Apostila de Instrumentacao e Controle

INSTRUMENTINSTRUMENTINSTRUMENTINSTRUMENTINSTRUMENTAÇÃO E CONTROLEAÇÃO E CONTROLEAÇÃO E CONTROLEAÇÃO E CONTROLEAÇÃO E CONTROLE

SENAI/SC Instrumentação e Controle

2

José Fernando Xavier Faraco

Presidente da FIESC Sérgio Roberto Arruda

Diretor Regional do SENAI/SC Antônio José Carradore

Diretor de Educação e Tecnologia do SENAI/SC Marco Antônio Dociatti

Diretor de Desenvolvimento Organizacional do SENAI/SC


3

FIESCFIESC SENAI SENAI

Federação das Indústrias do Estado de Santa Catarina Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial

Departamento Regional de Santa Catarina

INTRUMENTAÇÃO E CONTROLE

Florianópolis – 2004


4

Não pode ser reproduzido, por qualquer meio, sem autorização por escrito do SENAI DR/SC. Equipe Técnica: Organizadores: Adagir Saggin Maurício Cappra Pauletti Wenilton Rubens de Souza Coordenação: Adriano Fernandes Cardoso Osvair Almeida Matos Roberto Rodrigues de Menezes Junior Produção Gráfica: César Augusto Lopes Júnior Capa: César Augusto Lopes Júnior Solicitação de Apostilas: [email protected]

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de Santa Catarina www.sc.senai.br Rodovia Admar Gonzaga, 2765 - Itacorubi CEP 88034-001 - Florianópolis - SC Fone: (048) 231-4290 Fax: (048) 234-5222

S491i SENAI. SC. Instrumentação e Controle. Florianópolis: SENAI/SC, 2004. 139 p.

1. Pressão. 2. Vazão. 3. Temperatura. 4. Medição. I. Título.

CDU: 621.22


5

SUMÁRIO 1 Aspectos Gerais da Área de Instrumentação .............................................................. 7

1.1 Histórico................................................................................................................ 7 1.2 Terminologia ......................................................................................................... 8

1.2.1 Faixa de Medida (range)................................................................................ 8 1.2.2 Alcance (span)............................................................................................... 8 1.2.3 Erro ................................................................................................................ 8 1.2.4 Exatidão......................................................................................................... 9 1.2.5 Rangeabilidade (largura de faixa).................................................................. 9 1.2.6 Zona Morta .................................................................................................... 9 1.2.7 Sensibilidade ................................................................................................. 9 1.2.8 Histerese........................................................................................................ 9 1.2.9 Repetibilidade .............................................................................................. 10 1.2.10 Funções de Instrumentos .......................................................................... 10 1.2.11 Identificação de Instrumentos.................................................................... 11

1.3 Principais Sistemas de Medida........................................................................... 13 1.3.1 Sistema Métrico Decimal ............................................................................. 13 1.3.2 Sistema Físico ou Cegesimal ...................................................................... 14 1.3.3 Sistema Industrial Francês .......................................................................... 14 1.3.4 Sistema Inglês ............................................................................................. 14

1.4 Telemetria........................................................................................................... 14 1.4.1 Transmissores ............................................................................................. 14

2 Pressão...................................................................................................................... 21 2.1 Conceitos Fundamentais .................................................................................... 21

2.1.1 Pressão Atmosférica.................................................................................... 21 2.1.2 Pressão Relativa.......................................................................................... 21 2.1.3 Pressão Absoluta......................................................................................... 21 2.1.4 Pressão Negativa ou Vácuo ........................................................................ 22 2.1.5 Pressão Diferencial...................................................................................... 22 2.1.6 Pressão Estática.......................................................................................... 22 2.1.7 Pressão Dinâmica ou Cinética..................................................................... 22

2.2 Medição de Pressão ........................................................................................... 23 2.2.1 Unidades de Pressão .................................................................................. 23 2.2.2 Dispositivos para Medição de Pressão........................................................ 23 2.2.3 Tipos de Elementos Sensíveis .................................................................... 23

3 Temperatura .............................................................................................................. 32 3.1 Conceitos Fundamentais .................................................................................... 32

3.1.1 Transmissão de Calor.................................................................................. 32 3.1.2 Medição de Temperatura............................................................................. 33 3.1.3 Escalas de Temperatura.............................................................................. 34

3.2 Medidores de Temperatura ................................................................................ 36 3.2.1 Líquido ......................................................................................................... 36 3.2.2 Termômetros a Pressão de Gás.................................................................. 39 3.2.3 Termômetro a Pressão de Vapor ................................................................ 40 3.2.4 Termômetros à Dilatação de Sólidos (termômetros bimetálicos) ................ 41 3.2.5 Medição de Temperatura com Termopar .................................................... 43 3.2.6 Medição de Temperatura por Termômetros de Resistência........................ 55 3.2.7 Medição de Temperatura por Radiação ...................................................... 59

4 Vazão......................................................................................................................... 63 4.1 Medição de Vazão .............................................................................................. 63 4.2 Tipos de Medidores de Vazão ............................................................................ 63

4.2.1 Medidores de Quantidade ........................................................................... 63


6

4.2.2 Medidores Volumétricos .............................................................................. 67 4.3 Tipos de Orifícios................................................................................................ 75

4.3.1 Tipos de Bordo ............................................................................................ 76 4.3.2 Tipos de Tomada de Impulso ...................................................................... 78 4.3.3 Tubo Venturi ................................................................................................ 79 4.3.4 Tubo Pitot .................................................................................................... 82 4.3.5 Compensação da Pressão e Temperatura.................................................. 83

4.4 Medidores de Vazão por ∆P constante (área variável)....................................... 84 4.4.1 Rotâmetros .................................................................................................. 84

4.5 Medidores Especiais de Vazão .......................................................................... 87 4.5.1 Medidor Eletromagnético de Vazão............................................................. 87 4.5.2 Medidor Tipo Turbina................................................................................... 90 4.5.3 Medidor por Efeito Coriolis .......................................................................... 91 4.5.4 Medidor de Vazão tipo Vortex ..................................................................... 92 4.5.5 Medidores Ultra-Sônicos ............................................................................ 94

5 Elemento Final de Controle ..................................................................................... 100 5.1 Válvula de Controle .......................................................................................... 100

5.1.1 Componentes da Válvula de Controle ....................................................... 100 5.1.2 Controle ..................................................................................................... 106 5.1.3 Características das Válvulas de Controle .................................................. 111 5.1.4 Coeficiente de Vazão – Cv ....................................................................... 115 5.1.5 Norma de Estanqueidade para Válvulas de Controle................................ 115

5.2 Válvulas Reguladoras de Pressão Auto-operadas ........................................... 117 5.2.1 O que são Válvulas Auto-peradas ............................................................. 117 5.2.2 Princípio Básico de Funcionamento: ......................................................... 117

5.3 Outras Versões de Válvulas Reguladoras........................................................ 118 5.3.1 Válvula Reguladora de Pressão Montante: ............................................... 118 5.3.2 Válvulas Reguladoras tipo “zero”............................................................... 119 5.3.3 Válvulas Reguladoras de Pressão Piloto Operada.................................... 119

5.4 Válvulas de Segurança..................................................................................... 120 6 Controle de Processo .............................................................................................. 122

6.1 Conceitos Básicos de Controel de Processos.................................................. 122 6.2 Características de Processos ........................................................................... 123

6.2.1 Malhas de Controle Abertas ...................................................................... 123 6.2.2 Malhas de Controle Fechadas................................................................... 124 6.2.3 Modos de Controle .................................................................................... 125 6.2.3 Ações de Controle (Saída versus Entrada) ............................................... 127 6.2.5 Ação Direta ................................................................................................ 127 6.2.6 Ação Inversa.............................................................................................. 127

6.3 Sistemas de Controle Automáticos................................................................... 127 6.3.1 Controle Automático Descontínuo ............................................................ 127 6.3.2 Controle Automático Contínuo................................................................... 131

Referências Bibliográficas .......................................................................................... 139


7

11 AASSPPEECCTTOOSS GGEERRAAIISS DDAA ÁÁRREEAA DDEE IINNSSTTRRUUMMEENNTTAAÇÇÃÃOO 11..11 HHiissttóórriiccoo Os processos industriais exigem controle na fabricação de seus produtos. Estes pro-cessos são muito variados e abrangem muitos tipos de produtos, como, por exemplo, a fabricação dos derivados do petróleo, produtos alimentícios, a indústria de papel e celulose, etc. Em todos estes processos é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis, tais como: pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade, etc. Os instrumentos de medição e controle permitem manter constantes as variáveis do processo, objetivando a melhoria em qualidade, o aumento em quantidade do produto e a segurança. No princípio da era industrial, o operário atingia os objetivos citados através de contro-le manual destas variáveis, utilizando somente instrumentos simples (manômetro, ter-mômetro, válvulas manuais, etc.) e isto era suficiente, porque os processos eram sim-ples. Com o passar do tempo, estes foram se complicando, exigindo um aumento da automação nos processos industriais, através dos instrumentos de medição e controle. Enquanto isso. os operadores iam se liberando de sua atuação física direta no proces-so e, ao mesmo tempo, ocorria a centralização das variáveis em uma única sala. Devido à centralização das variáveis do processo, podemos fabricar produtos que se-riam impossíveis através do controle manual. Mas, para atingir o nível que estamos hoje, os sistemas de controle sofreram grandes transformações tecnológicas, como: controle manual, controle mecânico e hidráulico, controle pneumático, controle elétrico, controle eletrônico e atualmente controle digital. Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos contínuos e pro-cessos descontínuos. Em ambos os tipos, devem-se manter as variáveis próximas aos valores desejados. O sistema de controle que permite fazer isto define-se como aquele que compara o valor da variável do processo com o valor desejado e toma uma atitude de correção de acordo com o desvio existente sem a intervenção do operador. Para que se possa fazer esta comparação e consequentemente a correção, é neces-sário que se tenha uma unidade de medida, uma unidade de controle e um elemento final de controle no processo.

Figura 1 – Malha de controle fechada.

Elemento final de controle

Unidade de medida

Processo

Unidade de controle


8

Este conjunto de unidades forma uma malha de controle, que pode ser aberta ou fechada.

Figura 2 – Malha de controle aberta.

11..22 TTeerrmmiinnoollooggiiaa Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos (química, siderúr-gica, papel, etc.) têm sua própria terminologia. Os termos utilizados definem as carac-terísticas próprias de medida e controle dos diversos instrumentos: indicadores, regis-tradores, controladores, transmissores e válvulas de controle. A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes, os usuários e os organis-mos que intervêm diretamente ou indiretamente no campo da instrumentação industri-al. 11..22..11 FFaaiixxaa ddee MMeeddiiddaa ((rraannggee)) Conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Ex-pressa-se determinando os valores extremos. Exemplo: 100 a 500 m3 0 a 20 psi 11..22..22 AAllccaannccee ((ssppaann)) É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instru-mento. Exemplo: Um instrumento com range de 100 – 500 m3 Seu span é de 400 m3. 11..22..33 EErrrroo É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático que poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do ins-trumento o qual poderá estar indicando a mais ou menos. Quando tivermos a variável alterando seu valor ao longo do tempo, teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmen-te atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamada de erro dinâmico.

Unidade de medida

Processo

Indicação


9

11..22..44 EExxaattiiddããoo Podemos definir como sendo a aptidão de um instrumento de medição para dar res-postas próximas a um valor verdadeiro. A exatidão pode ser descrita de três maneiras:

• Percentual do Fundo de Escala (% do F.E.) • Percentual do Span (% do span) • Percentual do Valor Lido (% do V.L.)

Exemplo: Para um sensor de temperatura com range de 50 a 250 oC e valor medido 100oC, determine o intervalo provável do valor real para as seguintes condições : Exatidão 1 % do Fundo de Escala Valor real = ( ) CCC º5,2º10025001,0º100 ±=×± Exatidão 1 % do Span Valor real = ( ) CCC º0,2º10020001,0º100 ±=×± Exatidão 1 % do Valor Lido ( Instantâneo ) Valor real = ( ) CCC º0,1º10010001,0º100 ±=×± 11..22..55 RRaannggeeaabbiilliiddaaddee ((llaarrgguurraa ddee ffaaiixxaa)) É a relação entre o valor máximo e o valor mínimo, lidos com a mesma exatidão na escala de um instrumento. Exemplo: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM (galões por minuto), com exatidão de 1% do span e rangeabilidade 10:1, a exatidão será respeitada entre 30 e 300 GPM. 11..22..66 ZZoonnaa MMoorrttaa É a máxima variação que a variável pode ter sem que provoque alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento. Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 200ºC e com uma zona morta de:

Cº2,01002001,0%1,0 ±=×=

11..22..77 SSeennssiibbiilliiddaaddee É a mínima variação que a variável pode ter, provocando alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento. Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 500ºC e com uma sensibilidade de 0,05 % terá valor de:

Cº25,0100500%05,0 ±==

11..22..88 HHiisstteerreessee


10

É o erro máximo apresentado por um instrumento para um mesmo valor em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos as-cendente e descendente. Expressa-se em porcentagem do span do instrumento. Deve-se destacar que a expressão zona morta está incluída na histerese. Exemplo: Num instrumento com range de –50 ºC a 100 ºC, sendo sua histerese de ± 0,3 %, o erro será 0,3 % de 150 ºC = ±0,45 ºC. 11..22..99 RReeppeettiibbiilliiddaaddee É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotan-do sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do span do instrumento. O termo repetibilidade não inclui a histerese. 11..22..1100 FFuunnççõõeess ddee IInnssttrruummeennttooss

Podemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo com a função que desempenham no processo. a) Indicador: Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala gradua-da na qual podemos ler o valor da variável. Existem também indicadores digi-tais que mostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas. b) Registrador: Instrumento que registra a(s) variável(eis) através de um traço contínuo ou pontos em um gráfico. c) Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma variável no proces-so através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumáti-co ou eletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo. d) Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica, caso necessário, estas informações e fornece um sinal de saída resultante. Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro dispositivo. O conversor é um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinais de entrada e saída padronizados.


11

e) Controlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida, diretamente pelo controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor. Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle. Além das denominações acima, podem ser classificados em instrumentos de painel, campo, à prova de explosão, poeira, líquido, etc. Combinações dessas classificações são efetuadas formando instrumentos conforme as ne-cessidades. 11..22..1111 IIddeennttiiffiiccaaççããoo ddee IInnssttrruummeennttooss As normas de instrumentação estabelecem símbolos, gráficos e codificação para iden-tificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas que deverão ser utili-zadas nos diagramas e malhas de controle de projetos de instrumentação. De acordo com a norma ISA-S5, cada instrumento ou função programada será identifi-cada por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto de alga-rismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo. Exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma preestabelecida.

Quadro 1 – Identificação de instrumentos de acordo com a norma ISA-S5.

P RC 001 02 A Variável Função Área da Atividade N0 Seqüencial da

Malha S U F

Identificação Funcional Identificação da Malha I X O

Identificação do Instrumento Onde: P - Variável medida - Pressão R - Função passiva ou de informação - Registrador C - Função ativa ou de saída - Controlador 001 - Área de atividade, onde o instrumento atua 02 - Número seqüencial da malha A - Sufixo


12

Quadro 2 – Símbolos de sinais utilizados nos fluxogramas de processo

Quadro 3 – Símbolos de instrumentos utilizados nos fluxogramas de processo

Painel Principalacessível ao operador

Montado no Campo

Painel Auxiliar acessível ao operador

Painel Auxiliar não acessível ao operador

Instrumentos Discretos

Instrumentos Compartilhados Computador de Processo Controlador Lógico Programável

Como percebe-se quadro4, pode-se obter combinações possíveis de acordo com o funcionamento dos dispositivos automáticos. Exemplos: T - Temperatura F - Vazão R - Registrador V - Válvula P - Pressão L - Nível I - Indicador G - Visor


13

Quadro 4– Identificação funcional dos instrumentos

1A LETRA LETRAS SUCESSIVAS Variável

Medida Letra de Modificação

Função de Leitura Passiva

Função de Saída

Letra de Modificação

A Analisador Alarme Alarme B Queimador

(Chama) Botão de Pressão

C Condutibilidade Elétrica

Controlador

D Densidade ou Peso Específico

Diferencial

E Tensão (Fem) Elemento Primário F Vazão Relação G Medida Dimensional

Visor

H Comando Manual Entrada Ma-nual

Alto

I Corrente Elétrica Indicação ou Indi-cador

J Potência Varredura K Tempo ou Programa Cálculos em

Sistema Digital

L Nível Lâmpada Piloto Baixo M Umidade Média Médio ou

Intermediário N Vazão Molar O Orifício ou Restrição P Pressão Percentual Tomada de

Impulso

Q Quantidade Integração R Remoto Registrador S Velocidade ou

Freqüência Velocidade / Chave de Segurança

Interruptor ou Chave

T Temperatura Transmissão Transmissor

U Multivariável Cálculo feito por Computador

Multifunção Multifunção

V Vibração Válvula W Peso ou Força Poço Y Escolha do Usuário Solenóide /

Conversor de sinalRelê ou Computador

Z Posição / Deslocamento

Elemento Final de Controle

11..33 PPrriinncciippaaiiss SSiisstteemmaass ddee MMeeddiiddaa Os sistemas podem ser classificados quanto à natureza de suas unidades fundamen-tais, quanto ao valor dessas unidades e também quanto às relações escolhidas na determinação dos derivados. Os principais sistemas são: 11..33..11 SSiisstteemmaa MMééttrriiccoo DDeecciimmaall Tem como unidades fundamentais o metro, o quilograma e o segundo (M.K.S.).


14

11..33..22 SSiisstteemmaa FFííssiiccoo oouu CCeeggeessiimmaall Tem como unidades fundamentais o centímetro, o grama e o segundo (C.G.S.). 11..33..33 SSiisstteemmaa IInndduussttrriiaall FFrraannccêêss

Tem como unidades fundamentais o metro, a tonelada e o segundo (M.T.S.), definidas em função do sistema métrico decimal. 11..33..44 SSiisstteemmaa IInnggllêêss Tem como unidades fundamentais o pé (foot), a libra (Pound) e o segundo (second). 11..44 TTeelleemmeettrriiaa Chamamos de telemetria a técnica de transportar medições obtidas no processo a distância, em função de um instrumento transmissor. A transmissão a distância dos valores medidos está tão intimamente relacionada com os processos contínuos, que a necessidade e as vantagens da aplicação da telemetria e do processamento contínuo se entrelaçam. Um dos fatores que se destacam na utilização da telemetria é a possibilidade de cen-tralizar instrumentos e controles de um determinado processo em painéis de controle ou em uma sala de controle. Teremos, a partir daqui, inúmeras vantagens as quais não são difíceis de imaginar: Os instrumentos agrupados podem ser consultados mais facilmente e rapidamente, possibilitando à operação uma visão conjunta do desempenho da unidade. Podemos reduzir o número de operadores com simultâneo aumento da eficiência do trabalho. Cresce, consideravelmente, a utilidade e a eficiência dos instrumentos face às possibi-lidades de pronta consulta, manutenção e inspeção, em situação mais acessível, mais protegida e mais confortável. 11..44..11 TTrraannssmmiissssoorreess Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e a transmi-tem, a distância, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador ou a uma combinação destes. Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos, hidráulicos e eletrônicos.


15

1.4.1.1 Transmissão pneumática Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável, linear, de 3 a 15 psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas de 0 a 100 % da variável. Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Ap-paratur Makers Association), Associação de Fabricantes de Instrumentos, e pela maio-ria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas de sinais de transmissão. Por exemplo: de 20 a 100 kPa. Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, utilizam-se as faixas de 0,2 a 1 kgf/cm2 que eqüivalem, aproximadamente, de 3 a 15 psi. O alcance do sinal no sistema métrico é, aproximadamente, 5 % menor que o sinal de 3 a 15 psi. Este é um dos motivos pelos quais devemos calibrar os instrumentos de uma malha (transmissor, controlador, elemento final de controle, etc.) sempre utilizan-do uma mesma norma. Note que o valor mínimo do sinal pneumático também não é zero, e sim, 3 psi ou 0,2 kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente o instrumento, comprovando sua correta calibração e detectando vazamentos de ar nas linhas de transmissão. Percebe-se que, se tivéssemos um transmissor pneumático de temperatura de range de 0 a 200ºC e o mesmo tivesse com o bulbo a 0ºC e um sinal de saída de 1 psi, este estaria descalibrado. Se o valor mínimo de saída fosse 0 psi, não seria possível fazermos esta comparação rapidamente. Para que pudéssemos detectá-lo, teríamos de esperar um aumento de temperatura para que tivéssemos um sinal de saída maior que 0 (o qual seria incorre-to). 1.4.1.2 Transmissão eletrônica Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os mais utilizados: 4 a 20 mA e 10 a 50 mA e 1 a 5 v. Temos estas discrepâncias nos sinais de saída entre diferentes fabricantes, porque estes instrumentos estão preparados para uma fácil mudança do seu sinal de saída. A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15 psi de um sinal pneumático. O “zero vivo” utilizado, quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a vantagem também de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios), que provoca a que-da do sinal, quando ele está em seu valor mínimo. 1.4.1.3 Protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer) É um sistema que combina o padrão 4 a 20 mA com a comunicação digital. É um sis-tema a dois fios com taxa de comunicação de 1200 bits/s (BPS) e modulação FSK (Frequency Shift Keying). O Hart é baseado no sistema mestre escravo, permitindo a existência de dois mestres na rede simultaneamente. As vantagens do protocolo Hart são as seguintes: Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunicação digital. Usa o mesmo tipo de cabo utilizado na instrumentação analógica. Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes. As desvantagens são que existe uma limitação quanto à velocidade de transmissão das informações e a falta de economia de cabeamento (precisa-se de um par de fios para cada instrumento).


16

1.4.1.4 Fieldbus É um sistema de comunicação digital bidirecional, que interliga equipamentos inteli-gentes de campo com o sistema de controle ou com equipamentos localizados na sala de controle. Este padrão permite comunicação entre uma variedade de equipamentos, tais como: transmissores, válvulas, controladores, CLPs, etc. Estes podem ser de fabricantes diferentes (Interoperabilidade) e ter controle distribuído (cada instrumento tem a capa-cidade de processar um sinal recebido e enviar informações a outros instrumentos para correção de uma variável – pressão, vazão, temperatura, etc.). Uma grande vantagem é a redução do número de cabos do controlador aos instrumentos de campo, apenas um par de fios é o suficiente para a interligação de uma rede fieldbus.

