizam dois métodos para comparação:

- Variando a intensidade da luz emitida por uma lâmpada padrão (corrente que passa

através do filamento) até atingir o mesmo brilho da fonte. - Variando a luminosidade aparente do corpo quente através de dispositivos ópticos

enquanto uma corrente constante atravessa o filamento da lâmpada padrão que permanece com brilho constante.

A comparação do brilho entre a fonte a ser medida e o filamento da lâmpada é feita por um observador, o que faz com que essa medida dependa, portanto, da sensibilidade do olho humano às diferenças no brilho entre duas fontes da mesma cor .

Figura 74 – Pirômetro Óptico

Ao considerar-se uma aplicação deve-se levar em consta os seguintes dados:

- Os limites normais de utilização estão entre 750 °C e 2850 °C. Com filtros de absorção especiais, pode-se estender sua calibração até 5500 °C.

- As medidas efetuadas com pirômetros ópticos são independentes da distância entre a fonte e o aparelho, além de que são providos de um conjunto de lentes que aproxima o objetivo a ser medido.

- Em uso industrial, consegue-se uma precisão de até ± 2%. - Devido à medida de temperatura ser baseado na emissividade da luz (brilho), erro

significativo pode ser criado, devido à reflexão de luz ambiente pela fonte a ser medida.

- Quando o meio onde se executa a medida possui partículas em suspensão, causando assim uma diminuição da intensidade da luz proveniente da fonte, diminuindo a precisão da medição.


15.3.4 – Radiômetro Ou Pirômetros De Radiação

Os radiômetros (ou pirômetros de radiação) operam essencialmente segundo a lei de Stefan-Boltzmann. São os sistemas mais simples, neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detetor do tipo termopilha (associação em série - ver figura abaixo) ou do tipo semicondutor nos mais modernos, onde gera um sinal elétrico no caso da termopilha ou altera o sinal elétrico no caso do semicondutor.

Como não possuem mecanismo de varredura próprio, o deslocamento do campo de visão instantâneo é realizado pela movimentação do instrumento como um todo. Os radiômetros são em geral portáteis, mas podem ser empregados também no controle de processos a partir de montagens mecânicas fixas ou móveis.

Graças à utilização de microprocessadores, os resultados das medições podem ser memorizados para o cálculo de temperaturas e seleção de valores.

A apresentação dos resultados é normalmente feita através de mostradores analógicos e digitais, podendo ainda ser impressa em papel ou gravada em fita magnética para posterior análise. Alguns radiômetros são diretamente conectados com unidades de controle ou registradores através de interface analógica/digital.

Figura 75 – Radiometros

Os radiômetros são usados industrialmente onde:

- As temperaturas estão acima da faixa de operação prática dos termopares. - A atmosfera do processo for prejudicial aos pares termoelétricos, causando medidas

falsas e pequena durabilidade ao par. - No interior de fornalhas a vácuo ou pressão, onde os sensores de temperatura

danificam o produto. - O objeto cuja temperatura se vai medir está em movimento. - Em locais onde os termopares não podem ser instalados, por causa de vibrações,

choques mecânicos ou impossibilidade de montagem.


Ao considerar-se uma aplicação deve-se levar em conta os seguintes dados:

- A temperatura do alvo e a temperatura normal de operação. - O sinal de saída é independente da distância do alvo, desde que o campo de visão do

sistema óptico esteja preenchido totalmente pelo mesmo. - O material da fonte e sua emitância. - Ângulos de visada com aplicações em corpo não negro (deve-se restringir o ângulo

para uma visada de 45°, ou menos, da perpendicular). - As condições do ambiente, temperatura e poeira. - Velocidade do alvo.

Os radiômetros operam numa faixa entre -30 °C a 4000 °C, respondendo em 0,1 ou 0,2 segundos a 98% da mudança de temperatura com precisão de ± 1% da faixa medida.

Figura 76 – Construção de um Radiômetros

16 – SSeennssoorreess ddee VVeelloocciiddaaddee

Empregam-se nos controles e medidores de velocidade de motores dentro de máquinas industriais, eletrodomésticos como videocassete e CD, unidades de disquetes e Winchesters de computadores, na geração de eletricidade (garantindo a freqüência da CA), entre outros.

1166..11 –– TTaaccooggeerraaddoorr

É um pequeno gerador elétrico de CC, com campo fornecido por imã. A tensão gerada, pela Lei de Faraday é proporcional à velocidade com que o fluxo magnético é cortado pelo enrolamento do rotor. Assim, o Tacogerador é um transdutor mecânico elétrico linear. V = K n

K é uma constante que depende do campo do imã, do número de espiras e pólos e das dimensões do rotor; n é a rotação do eixo (por minuto, rpm, ou segundo, rps).


A polaridade da tensão gerada depende do sentido de rotação.

Figura 77 – Construção Taco Gerador

1166..22 –– IInntteerrrruuppttoorr ddee LLââmmiinnaass

Conhecido como reed-switch (em inglês), compõe-se de duas lâminas de ferro próximas, dentro de um pequeno envoltório de vidro. Ao se aproximar um imã ou solenóide as duas lâminas se encostam, fechando os contatos externos.

Instalando-se um imã na periferia de uma roda, que gira poucos mm em frente ao interruptor de lâminas, este fechará os contatos a cada volta. Se este for ligado a uma tensão contínua, gerará pulsações numa freqüência proporcional à rotação da roda.

Além de seu uso como sensor de velocidade, é encontrado em alarmes, indicando porta ou janela fechada (um imã é instalado nesta, e o reeds-witch no batente), e em sensores de fim-de-curso, em máquinas industriais, gavetas de toca-discos CD e videocassete, etc. 1166..33 –– SSeennssoorreess ÓÓppttiiccooss

Empregam foto-diodos ou foto-transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois tipos básicos: - Sensor de reflexão - Interrupção de luz.

