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INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

Capítulo 01 – Introdução

O segmento denominado “AUTOMAÇÃO E INSTRUMENTAÇÃO” é por demais heterogêneo em termos dos produtos nele englobados e que, muitas vezes se complementam.

Por razões de um melhor entendimento deste segmento, cabe dividi-lo:

- Instrumentação;- Automação de Processos Industriais e Não Industriais ( Controle de Processos);- Automação da Manufatura.

Instrumentação:

Instrumentação é a ciência da adaptação de dispositivos e técnicas de medição, de indicação, de ajuste e controle nos equipamentos e processos de fabricação.

A instrumentação e os sistemas de controle visam a otimização na eficiência dos processos de fabricação e a obtenção de um produto de melhor qualidade a um custo mais baixo e em menor tempo. A instrumentação é indispensável para

1. Incrementar e controlar a qualidade do produto;2. Aumentar a produção e o rendimento;3. Fornecer dados a respeito da matéria-prima, a quantidade produzida e dados relativos a economia dos processos;4. A execução de funções de inspeção e ensaios, com maior rapidez e confiabilidade;5. Simplificar projetos de pesquisa, desenvolvimento e sistemas de obtenção de dados complexos e;6. Fornecer sistemas de segurança para os operários, as fábricas e os processos.

Esta área pode ser dividida em grandes subgrupos;- Instrumentos de teste e medição - abrangem a geração e a medição de grandezas eletrônicas;- Instrumentos para controle de processos - abrangem os instrumentos para painel e campo, úteis na medida e no controle de grandezas físicas nos processos da Indústria de transformação;- Instrumentos para análises físicas, químicas e ensaios mecânicos - ( Analítica ) abrangem os instrumentos utilizados em laboratórios de pesquisas e controle de qualidade ,- Instrumentos de aplicação odonto-médico-hospitalar.

Automação de Processo Industrial e Não Industrial ( Controle de Processo ):

A Automação de Processos subdivide-se em dois setores:

- Processos Industriais:* Siderúrgica;* Química e petroquímica;* Geração de energia, etc.

- Processos não Industriais:* Sistemas de transporte;* Distribuição de energia;* Sistemas de serviços urbanos, etc.

Automação da Manufatura:

Este segmento, evidenciam-se as seguintes sub-áreas:- Comando numérico por computador;- Projetos assistidos por computador ( CAD-CAM);- Robótica.

PREPARADA POR: MIGUEL ALEXANDRE VIEIRA FUSCOESPECIALISTA EM ELETRÔNICA, AUTOMAÇÃO E INSTRUMENTAÇÃO

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Capítulo 02 – Histórico

Como sabemos, os instrumentos de hoje utilizados são frutos de pesquisas e desenvolvimento de longas datas. A título de curiosidade, vamos analisar um “instrumento” utilizado na China Antiga ( Século XII D.C.). Trata-se de um regulador de canudo de palha para, beber.

O relato histórico é o seguinte:

“Eles bebem o vinho através de um tubo de bambu de dois ou mais pés de comprimento, em cujo interior há um obturador móvel, parecido com um peixinho feito de prata. Conviva e anfitrião compartilham o mesmo tubo. Se a bóia em formato de peixe se aproxima do furo, o vinho não virá.

Assim, se alguém sugar muito lento ou muito rápido, os furos fechar-se-ão e não se poderá beber”.

Em outras palavras, o dispositivo tem a função de manter uma vazão de vinho pelos participantes de uma bebedeira.

Após esse período, outros inventos foram surgindo, até chegarmos na Revolução Industrial. Foi apenas mediante uma passagem pelo campo da máquina a vapor que, no fins do século XIX, o concito alcançou a consciência do mundo da engenharia.

A máquina de BOULTON-WATT, admirada como sensação, rapidamente disseminou-se pela Europa. Nela a atenção focalizou-se no Governador Centrífugo com seus volantes giratórios, a demonstrar impressionante, a ação da realimentação.

Por meio de elementos mecânicos adequados, este movimento é transmitido para a válvula de admissão de modo que, ao estrangular o fluxo de vapor, a velocidade é reduzida.

Como nosso é o estudo da Instrumentação, vamos dar um salto histórico para o século XX, na década de 40, onde a Instrumentação Pneumática teve seu grande desenvolvimento, surgindo pela primeira vez a filosofia dos sistemas de transmissão e sala de controle centralizado.

Já na década de 50, sugiram os primeiros sinais da Instrumentação Eletrônica, paralelamente a processos e sistemas de controle cada dia mais complexos.

Durante a década de 60, surgem os primeiros sistemas de controle automático por computador, nomeio a uma tecnologia de circuitos integrados.


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Revolução industrial - Séc. XVIII

- Artesanato. Todas as fases da produção eram feitas pela mesma pessoa.- Manufatura. Especialização do trabalho.- Maquinofatura. Transformação da matéria-prima pelas máquinas em substituição as ferramentas usadas pelo homem..

Estamos na era da automação.

A primeira revolução industrial, no fim do século passado, foi caracterizada pela substituição do trabalho muscular do homem por máquinas motrizes, ou seja, a mecanização. A automação é a introdução da mecanização não só desses trabalhos, mas também dos trabalhos mentais.

Na automação, o dispositivo automático observa sempre o resultado do seu trabalho e dá essa informação ao dispositivo principal ( essa ação reflexiva chama-se realimentação ou feedback). Este último compara a informação com um objetivo desejado, e, se existir diferença entre os dois, atua no sentido de diminuí-la para o mínimo valor possível. Pode-se dizer, portanto, que a noção fundamental da automação é radicada no feedback.

Automação

Conceito: É um conjunto de técnicas através das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam, com base nas informações o sistema calcula a ação corretiva mais apropriada. Um sistema de automação comporta-se exatamente como um operador humano o qual, utilizando as informações sensorias, pensa e executa a ação mais apropriada.

As grandes funções da automação podem se resumir como se vê na tabela abaixo:As analogias com as funções de um operador humano podem esquematizar-se assim:

No campo industrial e, em particular, nas indústrias petroquímicas, o operário, operador de processo, tinha por função, vigiar leituras de um grande número de instrumentos de medida. As pressões, as temperaturas, as vazões, os níveis, as composições químicas, deveriam ser conhecidas a todos os instantes pelo operador, o qual deveria detectar, de entre essa grande massa de dados, as variáveis que se desviavam de certos valores prefixados e atuar sobre o complexo fabril de modo a reconduzi-lo a um funcionamento mais estável ou mais econômico.

Porém as limitações intrínsecas do homem oferecem a este processo de integração uma lentidão incompatível com as grandes produções das unidades fabris modernas. A atenção a dois fatores simultâneos é praticamente impossível. Um esforço no sentido de uma maior rapidez acarreta um aumento dos erros e falsas manobras.

Nas últimas décadas, as técnicas do controle automático permitiram liberar os operadores fabris de funções enfadonhas e que exigiam grande esforço nervoso permitindo, simultaneamente, que essas funções fossem cumpridas com maior precisão, rapidez e segurança.

O controle automático é verdadeiramente a primeira fase da automação. Trata-se porem de uma automação não integrada e ao nível de subsistemas fabris relativamente simples.

Ao passo que primitivamente era o operário quem, guiando-se, pôr exemplo, pela leitura de um manômetro, tentava regular uma pressão, abrindo ou fechando válvulas, agora é


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uma cadeia de controle ( ou malha de controle ) que faz a mesma coisa com muitas vantagens. Encontraram-se numa cadeia de controle, as funções básicas de medida, computação e controle que já referimos serem características da automação.

O cálculo da ação de controle está a cargo de pequenos computadores pneumáticos e eletrônicos: Os controladores.

Isto não quer dizer, diga-se de passagem, que o homem se torna inútil. Pelo contrário, como supervisor do autômato e sem estar agora sujeito à enorme tensão nervosa e muscular de múltiplas tarefas, isto é, liberto dos meios, o piloto humano tem sempre a possibilidade de alterar as ordens dadas ao sistema e poda dedicar-se aos verdadeiros fins a atingir: A investigação, a procura de novos aspectos do real, a supervisão geral.

Capítulo 03 – Fundamentos básicos

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL – FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS

É através da instrumentação, principalmente, que um operador faz o acompanhamento do processo.

Definições:

Instrumento: equipamento industrial responsável em controlar, medir, registrar ou indicar as variáveis de um processo produtivo.

Controle: verificação de uma variável para possíveis correções fazendo com que a mesma permaneça dentro de uma tolerância de trabalho pré-determinada.

Medir: determinar ou verificar a extensão de uma grandeza ou variável.

Registrar: escrever ou lançar uma informação em papel (gráfico) ou em forma de arquivo eletrônico.

Indicar: apontar, mostrar, sinalizar o valor de uma variável.

Sinalizar: na qual o instrumento somente indica se a grandeza medida se encontra acima ou abaixo de certos valores pré-fixados.

Transmitir: o instrumento transforma o sinal medido em outro, que passa ser transmitido à distância.

Os transmissores mais comuns são:

1. Pneumáticos: que convertem a medição da variável em um sinal proporcional de pressão de ar comprimido.

No sistema americano, os limites da faixa de medição correspondem a 3 e 15 psi. No sistema europeu, os limites são de 0,2 e 0,1 Kgf/cm2.

2. Eletrônicos: que convertem a medição da variável em um sinal proporcional elétrico, de 4 à 20 mA, ou 10 à 50 mA.

Os sinais são transmitidos, no caso de transmissão pneumática, através de tubos de cobre ou plástico de cerca de 6 mm do diâmetro externo, enquanto que no caso de transmissão eletrônica usa-se em geral 2 fios.

3. Digitais: Fieldbus é um sistema de comunicação digital bidirecional que interliga equipamentos inteligentes de campo com sistema de controle ou equipamentos localizados na sala de controle.

A recepção se faz por medidores de pressão (receptores pneumáticos) ou miliamperímetros.


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Nota-se que, uma vezes colhido o tipo de transmissão e o sinal, os receptores serão iguais entre si, diferenciando-se somente uns dos outros pela escala.

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL – DEFINIÇÕES GERAIS

Variável: são condições ou situações que ocorrem durante um processo produtivo, que podem ou não interferir no processo ou no produto, alterando a qualidade, a produtividade ou deixando o processo inseguro. As principais variáveis são: temperatura, pressão, vazão e nível.

VARIÁVEL CONTROLADA: É a grandeza que desejamos manter dentro de certos parâmetros ou valores pré-determinados.

VARIÁVEL MANIPULADA: É a grandeza que efetivamente manuseamos a fim de manter a variável controlada, dentro dos valores desejados.

Estas grandezas nem sempre são coincidentes.

Processo: seqüência de operações em um conjunto de máquinas e/ou equipamentos necessários para a manufatura de um produto.

Os instrumentos podem estar localizados em painéis na sala de controle e/ou no campo.Os instrumentos que medem, indicam ou controlam essas variáveis no processo

possuem sensibilidade e grau de aperfeiçoamento extremamente apurados requerendo, por isto, cuidados especiais de manuseio.

Além disso, deve o operador ter sempre em mente que os instrumentos também representam a segurança da unidade e do pessoal e que deles dependem a qualidade e a correta especificação na elaboração dos produtos.

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL – CARACTERÍSTICAS DE INSTRUMENTOS

a) Faixa de medida (RANGE): conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro dos limites inferior e superior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento.Expressa-se determinando os valores extremos;

b) Alcance (SPAN): é a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida de 100ºC a 250ºC, possui um alcance de 150ºC.

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

d) Precisão: define-se como sendo o maior valor de erro estático que um instrumento pode ter ao longo de sua faixa de trabalho. Pode ser expressa de diversas maneiras como: porcentagem do alcance, unidade da variável e porcentagem do valor medido;

e) Zona morta: é a não alteração na indicação ou no sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos da faixa de medida do mesmo, apesar de ter ocorrido uma sensível variação da variável.

Por exemplo, um instrumento com faixa de medida entre 0ºC a 200ºC possui uma zona morta de 0,1% do alcance, ou seja 0,2ºC. Portanto, para variações inferiores a este valor, o instrumento não apresentará alteração da medida;

f) Sensibilidade (linearity): é a razão entre a variação do valor medido ou transmitido para um instrumento e a variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Pode ser expressa em unidades de medida de saída e de entrada. Por exemplo, um


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termômetro de vidro com faixa de medida de 0ºC a 500ºC possui uma escala de leitura de 50cm, portanto, a sua sensibilidade é de 0,1cm/ºC;

g) Histerese: é a diferença máxima apresentada por um instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente;

h) Repetibilidade: é a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do alcance;

i) Resolução: é a menor variação que se pode detectar. A resolução está relacionada com o número de "bit" do instrumento: quanto maior o número de "bit" melhor a resolução. O cálculo da resolução de um instrumento é dado pelo quociente da faixa de medida por 2número de "bit" do

mesmo. Por exemplo, para um transdutor linear de 100mm e 12 bit, tem-se uma resolução de 0,024mm.

j) Valor desejado (ou “set-point” ou “set-value”): É o valor no qual desejamos manter a variável controlada.

k) Desvio (Off-set): É a diferença porventura existente entre o valor desejado e o valor da variável controlada.l ) Elevação de Zero: é a quantidade com que o valor zero da variável supera o inferior da faixa ( range ). Pode ser expresso em unidades da variável medida ou porcentagem do alcance ( span ).l ) Supressão de Zero: é a quantidade com que o valor inferior da faixa de medida ( range ) supera o valor zero da variável. Pode ser expresso em unidades da variável medida ou porcentagem do alcance ( span ).