Figura 3 – Sistema Fieldbus


17

Tabela 1 – Sistemas de unidades geométricas e mecânicas

Grandezas Definição Dimensão Físico (C.G.S.) Decimal (M.K.S.) Gravitatório (M.Kf.S) Prático Inglês Comprimento L L centímetro (cm) metro (m)

Mícron (µ)= 10-6m Angstrom(A)= 10-10m

metro (m)

foot (ft) =1/3 Yd = 12 in 30,48 cm

Massa M M grama (g) quilograma (kg) (9,81 kg) (32,174 pd) Tempo t t segundo (seg.) Segundo (seg.) segundo (Seg) second (sec) Superfície S2 S2 cm2 m2 m2 square-foot=929 cm3

square-inch=6,45 cm2 Volume V3 V3 cm3 M3 m3 cubic-foot=28317 cm3

cubic-inch=16,39 cm3 Velocidade v= _e_

t LT-1

cm/seg

m/seg

m/Seg 1m/seg=197 ft/min

foot per second (ft/sec) ft/min=0,5076 cm/s

Aceleração y = _v_ t

LT-2

cm/seg2

m/seg3

m/seg2

ft/sec2

Força F = m y

M L T-2

dina (d) (m=1 g:y=1 cm/ss) Megadina (M) = 10g dinas

_____GIORGI_____ Newton (n) (m=1kg;y=1m/seg2) =105 d

quilograma-força(kgf) (m=1kg;y=9,81m/ seg2) x 103 x 981 = dinas x 10-3 x 9,81 = sth

pound* (pd) (m=1pd;y=32,174 ft/sec2) =0,4536kgf=444981d =7000 grains

Trabalho = F x e

M S2 T-3

erg (F=1 d; e = 1cm)

Joule (j) F=1 n; e=1m) =102 ergs

quilogrâmetro (kgm) (F=1kgf; e = 1m) = 9,81 joules

foot-pound (ft.pd) (f = 1 pd; e = 1 ft) =0,1383kgm=1,3563 j

Potência W = __ _ t

M S2 T-3

erg/seg ( =1 erg;t=1seg)

Watt (w) ( = 1 j; 1= 1seg) = 102 ergs/seg = 44,8 ft. pd/min

kgm/Seg Cavalo-vapor (C.V.) = 75 kgm/Seg = 736 watts

foot pound per second Horse Power (H.P.) = 76kgm/seg (75) =33000 ft.pd/min

Pressão P = __F__ A

M L-1 T-2

bária (F=1 d; S2=1 cm2) Bar = 109 bárias (F=1M; s2=1cm2)

Pascal F= 1n; S2=1m2) = 10 bárias

kgf/cm2=1000 gf/cm2 kgf/m2 atm= 1033 gf/cm2 (em Hg = 76cm)

pd/in2=70.308 gf/cm2 pd/ft2 atm= 11.692 pd/in2


18

Exercícios 1 - Quais são os objetivos dos instrumentos de medição e controle? 2 - Como era o controle do processo no princípio da era industrial? 3 - O que foi possível fazer com a centralização das variáveis do processo? 4 - Como são divididos os processos industriais? 5 - Defina o sistema de controle. 6 - Quais são as 3 partes necessárias para uma malha de controle fechada? 7 - Defina o que é uma malha de controle aberta. 8 - Defina o que é range. 9 - Defina o que é span. 10 - Defina o que é erro. 11 - Defina o que é exatidão. 12 - Defina o que é indicador. 13 - Defina o que é registrador. 14 - Defina o que é transmissor. 15 - Defina o que é transdutor. 16 - Defina o que é controlador. 17 - Defina o que é elemento final de controle. 18 - O que estabelecem as normas de instrumentação? 19 - Defina o que é telemetria. 20 - Cite 2 vantagens da telemetria. 21 - Diga qual a função de cada um dos instrumentos abaixo, de acordo com a sua identificação: FIC - TI - PIT - LR - TAL - PSLL - TT - PIC - FR - LT - FSHH - LAH - FY - 22 - Cite dois tipos de transmissores. 23 - Qual o objetivo do “zero vivo” nos sinais de transmissão? 24 - Cite 2 tipos de sinais de transmissão pneumática. 25 - Cite 2 tipos de sinais de transmissão eletrônica. 26 - Defina o protocolo HART. 27 - Defina Fieldbus


19

28 - Calcule o valor pedido: Exemplo: 9 psi são quantos % da faixa de 3 a 15 psi

( )( ) ( )%100×

=−−=

SpanInícioFinalvivozerootransmissãdeValorPedidoValor

( )

( ) %50121006

31510039 =×=

−×−

a) 12 psi são quantos % da faixa de 3 a 15 psi = _____________ b) 6 psi são quantos % da faixa de 3 a 15 psi = _____________ c) 0,4 kgf/cm2 é quantos % da faixa de 0,2 a 1 kgf/cm2 = _____________ d) 0,6 kgf/ cm2 é quantos % da faixa de 0,2 a 1 kgf/cm2 = _____________ e) 90 kPa são quantos % da faixa de 20 a 100 kPa = _____________ f) 70 kPa são quantos % da faixa de 20 a 100 kPa = _____________ g) 9 mA são quantos % da faixa de 4 a 20 mA = _____________ h) 13 mA são quantos % da faixa de 4 a 20 mA = _____________ i) 1,5 V são quantos % da faixa de 1 a 5 V = _____________ j) 4,5 V são quantos % da faixa de 1 à 5 V = _____________ 29 - Calcule o valor pedido: Exemplo: 50% do sinal de 3 a 15 psi

( ) ( ) vivozeroSpanouInícioFinalPedidoValor +×⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −= %

%100

( )Span12315 =− psi93100

5012 =+×

a) 70% de 3 - 15 psi = _______________________ b) 80% de 3 - 15 psi = _______________________ c) 10% de 0,2 - 1 kgf/cm2 = _______________________ d) 30% de 0,2 - 1 kgf/cm2 = _______________________ e) 45% de 20 - 100 kPa = _______________________ f) 55% de 20 - 100 kPa = _______________________ g) 65% de 4 - 20 mA = _______________________ h) 75% de 4 - 20 mA = _______________________ i) 37% de 1 - 5 V = _______________________ j) 73% de 1 - 5 V = _______________________ 30 - Defina a localização dos equipamentos e tipos de sinais de transmissão de cada malha de controle, além da sua função (equipamento).


20

a) b )


21

22 PPRREESSSSÃÃOO 22..11 CCoonncceeiittooss FFuunnddaammeennttaaiiss Medição de pressão é dos mais importantes padrão de medida, pois as medidas de vazão, nível, etc. podem ser feitas utilizando-se esse princípio. Pressão é definida como uma força atuando em uma unidade de área.

AFP = onde P = Pressão

F = Força A = Área 22..11..11 PPrreessssããoo AAttmmoossfféérriiccaa É a força exercida pela atmosfera na superfície terrestre. Esta força eqüivale ao peso dos gases que estão presentes no ar e que compõem a atmosfera. A pressão atmosférica pode variar de um lugar para o outro, em função da altitude e das condições meteorológicas (como a umidade e a densidade do ar). Ao nível do mar, esta pressão é de, aproximadamente, 760 mmHg ou 1 atm. Quanto mais alto o local, mais rarefeito é o ar e, portanto, menor a pressão atmosférica. O instrumento que mede a pressão atmosférica é o barômetro. 22..11..22 PPrreessssããoo RReellaattiivvaa É determinada tomando-se como referência a pressão atmosférica local. Para medi-la, usam-se instrumentos denominados manômetros; por essa razão, a pressão relativa é também chamada de pressão manométrica. A maioria dos manômetros é calibrada em zero para a pressão atmosférica local. As-sim, a leitura do manômetro pode ser positiva (quando indica o valor da pressão acima da pressão atmosférica local) ou negativa (quando se tem um vácuo). Quando se fala em pressão de uma tubulação de gás, refere-se à pressão relativa ou manométrica. 22..11..33 PPrreessssããoo AAbbssoolluuttaa É a soma da pressão relativa e atmosférica. No vácuo absoluto, a pressão absoluta é zero e, a partir daí, será sempre positiva. Importante: Ao exprimir-se um valor de pressão, deve-se determinar se a pressão é relativa ou absoluta. Exemplo: 3 kgf/cm2 abs Pressão Absoluta 4 kgf/cm2 Pressão Relativa O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos instru-mentos mede pressão relativa.


22

22..11..44 PPrreessssããoo NNeeggaattiivvaa oouu VVááccuuoo É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. Pressão Absoluta

Pressão Relativa Pressão Atmosférica Vácuo Vácuo Absoluto

Figura 4 – Diagrama comparativo das escalas 22..11..55 PPrreessssããoo DDiiffeerreenncciiaall É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ∆P (delta P). Essa diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, pressão, etc. 22..11..66 PPrreessssããoo EEssttááttiiccaa É o peso exercido por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmen-te à tomada de impulso por unidade de área exercida. 22..11..77 PPrreessssããoo DDiinnââmmiiccaa oouu CCiinnééttiiccaa É a pressão exercida por um fluído em movimento. É medida fazendo a tomada de impulso de tal forma que receba o impacto do fluxo.


23

22..22 MMeeddiiççããoo ddee PPrreessssããoo 22..22..11 UUnniiddaaddeess ddee PPrreessssããoo As unidades de pressão mais usadas são:

• Quilograma-força por centímetro quadrado (kgf/cm2); • Atmosfera (atm); • Libras por polegada quadrada (psi); • Polegada de coluna de água (“ca); • Milímetro de coluna de água (mmh2o ou mmca); • Bar; • Pascal (pa).

Como existem muitas unidades de pressão, é necessário saber a correspondência entre elas, pois nem sempre na indústria temos instrumentos padrões com todas as unidades, sendo necessário saber fazer a conversão. A tabela na página seguinte apresenta as conversões entre várias unidades de pres-são:

Tabela 2 – Fatores de conversão de unidades de pressão

Converter Para as unidades abaixo, multiplique por ↓

de ↓ kgf/cm2 Atm psi ″ ca kPa mmca bar kgf/cm2 1 0,9678 14,223 394,70 98,0665 9996,59 0,9806

Atm 1,0332 1 14,696 406,78 101,325 10328,75 1,0133 Psi 0,0703 0,0680 1 27,68 6,8948 702,83 0,0689 ″ ca 0,0025 0,0024 0,036 1 0,2491 25,39 0,0025 KPa 0,0102 0,0099 0,145 4,02 1 101,94 0,0100

Mmca 0,0001 0,0001 0,0014 0,04 0,0098 1 0,0001 Bar 1,0797 0,9869 14,503 402,46 100,000 10193,68 1

Exemplo: 10 psi = ______?______ kgf/cm2 1 psi = 0,0703 kgf/cm2 de acordo com a tabela 3 10 x 0,0703 = 0,703 kgf/cm2

22..22..22 DDiissppoossiittiivvooss ppaarraa MMeeddiiççããoo ddee PPrreessssããoo O instrumento mais simples para se medir pressão é o manômetro, que pode ter vá-rios elementos sensíveis e que pode ser utilizado, também, por transmissores e controladores. Vamos, então, ao estudo de alguns tipos de elementos sensíveis. 22..22..33 TTiippooss ddee EElleemmeennttooss SSeennssíívveeiiss Os elementos sensiveis usados são: o tubo de Bourdon, (pode-se apresentar nas se-guintes formas: tipo C, espiral e helicoidal), membrana ou diafragma, fole, coluna de líquido, e os com princípios elétricos.


24

2.2.3.1 Tubo Bourdon O princípio de funcionamento de um dispositivo de medição, baseado neste elemento sensível, é bastante simples e idêntico a um brinquedo muito conhecido: a “língua de sogra”, que se vê na figura. Quando soprada, a “língua de sogra” enche-se de ar e desenrola-se, por causa da pressão exercida pelo ar. No caso do manômetro, esse desenrolar gera um movimento que é transmitido ao ponteiro e que vai indicar a medi-da de pressão.

Figura 5 – Língua de sogra O tubo de Bourdon pode-se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e helicoi-dal.

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

Figura 6 – Tipos de tubos Bourdon

Figura 7 – Detalhes de um manômetro tipo Bourdon “C”


25

2.2.3.2 Membrana ou diafragma É constituído por um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca, e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada.

Figura 8 – Tipos de diafragmas

O diafragma geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva. 2.2.3.3 Fole É também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado. Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e, como ela tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslo-camento é proporcional à pressão aplicada à parte interna.

Figura 9 – Tipo fole 2.2.3.4 Coluna de líquido


26

Consiste num tubo de vidro, contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma base com uma escala graduada. As colunas podem ser basicamente de três tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de “U”. Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante ) e mercúrio. Quando se aplica uma pressão na coluna, o líquido é deslocado, sendo que este des-locamento é proporcional à pressão aplicada.

Figura 10 – Manômetro de tubo em “U” Quando o manômetro está separado da linha de gás, os dois lados do manômetro estão com o nível de água no zero da escala. Isso acontece porque os dois lados do manômetro estão sujeitos à pressão atmosférica ambiente. Com um lado do manôme-tro ligado à tubulação de distribuição de gás (para medir a pressão do gás) e o outro lado ainda sujeito à pressão atmosférica local, a coluna de água será forçada para baixo no lado pressurizado e elevada no lado sob ação da atmosfera. A pressão do gás na tubulação é medida pelo deslocamento total da coluna de água e seu valor é dado em milímetros de coluna de água (mmca). O deslocamento total da coluna de água (DT) é dado pela soma da elevação (E) no lado atmosférico e do abaixamento (A) no lado pressurizado. O abaixamento (A) no lado pressurizado é igual à elevação (E) no lado atmosférico. Por isso, o deslocamento total (DT) pode ser medido multiplicando-se o abaixamento (A) ou a elevação (E) por 2. Isso pode ser escrito em uma fórmula simples para a leitura da pressão no manô-

metro:

DT = 2 X E

O ODT = 2 X A DT = A + E


27

Figura 11 – Manômetro de tubo inclinado

Figura 12 – Manômetro de tubo em “i”

Quando o produto usado tiver dr (densidade relativa) diferente de 1, a pressão será calculada pela seguinte expressão matemática. DT= h 2.2.3.5 Tipo capacitivo A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos siste-mas de alavancas na transferência da força/deslocamento entre o processo e o sen-sor. Este tipo de sensor resume-se na deformação pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida por um circuito eletrônico. Esta montagem, se por um lado, elimina os problemas mecânicos das partes móveis, expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo, princi-palmente a temperatura. Este inconveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis à temperatura montados junto ao sensor. Outra característica inerente à montagem é a falta de linearidade entre a capacitância e a distância das armaduras, devido á deformação não linear. Neste caso, faz-se ne-

cessário uma compensação (linearização) a cargo do circuito eletrônico.

∆P= h. dr


28

Figura 13 – Sensor capacitivo O sensor é formado pelos seguintes componentes:

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

Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta (High) e de baixa (Low) produz uma força no diafragma isolador, que é transmitida pelo líquido de enchimento. A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor) provocando sua deformação e alterando, portanto, o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e a ar-madura móvel. Esta alteração é medida pelo circuito eletrônico, que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferen-cial capacitiva. 2.2.3.6 Tipo Strain Gauge Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas di-mensões. Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral da resistência: R = ρ . L S R : Resistência do condutor ρ : Resistividade do material L : Comprimento do condutor S : Área da seção transversal O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão compacto quanto possível.


29

Esta montagem denomina-se tira extensiométrica, como vemos na figura.

Figura 14 – Sensor tipo Strain Gauge Observa-se que o fio, apesar de solidamente ligado à lâmina de base, precisa estar eletricamente isolado da mesma. Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido, enquanto a outra extremidade será o ponto de aplicação de for-ça.

Figura 15 – Fixação do sensor Strain Gauge

Da física tradicional, sabemos que um material, ao sofrer uma flexão, tem suas fibras internas submetidas a dois tipos de deformação: tração e compressão. Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas é o circuito em ponte de Wheatstone (como mostrado a figura 16), que tem a vanta-gem adicional de compensar as variações de temperatura ambiente, pois todos os elementos estão montados em um único bloco.


30

Figura 16 – Ponte de Wheatstone com sensor Strain Gauge

2.2.3.7 Sensor por silício ressonante O sensor consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um dia-fragma, utilizando-se do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensi-dade, a fim de que essa freqüência seja proporcional à pressão aplicada.

Figura 17 – Sensor de silício ressonante

Na seqüência, serão exibidos maiores detalhes sobre esse tipo de célula, sua constru-ção e seu funcionamento. Componentes de uma célula de pressão de silício ressonate.


31

Figura 18 – Célula de pressão de silício ressonante 2.2.3.7 Tipo piezelétrico Os elementos piezelétricos são cristais (como o quartzo, a turmalina e o titanato) que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de constru-ção robusta, seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão e são capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências de milhões de ciclos por segundo. O efeito piezelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétri-co, resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é alta-mente estável e exato, por isso é utilizado em relógios de precisão. A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador, sendo indicada ou convertida em um sinal de saída para tratamento pos-terior.

Figura 19 – Sensores piezelétricos


32

33 TTEEMMPPEERRAATTUURRAA 33..11 CCoonncceeiittooss FFuunnddaammeennttaaiiss Todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas ( moléculas) que se encontram em contínuo movimento. Quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente se apresenta o corpo; quanto mais lento o movimento das moléculas, mais frio se apresenta o corpo. Então, define-se temperatura como o grau de agitação térmica das moléculas. Na prática, a temperatura é representada em uma escala numérica, na qual quanto maior o seu valor, maior é a agitação das moléculas do corpo em questão. O instrumento usado para medir temperatura é o termômetro. Por exemplo, usamos o termômetro para saber se uma pessoa está com febre, porque, com a medida do ter-mômetro, sabemos se o corpo da pessoa está mais quente do que normal. Também com o termômetro, podemos verificar qual é a temperatura do ambiente: quanto mais fria uma noite, menor a temperatura mostrada pelo termômetro. É importante você conhecer e controlar a temperatura de um gás. Primeiro, porque existe uma temperatura em que o gás natural se inflama espontaneamente. Além dis-so, se o gás é mantido dentro de um volume fechado, quando a temperatura do gás aumenta, também aumenta a pressão dentro do recipiente. Você deve ter essa idéia bem clara: Para um mesmo volume:

Maior temperatura do gás => maior pressão Por outro lado, se o recipiente não é fechado, ou se suas paredes são elásticas, a pressão fica constante quando a temperatura aumenta, ao mesmo tempo em que o volume ocupado pelo gás torna-se maior. Se o recipiente é aberto, o gás escapa para fora. Se as paredes são elásticas (como nos balões de ar quente), elas se “esticam” mais para se adaptarem ao maior volume que o gás aquecido passa a ocupar. Então, é importante você também saber que: Para uma pressão constante:

Maior temperatura do gás => maior volume Um conceito que se confunde às vezes com o de temperatura é o de calor. Entretanto, 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. 33..11..11 TTrraannssmmiissssããoo ddee CCaalloorr A literatura geralmente reconhece três meios distintos de transmissão de calor: condu-ção, irradiação e convecção.


33

3.1.1.1 Condução É um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso, ou entre meios diferentes em contato físico direto. 3.1.1.2 Irradiação É o processo de transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas (ondas de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) propaga-se até o outro, atra-vés do espaço que os separa. Sendo uma transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas, a radiação não exige a presença do meio material para ocorrer, isto é, a radiação ocorre no vácuo e também em meios materiais. Entretanto, não são todos os meios materiais que permi-tem a propagação das ondas de calor através deles. Toda energia radiante (transportada por onda de rádio, infravermelha, ultravioleta, luz visível, raios x, raio gama, etc.) pode converter-se em energia térmica por absorção. Porém, só as radiações infravermelhas são chamadas de ondas de calor. 3.1.1.3 Convecção Consideremos uma sala na qual liga-se um aquecedor elétrico em sua parte inferior. O ar em torno do aquecedor se aquece, tornando-se menos denso que o restante, ha-vendo uma troca de posição do ar quente que sobe e o ar frio que desce. A esse mo-vimento de massas de fluido chamamos convecção, e as correntes de ar formadas são correntes de convecção. Outros exemplos de convecção são os fluxos das chami-nés, o funcionamento dos radiadores e as correntes atmosféricas. Portanto, convec-ção é um movimento de massas de fluido, trocando de posição entre si. Notemos que não tem significado falar em convecção no vácuo ou em um sólido, isto é, convecção só ocorre nos fluidos. 33..11..22 MMeeddiiççããoo ddee TTeemmppeerraattuurraa O objetivo de se medir e controlar as diversas variáveis físicas em processos industri-ais é obter produtos de alta qualidade, com melhores condições de rendimento e segu-rança, a custos compatíveis com as necessidades do mercado consumidor. Nos diversos segmentos de mercado (químico, petroquímico, siderúrgico, cerâmico, papel e celulose, farmacêutico, vidreiro, alimentício, 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 Cri-ometria, que seriam casos particulares de medição.


34

A diferença entre a temperatura de dois corpos determina a capacidade de troca de calor entre eles. Dois corpos distintos trocarão calor até que estejam em equilíbrio térmico, ou seja, até que se igualem as suas temperaturas. Este é o princípio básico da maioria dos medidores de temperatura. Ao se modificar a temperatura de um corpo, são modificadas várias de suas proprie-dades físicas. Para se fabricar um medidor de temperatura, é necessário escolher uma dessas propriedades que caracterizam o estado térmico do corpo. O elemento de me-dição, ou elemento sensível, basear-se-á na variação dessa propriedade. Ao ser imer-so no meio cuja temperatura quer-se determinar, o elemento de medição entrará em equilíbrio térmico com o meio. Será determinado, então, o valor do parâmetro físico escolhido, o que fornecerá, indiretamente, a temperatura do elemento sensível e, por extensão, a do meio em que ele se encontra. Entretanto, a escolha desse parâmetro físico não é fácil, pois ele deve variar somente por influência da temperatura, não dependendo de outros fatores e ainda possibilitar a medição através de métodos relativamente simples e cômodos. Na realidade, não e-xiste nenhuma propriedade termométrica que satisfaça plenamente esses requisitos em toda a gama de temperaturas. As dificuldades básicas na medição de temperatura são, portanto, a influência de fatores externos sobre os dispositivos de medida e tam-bém a inércia térmica do sistema (que provoca atraso na resposta). 33..11..33 EEssccaallaass ddee TTeemmppeerraattuurraa Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termôme-tro sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis, como existia na época, para peso, distância e tempo. As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram Fahrenheit e 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 par-tes iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit. 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. Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit são relativas, ou seja, os seus valores nu-méricos de referência são totalmente arbitrários. Se abaixarmos a temperatura de uma substância continuamente, 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 a gás, pois os gases se liqüefa-zem antes de atingir o zero absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto na escala Celsius em -273,15ºC. 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 a 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 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 ⇒ 0 K e Rankine ⇒ 0 R (sem o símbolo de grau " ° ").