NNoo sseennssoorr ddee rreefflleexxããoo um feixe luminoso atinge um disco com um furo ou marca de cor contrastante, que gira. O sensor recebe o feixe refletido, mas na passagem do


furo a reflexão é interrompida (ou no caso de marca de cor clara a reflexão é maior), e é gerado um pulso pelo sensor.

OO sseennssoorr ddee iinntteerrrruuppççããoo ddee lluuzz usa também um disco com furo, e a fonte de luz

e o sensor ficam em lados opostos. Na passagem pelo furo, o feixe atinge o sensor, gerando um pulso.

A freqüência destes pulsos é igual à velocidade, em rps, nos dois tipos. As vantagens destes sensores são o menor tamanho e custo, a maior

durabilidade e a leitura à distância. É usado em sistemas de controle e tacômetros portáteis. 1177 –– SSeennssoorreess ddee VVaazzããoo

A medição de vazão é definida, no seu sentido mais amplo, como a determinação da quantidade de líquido, gás ou sólido que passa em um determinado local por unidade de tempo. Pode também ser definida como a quantidade total de fluido movimentado.

A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros, mm3, cm3, m3, galões, pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, kg, toneladas, libras). A vazão instantânea é dada por uma das unidades acima, dividida por uma unidade de tempo (litros/min, m3/hora, galões/min). No caso de gases e vapores, a vazão instantânea pode ser expressa em kg/h ou em m3/h. Quando se mede a vazão em unidades de volume, devem ser especificadas as "condições-base" consideradas. Assim, no caso de líquidos, é importante indicar que a vazão se considera "nas condições de operação", ou a 0°C, 20°C, ou a outra temperatura qualquer. Na medição de gases, é comum indicar a vazão em Nm3/h (normais metros cúbicos por hora, ou seja, à temperatura de 0°C e à pressão atmosférica) ou em SCFM (pés cúbicos standard por minuto - temperatura 60°F e 14,696 psia de pressão atmosférica).

Vale dizer que: 1 m3 = 1000 litros 1 galão (americano) = 3,785 litros = 0,0283168 m3 1 libra = 0,4536 kg

17.1 - Tipos de Medidores de Vazão

Existem dois tipos de medidores de vazão: os medidores de quantidade e os medidores volumétricos.

17.1.1 - Medidores de Quantidade

São aqueles que, a qualquer instante, permitem saber que quantidade de fluxo

passou, mas não a vazão do fluxo que está passando. Exemplo: bombas de gasolina, hidrômetros, balanças industriais, etc.


Os medidores de quantidade podem ser classificados em: medidores de quantidade por pesagem e medidores de quantidade volumétrica.

Os medidores de quantidade por pesagem são utilizados para medição de sólidos,

como as balanças industriais. Os de quantidade volumétrica são aqueles que o fluido, passando em

quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação. Estes medidores são utilizados como os elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros. Exemplos: disco mutante, tipo pistão, tipo pás giratórias, tipo nódulos rotativo, etc, ilustrados pela figura 4.1.

Figura 4.1 – Tipos de medidores de quantidade

17.1.2 - Medidores Volumétricos

São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo.

17.1.2.1 - Medição de Vazão por Pressão Diferencial


A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluido passe através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluido diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode, então, ser medida a partir desta queda (Figura 4.2).

Figura 4.2 – Medição de vazão por pressão diferencial

Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por ∆P é que os mesmos podem ser aplicados a uma grande variedade de medições, envolvendo a maioria dos gases e líquidos, inclusive fluidos com sólidos em suspensão, bem como fluidos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla. Um inconveniente deste tipo de medidor é a perda de carga que este causa ao processo, sendo a placa de orifício o dispositivo que provoca a maior perda de carga "irrecuperável" (de 40 a 80% do ∆P gerado).

17.2.1.2 - Instalação e Método de Medição de Vazão por ∆∆∆∆p

Na indústria, o método mais utilizado para medir vazão pelo princípio da pressão


diferencial variável é através da placa de orifício. Uma instalação típica de medição por placa de orifício pode ser observada na figura 4.4.

Figura 4.4 – Método de medição de vazão por ∆p para gases Podemos representar esquematicamente esta malha de medição através do

fluxograma mostrado pela figura 4.5:

Figura 4.5 – Fluxograma de uma malha de medição de vazão

Partindo-se da Equação Geral de Bernoulli, conclui-se que a vazão só irá variar

em função de , pois todos os outros parâmetros são constantes. Desta forma, podemos simplificar a expressão da vazão por:

Onde Q = Vazão k = Constante que depende de fatores como: - Relação entre orifício e tubulação - Características do fluido ∆P = Diferença entre as pressões a montante a jusante da placa de orifício.


É importante observar que o ∆P varia quadraticamente em função da vazão Q, conforme ilustrado pela figura 4.6 e a tabela 4.1.

Figura 4.6 – Diferença quadrática entre ∆P e a vazão

Vazão ∆P 0,0 0,0 50,0 25,0 70,7 50,0 86,6 75,0 100,0 100,0

Tabela 4.1 – Comparação de valores entre ∆P e a vazão Supondo o fluxograma mostrado na Figura 4.7, sabe-se que esta malha possui

como características: Vazão máxima de 10 m3/h e o ∆P produzido com esta vazão é de 2500 mmH20. Como saber o sinal de saída do transmissor (FT) calibrado de 3 a 15 psi, quando a vazão for 8 m3/h ?


