sensores_2006

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE OURO PRETO

INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA

Prof. Paulo R. Pinto USO INTERNO

CEFET OP Instrumentação Eletrônica e Controle de Processos

SENSORES Prof. Paulo Pinto

S E N S O R E S 1) TRANSDUTORES / SENSORES

1.1) Introdução 2) SENSORES DE PROXIMIDADE

2.1) Indutivo

2.1.1) Modelos em corrente contínua a) Distância nominal de comutação (Sn) b) Freqüência de comutação (fs) c) Esquema elétrico

2.1.2) Modelos em corrente alternada

a) Distância nominal de comutação (Sn) b) Freqüência de comutação (fs) c) Esquema elétrico

2.2) Capacitivo

2.2.1) Modelos em corrente contínua


2.2.2) Modelos em corrente alternada


2.3) Magnético

2.3.1) Reed switch 2.3.2) Sensor a efeito Hall 2.3.3) Pick-ups

3) SENSORES DE POSIÇÃO LINEAR

3.1) Resistivo 3.2) Indutivo 3.3) Capacitivo



4) SENSORES DE POSIÇÃO ANGULAR

4.1) Resistivo 4.2) Indutivo 4.3) Capacitivo

5) SENSORES DE LUMINOSIDADE

5.1) LDR 5.2) FOTOTRANSISTOR

6) SENSORES ÓTICOS

6.1) Sistemas por óticas alinhadas 6.2) Sistemas por difusão 6.3) Sistema por reflexão

7) SENSORES DE TEMPERATURA

7.1) Introdução 7.2) Definição de temperatura

7.2.1) Escala de temperatura relativa 7.3) Sensores Resistivos

7.3.1) Detector RTD 7.3.2) Termistores

a) Princípio de medição b) Termistores NTC e PTC

7.4) Termopar

7.4.1) Efeito Peltier e Efeito Thompson 7.4.2) Compensação da Temperatura Ambiente 7.4.3) Conversão de Tensão para Temperatura 7.4.4) Fios de ligação 7.4.5) União da Junção de Medição

7.5) Termômetro por radiação

8) SENSORES DE ESFORÇO

8.1) Sensores de esforço Metálico (Strain Gage) 8.2) Sensor de esforço Semicondutor 8.3) Sensor de esforço Piezoelétrico

9) SISTEMAS DIVERSOS 9.1) Técnicas de medição de Temperatura 9.2) Técnicas de medição de Nível

9.3) Técnicas de medição de Pressão 9.4) Técnicas de medição de Vazão



10) Simbologia para instrumentação – Diagramas P&I 11) BIBLIOGRAFIA


Instrumentação Eletrônica e Controle de Processos CEFETOP

1

Fig. 1 – Sensor genérico

SENSORGRANDEZA

FÍSICA

GRANDEZA

ELÉTRICA

Fig.3 - Indutor em corrente contínua

Fig.2 - Campo magnético em um indutor

SENSORES 1) TRANSDUTORES / SENSORES Um transdutor é um integrante do hardware que tem como função transformar (ou converter) uma informação de um sistema de energia ou unidade em outro sistema desejado. O sensor é o meio pelo qual o transdutor recebe a leitura ou indicação inicial, para alterar ou não a saída.

O diagrama de blocos genérico de um sensor é mostrado na figura ao lado

Geralmente a grandeza elétrica de saída de um sensor não é diretamente manipulável. Por exemplo, a faixa da tensão de saída não é aquela desejada, a potência do sinal fornecido é muito pequena, o tipo de grandeza elétrica não é aquele que temos necessidade, etc. Por todos esses motivos, o sensor nunca é apresentado sozinho, mas acompanhado de um circuito eletrônico condicionador de sinal. O condicionador de sinal é portanto um equipamento que converte uma grandeza elétrica em outra, também elétrica, mas adaptada à aplicação específica. Na grande parte dos casos, a grandeza elétrica de saída é constituída por tensão. Variáveis analógicas, diferentes das digitais ( on - off, ligado - desligado, ativo - não ativo), são provenientes de transdutores que operam com sinais analógicos, ou seja, podem assumir qualquer valor dentro de sua faixa de operação. Os transdutores das variáveis de entrada e saída normalmente trabalham dentro de faixas de valores padronizados: 0 a 10 Volts, ou com correntes de 4 a 20 mA, ou ainda 0 a 10 mA. 2) SENSORES DE PROXIMIDADE 2.1) Indutivo – O sensor tem como parte principal um indutor e são elementos ativos capazes de efetuar um chaveamento elétrico sem que seja preciso algum corpo tocá-los de alguma forma. “Indutor – A capacidade que um condutor possui de induzir tensão em si mesmo, quando a corrente que circula por ele varia, é chamada indutância. O símbolo da indutância é L e sua unidade e o Henry ( H ). Um Henry é a quantidade de indutância que permite uma indução de um Volt quando a corrente varia um Ampér por segundo ⇒ L = V L / ( ∆i/∆t ).

Um indutor é um componente eletromagnético composto de um núcleo envolto por uma bobina de resistência R ( ohms - Ω) e indutância L ( Henrys – H ), sendo L dependente de como o condutor é bobinado, do material do núcleo e do número de espiras que formam o enrolamento ⇒ L = µr . (N2 . A ) . 1,26x10-6

l onde µr é a permeabilidade relativa do material de que é feito o núcleo, N é o número de espiras em torno do núcleo, A é área abrangida em cada espira (m 2) e l é o comprimento da bobina (m).

O indutor armazena a energia gerada pela bobina no seu núcleo, sendo assim, quando a corrente da bobina for interrompida, ainda teremos corrente na carga por algum tempo. Isso significa que o indutor opõem-se às variações de corrente.



2

Fig.4 - Mudança da tensão em R em função da posição do núcleo

Fig.5 - Alteração do campo magnético do sensor indutivo na aproximação de um corpo metálico

Em corrente alternada o indutor apresenta uma impedância XL chamada de reatância indutiva e é dada por XL = 2.π.f.L onde f é a frequência do sinal em Hertz (Hz) e L a indutância em Henrys (H).”

Como vimos a indutância depende do núcleo do indutor e conforme podemos ver na figura a seguir, caso movamos o núcleo do indutor pelo corpo da bobina, sua impedância mudará e portanto, a corrente sobre R também. O sensor de proximidade indutivo utiliza essa característica como princípio de funcionamento.

Conforme podemos observar abaixo, o núcleo do sensor indutivo é aberto e o campo magnético tem que passar pelo ar, portanto sua intensidade é menor. Quando uma peça metálica é aproximada do núcleo do indutor, o campo magnético passa por ela e sua intensidade aumenta. Ao ligarmos esse indutor em um circuito RL em corrente alternada (CA), podemos verificar a variação de tensão do resistor de acordo com a distância da peça.

Normalmente os sensores comerciais possuem um circuito oscilador internamente, a fim de permitir sua utilização com tensões contínuas (CC).

Outro método pode ser visto no diagrama de blocos na figura 6, no sensor a bobina compõe um oscilador de rádio freqüência. Esta oscilação é modificada quando se introduz um objeto metálico dentro do campo magnético formado pela boina, retornando ao normal quando se retira o objeto. As modificações do comportamento do oscilador são demoduladas e interpretadas pelo “trigger” de modo a obter-se uma saída ON-OFF com uma onda quadrada bem definida, capaz de excitar um circuito eletrônico de potência, tal como um transistor ou um tiristor, obtendo assim uma chave liga-desliga em estado sólido com condições de efetuar um chaveamento de reles, pequenos contatores, ou mesmo circuitos lógicos.



3

Fig.6 – Composição básica do sensor de proximidade indutivo Todo este conjunto eletrônico é montado em invólucros de plástico ou metálicos e

encapsulados com resina epoxi de alta densidade, formando um bloco sólido à prova d’água, vibrações e intempéries.

a) Modelos em corrente contínua – São sensores construídos para funcionarem com

alimentação em corrente contínua na faixa de 10 a 30 Vcc e comutarem cargas também em corrente contínua, sejam elas indutivas ou resistivas. Podem ter a configuração com uma saída NA, ou uma saída NF ou duas saídas reversíveis NA + NF.

Fig.7 - Saída NPN – Configuração eletrônica básica

O estágio de saída é composto por um transistor NPN, para chaveamento do polo negativo

da carga, com capacidade para atuar cargas indutivas (reles) ou cargas resistivas (circuitos eletrônicos, controladores programáveis, etc.). Obs.: Estes modelos possuem um circuito para detecção de sobre-corrente no transistor de saída. Quando a anormalidade é detectada, o circuito comanda o desligamento da saída, evitando que o transistor se danifique, retornando à posição normal quando cessar a sobre-corrente. Possuem também proteção contra curto circuito na saída. Esquema elétrico → Estes modelos podem ser fornecidos em versões com três ou quatro fios.

Fig 8 – três fios


Fig 10 – quatro fios



4

Distância nominal de comutação ( Sn ) → De acordo com a norma DIN EN 50.010, é a distância entre a face ativa do sensor e do metal ativador, no momento em que ocorre o chaveamento elétrico. Fig.11 – Distância sensora

Freqüência de comutação ( fs ) → É o limite máximo em freqüência que o sensor pode comutar sua(s) saída(s) com segurança. À medida desta freqüência pode ser feita tanto pelo método A, como pelo método B conforme mostram as figuras abaixo, segundo a norma EN 50.010. Onde L é definido como sendo igual ao lado da placa de medição.

Fig. 12 – Métodos de medição de fs

Fig 13 - Saída PNP – Configuração eletrônica básica

O estágio de saída é composto por um transistor PNP, para chaveamento do polo positivo da carga, com capacidade para atuar cargas indutivas e resistivas. Obs.: Estes modelos também, possuem um circuito para detecção de sobre-corrente no transistor de saída. Quando a anormalidade é detectada, o circuito comanda o desligamento da saída, evitando que o transistor se danifique, retornando à posição normal quando cessar a sobre-corrente. Possuem também proteção contra curto circuito na saída.



5

Esquema elétrico → Estes modelos podem ser fornecidos em versões com três ou quatro fios.

Distância nominal de comutação ( Sn ) e Freqüência de comutação ( fs ) → Possuem as

mesmas observações do modelo NPN • Características Técnicas básicas

Distância Sensora.........................1 a 25 mm Corrente de Saída..........................400mA Tensão de Alimentação..................10 a 30 Vcc Corrente de Consumo.....................≤ 10mA

b) Modelos em corrente alternada – Também com estado de saída em estado sólido, são

construídos para funcionarem com alimentação em corrente alternada nas faixas de tensões de 20 a 250 Vca, 40 a 250 Vca e 90 a 250 Vca, que aciona diretamente reles, contadores, controladores lógicos, etc.

fig. 17 - Configuração eletrônica básica Esquema elétrico → Estes modelos podem ser fornecidos em versões com dois, três ou quatro fios.

Fig 14 – três fios Fig 15 – três fios

Fig 16 – quatro fios

Fig 18 – dois fios



Fig 21 – dois fios



6

Fig.22 - Carga e descarga de um capacitor em CC Fig.23 - Reatância capacitiva do Capacitor em CA

Fig.24 - Dinâmica do sensor capacitivo

2.2) Capacitivo – São sensores semelhantes aos de proximidade indutivo, porém sua diferença básica é exatamente no princípio de funcionamento, o qual baseia-se na mudança da capacitância da placa detectora na região denominada face sensível. “Capacitor – Esse componente é composto por duas placas metálicas isoladas eletricamente por um material chamado dielétrico. Quando essas placas metálicas são ligadas em uma bateria, a carga elétrica negativa da placa A é atraída para o terminal positivo da bateria, enquanto a carga elétrica positiva da placa B é atraída para o terminal negativo da bateria. Esse movimento de cargas continua até que a diferença de cargas entre as placas A e B seja igual à tensão elétrica da bateria. Agora o capacitor está carregado. Como praticamente nenhuma carga pode cruzar a região entre as placas, o capacitor permanece nesta condição mesmo que a bateria seja retirada”.

Eletricamente, a capacitância é capacidade de armazenamento de carga elétrica, sendo igual á quantidade de carga que pode ser armazenada num capacitor dividida pela tensão aplicada às placas.

⇒ C = Q / V , onde C é a capacitância em Farad (F), Q é a quantidade de carga em Coulombs (C) e V é a tensão aplicada às placas.

A capacitância de um capacitor depende da área das placas condutoras, da separação entre as placas e da constante dielétrica do material isolante. Alguns exemplos de materiais isolantes usados são o teflon, papel, baquelite e cerâmica. ⇒ C = k . A . 8,85x10-12 , onde C é a

d Capacitância (F), k é constante dielétrica do material isolante, A é a área das placas (m2) e d a distância entre as placas.

Em corrente contínua o capacitor carrega-se de forma exponencial segundo uma constante de tempo RC. Já em corrente alternada o capacitor apresenta uma impedância XC chamada de reatância capacitiva e é dada por XC = 1 / (2.π.f.C) onde f é a frequência do sinal em Hertz (Hz) e C a capacitância em Farads (F).” A diferença básica entre o capacitor convencional e o do sensor de proximidade capacitivo é que as placas são colocadas uma ao lado da outra e não uma sobre a outra (como no capacitor). No sensor capacitivo, portanto, o dielétrico é o ar, cuja constante é igual a 1. Quando qualquer objeto, que normalmente possui constante dielétrica maior que 1, é aproximado do sensor aumenta sua capacitância.

O circuito de controle, então, baseia-se no princípio da mudança de freqüência de oscilação de um circuito ressonante, com a alteração do valor da capacitância, que é formada pela placa sensível e o ambiente, devido à aproximação de um corpo qualquer. Esta capacitância pode ser alterada praticamente por qualquer objeto que se aproxime do campo de atuação do sensor.



7

Fig.26 Fig.27

Fig.28 Fig.29

A mudança da freqüência ocasionada pela alteração da capacitância da placa sensível, é enviada a um circuito detector que transforma a variação da freqüência em nível de tensão. O circuito trigger trata de receber o sinal de tensão gerado no detector, transformá-lo em onda quadrada adequada à excitar um circuito de comutação que finalmente poderá acionar circuitos externos.

Fig.25 - Composição básica do sensor de proximidade capacitivo São sensores que executam chaveamento eletrônico quando um objeto de qualquer

material, inclusive líquido, aproxima-se de sua parte sensível a uma distância pré-determinada para cada tamanho (diâmetro) de sensor. São fabricados em modelos para corrente contínua (NPN e PNP) e corrente alternada, de maneira similar aos sensores indutivos. Podem ser encontrados também, com ajuste da distância sensora. Exemplos.:



8

2.3) Magnético

a) Reed switch – Este sensor utiliza-se de um campo magnético de um imã permanente como meio de acionamento. Na presença de um imã permanente, os dois contatos elétricos se atraem, fechando um circuito qualquer. Disponível com um contato Na e pode ter contato reversível 1 NA + 1 NF. Sua vida útil está acima de 10 milhões de operações, freqüência de operação 600 Hz, corrente máxima de comutação 2300 mA.

Fig.30 – Aspecto físico Fig.31 – Montagem em porta

b) Sensor a efeito Hall – Segundo o experimento de Hall (1838), se através de uma superfície retangular constituída de material semicondutor passar uma corrente elétrica qualquer, sendo submetida a um determinado campo magnético perpendicular a esta corrente, uma diferença de potencial – chamada de tensão de Hall – será induzida nas bordas do material com uma direção perpendicular à direção da corrente alimentada e á direção do campo magnético, conforme as figuras abaixo :

Fig..32 – Sensor em repouso Fig.33 – Sensor sob a ação do imã Como uma outra conseqüência disso temos ainda que a corrente circulante pelo dispositivo se torna menor (aumenta a resistência). * Exemplos :

Fig.34

Fig.35 Fig.36



9

c) Pick-ups – São geradores de tensão, os quais convertem um movimento mecânico em energia elétrica. Estes dispositivos são capazes de sentir descontinuidade em uma superfície ferromagnética, por exemplo, a superfície de uma engrenagem formada por dentes ou ressaltos . Cada vez que um desses dentes ou ressaltos, passa em frente da face ativa do sensor magnético, é gerado um impulso elétrico. Desta forma, estes sensores são largamente utilizados para a contagem de pulsos de alta freqüência, enviando sinais para tacômetros, contadores de pulsos, velocímetros, controladores de velocidade, mesmo quando as condições do ambiente são extremamente desfavoráveis. Estes sensores produzem em sua saída uma tensão alternada senoidal, ocasionada pela passagem de dentes ou ressaltos de material ferromagnético em movimento perpendicular à face sensível do sensor. Neste caso, o valor de pico da senóide gerada depende de duas variáveis; a velocidade de passagem do dente pela face sensível e a distância entre a face sensível e o dente ou ressalto

Fig.38 – Padrões para funcionamento * Exemplos :

A escolha não oferece problemas, devendo-se observar o seguinte: • F = 2 x D • A = 2 x D • C >= A • E <= 0,2 mm

Fig.37



10

CORPO DO SENSOR

ÊMBOLOBOBINA

AO CIRC. DE

CONTROLE

3) SENSORES DE POSIÇÃO LINEAR 3.1) Resistivo – Trata-se simplesmente de um potenciômetro linear. A saída elétrica (resistência variável) será proporcional a posição relativa entre o êmbolo e o corpo do sensor.

Fig. 47 – Diagrama esquemático

Fig. 48 – Montagem mecânica 3.2) Indutivo- O movimento do êmbolo, feito de material magnético, irá mudar a permebeabilidade relativa no núcleo da bobina, ocasionando a alteração da indutância L, que, por sua vez, ocasionará uma variação proporcional na corrente/tensão de saída.

Fig. 49 – Montagem mecânica

Exemplo ): LVDT (Linear Variable Diferenttial Transformer):

Fig.50 – Esquema elétrico

RESISTÊNCIA

ALIMENTAÇÃOAO CIRC.

DE CONTROLE

+

ÊMBOLO

-



11

Considerando uma tensão senoidal no primário e L1 = L2, R1 = R2 e D1 = D2, teremos:

Fig.51 – Polarização para o semi ciclo positivo A - Para o semiciclo positivo

Se o êmbolo estiver exatamente na posição central (entre L1 e L2), circularão as correntes i1 e i2 (diodos D1 e D2 polarizados diretamente). Como L1 = L2, nesta posição central do êmbolo, as correntes geradas nos secundários serão iguais. Assim sendo as tensões em R1 e R2 também serão iguais, mas com polaridades opostas, tornando a tensão Vab =0 Se o êmbolo estiver mais próximo de L1, L1 > L2 e VR1 > VR2, isto explica que o ponto a será mais positivo do que o ponto b. Vab então, será positivo. Instalando capacitores na saída Vab, teremos: ∗ Êmbolo totalmente sobre L1. Se o êmbolo estiver mais próximo a L2, VR2 > VR1 ⇒ Vab < 0



12

Instalando capacitores sobre a saída Vab, teremos: *Êmbolo totalmente sobre L2. B - Considerando o ciclo negativo da senóide : Nesta situação os diodos (D1 e D2) não conduzirão, i1 e i2 = 0, VR1 e VR2= 0 ⇒ Vab = 0 para qualquer posição do êmbolo.

Fig.52 – Polarização para o semi ciclo negativo Obs.: Se pudermos utilizar sinal alternado na saída, utiliza-se a ligação a seguir:

Fig.53 – Diagrama elétrico para corrente alternada



13

*Exemplo:

Fig.54 – Medição da quantidade de líquido em um reservatório 3.3) Capacitivo : Neste tipo de sensor a posição relativa entre a placa fixa e a móvel, é proporcional à variação da capacitância, visto que estaremos variando o dielétrico entre as placas.

Obs.: Na prática os valores da capacitância entre as placas são muito pequenos e a variação desta em função da posição (movimento) são menores ainda. Isto faz com que os circuitos de controle se tornem mais complexos e mais caros.

Fig.55 – Componentes de um sensor de posição linear capacitivo * Exemplo :

Fig.56 – Medição de pressão com sensor capacitivo



14

RESISTÊNCIA

PLACAS FIXAS

PLACAS MÓVEIS

4) SENSORES DE POSIÇÃO ANGULAR 4.1) Resistivo –Um resistor é disposto de maneira circular e, em assim sendo, uma variação na posição angular do cursor resultará em seus terminais de saída uma resistência proporcional.

Fig.57 – Sensor com resistor de fio

Fig.58 – Sensor com resistor de filme 4.2) Indutivo – RVDT ( rotary variable differential transformer ) – Seu princípio de funcionamento é similar ao LVDT, diferenciando apenas na forma física do eixo que, no RVDT, movimentando-se em torno do seu eixo e com sua forma alongada, permite aproximações de L1 ou L2. Podem ser usados com os mesmos circuitos apresentados anteriormente para o LVDT e a faixa de movimentação angular normalmente é limitada em ± 45° a partir da posição central.

Fig.59 – Sensor com resistor de fio 4.3) Capacitivo – Neste sensor a variação da capacitância é diretamente proporcional à posição angular, através da variação da área das placas do capacitor. É composto por vários capacitores e cada placa é formada por uma placa fixa e uma móvel, sendo esta última interligada mecanicamente às outras móveis de modo a girar juntas, conforme figura abaixo.

Fig.60 – Sensor de posição angular capacitivo

RESISTÊNCIA



15

5) SENSORES DE LUMINOSIDADE: LDR e FOTOTRANSISTOR A resistência elétrica de um semicondutor depende também da intensidade luminosa que incide sobre o material. Portanto, a incidência de luz no semicondutor faz com que aumente o número de portadores, o que significa diminuição de resistência elétrica. LDR – O sensor de luz mais simples é o LDR (do inglês Light Dependent Resistor ou Resistor Dependente de Luz), também denominado fotorresistor. São semicondutores obtidos por ligação iônica de metais como o antimoneto de índio ou o antimoneto de chumbo. 6) SENSORES ÓTICOS O princípio de funcionamento baseia-se na interrupção ou incidência de um feixe luminoso sobre um foto-receptor, o qual provoca uma comutação elétrica. A emissão nesses é de luz invisível proveniente da emissão de raios infra vermelhos.

Para conseguir-se máxima eficiência e potência, a emissão de luz infravermelha é modulada ou pulsada com uma freqüência em torno de 1,5 kHz, freqüência que será interpretada por um sensor ótico sintonizado nesta mesma freqüência, o que imuniza o sistema totalmente da recepção da iluminação ambiente ou raios luminosos estranhos ao sistema. Os sensores óticos estão disponíveis em três modelos:

Fig.62

Fig.63 Fig.64 6.1) Sistemas por óticas alinhadas – É um sistema onde o dispositivo emissor de luz (infra vermelha ) é colocado frontalmente e alinhado ao dispositivo receptor.

Fig.65 – Sistema por óticas alinhadas Este sistema permite sua instalação em lances de até 120 m para ambientes internos e 60 m para ambientes externos, onde as condições de ambientais estão sujeitas a variáveis como sol, chuva e neblina.

Fig. 61 – Estrutura física e símbolo



16

6.2) Sistemas por difusão – Este sistema detecta somente através de espelhos prismáticos. O sensor será instalado alinhado a um espelho prismático de 100 x 10mm, que tem como função refletir os raios de volta ao receptor. Atinge até 6m.

Fig.66 – Sistema por difusão O espelho prismático proporciona um alto nível de retorno de sinal, apresentando uma reflexividade de 2000 a 3000 vezes maior em relação ao papel branco (padrão). Os três lados adjacentes do prisma são defasados de 90° um em relação ao outro. Quando o feixe de luz emitida encontra uma destas superfícies (A), ele é refletido para uma Segunda (B), para uma terceira (C) e então, de volta ao sensor numa direção paralela em relação ao curso original. 6.3) Sistemas refletido – Neste sistema, o funcionamento é análogo ao “por difusão”, tendo como característica detectar os raios refletidos por qualquer superfície e cores. Atinge até 500mm.

Fig.67 – Sistema refletido



17

Exemplos:

Fig.72 – Proteção p/ pontes rolante Fig.73 – Contagem de produção Fig.74 – Sistema separador

Fig.75 – Detetor de presença Fig.76 – Verificação de pintura Fig.77 –Aplicação em fábrica de papel



18

7) SENSORES DE TEMPERATURA Com o desenvolvimento tecnológico diferente em diferentes países, criou-se uma série de normas e padronizações, cada uma atendendo uma dada região. As mais importantes sãoÇ ISA – Americana DIN – Alemã JIS – Japonesa BS – Inglesa UNI – Italiana Para atender as diferentes especificações técnicas na área de termometria, cada vez mais se somam os esforços com o objetivo de unificar estas normas. Para tanto, a Comissão Internacional Eletrotécnica – IEC, vem desenvolvendo trabalhos junto aos países envolvidos neste processo normativo. O Brasil através da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT, está, também, diretamente envolvido em tal processo normativo. 7.1) Introdução Sensores de temperatura são transdutores que alteram uma ou mais de suas características físicas ao entrarem em equilíbrio com o meio cuja temperatura se quer determinar. A maioria dos sensores assimila a energia do meio através da transmissão de calor por contato. Entre os instrumentos baseados nesse princípio, incluem-se os que sofrem:

a) Alterações mecânicas, como volume e pressão; b) Alterações elétricas, como resistência e tensão. Em alguns instrumentos como nos termômetros de radiação, a assimilação da energia do corpo se dá

pela radiação emitida por esse corpo. Neste caso, o elemento de medição assumirá uma temperatura diferente daquela do corpo cuja temperatura se deseja determinar.

O Controle de Processo é o termo utilizado para descrever qualquer condição, natural ou artificial, pela qual uma quantidade física é regulada. Não existe uma evidência maior de tais controles do que aquela associada com temperatura e outros fenômenos térmicos. A regulação ou o controle de temperatura no meio industrial tem sempre sido de fundamental importância e se tornado ainda mais com o avanço da tecnologia disponível. Nas seções que seguem procuramos esclarecer os princípios da energia térmica e temperatura e logo adiante apresentaremos vários sensores térmicos para medida de temperatura. 7.2) Definição de temperatura

• Sólido Em qualquer material sólido, os átomos ou as moléculas estão fortemente ligados uns com os outros,

de maneira que estes são incapazes de move-se ou afasta-se de sua posições de equilíbrio. Cada átomo, entretanto é capaz de vibrar em torno de sua posição particular. O conceito de energia térmica é considerado pela vibração das moléculas. Considere um material particular no qual as moléculas não apresentam nenhum movimento, isto é, as moléculas estão em repouso. Tais materiais possuem energia térmica (Wter =0) nula. Se nós adicionarmos energia para este material colocando-o num aquecedor, esta energia faz com que suas moléculas comecem a vibrar. Nós dizemos agora que este material tem alguma energia térmica (Wter > 0).

• Liquido Se mais e mais energia é adicionada ao material, as vibrações se tornam, mais e mais violenta

quando a energia térmica aumenta. Finalmente, quando uma certa condição é alcançada onde as ligações que mantêm as moléculas juntas se quebram e estas se movem ao longo do material. Quando isto ocorre, nós dizemos que o material fundiu e tornou-se líquido. A velocidade com que se movem é a medida da energia térmica.

• Gás



19

Um posterior aumento na energia térmica do material intensifica a velocidade das moléculas até que finalmente estas ganham energia suficiente para conseguir escapar complemente da atração das outras moléculas. Esta condição é manifestada pela ebulição do líquido. Quando um material consistido de tais moléculas movendo randomicamente através de um volume contido, nós chamamos este material de gás. A velocidade média das moléculas é novamente a medida da energia térmica do gás. O objetivo dos sensores térmicos está associado com a medida da energia térmica do material ou de um ambiente contendo diferentes materiais.

7.2.1) Escala de temperatura relativa

As escalas de temperatura relativas diferem da escala absoluta apenas no deslocamento do zero. Assim quando estas escalas indicam um zero na temperatura, não significa zero na energia térmica do material. Estas duas escalas são Celsius e Fahrenheit com as temperaturas indicadas por °C e °F respectivamente. A quantidade de energia representada por 1°C é a mesma que 1K, apenas com o zero deslocado na escala Celsius, de modo que:

T(°C) = T(K) - 273,15

Para transformar Celsius em Fahrenheit, utilizamos a expressão

T(°F) = 9/5 T(°C) + 32

7.3) Sensores Resistivos

Uma dos métodos principais para medida elétrica de temperatura explora a mudança da resistência elétrica de certos tipos de materiais. Neste caso, o princípio da técnica de medida consiste em colocar o dispositivo sensível a temperatura em contato com o ambiente no qual se deseja medir a temperatura. Assim, a medida de sua resistência indica a temperatura do dispositivo e conseqüentemente do ambiente. O tempo de resposta neste caso é importante porque é necessário que o dispositivo atinja o equilíbrio térmico com o ambiente. Dois dispositivos básicos usados são:

1. Detetor RTD ( Resistance Temperature Detector) 2. Termistores

7.3.1) Detetor RTD

Os RTD são simples elementos resistivos formados de materiais como platina, níquel, ou uma liga níquel-cobre. Estes materiais exibem um coeficiente de resistividade positivo e são usados em RTD’s porque são estáveis e apresentam uma resposta à temperatura reprodutível por longo tempo.



20

Um RTD típico exibe uma característica resistência x temperatura dada pela expressão:

R = R0 ( 1 + µ1 T + µ2 T2 + ... + µN TN ) (7.3) onde

µ1 , µ2 , ... µN = são os coeficientes de resistividade de temperatura R0 = é a resistência do sensor na temperatura T0. (normalmente T0 = 0°C)

O número de termos relacionados na equação acima para qualquer aplicação depende do material usado no sensor, do intervalo de temperatura e da precisão desejada na medida. As características de dependência resistência x temperatura para platina, níquel e cobre são mostradas na figura 78. Para um intervalo pequeno de temperatura, a equação 7.3 adquire uma forma linear expressa por

R/R0 = µ1 (T - T0) (7.4)

Figura 78

Se uma precisão maior é exigida uma aproximação de segunda ordem é necessária, de maneira que a equação 7.3 torna-se

R = R0 ( 1 + µ1 T + µ2 T2) (7.5). A equação 7.5 é mais complicada de trabalhar, mas fornece uma maior precisão para maiores

intervalos de temperatura. Os elementos sensíveis disponíveis são muitos variados. Um dos sensores bastante utilizado consiste de fio de platina com pureza 4 noves (99,99) envolto e hermeticamente selado em uma capsula de cerâmica. O sensor de platina é utilizado pela sua precisão. Ele resiste a corrosão e contaminação, e suas propriedades mecânicas e elétricas são estáveis por um longo período. O “ drift ” é normalmente menor 0.1°C quando são utilizados no seu limite superior de temperatura.

Os RDT de platina são construídos com tecnologia de filmes espessos ou filmes finos. Estes filmes são depositados em um substrato fino e plano de cerâmica e encapsulados com vidro ou cerâmica. Ambos estes métodos de fabricação de filmes finos permite que a resistência (típica 100 Ohms) do sensor com uma pequena massa e volume. Como resultado, o tempo de resposta de um RDT de filme seja reduzida de forma apreciável, como mostra a figura 1.2).



21

SENSOR OU BULBO

Fio de prata ou

ISOLADOR RESINA

Pó de óxido de magnésio

cobre prateado

RABICHO

Figura 79- Tempo de resposta para RTDs de fio e de filme fino.

Os erros comumentes encontrados quando os RTDs são utilizados para medida de temperatura são:

1) Efeitos dos fios de ligação; 2) Estabilidade; 3) Auto aquecimento e, 4) Sensibilidade a pressão.

Efeitos dos fios podem ser minimizados fazendo os fios de ligação tão curtos quanto possíveis. Uma

regra prática é usar uma fio de ligação que apresente uma resistência menor do 1 por cento da resistência do sensor. O efeito da resistência dos fios de ligação aparecia como um “offset” e uma redução na sensibilidade. Os erros causados pela variação das resistências dos fios de ligação por temperatura devem e podem ser eliminados por arranjo adequado do circuito condicionador. 7.3.2) Termistores

A resistência na maioria dos materiais aumenta, praticamente de forma linear, com a temperatura.

Em alguns casos ocorre a redução da resistência com o aumento da temperatura. De qualquer forma, admite-se variação linear segundo a expressão: R = R0 ( 1 + α . ∆t ) onde R é a resistência final, R0 é a resistência inicial, α é o coeficiente térmico do material e ∆t é a variação da temperatura t.

Este tipo de sensor utiliza o efeito da variação da resistência com a temperatura, sendo confeccionados com fio altamente purificados de platina, níquel ou cobre. Suas principais características são a alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, relação resistência/temperatura praticamente linear, desvio com o uso e envelhecimento desprezíveis, além de alto sinal elétrico de saída. O termômetro de platina, modelo de laboratório, é o padrão mundial para medidas de temperaturas na faixa de –270 °C a 962 °C. Na versão industrial é um sensor de inigualável precisão, sensibilidade e estabilidade.

O elemento primário é feito de um fio de alta pureza encapsulado num tubo de vidro ou cerâmico. Os valores de resistência são padronizados a uma temperatura fixa, por exemplo, 100 ohms a 0 °C.