Classificação dos instrumentos

Sob o ponto de vista do operador, os instrumentos podem classificar-se em:

Segundo sua localização

a) Instrumentos de painel, localizados na sala de controle;b) Instrumentos de campo, localizados na área das unidades.

Segundo suas funções

a) Instrumentos de medição da variável;b) Instrumentos de controle da variável, segundo informações obtidas pelos instrumentos de medição;c) Instrumentos de alarme, que alertam o operador sobre condições anormais das variáveis, dentro da margem de segurança que o processo e a unidade exigem.

Segundo suas características

a) Instrumentos indicadores, nos quais a variável é indicada por meio de um ponteiro em uma escala, ou digital;b) Instrumentos registradores, nos quais a variável é registrada em uma carta por meio de uma pena;c) Instrumentos controladores, que mantém a variável num valor pré-determinado.

Naturalmente, os instrumentos podem desempenhar, simultaneamente, uma ou mais das funções citadas.Por exemplo: pode ser simplesmente indicador;Por exemplo: pode ser simplesmente registrador;Por exemplo: pode ser simplesmente controlador;Por exemplo: pode ser indicador controlador;Por exemplo: pode ser registrador controlador.


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Sistemas de transmissão (leitura remota)

Em geral, a medição de uma variável é feita no campo e o instrumento pelo qual se acompanha o valor dessa variável está na Casa de Controle.

Isto é possível devido ao que chamamos de transmissão.Instrumentos que incorporam dispositivos para efetuar a transmissão são chamados

instrumentos transmissores.Esses dispositivos de transmissão empregam uma fonte de energia auxiliar.Assim, conforme a natureza dessa energia auxiliar, os transmissores se classificam em:

pneumáticos, hidráulicos e elétricos.Os transmissores pneumáticos poderiam usar como fonte de energia qualquer gás seco

pressurizado, entretanto, geralmente, é usado ar comprimido seco.Os transmissores hidráulicos poderiam usar qualquer líquido, sendo comum o óleo.Os transmissores elétricos usam, naturalmente, a energia elétrica.Existem elementos medidores que por natureza geram energia elétrica e não precisam

de dispositivo adicional para transmissão, apenas meio para transmitir (fios condutores).Se admitirmos que uma variável quando medida varia de 0 a 100, existem convenções

que relacionam esse intervalo de medição com uma faixa de transmissão.Assim, por exemplo, são comuns as faixas de 3 a 15 “psi” (libras por polegada

quadrada), ou 0,2 a 1kgf/cm2 (quilogramas por centímetro quadrado) na transmissão pneumática.

Ou 4 a 20 mA (mili amperes) na transmissão elétrica analógica ou à 20 mV (milivolts) na transmissão elétrica digital.

CONTROLE AUTOMÁTICO

Nos processos industriais antigos ou de pequeno porte as variáveis eram controladas pelo elementohumano; o controle manual.

Atualmente, devido a complexidade dos processos, seja por questões de segurança ou de economia, o elemento humano foi substituído por instrumentos capazes de executar essas tarefas: são oscontroladores automáticos.

A mão de obra pode ser extremamente reduzida, uma vez que restaram poucas operações manuais e a fiscalização ou supervisão geral da instrumentação é de fácil execução.

Como vantagens de controle automático sobre o elemento humano, temos:

Redução de custos através da diminuição de mão de obra;Garantia de uniformidade de produtos acabados;Garantia maior de segurança pessoal e do equipamento.

Conceito de controle automático

Entende-se por “controle automático” um conjunto de operações que consistem em:Medir uma variável;Comparar esta medida com um valor desejado;Corrigir o desvio observado.

A figura abaixo mostra, sob a forma de notação de blocos, o conceito de controle automático.


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FIGURA 1

Os componentes principais do controle automático são: o processo e o controlador automático.

O processo ou sistema controlado compreende uma operação ou uma série de operações realizadas no, ou pelo equipamento, no qual uma variável é controlada.

O controlador automático é um instrumento que recebe o valor da variável medida e atua para corrigir ou limitar o desvio dessa variável em relação a um ponto de controle (valor constante pré-estabelecido para a variável) ou então limitar o desvio da variável em relação a uma lei pré-estabelecida (valor variável da própria variável).

O controlador atua sobre o elemento final de controle.O elemento final de controle é o dispositivo que varia diretamente o valor da

variável manipulada.Variável controlada é a quantidade ou condição que é medida e controlada.Variável manipulada é a quantidade ou condição que é variada pelo elemento final de

controle, demodo a efetuar o valor da variável controlada.

Meio controlado é a energia ou material do processo no qual a variável é medida e controlada.

Agenda de controle é a energia ou material do processo, do qual a variável manipulada é uma condição ou característica.

FIGURA 2

Funções do Controle Automático

Muitos Controles, sejam eles controlados manualmente ou automaticamente, irão se comportar de maneira satisfatória apenas quando os valores de certas variáveis do processo forem mantidas dentro de limites determinados.

Então, a função do controle do processo é manipular a relação entrada e saída de energia, de maneira que as variáveis do processo sejam mantidas dentro dos limites desejáveis. Um controlador automático pode ser definido como um mecanismo o que mede o valor da variável do processo e opera de maneira a limitar o desvio desta variável, em volta do valor desejado. A variável do processo, que é mantida dentro de limites, é chamada de variável controlada.


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Elementos de Controle Automático

Os elementos funcionais de um sistema de controle automático e sua interação numa cadeia de controle fechada, são mostrados na figura abaixo.

Uma comparação mostra que o controlador automático desempenha as mesmas funções básicas (e na mesma ordem), que o operador humano no processo.

Relação das quatro funções de controle e dos elementos básicos de um controlador automático, para um controle em cadeia fechada.

Os elementos de medição efetuam de medir, sentem a avaliam a variável de saída do processo.

A função de comparação de valor medido da variável de saída com seu valor desejado, é feita pelo detector de erro, que produz um sinal quando existe um desvio entre o valor mantido e o desejado.

Este final de atuação é muitas vezes chamado de erro. Este sinal tem uma certa relação com o desvio, que pode ser chamada: função de computação.

Vantagens de Controle Automático na Indústria:

Não é demais nas vantagens que a automação com controladores individuais ou com computador central à indústria. Eis uma lista de alguns desses aspectos favoráveis:

1 - Eliminação de trabalhos monótonos ou exigindo atenção concentrada.2 - Eliminação do erro humano.3 - Diminuição das horas-homem para a mesma produção.4 - Aumento na quantidade do produto ou no número de unidades fabricadas.5 - Melhoria na qualidade dos produtos.6 - Melhor aproveitamento de matérias-primas.7 - Melhor aproveitamento de energia.8 - Menor desgaste do equipamento fabril.9 - Melhoria na uniformidade dos produtos.10 - Em resumo: aumentos de produtividade podendo ir de alguns % até valores muito altos.

Diagrama de Blocos de um Sistema de Controle

A automação de processos tem recebido de estudiosos de todos os assuntos a maior atenção, dada a sua influência tanto no campo tecnológico como humano, onde a mão de obra “não especializada” vem sendo substituída, sendo esta substituição, acelerada ou retardada de acordo com os interesses econômicos em jogo.

A bem da verdade já nos dias de hoje a mão de obra não automatizada, é histórica nos países desenvolvidos, pouco importante naqueles em desenvolvimento e fator de atraso nos subdesenvolvidos.

Destes fatos surge a preocupação de dotar o técnico brasileiro de um conhecimento amplo sobre sistemas de controles automáticos e instrumentos capazes de realizar este controle.

A dedicação na análise de instrumentos capazes de detectar, manipular, registrar e atuar sobre grandezas físicas envolvidas em processos automáticos; também é objetos deste nosso trabalho.

Basicamente, um sistema de controle automático opera segundo o diagrama de blocos da figura 1, onde é adicionado ao processo uma malha de realimentação capaz de atuar sobre a entrada do sistema.


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FIGURA 3

Nosso objetivo prende-se mais à malha de realimentação que ao processo propriamente dito.

Assim, na figura 4 temos a malha de realimentação mais detalhada.

FIGURA 4

Classificação dos Controles

A utilização de controles automáticos se dá quando desejamos alta confiabilidade, muita rapidez e grande economia podendo ser estes três fatores, considerados individualmente ou em conjunto.

Baseado ainda nestes três fatores podemos dividir os sistemas de controle segundo a sua operação em:

a) Sistemas de Malha Abertab) Sistemas de Malha Fechada

Sistema em Malha Aberta

Sistema em malha aberta é aquele em que a informação sobre a variável controlada ( no exemplo da figura 5, temperatura do fluído aquecido na saída do trocador ) não é utilizada para ajustar quaisquer das variáveis de entrada, visando compensar as variações que ocorrem nas variáveis do processo e que influenciam a variável controlada. O conceito de malha aberta é frequentemente utilizado nas discussões dos sistemas de controle, para indicar que está se investigando a dinâmica do processo em uma condição não controlada, ou seja, investiga-se apenas a dinâmica do processo.


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Figura 5 – Processo típico de troca de calor em malha aberta

Sistema em Malha Fechada

No processo típico de troca de calor em análise, bem como nos demais casos de controle de processos, a função fundamental do sistema de controle em malha fachada, ou sistema de controle com realimentação, é manipular a relação entrada / saída de energia ou material, de maneira que a variável controlada do processo seja mantida dentro dos limites estabelecidos, ou seja, o sistema de controle em malha fechada regula a variável controlada ( temperatura do fluído aquecido na saída do trocador ), fazendo correções em outra variável do processo ( vazão do vapor adicionada ao trocador ), que é chamada variável manipulada.

O controle em malha fechada pode ser realizado por um operador humano ( controle manual ) ou mediante a utilização de instrumentos ( controle automático ).

Figura 6 - Processo típico de troca de calor utilizando controle manual

A figura 6 mostra o sistema de troca de calor com controle manual, isto é, o operador humano tem a função de medir a temperatura do fluído aquecido ( variável controlada ) e corrigir a vazão do vapor adicionado ao trocador ( variável manipulada ), de forma a manter a temperatura da variável controlada no valor desejado ( ponto de ajuste ou set point ). Ou seja, o operador irá medir a temperatura do fluído aquecido através do tato; este sinal será comparado mentalmente com a temperatura desejada ( ponto de ajuste ou set point ), que está armazenada em seu cérebro, com base na diferença entre estes dois valores ( erro ou offset ), o operador fará a computação ( definirá como e quanto irá atuar ) e, em seguida, atuará na válvula de admissão de vapor fazendo a correção.


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A figura 7 mostra o sistema de troca de calor com controle automático. As ações executadas pelo controle automático serão as mesmas do controle manual utilizando o operador. A medição é feita pelo transmissor de temperatura ( TT ); a comparação do valor medido pelo transmissor ( TT ) com o ponto de ajuste dado pelo operador ( set point ) para obtenção do valor de erro ( valor de erro = valor do ponto de ajuste – valor medido da variável controlada ) e a computação ( que irá considerar os ajustes e tipos de ações de controle utilizadas ) são executadas pelo controlador de temperatura ( TRC ), enquanto a correção será efetivada pela válvula de controle ( TV ), com base no sinal recebido do TRC.

Figura 7 - Processo típico de troca de calor utilizando controle automático

Capítulo 04 – Simbologias


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A simbologia de instrumentação analógica e digital, compartilhada e integral, distribuída e centralizada se baseia nas seguintes normas americanas (geralmente traduzidas para o português):

1. ISA S5.1, Instrumentation Symbols and Identification, 19842. ISA S5.3, Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems, 1983

Aplicações

Os símbolos de instrumentação são encontrados principalmente em

1. fluxogramas de processo e de engenharia,2. desenhos de detalhamento de instrumentação instalação, diagramas de ligação, plantas de localização, diagramas lógicos de controle, listagem de instrumentos,3. painéis sinópticos e semigráficos na sala de controle,4. diagramas de telas de vídeo de estações de controle.

Geral

Cada instrumento ou função a ser identificada é designado por um conjunto alfanumérico ou número de tag. A parte de identificação da malha correspondente ao número é comum a todos os instrumentos da mesma malha. O tag pode ainda ter sufixo para completar a identificação.