35

A escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e nos Estados Unidos da América, porém seu uso tem declinado em favor da escala Celsius, de aceitação uni-versal. 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 praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o ponto de fusão do gelo e 80 como o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido em oitenta partes iguais. (representação - °Re). 3.1.3.1 Conversão de escalas

Figura 20 – Relaciona as principais escalas de temperaturas Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas:

°C = °F – 32 = K – 273 = R - 491 5 9 5 9

Outras relações podem ser obtidas combinando as apresentadas entre si. Exemplo: O ponto de ebulição do oxigênio é -182,86°C. Exprimir esta temperatura em: K : K = 273 + (-182,86) = 90,14 K ºF : - 182,86 = °F-32 = - 297,14 °F 5 9 R : - 182,86 = R – 491 = 161,85 R

5 9


36

33..22 MMeeddiiddoorreess ddee TTeemmppeerraattuurraa Os medidores de temperatura podem ser divididos em dois grandes grupos: Os que se baseiam nas alterações físicas dos materiais, tais como volume, pressão etc. Exemplos: termômetros de líquido, termômetros bimetálicos, termômetros a pres-são de vapor ou de gás. Os que se baseiam nas propriedades termoelétricas, como diferença de potencial, resistividade, etc. Exemplos: termopares, termômetros de resistência. Alguns instrumentos, como os pirômetros óticos, utilizam a radiação emitida por um corpo quente como propriedade termométrica. Nesse caso, o elemento de medição não entra em equilíbrio térmico com o corpo sujeito à determinação de temperatura. 33..22..11 LLííqquuiiddoo 3.2.1.1 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. Os tipos podem variar conforme sua construção:

• Recipiente de vidro transparente; • Recipiente metálico.

3.2.1.2 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, mais uniforme possível, fechado na parte superi-or. O reservatório e a parte do capilar são preenchidos por um líquido. Na parte superior do capilar, existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar seu limite máximo. Após a calibração, a parede do tubo capilar é 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 acetona. Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico e o tubo capilar por um invólucro metálico.

Tabela 3 – Líquidos mais usados na construção de termômetros vidro

Líquido Ponto de solidificação(oC)

Ponto de ebulição(oC)

Faixa de uso(oC)

Mercúrio -39 +357 -38 a 550 Álcool Etílico -115 +78 -100 a 70

Tolueno -92 +110 -80 a 100 No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550OC, injetando-se gás inerte sob pressão, evitando a vaporização do mercúrio.


37

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 com a utilização de uma proteção metálica.

Figura 21 – Termômetro de dilatação de líquido em recipiente vidro

3.1.2.3 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, dilata-se, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico).

Figura 22 – Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico


38

Características dos elementos básicos deste termômetro: Bulbo Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e, principalmente, com a sen-sibilidade desejada.

Tabela 4 – Líquidos mais usados e sua faixa de utilização

LÍQUIDO FAIXA DE UTILIZAÇÃO (oC)

Mercúrio -35 à +550

Xileno -40 à +400 Tolueno -80 à +100 Álcool 50 à +150

Capilar Suas dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possí-vel, a fim de evitar a influência da temperatura ambiente, porém não deve oferecer resistência à passagem do líquido em expansão. Elemento de medição O elemento usado é o tubo de Bourdon, podendo ser : tipo c, tipo espiral e o tipo heli-coidal.

Figura 23 – Tipos de elementos de medição

Os materiais mais usados são bronze fosforoso, cobre - berílio , aço - inox e aço - car-bono. Pelo fato deste sistema utilizar líquido inserido num recipiente e da distância entre o elemento deformável (elemento sensor) e o bulbo ser considerável, as variações na temperatura ambiente afetam o líquido do capilar e o elemento deformável (elemento 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 lâmina bime-tálica. Este sistema é normalmente preferido por ser mais simples, porém o compri-mento máximo do capilar para este sistema de compensação é de aproximadamente 6 metros. Quando esta distância for maior, o instrumento deve possuir sistema de com-pensação 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. Aplica-se estes termômetros, em geral, na indústria para indicação e registro, pois permite leituras remotas e é o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de


39

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 pro-teção, permite manutenção do termômetro com o processo em operação. Recomenda-se não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se for-mem restrições que prejudiquem o movimento do líquido em seu interior, causando problemas de medição. 33..22..22 TTeerrmmôômmeettrrooss aa PPrreessssããoo ddee GGááss 3.2.2.1 Princípio de funcionamento Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, ele-mento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos.

Figura 24 – Termômetros a pressão de gás

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, expressa matematicamente este conceito: P1 = P2 = . . . = Pn T1 T2 Tn

Figura 25 – Modelo industrial de um termômetro a pressão de gás Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatu-ra, sendo o volume constante. 3.2.2.2 Características


40

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

Tabela 5 – Tipos de gás de enchimento:

Gás Temperatura Crítica Hélio (He) - 267,8oC Hidrogênio (H2) - 239,9oC Nitrogênio (N2) - 147,1oC Dióxido de Carbono (CO2) - 31,1oC

33..22..33 TTeerrmmôômmeettrroo aa PPrreessssããoo ddee VVaappoorr 3.2.3.1 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" 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:

P1 /P 2 = H e ( 1/T 1 - 1/T2 ) / 4,58 onde: P1 e P 2 = Pressões absolutas relativas às temperaturas T1 e T2 = Temperaturas absolutas H e = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão


41

Figura 26 – Termômetro a pressão de vapor

Tabela 6 – Líquidos mais utilizados e seus pontos de fusão e ebulição

Líquido Ponto de Fusão ( oC ) Ponto de ebulição ( oC ) Cloreto de Metila - 139 - 24

Butano - 135 - 0,5 Éter Etílico - 119 34

Tolueno - 95 110 Dióxido de enxofre - 73 - 10

Propano - 190 - 42 33..22..44 TTeerrmmôômmeettrrooss àà DDiillaattaaççããoo ddee SSóólliiddooss ((tteerrmmôômmeettrrooss bbiimmeettáálliiccooss)) 3.2.4.1 Princípio de funcionamento Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura.

Figura 27 – Princípio de funcionamento do termômetro bimetálico


42

3.2.4.2 Características de construção O termômetro bimetálico consiste em duas laminas de metal, com coeficientes de dila-tação diferentes, sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional à temperatura. Na prática, a lamina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade.

Figura 28 – Características de construção do termômetro bimetálico

O termômetro mais usado é o de lâmina helicoidal, e consiste em um tubo bom condu-tor de calor, no interior do qual é fixado um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala. Normalmente, utiliza-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 é de -50 a 800oC, aproximadamente, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/- 1%.

Figura 29 – Termômetro bimetálico de lâmina helicoidal


43

33..22..55 MMeeddiiççããoo ddee TTeemmppeerraattuurraa ccoomm TTeerrmmooppaarr Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo, ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.

Figura 30 – Esquemático de ligação de um termopar

O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m. Este princípio, conhecido por efeito Seebeck, propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura. Nas aplicações práticas, o termopar apresenta-se normal-mente conforme a figura 31. O sinal de f.e.m., gerado pelo gradiente de temperatura ( ∆T ) existente entre as juntas quente e fria, será, de um modo geral, indicado, registrado ou transmitido. 3.2.5.1 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 termoe-létricas 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.


44

3.2.5.2 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 uma diferença de temperatura ∆T entre as suas junções. Denominamos a junta de medição de Tm e a outra junta de referência de Tr. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante, verifica-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste. Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro.

Figura 31 – Efeito termoelétrico de Seebeck

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metal diferem de um condutor para outro e dependem da temperatura. Quando dois condutores diferen-tes são conectados para formar duas junções, e estas são mantidas a diferentes tem-peraturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos diferentes. 3.2.5.3 Efeito termoelétrico de Peltier Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura e mediante uma bateria exterior, se produzida uma corrente no termopar, as temperaturas das junções variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variação adicional de temperatura é o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior, como pelo próprio par termoelétrico. 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.

Figura 32 – Efeito termoelétrico de Peltier


45

3.2.5.4 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 distri-buição 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 há geração de calor quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais, ocorre o oposto deste efei-to, 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. 3.2.5.5 Efeito termoelétrico de Volta A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta enunciado a seguir: “Quando dois metais estão em contato, há um equilíbrio térmico e elétrico e 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 direta-mente. 3.2.5.6 Leis termoelétricas Da descoberta dos efeitos termoelétricos, partiu-se, através da aplicação dos princí-pios da termodinâmica, à 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. 3.2.5.7 Lei do circuito homogêneo A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes com suas junções às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de tempera-tura e de sua distribuição ao longo dos fios “, em outras palavras, a f.e.m. medida de-pende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das tempera-turas existentes nas junções.

Figura 33 – Lei do circuito homogêneo

Um exemplo de aplicação prática desta lei é o fato de podermos ter uma grande varia-ção de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, sem


46

que esta influencie 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. 3.2.5.8 Lei dos metais intermediários A soma algébrica das f.e.m. termais, em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes, é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura “. Deduz-se daí que em um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.

Figura 34 – Lei dos metais intermediários

Onde se conclui que: 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

Figura 35 – Lei das temperaturas intermediárias

A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferen-tes entre si com as suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da f.e.m. deste circuito com as junções às temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções às temperaturas T2 e T3. Um exemplo prático da aplicação desta lei, é a compensação ou correção da tempera-tura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.


47

3.2.5.9 Correlação da F.E.M. em função da temperatura Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química dos con-dutores 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. Por-tanto, podemos 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 re-ferência à temperatura de 0°C.

Figura 36 – Correlação da f.e.m. versus temperatura para os termopares

Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala Prática Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68), re-centemente atualizada pela ITS-90 para os termopares mais utilizados. A partir dessas tabelas, podemos construir um gráfico conforme a figura, onde está relacionada a milivoltagem gerada em função da temperatura para os termopares, segundo a norma ANSI, com a junta de referência a 0ºC. 3.2.5.10 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 tempera-tura 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 obter-se uma alta potência termoelétrica, aliando-se ainda as melhores características como homogeneidade dos fios e resis-tência à 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.


48

3.2.5.11 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 à 0ºC (ponto de solidificação da água). Porém, nas aplicações práticas dos termopares, a junta de referência é considerada nos terminais do instrumento receptor e esta se encontra à temperatura ambiente (normalmente dife-rente de 0°C e variável com o tempo), tornando, assim, necessário que se faça uma correção (automática ou manual) da junta de referência. Os instrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer a correção da junta de referência automaticamente. Um dos métodos utilizados é a medição da temperatura nos terminais do instrumento através de circuito eletrônico, sendo que este circuito adiciona a milivoltagem que chega aos terminais uma milivol-tagem correspondente à diferença de temperatura entre 0ºC e a temperatura ambien-te. Existem, também, alguns instrumentos em que a compensação da temperatura é fixa em 20ºC ou 25ºC. Neste caso, se a temperatura ambiente for diferente do valor fixo, o instrumento indicará a temperatura com um erro, que será maior quanto maior for a diferença entre a temperatura ambiente e o valor fixo.

Figura 37 – Correção da junta de referência

É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as tem-peraturas das junções. Então, para medirmos a temperatura do ponto desejado, preci-samos manter a temperatura da junção de referência invariável. Para exemplificar, considere a figura com termopar tipo K.

Figura 38 – Correção da junta de referência com termopar tipo K

FEM = JM - JR FEM = 2,023 - 1,00 FEM = 1,023 mV ≈ 25,5ºC


49

Esta temperatura obtida pelo cálculo está errada, pois o valor da temperatura correta que o termômetro deve medir é de 50ºC. FEM = JM - JR FEM = 2,023 - 1,00 FEM = 1,023 mV + o mV correspondente à temperatura ambiente para fazer a com-pensação automática, portanto: FEM= mV JM – mV JR + mV CA (compensação automática) FEM = 2,023 - 1,00 + 1,00 FEM = 2,023 mV 50ºC A leitura agora está correta, pois 2,023 mV corresponde a 50ºC, que é a temperatura do processo. Hoje em dia a maioria dos instrumentos faz 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 à temperatura ambiente e acrescen-ta-se o valor de mV lido por um milivoltímetro. 3.2.5.12 Fios de compensação e extensão Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura através de termopa-res, o elemento sensor não se encontra junto ao instrumento receptor. Nestas condi-ções, 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 àque-la do termopar, afim de que no instrumento possa ser efetuada a correção na junta de referência. Definições: 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, forman-do um condutor flexível.

Chamam-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. 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 esteja até um limite máximo de 200ºC. Outro fator importante é ter o cuidado de saber a norma técnica que o cabo utiliza, pois isto determina a cor da isolação e o seu tipo conseqüentemente (página 77 cata-logo geral da Ecil 1999), para que possamos aplica-lo corretamente.


50

3.2.5.13 Erros de ligação Usando fios de cobre Geralmente na aplicação industrial, é necessário que o termopar e o instrumento en-contrem-se relativamente afastados, por não convir que o aparelho esteja demasia-damente 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, esteja na mesma temperatura de medição. Vejamos o que acontece quando esta norma não é obedecida.

Figura 39 – Erro de medição no uso de fios de cobre

Uma solução simples, normalmente usada na prática, é a inserção de fios de compen-sação entre o cabeçote e o registrador. Estes fios de compensação em síntese nada mais são que outros termopares cuja função é compensar a queda da f.e.m., que a-conteceu no caso estudado, ocasionada pela diferença de temperatura entre o cabe-çote e o registrador. Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invés de cobre, usamos um fio compensado. A figura mostra de que maneira se processa a instalação.

Figura 40 – Medição usando fio compensado


51

Como no caso acima, a f.e.m. efetiva no cabeçote é de 20,735 mV. Do cabeçote até o registrador, são utilizados fios de extensão ou compensados, os quais adicionam uma parcela igual a 0,57 mV à f.e.m., fazendo assim com que chegue ao registrador uma f.e.m. efetiva de 22,265 mV. Este valor corresponderá à temperatura real dentro do forno (538ºC). A vantagem desta técnica provém do fato de que os fios de extensão ou compensação, além de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, também são mais resistentes. Inversão simples Conforme mostra a figura 41, os fios de compensação foram invertidos.

Figura 41 – Medição usando fio compensado com inversão simples Assume-se que o forno esteja a 538ºC, o cabeçote a 38ºC e o registrador a 24ºC. De-vido à diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador, será gerada uma f.e.m. 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 f.e.m. produzida ao longo do circuito se oponha àquela do circuito de compensação automática do regis-trador, ocasionando que o registrador indique uma temperatura negativa.


52

Inversão Dupla 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 a-contece, e a única maneira de solucionar o problema será efetuar uma ligação correta.

+-

Figura 42 – Medição usando fio compensado com dupla inversão

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

Figura 43 – Termopar de isolação mineral 3.2.5.15 Vantagens dos termopares de isolação mineral


53

Estabilidade na força eletromotriz A estabilidade da f.e.m. do termopar é caracterizada em função dos condutores esta-rem completamente protegidos contra a ação de gases e outras condições ambientais, que normalmente causam oxidação e, conseqüentemente, perda da f.e.m. gerada. Resistência mecânica O pó muito bem compactado, contido dentro da bainha metálica, mantém os conduto-res uniformemente posicionados, permitindo que o cabo seja dobrado achatado, torci-do ou estirado, suporte pressões externas e choque térmico, sem qualquer perda das propriedades termoelétricas. Dimensão reduzida O processo de fabricação permite a produção de termopares de isolação mineral, com bainhas de diâmetro externo até 1,0 mm, permitindo a medida de temperatura em lo-cais que não eram anteriormente possíveis com termopares convencionais. Impermeabilidade à água , óleo e gás A bainha metálica assegura a impermeabilidade do termopar à água, óleo e gás. Facilidade de instalação A maleabilidade do cabo, a sua pequena dimensão, longo comprimento grande resis-tência mecânica asseguram facilidade de instalação, mesmo nas situações mais difí-ceis. Adaptabilidade A construção do termopar de isolação mineral permite que o mesmo seja tratado como se fosse um condutor sólido. Em sua capa metálica, podem ser montados acessórios por soldagem ou brasagem e, quando necessário, sua seção pode ser reduzida ou alterada em sua configuração. Resposta mais rápida A pequena massa e a alta condutividade térmica do pó de óxido de magnésio propor-cionam ao termopar de isolação mineral um tempo de resposta que é virtualmente igual ao de um termopar descoberto de dimensão eqüivalente. Resistência à corrosão As bainhas podem ser selecionadas adequadamente para resistir ao ambiente corrosi-vo. Resistência de isolação elevada O termopar de isolação mineral tem uma resistência de isolação elevada, numa vasta gama de temperaturas, a qual pode ser mantida sob condições mais úmidas.


54

Blindagem eletrostática A bainha do termopar de isolação mineral, devidamente aterrada, oferece uma perfeita blindagem eletrostática ao par termoelétrico. 3.2.5.16 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 radi-ação total, ou seja, para soma de pequenas mV.

Figura 44 – Associação série de termopares 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 aplica-dos 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 ter-mopares sempre são do mesmo tipo. Exemplo: Os termopares estão medindo 56ºC e 50ºC respectivamente, e a diferença será medida pelo milivoltímetro.

Figura 45a – Associação série-oposta de termopares

FEM T = FEM2 – FEM1 56ºC = 2,271 mV FEM T = 2,271 - 2,023 50ºC = 2,023 mV FEM T = 0,248 mV ≈ 6ºC Não é necessário compensar a temperatura ambiente, desde que as juntas de refe-rência estejam à mesma temperatura.


55

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 forem iguais.

Figura 45b – Associação paralela de termopares

33..22..66 MMeeddiiççããoo ddee TTeemmppeerraattuurraa ppoorr TTeerrmmôômmeettrrooss ddee RReessiissttêênncciiaa 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 –270ºC a 660ºC. em seu modelo de laboratório. 3.2.6.1 Princípio de funcionamento Os bulbos de resistência são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência em função da temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, cobre ou níquel, que são metais que apresen-tam características de:

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


56

3.2.6.2 Construção física do sensor O bulbo de resistência compõe-se de um filamento, ou resistência de Pt, Cu ou Ni, com diversos revestimentos, de acordo com cada tipo e utilização. Os termômetros de resistência 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 300ºC o níquel perde suas propriedades características de funcionamento como termômetros de resistência, e o cobre sofre problemas de oxidação em temperaturas acima de 310ºC. Os sensores de platina, devido a suas características, permitem um funcionamento até temperaturas mais elevadas e têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro. A este sensor são dispensados maiores cuidados de fabricação, pois, apesar da Pt não restringir o limite de temperatura de utilização, quando a mesma é utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminação dos fios. Para utilização como termômetro padrão, os sensores de platina são completamente desapoiados do corpo de proteção. A separação é feita por isoladores, espaçadores de mica, conforme desenho abaixo. Esta montagem não tem problemas relativos à dilatação, porém é extremamente frágil.

Figura 46 – Construção física do sensor

Os medidores parcialmente apoiados têm seus fios introduzidos numa peça de alumi-na de alta pureza com fixador vítreo. É um meio termo entre resistência a vibração e dilatação térmica. A versão completamente apoiada pode suportar vibrações muito mais fortes, porém sua faixa de utilização fica limitada a temperaturas mais baixas, devido à dilatação dos componentes. 3.2.6.2 Características do termômetro de resistência de platina Os termômetros de resistência Pt - 100 são as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade, larga faixa de utilização e alta precisão. Devido à alta esta-bilidade dos termômetros de resistência de platina, as mesmas são utilizadas como padrão de temperatura na faixa de –270ºC a 660ºC. A estabilidade é um fator de gran-de importância na indústria, pois é a capacidade do sensor manter e reproduzir suas características (resistência versus temperatura) dentro da faixa especificada de opera-ção. Outro fator importante num sensor Pt 100 é a repetibilidade, que é a característica de confiabilidade do termômetro de resistência. Repetibilidade deve ser medida com leitu-ra 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 sujeita 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.


57

Figura 47 – Encapsulamento de um termômetro de resistência de platina Na montagem tipo isolação mineral, tem-se o sensor montado em um tubo metálico com uma extremidade fechada, e preenchidos todos os espaços com óxido de mag-nésio, permitindo uma boa troca térmica e protegendo o sensor de choques mecâni-cos. A ligação do bulbo é feita com fios de cobre, prata ou níquel isolados entre si, sendo a extremidade aberta selada com resina epóxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar. Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro e apresenta rápida velocidade de resposta. Vantagens:

Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores; Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação; Dispensa utilização de fiação especial para ligação; Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente; Têm boas características de reprodutibilidade; Em alguns casos, substitui o termopar com grande vantagem. Desvantagens:

• São mais caras do que os sensores utilizados nessa mesma faixa; • Deterioram-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura

máxima de utilização; • Temperatura máxima de utilização 630ºC; • É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equili-

brada para indicar corretamente; • Alto tempo de resposta.

3.2.6.3 Princípio de medição Os termômetros de resistência são normalmente ligadas a um circuito de medição tipo Ponte de Wheatstone, sendo que o circuito encontra-se balanceado quando é respei-tada 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 do termômetro de resistên-cia, teremos as seguintes configurações:


58

Figura 48 – Circuito de medição tipo Ponte de Wheatstone

Ligação a 2 fios Como se vê na Erro! A origem da referência não foi encontrada., 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 resis-tência dos condutores RL1 e RL2. Isto significa que os fios RL1 e RL2, a menos que sejam de muito baixa resistência, podem aumentar apreciavelmente a resistência do sensor.

Figura 49 – Ponte de Wheatstone com ligação a dois fios

Tal disposição resultará em erro na leitura da temperatura, a menos que haja 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 instalados, 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 a 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 à variação da resistência de linha .


59

Ligação a 3 fios Este é o método mais utilizado para termômetros de resistência 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.

Figura 50 – Ponte de Wheatstone com ligação a três fios Nesta situação, tem-se a tensão EAB, variando linearmente em função da temperatura da PT - 100 e independente da variação da temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação. Este tipo de ligação garante relativa precisão mesmo com grandes distâncias entre elemento sensor e circuito de medição. 33..22..77 MMeeddiiççããoo ddee TTeemmppeerraattuurraa ppoorr RRaaddiiaaççããoo Ao se medirem temperaturas em que o contato físico com o meio é impossível ou im-praticável, faz-se uso da pirometria óptica ou de radiação térmica. Um corpo aquecido emite energia mesmo que esteja no vácuo. Esta energia, a radia-ção térmica, é transportada por ondas eletromagnéticas, como a energia luminosa, mas com predominância de freqüências bem menores que as do espectro visível, en-quanto o corpo está à temperatura não muito elevada. À medida que se aquece um corpo, a partir de temperaturas da ordem de 500ºC, este começa a ficar visível, porque começa a emitir radiações que têm uma fração apreciável com freqüência de luz: o espectro visível. Ainda assim, a maior parte da intensidade da radiação tem freqüência localizada na região do infravermelho. Se pudéssemos aquecer indefinidamente o corpo, ele passaria do rubro para o branco e para o azul. Isto indica que a predominância da intensidade de radiação emitida den-tro do espectro visível corresponde a freqüências crescentes, à medida que a temperatura do corpo é elevada.


60

3.2.7.1 Pirômetros ópticos O pirômetro óptico é o dispositivo oficial reconhecido internacionalmente para medir temperaturas acima de 1064,43ºC. É usado para estabelecer a Escala Internacional Prática de Temperatura acima de 1064,43ºC. 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 preci-são. 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 sensibili-dade do olho humano às diferenças no brilho entre duas fontes da mesma cor.