Figura 4.7 – Fluxograma de uma malha de vazão sem extração de raiz quadrada Determinação do k:

Para vazão máxima:

Portanto:

Então:

Outro método de trabalho baseia-se no cálculo em porcentagem adotando-

se k = 10. Então: 8 m3/h equivale a 80% da vazão. Portanto:


O sinal de saída de um transmissor de vazão por pressão diferencial variável

altera-se linearmente em função do ∆P e quadraticamente em função da vazão. Portanto, quando é acoplado um indicador para fazer a leitura de vazão vinda do transmissor, sua escala deve ser quadrática para termos leitura direta. Para linearizar o sinal de saída do transmissor em função de vazão, faz-se necessário o uso de um extrator de raiz quadrada, conforme mostrado no fluxograma da figura 4.8.

Figura 4.8 – Fluxograma de uma malha de vazão com extrator de raiz quadrada A pressão de entrada no extrator (EFY) é linearmente proporcional ao ∆P e a

pressão de saída do extrator (SFY), é linearmente proporcional à vazão Q. A tabela 4.2 mostra esta relação.

Q (%) SFY (psi) EFY (psi) ∆P (%) 0 3 3 0 50 9 6 25 ..... ..... ..... ..... 100 15 15 100 Tabela 4.2 – Relação da vazão x ∆P com o extrator de raiz quadrada


Portanto:

Supondo que na entrada do extrator a pressão seja 10,68 psi, qual a pressão em

sua saída?

4.2.2.4. Placa de Orifício Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão

diferencial, o mais simples e mais comum é a placa de orifício. Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação. A figura 4.9, ilustra, com um detalhe em corte, uma placa de orifício montada entre os flanges.

Figura 4.9 – Placa de orifício montada entre flanges


17.2.1.3 - Tubo Venturi O tubo Venturi combina dentro de uma unidade simples, uma curta garganta

estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalado entre dois flanges numa tubulação.

Figura 4.13 – Tubo de Venturi O propósito do tubo de Venturi é acelerar o fluido e temporariamente baixar sua

pressão estática. A recuperação de pressão é bastante eficiente, como pode ser visto na Figura 4.13, sendo seu uso recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta.

Em geral, utilizam-se quatro furos espaçados de 90° em torno do tubo para fazer a tomada de pressão. Eles são interligados por meio de um anel, chamado anel piezométrico, que é destinado a obter a média das pressões em torno do ponto de medição. Na figura 4.14 podem ser vistos detalhes de construção de um tubo de Venturi.


Figura 4.14 – Detalhes de construção de um dispositivo Venturi Onde: D = Diâmetro interno da tubulação d = diâmetro da garganta a = Localização da tomada de impulso de alta pressão. 0,25D a 0,75D para 4" < D < 6" 0,25D a 0,50D para 6" < D < 32" b = Localização da tomada de baixa pressão = "d"/2 c = comprimento da garganta igual a "d" δ = Diâmetro interno da tomada de impulso 3/16 a 1/2" r1 = 0 a 1,375D r2 = 3,5 a 3,75D α1=21°f2° α2 = 5° a 15°

17.2.2 - Medidores de Vazão por ∆∆∆∆P Constante (área variável) Os dispositivos de pressão diferencial até agora considerados têm por base

restrições de dimensão fixa, e a pressão diferencial criada através deles modifica-se com a vazão. Existem, contudo, dispositivos nos quais a área da restrição pode ser modificada para manter constante o diferencial de pressão enquanto muda a vazão. Um exemplo deste tipo de medidor é o rotâmetro.

17.2.2.1 - Rotâmetros

Rotâmetros são medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador

varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Basicamente, um rotâmetro consiste de duas partes: • Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na

tubulação em que passará o fluido cuja vazão queremos medir. A extremidade maior do tubo cônico ficará voltada para cima.


• No interior do tubo cônico, teremos um flutuador que se moverá verticalmente em função da vazão medida.

A figura 4.20 mostra detalhes de um rotâmetro típico.

Figura 4.20 - Rotâmetro

17.2.2.2 - Princípio de Funcionamento

O fluido passa através do tubo, da base para o topo. Quando não há vazão, o

flutuador permanece na base do tubo e seu diâmetro maior é usualmente selecionado de tal maneira que bloqueie a pequena extremidade do tubo, quase que completamente. Quando a vazão começa e o fluido atinge o flutuador, o empuxo torna o flutuador mais leve, porém, como o flutuador tem uma densidade maior que a do fluido, o empuxo não é suficiente para levantar o flutuador.

A área de passagem oferece resistência à vazão e a queda de pressão do fluido

começa a aumentar. Quando a pressão diferencial, somada ao efeito de empuxo do líquido, excede a pressão devido ao peso do flutuador, o flutuador sobe e flutua na corrente fluida.

Com o movimento ascendente do flutuador em direção à parte mais larga do tubo, a área anular, entre a parede do tubo de vidro e a periferia do flutuador, aumenta. Como a área aumenta, o diferencial de pressão, devido ao flutuador, decresce. O flutuador ficará em equilíbrio dinâmico quando a pressão diferencial, através do flutuador somada ao efeito do empuxo, contrabalançar o peso do flutuador.

Qualquer aumento na vazão movimenta o flutuador para a parte superior do tubo de vidro e a diminuição causa uma queda a um nível mais baixo. Cada posição do flutuador corresponde a um valor determinado de vazão e somente um. É necessário


colocar uma escala calibrada na parte externa do tubo, e a vazão poderá ser determinada pela observação direta da posição do flutuador.

Mantendo-se a temperatura e viscosidade constantes, conclui-se que a vazão varia linearmente com a área de passagem e, assim, teremos uma escala de leitura também linear.