Fig.80 – Elemento PT 100 Fig.81 – Montagem final



22

Princípio de medição – Antigamente a medição do termômetro de resistência era normalmente feita por um circuito tipo ponte de resistências, na qual a resistência elétrica do fio de ligação entre o sensor e o instrumento pode influir no resultado da leitura. Hoje com a advento dos circuitos microprocessados, a medição de um ou dois níveis de tensão é suficiente para que matematicamente, através de algumas operações, obtenha-se o resultado final que é a temperatura medida. Os termômetros de resistência podem ser ligados em três configurações, a saber:

*Esta configuração fornece uma ligação para cada extremidade do sensor. É a construção mais simples, sendo satisfatória no caso de medição de menor precisão onde a resistência do cabo pode ser considerada como uma constante aditiva no circuito e particularmente quando mudanças na resistência do cabo devido a variações da temperatura ambiente podem ser ignoradas. É usada normalmente quando a distância entre o sensor e o instrumento é inferior a 10 m e a precisão necessária é modesta.

*Já esta configuração fornece uma ligação numa extremidade do sensor e duas na outra. Conectando a um instrumento projetado para aceitar entrada de três fios, obtêm-se a compensação da resistência do cabo e efeitos da variação de temperatura sobre ela. É a configuração mais utilizada.

*Finalmente esta configuração fornece duas ligações em cada extremidade do sensor. É usada em medições de alta precisão

Termistores NTC e PTC – São dispositivos que variam sua resistência ôhmica conforme a temperatura e são feitos de compostos semicondutores como os óxidos de ferro, magnésio e cromo.

O NTC ( do inglês coeficiente negativo de temperatura) o valor da resistência ôhmica diminui à medida que sua temperatura se eleva, quer por seu aquecimento próprio ou por agentes externos.

Já o PTC, consequentemente, o valor da resistência ôhmica aumenta à medida que sua temperatura se eleva, possuindo uma variação de resistência maior que a de um NTC, numa mesma faixa de temperatura. Seu uso é mais freqüente como sensor de sobre temperatura, em sistemas de proteção.

Devido a seu comportamento não linear, estes dispositivos são utilizados numa faixa pequena de temperaturas, em que a variação é mais linear (próxima a uma reta).

Fig.85 – Foto de um NTC

Fig.82 - Ligação a dois fios

Fig.83 - Ligação a três fios

Fig.84 - Ligação a quatro fios

• Símbolo • Faixa de operação de 25° a 100°C; • Valor de resistência referida a 25°C (varia

conforme o modelo ) de 2,2 Ω a 33 Ω.



23

7.4) Termopar

O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J.Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado por dois condutores metálicos distintos A e B, quando submetidos a um diferencial de temperatura entre as suas junções, ocorre uma circulação de corrente elétrica.

A existência de uma força eletromotriz (mV) é conhecida como Efeito Seebeck, e este se produz pelo fato de que a densidade de elétrons livres num metal difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando este circuito é interrompido, a tensão do circuito aberto (Tensão Seebeck) torna-se uma função das temperaturas das junções e da composição dos dois metais.

Fig.86 – Constituição do termopar Fig.87 – Foto de um Termopar completo Denominamos a junção que está submetida à temperatura a ser medida de Junção de Medição (ou junta quente) e a outra extremidade que vai ligar no instrumento medidor de Junção de Referência (ou junta fria).

A geração da tensão é devido ao efeito Seebeck, que é produzido pela difusão de elétrons através da interface entre os dois materiais. O potencial do material aceitador de elétrons torna-se negativo na região de interface e o material doador torna-se positivo. Assim um campo elétrico é formado pelo fluxo de elétrons na interface. A difusão continua até que uma condição de equilíbrio seja alcançada pela ação do campo elétrico sobre os elétrons (mecanismo semelhante à formação do potencial de barreira na junção PN). Desde que as forças de difusão são dependentes da temperatura, o potencial elétrico desenvolvido na junção fornece uma medida desta temperatura.

Além do efeito Seebeck, dois outros efeitos termoelétricos básicos ocorrem no circuito do termopar. Estes são:

1) Efeito Peltier 2) Efeito Thompson O efeito Peltier ocorre quando passa um fluxo de corrente no circuito de termopar. Este efeito

consiste na transferência de calor na presença da corrente i .Esta quantidade de calor, em Watts é dada por qP = ¶AB .i (1.14) onde qP é a quantidade de calor transferida em Watts ¶ AB é o coeficiente de Peltier da junção

O efeito Thompson é o efeito termoelétrico que afeta o circuito do termopar. Novamente este efeito

envolve a geração ou absorção de calor qT sempre que existe um gradiente de temperatura e há corrente num material.



24

Tabela 7.1- Materiais empregados nos termopares padrão.

A escolha de um termopar para um determinado serviço deve ser feita considerando todas as

possíveis variáveis e normas exigidas pelo processo, portanto a tabela do anexo 2 fornece alguns dados para a orientação na escolha correta dos mesmos.

A tensão de saída em função da temperatura para os tipos de mais comuns de termopar é mostrado na figura 83. Como podemos observar na figura 83, o termopar tipo E (Cromel-Constantan) gera uma maior saída para uma dada temperatura; mais infelizmente, a sua maior temperatura de operação é de 1000 °C.

Figura 88- Tensão de saída v0 versus temperatura T

O intervalo de temperatura e as saídas de voltagem para os tipos mais comuns de termopar são

mostradas na tabela 7.2.



25

Tabela 7.2- Intervalo de temperatura e tensão de saída para vários termopares.

A estabilidade de longo tempo (long-time stability) é uma propriedade importante do termopar se a

temperatura deve ser monitorada por um longo tempo. Um tipo de termopar foi desenvolvido, tipo N (nicrosil-nisil) que apresenta uma estabilidade termoelétrica muito elevada. Instabilidade térmica de vários termopares padrão ocorre a partir de 100 a 1000 h de exposição a temperatura.. O erro mais importante introduzido pelos efeitos da instabilidade térmica é o gradual e acumulativo “drift” na tensão de saída durante a longa exposição do termopar à temperaturas elevadas. Este efeito é devido a mudança na composição na junção causada pela oxidação interna e externa. O termopar tipo N foi desenvolvido para eliminar as oxidações internas e minimizar as oxidações externas.

Fig.89 –Termopar completo em corte 7.4.1) Compensação da Temperatura Ambiente Para se usar o termopar como medidor de temperatura, é necessário conhecer a tensão gerada e a temperatura da Junção de Referência Tr (ou junta fria), para, finalmente, conhecer a temperatura de medição T 1.

VSAÍDA = VT1 – VTr

Se não existir nenhuma compensação da temperatura ambiente, o sinal interpretado pelo sistema de

medição seria diferente (VT1 – VTr) daquele gerado em função da temperatura que se quer medir



26

(VT1). Assim sendo, no sistema de medição deve ser incorporado uma compensação da temperatura ambiente, gerando um sinal (VTr) como se fosse um outro termopar.

VSAÍDA = VT1 – VTr + VTr

7.4.2) Conversão de Tensão para Temperatura Como a relação entre tensão gerada e temperatura não é linear, o instrumento indicador deve de algum modo linearizar o sinal gerado pelo sensor. No caso de alguns instrumentos analógicos, como registradores, a escala gráfica do instrumento não é linear acompanhando a curva do termopar, e, em instrumentos digitais, usa-se ou a tabela de correlação, armazenada em memória ou uma equação matemática que descreve a curva do sensor. Equação genérica de um termopar:

T = a0 + a1.X1 + a2.X2 + a3.X3 + a4.X4 +...+ an.Xn

Onde: T = temperatura a = coeficiente de cada termopar X = milivolts gerados n = ordem do polinômio Abaixo os coeficientes dos principais tipos de termopares: TIPO E TIPO J TIPO K TIPO R TIPO S TIPO T

Ni-Cr / Cu-Ni Fé / Cu-Ni Ni-Cr / Ni-Al Pt 13%-Ro / Pt Pt 10%-Ro / Pt Cu / Cu-Ni -100 a 1000 oC

±0,5 oC 0 a 760 oC ±0,1 oC

0 a 1370 oC ±0,7 oC

0 a 1000 oC ±0,5 oC

0 a 1750 oC ±1 oC

-160 a 400 oC ±0,5 oC

a0 0,104967248 -0,048868252 0,226584602 0,263632917 0,927763167 0,100860910 a1 17189,45282 19873,14503 24152,10900 179075,491 169526,5150 25727,94369 a2 -282639,0850 -218614,5353 67233,4248 -48840341,37 -31568363,94 -767345,8295 a3 12595339,5 11569199,78 2210340,682 1,90002e +10 8990730663 78025595,81 a4 -448703084,6 -264917531,4 -860963914,9 -4,82701 e+12 -1,63565 e+12 -9247486589 a5 1,10866 e+10 2018441314 4,83506 e+10 7,620991 e+14 1,88027 e+14 6,97688 e+11 a6 -1,76807 e+11 ----------------- -1,18452 e+12 -7,20026 e+16 -1,37241 e+16 -2,66192 e+13 a7 1,71842 e+12 ----------------- 1,38690 e+13 3,71496 e+18 6,17501 e+17 3,94078 e+14 a8 -9,19278 e+12 ----------------- -6,33708 e+13 -8,03104 e+19 -1,56105 e+19 ----------------- a9 2,06132 e+13 ----------------- ----------------- ----------------- 1,69535 e+20 ----------------- 7.4.2) Fios de ligação

O material usado para fornecer isolação para os fios de ligação é determinado pela máxima temperatura que o termopar estará sujeito. Os tipos de isolação e seus limites de temperatura estão mostrados na tabela 1.4) Em aplicações de alta temperatura, os fios de ligação são disponíveis com uma isolação de cerâmica tendo de uma blindagem metálica. Em algumas aplicações faz-se necessário separar a medida e a junção fria por uma distancia apreciável. Nestas circunstâncias, fios especiais, conhecidos como fios de extensão (ou cabos de compensação), são inseridos entre a junção quente e a junção fria. Os fios de extensão são feitos do mesmo material da junção do termopar e, portanto, exibe aproximadamente as mesmas propriedades termoelétricas. A principal vantagem do fio de extensão é a melhora nas propriedades do fio. Por exemplo, agrupamentos de fios de menor diâmetro com isolação de PVC de fácil instalação podem ser usados em sistemas de baixo custo.



27

7.4.2) União da Junção de Medição A junção de medição (junta quente) de um termopar pode ser obtida por qualquer método que dê solidez necessária a um bom contato elétrico entre os dois fios, sem, contudo, alterar as características termoelétricas deste par. Entre as várias maneiras de se realizar um bom contato elétrico na junção de medição de um termopar, a solda é a mais utilizada, porque assegura uma ligação perfeita dos fios por fusão dos metais do termopar. Com exceção da solda prata, não é colocado nenhum outro material metálico para se realizar a solda, tendo somente a fusão dos metais. 7.5) Termômetro por radiação – Utilizam a radiação emitida por um corpo para medir sua temperatura. Não necessita de contato direto com o corpo cuja temperatura se deseja determinar. São usados quando a aplicação de outros tipos de sensores é impossível ou muito dificultosa. Exemplos:

- Objetos em movimento; - Temperatura acima do limite prático de aplicação de outros sensores (3500 °C); - Ambientes agressivos; - Ambientes de difícil acesso; - Temperaturas médias de grandes superfícies;

Fig.90 - Corte de um sensor de temperatura por radiação

Fig.91 - Exemplo de um pirômetro de radiação total (ARDONOX-SIEMENS)

DETETO R FILTRO

LIM ITADOR DE CAM PO LENTE

PARA O PRO CESSADOR

DE SINAL



28

Fio condutor

Corpo de plástico

Fig.92 – Aspecto de um strain gage

8) SENSORES DE ESFORÇO 8.1) Sensores de esforço Metálico (Strain Gage) - Em um metal sujeito a uma força qualquer, ocorrem movimentos relativos de tração, compressão e torção. Os sensores de força estando acoplados a este metal, movem-se junto deste alterando, então, sua resistência ôhmica. O componente principal (strain gage) consiste de um fio cuja resistência ôhmica depende, além de outras coisas, do seu comprimento e da área de seção transversal. Um pedaço de fio mudará sua resistência se esticado (seção diminuída e mais longo) ou comprimido (seção aumentada e mais curto) . Este fio condutor é montado em uma peça de plástico formando uma só peça que é, então, unida (através de fórmulas especiais) à coluna de carga, de maneira que se movimente junto a esta conforme esquemáticos a seguir. Os strain gauges metálicos são, basicamente, de três tipos: grade plana, grade bobinada e grade tipo folha.

Os extensômetros tipo folha são os mais usados e são confeccionados com técnicas de circuito impresso, normalmente sobre substratos de plástico ou papel, principalmente, devido ao grande desenvolvimento que sofreram as técnicas de circuito impresso. O material resistivo (filme) possui alguns micra de espessura e está depositado num material eletricamente isolado, chamado base. O desenho final da parte resistiva (filme) é obtido através de um processo fotográfico, esta operação de fotocorrosão (semelhante ao fotolito gráfico) é seguida pela operação de soldagem dos "lides" ao strain gauge.

O uso dos strain gauges é relativamente simples: eles são colocados no objeto cujas deformações se pretende medir. Quando um "filme" metálico é deformado mecanicamente, entre outros aspectos, ocorre uma variação de comprimento, implicando numa mudança da resistência elétrica.

Da 2ª Lei de Ohm, temos que

AL

R ×ρ=

onde: R é a resistência elétrica, ρ é a resistividade do material,

P/ circuito de controle

Grade Tipo Plana de fio

Grade Bobinada

Grade tipo folha

Lides(terminais colados na grade)

Substrato

Substrato



29

L é o comprimento do condutor, A é a área da seção transversal do condutor. Usando-se uma cola adequada de modo que a deformação da peça seja integralmente transmitida

para o elemento resistivo (extensômetro), pode-se "calibrar" a variação relativa de resistência em função da deformação relativa (e) da peça (no regime elástico). Define-se o "gauge factor" (fator do extensômetro) da seguinte forma:

) ( relativa Deformaçãoelástica aresistênci de relativa Variaçãoroextensômet doFator

ε=

ou,

∆

∆=

LLRR

K

8.2) Sensor de esforço Semicondutor Estes sensores empregam materiais semicondutores como elemento resistivo. Eles apresentam maiores vantagens sobre os extensômetros de fio ou folha por apresentarem alta sensibilidade. Sua operação é baseada no efeito piezoelétrico e podem ser conectados diretamente a um osciloscópio.

O elemento resistivo mais utilizado, nesse caso, é o silício intrínseco ou extrínseco. A variação da resistência do silício é linear para deformações até 0,1% e torna-se não linear acima deste valor. Além disso, a resistência elétrica deste material apresenta uma alta dependência com as variações de temperatura. Pode-se minimizar esta dependência e aumentar a faixa de linearidade, adicionando quantidades controladas de impureza. Esta adição, no entanto, diminui a sensibilidade do extensômetro, devendo-se, portanto, buscar um equilíbrio entre estes efeitos opostos.

Obs.: Normalmente o strain gage vem ligado em uma ponte resistiva, que, na ausência de deformação, está equilibrada (tensão V=0). Uma vez alterada a resistência do strain gage, a ponte se desequilibra e uma pequena tensão aparece nos terminais de saída. Essa tensão é amplificada de modo a “medir” a deformação da superfície.

Fig.93 - Ponte resistiva + strain gage



30

Exemplos.: Fig.94 – Medição por compressão Fig.95 – Medição por tração

Fig.96 – Medição por torção

Fig.97 – Medição de pressão de gás

Fig.98 – Medição de pressão



31

8.3) Sensor de esforço Piezoelétrico É formado por um cristal (quartzo) que tem a particularidade de, sob uma pressão qualquer, produzir

uma tensão elétrica interna. Quando o cristal é deformado a tensão elétrica gerada internamente e´ conduzida para duas placas metálicas permitindo, então, a utilização por um circuito de controle qualquer. A tensão gerada pelo cristal sob pressão é de baixa potência e disponível por um tempo relativamente pequeno, sendo mais utilizado em aplicações específicas como medição de vibrações e fonógrafos, por exemplo.

Modelo 721-6671 • Alimentação – 10 Vcc • Faixa de uso – 1500 a 5500 gramas • Saída – 290 a 430 mV

Fig.99 – Estrutura de um cristal piezoelétrico

Fig.100 – Foto de cristal piezoelétrico



32

9) SISTEMAS DIVERSOS

Sensor de Pressão

Fig.101 – Acionamento via pressão Fig.102 – Acionamento via diferença de pressão

Fig.103 – Medição de volume






33

Fig.107 – Medição de volume Fig.108 – Medição de volume

Fig.109 – Medição de vazão

Fig.110 – Medição de vazão



34

SENSORES DE PRESSÃO EWPA007 -EWPA030 CARACTERÍSTICAS • Faixa de medição: EWPA007: -0,5 a 7 bar. EWPA030: 0 a 30 bar. • Alimentação: 8 a 28Vcc. • Saída: 4 a 20 mA. • Sobre-carga máxima: 50 bar. • Precisão: ± 0,3% F.E. SENSORES DE UMIDADE EWHS 28,EWHS 31 CARACTERÍSTICAS EWHS28 • Faixa de Medição: 15 a 90% U.R; • Alimentação: 9 a 20 Vcc; • Saída: 3 a 18 mA; • Temperatura de Operação: -10 a 70 °C; • Precisão: ±5% F.E.

Fig.112 – Foto de um sensor de umidade

Fig.111 – Foto de um sensor de pressão

TÉCNICAS DE MEDIÇÃO

MEDIÇÃO DE TEMPERATURA



36

MEDIÇÃO DE TEMPERATURA 1.INTRODUÇÃO Termometria significa "Medição de Temperatura", é o termo mais abrangente que inclui tanto a pirometria como a criometria que são casos particulares de medição. PIROMETRIA - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. CRIOMETRIA - Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura. Temperatura na Indústria A temperatura é uma das variáveis mais importantes na indústria de processamento. Praticamente todas características físico-químicas de qualquer substância alteram-se de uma forma bem definida com a temperatura. Exemplificando:- • Dimensões (Comprimento, Volume). • Estado Físico (Sólido, Líquido, Gás). • Densidade. • Viscosidade. • Radiação Térmica. • Reatividade Química. • Condutividade. • PH. • Resistência Mecânica. • Maleabilidade, Ductilidade. Assim, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu comportamento provocando por exemplo:- - Uma aceleração ou desaceleração do ritmo de produção. - Uma mudança na qualidade do produto. - Um aumento ou diminuição na segurança do equipamento e/ou pessoal. - Um maior ou menor consumo de energia. 1.1.CONCEITO DE TEMPERATURA

Temperatura é uma propriedade da matéria, relacionada com o movimento de vibração e/ou deslocamento dos átomos de um corpo. Todas as substâncias são constituídas de átomos que por sua vez, se compõe de um núcleo e um envoltório de elétrons. Normalmente estes átomos possuem uma certa energia cinética que se traduz na forma de vibração ou mesmo deslocamento como no caso de líquidos e gases. A energia cinética de cada átomo em um corpo não é igual e constante, mudam de valor constantemente, num processo de intercâmbio de energia interna própria.

Baseado nesta conceituação, pode-se definir a temperatura da seguinte forma: "Temperatura é a propriedade da matéria que reflete a média da energia cinética dos átomos de um corpo". Na prática, a temperatura é representada em uma escala numérica, onde, quanto maior o seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão.



37

Outros conceitos que se confundem às vezes com o de temperatura são: • Energia Térmica. • Calor.

A Energia Térmica de um corpo é a somatória das energias cinéticas dos seus átomos, e além de depender da temperatura, depende também da massa e do tipo de substância. O Calor é a energia que se transfere de um corpo para o outro por diferença de temperatura. A temperatura sob ponto de vista da experiência do homem no seu cotidiano, introduz o uso dos termos quente e frio. A sensação de quente é o resultado do fluxo de calor de um corpo qualquer para o nosso próprio, decorrente de uma maior temperatura daquele corpo.A sensação de frio aparece quando o nosso corpo cede calor para outro qualquer. A superfície do corpo humano está coberta de sensores de temperatura que nos informam a cada instante do estado térmico do ambiente que nos cerca. As sensações de quente e frio que sentimos são relativas, um corpo à mesma temperatura pode nos transmitir sensações diversas dependendo das condições físicas e psicológicas do nosso corpo. Os nossos sentidos não são adequados para medir temperatura com segurança, além de atuarem em uma faixa de temperatura bastante estreita, próxima à temperatura do próprio corpo, devido ao aparecimento da dor.

Até o final do século XVI, quando foi desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliar temperatura, os sentidos do nosso corpo foram os únicos elementos de que dispunham os homens para dizer se um certo corpo estava mais quente ou frio do que um outro, apesar da inadequadamente destes sentidos sob o ponto de vista científico.

Formas de transferência de calor Condução (sólidos):

Transferência de calor por contato físico. Um exemplo típico é o aquecimento de uma barra de metal. Convecção (líquidos e gases):

Transmissão ou transferência de calor de um lugar para o outro pelo deslocamento de material. Quando o material aquecido é forçado a se mover, existe uma convecção forçada. Quando o material aquecido se move por diferença de densidade, existe uma convecção natural ou livre. Radiação (sem contato físico):

Emissão contínua de energia de um corpo para outro, através do vácuo ou do ar (melhor no vácuo que no ar, pois no ar é parcialmente absorvida). A energia radiante possui a forma de ondas eletromagnéticas e propagam-se com a velocidade da luz. 1.2.HISTÓRICO

O primeiro instrumento desenvolvido para avaliar temperaturas foi um termoscópio fabricado por Galileu Galilei, sábio italiano, em 1592. Este instrumento permitia comparar as temperaturas de dois ambientes, sem atribuir valores numéricos às mesmas, donde provém o seu nome. Hoje sabe-se que a pressão atmosférica afetava as indicações deste termoscópio, limitando a precisão das indicações.



38

Em 1654, Ferdinand II, Duque de Toscânia, fabricou termômetros na forma usual, ou seja, um bulbo e capilar de vidro, cheios parcialmente de álcool e totalmente selado da pressão atmosférica. Neste instrumento, a propriedade usada para detectar variações de temperatura é a dilatação do álcool. Robert Hooke em 1664 estabeleceu o primeiro ponto de referência em termômetro, atribuindo o valor zero ao ponto onde se estabilizava a coluna de álcool, quando o termômetro era colocado no gelo fundente.

Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro, sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis, como existia na época, para Peso, Distância, Tempo. Era um dilema, que foi sendo resolvido gradativamente ao longo de muitos anos de evolução técnica. Por exemplo, em 1665 o cientista e matemático holandês Christian Huygens escreveu:- "Seria bom existir um padrão universal e determinado de calor e frio, fixando uma proporção definida entre a capacidade do bulbo e do tubo, e então tomando para o começo o grau de frio no qual a água começa a congelar, ou melhor, a temperatura da água em ebulição..."

Foi somente em 1694 que Carlo Renaldini, ocupava a mesma cadeira de matemática na Universidade de Pádua que ocupava Galileu, sugeriu tomar o ponto de fusão do gelo e de ebulição da água como dois pontos fixos de temperatura em uma escala de termômetro. Ele dividiu o espaço entre eles, em 12 partes iguais. Infelizmente esta importante contribuição para a Termometria foi esquecida. Newton, em 1701, definiu uma escala de temperatura baseada em dois pontos fixos reprodutíveis. Para um ponto fixo escolheu o ponto de fusão do gelo, e o chamou de zero. Para o outro ponto fixo ele escolheu o número 12 a este ponto. Baseado no que Newton chamava de "Partes iguais de calor", a água fervia no número 34 desta escala.

Em 1706 Daniel Gabriel Fahrenheit, fabricante de termômetros de Amsterdã, definiu uma escala de temperatura, possuía 3 pontos de referência 0, 48 e 96. Números que representavam nas suas palavras o seguinte:- "48 no meu termômetro é o meio entre o frio mais intenso produzido artificialmente por uma mistura de água, gelo e sal-amoníaco, ou mesmo sal comum, e aquela (Temperatura) que é encontrada no sangue de um homem saudável “. Fahrenheit encontrou que na sua escala o ponto de fusão do gelo valia 32 e o de ebulição da água 212 aproximadamente. Estes pontos, posteriormente forma considerados mais reprodutíveis e foram definidos como exatos e adotados como referência.

Em 1742, Anders Celsius, professor de Astronomia na Suécia, propôs uma escala com o zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água, no ano seguinte Christian de Lyons, independentemente sugeriu a familiar escala centígrada (atualmente chamada escala Celsius).

2.ESCALAS DE TEMPERATURA

As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram a Fahrenheit e a Celsius. A escala Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180 partes iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit.



39

Toda temperatura na escala Fahrenheit é identificada com o símbolo "ºF" colocado após o número (Ex. 250ºF). A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau centígrado" utilizada anteriormente no lugar de "Grau Celsius", não é mais recomendada.

A identificação de uma temperatura na escala Celsius é feita com o símbolo "ºC" colocado após o número (Ex.: 160ºC). Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit, são relativas, ou seja, os seus valores numéricos de referência são totalmente arbitrários. Existe, entretanto escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no ponto teórico onde a temperatura atinge o seu valor mínimo, no ponto onde a energia cinética dos átomos se anula. Existem duas escalas absolutas atualmente em uso; a Escala Kelvin e Rankine. A Escala Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual à um grau Celsius, porém o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível, 273,15 graus abaixo do zero da Escala Celsius. A Escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão é idêntica à da Escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga às escalas relativas:- Kelvin 400K (sem o símbolo de grau "º"). Rankine 785 R. A Escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos da América, porém seu uso tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitação universal. O sistema internacional de unidades adota (ºC) graus Celsius.

A Escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit. Existe uma outra escala relativa, a Reaumur, hoje já praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o ponto de fusão do gelo e 80 o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido em oitenta partes iguais. (Representação - ºRe). 2.1.CONVERSÃO DE ESCALAS

A figura 1 compara as escalas de temperatura existentes.



40

Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas:

Outras relações podem ser obtidas combinando as apresentadas entre si. É importante observar a diferença entre, por exemplo, 1ºC e 1 grau Celsius. O primeiro significa uma determinada temperatura e o segundo significa um intervalo de temperatura. Se pretendermos passar para a escala Fahrenheit, teremos:-

(Utilizando a relação entre as dimensões do grau Celsius e o Grau Fahrenheit) Exercícios Resolvidos 1. Qual a temperatura em ºC do zero original da escala Fahrenheit? E a temperatura do homem saudável?



41

2. O ponto de ebulição do oxigênio é -182,86ºC. Exprimir esta temperatura em:

Obs:- Dependendo da precisão do cálculo, pode-se arredondar 273,15 para somente 273 sem cometer um erro muito grande. Também o fator 459,67, de conversão R para ºF, pode ser arredondado para 460. Assim as fórmulas ficariam:-

4. No interior do sol a temperatura é cerca de 107K. Qual a temperatura: a) Na escala Celsius; b) Na escala Rankine; c) Na escala Fahrenheit?



42

5. Transformar a unidade de calor "Caloria” em "BTU". Sabendo-se que 1 caloria é a quantidade de calor necessária para aquecer de 1 grau Celsius, 1 grama de água, e BTU é a quantidade de calor para aquecer de 1 grau Fahrenheit, 1 libra de água. Dado:- 1 libra = 453,6 gramas

Obs.: Notar que foi utilizada a relação entre os valores do grau Celsius e Fahrenheit. 6. Supondo que a escala de Carlo Renaldini tivesse sido adotada, qual seria: a) A fórmula de correspondência com a escala Celsius? b) Qual seria o valor do zero absoluto nesta escala? Ponto Fusão Ponto Ebulição Gelo água 0 100 0 12 a) CELSIUS (ºC) RENALDINI (ºRn)



43

2.2.PONTOS FIXOS DE TEMPERATURA A temperatura interna do corpo humano pode ser considerada como um

ponto fixo de temperatura. Entretanto esta temperatura é afetada por vários fatores que diminuem a precisão deste padrão.

A mudança de estado de substâncias puras (fusão, ebulição) é normalmente desenvolvida sem alteração na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substância é utilizado pelo mecanismo de mudança de estado.

Calor sensível: - é a quantidade de calor necessária para que uma substância mude a sua temperatura até que comece a sua mudança de estado, onde teremos o calor latente. Calor latente: - a quantidade de calor que uma substância troca por grama durante a mudança de estado. Apesar do calor cedido a água ser constante durante toda a experiência, nota-se que durante a fusão do gelo, entre t1 e t2, e ebulição da água, entre t3 e t4 a temperatura permanece constante. Se mantivermos uma mistura de água e gelo em equilíbrio, a temperatura permanecerá constante apesar de existir fluxo de calor entre a mistura e o ambiente. Esta mistura de duas ou três fases (Vapor, Líquido e Sólido) em equilíbrio, gera o que se convencionou chamar de "Ponto Fixo de Temperatura". Visando uma simplificação nos processos de calibração, a Comissão Internacional de Pesos e Medidas, relacionou uma série de pontos fixos secundários de temperatura, conforme mostrado na tabela a seguir.



44

PONTOS FIXOS TEMPERATURA(ºC)

Ponto de Ebulição do Nitrogênio -195,798

Ponto triplo do Hélio -259,3467 Ponto triplo da água 0,010

Ponto de Solidificação do Estanho 231,928 Ponto de Solidificação do Alumínio 660,323

Ponto de Ebulição do Oxigênio -182,954 Ponto de Solidificação da Prata 961,78 Ponto de Solidificação do Cobre 1084.62 Ponto de Solidificação da Platina 1064,180

2.3.ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA

Não existe limite superior para a temperatura de uma substância qualquer. À medida que sobe a temperatura, ocorre uma série de transformações físico-químicas na substância, por exemplo:- Fusão, Evaporação, Decomposição Molecular, Ionização, Reações Nucleares, etc...Se usarmos a substância água como exemplo, teríamos as seguintes temperaturas na escala Celsius, associados a estas transformações:- Fusão - 0ºC (por definição). Evaporação - 100ºC (por definição). Decomposição (H2O em H2 e O2) entre 1000 e 3000ºC. Ionização - (perda de elétrons) - acima de 2000ºC. Reações nucleares (fusão de hidrogênio) - acima de 15.000.000ºC. Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substância, atingimos um ponto limite além do qual é impossível ultrapassar, pela própria definição de temperatura. Este ponto, onde cessa praticamente o movimento atômico, é o zero absoluto de temperatura. Zero absoluto: - é o estado em que praticamente cessa o movimento atômico. As escalas absolutas (Kelvin e Rankine) atribuem o valor zero à temperatura mais baixa possível. A escala Kelvin possui a graduação igual a da Celsius, portanto:- 0 K = -273,15ºC e 0 R = 273,15ºC A escala Rankine possui a graduação igual a da Fahrenheit, portanto:- 0 K = -459,67ºF e 0 R = 459,67ºF. É evidente que uma escala absoluta não pode ter temperaturas negativas. 2.4.ESCALA INTERNACIONAL TEMPERATURA (ITS90)

Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada em fenômenos de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas de temperatura e pressão, determinando os pontos fixos de temperatura. A IPTS- Escala prática Internacional de temperatura, foi a primeira escala prática internacional de temperatura e surgiu em 1927. Foi modificada em 1948(IPTS-48), em 1960 mais modificações foram feitas e em 1968 uma nova IPTS foi publicada (IPTS-68). Em 1990, a Comissão Internacional de Pesos e Medidas, homologou uma nova escala de temperatura,



45

a ITS-90, definida a partir de vários pontos fixos de temperatura e com auxílio de instrumentos padrão de interpolação. A ITS-90 foi definida através de fenômenos determinísticos de temperatura, isto é, pontos fixos de determinadas temperaturas.

Os valores numéricos dos pontos fixos de temperatura, são determinados pela termometria à gás, e os instrumentos de interpolação são: - Na faixa de -259,34ºC a 630,74ºC é termômetro de resistência de platina. - Na faixa de 630,74ºC a 1064,43ºC é o termopar de platina com 10% de ródio e platina. - Acima de 1064,43ºC é o pirômetro óptico.

Existem várias equações que relacionam a temperatura e a propriedade termométrica utilizada nestes instrumentos (resistência elétrica, FEM termoelétrica e energia radiante). Através do uso destas equações pode-se determinar com precisão a temperatura em que se encontra um determinado corpo de prova. Esta escala de temperatura é transferida para outros instrumentos de utilização mais simples, mantendo-se o erro de faixas bastante estreitas. Em princípio, de uma forma indireta, todo termômetro usado na prática tem a sua calibração relacionada à Escala Internacional de Temperatura. 3.MEDIDORES DE TEMPERATURA - TIPOS E CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

Os instrumentos de medida da temperatura podem ser divididos em duas grandes classes: 1ª Classe

Compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensível está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. São eles:

A)Termômetros à dilatação de sólido. B) Termômetros à par termo elétrico. C) Termômetros à resistência elétrica. D) Termômetros à dilatação de líquido. E) Termômetros à dilatação de gás. F) Termômetros à tensão de vapor saturante. G) Pirâmides fusíveis e "crayons" coloridos.



46

2ª Classe Compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensível não

está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. São eles: A) Pirômetros à radiação total. B) Pirômetros à radiação parcial (monocromáticos).