Figura 51 – Fluxograma do pirômetro óptico

Ao considerar-se uma aplicação, deve-se levar em consta os seguintes dados: Os limites normais de utilização estão entre 750ºC e 2850ºC. Com filtros de absorção especiais, pode-se estender sua calibração até 5500ºC. 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 %. Visto que a medida de temperatura é baseada na emissividade da luz (brilho), erros significativos podem ser criados, devido à reflexão de luz ambiente pela fonte a ser medida. Quando o meio onde se executa a medida possui partículas em suspensão, causando assim uma diminuição da intensidade da luz proveniente da fonte, diminui a precisão da medição.


61

3.2.7.2 Radiômetro e pirômetros de radiação São instrumentos que 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 de termopares) ou do tipo semicondutor (nos mais modernos), onde gera um sinal elétrico, no caso da ter-mopilha, ou altera o sinal elétrico, no caso do semicondutor. Como não possuem mecanismo de varredura próprio, o deslocamento do campo de visão instantâneo é realizado pela movimentação do instrumento como um todo. Os radiômetros são, em geral, portáteis, mas podem ser empregados também no controle de processos, a partir de montagens mecânicas fixas ou móveis. Graças à utilização de microprocessadores, os resultados das medições podem ser memorizados para o cálculo de temperaturas e seleção de valores.

Figura 52 – Pirômetro de radiação Parcial

A apresentação dos resultados é normalmente feita através de mostradores analógi-cos 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 danifi-cam o produto. 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; • sinal de saída é independente da distância do alvo, desde que o campo de

visão do sistema óptico esteja preenchido totalmente pelo mesmo; • material da fonte e sua emitância; • Ângulos de visada com aplicações em corpo não negro (deve-se restringir

o ângulo para uma visada de 45º, ou menos, da perpendicular); • As condições do ambiente, temperatura e poeira; • Velocidade do alvo.

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


62

Figura 53 – Pirômetro de radiação total


63

44 VVAAZZÃÃOO 44..11 MMeeddiiççããoo ddee VVaazzããoo

A medição de vazão é definida, no seu sentido mais amplo, como a determinação da quantidade de líquido, gás ou sólido que passa em um determinado local por unidade de tempo. Pode também ser definida como a quantidade total de fluido movimentado. A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros, mm3, cm3, m3, galões, pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, kg, toneladas, libras). A vazão instantânea é dada por uma das unidades acima, dividida por uma unidade de tempo (litros/min, m3/hora, galões/min). No caso de gases e vapores, a vazão instan-tânea 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 0ºC, 20ºC, ou a outra temperatura qualquer. Na medição de gases, é comum indicar a vazão em Nm3/h (normais metros cúbicos por hora, ou seja, à tempe-ratura de 0ºC e à pressão atmosférica) ou em SCFM (pés cúbicos standard por minuto - temperatura 60ºF e 14,696 psia de pressão atmosférica). Vale dizer que:

1 m3 = 1000 litros 1 galão (americano) = 3,785 litros 1 pé cúbico = 0,0283168 m3 ibra = 0,4536 kg

44..22 TTiippooss ddee MMeeddiiddoorreess ddee VVaazzããoo Existem dois tipos de medidores de vazão: os medidores de quantidade e os medido-res volumétricos. 44..22..11 MMeeddiiddoorreess ddee QQuuaannttiiddaaddee São aqueles que, a qualquer instante, permitem saber que quantidade de fluxo pas-sou, mas não a vazão do fluxo que está passando. Exemplo: bombas de gasolina, hidrômetros, balanças industriais, etc. Os medidores de quantidade podem ser classificados em: medidores de quantidade por pesagem e medidores de quantidade volumétrica. Os medidores de quantidade por pesagem são utilizados para medição de sólidos, como as balanças industriais. Os de quantidade volumétrica são aqueles que o fluido, passando em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação. Estes medidores são utilizados como os elementos primários das bom-bas de gasolina e dos hidrômetros. Exemplos: disco mutante, tipo pistão oscilante, tipo pás giratórias, tipo nódulos rotativo, etc.


64

Disco Mutante Tipo Pistão Oscilante

Tipo Pás Giratórias

Tipo Nódulos Rotativo Figura 54 – Tipos de medidores de quantidade

Para os sistemas residenciais e comerciais que utilizam gás natural e GLP, alguns tipos de medidores de quantidade volumétrica são muito utilizados. São eles: o medi-dor de diafragma e o medidor rotativo.


65

4.2.1.1 Medidor de diafragma O medidor de diafragma ou sanfona é muito usado em aplicações domésticas e co-merciais. Observe que, no medidor de diafragma (Erro! A origem da referência não foi encontrada.), existem quatro compartimentos ou câmaras. Cada compartimento é preenchido ou esvaziado em seqüência. O resultado é um fluxo constante de gás.

Figura 55 – Princípio de funcionamento do medidor de diafragma 4.2.1.2 Medidor de nódulos rotativo De maneira semelhante ao medidor de diafragma, o medidor de nódulos rotativo tam-bém tem câmaras que se movem devido à diferença de pressões. Siga o fluxo de gás na figura abaixo. Observe a direção do fluxo e a direção dos rotores.

Figura 56 – Medidor rotativo

Câmara 1 está esvaziando, câmara 2 está enchendo, câmara 3 está vazia, câmara 4 está cheia

Câmara 1 está vazia, câmara 2 está cheia, câmara 3 está enchendo, câmara 4 está esvaziando.

Câmara 1 está enchendo, câmara 2 está esvaziando, câmara 3 está cheia, câmara 4 está vazia.

Câmara 1 está cheia, câmara 2 está vazia, câmara 3 está esvaziando, câmara 4 está enchendo.


66

4.2.1.3 Leitura dos medidores de diafragma e rotativo O medidor de gás indica a vazão de gás que o atravessa pela contagem do preenchi-mento e do esvaziamento das quatro câmaras. Desde que cada câmara seja preen-chida a cada vez com a mesma quantidade de gás, a medição é muito preciso, e, co-mo uma câmara é esvaziada enquanto outra é preenchida, a vazão de gás para o e-quipamento é regular e ininterrupta. Em um medidor, existem tipos de contadores co-mumente encontrados, os quais você pode ver na Erro! A origem da referência não foi encontrada.: Exemplo de leitura do medidor: os números indicados pelos ponteiros devem ser acrescidos de três zero (2711000).

Figura 57 – Indicador totalizador de vazão Contadores de Consumo: totalizam o consumo de gás em um período de tempo, com a finalidade de emissão de conta. Possuem diferentes faixas de indicação. São os contadores de 1.000, 10.000, 100.000 e 1.000.000 m3 (ver na figura 57). Contador Indicador: tem maior precisão que o contador de consumo mais preciso. Não é lido com o propósito de emissão de conta. É encontrado em alguns medidores de maior porte. Contador de Teste: é de alta precisão e tem duas funções: primeiro, determinar a va-zão de entrada do equipamento em m3/h; segundo, testar o medidor e a linha à jusante com relação a vazamentos. São os contadores de ½ e 2 m3 (ver na figura 57). Observe os seguintes pontos para fazer uma leitura fácil e precisa do medidor: Sempre leia do indicador da direita para o da esquerda (do menor para o maior multi-plicador). Observe que os contadores são divididos em décimos, sendo que cada contador gira em direção oposta aos seus vizinhos. Sempre observe a direção de rotação do indica-dor, se horária ou anti-horária, antes de fazer a leitura. Para ler o consumo, tome os números mais próximos já ultrapassados pelo ponteiro do contador. A precisão do contador que você está lendo é determinada pelo contador vizinho de maior exatidão. Para determinar a quantidade de gás consumida, faça leituras separadas em dias dife-rentes. Subtraia a primeira leitura da segunda para encontrar a quantidade de gás u-sada durante o tempo entre as duas leituras. Atualmente, na indústria, os medidores são projetados para totalizar o volume de gás medido, proporcionando uma indicação contínua em um grupo de relógios (contado-res), como mostrado na figura anterior. Há uma tendência para a utilização de medi-dores digitais de leitura direta, também conhecidos como medidores do tipo odômetro.


67

Os contadores de teste, por causa da sua função, são ainda mantidos nos medidores do tipo odômetro.

Figura 58 – Medidor tipo odômetro 44..22..22 MMeeddiiddoorreess VVoolluummééttrriiccooss São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo. 4.2.2.1 Medição de vazão por pressão diferencial A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluido passe através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluido diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode, então, ser medida a partir desta queda.

Figura 59 – Medição de vazão por pressão diferencial

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


68

Gráfico 1 – Perda de carga para os diferentes medidores por ∆P

4.2.2.3 Conceitos básicos Regimes de escoamento de fluidos em tubulações O escoamento de um fluido numa tubulação pode ser caracterizado por um dos se-guintes regimes: o laminar e o turbulento. A corrente laminar se caracteriza por um escoamento em camadas planas ou concên-tricas, dependendo da forma do canal ou do tubo, sem passagem das partículas do fluido de uma camada para outra e sem variação de velocidade, para determinada vazão. A corrente turbulenta, ao contrário, é caracterizada por uma mistura intensa do líquido e oscilações de velocidades e pressões. O movimento das partículas é desordenado e suas trajetórias têm geralmente formas complicadas. A experiência conhecida, destinada a evidenciar os dois regimes de escoamento, é mostrada na Erro! A origem da referência não foi encontrada.. A um recipiente com água, é ligado um tubo de vidro terminado por uma torneira. Um outro recipiente cheio de tinta permite a injeção de um pequeno filete de tinta no centro do tubo de vidro.

Figura 60 – Tipo de escoamento Ao se abrir um pouco a torneira, observa-se que o filete de tinta não se mistura à á-gua, caracterizando o regime laminar. Aumentando gradativamente a abertura da tor-


69

neira, percebe-se que, a uma determinada vazão, o filete de tinta começa a se mistu-rar com a água em redemoinhos característicos do regime turbulento. É possível voltar ao regime laminar diminuindo a abertura da torneira. Número de Reynolds É o coeficiente que determina a não laminaridade do escoamento do fluido. Tal coefi-ciente é expresso pela relação:

υDV .Re =

Onde: V = velocidade do fluido D = diâmetro da tubulação ν = coeficiente viscosidade cinética Distribuição de velocidades

Nas medições de vazões na indústria, o regime de escoamento é turbulento na maio-ria dos casos. O regime turbulento é caracterizado por um perfil de velocidades mais uniforme que o perfil correspondente ao regime laminar.

Figura 61 – Distribuição de velocidades

Viscosidade A viscosidade é uma das mais importantes características dos fluidos, já que interfere diretamente no regime de escoamento do mesmo. Equação da continuidade

Figura 62 – Equação da continuidade

Supondo um fluxo em regime permanente na tubulação da Erro! A origem da refe-rência não foi encontrada., não haverá acumulação de massa no volume compreen-dido entre as seções 1 e 2, pois, neste caso, pelo menos a massa específica variaria, deixando ser regime permanente. Princípio de Bernoulli

Seção 2 Seção 1

Sentido de fluxo


70

Supondo um fluido perfeito (ideal), que não possui viscosidade, seu deslocamento ocorre sem atrito e, portanto, sem perdas de energia, no entanto, a diferença de pres-são entre seções irá depender do peso específico e da diferença de altura entre se-ções (inclinação da tubulação).

Figura 63 – Princípio de Bernoulli

4.2.2.4 Instalação e método de medição de vazão por ∆p Na indústria, o método mais utilizado para medir vazão pelo princípio da pressão dife-rencial variável é através da placa de orifício.

Figura 64 – Método de medição de vazão por ∆P para gases

Podemos representar esquematicamente esta malha de medição através do fluxogra-ma mostrado a seguir:


71

Figura 65 – Fluxograma de uma malha de medição

Partindo-se da Equação Geral de Bernoulli, conclui-se que a vazão só irá variar em função de P∆ , pois todos os outros parâmetros são constantes. Desta forma, pode-mos simplificar a expressão da vazão por:

PkQ ∆=

Onde Q = Vazão K = Constante que depende de fatores como: -Relação entre orifício e tubulação -Características do fluido ∆P = Diferença entre as pressões a montante e a jusante da placa de orifício. É importante observar que o ∆P varia quadraticamente em função da vazão Q.

Gráfico 2 – Diferença quadrática entre ∆P e a vazão


72

Quadro 5 – Comparação de valores entre ∆P e a vazão

Vazão ∆P 0,0 0,0 50,0 25,0 70,7 50,00 86,6 75,00

100,00 100,00 Analisando a Fig. 68 teremos:

Quadro 6 – Relação de escala linear e quadrática

"Q" ∆P Saída do FT Indicação do FI esca-la linear

Indicação do FI escala quadrática

100 100 100 100 100

50 25 25 25 50 0 0 0 0 0

Supondo o fluxograma mostrado na Erro! A origem da referência não foi encontra-da., sabe-se que esta malha possui como características: Vazão máxima de 10 m3/h e o ∆P produzido com esta vazão é de 2500 mmH2O. Como saber o sinal de saída do transmissor (FT) calibrado de 3 a 15 psi, quando a vazão for 8 m3/h ?

Figura 66 – Fluxograma de uma malha de vazão sem extrato de raiz


73

Determinação do k:

PkQ ∆= ====>P

Qk∆

=

Para vazão máxima:

5010

250010 ==k ===> k = 0,200 (para Q=m3/h e ∆P em mmH2O)

Portanto:

16002,0

822

=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛=⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=∆

kQP ====> ∆P = 1600 mmH2O

Então: Pressão de Saída do FT = PFT

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −entradadeSpan

ZeroentradanamedidoValorsaídadeSpan

ZerosaídanamedidoValor

FTdosaídadeZeroFTdosaídadeSpanFTdoentradadeSpan

FTdeentradanaPdemedidoValorSaídaFT +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×

∆=

31225001600 +⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ ×=FTSaída

SFT = 10,68 psi Outro método de trabalho baseia-se no cálculo em porcentagem adotando-se k = 10. Então: 8 m3/h equivale a 80% da vazão Portanto:

PkQ ∆= ====> 641080 22

=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛=⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=∆

kQP

∆P = 64 %

312100

+⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ×∆= PPFT ====> ( ) 31264,0 +×=FTP

PFT = 10,68 psi


74

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

Figura 67 – Fluxograma de uma malha de vazão com extrato de raiz

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

Quadro 7 – Relação da vazão x ∆p com o extrator de raiz quadrada

"Q" "SFY" "EFY" ∆p 100-------- 15---------- 15---------- 100

Μ Μ Μ Μ

50---------- 9----------- 6----------- 25 0----------- 3----------- 3----------- 0

Portanto :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −entradadeSpan

ZeroentradanamedidoValorsaídadeSpan

ZerosaídanamedidoValor

31212

3+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×

−= FY

FYES

(psi)

31212

3 2

+×⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −= FY

FYSE

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

6,123128,031212

368,10 =+×=+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×−=FYS

SFY = 12,6 psi


75

4.2.2.5 Placa de orifício Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferenci-al, o mais simples e mais comum é a placa de orifício. Consiste em uma placa preci-samente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação.

Figura 68 – Placa de orifício montada entre flanges

É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque se ficarem im-precisas ou corroídas pelo fluido, a precisão da medição será comprometida. Costu-meiramente, é fabricada em aço inox, monel, latão, etc., dependendo do fluido.

VANTAGENS DESVANTAGENS Alta perda de carga

Instalação fácil Baixa Rangeabilidade Econômica

Construção simples Manutenção e troca simples

44..33 TTiippooss ddee OOrriiffíícciiooss

Figura 69 – Tipos de orifícios


76

Orifício concêntrico Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão. Orifício excêntrico Utilizado quando tivermos fluido com sólidos em suspensão, os quais possam ser reti-dos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo. 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 só-lidos em suspensão. 44..33..11 TTiippooss ddee BBoorrddoo 4.3.1.1 Bordo quadrado (aresta viva) Usado em tubulações normalmente maiores que 6 “e não usado em fluxo com baixos Número de Reynolds (Re)”. 4.3.1.2 Bordo arredondado (quadrante Edge ou quarto de círculo) Usado em fluidos altamente viscosos, onde o “Re” inferior está em torno de 250.

Figura 70 – Bordo quadrado Figura 71 – Bordo arredondado


77

4.3.1.3 Bordo com entrada cônica Usado em aplicações, onde o “Re” INferior é 25 e em condições severas de viscosida-de.

Figura 72 – Bordo com entrada cônica


78

44..33..22 TTiippooss ddee TToommaaddaa ddee IImmppuullssoo

Quadro 8 – Relação entre tomadas de impulso para medição de vazão.

Nome em inglês

Sugestão em português

Distância da tomada à face montante K1

Distância da tomada à face

jusante K2

Flange Taps

Tomadas em

Flanges

1”

1”

Radius

taps

Tomadas a D

e 2D

1D

2D

Vena con-tracta taps

Tomadas de vena contrac-

ta

2D

a 2D

Depende de β

Corner taps

Tomadas de canto

Junto

Junto

Pipe taps

Tomadas a

D212 e 8D

D212

8D

Tomadas em flange: são as mais populares, onde os furos das tomadas já são feitos no próprio flange. Tomadas na vena contracta: utiliza flanges comuns, sendo o centro da tomada de alta

pressão entre 2D e 2D (em geral 1D) e o centro da tomada de baixa estará no ponto

de pressão mínima conforme gráfico 3, dependendo do β.


79

Gráfico 3 – Diferentes betas (β)

Tomadas na vena contracta (D e D/2): usadas em tubulações de 2 “a 30" com Rey-nolds entre 8000 e 400000 para β entre 0,15 e 0,75 Tomadas de canto: são construídas no próprio flange e seu uso principal é em tubula-ções menores que 2 “, tendo como desvantagem a grande possibilidade de entupimento”. Tomadas de tubulação: possuem o menor diferencial de pressão entre todas tomadas e perdem muita precisão devido à rugosidade do tubo. 44..33..33 TTuubboo VVeennttuurrii

Figura 73 – Tubo de Venturi

O tubo Venturi combina dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalado entre dois flanges numa tubu-lação. Seu propósito é acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estáti-ca. A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente, como pode-mos ver na Erro! A origem da referência não foi encontrada., sendo seu uso reco-mendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta. Em geral, utilizam-se quatro furos espaçados de 90º em torno do tubo para fazer a tomada de pressão. Eles são interligados por meio de um anel, chamado anel piezo-métrico, que é destinado a obter a média das pressões em torno do ponto de medição.


80

Figura 74 – Detalhes de construção de um dispositivo Venturi

Onde: D = Diâmetro interno da tubulação d = diâmetro da garganta a = Localização da tomada de impulso de alta pressão 0,25D a 0,75D para 4 “< D < 6" 0,25D a 0,50D para 6 “< D < 32" b = 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 3,75D α1 = 21° ± 2° α2 = 5° a 15° 4.3.3.1 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 a guiar a veia fluida até atingir a seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curva elíptica (projeto ASME) ou pseudoelíptica (projeto ISA). Seu prin-cipal uso é em medição de vapor com alta velocidade, recomendado para tubulações com diâmetro maior que 50 mm.

Figura 75 – Bocal de vazão


81

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

Figura 76 – Bocal ISA 1932 Bocal ASME Neste bocal as tomadas são do tipo D e D/2 com as seguintes limitações: 0,2 < β< 0,8 50mm < D < 400mm 104 < Re < 107

Figura 77 – Bocal ASME


82

44..33..44 TTuubboo PPiittoott É um dispositivo para medição de vazão através da velocidade detectada em um pon-to da tubulação. O tubo de Pitot é um tubo com duas aberturas em sua extremidade, isoladas entre si, sendo que uma está colocada na direção da corrente fluida de um duto e a outra normalmente em oposição (90º ou 180º). A diferença da pressão total e a pressão estática da linha nos dá a pressão dinâmica, a qual é proporcional ao qua-drado da velocidade.

Figura 78 – Tubo Pitot

2gVγPd

2

= ====> γ

2gPdV ×=

Onde: Pd = pressão total - pressão estática γ = peso específico do fluido V = velocidade do fluido no ponto de medição g = aceleração da gravidade Ao se determinar à 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:

kγ

2gPdkVV maxmédia×==

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

maxmax

médio

V10

V1...V10

VV

k⎟⎠⎞⎜

⎝⎛∑

==


83

4.3.4.1 Medidor tipo Annubar O Annubar é um dispositivo de produção de pressão diferencial que ocupa todo o diâ-metro do tubo e é projetado para medir a vazão total, de forma diferente dos dispositi-vos tradicionais de pressão diferencial. A parte de alta pressão do sinal de ∆P é pro-duzida pelo impacto do fluido nos furos do sensor. O fluido, então, separa-se em torno do sensor Annubar, e uma zona de baixa pressão (abaixo da pressão estática no tubo) é criada devido ao formato do sensor. O lado de baixa pressão do sinal de ∆P é senti-do pelos furos à jusante do Annubar e é medido na câmara da jusante.

Figura 79 – Medidor tipo Annubar

A diferença de pressão é proporcional à raiz quadrada da vazão, assim como os me-didores anteriores.

Figura 80 – Câmara de pressão

44..33..55 CCoommppeennssaaççããoo ddaa PPrreessssããoo ee TTeemmppeerraattuurraa Quando se medem 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:

A

A

T∆PP

kQ = Q = [Nm3/h]

Onde: Q = vazão k = constante


84

PA = pressão absoluta, bar TA = temperatura absoluta, Kelvin ∆P= pressão diferencial, bar A Erro! A origem da referência não foi encontrada. mostra um exemplo de malha para este tipo de aplicação.

Figura 81 – Malha de vazão com compensação de temperatura e pressão

44..44 MMeeddiiddoorreess ddee VVaazzããoo ppoorr ∆∆PP ccoonnssttaannttee ((áárreeaa vvaarriiáávveell)) Os dispositivos de pressão diferencial até agora considerados têm por base restrições de dimensão fixa, e a pressão diferencial criada através deles modifica-se com a va-zão. Existem, contudo, dispositivos nos quais a área da restrição pode ser modificada para manter constante o diferencial de pressão enquanto muda a vazão. Um exemplo deste tipo de medidor é o rotâmetro. 44..44..11 RRoottââmmeettrrooss Rotâmetros são medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Basicamente, um rotâmetro consiste de duas partes:

• Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em que passará o fluido cuja vazão queremos medir. A extremi-dade maior do tubo cônico ficará voltada para cima.