17.2.2.3 - Tipos de Flutuadores

Os Flutuadores podem ter vários perfis de construção. Na Figura 4.21, podem ser

vistos os tipos mais utilizados: • Esférico (1) - Para baixas vazões e muita incerteza; sofre uma influência

considerável da viscosidade do fluido. • Cilindro com Bordo Plano (2) - Para vazões médias e elevadas; Sofre uma

influência média da viscosidade do fluido. • Cilindro com Bordo Saliente de Face Inclinada para o Fluxo (3) - Sofre menor

influência da viscosidade do fluido. • Cilindro com Bordo Saliente contra o Fluxo (4) - Sofre a mínima influência da

viscosidade do fluido.

Figura 4.21 – Tipos de flutuadores

17.2.2.4 - Material do Flutuador O material mais empregado nos flutuadores é o aço inox 316. Na indústria, no

entanto, para satisfazer outras exigências como resistência à corrosão, abrasão e outras, utilizam-se outros tipos de materiais. A tabela 4.4 a seguir apresenta diversos materiais empregados em flutuadores.

MATERIAIS Inox

316 Alumínio Bronze

Durimet

Hastelloy B

Hastelloy C

Monel

Níquel Tântalo


Teflon

Inox 303 Titânio

Tabela 4.4 – Materiais mais empregados nos flutuadores Obs: Os rotâmetros são montados verticalmente na tubulação do fluido cuja

vazão se quer medir, de maneira que o fluido seja dirigido de baixo para cima.

17.2.3 - Medidores Especiais de Vazão Os principais medidores especiais de vazão são: medidores magnéticos de vazão

com eletrodos, tipo turbina, tipo Coriolis, Vortex e Ultra-sônico.

17.2.3.1 - Medidor Eletromagnético de Vazão O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis

e universais dentre os métodos de medição de vazão. Sua perda de carga é equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que não possui qualquer obstrução. É virtualmente insensível à densidade e à viscosidade do fluido de medição.

Medidores magnéticos são, portanto, ideais para medição de produtos químicos

altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, água, polpa de papel. Sua aplicação estende-se desde saneamento até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias. A única restrição, em princípio, é que o fluido tem que ser eletricamente condutivo. Tem, ainda, como limitação, o fato de fluidos com propriedades magnéticas adicionarem um certo erro de medição. 17.2.3.2 - Aplicação

O medidor eletromagnético é um elemento primário de vazão volumétrica,

independente da densidade e das propriedades do fluido. Este medidor não possui obstrução, portanto, apresenta uma perda de carga equivalente a um trecho reto de tubulação. Para medição de líquidos limpos com baixa viscosidade, o medidor eletromagnético é uma opção. Se o líquido de medição tiver partículas sólidas e abrasivas, como polpa de mineração ou papel, ele é praticamente a única alternativa.

Já que o mesmo possui como partes úmidas apenas os eletrodos e o

revestimento, é possível, através de uma seleção cuidadosa destes elementos, medir fluidos altamente corrosivos como ácidos e bases. É possível, por exemplo, a medição de ácido fluorídrico selecionando-se eletrodos de platina e revestimento de teflon. Outro fluido, particularmente adequado para medição por essa técnica, é o da indústria alimentícia. Como o sistema de vedação dos eletrodos não possui reentrâncias, as aprovações para uso sanitário são facilmente obtidas.


17.2.3.3 - Princípio de Funcionamento O princípio de funcionamento dos medidores magnéticos baseia-se na lei de

indução eletromagnética (lei de Faraday). A lei enuncia que a força eletromotriz (fem) induzida em um condutor de comprimento L, movimentando-se em um campo magnético H ortogonal à direção do movimento, é proporcional à velocidade V do condutor.

Matematicamente, a lei pode ser representada pela seguinte fórmula:

k = constante de proporcionalidade que depende das unidades utilizadas. Como visto, o medidor eletromagnético de vazão é uma relação entre a direção

do campo magnético, movimento do fluido e f.e.m. induzida. No caso do medidor eletromagnético, o corpo móvel é o fluido que flui através do tubo detector. Desta forma, a direção do campo magnético, a vazão, e a f.e.m. estão posicionadas uma em relação à outra em um ângulo de 90 graus. A figura 4.22 ilustra, esquematicamente, o funcionamento do medidor.

Figura 4.22 – Medidor eletromagnético de vazão

A figura 4.23 mostra detalhes de construção de um medidor magnético de vazão.


Figura 4.23 – Detalhes construtivos do medidor magnético de vazão

17.2.3.4 - Estrutura do Detector • Revestimento Para se conseguir retirar um sinal elétrico proporcional à vazão, é necessário que

o interior do tubo seja isolado eletricamente. Se isto não for feito, a f.e.m. será curto-circuitada e, dessa forma, não estará presente nos eletrodos. Se o tubo fosse de material isolante, não haveria problema, mas, geralmente, o tubo é feito de material condutor. Para evitar que a f.e.m. seja curto-circuitada pela parede condutiva do tubo, utiliza-se um isolante tal como teflon, borracha de poliuretano ou cerâmica. A escolha do material isolante é feita em função do tipo de fluido.

• Eletrodo Eletrodos são dois condutores instalados na parede do tubo para receber a

tensão induzida no fluido. Existem vários materiais de fabricação, tais como: aço inox, monel, hastelloy, platina e outros que dependem do tipo de fluido a ser medido.

• Tubo detector O tubo do medidor não pode ser de material ferromagnético, tal como aço ou

níquel, pois os mesmos causam distúrbios no campo eletromagnético. Na prática, o aço inox é o mais usado.