Número de tag típico

TIC 103 -- Identificação do instrumento ou tag do instrumento

T 103 -- Identificação da malha (malha de temperatura, número 103)

TIC -- Identificação funcional Controlador Indicador de temperatura

T -- Primeira letra (variável da malha)

IC -- Letras subsequentes (função do instrumento na malha

O número da malha do instrumento pode incluir o código da informação da área . Por exemplo, o TIC 500-103, TIC 500-104, aos dois controladores indicadores de temperatura, ambos da área 500 e os números seqüenciais são 103 e 104.

Identificação funcional

A identificação funcional do instrumento ou seu equivalente funcional consiste de letras da Tab. 1 e inclui uma primeira letra, que é a variável do processo medida ou de inicialização. A primeira letra pode ter um modificador opcional. Por exemplo, PT é o transmissor de pressão e PDT é o transmissor de pressãodiferencial.

A identificação funcional do instrumento é feita de acordo com sua função e não de sua construção.

Identificação da malha

A identificação da malha geralmente é feita por um número, colocado ao final da identificação funcional do instrumento associado a uma variável de processo. A numeração pode ser serial ou paralela.

Numeração paralela começa de 0 ou para cada variável, TIC-100, FIC-100, LIC-100 e AI-100.


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Numeração serial usa uma única seqüência de números, de modo que se tem TIC-100, FIC-101, LIC-102 e AI-103. A numeração pode começar de 1 ou qualquer outro número conveniente, como 101, 1001,1201.

Linhas entre os Instrumentos

As linhas de ligações entre os instrumentos devem ser mais finas que as linhas de processo e sãosimbolizadas como mostrado a seguir.

Exemplo para simbologia de malha de controle:


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A figura a seguir mostra a tabela de letras para a simbologia usada na instrumentação.


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Balão do Instrumento


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O instrumento completo é simbolizado por um pequeno balão circular, com diâmetro aproximado de 12 mm. Porem, os avanços nos sistemas de controle com instrumentação aplicando microprocessador, computador digital, que permitem funções compartilhadas em um único instrumento e que utilizam ligações por programação ou por elo de comunicação, fizeram surgir outros símbolos de instrumentos e de interligações.

A figura a seguir mostra a simbologia usada na instrumentação.

Capítulo 05 - Conceito de pressão. Unidades


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Introdução

A medição de pressão em instalações industriais é uma das mais antigas e das mais importantes, sendo os sensores de pressão dos mais numerosos, a seguir aos sensores de temperatura. A utilização destes sensores, também designados manômetros, remonta às primeiras máquinas a vapor, em que por questões de segurança tinha de existir um indicador de pressão da caldeira.

Hoje a lei obriga os utilizadores de instalações de média e alta pressão, e em particular nas caldeiras, a dispor de indicadores locais de pressão. A pressão está pois intimamente ligada à segurança das instalações, em particular das caldeiras, tanques e tubagens.

Uma outra razão para o uso da medida da pressão encontra-se no rendimento das instalações. Com efeito, é através do conhecimento exato das pressões e temperaturas, entre outras grandezas, que se pode otimizar o funcionamento de uma instalação, de modo a evitar a colocação de bombas que elevem demasiado a pressão (custo energético) ou de dispositivos que introduzam perdas de carga elevadas.

Também o rendimento do fabrico de muitos produtos depende da pressão a que os mesmos se realizam, aparecendo aqui mais uma razão, esta também de caráter econômico, que justifica a sua medição.

Salienta-se ainda que a pressão está intimamente relacionada com outras variáveis, como por exemplo com o nível de um tanque ou com o caudal numa tubagem, sendo muitas vezes utilizados sensores de pressão para a medição de níveis e de caudais ( vazão ).

Definições

Considere-se uma determinada região do espaço preenchida com um fluido, em repouso ou em movimento, delimitado por uma superfície S. A delimitação do fluido poderá ser ideal ou então depender da forma do recipiente que o contém ou que o transporta. Sobre cada ponto P desta superfície delimitadora, considere-se a área elementar dS. Sobre ela vai exercer-se uma força, também elementar, dF. Designe-se por n o vector unitário normal à superfície e por dFn o módulo da força elementar exercida perpendicularmente à superfície dS.

Fig. 5.1 – A pressão é o módulo da força que se exerce por unidade de superfície

Será

( 5.1 )

Define-se pressão exercida pelo fluido sobre a superfície elementar dS pela grandeza escalar

( 5.2 )

A origem da força dF pode ser devida ao peso do fluido (Fig. 5.2), à sua velocidade (Fig. 5.3), ambas (Fig. 5.4) ou devida a outra razão qualquer.

A definição de pressão de um fluido não exige que esta seja medida sobre uma superfície delimitadora do fluido. O conceito de pressão de um fluido é extensível ao seu interior. Para o efeito deverá considerar-se em cada ponto interior uma superfície imaginária de duas faces de área elementar dS, normal à força dF aplicada pelo fluido sobre essa superfície.


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Fluidos estáticos

No caso do fluido se encontrar em repouso, a força por ele exercida sobre a superfície elementar dS é devida apenas ao peso da coluna de fluido (Fig. 5.5), a que eventualmente se adiciona a pressão que se exerce sobre esta, no seu topo (Fig. 5.6).

Fig. 5.5 – A pressão no ponto P é devida apenas ao peso da coluna de água, de altura h. (está-se a ignorar a ação da pressão atmosférica).

Fig. 5.6 – Neste recipiente, fechado, a pressão em P é devida ao peso da coluna líquida, à qual se adicionaa pressão p0 exercida pelo gás sobre a superfície S1.


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Nos exemplos dados para os reservatórios abertos, não se considerou a pressão atmosférica.Esta é devida ao fato da Terra estar envolvida por uma camada de ar, que como todos os corpos,

está sujeita à lei de atração universal, sendo portanto o ar atraído pela Terra, o que dá origem ao seu peso. Como o ar é um gás e os gases são muito compressíveis (quando comparados com os líquidos), o ar à superfície da Terra encontra-se mais comprimido do que longe da sua superfície. A pressão atmosférica diminui com a altitude mas não varia de uma forma linear. A Fig. 5.7 representa a variação da pressão atmosférica com a altitude.

Fig. 5.7 – Variação da pressão atmosférica com a altitude.

Um método muito conhecido para a determinação da pressão atmosférica, consiste em encher de mercúrio um tubo de vidro com o comprimento de cerca de 1 metro e de seção interna reduzida (para economizar mercúrio), e invertê-lo sobre um recipiente contendo também mercúrio (Fig. 5.8).

Fig. 5.8 – Barômetro de mercúrio.

Verifica-se que ao colocar o tubo invertido na posição vertical se forma o vácuo no topo interior do tubo e o mercúrio desce até atingir uma altura de cerca de 76 cm. Este método de medir a pressão atmosférica foi concebido por Torricelli(2). Ao dispositivo destinado à medida da pressão atmosférica dá-se o nome de barômetro.

A pressão atmosférica não tem sempre o mesmo valor; Depende da altitude do local e das condições atmosféricas. Ao nível do mar o seu valor médio é de 760 mm de mercúrio, podendo ter variações superiores a 10 % deste seu valor.

Considere-se de novo o exemplo dado na Fig. 5.5. Ao efetuar a medição da pressão no ponto P tal como foi indicado, não se está a considerar a pressão atmosférica. Ao valor da pressão devida apenas ao


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peso da coluna líquida de altura h, dá-se o nome de pressão relativa (“gauge pressure”). Se no entanto se considerar também a pressão atmosférica, esta deverá ser adicionada ao valor da pressão relativa em P, obtendo-se a chamada pressão absoluta (“absolute pressure”). A pressão absoluta é pois medida em relação ao vácuo. Tem-se assim

( 5.3 )Em que

A Fig. 5.9 resume graficamente o que acaba de se expor.

Fig. 5.9 – Relação entre as diversas designações de pressão.

O fato de se utilizar a medida da pressão em valores absolutos ou relativos depende da aplicação concreta, não se podendo à priori apresentar vantagens de uma sobre a outra.

Normalmente os estudos teóricos trabalham com pressões absolutas, enquanto que a medida de pressões em tanques, linhas e caldeiras, na indústria, é feita em valores relativos.

Ao dispositivo utilizado para efetuar a medida de pressões chama-se manômetro. Muitas vezes o manômetro mede o valor da pressão tomando como referência não a pressão atmosférica, nem o vácuo mas um determinado valor de referência de conveniência. Chama-se, à medida assim efetuada, pressão diferencial. Esta corresponde à diferença de pressão entre dois pontos.

Fluidos dinâmicos

O teorema de Bernoulli(3):

Em qualquer ponto ao longo de uma linha de corrente de um fluido ideal em escoamento estacionário é constante a soma

( 5.4 )

Em que

Para fluidos reais, em regime estacionário, o teorema de Bernoulli é um pouco mais complicado:


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( 5.5 )

Em que

s - direção da linha de corrente,J - perda de carga por unidade de comprimento.

Unidades

Retome-se a equação (5.2) utilizada para definir a pressão. Em que unidades é que esta se exprime? No Sistema Internacional a superfície exprime-se em metro quadrado (m2) e a força em newton (N). À unidade de pressão, N/m² , dá-se o nome de pascal (Pa). Corresponde à pressão exercida pela força de 1 N sobre uma superfície com a área de 1 m², perpendicularmente a esta. Um pequeno cálculo permite elaborar a tabela apresentada na página seguinte.

Para converter uma pressão expressa nas unidades indicadas na primeira coluna para uma pressão expressa nas unidades das restantes colunas, deverá multiplicar-se o valor da pressão pelo número que se encontra na intersecção linha/coluna.

À unidade “milímetro de mercúrio”, mmHg dá-se também o nome de “Torricelli”.

Dispositivos de medição de pressão.

Manômetro de coluna líquida

Neste tipo de manômetro o valor da pressão é obtido medindo o comprimento da coluna de líquido necessário para equilibrar a pressão que se quer medir (Fig. 5.10 a)). Na Fig. 5.10 b) representa-se um tipo de manômetro, em U, que pode ser utilizado para medir pressões relativas e pressões diferenciais.

Fig. 5.10 – Manômetros de coluna líquida.

A diferença de pressão entre os extremos A e B do manômetro( fig.5.10 b ) é dada por


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( 5.6 )

A expressão (5.6) torna claro que a diferença de alturas h, é dependente da temperatura, atravésda densidade do líquido manométrico.

A precisão deste tipo de manômetro é elevada, dependendo fundamentalmente da precisão na medida de h. Apesar de ser relativamente fácil a obtenção de um sinal elétrico representativo da altura h, devido à sua fragilidade e à pequena gama de medida não é normalmente utilizado em aplicações industriais. É no entanto utilizado com freqüência em laboratórios como padrão para aferição de outros tipos de sensores de pressão.

Os líquidos manométricos mais correntes têm as seguintes características:

Manômetro de Bourdon

O manômetro de Bourdon, também conhecido como tubo de Bourdon, é constituído por um tubo metálico elástico, em forma de C, fechado numa das extremidades e com seção aproximadamente elíptica, como se representa na Fig. 5.11.

Fig. 5.11 – Manômetro de Bourdon, em C

Quando se aplica pressão o tubo deforma-se. O tipo de material de que o Bourdon é construído depende da aplicação, em particular da pressão máxima e da agressividade do meio. São muito usados o aço inox, o bronze fosforoso e o cobre/berílio, devido às suas características elásticas.

A repetibilidade destes dispositivos é melhor do que 0.1% do máximo de escala. Podem ser construídos para uma gama de pressões muito ampla, desde pressões máximas de frações de atmosfera até pressões máximas de 500 kgf/cm2.

Nos indicadores de pressão clássicos e nos indicadores locais o movimento do extremo do tubo é comunicado a um ponteiro indicador (Fig. 5.12). Por meio de dois parafusos é possível efetuar o ajuste do


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zero e o ajuste do ganho. Para pressões baixas e para aumentar a sensibilidade do Bourdon este é por vezes construído em espiral ou então em hélice.

Fig. 5.12 – Bourdon com indicador.

Para a conversão do movimento do extremo do tubo de Bourdon num sinal elétrico podem utilizar-se vários dispositivos como o potenciômetro, o LVDT, extensômetros, etc. A Fig. 5.13 representa um Bourdon associado a um LVDT.

Fig. 5.13 – Sensor de pressão com Bourdon e LVDT.

Quanto à forma, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e helicoidal.

Tipos de Tubos “ Bourdon ”


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a) Tipo C b) Tipo Espiral C) Tipo Helicoidal

Manômetro de diafragma

Constituição e tipos

Este manômetro é constituído por um disco, fixo pela periferia, e ao qual se aplica a pressão em um dos lados (Fig. 5.14). A força resultante exercida sobre a superfície do disco provoca a sua deformação, que é medida por qualquer dos métodos utilizados com o Bourdon. Neste caso é muito freqüente, para pedir a deformação da membrana, a utilização do método da capacidade variável. O disco deste manômetro pode ser completamente liso, totalmente anelado, ou misto de anelado e liso como o indicado na figura.