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


85

Figura 82 – Rotâmetro

4.4.1.1 Princípio de funcionamento O fluido passa através do tubo, da base para o topo. Quando não há vazão, o flutua-dor permanece na base do tubo e seu diâmetro maior é usualmente selecionado de tal maneira que bloqueie a pequena extremidade do tubo, quase que completamente. Quando a vazão começa e o fluido atinge o flutuador, o empuxo torna o flutuador mais leve, porém, como o flutuador tem uma densidade maior que a do fluido, o empuxo não é suficiente para levantar o flutuador. A área de passagem oferece resistência à vazão e a queda de pressão do fluido co-meça a aumentar. Quando a pressão diferencial, somada ao efeito de empuxo do lí-quido, excede a pressão, devido ao peso do flutuador, então, o flutuador sobe e flutua na corrente fluida. Com o movimento ascendente do flutuador em direção à parte mais larga do tubo, a área anular, entre a parede do tubo de vidro e a periferia do flutuador, aumenta. Como a área aumenta, o diferencial de pressão, devido ao flutuador, decresce. O flutuador ficará em equilíbrio dinâmico quando a pressão diferencial, através do flutuador soma-da ao efeito do empuxo, contrabalançar o peso do flutuador. Qualquer aumento na vazão movimenta o flutuador para a parte superior do tubo de vidro e a diminuição causa uma queda a um nível mais baixo. Cada posição do flutua-dor corresponde a um valor determinado de vazão e somente um. É necessário colo-car uma escala calibrada na parte externa do tubo, e a vazão poderá ser determinada pela observação direta da posição do flutuador. Mantendo-se a temperatura e viscosidade constantes, conclui-se que a vazão varia linearmente com a área de passagem, assim, teremos uma escala de leitura também linear.


86

4.4.1.2 Tipos de flutuadores Os Flutuadores podem ter vários perfis de construção. Na Erro! A origem da referên-cia não foi encontrada., podemos ver os tipos mais utilizados: Esférico - Para baixas vazões e muita incerteza; sofre uma influência considerável da viscosidade do fluido. Cilindro com Bordo Plano - Para vazões médias e elevadas - Sofre uma influência mé-dia da viscosidade do fluido.

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

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

Figura 83 – Tipos de flutuadores

4.4.1.3 Material do flutuador O material mais empregado nos flutuadores é o aço inox 316. Na indústria, no entanto, para satisfazer outras exigências como resistência à corrosão, abrasão e outras, utili-zam-se outros tipos de materiais. O quadro a seguir apresenta diversos materiais em-pregados em flutuadores:

Quadro 9 – Material empregado nos flutuadores

MATERIAL Alumínio Inox 316 Bronze Hastelloy B Durimet Hastelloy C

Monel Chumbo

Níquel Tântalo Borracha Teflon Inox 303 Titânio

4.4.1.4 Instalação Os rotâmetros são montados verticalmente na tubulação do fluido, cuja vazão se quer medir, de maneira que o fluido seja dirigido de baixo para cima.

1 2 3 4


87

44..55 MMeeddiiddoorreess EEssppeecciiaaiiss ddee VVaazzããoo Os principais medidores especiais de vazão são: medidores magnéticos de vazão com eletrodos, tipo turbina, tipo Coriolis, Vortex e Ultra-sônico. Sistema sensor - vários tipos de sensores têm sido propostos, porém nenhum se mos-trava totalmente adequado para resistir às severas condições de trabalho às quais o medidor seria submetido no processo. O quadro 10 apresenta a variedade de senso-res que estiveram, ou ainda estão, disponíveis no mercado.

Quadro 10 – Sensores disponíveis no mercado

Grandeza Detectada Sistema de Detecção Tipo de Sensor Troca Térmica Termistor

Mudanças na velocidade do fluxo Variações de freqüência ultra-sônica

Feixe de Ultra-som

Detecção de Pressão Diferencial

Diafragma + Elementos Piezelétricos

Diafragma Capacitivo Mudanças de Pressão Diafragma Indutivo

Equilíbrio de Movimento Strain Gauge Esfera + Indutância Deformações sobre o Vortex

shedder Strain Gauge

Tensão (stress) sobre o Vortex shedder

Elementos Piezelétricos

44..55..11 MMeeddiiddoorr EElleettrroommaaggnnééttiiccoo ddee VVaazzããoo O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão. Sua perda de carga é equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que não possui qualquer obstrução. É virtualmen-te insensível à densidade e à viscosidade do fluido de medição. Medidores magnéticos são, portanto, ideais para medição de produtos químicos altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, água, polpa de papel. Sua aplicação estende-se desde saneamento até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias. A única restrição, em princípio, é que o fluido tem que ser eletricamente condutivo. Tem, ainda, como limitação, o fato de fluidos com propriedades magnéticas adicionarem um certo erro de medição. 4.5.1.1 Aplicação O medidor eletromagnético é um elemento primário de vazão volumétrica, independente da densidade e das propriedades do fluido (newtoniano ou não newtoniano). Este medidor não possui obstrução, portanto, apresenta uma perda de carga equivalente a um trecho reto de tubulação. Para medição de líquidos limpos com baixa viscosidade, o medidor eletromagnético é uma opção. Se o líquido de medição tiver partículas sólidas e abrasivas, como polpa de mineração ou papel, ele é praticamente a única alternativa. Já que o mesmo possui como partes úmidas apenas os eletrodos e o revestimento, é possível, através de uma seleção cuidadosa destes elementos, medir fluidos altamen-te corrosivos como ácidos e bases. É possível, por exemplo, a medição de ácido fluo-rídrico selecionando-se eletrodos de platina e revestimento de teflon. Outro fluido, par-ticularmente adequado para medição por essa técnica, é o da indústria alimentícia.


88

Como o sistema de vedação dos eletrodos não possui reentrâncias, as aprovações para uso sanitário são facilmente obtidas. 4.5.1.2 Princípio de funcionamento O medidor eletromagnético de vazão é uma relação entre a direção do campo magné-tico, movimento do fluido e f.e.m. induzida. No caso do medidor eletromagnético, o corpo móvel é o fluido que flui através do tubo detetor. Desta forma, a direção do cam-po magnético, a vazão, e a f.e.m. estão posicionadas uma em relação à outra em um ângulo de 90 graus.

Figura 84 – Medidor eletromagnético de vazão

4.5.1.3 Estrutura do detetor Revestimento Para se conseguir retirar um sinal elétrico proporcional à vazão, é necessário que o interior do tubo seja isolado eletricamente. Se isto não for feito, a f.e.m. será curto-circuitada e, dessa forma, não estará presente nos eletrodos. Se o tubo fosse de mate-rial isolante, não haveria problema, mas, geralmente, o tubo é feito de material condu-tor. Para evitar que a f.e.m. seja curto-circuitada pela parede condutiva do tubo, utiliza-se um isolante tal como teflon, borracha de poliuretano ou cerâmica. A escolha do ma-terial isolante é feita em função do tipo de fluido. Eletrodo Eletrodos são dois condutores instalados na parede do tubo para receber a tensão induzida no fluido. Existem vários materiais de fabricação, tais como: aço inox, monel, hastelloy, platina e outros que dependem do tipo de fluido a ser medido. Tubo detector O tubo do medidor não pode ser de material ferromagnético, tal como aço ou níquel, pois os mesmos causam distúrbios no campo eletromagnético. Na prática, o aço inox é o mais usado. Influência da condutividade A influência da condutividade nos medidores de vazão deve ser sempre considerada, pois ela depende de determinadas combinações entre o elemento primário e o secun-dário. Não há problema de influência de condutividade do fluido sobre a precisão da medição, desde que seja superior aos limites recomendados, porém, se decai do valor de projeto, ocasiona um erro considerável na indicação.


89

4.5.1.4 Instalação elétrica Alimentação das bobinas A grande transformação sofrida pelos medidores eletromagnéticos de vazão, nos últi-mos anos, foi com relação à forma de excitação das bobinas (Figura 85). Os quatro tipos principais de excitação são: corrente contínua, corrente alternada, cor-rente pulsante e freqüência dupla simultânea. Aterramento Por razões de segurança do pessoal e para obter uma medição de vazão satisfatória, é muito importante atender a todos os requerimentos dos fabricantes quanto ao ater-ramento. Uma interligação elétrica permanente entre o fluido, o medidor, a tubulação adjacente e um ponto de terra comum é especialmente importante quando a conduti-vidade do líquido é baixa. A forma de efetuar o aterramento depende do tipo de medidor (revestimento interno, etc.). Quando o medidor é instalado entre tubulações não metálicas ou revestidas in-ternamente, é normal instalar anéis metálicos entre os flanges do medidor e a tubula-ção. Assim, é obtido o contato elétrico com o fluido para posterior aterramento. Estes anéis devem ser de diâmetro interno igual ao medidor e de diâmetro externo menor que a circunferência de furos dos flanges do medido.

Figura 85 – Instalação elétrica dos medidores de vazão magnético

Escolha do diâmetro Os medidores magnéticos industriais apresentam um melhor desempenho relativo à precisão quando a vazão medida corresponde a uma velocidade apreciável. Devem ser levadas em conta considerações relativas ao compromisso entre a decantação, incrustação e abrasão. Tipicamente, eles têm uma precisão de 1% da escala quando a velocidade que corresponde ao fim da escala de vazão é superior a 1m/s e 2%, estan-do compreendido entre 0,3 e 1m/s (os valores numéricos citados variam dependendo do fabricante). Os fabricantes apresentam ábacos de escolha para seus medidores onde, conhecendo a velocidade ou a vazão máxima a medir, pode ser determinado o diâmetro do medidor magnético para efetuar a medição.


90

44..55..22 MMeeddiiddoorr TTiippoo TTuurrbbiinnaa O medidor é constituído basicamente por um rotor montado axialmente na tubulação. O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando passa um fluido na tubulação do processo. Uma bobina captadora com um imã permanente é montada externamente fora da trajetória do fluido. Quando este se movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade determina-da pela velocidade do fluido e pelo ângulo das lâminas do rotor. À medida que cada lâmina passa diante da bobina e do imã, ocorre uma variação da relutância do circuito magnético e no fluxo magnético total a que está submetida a bobina. Verifica-se, en-tão, a indução de um ciclo de tensão alternada. A freqüência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional à velocidade do fluido, e a vazão pode ser determinada pela medição/totalização de pulsos.

1-Corpo do Medidor2- Suporte Traseiro 3- Anel de Retenção do Manual 4- Mancal 5- Espaçador central 6- Espaçador externo 7- Rotor 8- Suporte Frontal 9- Anel de Retenção 10 Porca de Travamento do sensor 11- Sensor Eletrônico de proximidade

9

7

Figura 86 – Medidor tipo turbina

Obs.: Relutância: é a dificuldade que um material magnético oferece às linhas magné-ticas; o contrário é permeância. 4.5.2.1 Influência da viscosidade Como visto acima, a freqüência de saída do sensor é proporcional à vazão, de forma que é possível, para cada turbina, fazer o levantamento do coeficiente de vazão k, que é o parâmetro de calibração da turbina, expresso em ciclos (pulsos) por unidade de volume. Numa turbina ideal, este valor k seria uma constante independente da viscosidade do fluido medido. Observa-se, entretanto, que, à medida que a viscosidade aumenta, o fator k deixa de ser uma constante e passa a ser uma função da viscosidade e da fre-qüência de saída da turbina. Abaixo de 2 cSt (centi Stokes) de viscosidade, o coefici-ente k é aproximadamente constante para freqüências de saída acima de 50 Hz .


91

4.5.2.2 Performance Cada turbina sofre uma calibração na fábrica, usando água como fluido. Os dados obtidos são documentados e fornecidos junto com a turbina. Usando estes dados, ob-tém-se o fator médio de calibração relativo à faixa de vazão específica. O fator é re-presentado pela seguinte expressão:

Q60fk =

44..55..33 MMeeddiiddoorr ppoorr EEffeeiittoo CCoorriioolliiss É um instrumento de sucesso no momento, pois tem grande aplicabilidade nas indús-trias alimentícia, farmacêutica, química, papel, petróleo etc., e sua medição independe das variáveis de processo - densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, tempe-ratura, perfil do fluido. Resumidamente, um medidor Coriolis possui dois componentes: tubos de sensores de medição e transmissor. Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação e ficam vibrando na sua própria freqüência natural à baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu. Quando um fluido qualquer é introduzido no tubo em vibração, o efeito do Coriolis se manifesta, causando uma deformação, isto é, uma torção que é captada por meio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas senoi-dais. As forças geradas pelos tubos criam uma certa oposição à passagem do fluido na sua região de entrada (região da bobina 1) e, em oposição, auxiliam o fluido na região de saída dos tubos.

Figura 87 – Medidor por efeito Coriolis

O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD (Termômetro de Resistência) é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as vibrações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura. O transmissor é composto de um circuito eletrônico que gera um sinal para os tubos de vazão, alimenta e recebe o sinal de medida, propiciando saídas analógicas de 4 a 20 mA, de freqüência (0 a 10 mil Hz) e até digital RS 232 e/ou RS 485. Estas saídas são enviadas para instrumentos receptores que controlam bateladas, indicam vazão instantânea e totalizada ou para PLCs, SDCDs, etc.


92

Figura 88 – Instrumentos receptores que controlam bateladas

Podemos encontrar o modelo com tubo reto, no qual um tubo de medição oscila sobre o eixo neutro A-B, sendo percorrido por um fluido com velocidade “v”. Entre os pontos A-C as partículas do fluido são aceleradas de uma baixa para uma alta velocidade rotacional. As massas destas partículas aceleradas geram as forças de Coriolis (Fc) oposta à direção de rotação. Entre os pontos C-B, as partículas do fluido são desace-leradas, o que leva à força de Coriolis no mesmo sentido da rotação. A força de Corio-lis (Fc), a qual atua sobre as duas metades do tubo com direções opostas, é direta-mente proporcional à vazão mássica. O método de detecção é o mesmo do sistema anterior.

Figura 89 – Tubo de medição 44..55..44 MMeeddiiddoorr ddee VVaazzããoo ttiippoo VVoorrtteexx 4.5.4.1 Princípio de funcionamento Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruir parcialmen-te uma tubulação em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices, os quais se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo, como mostrado na figura a-baixo. Este é um fenômeno muito conhecido e demonstrado em todos os livros de me-cânica dos fluidos. Os vórtices também podem ser observados em situações freqüentes do nosso dia a dia, como por exemplo:

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

ao vento.


93

4.5.4.2 Caracterização Assumindo que a freqüência de geração dos vórtices provocados por um obstáculo colocado verticalmente no sentido de movimento de um fluido é diretamente propor-cional à velocidade do fluido e ao número de St (Strouhal) e é- inversamente propor-cional à dimensão do obstáculo perpendicular ao sentido do fluxo, conclui-se que, se mantivermos o St constante, bastaria contar o número de vórtices para calcular a va-zão.

Figura 90 – Medidor de vazão tipo vortex

Podemos observar, pelo gráfico a seguir, que, para uma ampla faixa entre 2 x 104 e 7 x 106 do número de Reynolds que define o regime de escoamento, temos que St é constante. Logo, para a imensa maioria das aplicações industriais, a vazão volumétri-ca do fluido pode ser medida pela contagem do número de vórtices.

Figura 91 – Número de Strouhal x número de Feynolds

Adicionalmente, nesta faixa, a freqüência de geração de vórtices não é afetada por variações na viscosidade, densidade, temperatura ou pressão do fluido.

Figura 92 – Vortex


94

4.5.4.3 Método de detecção dos vórtices As duas maiores questões referentes ao desenvolvimento prático de um medidor de vazão, baseado no princípio vortex, são: A criação de um obstáculo gerador de vórtices (vortex shedder) que possa gerar

vórtices regulares e de parâmetros totalmente estabilizados. Isto determinará a pre-cisão do medidor.

O projeto de um sensor e respectivo sistema eletrônico para detectar e medir a fre-qüência dos vórtices. Isto determinará os limites para as condições de operação do medidor. Vortex shedder - Numerosos tipos de vortex shedder, com diferentes formas, foram sistematicamente testados e comparados em diversos fabricantes e centros de pes-quisa. Um shedder com formato trapezoidal foi o que obteve um desempenho conside-rado ótimo. O corte trapezoidal proporciona excelente linearidade na freqüência de geração dos vórtices, além de extrema estabilidade dos parâmetros envolvidos. 44..55..55 MMeeddiiddoorreess UUllttrraa--SSôônniiccooss Os medidores de vazão que usam a velocidade do som como meio auxiliar de medi-ção podem ser divididos em dois tipos principais:

• Medidores a efeito Doppler; • Medidores de tempo de trânsito.

Existem medidores ultra-sônicos em que os transdutores são presos à superfície ex-terna da tubulação, e outros em que os transdutores estão em contato direto com o fluido. Os transdutores-emissores de ultra-sons consistem em cristais piezelétricos que são usados como fonte de ultra-som, para enviar sinais acústicos que passam no flui-do, antes de atingir os sensores correspondentes. 4.5.5.1 Medidores de efeito Doppler O efeito Doppler é a aparente variação de freqüência produzida pelo movimento relati-vo de um emissor e de um receptor de freqüência. No caso, esta variação de freqüên-cia ocorre quando as ondas são refletidas pelas partículas móveis do fluido. Nos me-didores baseados neste princípio (ver figura a seguir), os transdutores-emissores pro-jetam um feixe contínuo de ultra-som na faixa das centenas de kHz. Os ultra-sons re-fletidos por partículas veiculadas pelo fluido têm sua freqüência alterada proporcional-mente a componente da velocidade das partículas na direção do feixe. Estes instru-mentos são, conseqüentemente, adequados para medir vazão de fluidos que contêm partículas capazes de refletir ondas acústicas.

Figura 93 – Tipos de transdutores


95

4.5.5.2 Medidores de tempo de trânsito Ao contrário dos instrumentos anteriores, estes instrumentos não são adequados para medir vazão de fluidos que contêm partículas. Para que a medição seja possível, os medidores de tempo trânsito devem medir vazão de fluidos relativamente limpos. Nes-tes medidores (Figura 99), de um transdutor-emissor-receptor de ultra-sons é fixado à parede externa do tubo, ao longo de duas geratrizes diametralmente opostas. O eixo que reúne os emissores - receptores forma com o eixo da tubulação um ângulo α. Os transdutores transmitem e recebem alternadamente um trem de ondas ultra-sônicas de duração pequena, ou seja, os pulsos saem de ambos os transdutores ao mesmo tempo, mas podem chegar com um tempo diferente caso haja vazão. O tempo de transmissão é levemente inferior (t1) quando orientada para a jusante e levemente superior (t2) quando orientada para a montante. Sendo L a distância entre os senso-res, V1 a velocidade média do fluido e V2 a velocidade do som no líquido considerado, temos:

LVV

tαcos12

11 −

= L

VVt

αcos1221 +

=

Figura 94 – Medidores de tempo de trânsito

A diferença dos tempos de trânsito t1 e t2 serve como base de medição da velocidade V1. Uma vez que a diferença de tempo é muito pequena (aproximadamente 2 . 10-9 seg), o sistema eletrônico deve empregar circuitos digitais microprocessados de alta velocidade para poder discriminar com exatidão tais valores. Os dois tipos de medidores são complementares, já que o primeiro opera com líquidos que contêm partículas sólidas ou gasosas e o segundo requer fluido limpo. Em ambos os tipos de medidores, o perfil de velocidades da veia fluida deve ser compensado. Nos medidores de efeito Doppler, dependendo das realizações práticas, a influência da densidade de partículas reflexivas poderá introduzir erros suplementares. Quando a quantidade de partículas for muito grande, as partículas próximas dos sensores, que são as mais lentas, serão as que mais contribuem na reflexão das ondas, introduzindo um erro para menos. Nos medidores de tempo de trânsito, a configuração geométrica do percurso do feixe acústico é perfeitamente definida. Será, então, possível corrigir a leitura adequada-mente, levando em consideração o perfil padrão em função do número de Reynolds do escoamento. Os circuitos eletrônicos dos instrumentos são previstos para eliminar os efeitos das turbulências, efetuando continuamente a média das velocidades numa base de tempo relativamente longa. É desaconselhada a aplicação destes instrumentos a produtos


96

que depositam na superfície interna do tubo, formando uma camada absorvente de energia acústica. Exercícios 1 - Defina o que é vazão. 2 - Para que serve a medição de vazão? 3 - Faça a conversão das unidades de vazão volumétrica: a) 32 m3/h = _______________________GPM b) 69 GPM = _______________________pé3/h c) 78 l/min = _______________________m3/min d) 57 m3/h = _______________________BPH e) 47 BPD = _______________________pé3/min 4 - Faça a conversão das unidades de vazão gravimétrica: a) 104 t/dia = ________________________t/h b) 459 kg/h = ________________________lb/min c) 756 t/h = ________________________kg/s d) 984 Ib/min = ________________________kg/h 5 - O que são medidores de quantidade? 6 - Como se dividem os medidores de quantidade? 7 - Onde são utilizados os medidores de quantidade? 8 - Cite 3 exemplos de medidores de quantidade volumétricos. 9 - O que são os medidores volumétricos? 10 - Cite dois tipos de regime de escoamento do fluido em uma tubulação. 11 - Cite 3 exemplos de elementos primários de medição de vazão por ∆P. 12 - Defina a placa de orifício. 13 - Cite três tipos de placas de orifício. 14 - Cite três tipos de bordo da placa de orifício. 15 - Cite três tipos de tomadas de impulso. 16 - No que consiste o tubo de Venturi. 17 - Onde são aplicados os bocais? 18- Cite dois tipos de bocais. 19 - Defina o tubo Pitot. 20 - Defina o medidor tipo annubar. 21 - Calcule o ∆P no instante em que a vazão é igual a 120 m3/h. Dados: Q max = 150 m3/h ∆Pmax = 2.000 mmHg 22 - Calcule a vazão em m3/h quando o ∆P = 36%. Dados: Dados: Q max = 500 l/h ∆Pmax = 2.360 mmca 23 - Calcule o ∆P quando a vazão for 2,5 l/s. Dados: Dados: Q max = 300 l/min ∆Pmax = 30 mmHg 24 - Calcule a vazão em l/h e GPM quando o ∆P for 81%. Dados: Dados: Q max = 600 l/h ∆Pmax = 1.000 mmH2O 25- Um FT indica 36% no seu indicador local. Qual é o diferencial de pressão aplicado em suas câmaras neste instante? Qual é a vazão, sabendo-se que a vazão máxima de linha é de 5.000 m3/h, com um diferencial máximo de pressão igual a 81 mmH2O? 26- Um FT indica 49% no seu indicador local. Qual é o diferencial de pressão aplicado em suas câmaras neste instante? Qual é a vazão, sabendo-se que a vazão máxima da linha é de 6.000 m3/h, com um diferencial máximo de pressão igual a 100 mmH2O?


97

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

28- Como é constituído basicamente o rotâmetro? 29- Cite três tipos de flutuadores. 30- Qual o princípio de funcionamento do medidor magnético de vazão com eletrodos? 31- Cite três formas de excitação da bobina do medidor eletromagnético. 32- Como é constituído o medidor tipo turbina. 33- Calcule o fator de calibração da turbina, sabendo-se que a vazão é 42 GPM e a freqüência de saída de pulsos é 715. 34- Defina o funcionamento do medidor de vazão por efeito Coriolis. 35- Defina o funcionamento do medidor de vazão por Vortex 36- Cite dois tipos de transmissores por ultra-sônicos. 37- Onde é aplicado o medidor por efeito Doppler? 38- Onde é aplicado o medidor por tempo de trânsito?