• Influência da condutividade


A influência da condutividade nos medidores de vazão deve ser sempre

considerada, pois ela depende de determinadas combinações entre o elemento primário e o secundário. Não há problema de influência de condutividade do fluido sobre a precisão da medição, desde que seja superior aos limites recomendados, porém, se decai do valor de projeto, ocasiona um erro considerável na indicação.

17.2.4 - Medidor Tipo Turbina

O medidor é constituído basicamente por um rotor montado axialmente na

tubulação. O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando passa um fluido na tubulação do processo. Uma bobina captadora com um imã permanente é montada externamente fora da trajetória do fluido.

Quando este se movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade

determinada pela velocidade do fluido e pelo ângulo das lâminas do rotor. À medida que cada lâmina passa diante da bobina e do imã, ocorre uma variação da relutância do circuito magnético e no fluxo magnético total a que está submetida a bobina. Verifica-se, então, a indução de um ciclo de tensão alternada (figura 4.24).

Figura 4.24 – Medidor de vazão tipo turbina

A freqüência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional à velocidade do fluido, e a vazão pode ser determinada pela medição/totalização de pulsos.

17.2.4.1 - Influência da Viscosidade

Como visto acima, a freqüência de saída do sensor é proporcional à vazão, de

forma que é possível, para cada turbina, fazer o levantamento do coeficiente de vazão k, que é o parâmetro de calibração da turbina, expresso em ciclos (pulsos) por unidade de volume.


Numa turbina ideal, este valor k seria uma constante independente da

viscosidade do fluido medido. Observa-se, entretanto, que, à medida que a viscosidade aumenta, o fator k deixa de ser uma constante e passa a ser uma função da viscosidade e da freqüência de saída da turbina. Abaixo de 2 cSt (centi Stokes) de viscosidade, o coeficiente k é aproximadamente constante para freqüências de saída acima de 50 Hz .

17.2.5 - Medidor por Efeito Coriolis

É um instrumento de sucesso no momento, pois tem grande aplicabilidade nas

indústrias alimentícia, farmacêutica, química, papel, petróleo etc., e sua medição independe das variáveis de processo - densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura, perfil do fluido.

Resumidamente, um medidor Coriolis possui dois componentes: tubos de

sensores de medição e transmissor (como ilustrado pela figura 4.25). Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação e ficam vibrando na sua própria freqüência natural à baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu. Quando um fluido qualquer é introduzido no tubo em vibração, o efeito do Coriolis se manifesta, causando uma deformação, isto é, uma torção que é captada por meio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas senoidais.

Figura 4.25 – Medidor por efeito Coriolis

As forças geradas pelos tubos criam uma certa oposição á passagem do fluido na

sua região de entrada (região da bobina 1 – figura 4.26) e, em oposição, auxiliam o fluido na região de saída dos tubos.

O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD (Termômetro de Resistência) é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as vibrações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura.

O transmissor é composto de um circuito eletrônico que gera um sinal para os tubos de vazão, alimenta e recebe o sinal de medida, propiciando saídas analógicas de 4 a 20 mA, de freqüência (0 a 10 KHz) e até digital RS 232 e/ou RS 485. Estas saídas são enviadas para instrumentos receptores que controlam bateladas, indicam vazão instantânea e totalizada ou para PLCs, SDCDs, etc.


Figura 4.26 – Instrumentos receptores que controlam bateladas

17.2.6 - Medidor de Vazão Tipo Vortex

17.2.6.1 - Princípio de Funcionamento

Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruir

parcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices, os quais se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo, como mostrado na figura 4.27. Este é um fenômeno muito conhecido e demonstrado em todos os livros de mecânica dos fluidos.

Figura 4.27 – Medidor de vazão tipo vortex

Os vórtices também podem ser observados em nosso dia a dia, como por

exemplo:


• Movimento oscilatório da plantas aquáticas, em razão da correnteza; • As bandeiras flutuando ao vento; • As oscilações das copas das árvores ou dos fios elétricos quando expostos ao

vento.

17.2.6.2 - Método de Detecção dos Vórtices As duas maiores questões referentes ao desenvolvimento prático de um medidor

de vazão, baseado no princípio vortex, são: • A criação de um obstáculo gerador de vótices (vortex shedder) que possa gerar

vórtices regulares e de parâmetros totalmente estabilizados (Isto determinará a precisão do medidor).

• O projeto de um sensor e respectivo sistema eletrônico para detectar e medir a freqüência dos vórtices (Isto determinará os limites para as condições de operação do medidor).

• Vortex shedder – numerosos tipos de vortex shedder, com diferentes formas, foram sistematicamente testados e comparados em diversos fabricantes e centros de pesquisa (Um shedder com formato trapezoidal foi o que obteve um desempenho considerado ótimo).

17.2.7 - Medidores Ultra-Sônicos

Os medidores de vazão que usam a velocidade do som como meio auxiliar de

medição podem ser divididos em dois tipos principais: • Medidores a efeito Doppler O efeito Doppler é a aparente variação de freqüência produzida pelo movimento

relativo de um emissor e de um receptor de freqüência. No caso, esta variação de freqüência ocorre quando as ondas são refletidas pelas partículas móveis do fluido. Nos medidores baseados neste princípio (ver figura 4.28), os transdutores-emissores projetam um feixe contínuo de ultra-som na faixa das centenas de kHz. Os ultra-sons refletidos por partículas veiculadas pelo fluido têm sua freqüência alterada proporcionalmente à componente da velocidade das partículas na direção do feixe. Estes instrumentos são, conseqüentemente, adequados para medir vazão de fluidos que contêm partículas capazes de refletir ondas acústicas.