Fig. 5.14 – Manômetro de diafragma.

Distribuição das tensões mecânicas

No caso do disco ser liso e de espessura homogênea, quando submetido a uma pressão constante, fica sujeito a dois tipos de tensões: uma tensão tangencial de tração, igual nas duas faces do disco, e uma tensão radial, com sinal contrário numa e noutra face (Fig. 5.15).

Fig. 5.15 – Distribuição das tensões num disco liso de um manómetro.


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Para pequenas deformações do disco, os valores das deformações tangencial e radial relativas, correspondentes às tensões indicadas na figura podem ser obtidas pelas expressões

( 5.7 )

( 5.8 )

A observação do diagrama de tensões mostra que a tensão tangencial é sempre positiva e que a tensão radial tem uma zona onde é positiva e outra onde é negativa, e que portanto se anula para um determinado valor do raio do disco. Os valores referem-se à face oposta àquela em que se está a aplicar a pressão.

Medição com extensômetros

A utilização de extensômetros para a medida da deformação do disco deverá ter em conta a distribuição de tensões indicada atrás. A Fig. 5.16 mostra um extensômetro de quatro elementos utilizado com um destes discos.

Os extensômetros da zona exterior destinam-se à medida de tensão radial e os interiores à medida da tensão tangencial. Os extensômetros são ligados em ponte de Wheatstone, sendo os exteriores os dos ramos R1 e R3 opostos e os interiores os dos outros ramos opostos R2 e R4.

Com esta montagem, que tem quatro extensômetros ativos, aumenta-se a sensibilidade da ponte de Wheatstone e cancela-se o efeito da temperatura sobre os extensômetros.

A relação entre a tensão de saída e a pressão é linear, com erro inferior a 0,3%, desde que a deformação do disco na zona central seja inferior a 1/4 da espessura da membrana. Os discos são dimensionados para obedecer a este critério. A freqüência máxima da pressão que é possível medir com este manômetro depende da freqüência de ressonância dos elementos mecânicos, havendo sensores capazes de funcionar desde 0 até 10 kHz.

Fig. 5.16 – Extensómetros para utilização em disco manométrico


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Medição por variação de capacidade

Um método muito utilizado para a medição da deformação da membrana, consiste em formar um condensador com uma das armaduras ligadas à membrana. É o chamado método capacitivo.

A deformação da membrana provoca uma variação na capacidade do condensador, que é transformada numa variação de um sinal elétrico (tensão ou corrente). A Fig. 5.17 representa esquematicamente um manômetro de membrana deste tipo.

Fig. 5.17 – Manómetro de membrana capacitivo.

Analise-se um pouco mais em detalhe o circuito elétrico deste dispositivo. É constituído por um condensador duplo, como esquematizado na Fig. 5.17b).

Designando por:

p1 – pressão na câmara esquerda do dispositivo,p2 – pressão na câmara direita do manômetro,C1 – capacidade entre as armaduras do condensador esquerdo,C2 – capacidade entre as armaduras do condensador direito,A – área entre as armaduras em presença,d – distância indicada na figura,ε – permeabilidade elétrica do fluido das câmaras,Δd – deslocamento da armadura central provocado pela diferença de pressões Δp= p1-p2.

Observando que d é muito pequeno (≈ 0,1 mm) comparado com o diâmetro das armaduras (≈ 50 mm), pelo que se pode utilizar em primeira aproximação a fórmula da capacidade do condensador plano dada pela expressão (3.11), pode escrever-se

( 5.9 )

Somando e subtraindo as expressões acima, dividindo os resultados e simplificando chega-se a

( 5.10 )

Observe-se agora que

( 5.11 )

em que k é uma constante característica do transdutor (traduz a relação entre a deformação da membrana capacitiva e a diferença de pressões Δp = p1-p2 aplicadas às câmaras) e que d é também uma constante do sensor, pode escrever-se


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( 5.12 )

O circuito utilizado para funcionar com este sistema de condensadores é a ponte de Wheatstone,em corrente alternada, alimentada a tensão de amplitude constante. Na Fig. 5.18 indica-se a forma de ligar os condensadores à ponte. Usando R3=R4=R0 e atendendo a que a tensão de saída desta ponte é dada por uma expressão análoga a (2.61), cuja demonstração se deixa para o leitor,

( 5.13 )

Substituindo em (5.13) Z1 e Z2 pelos seus valores, e R3 e R4 por R0, vem, depois de simplificar,

( 5.14 )

Fig. 5.18 – Ponte de Wheatstone para o transdutor capacitivo.

Substituindo em (5.14) o valor da expressão das capacidades dado por (5.12) e notando que U0 e Us

estão em fase, fica simplesmente

( 5.15 )

ou seja, a tensão de desequilíbrio de ponte é proporcional à pressão diferencial aplicada ao manômetro.


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Construção de um sensor capacitivo

Fig. 5.19 – Construção de um sensor capacitivo

Fig.5 20 – Aplicação do sensor capacitivo

Piezo-resistivo ou Strain Gage

A piezo-resistividade refere-se à mudança da resistência elétrica com a deformação/contração como resultado da pressão aplicada. Na sua grande maioria são formados por elementos cristalinos (strain gage) interligados em ponte(Wheatstone) com outros resistores que provém o ajuste de zero, sensibilidade e compensação de temperatura.

O material de construção varia de fabricante para fabricante e hoje em dia é comum sensores de estado sólido.Desvantagens: faixa limitante de temperatura de operação, aplicável em ranges baixos de pressão por gerarem um sinal muito baixo de excitação, muito instável.

Atualmente existe o chamado “Film transducer” o qual é construído com a deposição de vapor ou injeção de elementos strain gage diretamente em um diafragma, o que minimiza a instabilidade devida ao uso de adesivos nas ligas nos modelos “Bonded Wire”. A grande vantagem é que já produz um sinal


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eletrônico num nível maior, porém em altas temperaturas são totalmente vulneráveis, já que a temperatura afeta o material adesivo utilizado ao colar o silício ao diafragma.

Várias técnicas baseadas na fabricação de sensores de silício piezo-resistivo(silicon substrate) estão emergindo, mas são susceptíveis a degradação de seus sinais em função da temperatura e exigem circuitos complicados para a compensação, minimização do erro e sensibilidade do zero.Totalmente inviáveis em aplicações sujeitas a temperatura altas por longo períodos, uma vez que a difusão degrada ossubstratos em altas temperaturas.

Fig. 5.21 – Sensor Piezo-Resisitivo

Piezo-elétrico

O material piezo-elétrico é um cristal que produz uma tensão diferencial proporcional a pressão a ele aplicada em suas faces: quartzo, sal de Rochelle, titânio de bário, turmalina etc.Este material acumula cargas elétricas em certas áreas de sua estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. A piezo-eletricidade foi descoberta por Pierre e Jacques Curie em 1880.

Tem a desvantagem de requerer um circuito de alta impedância e um amplificador de alto ganho, sendo susceptível a ruídos.Além disso, devido à natureza dinâmica, não permite a medição de pressão em estado sólido.Porém, tem a vantagem de rápida resposta.

A relação entre a carga elétrica e a pressão aplicada ao cristal é praticamente linear:

q = Sq x Ap

p - pressão aplicada, A - área do eletrodo, Sq - sensibilidade,q - carga elétrica, C - capacidade do cristal, Vo - tensão de saída


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Fig. 5.22 – Sensor Piezo-Elétrico

Ressoantes

Possuem em geral o princípio da tecnologia que é conhecida como “vibrating wire”. Uma mola de fio magnético é atachada ao diafragma que ao ser submetido a um campo magnético e ser percorrido por uma corrente elétrica entra em oscilação.A freqüência de oscilação é proporcional ao quadrado da tensão (expansão/compressão) do fio. No sensor Silício Ressonante, não se usa fio e sim o silício para ressonar com diferentes freqüências que são funções da expansão/compressão(é uma função do tipo 1/f2).

O sensor é formado por uma cápsula de silício colocada em um diafragma que vibra ao se aplicar um diferencial de pressão, e a freqüência de vibração depende da pressão aplicada.

Fig. 5.23 – Sensor Ressonante


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Capítulo 06 - Conceito de nível.

Conceito de nível

Chama-se nível à medida da cota da superfície de separação de duas fases de um ou mais produtos em repouso num recipiente. Cada fase corresponde a um produto e na maior parte dos casos há apenas dois produtos, sendo um deles líquido e o outro gasoso, dizendo-se então que se mede o nível do líquido nesse recipiente.

Pode no entanto acontecer que os dois produtos sejam dois líquidos não miscíveis, um sólido e outro líquido, ou até um sólido e um gás. Pode ocasionalmente haver interesse em medir a espessura da espuma que se forma sobre a superfície líquida. Em determinadas situações há mais do que dois produtos no recipiente, podendo surgir duas ou mais superfícies de separação, havendo assim simultaneamente mais do que um nível no mesmo recipiente.

Para se efetuar a medição da cota da superfície de separação de duas fases, que será doravante designada por nível, torna-se necessário que os produtos se encontrem em repouso, ou quase em repouso. Caso contrário a superfície de separação não fica bem definida ou poderá depender das coordenadas horizontais. Estarão então em causa outros conceitos, como por exemplo a medição da ondulação num ponto, da forma da superfície, etc.

Admitindo que os produtos a medir se encontram em repouso, os seus parâmetros característicos são as cotas das superfícies de separação e a pressão em cada ponto. As suas relações são estudadas na hidrostática, pelo que convirá relembrar aqui alguns conceitos básicos.

Equações fundamentais

A equação fundamental da hidrostática diz que a variação da cota piezométrica ( p /γ + z ) é nula em qualquer direção. Logo ter-se-á

p /γ + z = constante ( 6.1 )

em que p representa a pressão manométrica à cota z e γ o peso volúmico do fluido.Desta equação conclui-se que num fluido em repouso (âmbito da hidrostática) e homogêneo as

isobáricas, ou seja, as superfícies de igual pressão, são planos horizontais. Considerem-se dois pontos A e B no interior de um fluido (Fig. 6.1). Da equação ( 6.1 ) obtém-se

( 6.2 )

ou seja

( 6.3 )

( 6.4 )

O resultado obtido, já bem conhecido, diz que a diferença de pressão entre dois pontos quaisquer no seio de um fluido homogêneo e em repouso é igual ao produto do peso volúmico do fluido pela distância na vertical entre os dois pontos considerados.


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Fig. 6.1 - Equação fundamental da Hidrostática

A equação (6.4) resolvida em ordem a h permite calcular o nível por meio da medida da diferença de pressões, método largamente utilizado na indústria, como se verá adiante:

( 6.5 )

Nos casos de interesse para a indústria o valor de h tem no máximo algumas dezenas de metros, ocasionalmente centenas, sendo o fluido praticamente incompressível (propriedade dos líquidos), pelo que γ é constante para todo o fluido.

Se em vez de um houver vários fluidos, terão que ser considerados os seus pesos volúmicos individuais, obtendo-se

( 6.6 )

Teorema de Arquimedes

Corpos totalmente mergulhados.

Considere-se um sólido totalmente mergulhado num fluido. A pressão que o fluido exerce sobre a superfície do sólido é perpendicular à sua superfície e varia de ponto para ponto, sendo tanto maior quanto maior a profundidade. O teorema de Arquimedes(1), que durante muitos anos foi aceite como princípio, afirma o seguinte:

Corpos parcialmente mergulhados.

Se no caso apresentado acima o peso volúmico do sólido for inferior ao peso volúmico do fluido deslocado, a impulsão hidrostática será superior ao peso do corpo, e este virá para a superfície, ficando com uma parte fora do fluido até que a impulsão correspondente ao volume parcial mergulhado seja igual ao peso de todo o corpo. Um corpo nestas condições diz-se flutuante.

Um plano capaz de separar um volume tal que a impulsão hidrostática correspondente seja igual ao peso do corpo chama-se plano de flutuação. Chama-se carena ao volume separado do sólido por um dos planos de flutuação. Chama-se centro de carena ao centro de gravidade de uma carena.

Há uma infinidade de planos de flutuação, e consequentemente, uma infinidade de centros de carena. No projeto de navios e de barcos tem grande importância determinar as condições em que o equilíbrio é estável e qual o período de oscilação, se o houver. Na instrumentação este aspecto não é muito


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importante, na medida em que os flutuadores utilizados na determinação do nível estão mecanicamente ligados a uma estrutura, não tendo possibilidade de tomar posições contrárias à ligação.

Classificação dos sensores

A classificação dos sensores de nível pode ser efetuada de várias formas:

1. Sensores locais (indicadores), 2. Sensores remotos,3. Sensores de flutuador, 4. Sens. de deslocamento5. S. de pressão, 6. S. eletrônicos,7. S de leitura direta, 8. S. de leitura calculada,9. S. para medida contínua, 10. Sensor on off,11. S. invasivos, 12. S. não invasivos,13. S. por radiação, 14. S. ultra-sônicos, etc.