98

CONVERSÃO DE UNIDADES

Tabela 7 – Unidades de vazão volumétrica

m3/h

m3/min

m3/s

GPM

BPH

BPD

pé3/h

pé3/min

m3/h 1 0,016667 0,00027778 4,40287 6,28982 150,956 35,314 0,588579 m3/min 60 1 0,016667 264,1721 377,3892 9.057,34 2.118,8802 35,3147 m3/s 3.600 60 1 15.850,33 22.643,35 543.440,7 127.132,81 2.118,884 Galão por minuto GPM 0,22712 0,0037854 63,09.10-6 1 1,42857 34,2857 8,0208 0,13368 Barril por hora BPH 0,158987 0,0026497 44,161.10-6 0,7 1 24 5,614583 0,0935763 Barril por dia BPD 0,0066245 0,00011041 1,8401.10-6 0,029167 0,041667 1 0,23394 0,0038990 pé3/h CFH 0,0283168 0,00047195 7,8657.10-6 0,124676 0,178108 4,2746 1 0,016667 pé3/min CFS 1,69901 0,028317 0,00047195 7,480519 10,686 256,476 60 1

PARA OBTER O RESULTADO EXPRESSO EM

O VALOR EXPRESSO EM


99

Tabela 8 – Unidades de vazão mássica

t/dia

t/h

kg/h

kg/s

Ib/h

Ib/min

Ib/s

tonelada/dia t/dia 1 0,041667 41,667 0,011574 91,858 1,5310 0,025516 tonelada/hora t/h 24 1 1.000 0,27778 2.204,6 36,7433 0,61239 Quilograma / hora kg/h 0,0240 0,001 1 0,000278 2,2046 0,03674 0,000612 Quilograma/segundo kg/s 86,400 3,6 3.600 1 7.936,6 132,276 2,2046 libra/hora Ib/h 0,01089 0,0004536 0,4536 0,000126 1 0,01667 0,000278 libra/minuto Ib/min 0,65317 0,02722 27,216 0,00756 60 1 0,01667 libra segundo Ib/s 39,1907 1,63295 1.632,95 0,45360 3.600 60 1

PARA OBTER O RESULTADO EXPRESSO EM

O VALOR EXPRESSO EM


100

55 EELLEEMMEENNTTOO FFIINNAALL DDEE CCOONNTTRROOLLEE É o elemento de uma cadeia de controle que age diretamente na variável manipulada em resposta a um sinal recebido do controlador. O elemento final de controle pode ser um damper (abafador), uma bomba, um motor, resistências elétricas, etc., mas o mais usado na indústria é a válvula de controle, que pode ser operada por meios mecâni-cos, elétricos, hidráulicos ou pneumáticos. Ela está sujeita às mais variadas condições de temperatura, pressão, corrosão, erosão, etc. A função de uma válvula, ou elemento final de controle (E.F.C.), é variar a vazão do agente de controle em resposta a um sinal recebido do controlador. Isto é conseguido através da variação da área de passagem do fluido de controle. O E.F.C., geralmente, controla a vazão de um fluido e atua como um orifício variável, portanto, no E.F.C. são aplicáveis as leis de mecânica dos fluidos através da fórmula para escoamento de fluidos por um orifício.

pgKAQ ∆= 2 Q = vazão K = constante A = área g = aceleração da gravidade ∆p = diferencial de pressão O que mostra que a vazão é diretamente proporcional à área do orifício e a raiz qua-drada do diferencial de pressão ( p∆ ), provocada pelo fluido ao passar através do orifício. 55..11 VVáállvvuullaa ddee CCoonnttrroollee

55..11..11 CCoommppoonneenntteess ddaa VVáállvvuullaa ddee CCoonnttrroollee 5.1.11 Atuadores É o que fornece a força necessária para abrir ou fechar a válvula. Um atuador é classi-ficado de acordo com seu sinal de entrada e de saída para o elemento de força. Ele poderá ser pneumático, mecânico, elétrico, hidráulico. Atuadores pneumáticos O atuador pneumático é o mais usado na indústria. Este tipo de atuador transforma pressão em movimento. Ele recebe seu sinal de operação a partir de um controlador diretamente ou através de um sistema auxiliar (posicionador de válvula). O sinal de saída dos controladores pneumáticos varia usualmente entre 3 e 15psi e atua sobre a área efetiva do atuador. A pressão que atua nessa área resulta em uma força que é usada para posicionar a válvula de controle. O atuador pneumático de diafragma consiste basicamente de uma membrana flexível presa entre 2 pratos que formam um compartimento estanque. Ligada à membrana, existe uma haste que transmite ao miolo da válvula o movimento de flexão da mem-brana (conforme Fig. 98). Os componentes dos atuadores pneumáticos são:


101

− Cabeçote − Diafragma ou motor − Prato − Mola − Haste − Garfo ou suporte

Diafragma A função do diafragma é agir como um selo de pressão entre as câmaras superior e inferior do próprio diafragma. O tipo convencional de diafragma consiste de uma peça chata feita de um material flexível em forma circular. Diâmetro é uma função de força requerida para a haste. O diafragma é, muitas vezes, pré-moldado para prevenir enrugamento ou estiramento e também para dar melhores características na relação entre a área efetiva de passagem e o curso. É preso, geral-mente, entre os pratos através de parafusos. O diafragma pode ser feito de borracha ou de Neoprene, este último tem sido mais utilizado, pois resiste mais ao óleo, porém outros materiais, tal como Buna N, também são usados. O diafragma, geralmente, é constituído por uma tela de algodão ou nylon com uma capa de Neoprene em ambos os lados, possuindo uma resistência à ruptura de 135psi aproximadamente. O limite de temperatura para o Neoprene é de –30o a +70oC, enquanto a borracha pode ser usada entre – 40 a +70oC. Note que a área efe-tiva do diafragma não permanece constante em todo o curso da haste.

Figura 95 – Atuadores Pneumáticos É necessário conhecer a variação na área efetiva do diafragma para determinar a má-xima força haste que a haste pode desenvolver e prever as características entre a pressão de entrada e o curso. Muitos fabricantes de atuadores publicam valores nominais das áreas efetivas dos diafragmas que não correspondem nem à área mínima nem à máxima. Por exemplo, suponhamos que a curva característica de um diafragma com área nominal de 90 pol2 e que o gráfico do fabricante mostre que o diafragma tem uma área efetiva de 100 pol2, na posição relaxada (sem curso), mas somente 85 pol2 na posição de curso total.


102

Garfo suporte No sistema do atuador, o garfo suporte tem suficiente resistência para assegurar um alinhamento correto entre o atuador e o corpo da válvula. Isto é de especial importân-cia no caso da válvula com haste deslizante, na qual o atuador é ligado diretamente à haste da válvula, pois o alinhamento impróprio causa empenamento, grande zona morta e desgaste excessivo nas gaxetas e nas guias. Mola A função da mola é opor-se à força desenvolvida pela pressão de ar que atua sobre a área efetiva do diafragma. Ela fornece uma determinada posição da haste do atuador para um sinal específico, recebido do controlador automático. A maioria dos controladores pneumáticos emitem uma pressão de ar que varia de 3 a 15 psi. Os atuadores devem dar o curso total da haste para esta faixa de pressão, sem carga do corpo da válvula. Atuadores cuja haste desce com aumento na pressão de ar são chamados de ação direta. Aqueles cuja haste desce com diminuição na pressão de ar são chamados de ação inversa. 5.1.1.2 Atuador pneumático e as condições de segurança de válvulas de contro-le Válvula aberta por falta de ar O tipo AFA (AFO) deve estar toda aberta quando a pressão do ar sobre a membrana for de 3 psi e deve fechar, progressivamente, diminuindo a vazão do fluido que passa através da válvula até estar completamente fechada (quando a pressão for de 15psi). Válvula fechada por falta de ar O tipo FFA (AFC) deve estar completamente fechada quando a pressão sobre a mem-brana for de 3 psi e deve abrir, progressivamente, até estar completamente aberto (quando a pressão for de 15 psi). O tipo a ser usado depende da posição de segurança por falha desejada no processo. O critério de escolha é que, em caso de falta de ar de instrumentação, a válvula deva assumir uma posição segura (aberta ou fechada). 5.1.1.3 Escolha do atuador Através do que foi explicado até agora, poderemos estabelecer critérios para a esco-lha do atuador: Atuador deve ser reversível, isto é, deve poder ser mudado de AFA para FFA. Deve ter força suficiente para vencer a força da mola e a força devida à pressão dife-rencial sobre o obturador. A membrana moldada é a desejável, porque garante uma boa repetibilidade da curva área x deslocamento. Acabamento interno do atuador deve levar em consideração o cuidado de evitar can-tos vivos que cortem a membrana.


103

Atuador Mecânico O atuador mecânico atua na válvula por meio de uma ação mecânica. Há dois tipos de atuador mecânico: Atuador Mecânico com haste deslizante tem o movimento de saída retilíneo; Atuador Mecânico com eixo rotativo tem o movimento de saída angular. Atuador Elétrico O atuador elétrico pode ser uma solenóide, que permite posicionar o obturador em duas posições (aberto ou fechado), ou um motor elétrico reversível que coloca o obtu-rador em qualquer posição de abertura entre um intervalo de 0 a 100 % do seu curso. Atuador Hidráulico O atuador hidráulico é um cilindro composto por um êmbolo situado em seu interior, sendo que este êmbolo encontra-se ligado à haste do obturador da válvula, fazendo com que ela assuma uma abertura entre um intervalo de 0 a 100 % do seu curso. Castelo É a parte que conecta o atuador ao corpo, contendo a caixa de gaxetas, e serve como guia da haste.

Figura 96 – Castelo Tipos principais de castelos:

• Normal; • Aletado; • Alongado; • Com foles.

Castelo normal É o de uso geral. Adequado para temperaturas inferiores a 200oC, com fluidos não tóxicos.


104

Castelo aletado É usado quando a temperatura do fluido controlado é superior a 200oC. A função das aletas é permitir a dissipação do calor, mantendo a temperatura baixa, a fim de prote-ger as gaxetas. No caso da válvula estar operando com vapores condensáveis, as aletas não devem reduzir a temperatura abaixo do ponto de saturação do líquido, pois, uma vez atingida esta temperatura, haverá condensação do vapor, e o líquido fluirá para a tubulação, sendo substituído por uma outra porção de vapor com a temperatura mais elevada. Castelo alongado Deve ser usado para temperaturas inferiores a –5oC e deve ser suficientemente longo para que a temperatura das gaxetas não vá abaixo de –25oC. É usado para prevenir o congelamento das gaxetas em aplicações de baixas temperaturas. Castelo com foles É usado para fluidos radioativos ou tóxicos, servindo como um reforço das gaxetas. O fole é normalmente feito de uma liga resistente à corrosão e deve ser soldado à haste da válvula. Este sistema é limitado a pressões de aproximadamente 600 psi. Caixas de Gaxetas A finalidade principal desta parte é impedir que o fluido controlado passe para o exteri-or da válvula. Serve ainda como guia de haste. Em geral, o castelo é ligado por flan-ges ao corpo da válvula, podendo, porém, ser rosqueado. O castelo flangeado é preferível do ponto de vista de manutenção e segurança. De qualquer forma, o castelo rosqueado só é aceitável em válvulas de 1/2" a 2". Em válvulas com castelo flangeado, parafusos tipo prisioneiro são aceitáveis até o padrão ASA 600 Lbs. Para pressões maiores, parafusos passantes são recomendados. A caixa de gaxetas deve comportar uma altura de gaxetas equivalentes a seis vezes o diâmetro da haste. Estas gaxetas são apertadas por um dispositivo que pode ser ros-queado (porca) ou flagelado (anel de aperto). Por motivos de segurança, a flagelada é a mais recomendada, por permitir melhor distribuição de tensões sobre a haste e pelo perigo potencial que a rosqueada oferece quando o número insuficiente de fios de rosca está engajado. Os materiais mais usados nas gaxetas são: Teflon, Amianto e Amianto grafitado. Teflon É o mais usado, sendo inerte a todas as substâncias químicas, com exceção do sódio líquido. É usado para temperaturas entre –100oC e +230oC, não precisando de lubrifi-cação. Pode ser aplicado na forma de Teflon puro, moído, ou prensado em anéis. É usado, também, para impregnar amianto. Provavelmente, a forma mais satisfatória é o anel em V. Ele poderá ser tencionado por mola de tal maneira que não requeira ajuste. O tipo de gaxetas de Teflon moldado obriga a um bom acabamento superficial da haste da válvula. As gaxetas de Teflon devem ser manuseadas com cuidado durante a montagem e desmontagem. O Teflon moldado não é recomendável em aplicações onde possam ocorrer depósitos de sóli-dos na haste de válvulas.


105

Amianto Recomendado para serviços em hidrocarbonatos com propriedades lubrificantes, água e vapor. Opera em temperaturas de até 400oC. Amianto Grafitado É recomendado para hidrocarbonetos não lubrificantes. Opera em temperaturas de até 400oC, com castelo comum, e de até 540oC, com castelos aletados. Lubrificador externo: utiliza-se, nas caixas de gaxetas convencionais, um anel de lubri-ficação, geralmente chamado de lanterna, que tem como função uma melhor distribui-ção do lubrificante ao redor da haste. Válvula de Isolamento: uma válvula de isolamento pode ser adicionada entre o lubrifi-cador e o engaxetamento em serviços de alta pressão. 5.1.1.4 Corpo É a parte que fica em contato direto com o fluido que vai fornecer a energia para o sistema de controle e é no seu interior que se encontra o obturador, que, por sua vez, é conectado à haste e constitui a parte móvel, a qual varia a área de passagem do fluido. A função do corpo de uma válvula de controle é regular à vazão do fluido quan-do é variada a posição do obturador (plug) por uma força proveniente do atuador. Obturador O obturador, também chamado de plug, é um dos componentes do miolo da válvula de controle. Sua função é importante por ser o elemento móvel da válvula que é posicio-nado pelo atuador para controlar a vazão. A ação do obturador pode ser de duas posições ou proporcional. O de duas posições ou está aberto ou fechado; já o proporcional se coloca em qualquer posição intermedi-aria entre o aberto e o fechado. Seu formato mecânico determina a característica de vazão.

Figura 97 – Corpo


106

Seleção do Corpo da Válvula A seleção do corpo da válvula é uma tarefa difícil, envolvendo considerações de pro-cesso. Geralmente, a seleção se faz levando em conta alguns fatores: Quanto ao fluido:

• Pressão e queda de pressão; • Temperatura; • Propriedades corrosivas.

Quanto ao controle:

• Estrangulamento variável; • On - off (tudo ou nada); • Grau de vedação; • Mistura ou divisão de fluxos.

Tipos mais comuns de materiais utilizados no corpo das válvulas de controle:

• Ferro fundido: aplicado onde as condições de corrosão permitem o uso de ferro e em serviços de 250 psi a 210oC. Caso haja possibilidade de incên-dio este material não é recomendado, pois poderá ocorrer sua rachadura ou quebra.

• Aço carbono: é o material mais utilizado para o corpo das válvulas e é u-sado para pressões de até 6000 psi em temperatura ambiente e, em bai-xas pressões, é utilizado até a temperatura de 420oC.

• Ligas de aço fundidos: é usado para altas temperaturas e para resistir à la-vagem do corpo em serviços com vapores condensáveis.

• Aço inox: para aplicações em produtos corrosivos e é usado em tempera-turas muito altas ou muito baixas. É o mais utilizado para serviços gerais.

Aço inox temperado: para altas quedas de pressão, resiste a erosão.

• Ligas especiais: a ser utilizado de acordo com a resistência à corrosão. Usado geralmente para serviços severos.

• Bronze: não é muito utilizado, exceto para serviços suaves (em ácidos fra-cos) e em partes internas da válvula (plug e sede).

55..11..22 CCoonnttrroollee 5.1.2.1 Válvula globo É considerado o corpo standard, possui este nome por ter uma forma de uma esfera (globo). Funcionando por deslocamento de haste, sua conexão com a tubulação pode ser através da rosca, solda ou flange. O corpo pode ter sede simples ou dupla.


107

Válvula globo sede simples Existem duas formas de válvulas globo que são as reversíveis e as não reversíveis. Na Fig.98, temos as válvulas globo (sede simples) reversíveis. Este estilo é chamado reversível, porque podemos montá-las de duas maneiras utili-zando as mesmas peças. Esse tipo de corpo é fabricado em tamanhos de 1/2" até 12" (padrão até 600 psi) ou em padrão 900 psi a 1500 psi em tamanhos menores. Existem também as válvulas globo reforçadas, que não são reversíveis, sendo fabri-cadas para tamanhos até 2" com orifício de 1" de diâmetro, com as extremidades ros-queadas ou soldadas. Essas válvulas podem trabalhar em pressões de até 6.000 psi na temperatura ambiente.

Figura 98 – Válvula globo sede simples As válvulas de sede simples deverão, sempre que possível, ser instaladas de tal forma que o fluxo tenda a abri-las, para que resulte numa operação suave e silenciosa, evi-tando o martelamento da sede pelo obturador. Para as válvulas com orifícios menores que 1", pode-se trabalhar com o fluxo em qualquer direção. Vantagens:

Custo menor de fabricação, fácil manutenção e fechamento com pouco ou nenhum vazamento (Tight shutoff). Desvantagens:

Geralmente para tamanhos maiores que 2", é necessário um atuador de área muito grande, visto que a força que atua sobre o obturador é dada pelo produto da área total do orifício pelo ∆P através da válvula.

Globo sede simples. (Corpo Reversível)


108

Válvula globo de sede dupla Esta válvula foi desenvolvida com a finalidade de ter um bom desempenho com uma força relativamente pequena do atuador (figura 99). Existem válvulas globo reversíveis de sede dupla. Na posição fechada, as pressões que atuam no obturador estão equilibradas, e, teori-camente, pouca força é requerida para abrir ou fechar a válvula. Na realidade, existe uma diferença de 1/6" a 1/8" entre os orifícios da sede, isto devido a sua montagem, permitindo que o obturador menor passe através do orifício maior. Esta construção é chamada de semi-balanceada. As válvulas de sede dupla e metálica podem ser ajustadas de tal maneira que não haja vazamento (em uma determinada condição de temperatura e pressão), mas dis-torções no corpo (devido à pressão e tensões na tubulação) e expansões (devido à mudança de temperatura) sempre irão causar um vazamento nas condições de opera-ção.

Figura 99 – Válvula globo de sede dupla

As válvulas de sede duplas geralmente são guiadas (haste) no topo e na base, entre-tanto válvulas guiadas na saia têm um menor custo e servem para algumas aplica-ções. Vantagens:

Pequena força do atuador para um bom funcionamento do plug;

Alta capacidade de vazão comparada com a sede simples; Usada, geralmente, em tamanhos maiores que 2" e serviços severos. Desvantagens:

Não deve ser especificada para casos onde não possa haver vazamento (geralmente, há um vazamento de até 2 % da máxima capacidade). Mais cara que a de sede simples de mesmo ∅. Válvula de 3 vias

As válvulas de 3 vias são feitas a partir de uma adaptação da válvula globo de sede simples ou dupla. Elas servem para serviços de divisão de fluxo ou mistura e combi-nação de fluidos. A vazão de válvulas de 3 vias, nestes casos, é constante e serve apenas para desviar o fluido e não para controlar a vazão total.


109

5.1.2.2 Válvula Saunders Opera forçando um diafragma flexível, preso entre o castelo e o corpo, contra uma saliência central no canal de passagem, fazendo, assim, o fechamento e apresentando boa vedação. É barata, de simples manutenção e adequada para fluidos contendo sólidos e abrasivos em suspensão, fluidos pastoso, corrosivo e polpa. Geralmente, não é aplicada para altas pressões. Usada para serviços on – off e tem seu limite de temperatura dado pelo material do diafragma. Tem a vantagem de poder ser revestida internamente com vidro, plástico, chumbo, Teflon ou borracha para uma maior resistência a corrosão. 5.1.2.3 Válvula borboleta É um tipo de válvula que funciona pela rotação da haste, sendo usada em tamanhos maiores que 3", porém é fabricada, também, em tamanhos de até 1". Consiste de um corpo cilíndrico com disco solidário a um eixo, instalado perpendicularmente à linha de centro do cilindro (100). O corpo cilíndrico pode ser flangeado em ambas as extremi-dades ou executado na forma de um anel sólido, sendo este último instalado na tubu-

lação entre 2 flanges. Figura 100 – Válvula borboleta

Para maior estabilidade na operação de estrangulamento, a válvula borboleta não é aberta em um ângulo maior que 75o da vertical. Alguns fabricantes executam a válvula para que haja o fechamento total do disco com 15o da perpendicular, o que resulta em uma rotação efetiva de 60o (recomendado). O vazamento normal para uma válvula com disco e sede de metal é em torno de 0,5 a 1% da capacidade total. Caso se queira vedação, pede-se a sede com revestimento de borracha. Generalidades:

• Requer mínimo espaço para instalação; • Baixa perda de carga através da válvula; • Grande capacidade de vazão; • Baixo custo para grandes diâmetros; • Grande atuador deve ser requerido, se a válvula for grande ou tiver uma

grande perda de carga; É fabricada em tamanhos até 108".


110

51.2.4 Válvulas de corpo dividido (Split-Body) A principal vantagem desse tipo de corpo é o fato de que o anel da sede pode ser tro-cado facilmente e de seu custo ser mais barato que as válvulas globo convencionais (particularmente em ligas resistentes à corrosão). Ela também é livre de bolsões que podem coletar sólidos e permitir a sedimentação. Certos serviços nas indústrias químicas exigem freqüente inspeção ou troca dos inter-nos das válvulas (obturador e sede), e é nesse caso que ela é mais empregada, pois o anel da sede é preso entre as duas metades do corpo da válvula e pode ser removido com relativa facilidade. Dispõe-se dos tamanhos de 1/2" a 8" para pressões de até 1.500 psi, embora, geral-mente, não sejam utilizadas para tamanhos acima de 2" e pressões maiores que 600

psi. Figura 101 – Válvula de corpo dividido

Válvula Cam-Flex É uma válvula de obturador excêntrico. Utilizada em padrão até 600 psi e tamanho de 1" a 12". O curso de rotação é de 50o e tem característica de vazão linear. O movimen-to excêntrico da face esférica de obturador reduz os requisitos de torque para a opera-ção e permite uma operação estável quando instalada vazão para abrir ou vazão para fechar. A vedação perfeita é obtida com a aplicação de uma força relativamente pequena em virtude de uma mínima falta de alinhamento ser compensada pela flexão do braço su-porte do obturador (Figura 102).

É construída sem flange para diminuir o peso, permitindo o uso de um corpo standard. Uma ex-tensão reta e curta do castelo permite seu uso num range standard de tempe-ratura de 196oC a 400oC.

OBTURADOR EXCÊNTRICO

FLUXO

CORPOFigura 102 – Válvula Cam-Flex


111

55..11..33 CCaarraacctteerrííssttiiccaass ddaass VVáállvvuullaass ddee CCoonnttrroollee A característica de vazão de uma válvula define o comportamento de vazão da mes-ma, quando ela é operada através de um determinado deslocamento do obturador. Cada válvula tem uma curva característica que é dada pela relação entre a vazão e a abertura do seu obturado. Dividiremos as características em: Efetiva; Inerente.