A aplicação dos diversos tipos apresentados depende em cada caso de fatores técnicos e econômicos. Como fatores técnicos podemos citar faixa de medição, tempo de respostas, precisão, robustez, etc. A relação abaixo mostra a aplicação de cada tipo de medidor na indústria. Ex.: 1ª Classe: Termômetro à Dilatação de Sólido

Sob a forma de termômetro bimetálico é atualmente o indicador de temperatura local mais usado na área industrial devendo isto a sua simplicidade, robustez e baixo preço. Termômetro à Par Termoelétrico

É atualmente o sistema de medição de temperatura mais utilizado na indústria para monitoria de processos nas salas de controle centrais. É preciso, robusto, cobre uma ampla gama de temperaturas e possui normalmente preço inferior ao de resistência. Termômetro de resistência elétrica

Pertence à categoria de instrumentos elétricos. Tem uso bastante difundido na indústria, sendo ao contrário dos termômetros anteriores, útil na transmissão à distância da temperatura medida. Seu uso deve-se ao fato de possuir boa precisão e ampla faixa de temperatura, apesar de ser de preço elevado. Termômetros à Dilatação de Líquido

Termômetros de vidro de mercúrio - amplamente usado em laboratórios, oficinas e quando protegido, na área industrial. Termômetro metálico de mercúrio

Bastante usado em áreas industriais como indicador local de temperatura. Termômetro à dilatação de gás

Não encontra muita aplicação na indústria. Normalmente é encontrado em aplicações como indicador local de temperatura. Termômetro à Tensão de Vapor

Tem uso bastante difundido na indústria e como monitor de temperatura em instrumentos industriais. Pirâmides Fusíveis e "Crayons" coloridos

Aplicação bastante limitada nas indústrias, restringindo seu emprego a algumas indústrias cerâmicas. "Crayons" coloridos, uso esporádico em testes



47

nas indústrias e oficinas, sendo anualmente substituído por termômetros elétricos de contato. Ex.: 2ª Classe Pirômetro de Radiação Total

Grande aplicação na indústria nos casos de medição de altas temperaturas ou de objetos móveis, continuamente. Não possui concorrentes na sua faixa de aplicação. Pirômetro Óptico Monocromático (Radiação Parcial)

Bastante usado na indústria para medir esporadicamente altas temperaturas. É utilizado para calibração eventual do pirômetro de radiação total. Preço elevado. 3.1.TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE SÓLIDO OU TERMÔMETRO BIMETÁLICO 3.1.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

A operação deste tipo de termômetro se baseia no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. É sabido que o comprimento de uma barra metálica varia com a temperatura segundo a fórmula aproximada: L = Lo (1 + αt) Onde: L = comprimento da barra à temperatura t. Lo = comprimento da barra à 0ºC. t = temperatura da barra. α= coeficiente de dilatação linear do metal utilizado Deste modo poder-se-ia construir um termômetro baseado medição das variações de comprimento de uma barra metálica. A figura mostra dois tipos de termômetros baseados diretamente neste fenômeno: -O primeiro tipo consiste em uma barra metálica sustentada horizontalmente e um sistema mecânico para amplificação das pequenas variações de comprimento da barra. -O segundo tipo baseia-se na medição da diferença de dilatação entre um tubo feito de material de coeficiente de dilatação e uma haste interna de material de baixo coeficiente de dilatação.



48

Estes termômetros apresentam dois graves inconvenientes: -O elemento sensor possui uma grande massa, o que torna a resposta do termômetro lenta. -A variação do comprimento experimentada pela barra é muito pequena, necessitando de uma grande amplificação mecânica até o dispositivo de indicação. Este último fator pode ser evidenciado no seguinte exercício: - Calcular a variação de comprimento sofrida por uma barra de ferro cujo comprimento a 0ºC é de 300mm. Quando ela for submetida a uma temperatura de 100ºC. Dado: Coeficiente de dilatação linear de ferroαFe = 12.10-6.ºC-1 L = 10.(1 + α.t) L = 300.(1 + 12 . 10-6 . 100) L = 300.(1 + 0,0012) L = 300. (1,0012) = 300,36mm Onde: L = comprimento à 100ºC. Lo = comprimento à 0ºC. t = 100ºC. Variação de comprimento: L = L - Lo L = 300,36 - 300,00 L = 0,36mm Portanto uma variação de 100ºC em uma barra de ferro de 300mm, provoca uma variação de apenas 0,36 em seu comprimento. 3.2.O BIMETAL E O TERMÔMETRO BIMETÁLICO

Fixando-se duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação diferentes de maneira indicada na figura, e submetendo o conjunto assim formado a uma variação de temperatura, observa-se um encurvamento que é proporcional à temperatura. O encurvamento é devido as diferentes coeficientes de dilatação dos dois metais, sendo o segmento de círculo a forma geométrica que comporta as duas lâminas com comprimentos diferentes. Evidentemente, fixando-se uma extremidade da lâmina bimetálica, o movimento da outra ponta representará a temperatura da mesma. A sensibilidade deste sistema é bem superior à do apresentado na figura anterior, sendo tanto maior quanto for o comprimento da lâmina e a diferença entre os dois coeficientes de dilatação dos metais.



49

Um termômetro elementar baseado no efeito bimetálico é apresentado na figura a seguir.

3.2.1.O TERMÔMETRO BIMETÁLICO

Na prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta mais ainda a sensibilidade do sistema conforme a figura.

O termômetro mais usado é o de lâmina bimetálica helicoidal. E consiste de um tubo bom condutor de calor, do interior do qual é fixado um eixo, que por sua vez, recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala.



50

Normalmente o eixo gira de um ângulo de 270º para uma variação de temperatura que cubra toda a faixa do termômetro. 3.2.2.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO: FAIXA DE TRABALHO E PRECISÃO

A sensibilidade do termômetro depende das dimensões de hélice bimetálica e de diferença de coeficiente de dilatação dos dois metais. Normalmente usa-se 1 INVAR como metal de baixo coeficiente de dilatação. INVAR:- (Aço com aproximadamente 36% de níquel e que possui baixo coeficiente de dilatação, aproximadamente 1/20 dos dois metais comuns).

O latão é utilizado como material de alto coeficiente de dilatação e para temperaturas mais elevadas usa-se ligas de níquel. A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -50ºC à 800ºC, sendo a escala sensivelmente linear. A precisão normalmente garantida é de ± 2% do valor máximo da escala.

Usualmente, as lâminas bimetálicas são submetidas a tratamentos térmicos e mecânicos após a confecção, usando a estabilização do conjunto (repetibilidade). 3.3.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA 3.3.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

São baseados no fenômeno de dilatação aparente de um líquido dentro de um recipiente fechado.

Descrição de Diversos Tipos de Medidores

A seguir será apresentado uma descrição detalhada de cada tipo de medidor de temperatura com exceção do tipo (Pirâmides Fusíveis e "Crayons"), tendo em vista a sua limitada aplicação na indústria de um modo geral. A lei que rege este fenômeno está representada matematicamente da seguinte forma:

V = Vo ( 1 + γat ) Onde: V = volume aparente à temperatura t. Vo = volume aparente à temperatura 0º. γa = coeficiente de dilatação aparente do líquido. t = temperatura do líquido. O coeficiente de dilatação aparente de um líquido é calculado como segue: γa = γ1 - γv Onde: γa = coeficiente de dilatação aparente do líquido. γ1 = coeficiente de dilatação do líquido. γv = coeficiente de dilatação do vidro. Por exemplo: - Para mercúrio γHG = 180 . 10-6ºC-1 - Para o vidro γv = 20 . 10-6ºC-1 Deste modo o coeficiente de dilatação aparente do mercúrio no vidro vale: γa = γHG - γv γa = 180. 10-6 - 20 . 10-6 = 160 . 10-6ºC-1 Para o álcool temos: γálcool = 1.200 . 10-6 Portanto no vidro o coeficiente aparente será:



51

γa - 1.200 . 10-6 - 20 . 10-6 = 1.180 . 10-6ºC-1 3.3.2.TIPOS DE CONSTRUÇÃO Podem ser: - Tipo de Recipiente Transparente - Tipo de Recipiente Metálico 3.3.3.TIPO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE

O órgão indicado é a própria coluna de líquido visível através do recipiente sendo seu copo a referência usada contra a escala que a acompanha. 3.3.4.TIPO DE RECIPIENTE METÁLICO

O órgão de indicação a um medidor volumétrico (fole, bourdon , etc.) que aciona um ponteiro sobre uma escala normalmente circular. 3.4.TERMÔMETRO DE RECIPIENTE TRANSPARENTE 3.4.1.DESCRIÇÃO

Este tipo de termômetro é constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção a mais uniforme possível fechado na parte superior. O reservatório e parte do capilar são preenchidos de um líquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar seu limite máximo.

Após a calibração a parede do tubo capilar é graduado em graus ou frações deste. A medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna líquida. Em alguns casos ao invés de graduar o tubo capilar, fixa-se ao mesmo uma escala que receberá a graduação.



52

3.4.2.TIPOS DE LÍQUIDOS UTILIZADOS

Entre os líquidos mais utilizados estão os abaixo relacionados: Nota: Na tabela a seguir, cada letra corresponde às seguintes grandezas: A - Tipo de líquido. B - Calor Específico - Cal/GºC. C - Ponto de Solidificação (ºC). D - Ponto de Ebulição (ºC). E - Coeficiente de dilatação (a 20ºC). F - Faixa de Utilização (ºC).

Notas: 1º) Para temperaturas superiores a 200ºC no caso do mercúrio, a parte superior do capilar é preenchido com um gás inerte, normalmente nitrogênio sob pressão. Esta precaução é indispensável para evitar a vaporização do mercúrio que poderia ocasionar rupturas na coluna do líquido. Esta pressão atinge valores de 1,20 a 70atm para termômetros graduados respectivamente em 350, 600 e 750ºC. 2º) No caso de se utilizar gás sob pressão, o termômetro prevê na parte superior um reservatório de grande capacidade, a fim de tornar a pressão interna o mais independente possível da posição da coluna de mercúrio. 3.4.3.TIPOS DE RECIPIENTES USADOS A - Vidro (normal e especial) - Ponto de Fusão: 900 à 1200ºC, utilizado até 600ºC. B - Quartzo fundido transparente - Ponto de Fusão: 1770ºC utilizado até 1050ºC. Nota:- Todos os tipos de vidro quando aquecidos e resfriados não retornam às dimensões originais, fenômeno este conhecido como "histerese térmica dos sólidos". Este fenômeno tende desaparecer após o uso prolongado, isto é, aquecendo-se e resfriando-se o termômetro inúmeras vezes. Os bons termômetros têm seus invólucros de vidro pré-envelhecido na fábrica a fim de minimizar este efeito.



53

3.4.4.PRECISÃO DOS TERMÔMETROS DE VIDRO A tabela abaixo mostra as faixas de utilização, intervalo de graduação e

desvios normalmente tolerados para termômetros comuns e para termômetros de calibração: a) Termômetro Comum - Coluna A. b) Termômetro de Calibração (padrão) - Coluna B.

De uma maneira geral pode-se resumir as faixas de precisão do modo

seguinte: - Termômetro Comum: 0,5% até ± 3% do valor do fim da faixa. - Termômetro Padrão: 0,1% até ± 0,5% do valor do fim da faixa. A aplicação dos diversos tipos em cada caso depende de fatores técnicos e econômicos.

Como fator técnico podemos citar: - faixa de temperatura, tempo de resposta, precisão, robustez, etc. Dos diversos tipos apresentados, alguns tem aplicação limitada quanto outros são amplamente aplicados na indústria



54

3.4.5.SENSIBILIDADE DOS TERMÔMETROS DE VIDRO

Em princípio a sensibilidade do termômetro pode ser tão grande quanto se queira, bastando utilizar em grande reservatório e um tubo capilar muito fino e portanto muito longo. Poder-se-ia alcançar desvios de 1mm da coluna para variações de 0,001º. Esta precisão é, porém, ilusória em razão da queda da fidelidade.

Em síntese, a sensibilidade do termômetro depende: a) Do coeficiente de dilatação da substância. b) Do volume do bulbo. c) Do diâmetro do capilar. d) Do coeficiente de dilatação do recipiente usado.

Verificação dos Termômetros de Vidro

A verificação e calibração de termômetros de vidro podem ser feitas de duas maneiras:

• Por Comparação:- Consiste em se comparar ao longo de toda a faixa, a indicação do termômetro com a de um padrão de referência (outro termômetro de vidro, termoresistência, etc.). Neste tipo de calibração deve-se ter cuidado com os seguintes pontos:

a) O termômetro escolhido como padrão deve ser de boa qualidade e ter sua escala aferida. b) Durante a calibração os dois termômetros deverão estar à mesma temperatura.

• Por Meio de Pontos Fixos de Temperatura:- Consiste em se medir a temperatura em que ocorre mudança de estado de algumas substâncias escolhidas como referência. Os pontos fixos mais fáceis de serem reproduzidos são os pontos de ebulição e fusão da água.

Erro de Paralaxe:- Como em todos os instrumentos de leitura, a conservação do nível deve

ser feita corretamente para evitar erro de paralaxe. Em certos termômetros se usa escala a fim de minimizar o efeito do paralaxe. Utilização dos Termômetros de Vidro

Pelo fato de sua fragilidade e da impossibilidade de registrar sua indicação ou de transmiti-la à distância, o uso destes termômetros sem proteção é mais comum nos laboratórios da indústria como elemento de comparação para outros tipos de medidores, assim como para medições de precisão.

Quando convenientemente protegido por um arcabouço metálico, encontra larga aplicação em medição de temperatura em unidades industriais.



55

Tempo de Resposta dos Termômetros de Vidro Tempo de resposta de um instrumento de medição é o tempo transcorrido

entre a sua colocação no meio e a estabilização de sua medição supondo a temperatura do meio invariável. No caso de um termômetro, o tempo de resposta será tanto mais curto se:

1. A temperatura do meio for mais elevada, o que se explica é pelo fato da transmissão por radiação se efetuar com maior intensidade. 2. O meio for mais agitado. 3. A condutibilidade térmica do meio for grande (os sólidos e líquidos possuem condutividade mais elevada do que os gases). 4. As dimensões do próprio instrumento forem reduzidas. Normalmente os termômetros de vidro são utilizados com uma proteção metálica aumentando sobremaneira seu tempo de resposta.

Tipos Especiais de Termômetros de Vidro a) Termômetro Clínico:-

É um termômetro de mercúrio de máxima (fig. 11) graduado de 34 a 42ºC. Possui grande utilização nos hospitais, pois nesta faixa estão as temperaturas limites entre as quais pode variar o corpo humano. A fixação do valor máximo é obtida por meio de um estrangulamento no capilar logo acima do bulbo. Normalmente possui divisões de 0,1ºC. b) Termômetro de Máxima e Mínima:-

Bastante usado em meteorologia para indicar as temperaturas máximas e mínimas do ambiente em um determinado período de tempo. O álcool é a substância termométrica (fig. 11). Como mostra a figura somente o álcool contido no ramo esquerdo do tubo em "U" opera como substância termométrica. A função do mercúrio é de arrastar os pequenos índices de ferro que deslizam na parte interna do tubo de vidro.



56

O mercúrio é mantido pressionado contra a coluna de álcool por meio de gás comprimido no ramo direito do tubo.

O reposicionamento dos índices para uma nova jornada é feita por meio de um ímã manuseado externamente. c) Termômetro de Vidro com Contato Elétrico:-

Normalmente é usado o termômetro de mercúrio normal com a adição de (dois ou mais) pequenos eletrodos no interior do mercúrio, (bulbo e/ou capilar), a operação do mesmo se baseia na condutibilidade elétrica do mercúrio (fig.12). 3.5.TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE LÍQUIDO DE RECIPIENTE METÁLICO

3.5.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

No termômetro de vidro, a dilatação do líquido é observada e medida diretamente através se sua parede transparente. No tipo de recipiente metálico, o líquido preenche todo o instrumento e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível, dito sensor volumétrico. O instrumento compreende três partes:- o bulbo, o capilar e o elemento sensor conforme a fig.13. O BULBO:- é o elemento termo sensível do conjunto. Nele fica compreendido a maior parte do líquido do sistema. Deverá ficar em contato o mais íntimo possível com o ambiente onde se quer avaliar a temperatura. O CAPILAR:- é o elemento de ligação entre o bulbo e o sensor volumétrico. Deverá conter o mínimo de líquido possível. Em alguns casos, o capilar é substituído por um pequeno e rígido pescoço de ligação. O ELEMENTO SENSOR:- ou de medição é o que mede as variações de volume do líquido encerrado no bulbo. Estas variações são sensivelmente lineares à temperatura, daí o fato da escala ser graduada linearmente, isto é, em partes iguais. Na fig. 13, dois tipos de termômetros, bastante usados como indicadores locais de temperatura na indústria.



57

3.5.2.TIPOS DE LÍQUIDO DE ENCHIMENTO

Mercúrio - para temperatura entre -35 e +550ºC. Álcool - para temperatura entre -50 e +150ºC. Xileno - para temperatura entre -40 e +400ºC.

Notas: 1. O mercúrio (HG) é o mais usado entre os líquidos apresentados. No caso de

seu uso, o material do bulbo, capilar e o sensor não poderá ser de cobre ou ligas do mesmo. Quando o líquido utilizado é mercúrio, o material de construção mais comum do termômetro é aço 1020 ou 316 (inox).

2. A pressão de enchimento do termômetro é de cerca de 50atm, o que justifica a faixa de utilização ultrapassar os limites do ponto de ebulição dos líquidos.

3.5.3.TÉCNICAS E MATERIAL DE CONSTRUÇÃO DO TERMÔMETRO Bulbo:- Suas dimensões variam de acordo com a sensibilidade desejada e também com o tipo de líquido utilizado e aplicação. Os materiais mais usados são: aço 316, aço 1020, cobre, latão e monel. Nota:- Normalmente o bulbo é instalado no interior de um poço de proteção, que permite a retirada do mesmo sem afetar o processo. É importante observar que este recurso aumenta sobre maneira o tempo de resposta do termômetro. Este atraso pode ser reduzido, introduzindo qualquer elemento condutor entre o bulbo e o poço, com a finalidade de eliminar o espaço vazio existente entre os mesmos. Pode-se usar mercúrio, óleo, grafite, aparas de metal. Observando sempre o tipo de aplicação e a faixa de temperatura a ser coberta pelo termômetro.



58

Capilar:- Suas dimensões são também bastante variáveis. O comprimento está limitado aos 60 metros aproximadamente, devido principalmente ao alto custo capilar.

O diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de limitar a influência da temperatura ambiente, porém não deverá oferecer resistência à passagem do líquido em expansão. Como calores normais temos para diâmetro: 1,5mm e o diâmetro interno: 0,30mm. Normalmente é confeccionado de aço ou cobre.

Nota:- A ligação do capilar do bulbo é feita, às vezes, por meio de um pescoço de extensão, que aumenta a resistência de ligação, ao mesmo tempo em que facilita a montagem e desmontagem do bulbo. Às vezes o capilar é suprimido, ligando-se o bulbo ao medidor. por meio do pescoço de extensão. O capilar é o elemento mais sujeito a ser danificado do medidor, freqüentemente ele é fornecido envolvido por uma proteção ou blindagem. Elemento de medição:- Basicamente pode ser de três tipos:- Bourdon, Espiral e

Helicoidal (fig. 14). O material de construção é normalmente bronze fosforoso, cobre, berílio, aço inox e aço carbono. O elemento de ligação do elemento ao ponteiro é igual ao usado em manômetros. 3.6.TERMÔMETRO DE DILATAÇÃO DE GÁS 3.6.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos. O volume do conjunto é sensivelmente constante e é preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação de temperatura o gás varia sua pressão conforme, aproximadamente, a lei dos gases perfeitos. O elemento de medição neste caso opera como medidor de pressão. A lei que rege o fenômeno é conhecida como a segunda lei de Gay-Lussac, e é expressa matematicamente da seguinte maneira:-



59

P1 = P2 = ... Pn (Sendo V = constante) T1 =T2 = ... Tn Onde: P1, P2, ... Pn = São as pressões absolutas do gás. T1, T2, ... Tn = São as respectivas temperaturas absolutas. Pode-se observar da fórmula, que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante. Outra maneira de representar o fenômeno é da maneira seguinte:- P = Po ( 1 + γt) Onde: P = É a pressão do gás (relativa) à temperatura t. Po = É a pressão do gás a 0ºC. g = É o coeficiente de variação de pressão do gás a volume constante; vale aproximadamente

t = A temperatura do gás em ºC. As duas fórmulas são evidentemente equivalentes. 3.6.2.TIPOS DE GÁS DE ENCHIMENTO

São eles: Hélio (He) - temperatura crítica = 267,8ºC. Hidrogênio (H2) - temperatura crítica = 239,9ºC. Nitrogênio (N2) - temperatura crítica = 147,1ºC. Dióxido de Carbono (CO2) - temperatura crítica = 31,1ºC.

Nota:- O gás mais utilizado é o N2 e geralmente é enchido com uma pressão de 20 a 50atm, na temperatura mínima a medir. Sua faixa de medição vai de -100ºC à 600ºC, o limite inferior é o do próprio gás ao se aproximar da temperatura crítica, e o superior é do recipiente devido a maior permeabilidade ao gás, o que acarretaria a sua perda inutilizando o termômetro.



60

3.6.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO São eles:

Bulbo e Capilar:- aço, aço inox, cobre, latão e monel. Nota:- O capilar pode atingir comprimento de até 100m.

Elemento de medição:- Cobre-Berílio, bronze fosforoso, aço e aço inox. Nota:- O elemento de medição pode ser do tipo Bourbon, espiral ou helicoidal. 3.7.TERMÔMETRO À TENSÃO DE VAPOR 3.7.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Também fisicamente idêntico ao de dilatação de líquidos. Possui um bulbo e um elemento de medição ligados entre si por meio de um capilar (fig. 28). O bulbo é parcialmente cheio de um líquido volátil em equilíbrio com o seu vapor. A pressão do vapor é função exclusiva do tipo de líquido e da temperatura.

A relação existente entre a tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmico e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura na seguinte expressão:

Onde: P1 e P2 = São as pressões absolutas relativas às temperaturas. T1 e T2 = Também absolutas. HE = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão. Para intervalos de temperatura de uma certa amplitude, o calor latente de evaporação não permanecerá constante, e a fórmula adquirirá desta maneira uma forma mais geral e bastante complexa, sendo conhecida como a equação de Clausiur Clapeyron. 3.7.2.TIPOS DE LÍQUIDOS DE ENCHIMENTO

A tabela apresenta os líquidos mais utilizados e seus respectivos pontos de fusão e ebulição.



61

3.7.3.MATERIAL DE CONSTRUÇÃO São eles: Bulbo e Capilar:- aço inox, aço, cobre e latão. Nota:- O capilar pode atingir comprimentos de 100m, e o bulbo possui normalmente pequeno volume em comparação com os outros tipos. Elemento de medição:- Cobre-Berílio, bronze fosforoso e aço inox. Nota:- Pode, como nos outros modelos ser do tipo bourbon, espiral ou helicoidal.

3.7.4.CLASSIFICAÇÃO DOS TERMÔMETROS À TENSÃO DE VAPOR Os termômetros podem ser classificados em dois tipos:- 3.7.5.TIPO DE DUPLO ENCHIMENTO

Caracteriza-se por possuir um líquido não volátil no capilar e elemento de medição de pressão. Este líquido funciona somente como elemento de transmissão hidráulica, não sendo miscível ao líquido do bulbo. Normalmente é usado glicerina ou óleo. Este tipo de termômetro é aplicado com vantagem para faixas de temperatura que cruzam o ambiente. (Ex.: -30 à +100ºC). Somente as variações de temperaturas no bulbo afetam a indicação do termômetro, sendo contudo, bastante suscetível ao efeito de elevação tendo em vista as pressões de trabalho (vide fig. 31) e a densidade dos líquidos de enchimento do capilar. 3.7.6.TIPO DE ENCHIMENTO SIMPLES

É o tipo usual. Possui o bulbo parcialmente cheio de líquido volátil e o capilar e medidor com vapor ou líquido dependendo da temperatura ambiente e a do processo. Podem ser classificados em três tipos:-



62

1. Tipo em que a temperatura do bulbo está sempre acima do capilar e medidor.

2. Tipo em que a temperatura do bulbo está sempre abaixo da temperatura do capilar e medidor.

3. Tipo em que a temperatura do bulbo e do medidor é a mesma. O primeiro tipo é mais usado, o capilar e o medidor como estão mais frios que o bulbo, estão cheios de líquidos condensados e, portanto estão sujeitos ao efeito de elevação, isto é, o peso da coluna do capilar afeta a indicação quando está em diferença de nível com o medidor. A seguir é fornecido uma tabela da firma FOXBORO para correção de elevação para quatro tipos de líquido de enchimento. Nota:- 1 pé - 0,3048 metros.

O segundo tipo possui o capilar e medidor cheios de vapor do líquido volátil pelo fato do bulbo estar mais frio que o resto. Neste caso não há necessidade de compensar a elevação, se houver, pois o peso específico do vapor é desprezível. O terceiro tipo apresenta tanto o aspecto do 1º tipo como do 2º tipo dependendo da temperatura do bulbo e do ambiente. Este tipo apresentará problemas se for montado com alguma elevação, pois ao cruzar com a temperatura ambiente, a coluna de líquido faz-se ou desfaz-se dependendo do sentido da variação. Portanto deve ser montado de preferência com o medidor em nível com o bulbo. Outro problema diz respeito ao atraso na resposta ao cruzar a temperatura ambiente tendo em vista o tempo gasto na liquefação ou vaporização do líquido (ou vapor) no capilar e medidor (fig. 33).

Nota:- Em todos os casos o importante é que a superfície de separação do líquido e vapor fique no bulbo, pois a pressão do sistema dependerá da temperatura existente nesta interface. Correção De Elevação: Nota:- Correção em ºF por cada 10 pés de elevação.



63

4.TERMOPAR 4.1.EFEITOS TERMOELÉTRICOS

A aplicação de par termoelétrico (termopares) na medição de temperatura está baseada em diversos fenômenos descobertos e estudados por SEEBECK, PELTIER, VOLTA e THOMSON. “ A lei não é, necessariamente, uma expressão de verdade infalível, mas simplesmente uma generalização das observações experimentais.” Hipótese: - explica através de modelos, uma ou mais leis sendo possível relacioná-las. 4.2.EXPERIÊNCIA DE SEEBECK

Em 1821, o físico alemão J. T. SEEBECK descobriu o efeito termoelétrico, sendo a aplicação na medição de temperatura introduzida pelo físico francês BECQUEREL.



64

A experiência de SEEBECK (figura) demonstrou que num circuito fechado, formado por dois fios de metais diferentes, se colocarmos os dois pontos de junção à temperaturas diferentes, se cria uma corrente elétrica cuja

intensidade é determinada pela natureza dos dois metais, utilizados e da diferença de temperatura entre as duas junções.a experiência, SEEBECK utilizou uma lâmina de antimônio (A) e outra de Bismuto (B), e como detector da corrente "i" utilizou uma bússola sensível ao campo magnético criado pela corrente. 4.3.EXPERIÊNCIA DE PELTIER

Em 1834, o físico francês J. C. PELTIER, baseado na experiência de SEEBECK, mostra que fazendo-se passar uma corrente elétrica, por um par termoelétrico, uma das junções se aquece enquanto a outra se resfria. Na fig.19 as duas ampolas interligadas, funcionam como um termômetro diferencial. A junta da esquerda aquece, enquanto a outra esfria.

4.4.EFEITO VOLTA

A experiência de PELTIER pode ser aplicada 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 de ordem de volt". Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente.



65

4.5.EFEITO THOMSON

Em 1851, o físico inglês Sir W. Thomson (Lord Kelvin), mostra que se colocarmos as extremidades de um condutor homogêneo a temperaturas diferentes, uma força eletromotriz aparecerá entre estas duas extremidades, sendo esta, chamada F.E.M. THOMSON. Esta F.E.M. depende do material e da diferença da temperatura, não pode ser medida diretamente. A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico é resultante dos efeitos VOLTA (PELTIER) e THOMSON tomados em conjunto.

4.6.LEIS DA TERMOELETRICIDADE a) Lei do Circuito Homogêneo:-

Em um circuito de um só condutor homogêneo não se estabelece nenhuma corrente elétrica, mesmo com trechos a diferentes temperaturas. A soma algébrica da F.E.M. VOLTA e THOMSON é nula. - Conseqüência:- A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico tendo duas junções em temperaturas diferentes não depende do gradiente da temperatura ou da distribuição de temperatura ao longo dos fios. As únicas temperaturas relacionadas com a F.E.M., são as das duas junções (Junta Fria e Junta Quente). Todas as temperaturas intermediárias não interferem na F.E.M. resultante. b) Lei das Temperaturas Intermediárias(sucessivas):-

A F.E.M. desenvolvida por qualquer termopar de metal homogêneo com suas junções em duas temperaturas quaisquer T1 e T3 respectivamente é a soma algébrica da F.E.M. do mesmo termopar com suas junções à temperaturas T2 e T3 respectivamente.



66

A representação gráfica da figura 13, mostra a lei mencionada.

E1 = ET1 - ET2 E2 = ET2 - ET3 E3 = ET1 - ET3 Se somarmos E1 + E2 temos: E1 + E2 = ET1 - ET2 + ET2 - ET3 = ET1 - ET3 E1 + E2 = ET1 - ET3 = E3 Portanto: E3 = E1 + E2 - Conseqüência:- 1º) Se a F.E.M., de vários metais versus um metal de referência, por exemplo, platina, é conhecida, então a F.E.M., de qualquer combinação dos metais pode ser obtida por uma soma algébrica. 2º) A temperatura da junta de referência pode estar em qualquer valor conveniente, e a temperatura da junta de medição pode ser encontrada, por simples diferença, baseando-se em uma tabela relacionada a uma temperatura padrão, por exemplo 0ºC, 20ºC.

c) Lei do Metal Intermediário:- A soma algébrica da F.E.M., em um circuito composto de um certo número de metais diferentes é ZERO se todo circuito estiver a uma só temperatura.



67

De outra maneira: “A Fem E do termopar não será afetada se em qualquer ponto de seu

circuito for inserido um metal qualquer, diferente do já existente, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.” - Conseqüência:- Em virtude desta lei, pode-se inserir o instrumento de medição da F.E.M. (Voltímetro) com seu fios de ligação em qualquer ponto do circuito termoelétrico sem alterar a F.E.M. original.

Junta referência ou junta fria (compensação da junta fria)

Como já foi visto a F.E.M. desenvolvida em par termoelétrico, é função da diferença de temperatura entre as duas junções. Desta maneira o termopar não mede a temperatura real na junção de medição, e sim a diferença entre esta junção (medição) e a outra tomada como referência. Para se obter a temperatura real é preciso conhecer exatamente a temperatura da junta de referência e procurar mantê-la constante a fim de facilitar as leituras posteriores.

Existem alguns métodos para se manter a temperatura da junta de referência:- 1) Introduzindo-se a junta de referência em recipiente com gelo e água em equilíbrio, onde a temperatura é constante e próxima à 0ºC .Como as tabelas de F.E.M. fornecidas normalmente são referidas à 0ºC, este método é bastante cômodo, pois possibilita a leitura direta da temperatura na tabela conhecendo-se apenas a F.E.M. gerada no circuito. Este método é utilizado em laboratório ou na indústria em alguns casos especiais.

Evidentemente este processo não é muito prático, quando se necessita supervisionar a temperatura desejada por tempo bastante prolongado, devido a necessidade da reposição contínua do gelo na junta de referência.



68

2) Mantendo-se a junta de referência em um ambiente aquecido onde a temperatura é controlada por um sistema termostático. Este possui a vantagem de ser prático, sendo porém de precisão inferior ao do método precedente, salvo raras excessões. Evidentemente a F.E.M. neste processo é inferior ao sistema de junta de referência a 0ºC tendo em vista que a temperatura neste caso é de cerca de 60ºC, devendo-se dar a devida correção no caso de usar a tabela com a junta de referência em outra temperatura (0ºC ou 20ºC). 3) Hoje dispositivos alternativos foram desenvolvidos para simular automaticamente uma temperatura de zero grau, chamada de compensação automática da junta de referência ou temperatura ambiente. Nestes instrumentos encontra-se um sensor de temperatura que pode ser um resistor, uma termoresistência, termistor, diodo, transistor ou mesmo circuito integrado que mede continuamente a temperatura ambiente e suas variações, adicionando ao sinal que chega do termosensor uma mV correspondente à diferença da temperatura ambiente para a temperatura de 0ºC. Exemplo de compensação

Se não existisse a compensação, o sinal de 3,095mV seria transformado

em indicação de temperatura pelo instrumento e corresponderia a aproximadamente 76ºC, não correspondendo ao valor da temperatura existente na junta de medição.