Para efetuar a aquisição de dados é necessário dispor de sensores que forneçam um sinal elétrico, que é conduzido ao local onde se efetua a aquisição. No entanto, como ainda há muitos indicadores locais, e em determinados casos continuará a haver, por questões de segurança ou de conveniência, também serão descritos aqui estes sensores de nível. Para todoseles será feita a apresentação de acordo com o método utilizado na transdução.

Tubo de visualização

O tubo de visualização (sight glass) é um sistema é constituído por um tubo vertical, exterior ao reservatório do qual se quer medir o nível. (Fig. 6.2). O tubo constitui um manômetro diferencial que mede diretamente, em altura da coluna líquida, a diferença de pressão entre as suas extremidades inferior e superior.

A vantagem deste dispositivo consiste em dispor de um instrumento em que a leitura é direta, e portanto é insensível à variação de outros parâmetros como a temperatura do líquido, a pressão e a densidade.

Fig. 6.2 - Tubo indicador de nível

O tubos de visualização têm algumas limitações: não podem ser utilizados com líquidos muito viscosos, com líquidos que possam solidificar dentro do tubo ou que contenham sólidos em suspensão que o possam obstruir. Para tanques muito altos também não são práticos, na medida em que deixa de se poder estar junto da superfície de separação para visualizar o valor. Também não são indicados para tanques de pequenas dimensões que estejam em locais que inacessíveis.

A constituição destes indicadores pode ser bastante elaborada, como se pode constatar pelos exemplos seguintes:


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1. Em muitos casos, para impedir fugas do produto no caso de haver quebra do indicador, há duas pequenas válvulas (esferas na figura) que bloqueiam a saída do reservatório se houver uma diferença de pressão entre o reservatório e o exterior.

2. O tubo pode ter um revestimento metálico de proteção, deixando apenas uma ranhura vertical em frente da escala calibrada.

3. Por vezes o tubo indicador é ligado ao processo através de válvulas manuais de isolamento, a fim de permitir a retirada do tubo de visualização com o tanque em serviço.

4. Em alguns processos com reservatórios abertos, para evitar a obstrução do tubo com resíduos sólidos, adiciona-se pelo topo do tubo indicador um pequeno caudal de água ou outro líquido. O nível praticamente não sobe no tubo e o caudal adicionado efetua a limpeza no fundo do tubo, no sentido do processo. Claro que o método só pode ser utilizado em processos onde seja possível juntar um líquido do mesmo tipo.

5. Por vezes no fundo do tubo indicador existe uma válvula de dreno que permite limpar o sistema de medida de resíduos acumulados.

6. Em instalações de alta pressão o tubo de vidro poderá ter paredes com 2 ou 3 centímetros de espessura e a sua proteção é normalmente dupla, sendo um dos revestimentos destinados à proteção de pressão e o outro à de temperatura.

7. Há sistemas para utilização em locais pouco iluminados ou com líquidos transparentes. Usam um tubo de vidro com ranhuras verticais no seu interior. A proteção do tubo é iluminada interiormente, ficando apenas visível o interior da proteção na zona sem líquido, aparecendo a zona com líquido em tom escuro.

8. Por vezes o tubo é opaco e contém um flutuador magnético que faz mover uma peça exterior.

Os tubos de visualização não são normalmente acoplados a transmissores.Por vezes o reservatório não permite a utilização de um tubo de visualização, ou então não é

conveniente a sua aplicação: é o que acontece em de depósitos subterrâneos ou em tanques de navios. Nestes casos, o método clássico de medição de nível consiste na introdução de uma vareta ou então de um cabo de aço até ao fundo do reservatório, medindo-se o comprimento molhado. Este método é ainda hoje utilizado em tanques de combustível subterrâneos e na medição do nível do óleo de motores de automóveis. Em reservatórios de altura elevada, utiliza-se um peso suspenso por um cabo, que é enrolado por meio de uma manivela a uma bobina com conta-metros. A partir do topo do reservatório desenrola-se o cabo até que o peso toque no fundo, e a seguir enrola-se até se notar onde é que começou a ficar em contacto com o líquido, tomando-se nota do comprimento enrolado.

Reservatório com flutuador

Muitos dos dispositivos de medida de nível utilizam um flutuador. Uma aplicação muito comum é a da medida da quantidade de combustível no depósito de um automóvel (Fig. 6.3). O dispositivo consta de um flutuador ligado a um braço que pode rodar em torno de um ponto P. O braço está ligado a um potenciômetro. A variação de nível do depósito faz variar a posição do braço, e este por sua vez a do potenciômetro. A indicação deste dispositivo não é linear.

Fig. 6.3 - Medida de nível por meio de flutuador

Um dispositivo de flutuador mais elaborado, utilizado em algumas instalações industriais, em tanques de altura tipicamente inferior a 5-6 metros, é o flutuador com contrapeso, que se representa na Fig. 6.4. O flutuador está ligado a um contrapeso por meio de um cabo flexível que passa por uma roldana.


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No exterior do tanque existe uma escala graduada diretamente em nível. Repare-se que a graduação da escala se encontra invertida em relação ao nível no tanque.

Por vezes este dispositivo tem uma roldana ligada, por meio de um desmultiplicador, a um potenciômetro de medida, efetuando-se assim a conversão do nível num sinal elétrico.

Fig. 6.4 - Indicador com flutuador e contrapeso. Fig. 6.5 - Indicador com colar flutuador magnético

Quando a altura do depósito é elevada, maior do que 5-6 metros, utiliza-se um dispositivo com flutuador em que o cabo, do lado exterior do tanque e a uma altura do solo conveniente para efetuar a leitura, está enrolado por meio de um sistema de mola, ligado a um indicador, analógico ou digital, que indica o comprimento do cabo enrolado, ou seja, o nível do tanque.

Este dispositivo aparece muitas vezes acoplado a um potenciômetro de medida.Em reservatórios onde o líquido possa estar com alguma agitação, o flutuador deve ser guiado por

meio de dois cabos de aço esticados e paralelos.Se o líquido for corrosivo ou demasiado viscoso, se puder haver ataque químico ao cabo, ou haver

depósitos ou incrustações sobre este, que possam dificultar ou impedir o seu movimento sobre as roldanas, usa-se um tubo separador, como se mostra na Fig. 7.5. O tubo vertical é constituído por um material não ferromagnético. No seu interior apenas existe ar. Em vez do flutuador há um peso de ferro macio no interior do tubo e que segue o movimento de um anel magnético que circunda o tubo. Este anel, revestido por uma proteção anti-corrosiva, é o flutuador propriamente dito. Existe assim uma separação entre o interior do tanque e o seu exterior. Este tipo de dispositivos pode ser utilizado em processos abertos ou fechados (pressurizados).

Por vezes estes sensores de nível são apenas do tipo on-off, indicando apenas nível mínimo ou nível máximo.

Com muita freqüência utiliza-se um flutuador ligado a um cabo elétrico. Se o nível atingir um valor mínimo, o flutuador assenta no fundo do reservatório e, devido à sua forma, muda de posição, ativando um interruptor que se encontra no seu interior. O cabo elétrico serve apenas para transmitir o sinal do contacto, não para suspender o flutuador. Com o auxílio de um cabo de suspensão pode ajustar-se o nível a que se ativa/desativa este interruptor.

Uma outra utilização em que o dispositivo de flutuador é muito útil consiste na medição do nível correspondente à superfície de separação de dois líquidos não miscíveis (Fig. 6.6).

A densidade do flutuador é determinada a partir do conhecimento prévio aproximado das densidades dos líquidos cuja cota da superfície de separação se pretende determinar. Deverá ser intermédia destas. Este dispositivo tem a vantagem de não exigir uma boa definição na superfície de separação dos líquidos.


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Fig. 7.6 - Indicador da superfície de separação de dois líquidos.

Dispositivos de deslocamento variável

O funcionamento dos sensores de nível por deslocamento variável baseia-se no teorema de Arquimedes. Um cilindro com um comprimento um pouco superior à gama de medida encontra-se parcialmente imerso no líquido do qual se pretende medir o nível. A impulsão vertical, de baixo para cima, exercida pelo líquido sobre o cilindro, é variável, dependendo da altura imersa.

Na Fig. 6.7 representa-se o esquema de princípio de um destes dispositivos para três valores denível diferentes, baixo, médio e alto.

A desvantagem do dispositivo está em que a indicação depende da densidade do líquido.Designando por L a altura do líquido deslocado, por d o diâmetro do cilindro imerso e por γ o peso

volúmico do líquido, a força de impulsão, Fv, é dada por

( 6.7 )

Se for P o peso do cilindro sem haver líquido, a balança indicará um peso aparente, Pa,

( 6.8 )

Uma vez que L é proporcional ao nível do tanque, as equações (7.7) e (7.8) mostram que a indicação da balança é proporcional ao nível, e de sentido contrário, existindo ainda uma componente constante, P. A balança utilizada para esta finalidade deverá pois ter a escala calibrada em sentido contrário ao do peso e um ajuste de zero bastante amplo, que desconte o valor do peso do cilindro.

O peso aparente dos flutuadores pode ser medido de várias maneiras, sendo correntes a balançade mola e o tubo de torção. Em qualquer destes casos o nível pode ser convertido facilmente num sinal elétrico.


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Fig. 6.7 - Princípio do sensor de deslocamento variável

Nível por pressão hidrostática

Este tipo de sensor é o mais utilizado na indústria, por ser de fácil instalação, fiável e barato.Baseia-se na equação fundamental da hidrostática, traduzida atrás pela equação (6.5). O sistema

aplica-se quando há apenas um líquido no reservatório e o seu peso volúmico é bem determinado. O reservatório pode ser pressurizado. Este método apresenta algumas variantes, indicadas a seguir. Segundo estimativas efetuadas, 75 % a 85 % dos dispositivos instalados na indústria, a nível mundial, para a medição de nível, utilizam sensores de pressão(2).

Tubo de borbulhamento

Reservatórios abertos.

Trata-se de um tubo mergulhado no líquido do qual se pretende medir o nível (Fig. 6.8). Injeta--se um pequeno caudal de ar no tubo, até este começar a borbulhar pelo extremo inferior. O fato de haver borbulhamento indica que a pressão dentro do tubo é igual à pressão do líquido junto ao extremo inferior do tubo. Um aumento do caudal de ar injetado para dentro do tubo não produz nenhum aumento de pressão, apenas aumenta o escape de ar. Um indicador de pressão ligado ao tubo indica pois a pressão do líquido junto ao extremo inferior do tubo. A pressão poderá ser expressa em altura de coluna líquida, indicando assim o valor do nível.

Como normalmente a extremidade inferior do tubo de borbulhamento não se encontra visível, para garantir que há borbulhamento utiliza-se um pequeno indicador de caudal de ar.

Fig. 6.8 - Nível por borbulhamento. Reservatórios abertos.


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Reservatórios fechados.

O tubo de borbulhamento pode também ser aplicado a reservatórios fechados, desde que a pressão no seu interior não seja demasiado elevada (Fig. 6.9). O ar, além de ser injetado no tubo de borbulhamento é também introduzido no espaço sobre a superfície livre do líquido. O sensor de pressão aqui usado como indicador do nível deverá ser diferencial.

Fig. 6.9 - Nível por borbulhamento Reservatórios fechados.

Nível por transmissor de pressão

Na medição de nível com transmissor de pressão coloca-se um sensor de pressão no fundo do tanque, sensor que deve ser calibrado em altura de coluna de líquido, ou seja, em nível. A instalação do sensor de nível não difere da de um sensor de pressão. O sistema é habitualmente utilizado com transmissor.

No caso do reservatório ser fechado, utiliza-se um sensor de pressão diferencial (Fig. 6.10), sendo a ligação para a pressão mais alta efetuada junto ao fundo do tanque e a outra junto ao topo, em contacto com a fase gasosa. À tomada de pressão colocada ao nível mais baixo, em contacto com a fase líquida, e onde a pressão é mais elevada, chama-se entrada alta. À tomada de pressão em contacto com a fase gasosa chama-se entrada baixa. Neste tipo de instalação é preciso ter o cuidado de garantir que a tomada de pressão ligada ao topo do reservatório não acumula liquido, que poderá originar erros de medida grosseiros.

Um método utilizado para compensar este tipo de erros consiste em encher a tomada baixa do sensor com líquido do reservatório, e efetuar a compensação da variação de pressão originada por esta coluna líquida adicional. Neste caso a pressão na tomada baixa será superior à pressão na tomada alta.No entanto o método mais eficaz utilizado para impedir a entrada de condensados na entrada baixa do sensor, consiste na utilização de um sensor de pressão diferencial com diafragmas de isolamento e capilares, tal como está representado na Fig. 6.10. O problema que é preciso solucionar, e já se punha quando se enchia com líquido a tomada baixa, é o do ajuste do zero, também chamado elevação do zero. Com efeito, da observação da Fig. 6.10 conclui-se que o peso volúmico do líquido capilar da entrada baixa, γ0 , é bastante importante. Independentemente do seu percurso corresponde à altura h4. Tem-se assim para valor da pressão diferencial do sensor, Pd,

( 6.9 )

Onde

( 6.10 )

Como se pretende ter h proporcional a Pd, sem offset, deverá ser introduzido um ajuste de zero P0, que cancele os termos constantes do 2º termo de (6.10), ou seja

( 6.11 )


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Ficando nestas condições

( 6.12 )

O sensor de pressão indicará zero quando o valor de h (nível em relação a uma determinada referência) for zero.