5.1.3.1 Característica efetiva Por característica efetiva de vazão, deve-se entender a relação real entre o desloca-mento do obturador da válvula e a queda de pressão, que varia conforme a variação da vazão e as demais condições do sistema em que a válvula está instalada. Muitos fatores das característica inerente podem influenciar a característica efetiva; o mais comum é uma restrição (como um tubo de diâmetro maior ou uma mudança na queda de pressão total do sistema em função da vazão). O efeito é muitas vezes importante e precisa ser considerado na análise completa de qualquer problema de controle. 5.1.3.2 Característica inerente A característica inerente de vazão é obtida com uma determinada queda de pressão constante, mantida através do corpo da válvula, da face de entrada até a da saída independente da vazão. Ela é, geralmente, apresentada em coordenadas com a aber-tura da válvula sendo plotada contra a vazão a uma perda de carga constante. A aber-tura da válvula, normalmente é plotada no eixo vertical, embora isto não seja correto matematicamente. O desenvolvimento de válvulas com características especiais de vazão tem sido co-mandado, até hoje, por considerações práticas. Dividiremos estas características em 2 tipos básicos:

• Características de vazão obtidas matematicamente, que incluem a caracte-rística linear e a de igual percentagem;

• Características de vazão resultantes de várias construções básicas, que incluem a caraterística parabólica modificada e a de abertura rápida. Ou-tros sistemas (válvulas borboletas, Saunders, de três vias, gavetas, etc.) encaixam-se nesta classificação.

Característica Linear A característica linear é mostrada na figura 9. A relação entre a abertura da válvula e a vazão, com queda de pressão constante, é plotada como uma linha reta. A expressão matemática é: Q = K . Y Onde: Q = vazão, com queda de pressão constante; K = abertura da válvula; Y = constante.

6

7

8

9

10


112

Gráfico 6 – Vazão em função do curso da válvula linear

Os obturadores que dão a característica linear são: torneado simples; torneado duplo;

• tipo perfilado (agulha). Característica de igual porcentagem Esta característica é mais complexa para definir matematicamente. Olhando a docu-mentação dos fornecedores, encontramos uma série de curvas de igual porcentagem que diferem pelo valor da vazão inicial. Devemos entender como vazão inicial aquela que é produzida quando o obturador se separa da sede. Esta vazão não é controlável e não devemos confundi-la com o vazamento existente quando a válvula está fechada.

Gráfico 7 – Vazão em função do curso da válvula de igual percentagem

A propriedade comum de todas estas curvas é que iguais in-

crementos no movimento da haste produzem mudanças de igual porcentagem na va-zão a uma queda de pressão constante, baseada na vazão que existia antes da mu-

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

10 0

0 1 0

20

3 0

4 0

5 0

60

70

80

90

100


113

dança efetuar-se. Como exemplo, tem-se uma válvula de controle com uma vazão de 10 m3/h e uma abertura de 20 %, haverá um aumento de 50 % da vazão, ou seja, mais 5 m3/h. A vazão agora será de 15 m3/h. Se a vazão for 20 m3/h com uma abertura de 60 %, e esta mesma válvula abrir mais 10 %, a vazão aumentará 10 m3/h, passando para um total de 30 m3/h. Portanto, conclui-se que a válvula deixa passar a mesma percentagem de vazão para uma mesma percentagem de abertura. Sensitividade unitária É expressa como a variação percentual de vazão para uma variação unitária na aber-tura da válvula, baseada na vazão que passava imediatamente antes da variação se verificar. Por exemplo, se pela válvula passam 500 litros por hora para uma determi-nada abertura, e 1% de abertura a mais aumenta a vazão para 550 litros/hora, a válvu-la tem uma sensibilidade unitária igual 10% sendo (SU = 10%) naquele ponto. Rangeabilidade É definida como a relação entre a vazão máxima e mínima controláveis. Por exemplo, se uma válvula pode controlar 100% da vazão e tem uma rangeabilidade de 50:1, a vazão mínima controlável é de 2%. A expressão matemática da característica de igual porcentagem raramente é usada, porque esta característica torna-se uma linha reta quando plotada em coordenadas semi logarítmicas. O uso de tal gráfico é muito prático na análise de problemas de ca-racterísticas de válvulas. Os tipos mais comuns de obturadores que permitem a obtenção de características de igual porcentagem são:

• Obturador com orifício em V com saia, simples e duplo; • Obturador com orifício em V sólido, simples e duplo; • Obturador torneado simples e duplo.

Característica linear modificada Esta característica é definida pela equação Q = K . Y2. onde: Q = vazão com perda de carga constante. K = constante. Y = abertura da válvula.


114

Esta é a equação de uma parábola e a característica é, muitas vezes, designada co-mo parabólica. O uso deste termo leva a confundir uma característica de vazão com o obturador torneado, muitas vezes, chamado de parabóli-co. Obturadores usados

• Tipo orifício em V com saia simples e dupla;

• Tipo torneado.

Característica de abertura rápida Esta característica não pode ser definida matematicamente. A curva de vazão contra deslocamento é aproximadamente linear até uma abertura de válvula igual a ¼ do diâmetro do orifício. Consultando os catálogos específicos dos equipamentos, encon-tramos a característica inerente de vazão de uma válvula de dupla sede, usando um obturador de abertura rápida, válvula esta de 2". Uma curva é baseada em uma aber-tura de ¼ pol., realçando a importância de se considerar a máxima vazão e o valor de abertura quando se discute válvulas de abertura rápida. O obturador mais usado é o de abertura rápida. Características de válvulas borboletas

A válvula borboleta geralmente é usada em sistemas de baixa pressão, tal que a perda de car-ga através da válvula na posição aberta torna-se pequena com relação à queda de pressão no sistema. Sob tais condições, a característica inerente é severa-mente alterada. A característica inerente é mostrada como uma plotagem de área projetada ex-posta quando o disco gira. Esta curva para 90o de rotação do disco com espessura desprezí-vel. Muitas válvulas são feitas com fechamento em um ângulo de 12,5o e a abertura total a 70º a partir de uma perpendicular à

CURVA DE VAZÃO EMFUNÇÃO DO CURSODA VÁLVULA

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CUR

Gráfico 9 – Vazão em função do curso da válvula de abertura

rápida

3

4

5

6

7

8

9

10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 10 20 30 40 50 100

%DOCURSO

% VAZÃO MÁXIMAGráfico 8 – Vazão em função do curso da válvula de

característica linear


115

tubulação. Estas duas mudanças fazem com que a característica inerente seja apro-ximadamente linear. 55..11..44 CCooeeffiicciieennttee ddee VVaazzããoo –– CCvv O uso do coeficiente de vazão, CV, introduzido em 1944, foi rapidamente aceito como sendo o índice universal de capacidade de uma válvula. Este índice provou-se tão útil, que hoje em dia praticamente todas as discussões envolvendo projetos e característi-cas de uma válvula, ou de comportamento de fluxo, utilizam este coeficiente. Por definição, o coeficiente de vazão, CV, “é a quantidade de água a 20oC medida em litros, que passa por uma determinada restrição em 1 minuto, com uma perda de carga de 4,9 g/cm2”. Por exemplo, uma válvula de controle com um coeficiente Cv igual a 12, tem uma área efetiva de passagem quando totalmente aberta, que permite o escoa-mento de 12 l/min de água com uma pressão diferencial de 4,9 g/cm2. Basicamente, é um índice de capacidade com o qual o tamanho requerido é capaz de estimar rápida e precisamente tamanho requerido de uma restrição em um sistema de escoamento de fluidos.

pdrQkCv Λ= .

Onde: CV= Coeficiente de vazão K= Constante Q= Vazão em l/min ∆p= Queda de pressão em kg/cm2 dr= Densidade relativa do líquido em relação a água. Para vapor e gases as equações são diferentes. 55..11..55 NNoorrmmaa ddee EEssttaannqquueeiiddaaddee ppaarraa VVáállvvuullaass ddee CCoonnttrroollee A principal função de uma válvula de controle é de regular com precisão a vazão de um fluido, para finalidades de controle do processo. A capacidade de interromper o fluxo, com um grau qualquer de vedação, é uma função secundária. Válvulas de isola-ção ou de bloqueio são geralmente projetadas com uma conexão solta entre o obtura-dor e a haste para permitir a centralização quando do fechamento. Isso seria inaceitá-vel em uma boa válvula de controle. Além disso, a força de assentamento desenvolvi-da por um típico atuador manual é grande, se comparada àquela normalmente obtida com um atuador pneumático de válvula de controle. Os fabricantes de válvulas de con-trole projetaram internos balanceados para reduzir as forças necessárias do atuador, mas essas construções usualmente têm vazamentos inerentes. Foram feitos esforços para normalizar as descrições dos vazamentos admissíveis em válvulas de controle, que resultaram no desenvolvimento de uma série de classes de vazamentos estabelecidas e publicadas pelo Fluid Control Institute. Uma extensão adicional desse trabalho foi feita pela Divisão de Medição e Controle de Processos da Scientific Apparatus Makers Association. O documento resultante foi passado para o F.C.I. e publicado como FCI 70-2 (revisão 1), tendo sido, então, submetido à comissão B16 da ANSI. Em 12 de abril de 1976, ele foi aprovado pela ANSI como B16.104.


116

5.1.5.1 Condições de teste De acordo com a norma ANSI, toda válvula deve ser testada para que apresente um máximo vazamento especificado de acordo com procedimentos estabelecidos. Estas normas, observadas pelos fabricantes em seus ensaios de vazamento, especificam as seguintes prescrições de ensaio:

• fluido de teste e queda de pressão na sede (pressão de entrada, psig) são especificados para cada classe de vazamento;

• A temperatura do fluido de teste é restrita a 50-125 F (10-52ºC); • fluido de teste deve ser aplicado à entrada normal ou especificado no cor-

po da válvula. A pressão à jusante é a atmosférica; • atuador é ajustado para atender às condições de operação especificadas

para a válvula, portanto, a força de fechamento aplicada pelo atuador em alguns casos pode ser maior do que a obtida sob condições de campo;

As leituras de vazão devem ter precisão de +/- 10% e devem ser registradas. Classes de vazamento De acordo com a norma ANSI B16.104, o vazamento da Classe I é definido como uma modificação do vazamento das Classes II, III ou IV, sendo que o procedimento do tes-te é o mesmo da classe básica, mas, por comum acordo entre o usuário e o fornece-dor, não são exigidos os testes. A tabela 9 mostra o máximo vazamento permissível no assento para as classes II e V, conforme especificado na norma ANSI B16.104. Também estão incluídos na tabela os fluidos de teste usados e a pressão diferencial através da válvula durante o ensaio. De maneira similar, a Tabela 10 mostra o máximo vazamento permissível pela sede para a Classe VI de acordo com essa norma. As tabelas 1 e 2 mostram as especificações ANSI no ensaio de vazamento pela sede.

Tabela 9 – Estanqueidade de válvulas.

Pressão diferencial de ensaio Fluido de Teste

(psi) (bar)

Classe

Vazamento – máximo MN I B16.104 MN I B16.104 MN I B16.104

II 0,5% do Cv nominal da válvula Ar Ar 50 45-60 1 3,5 3-4 1

III 0,1% do Cv nominal da válvula Ar Ar 50 45-60 1 3,5 3-4 1 IV 0,01% do Cv nominal da válvula Ar Ar 50 45-60 1 3,5 3-4 1

V

5,0 x 10-4 ml/min/psi/pol. de diâmetro do orifício ou 5,0 x 10-

12 m3 /seg/bar/mm de diâmetro do orifício

Água Água

Máxima pressão

diferencial em Serviço2

VI (vide Tabela 2) Ar Ar 50 50 3 3,5 3-5 3

• Ou máxima pressão diferencial, sendo válida a menor; • 100 psi (7 bar) de pressão diferencial, mínimo; • Ou máxima pressão diferencial nominal, sendo válida a menor.

Tabela 10 – Estanqueidade de válvulas - classe VI


117

DIÂMETRO NOMINAL DA SEDE

MILÍMETROS POLEGADAS ml por

MINUTO BOLHAS por

MINUTO*

25 1 0,15 1 38 1 – ½ 0,3 2 51 2 0,5 3 64 2 – ½ 0,6 4 76 3 0,9 6

102 4 1,7 11 152 6 4,0 27 203 8 6,75 45

* As bolhas indicadas na tabela são uma alternativa sugerida, baseada em um disposi-tivo de medição calibrado adequadamente, nesse caso, um tubo com diâmetro externo de ¼ polegada e espessura de parede de 0,032 polegadas, submerso em água a uma profundidade de 1/8 a 1/3 de polegada. A ponta do tubo deve ser lisa e cortada em ângulo reto, sem chanfros ou rebarbas, e o eixo do tubo deve ser perpendicular à su-perfície da água. Outros aparelhos podem ser construídos e os números de bolhas por minuto podem diferir daqueles indicados, desde que eles indiquem corretamente a vazão em cm3 por minuto. 55..22 VVáállvvuullaass RReegguullaaddoorraass ddee PPrreessssããoo AAuuttoo--ooppeerraaddaass 55..22..11 OO qquuee ssããoo VVáállvvuullaass AAuuttoo--ppeerraaddaass São válvulas que, através da utilização de princípios mecânicos e pneumáticos, redu-zem a pressão de entrada da válvula (variável ou não) para uma pressão de saída constante, previamente ajustada, dentro de determinadas faixas de vazão. 55..22..22 PPrriinnccííppiioo BBáássiiccoo ddee FFuunncciioonnaammeennttoo:: São baseadas no princípio do equilíbrio de forças. A pressão a ser controlada é trans-mitida à válvula auto-operada através de uma tomada instalada na tubulação à jusan-te. Em alguns tipos de válvulas, esta transmissão da pressão a ser controlada é feita internamente no próprio corpo da válvula. Desta forma, podemos ver a existência de duas formas de transmissão da pressão a ser controlada: válvulas com tomada sensora externa e válvulas com tomada sensora interna (pilotados e auto-operados).


118

Figura 103 – Válvula auto-operada A pressão a ser controlada é transmitida pela tomada sensora à parte inferior do atua-dor da válvula, atuando na parte inferior do diafragma sendo comparada com a força que a mola de regulagem (colocada na parte superior do Atuador) exerce na parte superior do diafragma. Quando a pressão à jusante da válvula exercer uma força na parte inferior do diafrag-ma superior à exercida pela mola de regulagem, a válvula tende a fechar, ocorrendo o processo inverso quando a força exercida pela mola de regulagem for superior à e-xercida pela pressão à jusante atuando na parte inferior do diafragma. O ajuste da pressão a ser controlada é feito através do parafuso seletor de pressão, que regula a tensão da mola. 55..33 OOuuttrraass VVeerrssõõeess ddee VVáállvvuullaass RReegguullaaddoorraass 55..33..11 VVáállvvuullaa RReegguullaaddoorraa ddee PPrreessssããoo MMoonnttaannttee:: Também denominada válvula de alívio de pressão, estas válvulas têm a função de manter constante a pressão a montante. Baseiam-se no mesmo princípio de funcio-namento das válvulas reguladoras de pressão tradicionais, sendo que, nestas válvu-las, a tomada sensora transmite a pressão a montante a ser controlada até o atuador da válvula. Quando a pressão a montante da válvula exercer uma força superior à e-xercida pela mola de regulagem, a válvula tende a abrir, ocorrendo o processo inverso quando a pressão a montante for inferior. Podemos, então, observar que este tipo de válvula é do tipo fechada, ou seja, necessita de pressão para promover a sua abertu-ra.


119

55..33..22 VVáállvvuullaass RReegguullaaddoorraass ttiippoo ““zzeerroo”” São válvulas reguladoras que controlam a pressão à jusante próxima da pressão at-mosférica. É uma válvula normalmente fechada, devido à existência de uma mola de fechamento, sendo sua abertura promovida quando da existência de vácuo à jusante da válvula, que atua sobre a parte inferior do diafragma principal, garantindo que a pressão à jusante da válvula se estabilize em valores próximos da pressão atmosféri-ca. 55..33..33 VVáállvvuullaass RReegguullaaddoorraass ddee PPrreessssããoo PPiilloottoo OOppeerraaddaa São válvulas reguladoras de pressão que têm o seu acionamento comandado por uma válvula reguladora piloto. Existem diversas versões para válvulas reguladoras piloto operadas:

• Válvula Reguladora de Pressão Pilotada e com “Mola de Gás”; • Pilotada pelo Gás de Processo; • Pilotada por Gás de Suprimento Externo.

O funcionamento destas válvulas é similar ao das válvulas reguladoras de pressão tradicionais, porém, ao invés de se utilizar uma mola helicoidal de regulagem, utiliza-se uma câmara de Gás pressurizada, conforme descrito abaixo. A pressão a ser controlada é transmitida à parte inferior do atuador através da tomada sensora (Interna ou Externa), atuando na parte inferior do diafragma. Esta pressão exercida sob o diafragma gera uma força que deverá ser comparada com a força e-xercida pela pressão de pilotagem (seja esta através de suprimento externo ou mesmo pelo próprio gás do processo) atuando na parte superior do diafragma. Quando a pressão à jusante da válvula exerce uma força na parte inferior do diafrag-ma superior à exercida pela pressão de pilotagem (mola de Gás), a válvula tende a fechar, ocorrendo o processo inverso quando a força exercida pela pressão de pilota-gem for superior à exercida pela pressão à jusante atuando sob o diafragma. O ajuste da pressão a ser controlada é feito através do regulador piloto que regula a pressão de pilotagem (“tensão da mola gasosa”). Estas versões de válvulas pilotadas podem ser dotadas ou não de molas helicoidais de fechamento, que, como o próprio nome indica, promovem o fechamento da válvula no caso de ocorrer um rompimento do diafragma. Válvula reguladora de pressão com piloto sensor e mola helicoidal de fechamento.

Esta válvula é dotada de um piloto sensor, de um pré-regulador e de um filtro, sendo seu funcionamento simples conforme abaixo descrito. A tomada de controle é aplicada na tubulação à jusante, comunicando-se com a parte inferior do diafragma da válvula principal e com o diafragma do piloto sensor. A força exercida sob este diafragma é comparada com a força exercida pela mola de regula-gem sobre o diafragma piloto. Quando ocorre a diminuição na pressão de saída reguladora, o piloto sensor sente este decréscimo através do seu diafragma, de forma que a força exercida pela mola de regulagem prevalece e permite maior passagem do gás proveniente do pré-regulador, a fim de aumentar a pressão na parte superior do atuador da válvula princi-pal, que, desta forma, tenderá a abrir de modo a estabilizar a pressão de saída do re-gulador.


120

Figura 104 – Válvula reguladora de pressão No caso de ocorrer um aumento na pressão de saída regulada, o diafragma do piloto sensor sente esse aumento, de forma a vencer a força exercida pela mola de regula-gem, promovendo o fechamento da passagem do gás proveniente do pré-regulador, além de promover o alívio do excesso de pressão de pilotagem, atuando sobre parte superior do diafragma da válvula principal, que, desta forma, tenderá a fechar para estabilizar a pressão de saída regulada. O ajuste da pressão de saída a ser controlada é feito através do parafuso seletor de pressão do piloto sensor.

Figura 105 – Válvulas de segurança 55..44 VVáállvvuullaass ddee SSeegguurraannççaa


121

São válvulas destinados a aliviar excesso de pressão nos mais variados processos industriais e, em outros casos, a bloquear um vazamento para o meio. São válvulas de acionamento rápido para fechamento ou abertura, visando proteger o processo ou o meio onde estaria pondo em risco os operadores ou mesmo uma comunidade. Em alguns casos, quando uma válvula desta é acionada e o processo volta à situação de normalidade, a válvula volta a assumir sua situação inicial, visando proteger o sis-tema para o qual ela foi dimensionada. Em outros sistemas mais críticos, a válvula retém a situações de segurança, sendo necessária a interferência do operador para rearmá-la, a fim de proteger novamente o sistema para o qual ela foi dimensionada. Os seus mecanismos são enquadrados nos descritos acima, principalmente nas válvu-las auto-operadas.


122

6 CCOONNTTRROOLLEE DDEE PPRROOCCEESSSSOO No início da era industrial, o controle de processos foi levado a cabo mediante méto-dos baseados na intuição e experiência. Um caso típico era o controle de produtos em um forno. O operário era realmente o “instrumento de controle” que julgava o anda-mento do processo pela cor da chama, o tempo transcorrido, o tipo de fumaça e o as-pecto do produto, decidindo o momento de retirar a peça. Nesta decisão, influía muitas vezes a sorte e o estado de espírito do operário, de tal maneira que nem sempre o resultado era uma peça nas melhores condições de fabricação. À medida que o mer-cado exigiu melhor qualidade, a complexidade dos processos aumentou, desenvolve-ram-se teorias para explicar o funcionamento dos processos e chegou-se a estudos analíticos que permitiram o controle da maior parte das variáveis de interesse nos pro-cessos. 66..11 CCoonncceeiittooss BBáássiiccooss ddee CCoonnttrrooeell ddee PPrroocceessssooss Para ilustrar o assunto conceitos básicos de controle de processos, utilizar-se-á, como processo típico, o trocador de calor mostrado. No caso do trocador de calor, o termo “processo” significa a operação de adição de energia calorífica ao fluido frio (fluido a ser aquecido). No exemplo ilustrado, bem como nos outros casos de controle de processos, a função fundamental do sistema de controle é manipular a relação entrada/saída de energia ou material, de maneira que as variáveis do processo sejam mantidas dentro dos limites estabelecidos, ou seja, o sistema de controle regula a “variável controlada” (temperatu-ra do fluido aquecido), fazendo correções em outra variável do processo (vazão de vapor), que é chamada de “variável manipulada”. No processo acima temos: Variável Controlada = Temperatura Variável Manipulada = Vazão de vapor Meio Controlado = Fluido Agente de Controle = Válvula manual

Figura 106 – Trocador de calor


123

66..22 CCaarraacctteerrííssttiiccaass ddee PPrroocceessssooss Os sistemas de controle podem ser classificadas em dois tipos: Malhas de Controle Abertas; Malhas de Controle Fechadas.

66..22..11 MMaallhhaass ddee CCoonnttrroollee AAbbeerrttaass É a malha formada pelo processo e o sensor com indicador, ou registro, ou alarme.

Figura 107 – Diagrama de blocos de uma malha aberta

Este tipo de malha não executa controle apenas indica, registra e alarma as condições da variável monitorada no processo. Não possuem realimentação. Um circuito aberto de regulação carece do detetor de erro e do controlador. Um exem-plo pode consistir no aquecimento de água em um tanque por meio de uma resistência elétrica submersa. Dada uma tensão de alimentação, uma temperatura de entrada da água, condições externas e a demanda de água quente, a temperatura de saída da água permanecerá constante, porém, ao alterar-se qualquer das condições, a tempe-ratura de saída irá variar.