No instrumento medidor está incorporado um sistema de compensação de temperatura ambiente, este gera um sinal como se fosse um outro termopar. E1 = E25-E0 E1 = 1,000mV (sinal gerado pelo circuito de compensação)



69

O sinal total que será convertido em temperatura pelo instrumento será a somatória do sinal do termopar e da compensação, resultando na indicação correta da temperatura na qual o termopar está submetido (independendo da variação da temperatura ambiente). Etotal = E - E1 Etotal = 3,095 + 1,000 = 4,095mV Etotal = 4,095mV 100ºC A indicação depois da compensação será de 100ºC. 4.7.TIPOS DE TERMOPARES

Apesar de em princípio, qualquer par de metais prestar na construção de termopares, existem alguns tipos já padronizados na indústria. A seguir mostramos os tipos mais usados nas indústrias: 4.7.1.TIPO T - TERMOPARES DE COBRE CONSTANTAN

Composição: Cobre(+) / Cobre-Níquel(-)

O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido comercialmente como Constantan. Características: Resistentes a corrosão em atmosferas úmidas e são adequados para medições de temperaturas abaixo de zero. É resistente à atmosfera oxidantes(excesso de Oxigênio), redutoras(rica em Hidrogênio, monóxido de Carbono), inertes(neutras), na faixa de -200 a 350ºC. Faixa de trabalho: - -200 a 350 ºC. Aplicação: É adequado para trabalhar em faixas de temperatura abaixo de 0ºC, encontradas em sistemas de refrigeração, fábrica de O2 etc. Identificação da polaridade: Cobre (+) é avermelhado e o Cobre/Níquel (-) não. 4.7.2.TIPO J - TERMOPARES DE FERRO - CONSTANTAN

Composição: Ferro(+) / Cobre-Níquel(-) O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido comercialmente como Constantan.

Características:

Adequados para uso no vácuo, atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. Acima de 540ºC, a taxa de oxidação do ferro é rápida e recomenda-se o uso de tubo de proteção para prolongar a vida útil do elemento. Embora possa trabalhar em temperaturas abaixo de 0ºC, deve-se evitar quando houver possibilidade de condensação, corroendo o ferro e possibilitando a quebra do fio de ferro.

Não deve ser usado em atmosferas sulfurosas(contém enxofre) acima de 540ºC. O uso em temperaturas abaixo de zero não é recomendado, devido à rápida oxidação e quebra do elemento de ferro tornando seu uso em temperaturas negativas menor que o tipo T Devido a dificuldade de obtenção de fios de ferro com alto teor de pureza, o tipo J tem baixo custo e é o mais utilizado industrialmente.



70

Aplicação: Indústrias em geral até 750ºC. Identificação da polaridade: Ferro (+) é magnético e o Cobre (-) não. 4.7.3.TIPO E - TERMOPARES DE CROMEL CONSTANTAN Composição: Níquel-Cromo (+)/Cobre-Níquel (-) O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o fio negativo Cobre Níquel como Constantan. Características:

Podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras, alternadamente oxidante e redutora e no vácuo, não devem ser utilizados pois perdem suas características termoelétricas. Adequado para o uso em temperaturas abaixo de zero, desde que não sujeito a corrosão em atmosferas úmidas. Apresenta a maior geração mV/ºC (potência termoelétrica) do que todos os outros termopares, tornando-se útil na detecção de pequenas alterações de temperatura. Aplicação: Uso geral até 900ºC. Identificação da polaridade: O Níquel-Cromo (+) é mais duro que o Cobre-Níquel (-). 4.7.4.TIPO K - TERMOPARES DE CROMEL ALUMEL Composição: Níquel-Cromo (+)/Níquel-Alumínio (-). O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo Cromo- Alumínio como Alumel. O Alumel é uma liga de Níquel, Alumínio, Manganês e Silício. Características:

São recomendáveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. Por sua resistência à oxidação, são melhores que os tipos T, J, E por isso são largamente usados em temperaturas acima de 540ºC. Ocasionalmente podem ser usados em temperaturas abaixo de zero grau. Não devem ser utilizados em:

1) Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora. 2) Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rápida ferrugem e quebra dos elementos. 3) Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o Cromo do elemento positivo pode vaporizar-se causando erro no sinal do sensor (descalibração).



71

4) Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de “green root”. Green root, oxidação verde, ocorre quando a atmosfera ao redor do termopar possui pouco oxigênio, como por exemplo dentro de um tubo de proteção longo, de pequeno diâmetro e não ventilado. O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio através do uso de um tubo de proteção de maior diâmetro ou usando um tubo ventilado. Outro modo é diminuir a porcentagem de oxigênio para um valor abaixo da qual proporcionará corrosão. Isto é feito inserindo-se dentro do tubo um “getter” ou elemento que absorve oxigênio e vedando-se o tubo. O “getter” pode ser por exemplo uma pequena barra de titânio.

Aplicação: É o mais utilizado na indústria em geral devido a sua grande faixa de atuação até 1200ºC. Identificação da polaridade: Níquel-cromo (+) não atrai ímã e o Níquel-Alumínio (-) levemente magnético. 4.7.5.TIPO N NICROSIL - NISIL Composição:

Níquel 14,2%-Cromo 1,4%-Silício (+) / Níquel 4,4%-Silício 0,1%-Magnésio (-). Desenvolvido na Austrália, este termopar foi aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado pela ASTM (American Society for Testing and Materials), NIST(Antigo NBS- National Bureau of Standards) e ABNT.

Está se apresentando como substituto do termopar tipo , de -200 a 1200ºC, possui uma potência termoelétrica menor em relação ao tipo K, porém uma maior estabilidade, excelente resistência a corrosão e maior vida útil. Resiste também ao “green-root” e seu uso não é recomendado no vácuo. 4.7.6.TIPO S E TIPO R Tipo s platina ródio-platina

Composição: Platina 90% - Ródio 10% (+) / Platina (-)

Tipo R Platina Ródio-Platina

Composição: Platina 87% - Ródio 13% (+) / Platina (-)

Características:

São recomendados para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho.

O uso contínuo em altas temperaturas causam excessivo crescimento de grão, podendo resultar em falha mecânica do fio de Platina (quebra de fio), e tornar os fios susceptíveis à contaminação, causando redução da F.E.M. gerada. Mudanças na calibração também são causadas pela difusão ou volatilização do Ródio do elemento positivo para o fio de Platina pura do elemento negativo.



72

Todos estes efeitos tendem a causar heterogeneidades que influenciam na curva característica do sensor.

Os tipos S e R não devem ser usados no vácuo, em atmosferas redutoras ou atmosferas com vapores metálicos a menos que bem protegidos com tubos protetores e isoladores cerâmicos de alumina e,quando se usa tubo de proteção de Platina (tubete) que por ser do mesmo material, não contamina os fios e dá proteção necessária aos elementos. Apresentam grande precisão e estabilidade em altas temperaturas sendo utilizados como sensor padrão na calibração de outros termopares. A diferença básica entre o tipo R e S está na diferença da potência termoelétrica, o tipo R gera um sinal aproximadamente 11% maior que o tipo S. Aplicação:

Processos com temperaturas elevadas ou onde é exigido grande precisão como indústrias de vidro, indústrias siderúrgicas, etc. Identificação da polaridade: Os fios positivos de Platina-Ródio 10% e Platina-Ródio 13% são mais duros que o fio de platina (-). 4.7.7.Tipo B - Platina-Ródio / Platina-Ródio

Composição: Platina 70%-Ródio 30% (+) / Platina 94%-Ródio 6% (-)

Características:

Seu uso é recomendado para atmosferas oxidantes e inertes, também adequado para curtos períodos no vácuo. Não deve ser aplicado em atmosferas redutoras nem as que contem vapores metálicos, requerendo tubo de proteção cerâmico como os tipo R e S. O tipo B possui maior resistência mecânica que os tipos R e S. Sua potência termoelétrica é baixíssima, em temperaturas de até 50ºC o sinal é quase nulo. Não necessita de cabo compensado para sua interligação. É utilizado cabos de cobre comum (até 50ºC). Aplicação:

Utilizado em industrias no qual o processo exige altas temperaturas. Identificação da polaridade: Platina 70%-Ródio 30% (+) é mais duro que o Platina 94%-Ródio 6% (-). 4.7.8.OUTROS TIPOS DE TERMOPARES

Com o desenvolvimento de nossos processos industriais ao longo do tempo, novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender condições que os termopares que foram vistos até agora não atendiam. Muitos destes termopares ainda não estão normalizados e também não são encontrados no Brasil. Platina 60%-Ródio 40% (+) / Platina 80%-Ródio 20% (-)

Para uso contínuo até 1800 1850ºC, substituindo o tipo B. Não é recomendado para atmosferas redutoras.



73

Irídio 60%-Ródio 40% (+)/ Irídio(-) Podem se usados até 2000ºC em atmosferas inertes ou no vácuo, não

recomendado para atmosferas redutoras ou oxidantes. Platinel 1 - Paládio 83%-Platina 14%-Ouro 3% (+) / Ouro 65%-Paládio 35% (-).

Aproxima-se do tipo K, atuando na faixa de até 1250ºC. Sua composição é apenas de metais nobres, apresentando excelente estabilidade em atmosfera oxidante, mas não em atmosferas redutoras ou vácuo. Tungstênio 95%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 74%-Rhênio 26% (-)

Ainda não normalizado, denominado termopar tipo C. Pode ser utilizado continuamente até 2300ºC e em curtos períodos até 2700ºC no vácuo, na presença de gás inerte ou hidrogênio. Não recomendado em atmosfera oxidante. Sua principal aplicação é em reatores nucleares.

Existem algumas variações na composição das ligas, por exemplo: Tungstênio (+) / Tungstênio 74%-Rhênio 26% (-) Tipo G (não oficial) Tungstênio 97%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 75%-Rhênio 25% (-) Tipo D (não oficial) Níquel-Cromo (+) / Ouro-Ferro (-) Usado em temperaturas criogênicas de -268ºC até 15ºC Tungstênio - Molibidênio. Faixa de temperatura 0 à 2.000ºC. Tungstênio - Iridium. Faixa de temperatura 0 à 200ºC. Grafite - Carbureto de Boro. Faixa de temperatura 0 à 2500ºC. 4.8.PRINCIPAIS QUALIDADES REQUERIDAS POR UM TERMOPAR

Para corresponder às exigências de um serviço tipo industrial, os termopares devem possuir as seguintes características:

a) Desenvolver uma F.E.M. a maior possível, função contínua da temperatura de maneira a ser possível utilizar instrumentos de indicação de temperatura de construção simples e robusta. A faixa de F.E.M. normalmente fornecida nas temperaturas de trabalho normal vai de 10 a 50mV. b) Precisão de calibração (intercambialidade). Um termopar deve ser capaz de ser calibrado com um padrão de F.E.M. versus temperatura e deve manter esta calibração mantendo-a por um longo período de tempo sem desvios. Os termopares são construídos para trabalhar em conjunto com instrumentos tendo cartas e escalas pré calibradas. A intercambialidade entre dois termopares do mesmo material é a principal razão do seu uso em grande escala na indústria. c) Resistência à corrosão e oxidação (durabilidade).

Um termopar deve ser física e quimicamente resistente de maneira a possuir uma longa vida, e mais ainda exibindo a propriedade para uma dada temperatura gerar uma F.E.M. constante.



74

d) Relação linear F.E.M. versus temperatura (linearidade). É interessante possuir uma relação F.E.M. versus temperatura mais linear

possível devido aos seguintes motivos: - Facilidade de construção e leitura de escala e gráficos. - Facilidade de construção de dispositivos de compensação de junta de referência. - Adequabilidade do uso em indicadores digitais. Termopares de classe especial

Existem duas classes de precisão para termopares , a classe standard que é a mais comum e utilizada e utilizada e a classe especial também chamada de “Premium Grade”. Estes termopares são ,fornecidos na forma de pares casados, isto é com características de ligas com graus de pureza superiores ao standard. Existe também um trabalho laboratorial para adequação de lote de fios, conseguindo com isto uma melhor precisão na medição de temperatura. 4.9.PREPARAÇÃO E SOLDAGEM DE TERMOPARES - MONTAGEM

Apesar da utilização de diferentes sistemas para realização de um bom contato elétrico na junção quente de um termopar, a soldagem é mais eficiente, pois assegura uma ligação perfeita dos fios por uma fusão dos metais sobre uma pequena profundidade. Precisamos contudo, é exato que a soldagem pode criar heterogeneidades, garantir que a precisão final do termopar não seja afetada desde que estas heterogeneidades sejam mantidas em uma zona uniforme de temperaturas. Preparação dos Fios

Os fios do termopar são geralmente fornecidos em bobinas. Deve-se endireitá-los cuidadosamente à mão, evitando-se qualquer torção ou flexão exagerada a qual poderia afetar a estrutura do material com conseqüente modificação na sua F.E.M.. Após cortar os pedaços destinados à soldagem, lembrando a necessidade de se deixar um pequeno excesso, caso haja imprevistos na soldagem, deve-se proceder a limpeza das pontas a serem unidas. A seguir preparam-se as pontas conforme a fig. 19, em uma das três opções.

No caso a mantém-se o fio duro, reto, enquanto dobra-se o macio.



75

No caso b dobram-se os dois fios. No caso c o fio macio é torcido sobre o fio duro cerca de 3 voltas.

Nos três casos é importante manter a distância "x" entre os dois fios, visando a posterior colocação dos isoladores. O tipo de ligação c é o mais adequado para fios de grande bitola pois dá bastante resistência apesar de aumentar a marca térmica da junção. Soldagem Soldagem do Ferro Constantan:-

Para se soldar os fios de ferro e constantan emprega-se uma chama oxi-acetilênica com o bico apropriado de acordo com a bitola de fio a soldar. Regula-se o bico para se obter uma chama neutra e coloca-se os dois fios, se vermelho, passando então, um pouco de Borax na junção. Voltase a aquecer as duas extremidades até a sua fusão. É interessante sempre dirigir a chama para o material de mais alto ponto de fusão, no caso, o ferro. Tira-se então, o borax excedente e procede-se a inspeção da solda. O uso da chama redutora provoca a carburação que torna a solda fraca. Soldagem do Cromel-Alumel:-

Procede-se da mesma maneira que para o ferro constantan utilizando-se uma chama neutra ou ligeiramente oxidante. Dirigir a chama na direção do Cromel que é o metal de maior ponto de fusão. Soldagem de Platina-Rodiana -Platina:-

Para a soldagem dos fios de platina-rodiana e platina, usa-se chama oxi-hidrogênio ou oxigênio GLP. Todavia, tendo em vista que os fios são geralmente finos, usa-se também a soldagem à arco elétrico. A soldagem por arco elétrico é caracterizada por se fazer um arco elétrico entre os fios a serem soldados formando um eletrodo, e um pedaço de carbono manipulado pelos soldados, formando o outro eletrodo. Tocando-se a ponta torcida do termopar com o eletrodo de carbono, fecha-se o circuito. Afastando-se o eletrodo, uma fração de milímetro, estabelece-se um arco, elevando-se a temperatura e fundindo a junção. A experiência mostra que os fios a serem soldados deverão constituir o eletrodo positivo a fim de evitar a contaminação dos mesmos por partículas de carbono. Nota:- Os fios de ferro constantan e de cromel-alumel de pequeno diâmetro, podem ser soldados a arco elétrico. Se forem a maçarico, escolhe-se um bico de pequeno diâmetro (0,4mm) a fim de retardar a fusão dos fios.

Finalmente, é bom lembrar, que qualquer que seja a natureza dos fios a serem soldados, deve-se evitar um aquecimento muito prolongado, o que poderia acarretar uma modificação na estrutura molecular das duas ligas, deixando-as quebradiças particularmente no caso do alumel.



76

Montagem dos Termopares Após a soldagem dos dois fios, eles são isolados entre si, por meio de

pequenos tubos, ou melhor ainda, por meio de isoladores com dois furos (missangas). O material dos isoladores é normalmente de cerâmica, porcelanas, quartzo, etc (fig. 19) Este conjunto é então protegido por um ou mais tubos concêntricos apropriados

à cada aplicação. A parte superior é ligada a uma borracha ou bloco de terminais de abonite ou cerâmica instalada dentro de um cabeçote de ligação .

Termopares Isolação Mineral

O desenvolvimento dos termopares isolação mineral partiu da necessidade de satisfazer as severas exigências do setor nuclear. Desde então, os benefícios deste trabalho puderam ser transmitidos à indústria em geral, que os utiliza numa grande variedade de aplicações devido a série de vantagens que oferecem, tais como grande estabilidade, resistência mecânica entre outras. O termopar isolação mineral consiste de 3 partes básicas: um ou mais pares de fios isolados entre si por um material cerâmico compactado em um bainha metálica externa. Este tipo de montagem é de extrema utilidade pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos, que podem causar a completa deterioração dos termoelementos, além da grande resistência mecânica o que faz com que o termopar isolação mineral possa ser usado em um número quase infinito de aplicações. Construção do cabo isolação mineral



77

O processo de fabricação dos termopares isolação mineral começa com os termoelementos de diâmetros definidos, inseridos num tubo metálico e isolados entre si e o tubo por um material cerâmico (pó de óxido de magnésio).

Através de um processo mecânico de estiramento (trefilação), o tubo e os termoelementos são reduzidos em seus diâmetros (aumentando seu comprimento) e o óxido de magnésio fica altamente compactado, isolando e posicionando os fios em relação a bainha metálica.

. O óxido de magnésio é um excelente isolante elétrico e um bom condutor

térmico, de maneira que quando compactado, ocupa todos os espaços internos, isolando eletricamente os fios entre si e a bainha além de dar alta resistência mecânica ao conjunto, proporciona boa troca térmica. Como este processo de trefilação ou estiramento (redução do diâmetro e aumento do comprimento proporcionalmente), cria tensões moleculares intensas no material, torna-se necessário tratar termicamente o conjunto.

Este tratamento térmico alivia estas tensões e recoloca o termopar em sua curva característica; obtendo assim um produto final na forma de cabos compactados, muito reduzidos em seus diâmetros (desde 0,5 mm até 8,0 mm de diâmetro externo), porém mantendo proporcionalmente as dimensões e isolação da forma primitiva.

Além do óxido de magnésio, usa-se também como material isolante a alumina, óxido de berílio e óxido de tório, porém o óxido de magnésio é mais barato, compatível com os termoelementos e mais comum de ser encontrado. Uma grande atenção deve ser tomada com a pureza química e metalúrgica dos componentes envolvidos na fabricação do termopar isolação mineral. Isolação Elétrica do Cabo Isolação Mineral

Devido a tendência natural do óxido de magnésio em absorver umidade (higroscópico) e outras substâncias que podem vir a contaminar os termoelementos, uma isolação elétrica mínima admitida entre os condutores e bainha é de no mínimo 100m em temperatura ambiente (20ºC). Várias precauções devem ser mantidas para a fabricação do termopar isolação mineral, tais como: - Não deixar o cabo aberto exposto no ambiente por mais de 1 minuto. Imediatamente sele a ponta aberta com resina, depois de aquecê-la para retirar a umidade.



78

- O armazenamento deve ser em local aquecido e seco (aproximadamente 38ºC e 25% de umidade relativa do ar).

- Vantagens do Termopar Isolação Mineral Estabilidade na F.E.M.

Esta estabilidade é caracterizada pelos condutores estarem totalmente protegidos de ambientes agressivos que normalmente causam oxidação e envelhecimento dos termopares. Resposta Rápida

O pequeno volume e alta condutividade térmica do óxido de magnésio, promovem uma rápida transferência de calor, superior aos termopares com montagem convencional. Grande Resistência Mecânica e Flexibilidade

Devido a alta compactação do óxido de magnésio dentro da bainha metálica mantendo os termoelementos uniformemente posicionados, permite que o cabo seja dobrado, achatado, torcido ou estirado, suportando pressões externas e "choques térmicos" sem qualquer perdas de suas propriedades termoelétricas. Facilidade de Instalação

A dimensão reduzida, a grande maleabilidade e a alta resistência mecânica do cabo isolação mineral, asseguram uma facilidade de instalação mesmo em locais de difícil acesso. Resistência a Corrosão

Os termopares isolação mineral são disponíveis com diversos tipos de capas metálicas, para garantir sua integridade em qualquer tipo de ambiente corrosivo, qualquer que seja o termopar. Resistência de Isolação (a frio)

A resistência de isolação entre condutores e bainha é sempre superior a 100MW (a 20ºC) qualquer que seja o diâmetro, em qualquer tipo de ambiente corrosivo, em qualquer condição de umidade. Valores segundo norma ASTM E-608/84. Blindagem Eletrostática A bainha metálica devidamente aterrada, oferece excelente blindagem contra interferências eletrostáticas (ruídos). Características Técnicas

Para a perfeita seleção de um termopar de isolação mineral, devem ser levados em consideração todas as possíveis características e normas exigidas pelo processo.



79

Tipos e Números de Sensores Os termopares isolação mineral podem ser dos tipos T, E, J e K, podem

ser simples (1 par de fios), duplo (2 pares de fios) ou mesmo até triplo (6 termoelementos dentro de uma única bainha). Obs: Existem termopares isolação mineral de platina dos tipos S, R e B. Sua isolação pode ser de óxido de magnésio, óxido de berílio, alumina e o material da bainha de molibdênio, tântalo ou titânio. A escolha destes materiais vai depender da temperatura e do meio em que for colocado o termopar, mas sua aplicação é muito pequena. Características da Bainha Metálica

A escolha do material da bainha é fundamental para a vida útil do termopar isolação mineral, pois se a bainha resistir às condições do ambiente agressivo, o termoelemento também resistirá. Tipos de junções de Medições

Podemos classificar os termopares isolação mineral com relação a posição da junção de medição em relação à bainha metálica, em três tipos:

a) Junção Exposta: neste tipo de montagem, parte da bainha e da isolação são removidos, expondo os termoelementos ao ambiente. Tem como características um tempo de resposta extremamente pequeno e grande sensibilidade a pequenas variações na temperatura, mas apresenta como desvantagem o rápido envelhecimento dos termoelementos devido ao contato com o ambiente agressivo, altas temperaturas e pressões. b) Junção Aterrada: neste, os termoelementos e a bainha são soldados juntos para formar a junção de medição. Assim os fios são aterrados na bainha. Este tipo de montagem apresenta um tempo de resposta um pouco maior que a junção exposta, mas ainda sim menor que a junção isolada; podendo ser usado em ambientes agressivos devido a isolação dos termoelementos. Não é recomendável para ambientes ruidosos devido à captação destes ruídos, podendo transmiti-los para o instrumento indicador gerando erros e instabilidade na leitura. c) Junção Isolada: \e quando a junção de medição é isolada eletricamente da bainha. Este tipo de montagem é o mais utilizado.

Suas características são: 1. Um tempo de resposta maior que as montagens anteriores 2. Os termoelementos ficam totalmente protegidos do meio externo garantindo maior vida útil e podendo ser usado em ambientes sujeitos a campos elétricos, pois sendo isolado da bainha, fica mais imune a interferências eletrostáticas.

Aplicações do Termopar Isolação Mineral

As vantagens dos termopares isolação mineral permitem sua utilização em número ilimitado de processos industriais, seja na indústria cerâmica, ferro e aço, química e petroquímica, papel e celulose, alimentícia, cimenteira, vidreira,



80

de eletricidade, automotiva, de eletrodoméstico, nuclear, aeronáutica, têxtil e muitas outras. O termopar isolação mineral também se aplica em laboratórios de pesquisas experimentais para estudos em arco plasma, feixe de elétrons, laser e outros experimentos físicos. 4.10.PROTEÇÃO, ENVELHECIMENTO E CONTROLE DE TERMOPARES Proteção dos Termopares Tubo de proteção

Sua principal função é proteger os termopares do ambiente de trabalho

aumentando a sua durabilidade. Não são indicados para áreas onde se necessita a vedação. Para especificar um tubo é necessário levar em consideração todas as condições de uso do termopar, como temperatura, atmosfera do processo, resistência mecânica, pressão, tipos de fluido em contato, velocidade de resposta, etc. Das diversas condições do processo que os termopares devem ser protegidos está a proteção contra os metais (sólido, líquido e vapor), gases e fumos de combustão, enxofre, óxidos metálicos, eletrólitos e outras diversas substâncias que causariam a degradação e perda da calibração do sensor. Os tubos de proteção estão divididos em metálicos e cerâmicos. Tubos metálicos: (com ou sem costura)

O tubo com costura é construído de uma chapa enrolada e soldada longitudinalmente (costurada) e depois polida para dar acabamento final Os tubos sem costura são construídos através de processo mecânico (extrudados) ficando sem soldas em sua extensão. A conexão do tubo pode ser por rosca, flange ou mesmo soldada. Lembrando que o tubo de proteção não é designado para dar estanqueidade (vedação) ao processo e sim proteção ao elemento sensor. Os materiais mais utilizados nos tubos são:

Ferro fundido, aço carbono, aço inoxidável (304, 310, 316, 321), aço cromo 446, alloy 600, hastelloy, monel entre outros.

Características dos materiais de proteção metálicos Aço carbono Temperatura máxima de utilização: 550ºC. Aplicação: uso geral, resistência à corrosão limitada, não pode ser usado em ambientes redutores e oxidantes continuamente. Aço inox 304 Temperatura máxima de utilização: 900ºC. Aplicação: Largamente usado como material de proteção em baixas temperaturas, resistente à corrosão, não recomendável para uso em atmosferas sulfurosas ou com chamas redutoras.



81

Aço inox 310 Temperatura máxima de utilização: 1100ºC. Aplicação: Elevada resistência à corrosão em altas temperaturas. Boa resistência em ambientes redutores, sulfurosos e carbonizantes e resistência mecânica superior ao 304. Aço inox 316 Temperatura máxima de utilização: 900ºC. Aplicação: Melhor resistência ao calor, álcalis e ácidos que o 304. Pode ser usado na presença de componentes sulfúricos. Aço cromo 446 Temperatura máxima de utilização : 1100ºC. Aplicação: Excelente resistência a corrosão e oxidação em atmosferas sulfurosas, aplicações que envolvam altas temperaturas. Boa resistência em ácidos nítrico, sulfúrico e na maioria dos álcalis. Alloy 600 Temperatura máxima de utilização : 1150ºC. Aplicação: Excelente em ambientes corrosivos sujeitos a altas temperaturas. Excelente resistência mecânica, não aplicável em atmosferas contendo enxofre. Alloy 800 Temperatura máxima de utilização : 1090ºC. Aplicação: Boa resistência a oxidação, carbonização e outros efeitos prejudiciais da exposição a altas temperaturas. Nióbio Temperatura máxima de utilização : 2000ºC em atmosfera neutra ou vácuo. Aplicação: Boa resistência a corrosão em metais líquidos até 1000ºC. Tântalo Temperatura máxima de utilização : 2200ºC em gás inerte ou vácuo. Aplicação: Excelente resistência a muitos ácidos em temperatura ambiente. Titânio Temperatura máxima de utilização :1000ºC em atmosfera redutora e 250ºC em atmosfera oxidante. Aplicação: Boa resistência a oxidação e a ataques químicos. Ferro preto Temperatura máxima de utilização :800ºC Aplicação: Utilizado em recozimento têmpera e banho de sal. Nodular perlítico Temperatura máxima de utilização : 900ºC. Aplicação: Ideal para metais não ferrosos tipo Alumínio, Zinco, etc. Tubete de platina Temperatura máxima de utilização : 1840ºC.



82

Aplicação: Único material capaz de operar em atmosferas oxidantes acima de 1260ºC por longos períodos. Normalmente usados com termopares tipo S, R e B. Aplicação principal em indústria de vidro, cerâmica e altas temperaturas em geral. Tubos de proteção cerâmicos: São utilizados normalmente em processos que envolvem temperaturas superiores a 1200ºC onde ligas metálicas não resistiriam por muito tempo. Suas vantagens são a resistência a altas temperaturas, neutralidade à reações químicas, boa resistência a abrasão; porém possui baixa resistência mecânica, sensibilidade a choques térmicos, porosidade em elevadas temperaturas. Os materiais cerâmicos mais usados são a alumina, quartzo e carbureto de Silício. Existem também tubos metálicos/cerâmicos (cermets), são combinações de metais e óxidos metálicos, que após receber tratamento tornam-se tubos de alta resistência mecânica, resistentes a corrosão e choques térmicos. Características dos materiais de proteção cerâmicos Cerâmica tipo 610-Mulita Temperatura máxima de utilização :1650ºC Contém 60% de alumina,40% de sílica, boa condutibilidade térmica, boa resistência mecânica, sensível a choques mecânicos, não poroso. Cerâmica tipo 710- Alumina recristalizada Temperatura máxima de utilização :1900ºC Contém 99% de alumina, condutibilidade térmica e boa resistência mecânica superior a 610, sensível a choques mecânicos, impermeável à maioria dos gases sob condições de processo. Carbureto de Silício Temperatura máxima de utilização :1500ºC Possui baixa resistência mecânica e porosidade. Excelente condutibilidade térmica e resistência a choques térmicos. Carbureto de Silício cristalizado Temperatura máxima de utilização :1500ºC Possui baixa resistência mecânica e porosidade. Excelente condutibilidade térmica e resistência a choques térmicos. Boa resistência em ácidos, alcális e utilizado em metais líquidos como Zinco, Chumbo, Alumínio e Cobre.



83

Poços termométricos

Possui a mesma função do tubo de proteção, porém a sua principal característica é que ele possui estanqueidade, isto é, veda o processo não permitindo vazamentos, perda de pressão e contaminações. São usados onde as condições de processo requisitam segurança em altas temperaturas e pressões, fluidos muito corrosivos, vibrações e alta velocidade de fluxo.

A diferença básica em relação aos tubos de proteção é a sua construção, já que os materiais utilizados são os mesmos. Os poços são feitos a partir de uma barra maciça usinada, executando um furo interno longitudinal mantendo-se assim a espessura da parede de acordo com as especificações pré-determinadas, proporcionando ao conjunto final resistência mecânica à pressão e deformação superiores aos tubos metálicos.

A fixação é feita por rosca externa, solda, flange ou outros meios de fixação hermética. Isto elimina a parada e esvaziamento do processo para troca ou manutenção do elemento sensor. Um problema muito perigoso em que os poços estão sujeitos é o efeito da vibração.

É importante que ele possua rigidez mecânica, pois o fluido de processo quando atrita no poço, forma uma turbulência que possui uma freqüência definida na relação entre o diâmetro do poço e a velocidade do fluido. Se o poço entrar em ressonância durante a turbulência, ele tende a quebrar-se, perdendo o poço, contaminando o processo, pode haver transbordo de fluido e o elemento será afetado. Os poços com haste cônica são os que apresentam melhores resultados frente ao problema de vibração, proporcionam maior rigidez mecânica mantendo a sensibilidade em relação aos poços de haste reta ou paralela. Todos os poços termométricos passam por uma série de testes para verificar sua integridade e garantir a vedação do processo. São feitos testes utilizando líquidos penetrantes, pressão hidrostática, ultra som e raios X. O conjunto termopar, tubo de proteção e cabeçote de ligação recebe vulgarmente o nome de "Termopar" na falta de um nome apropriado ao conjunto. Envelhecimento

É importante como já foi visto, que o termopar seja durável a fim de fornecer para uma certa temperatura F.E.M. invariável. Infelizmente, após algum tempo mais ou menos longo, o termopar é suscetível de sofrer variações na sua curva F.E.M. X Temperatura. É difícil de predizer, pelo menos nos casos novos,



84

qual seria a duração de um dado termopar, porque o envelhecimento depende de uma série de fatores, entre os quais, podemos citar:- - A temperatura, a atmosfera do ambiente, o tubo de proteção, o diâmetro dos fios, etc.

No que tange aos diâmetros dos fios do termopar, pode-se dizer que os termopares do fio grosso se envelhecem mais lentamente do que os construídos de fio fino. No que tange a atmosfera, sua importância é capital no envelhecimento de termopares. Por exemplo, um termopar de platina-rodiada-platina, em alta temperatura é ateado por uma atmosfera redutora, sendo necessário, em alguns casos, manter uma corrente de ar para o material do poço de proteção.

No que concerne ao tubo de proteção vimos que deve ser escolhido com bastante cuidado. Sua principal qualidade será a estanqueidade e a sua inércia química. No que concerne à temperatura, é também de importância capital sem valor no tocante ao envelhecimento do termopar. Por exemplo, para temperaturas inferiores à 700ºC os termopares tipo K e J envelhecem muito lentamente, o mesmo ocorrendo com o termopar tipo R e S, para temperaturas inferiores a 1.100ºC. Neste caso, por exemplo, se a temperatura ultrapassa de muito este valor, se produzirá uma autocontaminação do termopar (o ródio se evapora) lentamente alterando as características do termopar.

Como exemplo apenas, a duração de termopar de Ferro-constantan (T) em um ambiente contendo ar a 750ºC é de aproximadamente 1.000 horas. Esta duração é também de um termopar de Cromel-Alumel (K) colocado no mesmo ambiente com o ar à 1.100ºC X 1.000 horas. Controle dos Termopares

O controle se efetua visando determinar se as características dos termopares estão dentro dos padrões estabelecidos. Diversos métodos podem ser usados na aferição dos termopares:

1º) Método de comparação com um termopar padrão: Esta comparação efetua-se colocando dois termopares na mesma temperatura e comparando a F.E.M. fornecida por ambos. Isto pode ser levado a cabo no próprio local, ou então em um laboratório por meio de um forno especial para testes. evidentemente o segundo procedimento é de maior precisão. 2º) Método de fusão de um fio de ouro:- Corta-se a junção do termopar e se solda entre a extremidades um fio de ouro de aproximadamente 0,3mm por 10mm de comprimento. Leva-se a um forno onde será aquecido gradativamente até o ponto onde se funde o ouro (1.063ºC), registrando-se então a F.E.M. correspondente a este ponto. 3º) Outros métodos:- Método de comparação entre dois termopares de mesma natureza. O termopar em teste é associado em oposição a um termopar padrão do mesmo material. Aquece-se o conjunto e observa-se a F.E.M. desenvolvida que deverá ser nula no caso dos termopares serem iguais.