Fig. 6.10 - Sensor de pressão diferencial para medição de nível num reservatório fechado.

Sensores capacitivos

Princípio de funcionamento

Estes sensores são basicamente constituídos por dois eletrodos parcialmente mergulhados no líquido do qual se pretende determinar o nível, medindo-se a capacidade. No caso de dois eletrodos cilíndricos mergulhados num líquido (Fig. 6.11), designando por

h - comprimento dos eletrodos mergulhado, D - distância entre os eletrodos,d1, d2 - diâmetro dos elétrodos, ε - constante dielétrica do líquido,

Fig. 7.11 - Esquema básico do sensor de condutividade (e de capacidade)

a expressão da capacidade entre os eletrodos é dada pela expressão


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( 6.13 )

Para uma determinada configuração (parâmetros d1, d2, D fixos), obtém-se:

( 6.14 )

à altura imersa dos eletrodos, ou seja, ao nível.A constante dielétrica dos líquidos é mais bem definida do que a condutividade, pelo que

habitualmente não há necessidade de efetuar a sua compensação automática com a introdução de um elétrodo adicional. Nestes sensores a configuração dos elétrodos é também muito variada, havendo fundamentalmente a considerar dois tipos de circuitos, um para líquidos isolantes e outro para líquidos condutores.

Sensores de ultra-sons

O sensor de nível de ultra-sons mede o tempo de propagação de impulsos ultra-sônicos entre a superfície cujo nível se quer medir e um ponto de referência, onde se encontra o sensor (Fig. 6.12).

Fig. 6.12 - Esquema de princípio de um sensor ultra-sônico.

O sensor é constituído por um emissor de ultra-sons (20 - 50 kHz), correntemente constituído por um cristal piezoelétrico, colocado no interior do reservatório, de forma que ao vibrar envia um sinal em direção à superfície cujo nível se quer medir. Ao incidir sobre esta, parte do sinal é refletido, sendo reenviado em sentido contrário ao inicial, indo a reflexão atingir o detector de ultra-sons. O sensor mede o tempo de propagação entre os impulsos emitidos e refletidos correspondentes (Fig. 6.13). Cada impulso é constituído por um sinal sinusoidal com uma determinada duração, contendo um determinado número de ciclos. A distância entre impulsos está limitada pelo tempo de propagação, ou seja, pela gama de medida mais a zona morta no topo do tanque.

Representando por:

h – nível do líquido,hmax - nível máximo do líquido,hmin - nível mínimo,H - distância do sensor ao fundo do tanque,v - velocidade de propagação do som,tp - tempo de propagação dos impulsos, desde que saem do emissor até a que a sua reflexão atinge o detector,

tem-se:

( 6.15 )


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A freqüência de emissão dos impulsos, fe, não deverá ser demasiado alta, de modo a receber-se o eco antes de ser enviado novo impulso. O caso mais desfavorável ocorre quando o nível se encontra no mínimo, e nestas condições deverá ser fe = 1 / (tp max+duração + margem).

A título de exemplo, para um tanque com H = 17.3 metros e hmin = 0.3 metros, o tempo de propagação é de 2 x (17.3-0.3) / 340 = 0.1 segundos. Se o sensor emitir a 20 kHz, um impulso com a duração de 1 ms contém 20 ciclos de sinusóide (quantidade suficiente para que o detector reconheça a existência do sinal refletido). Guardando uma margem de segurança de 0.1 segundos, ter-se-á fe = 1/(0.1+0.001+0.1) = 5 Hz

Fig. 6.13 - Impulsos e tempo de propagação num sensor ultra-sónico.

O sensor apresenta por vezes alguma dificuldades de operação, nomeadamente quando:

- O fator de reflexão da superfície de nível é baixo,- A superfície contém espuma, o que dificulta a sua definição,- Entre a superfície livre do líquido e o sensor se formam gases, que absorvem os ultra-sons ou modificam a sua velocidade de propagação.

Estas perturbações dependem da freqüência dos ultra-sons utilizados, podendo ocorrer para determinada gama de freqüências e não existir para outra. Por esta razão alguns sensores utilizam mais do que uma freqüência de ultra-sons em simultâneo.

O sistema pode ser utilizado em medições contínuas ou on-off. Para este último caso há uma configuração mais simples do que a apresentada, baseada apenas na interceptação do feixe ultra-sônico:

O receptor é colocado no reservatório do lado oposto ao do emissor e ao mesmo nível que este. É a presença do líquido a medir que corta a passagem do feixe. O método utiliza-se para a detecção de níveis máximos e mínimos.

Por vezes o sensor é estanque e é colocado no fundo do reservatório, enviando o sinal de baixo para cima em direção à superfície do líquido. Embora a instalação seja mais delicada e o sensor mais caro, o método tem a vantagem de ser imune aos gases que se formam sobre a superfície líquida e de ser menos perturbado com a presença de espuma à superfície.

A gama de medida corrente dos sensores se ultra-sons é de 15 cm a 60 m e a sua precisão melhor do que 0.2 % da gama de medida.

Existem outros tipos de sensores, como;

Sensores radioativosSensores por radarDetector gravimétricoSensor por medição binárioLâmina vibranteSensores por condutividade


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Capítulo 07 – Temperatura

INTRODUÇÃO

O objetivo de se medir e controlar as diversas variáveis físicas em processos industriais é obter produtos de alta qualidade, com melhores condições de rendimento e segurança, a custos compatíveis com as necessidades do mercado consumidor.

Nos diversos segmentos de mercado sejam, eles químico, petroquímico, siderúrgico, cerâmico, farmacêutico, vidreiro, alimentício, papel e celulose, hidrelétrico, nuclear entre outros, a monitoração da variável Temperatura é fundamental para a obtenção do produto final especificado.

Termometria significa "Medição de Temperatura". Eventualmente o termo Pirometria é também aplicado com o mesmo significado, porém, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir:

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.

Termometria - Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria, como a Criometria que seriam casos particulares de medição.

TEMPERATURA E CALOR

Todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas, as moléculas que se encontram em contínuo movimento. Quanto mais rápido o movimento das moléculas mais quente se apresenta o corpo e quanto mais lento mais frio se apresenta o corpo.

Então defini-se Temperatura como o grau de agitação térmica das moléculas.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.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.

Calor é energia em trânsito ou a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura.

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 inadequação destes sentidos sob ponto de vista científico.

ESCALAS DE TEMPERATURA

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.

Em 1706 Daniel Gabriel Fahrenheit, um fabricante de termômetros de Amsterdã, definiu uma escala de temperatura, a qual possui 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 que é encontrada (Temperatura) 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 foram 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 ebulição da água e 100 no ponto de fusão do gelo, no ano seguinte Christian de Lyons independentemente sugeriu a familiar escala centígrada (atualmente chamada escala Celsius).


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Escalas

As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram 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. Toda temperatura na escala Fahrenheit é identificada com o símbolo "°F" colocado após o número (ex. 250°F).

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, devendo ser evitado o seu uso.

A identificação de uma temperatura na escala Celsius é feita com o símbolo " °C " colocado após o número (Ex.: 160°C).

Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit, são relativas, ou seja, os seus valores numéricos de referência são totalmente arbitrários.

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 todo movimento atômico, é o zero absoluto de temperatura.

Através da extrapolação das leituras do termômetro à gás, pois os gases se liquefazem antes de atingir o zero absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto na escala Celsius em -273,15°C.

Existem escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no zero absoluto de temperatura.

Existem duas escalas absolutas atualmente em uso; a Escala Kelvin e a 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 " ° "). Rankine ==> 785R.

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.

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 Reamur, 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 - °Re).

Conversão de escalas

A figura à seguir, compara as escalas de temperaturas existentes

Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas:


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CELSIUS x FAHRENHEIT( °C/5 ) = ( °F – 32 )/9

CELSIUS x KELVINK = 273,15 + °C

FAHRENHEIT x RANKINER = 459,67 + °F

KELVIN x RANKINEK = ( R x 5 )/9

Outras relações podem ser obtidas combinando as apresentadas entre si.

Escala Internacional de Temperatura

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. São chamados de pontos fixos de temperatura.

Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prática Internacional de Temperatura. A primeira escala prática internacional de temperatura surgiu em 1927 modificada em 1948 (IPTS-48). Em 1960 mais modificações foram feitas e em 1968 uma nova Escala Prática Internacional de Temperatura foi publicada (IPTS-68).

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.

Os pontos fixos utilizados pela IPTS-68 são dados na tabela abaixo

ESTADO DE EQUILÍBRIO TEMPERATURA (°C)Ponto triplo do hidrogênio -259,34Ponto de ebulição do hidrogênio -252,87Ponto de ebulição do neônio -246,048Ponto triplo do oxigênio -218,789Ponto de ebulição do oxigênio -182,962Ponto triplo da água 0,01Ponto de ebulição da água 100,00Ponto de solidificação do zinco 419,58Ponto de solidificação da prata 916,93Ponto de solidificação do ouro 1064,43

Observação


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Ponto triplo é o ponto em que as fases sólida, líquida e gasosa encontram-se em equilíbrio.

A ainda atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34°C, baseada em pontos de fusão, ebulição e pontos triplos de certas substâncias puras como por exemplo o ponto de fusão de alguns metais puros.

Hoje já existe a ITS-90 Escala Internacional de Temperatura, definida em fenômenos determinísticos de temperatura e que definiu alguns pontos fixos de temperatura.

Com o desenvolvimento tecnológico diferente em diversos países, criou-se uma série de normas e padronizações, cada uma atendendo uma dada região.

As mais importantes são:

ISA - AMERICANADIN - ALEMÃJIS - JAPONESABS - INGLESAUNI - ITALIANA

Para atender as diferentes especificações técnicas na área da termometria, cada vez mais se somam os esforços com o objetivo de unificar estas normas. Para tanto, a Comissão Internacional Eletrotécnica - IEC, vem desenvolvendo um trabalho junto aos países envolvidos neste processo normativo, não somente para obter normas mais completas e aperfeiçoadas mas também de prover meios para a internacionalização do mercado de instrumentação relativo a termopares.

Como um dos participantes desta comissão, o Brasil através da Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT, está também diretamente interessado no desdobramento deste assunto e vem adotando tais especificações como Normas Técnicas Brasileiras.

MEDIDORES DE TEMPERATURA POR DILATAÇÃO/EXPANSÃO

TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO

Características

Os termômetros de dilatação de líquidos, baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado.

A equação que rege esta relação é:

Vt = Vo.[ 1 +β1.(Δt) + β2.(Δt)2 + β3.(Δt)3 ]

onde:

t = Temperatura do líquido em OCVo = Volume do líquido à temp. de referência toVt = Volume do líquido à temperatura tβ1, β2, β3 = Coeficiente de expansão do líquido oC-1Δt = t - to

Teoricamente esta relação não é linear, porém como os termos de segunda e terceira ordem são desprezíveis, na prática consideramos linear. E daí:

Vt = Vo.( 1 + β.Δt)


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Os tipos podem variar conforme sua construção:

.Recipiente de vidro transparente

.Recipiente metálico

Termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro

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 temp. ultrapassar seu limite máximo.

Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada 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.

Os líquidos mais usados são: Mercúrio, Tolueno, Álcool e AcetonaNos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico e o tubo capilar por

um invólucro metálico.

No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550OC injetando-se gás inerte sob pressão, evitando a vaporização do mercúrio.

Por ser frágil e impossível registrar sua indicação ou transmiti-la à distância, o uso deste termômetro é mais comum em laboratórios ou em indústrias quando com proteção metálica.

Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico.

Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico).


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Características dos elementos básicos deste termômetro:

Bulbo

Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e principalmente com a sensibilidade desejada.

A tabela abaixo, mostra os líquidos mais usados e sua faixa de utilização

Capilar

Suas dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de evitar a influencia da temperatura ambiente, porém não deve oferecer resistência a passagem do líquido em expansão.

Elemento de Medição

O elemento usado é o Tubo de Bourdon, podendo ser :


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Os materiais mais usados são: bronze fosforoso, cobre - berílio , aço - inox e aço - carbono.Pelo fato deste sistema utilizar líquido inserido num recipiente e da distância entre o elemento

sensor e o bulbo ser considerável, as variações na temperatura ambiente afetam não somente o líquido no bulbo, mas em todo o sistema (bulbo, capilar e sensor) causando erro de indicação ou registro. Este efeito da temperatura ambiente é compensado de duas maneiras que são denominadas classe 1A e classe 1B.