Figura 4.28 – Tipos de transdutores de efeito Doppler • Medidores de tempo de trânsito Ao contrário dos instrumentos anteriores, estes instrumentos não são adequados

para medir vazão de fluidos que contém partículas. Para que a medição seja possível, os medidores de tempo de trânsito devem medir vazão de fluidos relativamente limpos. Nestes medidores (Figura 4.29), um transdutor-emissor-receptor de ultra-sons é fixado à parede externa do tubo, ao longo de duas geratrizes diametralmente opostas. O eixo que reúne os emissores-receptores formam com o eixo da tubulação um ângulo α.


Os transdutores transmitem e recebem alternadamente um trem de ondas ultra-sônicas de duração pequena, ou seja, os pulsos saem de ambos os transdutores ao mesmo tempo, mas podem chegar com um tempo diferente caso haja vazão.

Figura 4.29 – Medidores de tempo de trânsito

18 – Sensores para medição de pressão

É o sensor utilizado para medir pressão de um determinado equipamento, de uma forma eletrônica.

18.1 – Tipo Capacitivo

A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de alavancas na transferência da força / deslocamento entre o processo e o sensor. Este tipo de sensor resume-se na deformação, diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida por um circuito eletrônico. Esta montagem, se por um lado, elimina os problemas mecânicos das partes móveis, expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo, principalmente a


temperatura do processo. Este inconveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis a temperatura montada juntos ao sensor.

Outra característica inerente a montagem, é a falta de linearidade entre a capacitância e a distância das armaduras devido á deformação não linear, sendo necessário, portanto , uma compensação ( linearização ) à cargo do circuito eletrônico .

Figura 79 – Sensor de Pressão Capacitiva

O sensor é formado pêlos seguintes componentes:

•Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido •Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube) •Armadura móvel (Diafragma sensor)

Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta (High) e de baixa (Low) produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de enchimento.

A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor) provocando sua deformação, alterando, portanto, o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura móvel. Esta alteração é medida pelo circuito eletrônico que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva.

18.2 – Tipo Strain Gauge

Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões.Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral da resistência:

R = ρρρρ . L

S

R: Resistência do condutor


ρ : Resistividade do material L: Comprimento do condutor S: Área da seção transversal

A equação nos explica que a resistência elétrica de um condutor é diretamente proporcional à resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional a área da seção transversal.

A maneira mais prática de alterarmos as dimensões de um condutor é tracionarmos o mesmo no sentido axial como mostrado a seguir:

Figura 80 – Sensor do tipo Strain Gauge

Seguindo esta linha de raciocínio, concluímos que para um comprimento L obtivemos ∆L, então para um comprimento 10 x L teríamos 10 x ∆L, ou seja, quanto maior o comprimento do fio, maior será a variação da resistência obtida e maior a sensibilidade do sensor para uma mesma pressão (força) aplicada.

O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão compacto quanto possível.

Esta montagem denomina-se tira extensiométrica como vemos na figura a seguir:

Figura 81 – Montagem em Tira Extensiométrica

Observa-se que o fio, apesar de solidamente ligado à lâmina de base, precisa

estar eletricamente isolado da mesma.

Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido enquanto a outra extremidade será o ponto de aplicação de força.


Figura 82 – Força exercida na lâmina

Da física tradicional sabemos que um material ao sofrer uma flexão, suas fibras internas serão submetidas a dois tipos de deformação: tração e compressão.

As fibras mais externas sofrem um alongamento com a tração, pois pertencem ao perímetro de maior raio de curvatura, enquanto as fibras internas sofrem uma redução de comprimento (menor raio de curvatura).

Figura 83 – Tração e compressão da lâmina

Como o fio solidário à lâmina, também sofrerá o alongamento, acompanhando a

superfície externa, variando a resistência total.

Visando aumentar a sensibilidade do sensor, usaremos um circuito sensível a variação de resistência e uma configuração conforme esquema a seguir:

Figura 84 – Configuração do sensor

Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras

extensiométricas é o circuito em ponte de Wheatstone, como mostrado a seguir, que tem a vantagem adicional de compensar as variações de temperatura ambiente, pois todos os elementos estão montados em um único bloco.


Figura 85 – Construção do sensor

18.3 – Sensor por Silício Ressonante

O sensor consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um

diafragma, utilizando o diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que essa freqüência seja proporcional à pressão aplicada.

Figura 86 – Sensor por silício ressonante

Na seqüência será exibido maior detalhe sobre esse tipo de célula, sua construção e seu funcionamento.


18.3.1 – Construção do sensor

Figura 87 – Construção do sensor

Todo o conjunto pode ser visto através da figura acima, porém, para uma melhor compreensão de funcionamento deste transmissor de pressão, faz-se necessário desmembrá-lo em algumas partes vitais.

Na figura a seguir podemos ver o conjunto do sensor. Ele possui um imã permanente e o sensor de silício propriamente dito.

Figura 88 – Conjunto do sensor

Dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de silício são: o campo magnético gerado por um imã permanente posicionado sobre o sensor; o segundo será o campo elétrico gerado por uma corrente em AC (além das pressões exercidas sobre o sensor, obviamente).

Este enfoque pode ser observado na figura abaixo.


Figura 89 – Fator campo magnético/Campo elétrico

Portanto, a combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela vibração do sensor. Um dos sensores ficará localizado ao centro do diafragma (FC), enquanto que o outro terá a sua disposição física mais à borda do diafragma (FR).

Por estarem localizadas em locais diferentes, porém, no mesmo encapsulamento, uma sofrerá uma compressão e a outra sofrerá uma tração conforme a aplicação de pressão sentida pelo diafragma.

Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de freqüência entre si. Esta diferença pode ser sentida por um circuito eletrônico, tal diferença de freqüência será proporcional ao ∆P aplicado. Na figura a seguir é exibido o circuito eletrônico equivalente.

Figura 90 – Componentes interno do Sensor

Através dessas informações é possível criar um gráfico referente aos pontos de

operação da freqüência x pressão.


Figura 91 – Variação da freqüência com a pressão

18.4 – Tipo Piezoelétrico

Os elementos piezelétricos são cristais, como o quartzo, a turmalina e o titanato que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta. Seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão, são capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências de milhões de ciclos por segundo. O efeito piezelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e exato, por isso é utilizado em relógios de precisão. A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador, sendo indicada ou convertida em um sinal de saída, para tratamento posterior.

Figura 92 – Sensor de pressão do tipo Piezoelétrico


19 - Resolver São transdutores rotativos projetados de modo que o coeficiente de acoplamento entre rotor e estator varie com o ângulo do eixo. Enrolamentos fixos são alojados sobre um pacote de chapas laminadas, formando o estator, e os enrolamentos móveis são alojados sobre um pacote de chapas laminadas para formar o rotor. Os enrolamentos estão posicionados em ângulos retos (90º), uns em relação aos outros. Quando um enrolamento do rotor é excitado com um sinal de referência CA, os enrolamentos do estator produzem uma saída de tensão CA que varia em amplitude conforme o senso e o coseno da posição do eixo. Entre os dispositivos mais comumente usados para fornecer a realimentação de posição em motores síncronos de imãs permanentes encontra-se o Resolver. Uma das vantagens principais é que a leitura da posição é de forma absoluta bem como a robustez, já que este tem características construtivas similares ao motor. O resolver usado em servomotores apresenta uma estrutura básica conforme a apresentada na figura abaixo. Um sinal de alta freqüência é transferido do rotor através de um transformador circular. No estator são gerados então sinais CA de alta freqüência, modulados pelo seno e coseno do ângulo do rotor. Este sinal, não é muito útil me sua forma original, desta forma um circuito externo se faz necessário para criar valores utilizáveis à nível do controle. O sinal deve na realidade ser tratado para que possa então fornecer um valor de posição absoluta (este tratamento de sinais efeito através de conversores digitais, usualmente já incorporados aos circuitos eletrônicos do servoconversor) e um sinal analógico de velocidade (ver figura abaixo).

Figura 93– Estrutura básica do resolver


20 - Sistemas de Proteção Humana para Máquinas

O Homem não está apto, por si só, em seu meio de trabalho, a se proteger sem dispositivos de segurança.

Portanto em máquinas e equipamentos mecânicos devem ser instalados dispositivos de segurança, e é de responsabilidade do projetista determinar e especificar os dispositivos adequados .

Uma Extensa Linha de Produtos de Segurança

Intertravamento

Reles

Trapped Key Bordas

Tapetes

Contatores

Cabos de puxar

Palm Buttons

Dobradiça

Sem contato

Emergência


Principais Industrias

Automotiva Semicondutor Papel e Celulose

Controle de processos Alimentícia Embalagens Estações de solda Prensas Injetoras

Por quê os Produtos de Seguranca são importantes?

Preocupação com a saúde dos funcionários Preucupação com a perda de produtividade Crescimento da legislação de normas de proteção pessoal OSHA and European Economic Community Preocupação por indenizações por acidentes Preocupação com as condições e ambiente de trabalho

Conformidade de máquinas e equipamentos

Isto é seguro?


Nos EUA, as máquinas devem estar conforme OSHA.

Na Europa, novas maquinas devem ter a marca CE.

Definição de Risco

Em um esforço para estabelecer os riscos, os projetistas de máquinas devem determinar todas as áreas de risco, e com boa prática de engenharia, reduzir os riscos à níveis aceitáveis.

Material e Químico

Mecânico

Elétrico

Termico

Ruído

Vibração

Radiação

Ergonômico


Hierarquia de medição

Relativo a projeto

Proteções fixas

Monitoração em proteções móveis

EPI- Equipamento de Proteção Individual

Treinamento e supervisão


Determinação de Riscos

Registro de dados e testes.

Normas

NBR 14153

ANSI TR11.3 “Determinação e redução de riscos”

EN1050 “Principios para determinação de riscos” 20.1 - Dispositivos de segurança O que são? Como são constituídos? Como estão categorizados ? Especificando o dispositivo Adequado. O que os fabricantes nos oferece em dispositivos de segurança?

20.2 - O que são dispositivos de segurança?

Denomina-se DISPOSITIVO DE SEGURANÇA todo e qualquer equipamento, seja ele elétrico ou mecânico, destinado a guardar uma ponto ou área de risco.

Qual o perigo?

Probabilidade?

Frequência?


Como exemplo podemos citar os comandos Bi-manuais, cortinas de luz, grades de proteção, Válvulas com duplo canal, Chaves de segurança, controladores de emergências, scaner, clp de segurança, redes de segurança, tapetes de segurança e etc...

20.3 - Como são constituídos os dispositivos de segurança?

Os dispositivos de segurança tem seu projeto determinado por sua categoria de segurança. Um dispositivo classe 4, por exemplo, é constituído de:

- Circuito redundante e Auto-teste - Monitoração dos elementos primários da máquina. - Componentes internos compatíveis com a classe 4.

20.4 - Como estão categorizados os Dispositivos de Segurança?

Conforme a norma Européia EN954 (NBR 14153), os dispositivos de segurança são assim categorizados: Categoria

Alguns requisitos

Resposta do sistema

BB As partes e componentes do sistema

devem respeitar as normas relevantes.

A ocorrência de um defeito pode levar a perda da função de segurança.