85

Neste caso, a F.E.M. desenvolvida acusará diretamente o desvio do termopar em teste.

Inércia dos Termopares - Erro Dinâmico Inércia dos Termopares Os fatores que influenciam no tempo de resposta dos termopares são: - Capacidade térmica do termopar; - Condutividade térmica do termopar; - A relação superfície/massa do termopar; - O coeficiente de transferência de calor entre o fluído e a superfície do termopar; - A capacidade térmica do fluído que envolve o termopar.

O poço de proteção tem um papel preponderante no tempo de resposta do termopar. O espaço morto entre a junta de medição e o poço, afeta o tempo de resposta do termopar. Existem alguns processos para reduzir o retardo devido a este espaço morto, como:

1 - Junta de medição soldada ao poço. 2 - Óleo entre a junta de medição e o poço. 3 - O poço como elemento do termopar (Fe-Const.). O poço quando montado verticalmente traz uma desvantagem adicional,

forma-se no interior do poço corrente de conversão no sentido da junta de medição para o cabeçote, evita-se o fenômeno, não permitindo espaços vazios que permitem a circulação da massa gasosa. No caso de medição de altas temperaturas, o tempo de resposta é sensivelmente reduzido a medida que a temperatura sobe devido à troca de calor por radiação e depende da Quarta potência da temperatura, absoluta. Por exemplo, colocando-se um termopar em um ambiente a 250ºC, levará 5,7 min para se obter o equilíbrio. Se colocarmos em um ambiente igual, porém, à 950ºC, o tempo será reduzido a 1,7 min. Erro Dinâmico e Retardo:-

Se a temperatura de um ambiente (ex.: Forno), aumenta e diminui a uma velocidade constante, o termopar acusará um retardo constante sobre a temperatura. Conclui-se que um instante dado a medição apresenta um erro chamado "erro dinâmico". 4.11.FIOS E CABOS DE EXTENSÃO E DE COMPENSAÇÃO

Os fios utilizados normalmente na confecção de termopares, são geralmente dispendiosos devido ao custo da matéria prima (platina, ródio, cromo e níquel) utilizada e ao critério na composição das diversas ligas. Geralmente, não é possível manter a junta de referência junto a ponto de medição mormente nas instalações industriais, devido às condições do local de medição serem inadequadas. Fios são condutores formados por um eixo sólido e cabos são condutores formados por um feixe de condutores de menor diâmetro.



86

Fios e cabos de extensão São condutores formados com as mesma ligas dos termopares a que se

destinam, apresentando a mesma curva de F.E.M. por temperatura. Apresentam custo inferior pois sua composição química não é tão homogênea quanto a do termopar, limitando sua exposição a temperaturas altas como do termopar. Fios e cabos de compensação

São fabricados com ligas diferentes dos termopares a que se destinam, mas também apresentam a mesma curva F.E.M.x temperatura dos termopares.

São usados principalmente com termopares nobres tipos (R e S), pois é economicamente inviável construir fios de extensão de Platina. Os fios de compensação são fabricados normalmente sob a forma de um cabo de dois condutores. Os dois condutores são isolados individualmente recebendo posteriormente uma isolação externa comum podendo em alguns casos possuir uma blindagem metálica externa (shield). Os materiais mais empregados na isolação são: borracha, PVC, fibra de vidro, amianto, silicone e teflon. Ligação dos Fios de Compensação

Apesar da aparente facilidade da ligação dos fios de compensação, esta operação pode trazer surpresas para o elemento despreparado, o motivo reside no fato de não haver uma padronização dos códigos de cores dos fios de compensação.

É importante que se os fios de compensação forem ligados invertidos à FEM resultante irá depender das duas temperaturas nos extremos dos fios de compensação. Quanto maior for a diferença entre as temperaturas deste dois pontos, maior será o erro. No caso de serem iguais, o erro será nulo (metal intermediário). 5.TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA 5.1.PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O princípio de medição de temperatura por meio de termômetros de resistência, repousa essencialmente sobre a medição de variação da resistência elétrica de um fio metálico em função da temperatura. A relação matemática entre a resistência de um condutor e sua temperatura é dada pela fórmula aproximada: R = Ro (1 + αt) Equação nº1 Onde: R = resistência à tºC. Ro = resistência à 0ºC. α= coeficiente de variação de resistência do metal com a temperatura. t = temperatura.

Esta fórmula nos diz que a resistência varia linearmente com a temperatura, porém a rigor o coeficiente de variação de resistência (α) muda de valor para cada faixa de temperatura, o que limita o uso da fórmula apenas para pequenas variações de temperatura.

A relação matemática mais geral é a seguinte:- R = Ro (1 + α1t + α2t2 + α3t3 + ... + αntn) Onde: R = resistência à tºC.



87

Ro = resistência à 0ºC. α1, α2, α3, αn = coeficiente de variação de resistência do metal. t = temperatura.

Podemos observar que os termos do 2º grau e maiores (α2t2,α3t3...) contribuem para não linearidade da relação, sendo que quanto maior o valor das constantes dos termos de 2º grau para cima, maior o afastamento da linearidade. 5.2.TIPOS DE BULBOS DE RESISTÊNCIA - CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS

O tipo de metal utilizado na confecção de bulbos sensores de

temperatura, deve possui características apropriadas, como: - Maior coeficiente de variação de resistência com a temperatura (α1, α2, ... αn), quanto maior o coeficiente, maior será a variação da resistência para uma mesma variação de temperatura, tornando mais fácil e precisa a sua medição. - Maior resistividade, isto é, para pequenas dimensões de fio uma alta resistência inicial. - Estabilidade do metal para as variações de temperatura e condições do meio (resistência à corrosão, baixa histerese, etc.). - Linearidade entre a variação de resistência e a temperatura, produzindo escalas de leitura de maior precisão e com maior comodidade de leitura. 5.3.TIPOS DE METAL UTILIZADOS E FAIXA DE UTILIZAÇÃO:-

Os metais utilizados com maior freqüência na confecção de termo

resistência são:- - platina (Pt) - níquel (Ni) - cobre (Cu)

Para pequenas faixas de temperatura um coeficiente médio , variação de resistência, pode ser utilizado. Porém, para faixas mais amplas, necessita-se a introdução dos coeficientes de ordem superior, para uma maior aproximação à curva real de radiação R versus T. Por exemplo, no caso da Platina, dois coeficientes são suficientes até a temperatura de 649ºC, esta relação é quadrática e se afasta da relação linear em aproximadamente 7% no valor máximo. Para Cobre, são necessários três (3) constantes válidas até a temperatura de 121ºC.

Apesar das três constantes, a relação entre a resistência e a temperatura é sensivelmente linear (pequenos valores de 1 e 2). Três constantes são necessárias para o Níquel na faixa usual da temperatura, sendo a relação sensivelmente não linear. A faixa de utilização aproximada dos três metais é mostrada a seguir:- PLATINA - faixa - 200 à 600ºC (excepcionalmente 1200ºC) - Ponto de Fusão 1774ºC. NÍQUEL - faixa - 200 à 300ºC - Ponto de Fusão 1455ºC. COBRE - faixa - 200 à 120ºC - Ponto de Fusão 1023ºC.



88

5.4.TIPOS DE CONSTRUÇÃO Normalmente a termoresistência é constituída de um fio muito fino,

enrolado sobre um suporte isolante que poderá ser de mica, vidro ou cerâmica. Este conjunto é isolado e encapsulado em vidro ou cerâmica, tornando a resistência assim constituída, isolada do meio ambiente. O termo elemento pode ser protegido por uma fina capa metálica e será utilizado dentro do poço de proteção.

As extremidades dos fios de resistência são soldados em fios de prata ou

cobre, que por sua vez vão ter a um bloco terminal existente no cabeçote do poço de proteção. Em casos especiais são fabricados termo resistências duplas no mesmo conjunto, seja para maior segurança ou para acionar simultaneamente dois ou mais dispositivos de medição e/ou controle.

No caso de baixas temperaturas, melhora-se a condução de calor do poço para a termo resistência, pressurizando-se o mesmo com um gás bom condutor de calor (hélio).

Simultaneamente esta prática protege os dispositivos contra condensações internas que poderiam afetar a resistência da sonda. 5.5.TEMPO DE RESPOSTA E PRECISÃO DAS TERMORESISTÊNCIAS Precisão

A precisão dos termômetros de resistência, quando corretamente

instalados, é grande, pode atingir a ± 0,01ºC. Normalmente as sondas utilizadas industrialmente apresentam uma precisão de ± 0,5ºC. No Brasil usa-se normalmente a norma DIN-iec 751/85 que estabelece para termômetros de resistência de platina o valor de 100,00a 0ºC, e de 138,50a 100ºC. Tempo de Resposta

O tempo de respostas depende, como em todos tipos de termômetros já citados, da massa do poço de proteção, da transmissão de calor entre o fluído e o poço, entre o poço e a termo resistência e da própria temperatura medida.



89

Outros valores utilizados de resistência são:- - Platina - 50a 0ºC, 10à 0ºC. - Níquel - 100à 0ºC, 120à 0ºC, 300à 0ºC (muito variável). - Cobre - 10à 0ºC, 25à 20ºC. 5.6.TERMISTORES

É o nome dado a elementos semicondutores normalmente óxidos metálicos aglutinados à alta temperatura. As características principais dos termistores são: - Sua alta resistividade possibilitando a construção de elementos da massa diminuta. - Elevado coeficiente de variação de resistência possibilitando a construção de termômetros com faixa de utilização bastante estreita. Nota:- O coeficiente de variação de resistência dos termistores alcança normalmente 8 a 10 vezes o valor dos metais comuns. - Sua robustez e durabilidade praticamente ilimitada. A relação matemática entre a temperatura e a resistência é dada pela fórmula: R = a . eb/t Onde: R = é a resistência à temperatura t. a e b = são parâmetros característicos de cada termistor. e = base dos logaritmos neperianos (e=2,718) t = temperatura absoluta (K). Desta equação podemos concluir que:

1. O coeficiente de resistência do termistor é negativo, isto é, a resistência diminui com o aumento de temperatura como mostra a fig. 32.



90

2. A relação entre a temperatura e as resistências não é linear e sim logarítmicas (vide fig. 40). A faixa de utilização dos termistores está usualmente entre -80 e 700ºC. Sua aplicação mais notável é no controle de temperatura de ambientes aquecidos por resistências elétricas (por exemplo) a câmara de análise de um analisador, devido a sua alta sensibilidade e pequena inércia térmica pode comandar o circuito de aquecimento, e manter a temperatura dentro de uma faixa de ± 0,02ºC. Quanto a sua forma a fig. 33 mostra algumas típicas.

5.7.MEDIDORES DE TEMPERATURA POR TERMORESISTÊNCIA 5.7.1PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO BÁSICO

A medição de temperatura por meio de termoresistência consiste em se medir a resistência do sensor e traduzi-la em uma escala de temperaturas.

Teoricamente o circuito apresentado na fig. 34, proporcionaria as indicações de temperatura procurada na termoresistência Rx, medindo-se a corrente (i) que circula no circuito e medindo-se Rx através da lei de Ohm.



91

Onde: Rx = resistência do sensor de temperatura. r = resistência do circuito. E = bateria de alimentação.

Conhecendo-se a relação entre Rx e a temperatura do mesmo, pode-se, baseado na equação do circuito acima, calibrar o miliamperímetro em valores de temperatura. Embora tecnicamente correto este circuito não é usado na prática, pois apresenta uma série de inconvenientes quais sejam:- - A corrente no circuito depende das resistências associadas (fios de ligação, miliamperímetro, fonte). - A corrente no circuito depende da tensão de alimentação (E). - A escala não seria linear. 5.7.2.TIPOS DE CIRCUITO DE MEDIÇÃO UTILIZADOS

Podemos classificar os medidores nos seguintes tipos:- 1. Circuito em ponte. 2. Circuito elementar com bobina de compensação (sistema de galvanômetro à bobinas cruzadas). 5.7.3.CIRCUITO EM PONTE

O circuito de medição em ponte é o mais utilizado na medição de resistência e conseqüentemente na medição de temperatura. Existem dois tipos principais:- 1º Tipo:- Medição por ponte não equilibrada A ponte de medição mais utilizada é usualmente a de WHEASTONE, como mostra a fig. 35.

O equilíbrio da ponte é atingido quando R1 . R3 = R2 . R4 . Conhecendo-

se R3 podemos deduzir o valor de R4 , isto é, o seu valor Ôhmico. R1 . R3 = R2 . R4 (se R1= R2). R3 = R4



92

Ligação a dois fios As resistências RL são resistências de fiação e ambas estão em série

com R4. A resistência aumenta quando a distância do sensor até o instrumento for maior, a temperatura for maior e a bitola do fio menor. R1 . R3 = R2 . (RL + RL + R4)

R3 = RL +. RL + R4 RL +. RL dependendo de seus valores podem induzir graves erros em medições de temperatura com termoresistências. Ligação a três fios

Quando a ligação entre a termoresistência e o instrumento for grande, usa-se o sistema de ligação compensado com três fios I (Sistema SIEMENS) como mostra a figura 37.

É o método mais utilizado nas indústrias. Esta configuração faz com que a

alimentação fique o mais próximo possível do sensor. R1 . (R3 + RL )= R2 . (R4 + RL) R1 = R2 Como os fios de ligação são do mesmo tipo, possuem o mesmo comprimento e diâmetro e estão na mesma temperatura, então: RL=RL



93

R3 = R4 Conhecendo o valor de R3 tem-se o valor do sensor e conseqüentemente

consultando a tabela, obtemos a temperatura. O terceiro fio atua somente como condutor de compensação, não influenciando nos cálculos de medição da resistência. A integridade da medição de uma ligação de três fios pode ser mantida somente se a ponte for balanceada. Ligação a quatro fios

Esta ligação é utilizada em medições de laboratório e esporadicamente na indústria, pois requer 2 medições e um cálculo para o resultado. 6.PIROMETRIA DE RADIAÇÃO 6.1.INTRODUÇÃO

Medidas de temperatura de corpos aquecidos através da radiação emitida, tem sido largamente empregadas no processamento industrial. Não há contato direto com o corpo cuja temperatura está sendo medida e há uma relativa independência quanto à distância ao elemento detector de radiação. O corpo pode estar em repouso ou em movimento, o que torna o método particularmente aplicável em processos contínuos (fornos rotativos, laminação, etc.).

Temperaturas acima de 1500ºC (limite superior de uso de termopares de Pt-Pt, Rh) são comuns nas indústrias e, apesar dos progressos na técnica da fabricação de novos tipos de termopares como V-V74 Re26 ou Ir40 Rh60 que estendem o intervalo de aplicação dos termopares acerca de 2000ºC ou mais, os pirômetros de radiação ocupam um lugar definido na pirometria e não têm, em princípio, limite superior de temperatura.

A Escala Prática Internacional de Temperatura de 1948 é definida, acima de 1063ºC (ponto de ouro), por uma equação que relaciona a energia radiante por um radiador perfeito (corpo negro) com a temperatura (Lei de Planck).

Sérias causas de erro devem ser consideradas na aplicação, sendo claro que o seu conhecimento, bem como das precauções que se impõem para tornar os seus efeitos, são condições indispensáveis ao bom êxito da medida. 6.2.HISTÓRICO

As primeiras tentativas de correlacionar a radiação térmica emitida por um corpo incandescente com a temperatura tiverem como objetivo a determinação da temperatura do sol (Piroheliômetro de Pouillet-1838). O processo consistia essencialmente em receber os raios solares num calorímetro e, aplicando a Lei de Dulong-Petit (J = aT, onde J é a energia



94

térmica recebida , a é a constante do aparelho e T a temperatura da fonte), calcular T.

Poillet obteve 1300ºC. Voulle (1879) utilizando a mesma lei, porém modificando o processo, achou 1500ºC a 2500ºC. Secchi, aplicando a lei de Newton (J = a(t1 - to) ao mesmo processo, chegou a um valor de vários milhões de graus. Roselti (1879) utilizou a termopilha produzida por Hobili e Melloni (1879-1834) que consistia de tiras alternadas de Bismuto e antimônio, desenvolvendo uma nova relação entre a energia radiante e a temperatura da fonte, chegando por extrapolação a um resultado de 10.000ºC. O valor presentemente aceito é de cerca de 5700ºC. Somente com a formulação por Stefan em 1879 da lei da radiação total de um corpo negro e a fundamentação teórica por Boltzmann (1884) a medida de temperatura por radiação foi posta em bases satisfatórias.

O aperfeiçoamento técnico nas termopilhas permitiram no início do século XX a aplicação do processo à determinação de temperaturas terrestres (1902). Daí por diante, verificouse um contínuo desenvolvimento e generalização do uso dos pirômetros de radiação e de pirômetros óticos na indústria. 6.3.RADIAÇÃO TOTAL - EMITÂNCIA - LEI DE STEFAN - BOLTZMANN

Todos os corpos, em virtude da energia térmica que possuem, emitem energia radiante em suas superfícies. A energia radiante é emitida em forma de ondas eletromagnéticas, cujos comprimentos da onda se estendem desde o ultravioleta ao infravermelho (0,001 a 100 micra) compreendendo o intervalo visível (0,38 a 0,78 micra).

Dois corpos A e B sendo A o mais quente, emitem e absorvem radiação e há transferência de energia de A para B, pois A emite mais do que absorve. Todos os processos radiantes são deste tipo, isto é, são processos de intercâmbio de radiação. 6.4.CORPO NEGRO

Chama-se corpo negro ou radiador perfeito, um corpo que absorve toda a radiação que sobre ele incide, emitindo por sua vez, energia em todos os comprimentos de onda, com máximo em comprimento de onda é função de sua temperatura.

Um corpo opaco, que não se enquadra no conceito do corpo negro, reflete parte da energia que sobre ele incide. Chamando "a" e "r" os coeficientes de absorção e reflexão, respectivamente, temos:- a + r = 1 (1)

O conceito de radiador perfeito define o conceito de emitância como a relação entre a radiação total emitida por um corpo e a que seria emitida se tratasse de um radiador perfeito, à mesma temperatura. Quando a definição acima se refere a uma faixa estreita de comprimentos de onda (radiação monocromático), dá-se a denominação emitância espectral, em contraposição ao caso acima referido em que a emitância é total. Kirchoff foi o primeiro a expressar as trocas radiantes em termos matemáticos.

Considerou um pequeno corpo colocado no interior de um recinto fechado de grandes dimensões cujas paredes tem temperaturas uniforme T. Estabelece-



95

se um regime estacionário de transferência de radiação: corpo → paredes. Uma superfície com área unitária do corpo, receberá por unidade de tempo, energia radiante E, da qual absorve a.E reflete r.E.

Estando o corpo à mesma temperatura T que as paredes, deve verificar-se a condição: a . E = r .E Onde: a = r (2) Onde: e é a emitância total do corpo. Se r = 0, isto é, se o corpo é um radiador perfeito, das equações (1) e (2), conclui-se que: e = 1

A cavidade representada pelo recinto fechado, também, se comporta como um radiador perfeito, independente da natureza das paredes. Se pudéssemos colocar um pirômetro no interior do recinto, poderíamos determinar a intensidade da radiação e, conseqüentemente, a temperatura.

Na prática, obtém-se uma aproximação razoável, fazendo uma cavidade, na parede de um forno, por exemplo, e localizando o pirômetro para o fundo da mesma. A profundidade do furo deve ter menos cinco vezes o diâmetro. 6.5.LEI DE STEFAN BOLTZMANN

A lei de Stefan Boltzmann estabelece que a radiação total por unidade de área e por unidade de tempo de um radiador perfeito é proporcional à quarta potência da sua temperatura absoluta. W = σ T 4 (3) Onde: W = fluxo radiante por unidade de área (f / A). T = temperatura absoluta (ºK). σ = constante de Stefan-Boltzmann: 5,77 . 10-5 erg/seg.cm2.ºK4 ou 5,77 . 10-12

watt/cm2.ºK4. Para o fluxo radiante teremos:- φ= A . T4 (4) A conseqüência imediata é que, quando um corpo negro de área A e temperatura T é posto num recinto cujas paredes estão à temperatura To, (T >To) perderá por radiação:- φA . (T4 - To4) Tratando-se de um corpo com emissividade total e, teremos:- φ= ∆. e . A . (T4 - To4) (5) Se To é pequeno em relação a T, a equação pode ser reduzida a:- φ= ∆. e . A . T4 (6) Exemplo: To = 350ºK T4 →To4 (mais de 1000 vezes) T = 2000ºK Tal não acontece se T = 700ºK, no exemplo acima, pois neste caso, T4 é somente 16 vezes maior.



96

6.6.MEDIÇÃO DE TEMPERATURA 6.6.1.PRINCÍPIO

Como conseqüência da lei de Stefan-Boltzmann, é possível medir a temperatura de um corpo pela medida do fluxo radiante emitido por ele. Isso é feito, concentrando o feixe radiante sobre uma superfície absorvente (corpo negro), o detector, o qual é aquecido pela radiação incidente. A temperatura do detector subirá até atingir um equilíbrio com o meio ambiente (perdas por radiação, convecção e condução). Na maioria dos pirômetros de radiação, o equilíbrio é atingido antes que a temperatura ultrapasse em 40ºC a temperatura ambiente, mesmo quando a fonte é incandescente. Toda variação na temperatura da fonte resulta, portanto, numa variação na temperatura do detector mas de magnitude muito menor, tão pequeno que justifica a aplicação da lei do resfriamento de Newton.

Chamando T1 e T2 nas temperaturas inicial e final da fonte e t1 e t2 as correspondentes do detector: T2

4 - T14 = K (t2 - t1) (7)

Embora ∆t < ∆T, sua taxa de crescimento é quatro vezes maior, exigindo que o detector seja bastante sensível.

O detector mais comumente usado é a termopilha, montada com as junções quentes em contato com um disco metálico enegrecido. Outros detectores possíveis: termômetro bimetálico, termômetro de gás, tira de Pt enegrecida, formando um dos braços de uma ponte de Wheststone. As junções de referência ficam isoladas da radiação incidente. A força termoeletromotriz e será função da diferença da temperatura entre as junções:- e = K . ∆t = K1 . T4 Determinado o valor de e para valor conhecido de T, podemos obter, experimentalmente, a função:- T = f(e). Esta é a base da pirometria de radiação total. 6.6.2.CRÍTICA a) Na realidade e não é função linear de ∆t. b) A junção fria da termopilha é usualmente projetada de modo a ficar bem próxima da junção quente. A posição adjacente das duas, assegura que ambas sejam igualmente afetadas por variações na temperatura ambiente. O uso de fios extremamente finos para os termopares, reduz as perdas por condução, daí o uso de cromel (+) constantan (-), que oferecem excelentes propriedades de resistência mecânica e choques e vibrações, além da baixa condutividade térmica e boa estabilidade química (8 - 10 pares em série asseguram sensibilidade adequada).

Se a compensação da junção fria se faz necessária, um dos processos

consiste em ligar um shunt de níquel entre os terminais de termopilha na região da junção fria. O circuito equivalente é:-



97

e = F.E.M. da termopilha rt = resistência interna da termopilha rs = shunt de níquel À temperatura t1 da junção fria a corrente i no circuito é:-

Se a temperatura da junção fria sobe para t2 . rt permanece

aproximadamente constante e rs, que tem coeficiente positivo de temperatura, cresce a rs + ∆rs, ao mesmo tempo em que a tensão de saída cai de e para e - ∆e. A corrente i' será agora:-

Conhecendo-se rt, e = f(t) e rs = f(t), calcula-se o valor de r3 pela equação (11). Nota:- Na realidade rt não é invariável mas sua variação é desprezível frente à de rs.



98

c) A crítica mais importante deriva do fato de que a radiação que atinge o detector não é negra e a lei de Stefan-Boltzmann, não é obedecida. Isto resulta de uma absorção seletiva de radiação pela atmosfera, janela de quartzo, aparelhos ou lentes e pelo próprio detector. Em vez de W = σ. T4 (12), a energia absorvida pelo detector seria da forma: W = σ. Tn (12) Burgers e Foots do N.B.S., testaram 22 instrumentos e encontraram:- 3,28 < n < 4,26

O valor de n tende a crescer, quanto T cresce. a curva T = f(e) é levantada experimentalmente para cada pirômetro, que traz gravado o valor de e corresponde à visada e um corpo negro na temperatura limite de um intervalo de calibração (valor utilizado para correção de emitância). Note-se que o erro em temperatura é menor que o da medida de energia. Diferenciando a expressão (12), teremos:- dW = n . σ. Tn-1 . dT Dividindo membro a membro por (12), vem:

Assim, se n = 4, um erro devido à emitância 0,9 ao invés de 1,0, resulta num erro em temperatura de 1/4 - 10% = 2,5%. 6.7.ÓTICA DOS PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO TOTAL

Se fosse possível, a termopilha seria exposta diretamente à radiação da fonte quente e as junções frias seriam mantidas a temperatura constante por um sistema adequado de resfriamento. A superfície emissora teria de ser lisa, infinita e com temperatura uniforme. O ângulo sólido seria 2prd e a temperatura da junção quente da termopilha independente da distância à fonte. Uma vez que as dimensões da superfície emissora são finitas, o fluxo radiante que atinge o detector é reduzido e, para uma dada área da superfície emissora, a resposta da termopilha será função da distância, isto é, do ângulo sólido subtendido.

A solução é limitar, por meio de um diafragma com cobertura circular, o ângulo sólido e a radiação que atinge o detector será independente da distância, desde que a base do cone AA' (fig. 73) seja inteiramente coberta pela superfície emissora. LIMITAÇÃO:- Se o detector fica relativamente afastado, a área emissora deverá ser muito grande. Se fecharmos o diafragma, o detector deverá ser demasiado sensível.



99

6.7.1.MONTAGEM COM LENTE

A lente focaliza a imagem do alvo na abertura do diafragma. Isto significa que as distâncias da superfície emissora e do plano do diafragma à lente devem satisfazer à questão dos focos conjugados:-

Tanto a lente como o diafragma podem ser ajustados: a lente para

focalização e o diafragma para variar a sensibilidade. A lente é confeccionada com vários tipos de material, conforme o intervalo de temperatura em que irá operar. O Brown radiamatic (minneapolis Honeywell) utiliza lentes de fluoreto de cálcio para 400 - 1200ºF, de sílica fundida para 1000 - 2000ºF e de Pyrex para 1500 - 3200ºF em diante.

A principal restrição ao uso de lentes reside no fato que o índice de

refração varia com o comprimento de onda da radiação incidente e conseqüentemente a distância focal. A imagem sai colorida (aberração cromática) e não bem focalizada. Há ainda a absorção seletiva pelo material da lente de certos comprimentos de onda. Apesar desses inconvenientes, o pirômetro com lente é muito útil para aplicação em alvos pequenos. A uma distância de 24" uma superfície de uma polegada de diâmetro é suficiente (narrow angle).



100

6.7.2.MONTAGEM COM ESPELHO Ao invés da lente, pode-se usar um espelho esférico côncavo (de aço

inoxidável ou vidro aluminizado) com o inconveniente antes apontado de que o ângulo sólido é grande (wide angle).

6.7.3.MONTAGEM COM DUPLO ESPELHO É o tipo mais aperfeiçoado, conjugando as vantagens dos dois sistemas

anteriormente examinados (fabricado por Leeds & Northrup Company).

A radiação entra pela janela A de quartzo, é refletida pelo espelho B, cujo

foco está na abertura do diafragma, é re-refletida pelo espelho C (de maior curvatura) e atinge o detector D, onde a imagem se forma. Pela lente do visor pode-se focalizar com precisão. A superfície do diafragma é recoberta com uma leve camada de óxido de magnésio que provoca uma reflexão difusa suficiente para permitir a observação da imagem do alvo, a qual deverá cobrir a abertura do diafragma (não há aberração cromática e a aberração esférica é muito pequena).

É evidente que a estrutura interna intercepta parte da radiação incidente. Cerca de 25% da área do espelho B é coberta pela imagem do espelho C (para feixe paralelo). A diminuição de sensibilidade de resultante não tem maior importância. Para temperaturas acima de 2000ºF por efeito de absorção da janela de quartzo, o expoente de expressão de Stefan Boltzmann é aproximadamente 5 para 1/16" de espessura da janela.



101

6.7.4.DISTÂNCIA E DIMENSÕES DO ALVO A resposta de um pirômetro de radiação independe da distância do alvo,

desde que o sistema ótico esteja inteiramente coberto. As dimensões do alvo são usualmente expressas em termos do diâmetro de um circuito equivalente situado em plano perpendicular ao eixo ótico. Além de certas distâncias mínimas permissíveis, define-se uma relação denominada:

Na maioria das medidas industriais, o fator de distância estará na região 20.1 a 24.1. Tipos "wide angle" tem naturalmente valores menores, da ordem de 7.1. 6.7.5RE-RADIAÇÃO DE ENERGIA PELAS LENTES, ESPELHOS, JANELAS

A re-radiação de energia pelas lentes, espelhos, janelas, etc., podem causar erro, a menos que a temperatura interna do pirômetro seja homogênea. Nos casos em que a temperatura apresenta um valor demasiado elevado ou variações violentas utiliza-se resfriamento a água ou ar. 6.7.6.CAUSAS DE ERRO E PRECAUÇÕES DE USO

Fumaça, poeira e gases absorvem radiação, diminuindo a temperatura aparente. SO2, CO2, vapor d'água e amônia apresentam bandas de absorção nos comprimentos de onda usados na pirometria. Por outro lado, gases quentes, chama e carbono em alta temperatura contribuem para aumentas a temperatura aparente. Nesses casos o único recurso é usar um tubo alvo (target tube) fechado e cujo fundo é o alvo ou um tubo aberto, purgado com ar ou gás inerte, o que garante uma linha de visada livre de meios absorventes.

O tubo alvo pode ser construído com uma variedade de materiais (silimanite, carbureto de silício, inconel, níquel -cromo, ferro aço) e diminui, é claro, a velocidade de resposta, uma das características mais favoráveis dos pirômetros de radiação. 6.7.7.TEMPO DE RESPOSTA

A velocidade de resposta dos pirômetros de radiação, é limitada pela termopilha. Quando se deseja alta velocidade de resposta, as seguintes providências se impõem (com sacrifício de sensibilidade):- 1º) Os fios dos termopares têm diâmetro muito pequeno. 2º) O número de junções é reduzido. 3º) O material de enegrecimento é diminuído, resultando um filme tão fino quanto possível. Reduz-se desse modo a capacidade do detector e tempos de resposta da ordem de 0,5 a 2 seg são atingidos. 6.7.8.TOLERÂNCIA

Em condições de laboratório a precisão estática da calibração é da ordem de ± 0,5%.



102

Na prática industrial esse valor é bastante aumentado por ação das causas de erro apontadas. 7.PIROMETRIA ÓTICA 7.1.INTRODUÇÃO

Instrumentos designados como "pirômetros óticos" são aqueles que

medem a energia radiante emitida por uma superfície alvo em estreito intervalo de comprimentos de onda (faixa de 100A Å em torno de 6500Å, vermelho).

A medida que se baseia na grande sensibilidade que caracteriza o olho humano no que concerne à distinção de nuanças de brilho. O processo consiste essencialmente em comparar o brilho da imagem da superfície alvo com o brilho de um filamento incandescente (até que os dois se confundem), medir alguma grandeza relacionada com o brilho (radiância espectral) de um dos componentes e traduzir a medida em termos de temperatura. É o método do filamento evanescente, adotado na Conferência Internacional de pesos e Medidas de 1927 (confirmando em 1948) para definir a Escala Prática Internacional de Temperaturas acima do ponto de ouro, ou seja, 1063ºC. 7.2.LEI DE RADIAÇÃO DE PLANCK - LEI DE WIEN A densidade de fluxo radiante emitido por um radiador perfeito (corpo negro) à temperatura T numa Faixa de 100Å em torno de um comprimento de onda é dada pela Lei de Planck.

A equação (16) fornece para cada valor de T a distribuição de energia em função de l. Observa-se que a intensidade de radiação varia apreciavelmente com o comprimento de onda. O máximo se desloca no sentido dos menores comprimentos de onda quando a temperatura cresce. O máximo de intensidade radiante é dado pela Lei do Deslocamento de Wien.

Quando T cresce, decresce proporcionalmente. Daí a variação observada na cor de um corpo incandescente, a qual varia com o acréscimo de temperatura do vermelho sombrio para o branco. Daí também o conceito de cor de temperatura num corpo negro.

Num pirômetro ótico a radiação da superfície alvo é focalizada por um meio de uma objetiva num plano onde se encontra o filamento de uma lâmpada de tungstênio. 1 - alvo 2 - lente



103

3 - diafragma 4 - filtro absorvente (scren) 5 - lâmpada 6 - filtro vermelho 7 - lente objetiva (microscópio) 8 - diafragma 9 - lente ocular (microscópio) 10 - olho humano

Para temperatura acima de 1300ºC, como veremos adiante, torna-se necessário interpor um filtro (screen) para reduzir a radiância observada, protegendo assim o filamento da lâmpada (menor temperatura). Através do conjunto de lentes 7 a 9 o olho humano compara as duas imagens devidamente filtradas por 6 (6500Å). Se o filamento aparece escuro no fundo vermelho sua temperatura é inferior à do alvo, se destaca vermelho brilhante, está mais quente, o ponto procurado é aquele em que não se consegue distingui-lo (filamento evanescente). 7.3.FILTROS ABSORVENTES (SCREENS)

O limite inferior das temperaturas mensuráveis com o pirômetro ótico é de cerca de 1400ºF (760ºC). A temperatura mais baixa a intensidade da radiação transmitida pelo filtro vermelho é demasiadamente baixa para dar visibilidade adequada da fonte e do filamento.