Na classe 1B a compensação é feita somente no sensor, através de uma lamina bimetálica. Este sistema é normalmente preferido por ser mais simples, porém o comprimento máximo do capilar para este sistema de compensação é de aproximadamente 6 metros.

Quando esta distância for maior o instrumento deve possuir sistema de compensação classe 1A, onde a compensação é feita no sensor e no capilar, por meio de um segundo capilar ligado a um elemento de compensação idêntico ao de medição, sendo os dois ligados em oposição.

O segundo capilar tem comprimento idêntico ao capilar de medição, porém não está ligado a um bulbo.

A aplicação destes termômetros, se encontra na indústria em geral para indicação e registro, pois permite leituras remotas e por ser o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de temperatura, porém não é recomendável para controle por causa de seu tempo de resposta ser relativamente grande (mesmo usando fluido trocador de calor entre bulbo e poço de proteção para diminuir este atraso conforme figura abaixo). O poço de proteção, permite manutenção do termômetro com o processo em operação.

Recomenda-se não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se forme restrições que prejudicariam o movimento do líquido em seu interior, causando problemas de medição.

TERMÔMETROS À PRESSÃO DE GÁS


Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos.


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O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão conforme, aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão. A Lei de Gay-Lussac, expressamatematicamente este conceito:

Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante.

Características

O gás mais utilizado é o N 2 e geralmente é enchido com uma pressão de 20 a 50 atm., na temperatura mínima a medir. Sua faixa de medição vai de -100 a 600 oC, sendo o limite inferior devido a própria temperatura crítica do gás e o superior proveniente do recipiente apresentar maior permeabilidade ao gás nesta temperatura , o que acarretaria sua perda inutilizando o termômetro.

Tipos de gás de enchimento

TERMÔMETRO À PRESSÃO DE VAPOR

Principio de funcionamento

Sua construção é bastante semelhante ao de dilatação de líquidos, baseando o seu funcionamento na Lei de Dalton:

"A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume"


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Portanto para qualquer variação de temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás liqüefeito colocado no bulbo do termômetro e, em conseqüência disto, uma variação na pressão dentro do capilar.

A relação existente entre tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmica e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura em:

log P1 /P 2 = H e . ( 1/T 1 - 1/T2 ) / 4,58

onde:

P1 e P 2 = Pressões absolutas relativas as temperaturasT1 e T2 = Temperaturas absolutasH e = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão

A tabela a seguir, mostra os líquidos mais utilizados e seus pontos de fusão e ebulição

TERMÔMETROS À DILATAÇÃO DE SÓLIDOS (TERMÔMETROS BIMETÁLICOS)


Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. Sendo:

Lt = Lo. ( 1 + α.Δt)

onde:

t= temperatura do metal em oCLo = comprimento do metal à temp. de referência t oLt = comprimento do metal á temp. tα = coeficiente de dilatação linearΔt= t - t o

Características de construção

O termômetro bimetálico consiste em duas laminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional a temperatura.

Na prática a lamina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade.


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O termômetro mais usado é o de lamina helicoidal, e consiste em um tubo bom condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala.

Normalmente usa - se o invar (aço com 64% Fe e 36% Ni) com baixo coeficiente de dilatação e o latão como metal de alto coeficiente de dilatação.

A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -50 a 800 oC, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/- 1%

MEDIÇÃO DE TEMPERATURA POR TERMOPAR

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

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

O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m.. Este princípio conhecido por efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura.


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Nas aplicações práticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura acima. O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura ( ΔT ) existente entre as juntas quente e fria, será de um modo geral indicado, registrado ou transmitido.

EFEITOS TERMOELÉTRICOS

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

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

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

EFEITO TERMOELÉTRICO DE SEEBECK

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

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metal difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções e estas são mantidas a diferentes temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos diferentes.

EFEITO TERMOELÉTRICO DE PELTIER

Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas as junções a mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas da junções variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule.

Esta variação adicional de temperatura é o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior como pelo próprio par termoelétrico.


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O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção, sendo independente da temperatura da outra junção .O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto.

EFEITO TERMOELÉTRICO DE THOMSON

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

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

O efeito Thomson depende do metal de que é feito o fio e da temperatura média da pequena região considerada. Em certos metais há absorção de calor, quando uma corrente elétrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que há geração de calor quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto é, há liberação de calor quando uma corrente elétrica flui da parte quente para a parte fria do metal.

Conclui-se que, com a circulação de corrente ao longo de um fio condutor, a distribuição de temperatura neste condutor se modificará, tanto pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.

EFEITO TERMOELÉTRICO VOLTA

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

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

LEIS TERMOELÉTRICAS

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

LEI DO CIRCUITO HOMOGÊNEO

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

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

LEI DOS METAIS INTERMEDIÁRIOS

" A soma algébrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver a mesma temperatura". Deduz-se daí que um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em


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qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.

Onde se conclui que:

Se: T3 = T4 --> E1 = E2 T3 = T4 --> E1 = E2

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

LEI DAS TEMPERATURAS INTERMEDIÁRIAS

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

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

CORRELAÇÃO DA F.E.M. EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA

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


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

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

TIPOS E CARACTERÍSTICAS DOS TERMOPARES

Existem várias combinações de 2 metais condutores operando como termopares. As combinações de fios devem possuir uma relação razoavelmente linear entre temperatura e f.e.m.; devem desenvolver uma f.e.m. por grau de mudança de temperatura, que seja detectável pelos equipamentos normais de medição.

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

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

Podemos dividir os termopares em três grupos, a saber:

- Termopares Básicos- Termopares Nobres- Termopares Especiais

TERMOPARES BÁSICOS

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

T I P O T

Nomenclaturas: T - Adotado pela Norma ANSICC - Adotado pela Norma JIS

Cu - CoCobre - ConstantanLiga: ( + ) Cobre - ( 99,9 % )

( - ) Constantan - São as ligas de Cu-Ni compreendidos no intervalo entre Cu ( 50 % ) e Cu (65 % ) Ni ( 35 % ). A composição mais utilizada para este tipo de termopar é de Cu ( 58 % ) e Ni (42 % ).

Características:

Faixa de utilização: - 184 a 370 °CF.e.m. produzida: - 5,333 a 19,027 mV

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


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T I P O J

Nomenclaturas: J - Adotada pela Norma ANSIIC - Adotada pela Norma JIS

Fe-CoFerro - ConstantanLiga: ( + ) Ferro - ( 99,5 % )

( - ) Constantan - Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ), normalmente se produz o ferro a partir de sua característica casa-se o constantan adequado.

Características:

Faixa de utilização: 0 a 760 °Cf.e.m. produzida: 0 a 49,922 mV

Aplicações: Centrais de energia, Metalúrgica, Química, Petroquímica, indústrias em geral.

TIPO E

Nomenclatura: E - Adotada pela Norma ANSICE - Adotada pela Norma JIS

NiCr-Co

Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % )( - ) Constantan - Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % )

Características:


Aplicações: Química e Petroquímica

T I P O K

Nomenclaturas: K - Adotada pela Norma ANSICA - Adotada pela Norma JIS

Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % )( - ) Alumel - Ni( 95,4 % ), Mn( 1,8 % ), Si( 1,6 % ), Al( 1,2 % )

Características:


Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e Cal, Vidros, Cerâmica, Indústrias em geral.

TERMOPARES NOBRES

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

T I P O S

Nomenclaturas: S - Adotada pela Norma ANSIPt Rh 10 % - Pt


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Liga: ( + ) Platina Rhodio 10 %( - ) Platina 100 %

Características:


Aplicações: Siderúrgica, Fundição, Metalúrgica, Usina de Cimento, Cerâmica, Vidro e Pesquisa Científica.

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

T I P O R

Nomenclaturas: R - Adotada pela Norma ANSIPtRh 13 % - Pt

Liga: ( + ) Platina 87 % Rhodio 13 %( - ) Platina 13 %

Características:

Faixa de utilização: 870 a 1705 °Cf.e.m. produzida: 3,708 a 12,485 mV

Aplicações: As mesmas do tipo S

T I P O B

Nomenclaturas: B - Adotada pela Norma ANSIPtRh 30 % - PtRh 6 %

Liga: ( + ) Platina 70 % Rhodio 30 %( - ) Platina 94 % Rhodio 6 %

Características:

Faixa de utilização: 870 a 1705 °Cf.e.m. produzida: 3,708 a 12,485 mV

Aplicações: Vidro, Siderúrgica, alta temperatura em geral.

NOVOS TIPOS DE TERMOPARES

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

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

TUNGSTÊNIO - RHÊNIO

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

IRÍDIO 4 0 % - RHODIO / IRÍDIO

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

PLATINA - 4 0% RHODIO / PLATINA - 2 0 % R H O D I O


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

OURO- FERRO / CHROMEL

Esses termopares são desenvolvidos para trabalhar em temperaturas criogênicas.

NICROSIL / NISIL

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

Correção da Junta de Referência

As tabelas existentes da f.e.m. gerada em função da temperatura para os termopares, têm fixado a junta de referência a 0 °C ( ponto de solidificação da água ), porém nas aplicações práticas dos termopares junta de referência é considerada nos terminais do instrumento receptor e esta se encontra a temperatura ambiente que é normalmente diferente de 0 °C e variável com o tempo, tornando assim necessário que se faça uma correção da junta de referência, podendo esta ser automática ou manual.

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

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

É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as temperaturas das junções. Então para medirmos a temperatura do ponto desejado precisamos manter a temperatura da junção de referência invariável.

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

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

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

automática, portanto:

FEM= mV JM – mV JR + mV CA (Compensação automática)FEM = 2,25 - 1,22 + 1,22FEM = 2,25 mV 50 °C

A leitura agora está correta, pois 2,25 mV corresponde a 50 °C que é a temperatura do processo.


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Hoje em dia a maioria dos instrumentos fazem a compensação da junta de referência automaticamente. A compensação da junta de referência pode ser feita manualmente. Pega-se o valor da mV na tabela correspondente a temperatura ambiente e acrescenta-se ao valor de mV lido por um milivoltímetro.

Fios de Compensação e Extensão

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

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

Definições:

1- Convenciona-se chamar de fios aqueles condutores constituídos por um eixo sólido e de cabos aqueles formados por um feixe de condutores de bitola menor, formando um condutor flexível.

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

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

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

Erros De Ligação

Usando fios de cobre

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

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

Vejamos o que acontece quando esta norma não é obedecida.

Uma solução simples é que normalmente é usada na prática, será a inserção de fios de compensação entre o cabeçote e o registrador . Estes fios de compensação em síntese, nada mais são que


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outros termopares cuja função é compensar a queda da FEM que aconteceu no caso estudado, ocasionada pela diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador.

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

Como no caso acima, a FEM efetiva no cabeçote é de 20,74 mV. Dela, até o registrador, são utilizados fios de extensão compensados, os quais adicionam à FEM uma parcela igual a 0,57 mV, fazendo assim com que chegue ao registrador uma FEM efetiva de 22,26 mV. Este valor corresponderá a temperatura real dentro do forno ( 538 °C ). A vantagem desta técnica provém do fato de que os fios de compensação, além de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, também são mais resistentes.

Inversão simples

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

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

Inversão dupla

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


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Termopar De Isolação Mineral

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

Vantagens dos termopares de isolação mineral

A. Estabilidade Na Força Eletromotriz

B. Resistência Mecânica

C. Dimensão Reduzida

D. Imperpeabilidade A Água , Óleo E Gás

E. Facilidade De Instalação

F. Adaptabilidade

G. Resposta Mais Rápida

H. Resistência A Corrosão

I. Resistência De Isolação Elevada

J. Blindagem Eletrostática


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Associação De Termopares

Associação série

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

O instrumento de medição pode ou não compensar a mV da junta de referência. Se compensar deverá compensar uma mV correspondente ao no. de termopares aplicados na associação.

Exemplo.: 3 termopares mVJR = 1 mV compensa 3 mV

Associação série – oposta

Para medir a diferença de temperatura entre 2 pontos ligamos os termopares em série oposta.O que mede maior temperatura vai ligado ao positivo do instrumento.Os termopares sempre são do mesmo tipo. Exemplo:

Os termopares estão medindo 56 °C e 50 °C respectivamente, e a diferença será medida pelo milivoltímetro.

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

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


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Associação em paralelo

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

Medição de Temperatura por termoresistência

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

Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas condições de alta

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

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

Princípio De Funcionamento

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

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

A equação que rege o fenômeno é a seguinte:

Para faixa de -200 a 0 oC:Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T2 + C . T3 . ( T – 100 ) ]Para faixa de 0 a 850 oC:Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T2 ]

onde:

Rt = resistência na temperatura T ()R0= resistência a 0 oC ()T = temperatura (oC )A , B , C = coeficientes inerentes do material empregado

A = 3,90802 . 10-3 B = -5,802 . 10-7

C = -4,2735 . 10-12

O número que expressa a variação de resistência em função da temperatura é chamado de alfa () e se relaciona da seguinte forma:

Um valor típico de alfa para R100 = 138,50 é de 3,850.10-3 . -1 . oC-1 segundo a DIN-IEC 751/85.

