SENSORES FÍSICOS E QUÍMICOS PARA MEIOS E GASES

Propriedades gerais de um sensor- Ótima exatidão de medida- Durabilidade- Facilidade de recalibração e recondicionamento- Sensibilidade e resolução- Seletividade- Resposta rápida- Estabilidade por longo período de trabalho

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Requisitos adicionais para sensores de bioprocessos

- Higiene- Esterilização- Assepsia- Material de construção- Inserção e remoção

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-Operação contínua

-Insensibilidade a interferentes e outros fatores ambientais

-Aceitabilidade pelo usuário

-Segurança de uso

Sensores de parâmetros físicos

TemperaturaÉ definida como o grau de agitação térmica das

moléculas da matéria; é uma propriedade intensiva

Pirometria: medição de altas temperaturas, na faixa em que os efeitos da radiação térmica passam a se manifestar

Criometria: medição de baixas temperaturas, normalmente abaixo de zero

Termometria: termo abrangente, que inclui os dois casos acima

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Transferência de calor:Condução (energia passa de uma molécula a

outra; ocorre em sólidos)Convecção (energia é “transportada” pelas

moléculas, ocorre em líquidos e gases)Irradiação (energia é “transportada” por

ondas eletromagnéticas)

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Unidades de temperaturaCelcius (oC); Kelvin (K); Fahrenheit (oF)Rankine (oR); Reaumür (oR)

Escalas

ReferênciaCelcius

(oC)Kelvin

(K)Fahrenheit

(oF)Reaumur

(oR)Rankine

(oRa)

Ebuliçãoda água

100 373,15 212 80 671,67

Fusão da água

0 273,15 32 0 491,67

Zero absoluto

- 273,15 0 - 459,67 - 218,52 0

Conversão

oC oF – 32 K – 273,15 oRa – 491,675 9 5 9

= = =

Tipos de termômetros

1. Líquido 1.1. Líquido em vidro Princípio: expansão volumétrica do líquido

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Líquido Ponto de

fusão

Ponto de

Ebulição

Faixa de Uso

Mercúrio -39 ºC +357 -38 / +550

Álcool Etílico

-115 +78 -100 / +70

Tolueno -92 +110 -80 / +100

Termômetros de líquido (expansão em tubo de vidro)7

1.2. Líquido em metalPrincípio: expansão em recipiente metálico

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Características- Tubo de Bourbon- Grande tempo de resposta- Não recomendável para controle

9Termômetro de líquido (expansão em tubo metálico)

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Mecanismo que emprega tubo de Bourdon.

Mecanismo que emprega tubo de Bourdon.11

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2. Pressão de gásPrincípio: expansão em recipiente metálico

Leva em conta o fato de que a variação de pressão é linearmente dependente da temperatura, a volume constante.

Gás mais comum: N2

Faixa de medição: - 100 a 600 oCSuporta pressões da ordem de 50 atm

Termômetro de gás13

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3. Sólidos3.1. Lâmina bimetálicaPrincípio: dilatação de metais em função da temp.

Principais ligas: Fe + Ni e latãoFaixa de medição: - 50 a 800 oC

15Estrutura de um termômetro de lâmina bimetálica.

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3.2. TermoparesPrincípio: efeito termoelétrico

A tensão termoelétrica que ocorre no ponto de compensação depende do material dos fios termoelétricos e da diferença da temperatura entre o ponto de medição e o ponto de compensação.

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Tipos de termopares

T, J, E, K, S, R, BFaixa de medição: - 200 a 1600 oC

Termopares especiaisFaixa de medição: 1600 a 2750 oCDiferem em função dos metais da liga e da proporção entre eles

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3.3. TermistoresPrincípio: variação da resistência em função da

temperatura

V = R.i => R = V/i => i = V/R

Resitência ôhmica: seu valor numérico independe da tensão aplicada

Resitência não ôhmica: seu valor numérico depende da tensão aplicada

Semicondutores: materiais que exibem propriedades de resistência elétrica “a meio caminho” entre os bons condutores e os bons isolantes.Apresentam grande coeficiente de variação da resistência em função da temperatura.

Portanto, para uma mesma tensão aplicada (V), a variação da resistência (R) resultará uma variação da corrente (i).

i = V/R

Tipos de termistores

NTC: “Negative Temperature Coefficient”

Sua resistência diminui acentuadamente com o aumento da temperatura.São constituídos de óxidos metálicos de níquel, cobalto ou magnésio ou de sulfeto de ferro.A curva que define a variação da resistência em função da temperatura tem comportamento exponencial.

Curvas características de termistores NTC com faixas de medição de temperatura distintas.

PTC: “Positive Temperature Coefficient”

Sua resistência aumenta com o aumento da temperatura.Somente a partir de uma determinada temperatura exibe uma variação ôhmica com a variação da temperatura.É mais sensível que o termistor NTC.São constituídos de material cerâmico à base de titanato de bário.

Termistor tipo PTC.

Diferentes estruturas de termistores.

Perfil característico da variação da resistência em função da temperatura para os termistores NTC e PTC.

- Também chamados RTD (Resistance Temperature Detector)- Alta estabilidade mecânica e térmica- Resistência à contaminação- Baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso- São feitos de metais semicondutores (platina, cobre ou níquel)- Faixa de temperatura – 270 a 660 oC- É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a

temperatura equilibrada para fazer a indicação corretamente- A medição é feita normalmente por ligação a um circuito de

medição tipo ponte de Wheatstone27

3.4. TermorresistoresPrincípio: variação da resistência em função da

temperatura

Esquema geral de um termorresistor.28

Diferentes tipos de termorresistores.29

- Utilizado para medir altas temperaturas (como alto-fornos)- Baseado no princípio da lei de Planck, que prevê o fluxo radiante de energia por unidade de área de um corpo negro em função da temperatura-Esse princípio vale para todas as substâncias que podem emitir luz ao se tornarem incandescentes-Seu funcionamento se dá por comparação da cor de um objeto incandescente com a cor de um filamento interno do aparelho- A temperatura final medida depende muito da capacidade de comparação do operador

4. Sensores de radiação4.1. Pirômetro ópticoPrincípio: emissão de energia radiante em função da

temperatura

Esquema geral de um pirômetro óptico.31

- Faixa de temperatura: - 20 a 1000 oC- Ideal para medir temperatura de superfícies- Leitura digital

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4.2. Termômetro de infra-vermelhoPrincípio: emissão de energia radiante em função

da temperatura

“Caminhos” da energia relacionados a um determinado corpo (item testado).

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Esquema geral de um termômetro de infra-vermelho.

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Alguns modelos de termômetro de infra-vermelho.35

Medição e controle de temperatura em bioprocessos:

- Termômetros de expansão de líquido (laboratório)- Termopares- Termorresistores - Termistores (mais precisos)

Finalidades:-Controle da temperatura do meio de fermentação-Controle da temperatura durante a esterilização-Controle da temperatura ambiente-Controle da temperatura para conservação de matérias-primas e suplementos de meios-Controle da temperatura durante processos de recuperação de produtos