O limite superior é determinado por dois fatores: deterioração do filamento e altas temperaturas e o esforço visual (fadiga). O limite estabelecido é de 1250ºC. Para temperatura mais alta, reduz-se o brilho aparente do alvo por meio de screens absorventes de vidro, colocados entre a objetiva e o filamento da lâmpada. Para evitar refocalização do instrumento quando o alcance mais baixo é usado um filtro transparente com vidro do mesmo índice de refração é interposto no caminho ótico. A calibração da escala baixa é efetuada com este filtro em posição.

Desse modo pode-se obter dupla ou tripla escala com limites muito superiores aquelas permissíveis para a lâmpada. Exemplo:- Pirômetro ótico L & N nº 8626-0 com três escalas:- 1075 - 1750ºC 1500 - 2800ºC 2500 - 4200ºC



104

7.4.CAUSAS DE ERRO Há em geral, dois fatores que interferem no uso do pirômetro ótico:-

a) O efeito de meios absorventes. b) Emitância espectral da superfície-alvo.

Temperatura ambiente tem pouca influência na precisão. A distância entre o pirômetro e o alvo não é crítica , desde que a superfície visada seja suficiente para "encher" o campo ótico. a) O efeito de meios absorventes é o de baixar as leituras, pois o brilho aparente do alvo diminui por efeito de absorção de radiação por gases, fumaça, poeiras, etc... Vapor d'água, CO e outros gases absorvem radiação, especialmente ni infravermelho e, portanto, não influem sensivelmente nas leituras, desde que a densidade ou concentração sejam relativamente pequenas. b) A influência da emitância espectral da superfície alvo é a mesma que no caso dos pirômetros de radiação total embora o afastamento das condições de corpo negro da medida monocromática seja menor que no caso mencionado.



105

8 BIBLIOGRAFIA F GRAY, W. T. - Precision and Acurracy in Radiation Pirometry Symposium ou Precision Electrical Measurement George Washington Universaty - June, 1963 F HARRISON, Thomas R. - Principles for Applying the Brown Radiamatic Pyrometer Under Non- Blackbody Condictione - Minneapolis Honeywell Regulador Company - Technical Bulletin TR-930-1- 1959 F MACHLER, R. C. - Potenciometric Circuit for Portable Optical Pyrometer R.S.T. - December, 1939 F MILLER, J. T. - The Revised Course in Industrial Instrument Technology Instrument Pratise February, 1964 DIKE, PAUL II - Temperature measurements with raytubes Leeds & Northrup CO., 1953 ECKMAN, Donald P. - Industrial Instrumentation John Willey - 1961


MEDIÇÃO DE NÍVEL


Instrumentação Eletrônica e Controle de Processos __ CEFETOP

107

MEDIÇÃO DE NÍVEL 1 INTRODUÇÃO

O conceito de nível, de tão intuitivo, chega a parecer banal do ponto de vista do leitor. No entanto, devemos conceituá-lo a fim de dar prosseguimento aos nossos estudos. Nível é a altura de um determinado conteúdo sólido ou líquido dentro de uma região que o confine. Por exemplo, ao dizermos que um tanque de armazenamento de óleo está cheio, estamos dizendo que o seu nível está elevado, ou mesmo numa época de cheia efetua-se medições adequadas a fim de se publicar que um determinado rio teve seu nível aumentado em 5 metros. A forma de se medir o nível de um produto depende imensamente do tipo de produto que se deseja medir. Estaremos nos atendo de uma forma mais sistemática nas diversas formas básicas de medição de nível utilizando métodos diretos e indiretos para tal.

Os métodos diretos de medição compreendem aqueles em que o medidor ou está colocado diretamente sobre a superfície do produto, ou deixa transparecer exatamente isto. Exemplos são os bastões graduados, visores de vidro, uso de bóias na superfície de líquidos, contato de eletrodos, interrupção de fachos de luz e conseqüente detecção por células fotoelétricas, reflexão ou absorção de radiações, etc.

Os métodos indiretos compreendem aqueles em que se usa uma outra variável física ou uma que se relacione com o nível de forma que esta variável torna-se o objeto de medição para indiretamente se determinar o nível. Exemplos são a medição de pressão hidrostática e o empuxo exercido por um líquido sobre um flutuador parcialmente imerso. 2 VISORES DE NÍVEL

Os visores de nível são tubos de vidro acoplados diretamente ao tanque aonde se deseja fazer a medição. (Fig.01 - Visores de Nível)

O tipo mais comum de visor de nível é o utilizado para medição em tanques abertos, onde o tubo de vidro é simplesmente conectado ao fundo do tanque. Pela teoria dos vasos comunicantes o nível tanto no tanque quanto no tubo será o mesmo e uma escala graduada do lado de fora do tubo indicará o valor da medição. Para tanques fechados utiliza-se um tubo de vidro interligado às duas extremidades do tanque. A inclusão de válvulas de isolação é quase que uma unanimidade nestes casos para facilitar em caso de manutenção do tubo. É freqüente também o uso de válvulas de retenção do tipo de esfera. Esta esfera fica ligeiramente afastada do assento até que a diferença de pressão



108

entre seus dois lados aumente muito, quando esta é pressionada contra o assento impedindo a passagem de fluido. Bastante útil é este artifício, no caso de quebra do tubo de vidro, por exemplo, impedindo o vazamento do produto do interior do tanque. Este visor de vidro pode ser cilíndrico ou plano. 3 BÓIAS OU FLUTUADORES

O princípio de seu funcionamento é bastante simples, haja vista, uma bóia flutuando sobre a superfície do líquido acompanha o nível em que ele se encontra e transmite os movimentos para a parte externa do tanque caso a altura do produto se altere. Existem várias formas de se receber o sinal da bóia externamente ao tanque. A mais elementar, porém bastante eficiente forma de se medir através de uma bóia é através de um sistema de roldanas como mostrado na figura 02, transmitir o movimento a um contrapeso que fica por sobre uma escala de graduação que pode ou não ser invertida em relação ao nível do tanque.

Uma outra forma de processar o movimento da bóia é acoplá-lo a uma ampola de mercúrio ou a um microinterruptor de forma que seja feita uma detecção de sinal de nível alto ou baixo. Este sinal pode ser usado tanto para alarme quanto para controle. A diferença estará a cargo, na realidade, do número de interruptores acoplados externamente ao tanque sob a atuação do contrapeso do conjunto de medição. Mesmo sendo utilizado para controle, este sinal dos contatos elétricos não corresponde a um sinal contínuo de processo.



109

Um sinal contínuo de processo pode ser obtido de uma medição por

bóia, se esta produzi um movimento angular dentro da faixa de medição. Este movimento angular é transmitido a um potenciômetro, que variará sua resistência de acordo com as variações do nível do tanque. Uma vez tomadas as variações de resistência, um circuito eletrônico adequado processa este sinal e o converte para sinal de instrumentação de 4 a 20 mA. Com a bóia temos a indicação direta do nível do tanque. Sendo assim este dispositivo permite a determinação direta também do volume de líquido contido no recipiente. Haja vista:

Caso a área da seção transversal do tanque seja constante ao longo de sua altura o volume realmente é uma função direta somente do nível do tanque. Caso conheçamos a densidade do material contido no tanque e esta possa ser supostamente constante em toda o seu volume, podemos também facilmente determinar a massa de produto contido no tanque. Certamente que sim, uma vez que:

Um outro sistema que se utiliza de flutuadores para medição de nível, geralmente de líquidos de pequena densidade e que emitem gases tóxicos ou inflamáveis é o do medidor de nível com acoplamento magnético. Neste tipo de instrumento a bóia consiste de dois imãs que deslizam sobre guias altamente resistentes a pressão, adjacentes a um tubo guia selado. Este tubo guia, por sua vez tem dentro de si um flutuador de aço inoxidável que acompanha a posição dos imãs externos. O movimento do flutuador é enviado para a parte externa ao tanque também por meio de polias e pode acionar dispositivos tanto de apenas de indicação, quanto um transmissor eletrônico.



110

3.1 COMO ESCOLHER UM FLUTUADOR? A escolha do flutuador deve ser feita de acordo com a natureza e a

temperatura do líquido que se quer medir: a) Flutuadores de Cortiça Impregnada ou de Latão: São resistentes à água, aos óleos e aos hidrocarbonetos; b) Flutuadores de Aço Inox: Adequado para produtos químicos, pois resiste a altos níveis de corrosão; c) Flutuadores de Quartzo: Para atmosferas extremamente agressivas; resiste a fortes os ataques corrosivos e também a choques térmicos; d) Flutuadores de Matéria Plástica: Resiste a ataques, mas não resiste ao calor.

Quanto à forma do flutuador, recomenda-se que este seja de cilíndrico de grande razão diâmetro por altura (8:1, 10:1), para fluidos que tiverem grandes variações em sua densidade. Salvo este caso, o flutuador de forma esférica é o mais recomendado. 4 MEDIÇÃO DE NÍVEL POR PRESSÃO HIDROSTÁTICA Esta é sem dúvida uma das formas mais usuais de se medir o nível de um determinado reservatório: fazendo-se a medição indireta através da pressão exercida pela coluna líquida no fundo do tanque. Este princípio de medição baseia-se na equação já vista em nossas premissas, que diz:



111

Devemos também nos reportar ao fato de que se expressarmos a densidade de um líquido através de seu valor relativo (densidade relativa), então a equação anterior pode ser modificada para:

E para tal, a unidade de pressão será feita em coluna líquida, o que torna ainda mais conveniente este tipo de medição. Prova disso é que se a pressão medida por um transmissor no fundo de um tanque que contém água for de 250mmH2O, então o nível desta no tanque é exatamente 250mm. Para ambas as equações, pa será a pressão na superfície do líquido do qual se quer medir o nível.

Duas situações igualmente importantes devem ser tratadas neste momento: a)Medição em Tanque Aberto

Nesta situação, o valor de pressão (em coluna líquida) medida pelo transmissor acoplado ao fundo do tanque é exatamente correspondente ao valor do nível do tanque. A faixa de medição do instrumento será dada pelo valor máximo da altura da coluna fluida. Obviamente a conexão do transmissor é feita do lado de alta ao fundo do tanque, e deixando-se o lado de baixa aberto para a atmosfera – estamos claramente medindo pressão manométrica.



112

b) Medição em Tanque Fechado

A pressão na parte de cima do tanque e, portanto na superfície do líquido,neste caso, não é mais zero ou a atmosférica como antes, mas sim um outro valor qualquer que pode inclusive ser bastante elevado, como é o caso de caldeiras. É extremamente importante não deixar como anteriormente um dos lados do transmissor para a atmosfera pois estaríamos aplicando em sua câmara de alta, um valor muito elevado de pressão, correndo o risco de danificá-lo e também ao processo. Para uma correta medição deste tipo em tanque fechado, devemos conectar o lado de alta do transmissor ao fundo do tanque e o lado de baixa à sua extremidade superior. Analisando a figura 04 anterior, percebemos que:

Este resultado nos diz que fazendo a ligação do transmissor desta forma ao tanque estaremos cancelando a pressão na superfície do fluido de forma que o transmissor somente enxerga a coluna líquida, como era o nosso desejo.



113

4.1 SUPRESSÃO E ELEVAÇÃO DE ZERO

Podemos ter casos em que não necessariamente o transmissor tenha que ficar ao nível do fundo do tanque, porém, um pouco deslocado para uma altura baixa do fundo deste. Também pode haver casos em que o zero de pressão do instrumento corresponda a um valor negativo de pressão relativa. Quando casos como estes acontecerem necessariamente teremos de usar uma das duas opções: supressão ou elevação de zero. 4.2 ELEVAÇÃO DE ZERO

Para uma maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor é montado em um nível abaixo do fundo do tanque. Até mesmo por falta de uma plataforma adequada isto poderá acontecer. Ao fazermos a ligação de um tubo capilar do fundo do tanque até o transmissor estaremos criando uma coluna líquida permanente, que produzirá uma pressão na entrada do transmissor, mesmo quando o nível do tanque for zero. Para evitar que façamos medições errôneas, atuamos na calibração do transmissor de forma a elevar o zero de pressão do instrumento até o valor da coluna líquida criada pela interligação do tanque ao transmissor.

Exemplo: Qual deve ser a faixa calibrada do instrumento a fim de efetuar a medição de nível no tanque da figura 05 sabendo-se que a densidade relativa do líquido é 1.2 , sua altura total é 250 cm e a elevação de zero é de 50cm? Solução:



114

4.3 USO DE POTES DE SELAGEM NA MEDIÇÃO DE NÍVEL

Dependendo do tipo de fluido que se deseja medir, é conveniente a utilização de potes de selagem, como já foi dito anteriormente. As figuras 04 e 05 mostram a medição de nível em tanques abertos e fechados usando selo. Também tanques fechados e especialmente estes devem estar sujeitos à utilização de potes de selagem quando da medição de nível por pressão diferencial. Em concordância com as figuras anteriormente citadas, vapores condensáveis ou corrosivos, ou fluidos viscosos podem afetar o correto valor de pressão da tomada de baixa do transmissor. Sendo assim, utilizamo-nos de selos adequados com esta coluna preenchida com o líquido de enchimento. Assim as duas tomadas do transmissor estarão protegidas e efetuarão uma medição adequada dependendo para tal, do assunto a seguir. 4.4 SUPRESSÃO DE ZERO Quando selamos as duas câmaras do transmissor, usamos um líquido de enchimento em toda a extensão da coluna da câmara de baixa pressão. Assim, se chamarmos de H esta altura da câmara de baixa preenchida com líquido de enchimento de densidade D e se p for a pressão existente na superfície do líquido no tanque:



115

a)Com o tanque vazio: - Pressão na câmara de alta:

- Pressão na câmara de baixa:

- Pressão diferencial na entrada do transmissor:

b) Com o tanque cheio: - Pressão na câmara de alta:

- Pressão na câmara de baixa:

- Pressão diferencial na entrada do transmissor:

Em suma, a faixa de medição é:

Portanto, temos que fazer na calibração do transmissor o que chamamos de supressão de zero que consiste em abaixar o zero de pressão do instrumento a um valor abaixo da pressão atmosférica.



116

5 MEDIÇÃO DE NÍVEL POR EMPUXO

Este tipo de medição baseia-se no princípio de Arquimedes apresentado em nossa revisão inicial. Um flutuador de formato geralmente cilíndrico e volume conhecido é colocado dentro do tanque de medição. À medida que o fluido vai tendo o seu nível aumentado de forma a deixar parte do flutuador imerso. Tanto maior for o nível maior será o volume imerso do flutuador e pelo princípio de Arquimedes, maior será o empuxo por ele sofrido. O empuxo gera um pequeno movimento do flutuador que por sua vez é ligado a uma haste que sofre uma pequena rotação e esta haste é ligada a um tubo que se torciona em função daquela rotação. A extremidade livre da haste é ligada ao sistema de transmissão que pode ser potenciométrico (transmissor eletrônico).

A montagem do flutuador pode ser feita de três formas básicas: a) Pelo topo do tanque; b) Pelo lado do tanque; c) Em um tubo vertical, ligado ao tanque pelas extremidades superior e inferior. Flutuadores cilíndricos são industrialmente encontrados com comprimentos que variam desde 14” (36 cm) a 120” (305cm). 6 MEDIÇÃO DE NÍVEL POR BORBULHADOR OU SISTEMA DE PURGA Este tipo de medição permite que a determinação do nível de líquidos viscosos e/ou corrosivos, bem como de quais quer líquidos sem que o transmissor entre em contato com o fluido de medição. Isto porque pode haver uma relativa distância entre o processo e o medidor. Para tanto, necessita-se de uma pressão ligeiramente maior que a exercida pelo líquido no fundo do reservatório. Pode-se agregar um borbulhador com uma válvula em agulha por onde deverá passar o ar a ser levado ao tanque de medição de nível. Uma sonda ou capilar leva o ar até o fundo do tanque. O procedimento natural de inicialização deste princípio de medição é inicialmente ajustar a vazão do borbulhador – na válvula reguladora de vazão – até que haja a formação de bolhas que serão observadas na superfície do líquido e no reservatório de água do borbulhador. Com esta vazão garantimos que a pressão de na linha de ar é praticamente igual à pressão da coluna líquida. Instalamos, desta forma, um



117

transmissor de pressão na linha de ar de forma que o valor que este recebe corresponde sempre ao nível do tanque.

É importante notarmos que esta vazão de ar, para dentro tanque deve

realmente ser pequena a fim de minimizar as perdas de pressão ao longo do capilar. Garantindo este fato, podemos instalar o transmissor em qualquer ponto da linha de ar, podendo este, como dito anteriormente, ficar à distância. Algumas observações podem ser feitas acerca deste sistema visando a obtenção de resultados mais satisfatórios: a) A extremidade do tubo que é colocado no tanque deve ser chanfrada ou serrilhada, a fim de diminuir as tensões superficiais e possibilitar bolhas menores. b) O conjunto do recipiente com água e da válvula em agulha encontrado comercialmente com o nome de “borbulhador”, pode ser substituído por um rotâmetro também com válvula em agulha; c) Para grandes variações de nível e, portanto de valores da coluna de água, recomenda-se o uso de uma válvula reguladora de vazão com compensação de pressão, a fim de manter a vazão sempre constante; d) Recomenda-se uma distância mínima de 3” entre a sonda e o fundo do tanque no caso da medição de líquidos que contenha sólidos em suspensão, a fim de evitar que o acúmulo destes possa levar a interferências no processo de medição. 7 MEDIÇÃO DE NÍVEL POR SENSOR CAPACITIVO Este sistema de medição pode ser utilizado tanto com líquidos dielétricos quanto com líquidos condutores. No caso de líquidos dielétricos, o capacitor é composto por uma haste que colocada no interior de um tubo cilíndrico de metal. A capacitância varia de acordo com o nível do líquido. Para líquidos condutores, usa-se somente uma haste recoberta por material isolante elétrico. Esta haste constitui um dos eletrodos, e o dielétrico é exatamente feito pela sua cobertura. À medida que o nível do líquido varia, a capacitância entre o eletrodo e o fluido varia proporcionalmente. Um circuito adequado toma esta medida de capacitância e a processa em um sinal de 4 a 20 mA ou outro tipo mais adequado para aquela área.



118

8 MEDIDOR DE NÍVEL ECOSSÔNICO OU ULTRASSÔNICO

Este tipo de medição baseia-se no princípio da reflexão de uma onda sonora em uma superfície em um obstáculo criando o efeito ao qual chamamos de eco. Constitui-se de uma unidade emissora de um sinal ultrasônico e de uma outra unidade receptora deste sinal. A montagem das unidades emissora e receptora é feita no topo do tanque de medição. A unidade emissora envia um trem de pulsos de ondas sônicas, que serão refletidas na superfície do líquido. Parte desta onda refletida será captada pela unidade receptora. O intervalo de tempo entre o envio do trem de pulsos e sua recepção é diretamente proporcional à distância percorrida pela onda, e, portanto relaciona-se diretamente com o nível do tanque.



119

Matematicamente isto pode ser visto da seguinte forma. Sendo:

Percebemos, portanto, que o circuito eletrônico do medidor ultrasônico a

medição de um intervalo de tempo t que é realmente proporcional ao nível do tanque, além do que a equação acima nos permite visualizar que o único parâmetro a ser configurado dentro deste instrumento para a adequação a uma determinada faixa de trabalho é o valor de H (altura do tanque). A temperatura, no entanto, afeta a velocidade do som e sendo assim afeta as medições por este método. Sendo assim, a forma mais correta para se obter medidas mais precisas é medir também a temperatura no local da medição e fazer a adequada compensação. Um outro fator que pode afetar a precisão das medições é a formação de bolhas ou ondas na superfície do líquido, o que geraria ecos errôneos e, portanto, medições imprecisas. Este instrumento não é utilizado apenas para a medição de líquidos e nem tão somente em tanques fechados. Uma excelente aplicação de sua funcionalidade é na medição de leitos de canais de rios. Também sólidos podem ter seu nível medido através deste método. Uma grande vantagem deste instrumento é que não há qualquer contato do medidor com o líquido, o que facilita a medição de líquidos altamente corrosivos ou daqueles que facilmente se cristalizam como é o caso de soluções concentradas de glicose, que envolveriam qualquer parte de um medidor por uma camada de cristais influenciando sua medição.



120

8 MEDIÇÃO DE NÍVEL POR PESAGEM O nível de um reservatório e o seu peso são grandezas grandemente relacionadas. A partir de um deles, o outro é facilmente determinado. Podemos desta forma, medir o nível de um reservatório através do peso do produto contido no mesmo.

Dentre várias formas de se determinar o peso de um reservatório contendo um produto, destacam-se três: a) Balanças Convencionais; b) Células de carga – pneumáticas, hidráulicas ou eletrônicas; c) Medidores tipo carga volumétrica. Nos ateremos neste momento ao tratamento apenas da determinação do nível por células de carga eletrônicas. A célula de carga elétrica utiliza-se de um (ou vários) strain gauge como elemento de medição. As variações da força peso são convertidas em variações de resistência que vão para um circuito em ponte Wheatstone. Lá estes sinais são convertidos em correspondentes valores de nível através do uso da área do tanque e da densidade do produto medido. Como na maioria das vezes, várias células de carga são utilizadas o sinal de peso referência tomado para ser convertido em nível é o correspondente à média aritmética dos pesos individuais medidos por cada célula. Tendo em vista essa observação, deve-se ressaltar a importância da simetria na instalação de um conjunto de células de carga.



121

10 EXERCÍCIOS 1 - Defina o que é nível. 2 - Qual a finalidade da medição de nível? 3 - Cite 3 métodos de medição de nível? 4 - Cite 3 tipos de medidores diretos de nível? 5 - No que consiste o medidor de nível tipo régua? 6 - Qual o princípio de funcionamento dos visores de nível? 7 - No que consiste o medidor de nível tipo bóia? 8 - Quais as propriedades físicas usadas na medição de nível indireta? 9 - Em que teorema se baseia a medição de nível por pressão? 10 - Calcule a pressão no fundo de um reservatório cujo nível da água está a 2,5 m da base. 11 - Calcule a pressão no fundo de um tanque de óleo cujo nível esta a 3 m da base. A densidade do óleo é do 0,8. 12 - Como é feita a medição de nível indireta em tanques fechados e pressurizados? 13 - Calcule o pedido: a) 62% da faixa de -30 mmHg à 50 mmHg = ___________________ b) 4% da faixa de 13 PSI à 25 PSI = ___________________ c) 79% da faixa de 50 mmHg à 200 mmHg = ___________________ d) 39% da faixa de 0,2 Kpa à 1 Kpa = ___________________ e) 33% da faixa de -100 mmH2O à 10 mm H2O = ___________________ f) 20% da faixa de -100 PSI à 100 PSI = ___________________ g) 42% da faixa de 750 “H2O à 1000 “H2O = ___________________ h) 81% da faixa de 5000C à 800oC = ___________________ i) 73% da faixa de -200 à 1200C = ___________________ j) 93% da faixa de -150 “Hg à 20”Hg = ___________________ 14 - Determine o pedido: a) Range do instrumento: _________________mmH2O b) Saída do instrumento quando o nível for 78%: ______________PSI

15 - Explique em que situação de instalação se deve fazer o ajuste de supressão de zero em um transmissor de nível por pressão diferencial.



122

16 - Calcule o range do instrumento em mmH2O:

17 - Determine o pedido: a) Range do instrumento: _________________”H2O b) Saída do instrumento quando o nível for 37%: _________________PSI c) Nível quando a saída for 13,6 PSI: __________________________%

18 - Explique em que situação de instalação se deve fazer o ajuste de elevação de zero em transmissor de nível por pressão diferencial. 19 - Determine o range do instrumento em mmH2O: Range = __________________________mmH2O



123

20 - Determine o range do instrumento em “H2O: Range = _____________________”H2O

21 - Determine o pedido: Range do instrumento: _____________________mmH2O Saída do instrumento quando o P for = 0 : _________________PSI



124

22 - Quais são as aplicações da medição de nível com borbulhador? 23 - Para qual valor devemos ajustar a pressão do borbulhador? 24 - Como é composto o sistema para a medição de nível com borbulhador? 25 - Como deve ser feito o ajuste do borbulhador? 26 - O que podemos instalar na tubulação por onde fluirá o ar ou gás? 27 - Em que princípio se baseia a medição de nível por empuxo? 28 - O que diz o princípio de Arquimedes? 29 - Qual a fórmula matemática que define o empuxo? 30 - Em que situação do processo ocorre a medição de nível por interface? 31 - Defina o que é interface. 32 - Qual a vantagem da medição de nível por raios gamas? 33 - No que consiste a medição de nível por raios gamas? 34 - Na medição de nível capacitivo, o que forma o capacitor? 35 - Normalmente como é o elemento sensor da medição de nível capacitiva? 36 - Na medição de nível capacitivo, quando os líquidos forem condutores o que devemos fazer? 37 - Defina o que são medidores descontínuos de nível. 38 - Quais são os dispositivos utilizados na medição de nível de sólidos?



125

11 BIBLIOGRAFIA [1] Comprehensive Product Catalog, Rosemount Measurement, Janeiro de 1997, USA. [2] Kempenich, Geraldo, Curso de Instrumentação para Engenheiros e Técnicos, 1ª, 2ª e 3ª partes, São Paulo: Siemens S.A, 1975. [3] Smar, Catálogo LD 301, Sertãozinho - SP, 1997. [4] ISSO/IEC GUIA 25, INMETRO, Ri de Janeiro,1998. [5] Website da Druck Measurements em www.druck.com [6] Website da McDaniels Controls em www.mcdanielscontrols.com [7] Website do Measurement Group em http://www.measurementgroup.com/ [8] Website em www.davidson.com.au [9] Website em www.armaturenbau.com [10] Website da SMAR em www.smar.com [11] Website da Rosemount INC. em www.rosemount.com

TÉCNICAS DE MEDIÇÃO MEDIÇÃO DE PRESSÃO


Instrumentação Eletrônica e Controle de Processos _ CEFETOP

127

1. MEDIÇÃO DE PRESSÃO 1.1. INTRODUÇÃO Como já dito anteriormente, pressão é o efeito de uma força atuando em uma determinada área e suas unidades nos sistemas MKS e CGS não são industrialmente utilizadas. As unidades de pressão mais utilizadas são: - No sistema Métrico:

(lê-se quilograma-força por centímetro quadrado) - No sistema Inglês:

(lê-se libra por polegada quadrada ou simplesmente psi ) A conversão de uma unidade em outra pode ser feita facilmente se lembrarmos que 1 libra = 0,4536 kg. Assim:

E inversamente:

Observe esta última representação. Colocamos kg/cm2 e não kgf/cm2 como havia sido dito anteriormente. Sim, esta é uma outra forma bastante usual de se representar esta unidade e pode ser utilizada. Fatores de conversão entre as demais unidades mais utilizadas encontram-se no anexo 1. 1.2. MEDIÇÃO DE PRESSÃO EM COLUNAS DE LÍQUIDO Nas medições de pressão, uma das práticas mais comuns é a de se utilizar uma coluna líquida a fim de se medir uma determinada pressão. Isto é feito equilibrando-se a pressão a ser medida, com a pressão da coluna líquida. As



128

unidades de pressão mais comumente utilizadas para representação de colunas de líquido são:

Desta forma, se a coluna de fluido for preenchida com água e estiver com um metro de altura, a indicação pode ser feita em unidades de coluna de água e valerá, neste caso, 1000mmH2O. Uma importante observação a ser feita é que a coluna de fluido depende diretamente da densidade do fluido – qual é mesmo a equação que nos diz isto? – e esta por sua vez depende da temperatura. Portanto, ao medirmos uma pressão através de coluna líquida e esta exigir precisão devemos especificar qual é a nossa temperatura de referência e efetuar sua

correção caso esta difira da temperatura de trabalho. Deixamos abaixo uma tabela com as variações da densidade do mercúrio e da água em função da temperatura de 0 a 40°C:



129

Relacionaremos agora, alguns instrumentos que utilizam o princípio da coluna líquida: 1.2.1. TUBO EM “U” Pode ser usado para medição de: a) Diferenças de pressões, aplicando-as uma a cada extremidade do tubo; b) Pressões Relativas, abrindo-se um dos lados para a atmosfera. As pressões relativas podem ser positivas ou negativas; c) Pressões Absolutas, deixando um dos lados referenciado ao vácuo. As leituras no tubo em U são feitas medindo-se a diferença de nível do líquido nos dois braços, de acordo com a escala graduada no próprio tubo. Na figura abaixo, vemos duas aplicações do tubo em U:

Fig.01_Desenho de um tubo em U



130

1.2.2. MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO A sua construção e o seu princípio de funcionamento são semelhantes ao do

tubo em U. No entanto, uma das colunas do tubo é substituída por um reservatório no qual a pressão a ser medida, ou a pressão maior, é aplicada. A leitura do valor medido é feita somente no tubo de menor diâmetro onde se localiza a escala de pressão. Esta escala deve passar por um fator de correção devido ao seguinte fato: quando o nível de líquido sobe na coluna de medição, desce no reservatório e portanto o zero da escala de medição se altera. Sendo assim, analisemos a figura anterior: Sejam: Hi = coluna indicada hc = deslocamento do zero A1 = área da coluna A2 = área do reservatório Considerando os volumes deslocados nos dois lados:

Portanto, o fator de correção pelo qual devemos multiplicar o valor indicado é:



131

Geralmente, as escalas já são construídas multiplicadas pelo fator de correção não sendo, pois necessário, fazer a correção. Exemplo: Num manômetro de reservatório de contendo mercúrio, de cuba retangular de dimensões 5 por 10cm e tubo de vidro de 8mm de diâmetro, pergunta-se. Qual o fator de correção e qual é a pressão real quando a escala indicar 50mmHg?

1.2.3. MANÔMETRO DE RESERVATÓRIO DE TUBO INCLINADO O uso e o princípio de funcionamento deste manômetro é também semelhante



132

aos anteriores com a adição do fato de este fornecer uma maior precisão em medidas de baixa pressão devido à sua escala inclinada A quem se interessar é facilmente demonstrável que se usarmos uma escala

na vertical para este tipo de manômetro esta deve ter um fator de correção de onde: α = ângulo de inclinação do tubo de medição 1.2.4. MANÔMETRO DE ANEL Este manômetro também é conhecido como manômetro de torque radial pelo seu princípio de funcionamento. Ele é constituído como mostra a figura 05 de um tubo em forma de anel segmentado em dois compartimentos onde são injetadas as pressões. Estes dois compartimentos tem como meio de separação, um líquido (geralmente mercúrio) colocado na parte inferior do anel. À medida que a diferença de pressão entre as duas câmaras aumenta, o

líquido se desloca mudando o centro de gravidade do anel, produzindo desta forma um torque que o faz girar em torno de seu ponto fixo. Em acordo com a figura 05 e com os dados nela colocados, está a equação abaixo que descreve a relação entre a diferença de pressão entre e a rotação do anel. Esta equação é bastante simples de ser demonstrada bastando para tal fazermos um equilíbrio de forças no anel. Fica a cargo do leitor tal exercício.



133

De uma forma mais simplificada: o que nos diz que o ângulo de rotação é proporcional à diferença de pressão aplicada.

Este tipo de manômetro pode ser encontrado em faixas que vão desde 5mmH2O até 13mH2O. Em tiragens de caldeiras, por exemplo, este tipo de manômetro é indicado, pois pressões bem próximas da atmosfera ou até mesmo absolutas, podem ser medidas, dependendo da pressão de referência utilizada. 1.3. TUBOS DE BOURDON Consistem de tubos de seção elíptica com uma das extremidades fechadas e

outra aberta para a tomada de pressão. O formato destes tubos pode ser em forma de “C”, em forma de espiral ou helicoidal, como mostra as figura 06. O mais utilizado na indústria é o tubo em forma de C. O funcionamento do tubo de Bourdon, independente de seu formato, baseia-se no fato de ao aplicarmos pressão na extremidade aberta, a seção transversal do tubo tende a aumentar aproximando-se de uma forma circular. Como a outra extremidade está fechada, o tubo tenta,



134

portanto se “desenrolar” produzindo uma deflexão no ponteiro a ele agregado.