Construção Física Do Sensor

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


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

Os sensores de platina, devido a suas características, permitem um funcionamento até temperaturas mais elevadas, têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro. A este sensor são dispensados maiores cuidados de fabricação pois, apesar da Pt não restringir o limite de temperatura de utilização, quando a mesma é utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminação dos fios.

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

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

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

Características Da Termoresistência De Platina

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

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

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

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

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


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

Vantagens:

a) Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipo de sensores.b) Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação.c) Dispensa utilização de fiação especial para ligação.d) Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente.e) Têm boas características de reprodutibilidade.f) Em alguns casos substitui o termopar com grande vantagem.

Desvantagens:

a) São mais caras do que os sensores utilizados nessa mesma faixa.b) Deterioram-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização.c) Temperatura máxima de utilização 630 °C.d) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para indicar

corretamente.e) Alto tempo de resposta.

Princípio De Medição

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

Ligação à 2 fios

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

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


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Tal disposição, resultará em erro na leitura da temperatura, a menos que algum tipo de compensação ou ajuste dos fios do sensor de modo a equilibrar esta diferença de resistência. Deve-se notar que, embora a resistência dos fios não se altere em função do tamanho dos fios uma vez já instalado, os mesmos estão sujeitos às variações da temperatura ambiente, o que introduz uma outra possível fonte de erro na medição.

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

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

Ligação à 3 fios

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

Nesta situação, tem-se a tensão EAB, variando linearmente em função da temperatura da PT-100 e independente da variação da temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação . Este tipo de ligação, garante relativa precisão mesmo com grandes distâncias entre elemento sensor e circuito de medição

TEORIA DA MEDIÇÃO DE RADIAÇÃO

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


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Tal objeto, em conseqüência, seria um excelente emissor.Em 1879, Joel Stefan enunciou, a partir de resultados experimentais, a lei que relaciona a radiância

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

Embora o corpo negro seja uma idealização, existem certos corpos como laca preta, placas ásperas de aço, placas de asbesto, com poder de absorção e de emissão de radiação térmica tão altos que podem ser considerado idênticos ao corpo negro. O corpo negro é considerado, portanto, um padrão com o qual são comparadas as emissões dos corpos reais.

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

W = WA + WR + WT

Onde:

W = energia IncidenteWA = energia absorvidaWR = energia refletidaWT = energia transmitida

Sendo:

- Absorvidade : α = ( WA )/ W- Refletividade : δ = ( WR )/ W- Transmissividade : τ = ( WT )/ W

Somando-se os três coeficientes para um mesmo comprimento de onda temos:

α + δ + τ = 1

para materiais opacos, τ = 0.

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

a) Acabamento superficial: as superfícies polidas têm uma baixa absorvidade porque a refletividade é alta.b) Natureza do material.c) Temperatura da superfície: quando esta aumenta a emissividade também aumenta.

De acordo com Lei de Kirchoff existe uma igualdade entre a capacidade de um corpo em absorver a energia incidente e sua capacidade de reemiti-la. Chama-se a esta última de " emissividade ", a qual pode ser assim definida:

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

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


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

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

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

PIRÔMETROS ÓPTCOS

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

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

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

- Variando a intensidade da luz emitida por uma lâmpada padrão ( corrente que passa através do filamento ) até atingir o mesmo brilho da fonte.- Variando a luminosidade aparente do corpo quente através de dispositivos ópticos enquanto uma corrente constante atravessa o filamento da lâmpada padrão que permanece com brilho constante.

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

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

- Os limites normais de utilização estão entre 750 °C e 2850 °C. Com filtros de absorção especiais, pode-se estender sua calibração até 5500 °C.- As medidas efetuadas com pirômetros ópticos são independentes da distância entre a fonte e o aparelho, além de que são providos de um conjunto de lentes que aproxima o objetivo a ser medido.- Em uso industrial, consegue-se uma precisão de até ± 2%.- Devido à medida de temperatura ser baseada na emissividade da luz ( brilho ), erros significativos podem ser criados, devido à reflexão de luz ambiente pela fonte a ser medida.


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

RADIÔMETRO OU PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO

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

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

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

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

Os radiômetros são usados industrialmente onde:

- As temperaturas estão acima da faixa de operação prática dos termopares.- A atmosfera do processo for prejudicial aos pares termoelétricos, causando medidas falsas e pequena durabilidade ao par .- No interior de fornalhas a vácuo ou pressão, onde os sensores de temperatura danificam o produto.- O objeto cuja temperatura se vai medir está em movimento.- Em locais onde os termopares não podem ser instalados, por causa de vibrações, choques mecânicos ou impossibilidade de montagem.

Ao considerar-se uma aplicação deve-se levar em conta os seguintes dados:- A temperatura do alvo e a temperatura normal de operação.- O sinal de saída é independente da distância do alvo, desde que o campo de visão do sistema óptico esteja preenchido totalmente pelo mesmo.- O material da fonte e sua emitância.- Ângulos de visada com aplicações em corpo não negro ( deve-se restringir o ângulo para uma visada de 45°, ou menos, da perpendicular ).- As condições do ambiente, temperatura e poeira.- Velocidade do alvo.

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


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Capítulo 08 – Vazão

MEDIÇÃO DE VAZÃO

A medição de vazão inclui 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 incluídos os instrumentos 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:

1 m3= 1000 litros 1 galão (americano) = 3,785 litros1 pé cúbico = 0,0283168 m3 1 libra = 0,4536 Kg

TIPOS DE MEDIDORES DE VAZÃO

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

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.

Medidores de Quantidade por Pesagem

São utilizados para medição de sólidos, que são as balanças industriais.

Medidores de Quantidade Volumétrica

São aqueles que o fluido, passando em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação.

São estes medidores que são utilizados para serem os elementos primários dasbombas de gasolina e dos hidrômetros. Exemplo: disco nutante, tipo pistão rotativo oscilante, tipopistão alternativa, tipo pás, tipo engrenagem, etc.


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MEDIDORES VOLUMÉTRICOS

São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo.

MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL

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


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

CONCEITOS BÁSICOS

Equação da continuidade

Supondo um fluxo em regime permanente na tubulação abaixo, onde não se pode acumular massa no volume compreendido entre as seções 1 e 2, pois neste caso pelo menos a massa específica variaria deixando estar em regime permanente.

Baseando-se na figura abaixo, pode-se afirmar que o fluxo de massa que passa em qualquer plano transversal ao tubo deve ser sempre igual. Ou seja, o fluxo de massa no plano P tem que ser igual ao que passa pelo Q.

A massa de fluido Δm1 que atravessa a seção A1 do plano P no intervalo de tempo Δt é igual a:

Onde: Δm1 / Δt = fluxo de massa pela seção A1 [Kg/s], normalmente denominado por vazão mássica [massa/tempo];

v 1 = velocidade de escoamento pelo plano P [m/s];A1 = área da seção transversal do plano P [m²].

Considerando que o intervalo de tempo Δt tenda a zero, pode-se afirmar que v1 e A1 são constantes, ou seja a velocidade não varia ao longo da seção A1. Assim, o fluxo de massa pelo plano P é igual ao fluxo de massa do plano Q.

mas, para fluidos incompressíveis , ρ1 = ρ2 , o que simplifica a expressão anterior em:

Então, A1 . v1 = A2 .v2 = constante que é denominado de fluxo volumétrico ou simplesmente de vazão volumétrica. A unidade de medição é dada em volume/tempo, por exemplo, l/h, m³/h, m³/s.


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Equação de Bernoulli

Supondo um fluido perfeito (ideal), que não possui viscosidade, ele desloca-se sem atritos e portanto sem perdas de energia.

O trabalho realizado pela resultante das forças que atuam em um sistema é igual à variação da energia cinética – teorema trabalho-energia.

O trabalho realizado por cada componente da força resultante é:

1 – Trabalho realizado pela força F1.

2 – Trabalho realizado pela força F2.

3 – Trabalho realizado pela força da gravidade.

O trabalho total realizado sobre o sistema é:

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Equação básica para elementos deprimogênios

Baseado na equação da continuidade para fluido incompressível:


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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:

C = vazãoreal / vazãoteórica

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 A1 e A2

Daí

Malha para medição de vazão

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

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


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Da equação alcançada no item anterior pode-se concluir que a vazão só irá variar em função de

são constantes. Portanto, podemos simplificar a expressão, assim:

onde:

K = Constante que depende de fatores como:. Relação entre orifício e tubulação. Características do fluido

É importante observar, que o ΔP varia quadraticamente em função da vazão Q.


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vazão ΔP0,0 0,050,0 25,070,7 50,0086,6 75,00100,00 100,00

Analisando o fluxograma anterior teremos:

Supondo o fluxograma abaixo, sabe-se que esta malha possui como características: Vazão máxima de 10 m3/H e o ΔP produzido com esta vazão é de 2500 mmH2O. Como saber a pressão de saída do transmissor ( FT ), quando a vazão for 8 m3/H ?

Determinação do K:


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Outro método de trabalho, baseia-se no cálculo em porcentagem adotando-se K = 10.

Então:

8 m3/H equivale a 80% da vazão

portanto:

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

A pressão de entrada no extrator (EFY), é linearmente proporcional ao ΔP e a pressão de saída do extrator (SFY), é linearmente proporcional à vazão Q, então:


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Daí:

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

EFY = 10,68PSI

SFY = 12,6 PSI

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.


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

.VANTAGENS .DESVANTAGENS- Instalação fácil - Alta perda de carga- Econômica - Baixa Rangeabilidade- Construção simples- Manutenção. e troca simples

Tipos de Orifícios

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 fluido 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.


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C. Orifício segmental

Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de círculo. É destinada para uso em fluidos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão.

Tipos de Borda

A. Borda Quadrada (Aresta viva):

Usado em tubulações normalmente maiores que 6".Não usada em fluxo com baixos N° de RD.

B. Borda Arredondada (Quadrante edge ou quarto de círculo):

Usado em fluidos altamente viscosos, onde o N° de RD inferior está em torno de 250.

C. Borda com entrada cônica:

Usado em aplicações, onde o N° de RD inferior é 25 e em condições severas de Viscosidade

Tipos de tomada de impulso


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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 β.


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C. Tomadas D e D/2: Usada em tubulações de 2" a 30" com Reynolds entre 8000 e 400000 para β ‹ 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: Possui o menor diferencial de pressão entre todas tomadas e perdem muita precisão devido a rugosidade do tubo.

TUBO VENTURI

O tubo Venturi, combina dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalado entre duas flanges, numa tubulações. Seu propósito é acelerar o fluido 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.

A figura abaixo, mostra os detalhes de construção de um dispositivo Venturi

onde: .D = Diamêtro interno da tubulação.d = diâmetro da garganta.a = Localização da tomada de impulso de alta pressão0,25D a 0,75D para 4" < D < 6"


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0,25D a 0,50D para 6" < D < 32".b = comprimento da garganta igual a "d".c = Localização da tomada de baixa pressão = "d"/2.δ = Diâmetro interno da tomada de impulso 3/16 a 1/2".r1 = 0 a 1,375D.r2 = 3,5 a 3,75Dα1 = 21° ± 2°α2 = 5° a 15°

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.

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 fluido é abrasivo e corrosivo. O perfil de entrada é projetado de forma à guiar a veia fluída até atingir a seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curva elíptica (projeto ASME) ou pseudoelíptica (projeto ISA). Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade, recomendado p/ tubulações > 50mm.

Tipos

A. Bocal ISA 1932

Neste tipo de bocal as tomadas de pressão são do tipo em canto (corner taps). Possui aslimitações de:0,32 < β < 0,850mm < D < 500mm2.104 < RD < 107


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B. Bocal ASME

Neste bocal as tomadas são do tipo D e D/2 com as seguintes limitações:

0,2 < β< 0,850mm < D < 400mm104 < RD < 107

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.


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onde:

Pd= Pressão dinâmica = Pressão total - Pressão estáticaγ = Peso específico do fluidoV = Velocidade do fluido no ponto de mediçãog = Aceleração da gravidade

Ao se determinar a velocidade de um fluido 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".

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 .


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A parte de alta pressão do sinal de ΔP 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 sensor. O lado de baixa pressão do sinal de ΔP é sentido pelos furos na jusante do annubar e é medida na câmara da jusante .

A diferença de pressão é proporcional a raiz quadrada da vazão assim como os medidores anteriores .

Compensação da Pressão e Temperatura

Quando se mede gases e vapores a densidade do fluido 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 = vazãoK = constantePA = pressão absoluta, barTA = temperatura absoluta, KelvinΔP= pressão diferencial, bar

A seguir mostraremos a malha de controle que faz esta correção.


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