1 Aplica-se os requisitos de B. Princípios

comprovados e componentes de segurança bem testados devem ser aplicados.

A ocorrência de um defeito pode levar a perda da função de segurança, porém a probabilidade é menor que para a categoria B.

2 Aplica-se os requisitos de B e a

utilização de princípios de segurança comprovados.

A função de segurança deve ser verificada em intervalos adequados pelo sistema de comando da máquina.

A ocorrência de um defeito pode levar a perda da função de segurança entre as verificações.

A perda da função de segurança é detectada pela verificação


3 Aplica-se os requisitos de B e a utilização de princípios de segurança comprovados.

Um defeito isolado não deve levar a perda da função de segurança.

Sempre que possível o defeito isolado deve ser detectado.

Quando um defeito isolado ocorre, a função de segurança é sempre cumprida.

Alguns defeitos, porém não todos, são detectados.

O acumulo de defeitos não detectados pode levar a perda da função de segurança.

4 Aplica-se os requisitos de B e a

utilização de princípios de segurança comprovados.

As partes relacionadas à segurança devem ser projetadas de tal forma que:

Um defeito isolado em qualquer dessas partes não leve a perda da função de segurança, e

O defeito isolado seja detectado durante ou antes da próxima demanda da função de segurança. Se isso não for possível, o acumulo desses defeitos não pode levar à perda das funções de segurança.

Quando os defeitos ocorrem, a função de segurança é sempre cumprida.

Os defeitos serão detectados a tempo de impedir a perda das funções de segurança.

20.5 - Especificando o dispositivo Adequado

Tendo em base a norma Européia EN954 (NBR 14153), podemos determinar as categorias dos dispositivos de segurança adequadas utilizando a tabela abaixo: A tabela nos indica:

Uma categoria possível, porém que exige cuidados adicionais.

Categoria preferencial.

EEssttaa ttaabbeellaa ééuuttiilliizzaaddaa ppaarraaaavvaalliiaarr oo rriissccooddaa mmááqquuiinnaa oouueeqquuiippaammeennttoo..


B – Menor Risco = Menor grau de segurança. 4 – Maior Risco = Maior grau de segurança.

A tabela anterior avalia:

S – Gravidade prevista de um acidente. S1 – Leve. S2 – Grave (inclui morte) F – O tempo de permanência na área de risco. F1 – Permanência rara ou curta duração. F2 – Freqüente ou longa duração. P – A possibilidade de se evitar o risco. P1 – Possível em algumas condições. P2 – Pouco possível

20.6 - O que eletronicamente nos oferece em dispositivos de segurança?

- Chaves de proteção mecânicas e magnéticas para portas e grades. - Controladores de emergências. - Controladores para Bi-manuais.- Uma completa linha de barreiras fotoelétricas.

20.7 - Chaves de segurança. As chaves de segurança oferecem

- Dimensões padrões que Obedecem as normas Européias EN 50041 / 50047 - Modelos que Permitem Entrada de Múltiplos atuadores. - Variedade de Configurações de Contato - Atuadores dobráveis, Rotativos ou Separados.


20.8 - Controle de parada de emergência.

•Existem diferentes tipos de paradas de Emergência.

•Estão descritas como categorias 0, 1, e 2

•Refere-se ao método que a máquina deve parar quando a parada de emergência é acionada.

•As categorias de parada incluem 2 emergências e uma função de parada normal.

•Em linhas gerais, o projetista deve escolher a melhor maneira de proteger as pessoas quando a máquina estiver parando.

Modelos a escolha. - Modelos para controle de 1 até 10 botões. - Interface DeviceNetTM em alguns modelos. - Categoria de segurança 4. - Modelos com bloco de terminais removíveis. - Alimentação 24 Vac/dc, 110 Vac, 220 Vac. - Modelos com 2, 3 ou 4 canais de saída.

Diagrama de ligação.


20.9 - Controlador para bi-manuais.

Vantagens

Quando instalado corretamente prove proteção efetiva para o operador. São minimizadas preocupações com Movimentos repetitivos associados com botões Bi-manuais mecânicos ou ópticos.

Categoria de segurança 4. Possui 2 canais de saída de segurança. Alimentação 24 Vac/dc, 110 Vac, 220 Vac.

20.10 - Barreiras fotoelétricas de segurança.


Os sistemas de segurança por barreiras fotoelétricas são os mais confiáveis para

proteção humana em máquinas onde o operador entra freqüentemente na área de risco e por este motivo não possam ser utilizadas proteções mecânicas.

A banner possui uma completa linha de barreiras fotoelétricas, dentre suas características temos:

Controladores com saída latch ou trip. Alimentação de 24Vac/dc, 110Vac, 220Vac. Interface DeviceNetTM em alguns modelos. Ponto flutuante e cegamento de ponto fixo. Vários tamanhos de barreiras que vão de 100mm a 1830mm. Display de falhas para fácil diagnóstico. Categoria B4 - Ex. Cortina de Luz

CONTROL E

MIT

RECI

CHECKING &


Nenhuma falha pode ocorrer Categoria B3

20.11 - Principais critérios para se montar um equipamento seguro.

No projeto de qualquer máquina deve conter um sistema de segurança. O responsável pelo projeto deve ser uma pessoa treinada ou no mínimo bem

orientada por um profissional em segurança. Devem ser muito bem observados todos os componentes que compõem o

sistema de segurança e sua real função. Todas as pessoas que tiverem contato com a máquina devem ser instruídas e/ou

treinadas sobre o funcionamento do sistema de segurança.

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Fatores típicos ! "#

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SRCS

Intertravamento Paradas de Emergência

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apostila de instrumentação industrial - senai.pdf

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