O tubo de Bourdon tipo C é o mais utilizado e tem uma faixa de trabalho que varia de 0,5 a 7000 kg/ cm2. Como o deslocamento do tubo de Bourdon tipo C é relativamente pequeno, ele não é adequado para medição de baixas pressões. O que já não acontece com os dois outros tipos que apresentam uma maior sensibilidade devido ao formato de cada um deles proporcionar um efeito de soma de vários tubos de Bourdon tipo C, resultando num maior deslocamento da extremidade livre. Só como uma referência ao leitor, os elementos geralmente são fabricados de bronze, para pressões entre 0,5 e 50 kg/ cm2 e aço comum, aço inoxidável ou monel para pressões até 7000kg/cm2 1.4. MANÔMETRO DE FOLE A pressão exercida pelo fluido na entrada deste instrumento, atua sobre um

fole com uma força que vale o produto desta pressão pela área do fole. A essa força opõe-se a força elástica da mola (fole) que é o produto do coeficiente de elasticidade da mola pelo seu deslocamento. Numa posição de equilíbrio: E a equação acima nos dá o resultado de que o manômetro mostrado na figura 8 produz um deslocamento proporcional à pressão aplicada. Este deslocamento por sua vez, é levado a um ponteiro que indica de acordo com a escala do instrumento, o valor da pressão aplicada nele. Estes manômetros são utilizados em faixas de pressão que variam de 5” H2O a 40 psi



135

1.5. MANÔMETROS DE DIAFRAGMA Um diafragma é um elemento flexível de área conhecida que sofre uma deformação – de acordo com a Lei de Hooke – ao aplicarmos uma pressão sobre ele. O movimento do diafragma, ocorrido ao aplicarmos uma pressão contra ele, é transmitido a um eixo ligado ao seu centro. O deslocamento deste eixo – que é o deslocamento do diafragma – é utilizado direta ou indiretamente para a indicação da pressão medida. O span destes instrumentos podem estar entre 0,5 e 120” H2O para o diafragma simples. Uma outra disposição do diafragma é o tipo cápsula de diafragma – figura 09 - que utiliza um ou mais pares de diafragmas com as bordas soldadas entre si. Para este elemento tipo cápsula de diafragma o span chega a variar entre 20” H2O a 400 psig. Um tipo extremamente comum de instrumento que utiliza este princípio de funcionamento é o manômetro de escala vertical, mostrado na figura 9.

1.6. STRAIN GAUGE O princípio básico de seu funcionamento é o de variação da resistência de um condutor ao variarmos o seu comprimento.



136

Consiste de um fio fino semicondutor, que é cimentado na parede de um material elástico. O diâmetro deste fio é da ordem de menos de 20µm. A figura abaixo mostra uma forma típica de montagem da tira extensiométrica. Estas tiras possuem uma resistência básica R - que tipicamente é padronizada em 120, 350 ou 1000 ohms - que é alterada quando submetemo-la à ação de uma tensão mecânica – ou uma pressão. A variação relativa de resistência ∆R/R, é proporcional à variação relativa do comprimento å = ∆L/L. Portanto:

O fator de proporcionalidade k depende do material em questão. Para o Constantan que tem boa sensibilidade e linearidade, por exemplo, o fator k = 2. A distensão normal de elementos extensiométricos produz, geralmente variações relativas de resistência da ordem de 10-3. No entanto, este valor pode ser alterado caso o fio seja feito de semicondutores. O que nos faz ganhar por um lado, no entanto, nos faz perder em linearidade e depender das variações de temperatura – característica dos semicondutores. Na prática, é muito usado mais de um strain gauge num instrumento. Esse número varia entre 2, 4 ,8 ou mais elementos - só em casos específicos - por célula de medição. Uma aproximação simples com duas tiras nos leva a uma análise simplificada, porém bastante eficaz de seu funcionamento.

Entre as inúmeras aplicações de Strain Gauge, encontra-se a medição de massa e peso de recipientes estacionários, medição do peso de veículos, cargas de veículos e recipientes para transporte, assim como medição de quantidade em silos de armazenamento de grãos e de deformações de partes mecânicas de máquinas. Em algumas destas aplicações, os strain gauges



137

são colocados em células chamadas células de medição dinamométricas ou células de carga. Alguns tipos podemos ver na figura 11.

Os circuitos utilizados na recepção e tratamento do sinal de um strain gauge são muito variados e dependem da concepção de cada fabricante. No entanto a maioria se utiliza de uma ponte de Wheatstone para receber o sinal para então passá-lo por um circuito amplificador e assim dar o tratamento necessário – analógico ou digital – para a obtenção do sinal de saída característico do instrumento como um todo. Um exemplo de circuito típico é mostrado na figura 12

1.7. CÉLULA CAPACITIVA Enquanto, o strain gauge baseia-se na conhecida equação colocada no princípio de sua descrição, a célula capacitiva baseia-se numa outra conhecida equação:



138

A figura 13 nos sugere o seu princípio de funcionamento. A célula capacitiva é formada por um corpo de metal onde se encontram duas placas fixas em forma de cuia e uma placa flexível, no centro. Temos portanto a formação de dois capacitores com a placa central sendo pertencente aos dois. Ao aplicarmos pressão entre os dois diafragmas de entrada da célula esta é transmitida às duas câmaras centrais produzindo uma deflexão na placa central. Desta forma, a placa central se afasta de uma das placas e se aproxima da outra, fazendo com que um dos capacitores aumente seu valor de capacitância e o outro diminua. Em termos de seu aspecto construtivo, o material do dielétrico - fluido de preenchimento - que separa os capacitores varia com a pressão que se quer medir, mas geralmente é feito de óleo silicone. A máxima deflexão sofrida pela placa central é de geralmente, no máximo, 0,1mm. Uma pequena tabela apresenta algumas variações do material do diafragma e do seu fluido de enchimento.



139

Com relação à sua linearidade, a célula capacitiva nada tem a desejar em

relação a outros medidores de pressão. Podemos ver através do seguinte desenvolvimento: De acordo com a figura anterior:

Vemos portanto, que as variações relativas de capacitância são proporcionais à variação do deslocamento da placa intermediária e como este deslocamento é linear com a pressão – Por que? – fechamos a linearidade da capacitância de saída com a pressão de entrada. 1.8. TRANSMISSORES DE PRESSÃO 1.8.1. INTRODUÇÃO Estes são sem dúvida, hoje, os instrumentos mais utilizados como elementos secundários em qualquer processo industrial que envolva medições não só de pressão, mas também de nível, vazão e até temperatura. Mas o que é um elemento secundário? Fica mais fácil ao leitor se reportarmos ao fato de que um elemento primário é necessariamente um transdutor, e portanto transforma um tipo de sinal em outro a fim de ser processado. Ora, um elemento secundário, portanto, é aquele que capta o sinal do elemento primário, o



140

processa e o leva àquele elemento que irá efetivamente fazer o controle. O elemento secundário tem, desta forma a função de transmitir o sinal da variável medida, de uma forma padronizada e geralmente através de sinais elétricos ou pneumáticos, para um controlador e/ou registradores, indicadores, etc. Os transmissores de pressão são, assim, elementos secundários que recebem sinal de algum sensor de pressão, inclusive os vistos até aqui. Há alguns anos – isto para não dizer muitos anos – os transmissores eram todos pneumáticos ou seja recebiam o sinal de pressão de entrada de 0 a 100% e transmitiam um sinal de saída que era – e ainda o é – padronizado em 3 a 15 psi. Hoje, os transmissores eletrônicos dominam o mercado. A diferença é óbvia em termos de recursos de processamento do sinal da variável de processo bem como de transmissão do seu sinal de saída que pode ser o famoso também padronizado 4 a 20 mA, ou sinal digital (Fieldbus). 1.8.2. ASPECTO CONSTRUTIVO O aspecto construtivo de um transmissor de pressão, independente do fabricante, pode ser bem encaixado no seguinte diagrama de blocos

De uma forma real, os componente vistos no diagrama de blocos acima podem ser visualizados nas figuras abaixo que mostram um transmissor como um todo e de suas partes internas em vista explodida: Em relação ao seu aspecto construtivo, um transmissor de pressão diferencial variará em relação a um transmissor de pressão absoluta somente pela tomada de pressão, devido às características do sensor que se encontra internamente, como pôde ser acompanhado na figura anterior. 1.8.3. INSTALAÇÃO Geralmente os transmissores já vêm de seu fabricante com placas de montagem adequadas à sua instalação. Mesmo assim algumas recomendações são importantes no que tangem à correta posição de medição de alguns fluidos. As figuras e a tabela a seguir deixam isto bem claro.



141

1.8.4. CONEXÃO ELÉTRICA Em relação à transmissão de seu sinal, um transmissor pode fazê-la de duas formas: a) Transmissão a Dois Fios Neste tipo de ligação, pelo mesmo par de cabos que onde é levada a alimentação ao transmissor – vale lembrar que este par de cabos pode estar trazendo a alimentação de uma longa distância – circula a corrente de 4 a 20 mA proporcional ao sinal de pressão nele aplicado. O transmissor funciona, basicamente, como se fosse uma impedância variável em função da pressão aplicada. A alimentação deste tipo de transmissor é geralmente 24Vdc, mas pode na prática variar de 10 a 32 Vdc, mantendo estável a corrente de saída. A figura 18 mostra a alimentação e a transmissão de sinal de apenas um transmissor, alimentado pelo próprio controlador, que recebe sua corrente de 4 a 20mA. Já a figura 19, mostra vários transmissores conectados a uma única fonte de painel. Mostra também como é feita cada transmissão do sinal em corrente desde o transmissor, passando pelo controlador, até retornar para a fonte .



142

Os transmissores, quando possuem o algoritmo PID incorporado internamente, podem funcionar com ambivalência dentro de uma malha de controle, exercendo as funções tanto de transmissor quanto de controlador. Neste caso, todos os ajustes das variáveis internas de um controlador, como ganho, tempo de integral, tempo de derivada, Bias, Ação Auto-manual, Set-point Local ou remoto bem como o valor do set-point, são ajustados remotamente via programador, através do protocolo HART, ou localmente, no próprio transmissor. Quando isto acontece, a ligação do transmissor na malha de controle de ser de rtal forma que sua corrente de saída (MV) atue diretamente na válvula ou no elemento final de controle do processo, como mostrado na figura abaixo:

b) Transmissão a Quatro Fios Neste configuração, o transmissor não é alimentado com o mesmo par de cabos por onde circula a corrente de 4 a 20 mA. Um par de cabos é responsável apenas por levar a alimentação da fonte até o transmissor e o outro par é responsável apenas pela circulação da corrente de 4 a 20 mA. Neste caso, a alimentação do transmissor não necessariamente deve ser de 24 Vdc, podendo ter outros valores quaisquer, desde que estejam dentro das tensões industrialmente distribuídas para áreas de produção. 1.8.5. FUNÇÕES INTERNAS DOS TRANSMISSORES Os transmissores eletrônicos, cujo processamento interno é analógico limitam-se a Ter apenas as suas funções básicas, que são: a) Ajuste de Zero: Corresponde ao ajuste do valor de pressão da entrada capaz de produzir uma corrente de 4mA na saída. É dividido em um ajuste grosso e um ajuste fino; b) Ajuste de Span: Corresponde ao ajuste do valor de pressão da entrada capaz de produzir uma amplitude de faixa de 16mA na saída. Em termos gerais e práticos, no local do ajuste de span é que fazemos com que a saída do transmissor fique em 20mA quando a pressão máxima da faixa medida for aplicada à sua entrada. É dividido em um ajuste grosso e um ajuste fino.



143

c) Supressão de Zero: Corresponde a uma mudança feita internamente no transmissor a fim de deslocar o valor do zero de pressão de sua entrada para um valor negativo de pressão relativa. d) Elevação de Zero: Corresponde a uma mudança interna feita no transmissor a fim de deslocar o valor do zero de pressão de sua entrada para um valor positivo de pressão relativa. e) Damper ou Filtro: Consiste de um ajuste da constante de tempo de resposta do transmissor para sua variação na saída, em relação a uma variação na entrada. Devemos ressaltar que os tópicos c e d serão novamente abordados na ocasião oportuna quando falarmos sobre medição de nível. Em relação ao item e, é conveniente ressaltar que um pequeno valor de constante de tempo de filtro é conveniente para o transmissor a fim de amenizar ruídos e surtos indesejáveis em sua entrada, não repassando-os completamente para a sua saída. No entanto, cabe-nos o bom senso de admitirmos que o filtro é uma máscara para a variável de processo, pois o sinal de saída do transmissor não mais responderá fielmente às variações da variável medida. Os transmissores digitais entretanto, por sua enorme flexibilidade em termos de processamento e o sem número de informações plausíveis de serem armazenadas/processadas, possuem outras inúmeras funções dentre as quais podemos citar: a) Identificação do transmissor e dados de especificação; b) Mudança remota da calibração sem usar fonte de pressão de referência; c) Funções de Transferência para Vazão (raiz quadrada, raiz quadrada do cubo, etc); d) Função de Linearização de curva de entrada de acordo com pontos específicos configurados; e) Ajuste de corrente constante de 3,9 a 21mA para teste da malha; f) Monitoração de todas as variáveis do transmissor: PV, SP, PV%, SP%, MV%, saída, erro, temperatura do sensor, totalização, etc; g) Inclusão de algoritmo de controle PID interno. Não é encontrado em todos os fabricantes, mas somente em alguns modelos; h) Diagnóstico e determinação de falhas no processo ou no programador; O item b nos leva a comentar sobre um protocolo de comunicação remota chamado protocolo HART (Highway Adressable Remote Transducer). Este é um protocolo digital de comunicação que é modulado por sobre o sinal de transmissão analógico de 4 a 20mA. A taxa de transmissão deste protocolo é de 1,2 kbps e usando-o, um instrumento pode ser acessado remotamente de qualquer parte do par de cabos de sinal para ser consultado, reprogramado ou reparado. Este acesso remoto ao transmissor é mostrado nas figuras 18 e 19 acima. Existe uma fundação mundial que é a HART Foundation, responsável pela certificação de conformidade ou não dos instrumentos de mercado nesta forma de comunicação. Os instrumentos utilizados para acesso remoto a transmissores e outros instrumentos que fazem o uso do protocolo



144

HART são geralmente chamados programadores ou Hand-Helds. Também alguns fabricantes elaboraram softwares e hardwares para uso em PC a fim de fazerem acesso a instrumentos através do HART. Um exemplo disto é mostrado na figura 21.

Uma outra importante característica dos transmissores digitais reside no fato de sua alta rangeabilidade. A rangeabilidade, anteriormente citada, é a razão entre os valores máximo e mínimo de alcance da faixa de um instrumento. No caso de um transmissor analógico, por exemplo, a rangeabilidade não passava de 10:1, ou seja: se o máximo alcance de faixa do transmissor era 5000 mmH2O então o valor da faixa deste era necessariamente maior que ou igual a 500 mmH2O. Nos transmissores digitais é feito um tabelamento de toda a faixa útil do sensor e uma prévia linearização deste, antes mesmo do seu processamento. Desta forma consegue-se aproveitar melhor a unidade sensora aumentando-se assim a rangeabilidade do instrumento, que chega a 60:1. Só para fazermos uma comparação, para a mesma faixa máxima do instrumento usado no exemplo anterior, o alcance mínimo seria de 83 mmH2O. 1.8.6. FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DOS TRANSMISSORES A faixa de entrada de um transmissor é sempre (ou quase sempre conhecida). A faixa de saída de um transmissor é igualmente conhecida e padronizada: 4 a 20mA. É comum traçarmos uma curva característica da calibração do transmissor ao qual chamamos, erroneamente, na indústria de função de transferência, haja vista esta tem um conceito muito mais abrangente que o ali aplicado. Façamos um exemplo particular de um instrumento para posteriormente generalizarmos.



145

Exemplo: Seja um instrumento com faixa de pressão de entrada de 0 a 2 kgf/cm2 . Pede-se a função de transferência e sua curva.

Resolução: A função de transferência será a equação da reta acima. Logo:

Esta última equação nos fornece não só a curva teórica de linearidade do instrumento, como também o valor da corrente para qualquer pressão aplicada e vice-versa, o que em muito nos ajuda no trabalho do dia-a-dia com o equipamento em questão. Caso queiramos generalizar esta curva para qualquer transmissor cuja saída é em 4 a 20mA, para uma faixa de pressão genérica.



146

1.7. ACESSÓRIOS ÚTEIS PARA USO EM MEDIÇÃO DE PRESSÃO 1.7.1. ACESSÓRIOS GERAIS Existem diversas situações que podem criar a necessidade do uso de acessórios em tomadas de impulso para medição de pressão. Para citar apenas algumas delas: a) Pressões sujeitas a oscilações rápidas (descarga de bombas e compressores); b) Fluidos a alta temperatura, que podem danificar o material do elemento de medição; c) Fluidos viscosos que podem entupir as tubulações; d) Fluidos corrosivos, com possibilidade de danificar o elemento de medição; e) Fluidos sanitários (produtos alimentícios e farmacêuticos), que podem alojar-se em concavidades, possibilitando a formação de cultura de bactérias; Também o caso de ruídos eletromagnéticos inconvenientes, pode ser agravante para deteriorar o sinal de processo e, neste caso, um supressor comum de ruídos pode e deve ser utilizado. Tal supressor é mostrado na figura 24 abaixo.



147

Quando o fluido a ter sua pressão medida estiver em alta temperatura, ou particularmente for vapor, é conveniente o uso de um sifão, construído até mesmo com a própria tubulação, permitindo a condensação no percurso desta volta, e impedindo que o fluido tenha contato direto com o instrumento. No caso em que os fluidos forem viscosos, corrosivos ou sanitários, usa-se com bastante critério um tipo de selo. O selo é um artifício utilizado para isolar o instrumento do fluido de medição, permitindo apenas que a pressão deste possa ser medida. O uso de potes de selagem é bastante comum para efetuar este tipo de isolamento. Os potes de selagem são reservatórios colocados entre o processo e o elemento medidor, isolando-os através da diferença de densidade existente entre os líquidos do processo e do selo. A pressão exercida pelo líquido do processo será transmitida ao líquido de enchimento do selo – que é necessariamente mais denso – e este a levará até a célula de medição.



148

Não limitado ao uso somente com líquidos é o selo de diafragma que, como o próprio nome diz e a figura 26 mostra, possui uma cápsula de diafragma separando a conexão ao processo da conexão ao medidor. As partes em contato com o processo, incluindo o diafragma podem ser feitos com materiais bastante resistentes. Inclui-se neste tipo de pote de selagem uma conexão para enchimento com o fluido adequado e um outra conexão para limpeza localizadas no lado do medidor e do processo, respectivamente.

O líquido de enchimento utilizado geralmente é glicerina, silicone ou mercúrio e para altas temperaturas, uma mistura de sódio e potássio. No entanto, outras tecnologias mais novas vão fazendo surgir diferentes tipos de fluidos de enchimento que variam para cada fabricante. Veremos uma boa aplicação de potes de selagem, na seção sobre medição de nível. No entanto, a tecnologia que hoje está mais em voga no que tange à selagem de sistemas de medição de pressão - ou nível ou vazão - é a dos selos remotos. Um Sistema de Selo de Diafragma Remoto consiste em um sistema de medição, mais um selo de diafragma remoto, um fluido de preenchimento e um conduíte ou capilar, caso este seja necessário. Durante a operação no processo, o sistema de preenchimento formado pelo conduíte mais o fluido isolam o sistema de medição do fluido de processo. Os sistemas de selagem remotos são influenciados pela temperatura, mas estes não afetam criticamente o resultado final da medida realizada. Os materiais mais comuns de que são feitos os diafragmas são Aço Inox 316 SST, Hastelloy C-276 e Tântalo. Já os fluidos de preenchimento destes diafragmas variam com as temperaturas de trabalho, estando no entanto, enquadrados na tabela a seguir:



149

Os capilares ou conduítes são em sua maioria feitos de 3 camadas: uma contendo uma armação tubular de aço carbono 316 SST, outra contendo uma cobertura em PVC, uma terceira contendo outra cobertura metálica espiralada feita de aço 316 e por fim - opcionalmente – pode haver uma capa metálica ainda mais resistente por fora. A figura a seguir detalha melhor estes capilares:

Os flanges que suportam os diafragmas, podem ser de vários formatos dependendo do tipo de medição, do tipo de fluido, da temperatura do processo e principalmente da faixa de pressão a ser medida. Existem várias configurações possíveis para um sistema de selo de diafragma remoto. Várias ou as mais comuns são apresentadas no anexo 3. 1.7.2. VÁLVULAS MANIFOLD As válvulas manifolds, também chamadas válvulas equalizadoras, são elementos instalados nas tomadas de impulso de medidores de pressão diferencial a fim de promover segurança ao instrumento, ao operador e ao processo, numa situação de manutenção ou reposição.

É constituído por um bloco contendo 3 ou 5 válvulas, com finalidades específicas e correspondentes ao seu posicionamento dentro das tomadas de



150

impulso. As figura 28, 29 e 30 mostram a disposição de cada válvula constante deste bloco – para manifolds com 3 e 5 válvulas – nas tomadas de impulso. Atualmente temos encontrado disponível em alguns fabricantes, os manifolds integrais, que são válvulas manifold, diretamente acopladas ao transmissor ocasionando por conseqüência uma redução na engenharia do produto e do processo e dos custos inerentes à instalação de uma válvula separada.

Ensaiemos por exemplo a substituição de um transmissor de pressão diferencial e enunciemos os passos a serem realizados: 1) Abre-se a válvula equalizadora a fim de zerar a diferença de pressão entre as duas câmaras do medidor; 2) Fecha-se as duas válvulas isoladoras a fim de desconectar o medidor do processo; 3) Abre-se as válvulas de dreno, se houver, a fim de escoar o resíduo de fluido de processo retidos na parte isolada da tomada de impulso – entre medidor e manifold - e esvaziar a câmara de medição do instrumento; 4) Retira-se o instrumento; 5) Coloca-se o novo instrumento; 6) Fecha-se as linhas de dreno; 7) Abre-se as válvulas isoladoras permitindo que o fluido de processo entre em contato com a câmara de medição; 8) Fecha-se a válvula equalizadora a fim de retomar a pressão diferencial entre as tomada de impulso disponibilizando-a ao medidor.



151

Podemos também através do passo 1 identificar uma outra função da válvula manifold que é a de zerar a pressão diferencial no medidor, quando da abertura da válvula equalizadora, permitindo assim um rápido ajuste de zero no mesmo. Na ocasião da Medição de Vazão iremos falar com mais propriedade das placas de orifício. No entanto, já que vimos os manifolds integrais é adequado dizermos que também a placa de orifício pode vir integrada a um transmissor e neste caso, chamamos o conjunto de transmissor com orifício integral. Sua montagem típica é como mostrada na figura 31 abaixo:

1.8. ALGUMAS INSTALAÇÕES TÍPICAS DE TRANSMISSORES DE PRESSÃO A boa qualidade da medição de pressão não passa somente pela escolha de um instrumento caro vindo de um fabricante idôneo, mas também por uma programação adequada para o que se deseja medir e em que condições esta medição é feita. No entanto, um outro fator de importantíssima influência na qualidade final da medição de pressão é a forma com que o medidor foi instalado. Como os transmissores são o meio mais utilizado para este tipo de medição, indicamos como referência aos interessados a bibliografia [2].



152



153



154



155



156



157



158



159

ASPECTOS SOBRE CALIBRAÇÃO Cada vez mais é exigido para a garantia da qualidade dos produtos de uma empresa os diplomas de certificação na série de normas ISO 9000. Esta é a garantia de qualidade que uma empresa pode oferecer de seus produtos. No que tange especificamente à área de medição – de quaisquer grandezas - existe um organismo regulador nacional que dá a sua certificação a respeito da qualidade de uma sistema de calibração e ensaios de uma empresa. Este organismo nacional é o INMETRO e a série de normas a ser seguidas é a ISSO/IEC GUIA 25. Esta série de normas estabelece os requisitos necessários para que um sistema de calibração ou ensaios esteja internacionalmente capacitado a executar seus serviços para qualquer lugar do mundo. O detalhamento de todos os requisitos necessários para a certificação, bem como dos procedimentos adequados à efetivação de uma calibração em um instrumento qualquer de medição, é extremamente relevante no nosso meio, mas foge do escopo desta apostila. Recomendamos aos mais astutos que busquem pela literatura indicada na bibliografia [5] Devido à grande importância assumida principalmente pela qualidade dos instrumentos a serem utilizados na calibração de instrumentos - particularmente nos de pressão - mostramos abaixo dois calibradores de pressão e sua tabela de dados técnicos como

referência ao leitor:



160



161

10 EXERCÍCIOS



162

11 PRÁTICAS

Guia de Práticas do Curso de Especialização em Instrumentação e Controle de Processos

Disciplina: Técnicas de Medição Elab.: Sandro Cavalieri Alves

PRÁTICA 1 – AJUSTE DE TRANSMISSOR ANALÓGICO FUJI EM BANCADA

Objetivo: Esta prática visa familiarizar o aluno com o funcionamento e procedimentos de ajuste do transmissor analógico FUJI em Bancada. Material Utilizado: • 1 Transmissor Analógico FUJI – Saída 4 a 20 mA; • 1 Chave de Fenda; • 1 Chave Philips; • 1 Fonte de Pressão; • 1 Manômetro Digital; • 1 Conjunto de Mangueiras de borracha e conexões pneumáticas; • 1 Fonte de 24 Vcc; • 1 Multímetro Digital; • Fios. Esquema de Montagem: Será usado o esquema de ligações pneumáticas e elétricas abaixo para a execução do ajuste do Transmissor.

Fig.1 - Montagem para ajuste de transmissores analógicos em bancada

Manômetro Digital

Fonte de Pressão

Fonte 24Vcc

A Transmissor de Pressão

+ + - + - -

Input Saída



163

Procedimento: 1. Assegurar que a alimentação de pressão da bancada está fechada, para

isso verifique as duas Válvulas reguladoras de Pressão ( Válvula 1 e Válvula 2) estão fechadas, para fechar gire em sentido anti-horário.

2. Selecione a escala de 200 mA do Multímetro. 3. Também verifique se a fonte de alimentação está regulada em 24Vcc, antes

de conectar o transmissor. (Observe, que existe uma tecla para seleção de tensão, pressione-a, e depois de ajustado a tenção e realizada a montagem da Fig.1, pressione a tecla OUT, para ativar a saída da Fonte.

4. Retire as duas tampas do transmissor, em uma delas está os bornes de conexão elétrica e terminal para conexão de amperímetro, e na outra, existem 2 borneiras de ajuste grosso de zero e span, 1 chave de ajuste de damping, 1 potenciômetro de ajuste fino de span e 1 potenciômetro de ajuste fino de damping. (No parafuso externo do transmissor é possível o ajuste fino do zero).

5. Realizar as conexões elétricas e pneumáticas, representadas no esquema da Fig. 1 e ligar a fonte o Multímetro (Tecla OUT) e o manômetro digital;

6. Aplicar pressão zero no transmissor (abra a conexão de pressão para atmosfera e aguardar 3 minutos), e verifique se a corrente medida é diferente de 4mA, se sim, ajustar o zero fino do transmissor girando seu parafuso externo de ajuste de zero.

7. Conectar a entrada de pressão e aplicar uma pressão de 2000 mmH2O no transmissor, para isso abra primeiro a Válvula 1, depois abra a Válvula 2 devagar, e observe no Manômetro Digital a indicação de pressão, verifique se a corrente de saída é 20mA, se não, atue no parafuso de ajuste fino de SPAN do transmissor para se conseguir o valor de 20mA. Caso esse valor não chegue a 20mA mude a escala de trabalho do transmissor.

8. Repetir os procedimentos 6 e 7, até que não haja, qualquer disparidade nas faixas de entrada e saída do transmissor.

9. Preencher a tabela abaixo com os valores de corrente aplicando cinco pontos de pressão. Traçar uma curva que represente a relação entrada-saída do transmissor.

Tabela de Medidas Pressão (mmH2O) Corrente (mA) 0 500 1000 1500 2000

10. Levantar a equação do transmissor com os dados da tabela acima e de

acordo com a curva encontrada. 11. Faça um novo ajuste do transmissor para uma pressão de –100 à 1800

mmH2O.



164

Exercícios 1. Enumere e discuta as funções encontradas por você no transmissor

análogico.



165

Guia de Práticas do Curso de Especialização em Instrumentação e Controle de Processos Disciplina: Técnicas de Medição Elab.: Eduardo Guimarães Alves PRÁTICA 2 – AJUSTE DE TRANSMISSOR DIGITAL SMAR E VERIFICAÇÃO DA ÁRVORE DE PROGRAMAÇÃO Essa prática visa permitir ao aluno realizar um procedimento simplificado de ajustes de transmissores digitais e um acompanhamento da árvore de programação. Materiais Utilizados: • 1 Transmissor Digital Smar série LD300 – Saída 4 a 20 mA; • 1 Manual de Programação do Transmissor LD300; • 1 Programador do protocolo Hart compatível com LD300; • 1 Resistência 250Ω; • 1 Chave de Fenda; • 1 Fonte de Pressão; • 1 Manômetro Digital; • 1 Conjunto de Mangueiras de borracha e conexões pneumáticas; • 1 Fonte de 24 Vcc – Fonte 1; • 1 Fonte de 9 Vcc (Para Alimentação do Programador) – Fonte 2; • 1 Multímetro Digital; • Fios.

Esquema de Montagem

Será usado o esquema de ligações pneumáticas e elétricas abaixo para a execução do ajuste do Transmissor.

Manômetro Digital

Fonte de Pressão

Fonte 24Vcc

A Transmissor de Pressão

H L

+ + - + - -

Input Saída

250Ω



166

Fig. 1 – Esquema de Montagem de ajuste de Transmissores Analógicos em bancada.

Procedimento:

12. Assegurar que a alimentação de pressão da bancada está fechada, para

isso verifique as duas Válvulas reguladoras de Pressão ( Válvula 1 e Válvula 2) estão fechadas, para fechar gire em sentido anti-horário.

13. Selecione a escala de 200 mA do Multímetro. 14. Também verifique se a Fonte 1 de alimentação do Transmissor está

regulada em 24Vcc, antes de conectar o transmissor. (Observe, que existe uma tecla para seleção de tensão, pressione-a, e depois de ajustado a tenção e realizada a montagem da Fig.1, pressione a tecla OUT, para ativar a saída da Fonte.

15. Também verifique se a Fonte 2 de alimentação do Programador está regulada em 9Vcc, antes de conectar o Programador. (Observe, que existe uma tecla para seleção de tensão, pressione-a, e depois de ajustado a tenção e realizada a montagem da Fig.1, pressione a tecla OUT, para ativar a saída da Fonte.

16. Retire a tampa maior do transmissor, nela está os bornes de conexão elétrica e o conector para ligar o programador.

17. Realizar as conexões elétricas e pneumáticas, representadas no esquema da Fig. 1 e ligar a fonte o Multímetro (Tecla OUT) e o manômetro digital;

18. Seguir e identificar cada item da árvore de programação do Transmissor contida no manual, antes de realizar qualquer ajuste.

19. Realize um ajuste sem referência para uma faixa de pressão de 0 à 500 mmH2O e preencher a Tabela de Medidas abaixo com os valores de corrente sem Referência aplicando osb n cinco pontos de pressão. Traçar uma curva que represente a relação entrada-saída do transmissor.

20. Faça um novo ajuste no transmissor com a mesma faixa de pressão usando o ajuste com referencia.

21. Aplicar pressão zero no transmissor (abra o lado de alta H para a atmosfera), e verifique se a corrente medida é diferente de 4mA, se sim, ajustar o Valor Inferior (Zero) do transmissor de acordo com o menu “cal” utilizando o ajuste com referência.

22. Conectar o lado de alta H e aplicar uma pressão de 500 mmH2O no transmissor, para isso abra primeiro a Válvula 1, depois abra a Válvula 2 devagar, e observe no Manômetro Digital a indicação de pressão, verifique se a corrente de saída é 20mA, se não, ajustar o Valor Superior (SPAN) do transmissor de acordo com o menu “cal” utilizando o ajuste com referência.

23. Preencher a tabela abaixo com os valores de corrente com Referência aplicando os cinco pontos de pressão. Traçar uma curva que represente a relação entrada-saída do transmissor.

Tabela de Medidas

Pressão (mmH2O) Corrente (mA) Sem Referência

Corrente (mA) Com Referência

0



167

125 250 375 500

24. Levantar a equação do transmissor com os dados da tabela acima e de

acordo com a curva encontrada tanto para Corrente sem Referência como para com Referência.

25. Faça um novo ajuste do transmissor para uma pressão de –200 à 300 mmH2O.

Exercícios 2. Enumere e discuta as funções encontradas por você no transmissor

análogico.



168

Guia de Práticas do Curso de Especialização em Instrumentação e Controle de Processos

Disciplina: Técnicas de Medição Elab.: Sandro Cavalieri Alves

PRÁTICA 3– CALIBRAÇÃO DE MANÔMETRO ANALÓGICO EM BANCADA

Objetivo: Esta prática visa familiarizar o aluno com o funcionamento e procedimentos de calibração de manômetro analógico em Bancada. Material Utilizado: • 1 calibrador manual com manômetro padrão; • 1 Manômetro analógico à ser calibrado; • 1 Chave de fenda; Esquema de Montagem: Será usado o esquema de ligações pneumáticas abaixo para a execução da calibração do manômetro analógico.

Fig.1 - Montagem para calibração de Manômetro em bancada Procedimento: 26. Com a tampa da câmara de óleo aberta fazer a conexão de pressão do

manômetro que se deseja calibrar conforme fig.1 acima. 27. Fechar a câmara de óleo; 28. Girar a manivela de pressão no sentido horário e observar o aumento de

pressão nos manômetros. 29. Ajustar a pressão zero para o manômetro padrão e verificar se o

manômetro que se deseja calibrar esta em zero. 30. Em caso negativo ajustar o zero do manômetro. 31. Aumentar a pressão até o final da faixa do manômetro padrão e repetir o

procedimento anterior para o manômetro em calibração. 32. Retornar a manivela até que a pressão seja zero e abrir a câmara de óleo.

Manômetro Analóg.

Fonte de Pressão

Manômetro Analóg. Padrão



169

12 BIBLIOGRAFIA [1] Delmée, Gérard Jean, 1983, Manual de Medição de Vazão, São Paulo: Edgard Blücher, 1982. [2] Comprehensive Product Catalog, Rosemount Measurement, Janeiro de 1997, USA. [3] Kempenich, Geraldo, Curso de Instrumentação para Engenheiros e Técnicos, 1ª, 2ª e 3ª partes, São Paulo: Siemens S.A, 1975. [4] Smar, Catálogo LD 301, Sertãozinho - SP, 1997. [5] ISO/IEC GUIA 25, INMETRO, Rio de Janeiro,1998. [6] Website da Druck Measurements em www.druck.com [7] Website da McDaniels Controls em www.mcdanielscontrols.com [8] Website do Measurement Group em http://www.measurementgroup.com/ [9] Website em www.davidson.com.au [10] Website em www.armaturenbau.com [11] Website da SMAR em www.smar.com [12] Website da Rosemount INC. em www.rosemount.com


MEDIÇÃO DE VAZÃO



171

1 - MEDIÇÃO DE VAZÃO A medição de vazão inclue no seu sentido mais amplo, a determinação

da quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um determinado local na unidade de tempo; podem também ser incluído o instrumento que indicam a quantidade total movimentada, num intervalo de tempo.

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 (metros cúbicos normais por hora, ou seja, a temperatura. de 0 °C e a pressão atmosférica) ou em SCFM (pés cúbicos standard por minuto - temperatura. 60 °F e 14,696 PSIa de pressão atmosférica). Vale dizer que:

2 - TIPOS DE MEDIDORES DE VAZÃO Existem dois tipos de medidores de vazão, os medidores de quantidade e os medidores volumétricos. 2.1 - MEDIDORES DE QUANTIDADE São aqueles que, a qualquer instante permitem saber que quantidade de fluxo passou mas não vazão do fluxo que está passando. Exemplo: bombas de gasolina, hidrômetros, balanças industriais, etc. 2.1.1 - Medidores de Quantidade por Pesagem São utilizados para medição de sólidos, que são as balanças industriais. 2.1.2 - Medidores de Quantidade Volumétrica São aqueles que o fluído, passando em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação. São estes medidores que são utilizados para serem os elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros. Exemplo: disco mutante, tipo pistão rotativo oscilante, tipo pistão alternativa, tipo pás, tipo engrenagem, etc.



172

2.2 - MEDIDORES VOLUMÉTRICOS São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo. 2.2.1 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 fluído passa através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluído 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.



173

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

A tabela à seguir mostra as características dos vários elementos deprimogênios usados:



174



175



176

2.2.1.1 CONCEITOS BÁSICOS Equação da continuidade Supondo, um fluxo em regime permanente na tubulação abaixo, não podemos acumular massa no volume compreendido entre as seções 1 e 2, pois neste caso pelo menos a massa específica variaria, deixando ser regime permanente.



177

Se o fluído for incompressível, temos:

Equação de Bernoulli Supondo um fluído perfeito (ideal), que não possue viscosidade, ele desloca-se sem atritos e portanto sem perdas de energia.



178



179

A equação anterior é puramente teórica, principalmente pelo fato de considerar que, nas seções 1 e 2, as velocidades são uniformemente distribuídas e respectivamente iguais a V1 e V2. Esta equação pode ser transformada adequadamente para uso prático, se incluirmos um coeficiente de correção que leve em consideração todos elementos de um escoamento real. Este coeficiente, chama-se coeficiente de descarga C:

Os valores de C, são resultados experimentais e para cada tipo de elemento deprimogênio e sistema de tomada de impulso, C varia em função do diâmetro (D) da tubulação, do N° de Reynolds (Rd) e da relação dos diâmetros referentes a seção S1 e S2 (=ϖS2/S1).

Malha para medição de vazão - Na indústria, o método mais utilizado para medir vazão pelo princípio da pressão diferencial variável é da placa de orifício.



180

Podemos representar esquematicamente esta malha de medição, através do fluxograma mostrado abaixo:

Da equação alcançada no item anterior pode-se concluir que a vazão só irá

variar em função de pois

são constantes. Portanto podemos simplificar a expressão, assim:

onde: K = Constante que depende de fatores como: Relação entre orifício e tubulação . Características do fluído É importante observar, que o .P varia quadraticamente em função da vazão Q.



181

Supondo o fluxograma abaixo, sabe-se que esta malha possui como

características: Vazão máxima de 10 m3/H e o .P produzido com esta vazão é de 2500 mmH2O.



182

Como saber a pressão de saída do transmissor ( FT ), quando a vazão for 8 m3/H ?

Outro método de trabalho, baseia-se no cálculo em porcentagem adotando-se K = 10. Então: 8 m3/H equivale a 80% da vazão

O sinal de saída de um transmissor de vazão por pressão diferencial variável, varia linearmente em função do .P é 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 abaixo.



183

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, então:



184

Supondo que na entrada do extrator a pressão seja 10,68 PSI,qual a pressão em sua saída? EFY = 10,68PSI

2.2.1.2 PLACA DE ORIFÍCIO Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais comum empregado é o da placa de orifício. Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação.

É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem, imprecisas ou corroídas pelo fluído, a precisão da medição será comprometida. Costumeiramente são fabricadas com aço inox, monel, latão, etc,dependendo do fluído



185

Tipos de Orifícios A. Orifício concêntrico Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão. B. Orifíco excêntrico Utilizada quando tivermos fluído com sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo. C. Orifício segmental Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de círculo. É destinada para uso em fluídos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão. Tipos de Bordo A. Bordo Quadrado (Aresta viva): Usado em tubulações normalmente maiores que 6". Não usada em fluxo com baixos N° de RD. B. Bordo Arredondado (Quadrante edge ou quarto de círculo): Usado em fluídos altamente viscosos, onde o N° de RD inferior está em torno de 250.

C. Bordo com entrada cônica: Usado em aplicações, onde o N° de RD inferior é 25 e em condições severas de viscosidade



186



187



188

A. Tomadas em flange: São as mais populares, onde os furos das tomadas já são feitos no próprio flange. B. Tomadas na vena contracta: Utiliza flanges comuns, sendo o centro da tomada de alta pressão entre 1/2 e 2D (em geral 1D) e o centro da tomada de baixa

estará no ponto de pressão mínima conforme figura abaixo, dependendo do

C. Tomadas D e D/2: Usada em tubulações de 2" a 30" com Reynolds entre 8000 e 400000 para

‹ entre 0,15 e 0,75 D. Tomadas em canto: São construídas no próprio flange e seu uso principal é em tubulações menores que 2", tendo como desvantagem a grande possibilidade de entupimento. E. Tomadas de tubulação: Possue o menor diferencial de pressão entre todas tomadas e perdem muita precisão devido a rugosidade do tubo. 2.2.1.3 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. Seu propósito é acelerar o fluído e temporariamente baixar sua pressão estática. A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente, como podemos ver na figura a seguir, 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.



189



190

Em lugar de ser um simples furo, a tomada de impulso, é formada por vários furos espaçados em torno do tubo. Eles são interligados por meio de um anel anular chamado anel piezométrico. Isto é destinado para obter-se a média das pressões em torno do ponto de medição. 2.2.1.4 BOCAL O Bocal de vazão (Flow nozzle) é, em muitos aspectos, um meio termo entre a placa de orifício e o tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde o fluído é abrasivo e corrosivo. O perfil de entrada é projetado de forma a guiar a veia fluída até atingir a seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curva elíptica (projeto ASME) ou pseudoelíptica (projeto ISA).



191

Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade, recomendado p/ tubulações > 50mm.

A. Bocal ISA 1932 Neste tipo de bocal as tomadas de pressão são do tipo em canto (corner taps). Possui as limitações de: 0,32 < β < 0,8 50mm < D < 500mm 2.104 < RD < 107



192

B. Bocal ASME Neste bocal as tomadas são do tipo D e D/2 com as seguintes limitações: 0,2 < β < 0,8 50mm < D < 400mm

104 < RD < 107 2.2.1.5 TUBO PITOT É um dispositivo para medição de vazão através da velocidade detectada em um ponto da tubulação. O tubo de Pitot é um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta colocada na direção da corrente fluida de um duto. A diferença da pressão total e a pressão estática da linha nos dará a pressão dinâmica, a qual é proporcional ao quadrado da velocidade.



193

onde: Pd= Pressão dinâmica = Pressão total - Pressão estática γ = Peso específico do fluído V = Velocidade do fluído no ponto de medição g = Aceleração da gravidade Ao se determinar a velocidade de um fluído em um duto, sabe-se que ao centro deste a velocidade é máxima e para saber a velocidade média é necessário usar um fator "K" o qual é determinado em função do N° de Reynolds e rugosidade da tubulação. Então:

Na prática o fator "K" é descoberto, mantendo-se a vazão constante e medindo-se a velocidade em 10 pontos conforme figura abaixo e em seguida calcula-se a média das 10 velocidades e divide-se pela velocidade máxima encontrando-se o fator "K".

2.2.1.6 Medidor Tipo Annubar O Annubar é um dispositivo de produção de pressão diferencial que ocupa todo o diâmetro do tubo. O annubar é projetado para medir a vazão total de forma diferente dos dispositivos tradicionais de pressão diferencial.



194

A parte de alta pressão do sinal de P é produzido pelo impacto do fluido nos furos do sensor , sendo então separado e fluindo em volta do annubar .

Precisamente localizados os furos sensores na parte fontal sentem a pressão de impacto causada pelo fluido. Após o fluido separar-se em torno do sensor annubar, uma zona de baixa pressão (abaixo da pressão estática no tubo) é criada devido ao formato do sensor. O lado de baixa pressão do sinal de P é sentido pelos furos na jusante do annubar e é medida na câmara da jusante. A diferença de pressão é proporcional à raiz quadrada da vazão assim como os medidores anteriores. Compensação da Pressão e Temperatura Quando se medem gases e vapores a densidade do fluído variará dependendo da pressão e da temperatura. Por isso, é preciso efetuar a correção com compensação para essa variação. A equação para efetuar a correção se escreve na seguinte forma:

onde: Q = vazão K = constante PA = pressão absoluta, bar TA = temperatura absoluta, Kelvin ∆P= pressão diferencial, bar



195

Acima a malha de controle que faz esta correção. 2.2.2 - Medidores de Vazão por Pressão Diferencial 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; como por exemplo deste princípio utilizaremos o rotâmetro. 2.2.2.1 – 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: 1) Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em que passará o fluido que queremos medir. A extremidade maior do tubo cônico ficará voltada para cima. 2) No interior do tubo cônico teremos um flutuador que se moverá verticalmente, em função da vazão medida.



196

- PRINCÍPIO BÁSICO

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



197

- CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO As forças que atuam no flutuador estão representadas na figura a seguir. Para as condições de equilíbrio empregamos as seguintes equações:

O valor de Cd depende da viscosidade do fluido e da aerodinâmica do flutuador . Por conveniência incorporamos o termo

a este coeficiente de descarga , passando a expressão anterior para :



198

Como a vazão é igual a Q = V . Aw, temos:

Como todos os dados dentro da raiz são constantes ( temperatura e viscosidade constantes ) podemos concluir que a vazão varia linearmente com a área de passagem , assim , teremos uma escala de leitura também linear. - Tipos de Flutuadores Os Flutuadores podem ter vários perfis de construção. Na figura a seguir , podemos ver os tipos mais utilizados : 1- Esférico - Para baixas vazões e pouca precisão - sofre uma influência considerável da viscosidade do fluido. 2- Cilindro com Borda Plana - Para vazões médias e elevadas - sofre uma influência média da viscosidade do fluido. 3- Cilindro com Borda Saliente de Face Inclinada para o Fluxo - sofre menor influência da viscosidade do fluido.

4- Cilindro com Borda Saliente contra o Fluxo - sofre a mínima influência da Viscosidade do fluido. - Material do flutuador O material mais empregado nos flutuadores é o aço inox 316, no entanto, na indústria, para satisfazer outras exigências tais como resistência à corrosão, abrasão e outras se utilizam outros tipos de materiais. As tabelas a seguir, mostram os pesos específicos de diversos materiais empregados em flutuadores:



199

- Perda de Carga no Flutuador A perda de carga do rotâmetro é constante em todo o percurso do flutuador. A perda de carga do flutuador pode ser determinada através da seguinte equação:

sendo que : Wf = peso do flutuador vf = volume do flutuador yl = peso específico do líquido Af = área transversal máxima - Fatores de Correção Se variarmos as condições de trabalho de um rotâmetro já calibrado, é necessário aplicarmos fatores para corrigir a vazão lida. Estes fatores são peso específico do flutuador, peso específico do líquido e temperatura do líquido. Podemos achar o fator de correção através da fórmula abaixo:

sendo que : yf2 = peso específico do flutuador 2 yf1 = peso específico do flutuador 1 yl1 = peso específico do líquido 1 ou na temperatura 1 yl2 = peso específico do liquido 2 ou na temperatura 2



200

- Influência da viscosidade Sua magnitude dependerá da forma do flutuador, da viscosidade do fluido e do espaço anular compreendido entre a superfície do flutuador e a parede interna do tubo, sendo este um dos fatores que determinarão o No de Reynolds . Quanto maior o No de Reynolds, menor será a influência devido às variações da viscosidade do fluido. - Instalação 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. 2.3 - MEDIDORES DE VAZÃO EM CANAIS ABERTOS Os dois principais tipos são: o vertedor e a calha de Parshall. 2.3.1 – Vertedor O vertedor mede a altura estática do fluxo em reservatório que verte o fluído de uma abertura de forma variável.



201

2.3.2 - Calha de Parshall O medidor tipo calha de Parshall é um tipo de Venturi aberto que mede a altura estática do fluxo. É um medidor mais vantajoso que o vertedor, porque apresenta menor perda de carga e serve para medir fluídos com sólidos em suspensão.

2.4 - MEDIDORES ESPECIAIS DE VAZÃO Os principais medidores especiais de vazão são: medidores magnéticos de vazão com eletrodos, tipo turbina, tipo Coriólis , Vortex e Ultrasônico 2.4.1 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 fluído tem que ser eletricamente condutivo. Tem ainda como limitação o fato de fluidos com propriedades magnéticas adicionarem um certo erro de medição.



202

- Aplicação O medidor eletromagnético é um elemento primário de vazão volumétrica, independente da densidade e das propriedades reológicas do fluido (newtoniano ou não-newtoniano). Este medidor não possui obstrução, e, 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. Como 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. Princípio de Funcionamento: Lei de Faraday O medidor eletromagnético de vazão é baseado na Lei de Faraday. Esta lei foi descoberta por um cientista inglês chamado FARADAY em 1831, cerca de 165 anos atrás. Segundo esta lei, quando um objeto condutor se move em um campo magnético, uma força eletromotriz é gerada. A relação entre a direção do campo magnético, movimento do fluido e fem induzida, pode facilmente ser determinada pela regra da mão direita de FLEMING. 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 fem estão posicionadas uma em relação à outra de um ângulo de 90 graus. - Relação entre a vazão e a fem De acordo com a Lei de FARADAY, a fem induzida no medidor eletromagnético é expressa pela seguinte equação: E=B.d.V (1) onde: E: fem induzida (V) B: densidade do fluxo magnético (T) d: diâmetro interno do detetor (m) V: velocidade do fluido (m/s) De acordo com a equação 1, levando-se em consideração que a densidade de fluxo magnético B é constante, temos que a fem é proporcional à velocidade.



203

Para a vazão temos a seguinte fórmula: Q=S.V (2) onde: Q: vazão S: área da secção transversal do tubo (m) V: velocidade média do fluido (m/s) Fazendo uso das equações (1) e (2), podemos determinar que a fem induzida é proporcional à vazão.

Substituindo a equação (3) e (4) na equação (2).



204

Na equação 5, se B constante, então Q será proporcional a E, pois pi*d2/4B torna-se constante. Em outras palavras, a fem induzida E, se conhecida, irá representar a vazão Q. - Estrutura do Detetor: 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 fem 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 fem seja curto-circuitada pela parede condutiva do tubo, 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 material de fabricação do tubo do medidor não pode ser de substâncias ferromagnéticas, tais como aço ou níquel, pois as mesmas causam distúrbios no campo eletromagnético, desta forma é geralmente usado para fabricação do detector. Na prática o aço inox é o mais usado. - Influência da condutividade A influência da condutividade nos medidores de vazão deve ser entendida como se específica a seguir. Considera-se o elemento primário como um gerador simples desenvolvendo uma fem e, conectado em série com a resistência interna do fluido Rf. A fem deste gerador é recebida pelo elemento secundário, que tem uma resistência Rs. A resistência Rf do fluido entre os

eletrodos é dada aproximadamente pela seguinte fórmula: onde E é a condutividade do fluido em siemens/ metro (S/m) (=mho/m) e de é o diâmetro dos eletrodos. Desta forma, a relação da tensão de saída à tensão gerada é:



205

Exemplificando: Se a impedância Rs, é de 1 M. o fluido água com condutividade de 0,01 S/m e o diâmetro de eletrodo de 0,01m, temos:

ou seja, 99%. Se a condutividade do fluido fosse aumentada de um fator 10, a relação acima passaria a 99,9%, ou seja: um aumento de 100% na condutividade só provocaria uma mudança inferior a 1% na relação. Todavia, se a condutividade tivesse diminuído 10 vezes, a relação es/e teria passado a 90% ou seja, 10% de variação. Observamos, então, que, a partir de um certo limite de condutividade, que 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.

- Alimentação das bobinas A grande transformação sofrida pelos medidores eletromagnéticos de vazão, nos últimos anos, foi com relação à forma de excitação das bobinas. Os quatro tipos principais de excitação são: corrente contínua, corrente alternada, corrente pulsante e freqüência dupla simultânea.

Vamos fazer uma comparação técnica entre os quatro tipos citados, ressaltando suas vantagens e desvantagens. - Formas de Excitação - Excitação em corrente contínua



206

A excitação em corrente contínua tem a vantagem de permitir uma rápida detecção da variação de velocidade do fluido, e só é aplicada para casos muitos especiais, como por exemplo, metais líquido. Entre as desvantagens deste método, citamos: dificuldade de amplificação do sinal obtido, influência do potencial eletroquímico, fenômeno de eletrólise entre os eletrodos e outros ruídos. - Excitação em corrente alternada A excitação CA tem as vantagens de não ser afetada pelo potencial eletroquímico, ser imune à eletrólise, ainda é de fácil amplificação. Por outro lado, temos as desvantagens de vários ruídos surgirem em função da corrente alternada, que são provocados pela indução eletromagnética, chamado de ruído de quadratura, pela corrente de Foucault que provoca o desvio de zero e pelos ruídos de rede que somam-se ao sinal de vazão, e muitas vezes são difíceis de serem eliminados. - Excitação em corrente contínua pulsada A excitação em CC pulsada ou em onda quadrada, combina as vantagens dos métodos anteriores e não tem as desvantagens. Não é afetada pelo potencial eletroquímico, pois o campo magnético inverte o sentido periodicamente, mas como durante a medição o campo é constante, não teremos problemas com correntes de Foucault nem com indução eletromagnética que são fenômenos que ocorrem somente quando o campo magnético varia. O ruído da rede é eliminado sincronizando o sinal de amostragem com a freqüência da rede e utilizando-se uma freqüência que seja um submúltiplo par da freqüência da rede, e finalmente a amplificação torna-se simples com amplificadores diferenciais. - Excitação com freqüência dupla simultânea A corrente de excitação de dupla freqüência é aplicada ao tubo de medição, o qual gera um sinal de vazão com a mesma forma de onda. Se um sinal de vazão em degrau é aplicada ao tubo de medição, o sinal de vazão é amostrado e filtrado nos seus componentes de baixa e alta freqüência. A seguir essas componentes são somadas reproduzindo o degrau aplicado. Desse modo a componente de alta freqüência responde principalmente às variações rápidas, enquanto que a componente de baixa freqüência responde principalmente às variações lentas. - Aterramento Por razões de segurança do pessoal e para obter uma medição de vazão satisfatória, é muito importante atender todos os requerimentos dos fabricantes quanto ao aterramento. Uma interligação elétrica permanente entre o fluido, o medidor, a tubulação adjacente e um ponto de terra comum é especialmente importante quando a condutividade do líquido é baixa. A forma de efetuar o aterramento depende do tipo de medidor (revestimento interno, etc.). Quando o medidor é instalado entre tubulações nãometálicas ou revestidas internamente, é normal instalar anéis metálicos entre os flanges do medidor e a tubulação. Assim é obtido o contato elétrico com o fluido para posterior aterramento. Estes



207

anéis devem ser de diâmetro interno igual ao medidor e de diâmetro externo menor que a circunferência de furos dos flanges do medidor - Escolha do diâmetro Os medidores magnéticos industriais apresentam um melhor desempenho relativo à precisão, quando a vazão medida corresponde a uma velocidade apreciável. Devem ser levadas em conta considerações relativas ao compromisso entre a decantação/incrustação e abrasão. Tipicamente, eles têm uma precisão de 1% da escala quando a velocidade que corresponde ao fim da escala de vazão, é superior a 1m/s e 2% quando compreendido entre 0,3 e 1m/s (os valores numéricos citados variam dependendo do fabricante). Os fabricantes apresentam ábacos de escolha para seus medidores onde, conhecendo a velocidade ou a vazão máxima a medir, pode ser determinado o diâmetro do medidor magnético para efetuar a medição. 2.4.2 - 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. Á 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. A freqüência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional á velocidade do fluido e a Vazão pode ser determinada pela medição/totalização de pulsos.



208

- 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 de viscosidade , o coeficiente K é aproximadamente constante para freqüências de saída acima de 50 Hz . - Performance Cada turbina sofre uma calibração na fábrica , usando água como fluido . Os dados obtidos são documentados e fornecidos junto com a turbina. Usando estes dados obtêm-se o fator médio de calibração K relativo à faixa de vazão específica.



209

O fator é representado pela seguinte expressão:

OBS.: Relutância: é a dificuldade que um material magnético oferece as linhas magnéticas, o contrário é permeância. 2.4.3 - Medidor por Efeito Coriolis É um instrumento de grande sucesso no momento, pois tem grande aplicabilidade desde indústria alimentícia, farmacêutica, química, papel, petróleo etc. e sua medição, independe das variáveis de processo - densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura, perfil do fluído. Resumidamente, um medidor Coriolis possui dois componentes: tubos de sensores de medição e transmissor. 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 fluído 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.

As forças geradas pelos tubos criam uma certa oposição à passagem do fluido na sua região de entrada (região da bobina1) e em oposição, auxiliam o fluído na região de saída dos tubos. O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as vibrações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura.



210

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 4 à 20 mA, de freqüência (0 à 10 mil Hz) 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.

Podemos encontrar o modelo com tubo reto, neste modelo, um tubo de medição oscila sobre o eixo neutro A-B sendo percorrido por um fluido com velocidade “v”.

Entre os pontos A-C as partículas do fluido são aceleradas de uma baixa para uma alta velocidade rotacional. As massas destas partículas aceleradas geram as forças de Coriólis (Fc) opostas à direção de rotação.Entre os pontos C-B as partículas do fluido são desaceleradas o que leva a força de Coriólis no mesmo sentido da rotação. A força de Coriólis (Fc), a qual atua sobre as duas metades do tubo com direções opostas, é diretamente proporcional á vazão mássica. O método de detecção é o mesmo do sistema anterior.



211

2.4.4 MEDIDOR DE VAZÃO TIPO VORTEX - 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; que se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo, como mostrado na figura abaixo. Este é um fenômeno muito conhecido e demonstrado em todos os livros de mecânica dos fluidos. Os vórtices também podem ser observados em situações freqüentes do nosso dia a dia, como por exemplo: -O 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. - Equações de caracterização: Velocidade do fluxo e a freqüência de vórtices Assumindo que a freqüência de geração dos vórtices provocados por um obstáculo colocado verticalmente no sentido de movimento de um fluido seja “f”, a velocidade do fluido seja “V” e a dimensão do obstáculo perpendicular ao sentido do fluxo seja “d”, a seguinte relação é obtida: f = St . V/d (1) St = número de Strouhal Esta equação pode ser aplicada a um medidor vortex, quando medindo vazão em uma tubulação de processo. Adicionalmente, neste caso a seguinte expressão também é válida: Q = A . V (2) onde, Q = vazão volumétrica A = área da seção da tubulação Mediante uma simples substituição, e consideramos os parâmetros constantes agrupados em único fator, teremos: Q = k . f (3)



212

Número de Strouhal- É a relação entre o intervalo “L” entre cada vórtice e a dimensão “d” do anteparo perpendicular ao sentido do fluxo, ou seja, St = L/d (4) Logo, conforme pode ser verificado nas expressões acima, se o número de Strouhal for constante, a vazão volumétrica do fluido pode ser medida pela contagem do número de vórtices.

Para uma ampla faixa de número de Reynolds que define o regime de escoamento, temos que St é constante, conforme pode ser verificado no gráfico abaixo. Logo, para a imensa maioria das aplicações industriais, que estão situadas na faixa de número de Reynolds entre 2 x 104 e 7 x 106, todas as expressões anteriores são totalmente válidas. Adicionalmente, nesta faixa, a freqüência “f” de geração de vórtices não é afetada por variações na viscosidade, densidade, temperatura ou pressão do fluido.



213

- Método de detecção dos vórtices

As duas maiores questões referentes ao desenvolvimento prático de um medidor de vazão, baseado nos princípios anteriormente mencionados, são: a) A criação de um obstáculo gerador de vórtices (vortex shedder) que possa gerar vórtices regulares e de parâmetros totalmente estabilizados. Isto determinará a precisão do medidor. b) 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 vortex de 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. O corte trapezoidal proporciona excelente linearidade na freqüência de geração dos vótices, além de extrema estabilidade dos parâmetros envolvidos. Sistema sensor - Vários tipos de sensores têm sido propostos, porém nenhum mostrava-se totalmente adequado para resistir às severas condições de trabalho, as quais o medidor seria submetido no processo . A tabela abaixo apresenta a variedade de sensores que estiveram, ou ainda estão, disponíveis no mercado.



214

2.4.5 - 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 - Medidores de tempo de trânsito. Existem medidores ultra-sônicos nos quais os transdutores são presos à superfície externa da tubulação, e outros com os transdutores em contato direto com o fluído. Os transdutores-emissores de ultra-sons consistem em cristais piezoelétricos que são usados como fonte de ultra-som, para enviar sinais acústicos que passam no fluído, antes de atingir os sensores correspondentes. 2.4.5.1 - Medidores de efeito Doppler O efeito Doppler é 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 fluído. Nos medidores baseados neste princípio ( ver figura abaixo ), os transdutores-emissores projetam um feixe contínuo de ultra-som na faixa das centenas de khz. Os ultra-sons refletidos por partículas veiculadas pelo fluído têm sua freqüência alterada proporcionalmente ao componente da velocidade das partículas na direção do feixe. Estes instrumentos são conseqüentemente adequados para medir vazão de fluídos que contêm partículas capazes de refletir ondas acústicas.

2.4.5.2 - Medidores de tempo de trânsito Ao contrário dos instrumentos anteriores, estes instrumentos não são adequados para medir vazão de fluídos que contêm partículas. Para que a medição seja possível, os medidores de tempo de trânsito devem medir vazão



215

de fluídos relativamente limpos. Nestes medidores (ver figura abaixo), um transdutor-emissorreceptor de ultra-sons é fixado à parede externa do tubo, ao longo de duas geratrizes diametralmente opostas. O eixo que reúne os emissores-receptores forma com o eixo da tubulação, um ângulo ⟨. Os transdutores transmitem e recebem alternadamente um trem de ondas ultra-sônicas de duração pequena. O tempo de transmissão é levemente inferior (t1) orientada para a jusante, e levemente superior (t2) quando orientada para a montante. Sendo L a distância entre os sensores, V1 a velocidade média do fluído e V2 a velocidade do som no líquido considerado, temos:

A diferença dos tempos de trânsito t1 e t2 serve como base de medição da velocidade V1. Os dois tipos de medidores são complementares, já que o primeiro opera com líquidos que contêm partículas sólidas ou gasosas e o segundo requer fluídos limpos. Em ambos os tipos de medidores, o perfil de



216

velocidades da veia fluida deve ser compensado. Nos medidores de efeito Doppler, e dependendo das realizações práticas, a influência da densidade de partículas reflexivas poderá introduzir erros suplementares. Quando a quantidade de partículas for muito grande, as partículas próximas dos sensores, que são as mais lentas, serão as que mais contribuem na reflexão das ondas, introduzindo um erro para menos.Nos medidores de tempo de trânsito, a configuração geométrica do percurso do feixe acústico é perfeitamente definida. Será, então, possível corrigir a leitura adequadamente, levando em consideração o perfil padrão em função do número de Reynolds do escoamento.

Os circuitos eletrônicos dos instrumentos são previstos para eliminar os efeitos das turbulências, efetuando continuamente a média das velocidades numa base de tempo relativamente longa. É desaconselhada a aplicação destes instrumentos a produtos que depositam na superfície interna do tubo, formando uma camada absorvente de energia acústica.



217

3 EXERCÍCIOS 1 - Defina o que é vazão. 2 - Para que serve a medição de vazão? 3 - Faça a conversão das unidades de vazão volumétrica: a) 32 m3/h = _______________________GPM b) 69 GPM = _______________________Pé3/h c) 78 l/min = _______________________m3/min d) 57 m3/h = _______________________BPH e) 47 BPD = _______________________Pé3/min f) 4 m3/h = _______________________l/h g) 6 GPM = _______________________l/h 4 - Faça a conversão das unidades de vazão gravimétrica: a) 104 T/dia = ________________________T/h b) 459 Kg/h = ________________________lb/min c) 756 T/h = ________________________Kg/s d) 984 Ib/min = ________________________Kg/h e) 724 Kg/s = ________________________lb/s 5 - O que são medidores de quantidade? 6 - Como se divide os medidores de quantidade ? 7 - Aonde são utilizados os medidores de quantidade? 8 - Cite 3 exemplos de medidores de quantidade volumétricos. 9 - O que são os medidores volumétricos? 10 - Como é composto um medidor por pressão diferencial variável? 11 - Cite 3 exemplos de elementos primários de medição de vazão por pressão diferencial. 12 - Defina a placa de orifício. 13 - Defina o tubo venturi. 14 - Defina o bocal. 15 - Defina o tubo Pitot. 16 - Calcule o .P no instante em que a vazão é igual a 120 m3/h. Dados: Q max = 150 m3/h .Pmax = 2.000 mmHg 17 - Calcule a vazão em m3/h quando o ∆P = 36%. Dados: Dados: Q max = 500 1/h .Pmax = 2.360 mmCA 18 - Calcule o ∆P quando a vazão for 2,5 l/s. Dados: Dados: Q max = 300 l/min .Pmax = 30 mmHG 19 - Calcule a vazão em l/h e GPM quando o ∆P for 81%. Dados: Dados: Q max = 600 1/h ∆Pmax = 1.000 mmH2O 20 - Um FT indica 36% no seu indicador local. Qual é o diferencial de pressão aplicado em suas câmaras neste instante? Qual é a vazão, sabendo-se que a vazão máxima de linha é de 5.000 m3/h, com um diferencial máximo de pressão igual a 81 mmH2O? 21 - Um FT indica 49% no seu indicador local. Qual é o diferencial de pressão aplicado em suas câmaras neste instante? Qual é a vazão, sabendo-se que a vazão máxima da linha é de 6.000 m3/h, com um diferencial máximo de pressão igual a 100 mmH2O?



218

22 - Um FT é instalado em uma linha de processo para medir vazão, o .P máximo é de 50” H2O. Qual é a vazão quando o ∆P for de 20” H2O e qual será a indicação na escala do FI em %. Dado: Qmax = 460 m3/h.

23 - Um FT é instalado em uma linha de processo para medir vazão, o ∆P máximo é de 80” H2O. Qual é a vazão quando o .P for de 30” H2O e qual será a indicação na

escala do FR em %. Dado: Qmax = 500 m3/h. 24 - Como é composto o medidor de vazão por pressão diferencial constante? 25 - Como é constituído basicamente o rotâmetro? 26 - Cite dois tipos de medidores em canais abertos. 27 - Qual o princípio de funcionamento do vertedor? 28 - Qual o princípio de funcionamento da calha de Parshall. 29 - Qual o princípio de funcionamento do medidor magnético de vazão com eletrodos. 30 - Qual o princípio de funcionamento do medidor tipo turbina. 31 - Calcule o fator de calibração da turbina sabendo-se que a vazão é 42 gpm e a freqüência de saída de pulsos é 715 Hz . 32 - Qual o princípio de funcionamento do medidor de vazão por efeito Coriolis. 33 - Qual o princípio de funcionamento do medidor de vazão por Vortex 34 - Qual o princípio de funcionamento do medidor de vazão por Ultra-som



219



220

sensores_2006

Documents