124

66..22..22 MMaallhhaass ddee CCoonnttrroollee FFeecchhaaddaass É a malha de controle típica, formada pelo processo, o transmissor, o controlador e o elemento final de controle. O sinal da variável controlada é realimentado para o contro-lador que, por sua vez ,atua sobre a entrada do processo na variável manipulada, con-cluindo o loop de controle.

Figura 108 – Diagrama de blocos de uma malha fechada Uma aplicação típica de malha fechada é apresentada a seguir em um processo com sistema de aquecimento de um fluido. No processo representado, temos: Variável Controlada = Temperatura Variável Manipulada = Vazão de Vapor Meio Controlado = Fluido Agente de Controle = Válvula de Controle

Figura 109 – Sistema de aquecimento de um fluido


125

66..22..33 MMooddooss ddee CCoonnttrroollee Na classificação quanto a modos de controle temos:

• Controle manual; • Controle automático.

6.2.3.1 Controle manual É quando o operador visualiza a temperatura de saída, caindo ou subindo em relação ao valor desejado, e pode fazer as correções na válvula de vapor de várias maneiras:

• Abrir instantaneamente e completamente a válvula; • Abrir a válvula devagar, à velocidade constante enquanto o desvio perdu-

rar; • Abrir mais a válvula quando o desvio ocorre rápido; • Abrir a válvula de um valor constante para cada unidade de desvio.

O operador também pode usar outros métodos ou combinações de métodos para ma-nipular a válvula. Assim, o operador está exercendo um modo ou ação de controle manual que é a maneira na qual se faz correções em relação ao desvio para manter o controle do processo. Considerando um controle manual do processo que servirá de base para estudar as suas características, o operador nota a temperatura de saída da água com a leitura de um termômetro inserido na linha e aciona a válvula de vapor para manter a água a uma temperatura desejada. Supondo que, nestas condições, existindo uma temperatura constante na saída, ocor-ra um aumento na vazão de água fria na entrada. Como a válvula de vapor continua na mesma posição, o trocador não irá aquecer à mesma temperatura esta maior quan-tidade água. Por conseguinte, a temperatura de saída da água irá abaixar. Porém, devido à inércia do processo, um certo tempo irá transcorrer até que a água mais fria alcance a mão do operador. Quando este notar a diminuição da temperatura, deve compará-la com a temperatura desejada, tomar uma resolução, calcular mentalmente quantas voltas deve movimentar o volante da válvula e em que sentido, realizando a seguir a correção manual da mesma. Um certo tempo é necessário para que estas operações sejam executadas. Também é certo que um tempo vai se passar até que os efeitos de correção se mani-festem na temperatura de saída de água e possam ser captados pelo operador. Só então, este será capaz de saber se a sua primeira correção foi correta, escassa ou excessiva. Neste ponto, se necessário, efetuará uma segunda correção, que, após algum tempo, dará lugar a uma nova mudança de temperatura. O operador observará os efeitos desta segunda correção e realizará uma terceira e assim sucessivamente até obter o ponto desejado. 6.2.3.2 Controle automático É quando utilizamos componentes específicos para realização de uma ou mais fun-ções básicas de controle, para produzir as ações de controle necessárias ao processo. Os componentes básicos de uma malha controle são:

• Sensor ou Transmissor; • Controlador + Comparador; • Elemento Final de Controle;


126

• Processo. A função fundamental do controle de processo é manipular a relação entrada/saída de energia de maneira que as variáveis do processo sejam mantidas dentro dos limites desejados. Um controle automático poderá ser definido como o mecanismo que mede o valor da variável do processo e opera de maneira a limitar o desvio da variável em torno de um valor desejado. O controle automático regula a variável controlada, fazendo correções na variável manipulada. No nosso exemplo, correspondendo à temperatura da água quente, a variável controlada, e à vazão de vapor, a variável manipulada. Qualquer mudança da abertura da válvula de vapor comandada pelo controle automático consti-tui uma correção na variável manipulada. Esta série de operações de medida, comparação, cálculo e correção constituem uma cadeia fechada de ações, realizadas diversas vezes, para obter-se a estabilidade do processo num ponto desejado até que novas perturbações venham a ocorrer. Este conjunto de elementos em circuito fechado que tornam possível este controle, recebe o nome de “malha de controle” (loop control). No controle automático, alguns termos são amplamente utilizados, tais como:

• Variável de Processo = Valor instantâneo da variável controlada; • Set-point = Valor desejado da variável de processo; • Off-set = Sinal de erro de regime, diferença entre o valor medido da variá-

vel de processo e o set-point. que permanece no sistema de controle após a última correção.

O controlador permite ao processo cumprir seu objetivo de transformação e realiza duas funções básicas:

• Compara a variável medida com o set-point para determinar o erro; • Estabiliza o funcionamento dinâmico da malha para reduzir ou eliminar o

erro ou off-set.


127

Os processos apresentam duas características principais que devem ser consideradas ao automatizá-los: Alterações na variável controlada, devido à alteração nas condições de processo e chamadas geralmente “mudanças de carga”; tempo necessário para que a variável do processo alcance um novo valor ao ocorrer uma mudança de carga. Este atraso é devido a uma ou várias propriedades do pro-cesso, tais como capacitância, resistência e tempo de transporte. 66..22..33 AAççõõeess ddee CCoonnttrroollee ((SSaaííddaa vveerrssuuss EEnnttrraaddaa)) Nos controladores podem ser encontradas duas ações de controle:

• Ação Direta; • Ação Inversa ou Reversa.

66..22..55 AAççããoo DDiirreettaa Num controlador em ação direta, quando o sinal da variável controlada aumentar de intensidade, a saída de controle atuará no mesmo sentido, aumentando o sinal de saí-da para o elemento final de controle e vice versa. 66..22..66 AAççããoo IInnvveerrssaa Num controlador em ação inversa, quando o sinal da variável controlada aumentar de intensidade, a saída de controle atuará no sentido inverso, diminuindo o sinal de saída para o elemento final de controle e vice versa. 66..33 SSiisstteemmaass ddee CCoonnttrroollee AAuuttoommááttiiccooss Os sistemas de controle automáticos podem ser classificados em:

• Controle Automático Descontínuo; • Controle Automático Continuo.

66..33..11 CCoonnttrroollee AAuuttoommááttiiccoo DDeessccoonnttíínnuuoo Os sistemas de controle automático descontínuo apresentam um sinal de controle que, normalmente, assume apenas dois valores distintos. Eventualmente, este sinal poderá ser escalonado em outros valores. Podemos dispor dos seguintes tipos de sistemas de controle descontínuos:


128

6.3.1.1 Controle de duas posições sem histerese Na regulação tudo ou nada, o elemento final de controle move-se à velocidade relati-vamente alta, entre duas posições prefixadas, para um valor único da variável contro-

lada. Figura 110 – Controle de duas posições sem histerese

Visto que estas duas posições do elemento final de controle são geralmente posições toda aberta ou toda fechada, este controle é chamada controle On-Off ou Tudo ou Nada. Este tipo de controle é usualmente empregado com uma faixa morta, onde o elemento final de controle permanece em sua última posição para valores da variável compreendida dentro da faixa morta. O controle tudo ou nada funciona satisfatoriamente se o processo tem uma velocidade de reação lenta e o tempo de atraso é mínimo. É evidente que a variável controlada oscila continuamente e que estas oscilações variam em freqüência e magnitude em função das mudanças de carga do processo. Os ajustes de controle resumem-se em variar o ponto de ajuste e a faixa morta. Um exemplo típico de um sistema de controle de duas posições está ilustrado. Quan-do a temperatura está no set point, ou acima do set point, o contato está fechado, e a válvula fecha. Quando a temperatura está abaixo do set point, o contato está aberto, e a válvula abre. As correções de posição da válvula quando a temperatura varia acima e abaixo do set point. Nota-se que este controle de duas posições não pode promover uma correção exata; sua correção é maior ou menor que a exata. Não existe então nenhuma condição de equilíbrio entre as energias de entrada e de saída e a variável controlada irá oscilar para cima e para baixo do set point, como ilustrado na figura.


129

6.3.1.2 Controle duas posições com histerese É uma variante comum da ação de duas posições. Nesta, o elemento final de controle é movido rapidamente de sua primeira posição para a segunda (quando a variável controlada atinge um valor prefixado, vindo de uma direção) e só poderá retornar à sua primeira posição depois que a variável controlada tenha passado através de uma faixa de valores, chamada zona diferencial, na direção oposta e atingido um segundo

valor também prefixado. Figura 111 – Controle duas posições com histerese.

Um sistema típico de controle de duas posições com zona diferencial operado eletri-camente e suas correções na válvula é quando a temperatura passa pela zona dife-rencial. Nota-se que nenhuma ação da válvula ocorre quando a variável está dentro da zona diferencial. Um pressostato também é um dispositivo que pode funcionar como elemento contro-lador descontínuo de duas posições com histerese, se for do tipo com ajuste diferenci-al.


130

6.3.1.3 Controle por largura de pulso No controle descontínuo por largura de pulso, o controlador apresenta dois níveis de saída: alto ou baixo (on/off ou ativado e desativado). O tempo de permanência em nível alto ou baixo depende da amplitude do erro. O período do sinal de saída do con-trolador é constante.

Gráfico 112 – Controle descontínuo por largura de pulso

6.3.1.4 Controle de três posições O sistema de controle de três posições utiliza dois relés independentes e é aplicado principalmente para acionamento de servo-motores. Vamos exemplificar: quando hou-ver desvio entre o set-point e a variável controlada, um relé aciona, e o motor girará no sentido horário. À medida que o desvio diminui, o relé acabará desacionando, e o ser-vo-motor ficará parado, mas, se o desvio mudar de sentido, o segundo relé acionará, e o servo-motor girará para o sentido anti-horário. Como se pode ver, o controle apre-senta as três posições: relé para (+), neutro e relê para (-). O servo-motor é muito usa-do para controle de temperatura através de sistema de combustão que envolva quei-ma estequiométrica (relaciona a queima de combustível a uma relação ideal de ar). Se o mesmo controle fosse feito por um de duas posições, seria impossível sintonizar a malha de controle, pois o servo-motor não pararia de girar (no primeiro momento, no sentido horário, e no momento seguinte, no anti-horário) e provavelmente queimaria. Outra aplicação seria em fornos onde haja resfriamento controlado, onde um relé a-ciona o aquecimento e, à medida que a temperatura chega ao nível desejado, o a-quecimento é desacionado, e só se a temperatura continuar subindo por inércia do sistema, é que o resfriamento é acionado pelo outro relé. Existe uma série de outras aplicações na área industrial, porém esperamos que estes dois exemplos sejam eluci-dativos. Este controlador apresenta todas as possibilidade de ações de controle do de duas posições e mais as ações PID que estudaremos no capitulo a seguir.


131

66..33..22 CCoonnttrroollee AAuuttoommááttiiccoo CCoonnttíínnuuoo O sistema de controle automático contínuo tem como característica um controlador cuja saída de controle varia continuamente, isto é, podendo assumir qualquer valor compreendido entre os limites máximos e mínimos. TT= Transmissor de temperatura TIC= Controlador Indicador de temperatura TV= Válvula de controle de temperatura

Figura 113 – Controle automático contínuo Naturalmente, os controladores e os elementos finais de controle de um controle con-tínuo diferem dos elementos de um controle descontínuo. Nos sistemas de controle descontínuo, a variável controlada varia em torno do valor desejado, com oscilações cujas amplitudes e freqüência dependem das características do processo e do próprio sistema de controle. No sistema de controle contínuo, a variável controlada apresenta flutuações, mas manter-se-á constante em torno do set-point. Característica de um controlador contínuo

Basicamente, um controlador contínuo é composto por um conjunto comparador e de tratamento do erro, onde podemos definir: Comparador tem como função gerar sinal de correção proporcional à diferença instan-tânea entre a variável de processo e o set-point. Tratamento do erro tem como função processar a diferença do sinal entre o set-point e a variável medida (erro), gerando um sinal de correção. Dependendo da forma de como o sinal de erro é processado, podemos dispor de um sistema de controle contínuo que deverá aproveitar as ações de controle para melho-rar a eficiência e o rendimento do processo industrial.


132

6.3.2.1 Parâmetros de controle (Quanto ao algoritmo) Nos sistemas industriais de controle contínuo, emprega-se um ou mais algoritmo de controle, muitas vezes, em combinação, conforme citado a seguir:

• Controle Proporcional (P); • Controle Proporcional + Integral (reset) (PI); • Controle Proporcional + Derivada (PD); • Controle Proporcional + Integral + Derivativo (PID).

Controle proporcional No controle proporcional, a amplitude da saída de controle varia proporcionalmente à amplitude do desvio medido em relação ao set point da variável, estabelecido para o controle da malha no processo. No sistema de posição proporcional, existe uma relação linear contínua entre o valor da variável controlada e a posição da válvula (dentro da banda proporcional), isto é, dentro do ganho ou da banda proporcional, a válvula movimenta-se num mesmo valor para cada unidade de desvio. Em um controlador proporcional, cujo ponto de ajuste é 150oC e cujo intervalo de atu-ação é de 100 a 200oC, quando a variável controlada está em 100oC (ou menos), a válvula está totalmente aberta; a 200oC (ou mais), está totalmente fechada e entre 100 e 200oC. a posição da válvula é proporcional ao valor da variável controlada. Por e-xemplo, a 125oC está aberta 75 % e a 150oC está aberta 50 %.

Gráfico 10 – Sintonia de malha com erro de off-set

110

100 90

OFF-SET

TEMPERATURA

CARGA

A B R E

A U M E N T A

POSIÇÃO DA VÁLVULA

Sc = ( G.E )+B

" A amplitude de correção é proporcional a amplitude do desvio do (erro)”

Sc= Saida de Controle G= Ganho E= Erro ( Vc – SP) B= Saida Modo Manual


133

Banda proporcional (BP) É a porcentagem de variação da variável controlada, necessária para provocar um percurso total da válvula. O valor da banda proporcional de um instrumento é expres-so, usualmente, em tantos por cento de seu campo de medida total. Por exemplo, se a faixa do instrumento é de 200oC e são necessários apenas 50oC de alteração para provocar um percurso total da válvula, diz-se que a banda proporcional será de 25%. Nos controladores industriais, a banda proporcional pode variar de 1 a 500%. Ganho (G) Um outro conceito para expressar a proporcionalidade é o ganho ou sensibilidade. Esses termos descrevem a relação entre saída e entrada de um dispositivo de contro-le. Matematicamente, o ganho ou sensibilidade é recíproco à faixa proporcional. Às vezes, encontram-se instrumentos de controle com o ajuste de proporcionalidade cali-brado em termos de ganho ou sensibilidade, e não em faixa ou banda proporcional. Assim, o ganho pode ser expresso por: Ganho =

Mudança na saída Mudança na entrada G = Kp = Ganho Proporcional. Logo, a banda proporcional será:

O desvio ou off-set é uma característica indesejável do controle proporcional. Inicialmente, o ponto de ajuste está no valor desejado de 100oC. e, após algum tempo, ocorre uma variação de carga no processo. Note-se que a temperatura não volta ao valor de ajuste, pois, se isto ocorresse, a válvula voltaria a sua posição original. Isto é impossível, já que, nesta posição, ocorreu uma diminuição da temperatura inicial. Consistiria um absurdo que a posição inicial da válvula mantivesse a mesma tempera-tura inicial para uma maior entrada de água fria. O desvio pode ser corrigido reajus-tando-se manualmente o ponto de ajuste. O controle proporcional é um sistema de estabilização potente, capaz de ajuste e apli-cação amplíssima, tendo, porém, o inconveniente do erro de desvio. Controle integral No controle integral, o sinal de saída de controle é proporcional à integral da curva do desvio da variável controlada, por intervalo de tempo, em relação ao set-point determi-nado para controle. No controle integral, a válvula move-se de acordo com uma função (integral no tempo) da variável controlada, ou seja, num desvio entre a variável controlada e o ponto de ajuste, a ação integral movimentará a válvula numa velocidade proporcional ao desvio, durante um certo intervalo de tempo. Este intervalo de tempo é a banda integral, defi-nida em minutos, ou seja, tempo de ação integral. Controle Proporcional + Integral

GBP 100=


134

No controle proporcional + integral, ao ocorrer uma variação de carga, a ação propor-cional vai modificar a posição da válvula para um novo valor, eventualmente, criando um erro de desvio. Neste ponto, a ação integral se faz presente, continuando a mover a válvula com uma velocidade proporcional ao erro durante mais algum tempo. Note-se que, à medida que a variável controlada se aproxima do ponto de ajuste, diminui a velocidade de acionamento da válvula pela ação integral.

Gráfico 11 – Curvas do controle integral Em outras palavras, pode-se dizer que a ação integral movimenta a banda proporcio-nal com relação à atuação desta sobre a posição da válvula, eliminando o erro de des-vio.

Variável Medida

Erro

Set-Point

Tempo

Saída Controlador

Pv

Sc

100%

50 %

Ti = tempo de integral (min.) (MPR)

1/Ti =taxa de reajuste (RPM)


135

Controle Derivativo A ação derivativa consiste numa relação linear e contínua entre a velocidade de varia-ção da variável controlada e a posição da válvula. Em outras palavras, a ação derivati-va posiciona a válvula em função da velocidade com que a variável controlada se fasta do ponto de ajuste, por isso também denominada de ação de antecipação, dado que “prevê” a nova posição da válvula para estabilizar o processo. Note-se, porém, que a ação derivativa nunca poderia ser usada só, pois desde que não esteja ocorrendo uma variação na variável controlada, sua ação é nula. Isto eqüivale a dizer que, para um erro constante, a sua ação não se manifesta; por exemplo, a ação derivativa não corri-ge um erro de desvio. Contudo, em conjunto com a ação proporcional, a ação derivati-va vai antecipar a posição final devida à ação proporcional, em função da velocidade com que a variável se movimenta em relação ao ponto de ajuste. Sendo assim, a a-ção derivada é definida em tempo, o que significa dizer que “tempo de ação derivativa” é o tempo com que a ação derivativa antecipa-se na correção com relação a um con-trole unicamente proporcional. Controle Proporcional + Integral + Derivativo Como já assinalado anteriormente, a ação proporcional pode gerar um erro de desvio, erro este que não é corrigido pela ação derivativa. Faz-se necessário para um bom controle que a estas duas ações seja somada uma ação integral, a fim de corrigir os eventuais desvios constantes que, por ventura, venham a acontecer. O controle PID é, normalmente, utilizado para processos que enfrentam variações rá-pidas de carga, possuindo tempos de respostas muito longos. Por exemplo: trocadores de calor.

Gráfico 12 – Curvas resultantes das ações de controle(PID)

Curva

Temperatura

AçõesSobre aVálvula

Posição daVálvula

Tempo

Set-point

Componente da Ação Proporcional

Componente da Ação Integral

Componente da Ação Derivativa

Resultante Posição Válvula

Tempo

Curvas resultantes das Ações de controle(PID)


136

6.3.2.2 Critérios de estabilidade A estabilidade do controle é característica do sistema que faz com que a variável volte ao ponto de ajuste depois de uma perturbação. Os critérios desejáveis para a estabilidade são os seguintes:

• Critério de área mínima; • Critério do desvio mínima; • Critério de amplitude mínima.

Gráfico 13 – Critérios de estabilidade Métodos de ajuste de controladores Existem vários sistemas para ajustar os controladores, ou seja, a banda proporcional, a ação integral e a ação derivativa ajustem-se adequadamente aos demais elementos da malha de controle. Este acoplamento deve ser tal que, diante de uma perturbação, seja possível obter uma curva de recuperação que satisfaça um dos critérios mencio-nados e, em particular, o de área mínima. Para que este acoplamento entre o controlador e o processo seja possível, é necessá-rio um conhecimento das características estáticas e dinâmicas do sistema controlado. Basicamente, existem duas maneiras de obter estas características: analítica ou expe-rimental. O método analítico consiste em determinar a equação dinâmica do sistema, ou seja, sua evolução em função do tempo. Este método é, geralmente, difícil de aplicar, dada a complexidade dos processos e a dificuldade de dados fidedignos e suficientemente aproximados. É um método muito trabalhoso que requer, normalmente, o emprego de um computa-dor, resultando muitas vezes apenas em respostas aproximadas. No método experimental, as características estáticas e dinâmicas do processo obtêm-se a partir de uma medida ou de uma série de medidas realizadas sobre o processo real. Estas respostas do processo podem efetuar-se de duas maneiras:

• Método do tato; • Método da sensibilidade limite.

SINTONIA DOS CONTROLADORES

Critérios de Estabilidade

VARIÁVEL

ÁREA MÍNIMA

PERTURBAÇÃO MÍNIMA

AMPLITUDE MÍNIMA


137

Método do tato Este método requer que o sistema esteja instalado completamente e trabalhando em sua forma normal. O procedimento baseia-se em colocar em marcha o processo com bandas amplas em todas as ações, estreitando-se depois, pouco a pouco, individual-mente (proporcional, depois a integral, depois a derivativa, se houver) até obter a es-tabilidade desejada. Para provocar mudanças de carga no processo e observar suas reações, move-se o ponto de ajuste em ambas as direções o suficiente para provocar uma perturbação considerável, porém não demasiado grande para prejudicar o processo. É necessário que transcorra, após cada perturbação, um tempo suficiente para obser-var o efeito total dos ajustes, e, em função disto, o ajuste de um controlador pode de-morar algumas horas e, muitas vezes, até dias. Método da sensibilidade limite Este método permite calcular as três ações, a partir dos dados obtidos em uma rápida observação. O método baseia-se em estreitar a banda proporcional, com os ajustes de integral e derivativo eliminados, ao mesmo tempo que pequenas perturbações são criadas até um ponto em que o processo começa a oscilar de um modo contínuo. A banda proporcional, para que tal aconteça, é chamada de “banda proporcional limi-te”. Anota-se, então, o período de ciclo das oscilações “Pu” em minutos e a última banda proporcional “Bpu”. Os ajustes do controle, que produzirão aproximadamente uma resposta com uma rela-ção de amplitudes 0,25, são calculados da seguinte forma: Controlador P Banda proporcional (%) = 2 Bpu Controlador PI Banda proporcional (%) = 2,2 Bpu Banda integral (min/rep) = Pu / 1,2 Controlador PID Banda proporcional (%) = 1,7 Bpu Banda integral (min/rep) = Pu / 2 Banda derivativa (min) = Pu / 8


139

RREEFFEERRÊÊNNCCIIAASS BBIIBBLLIIOOGGRRÁÁFFIICCAASS COELHO, Marcelo S. Dispositivos de Medição e Controle. Santos, Senai-SP 1995. CONSIDINE, Douglas M. Encyclopedia of Instrumentation and Control. s.l, 1971. Controle & Instrumentação. São Paulo, Valete, fev./abr. 1999. DELMÉE, Gerard J. Manual de Medição de Vazão. s.l., Edgard Blucher,1987. DIKE, Paul II. Temperature measurements with Rayotubes. s.l., Leeds & No-ethrup, s.d. ECKMAN, Donald P. Industrial instrumentation. s.n.t. In Tech. North Carolina, ISA, jun. 1998. In Tech Brasil. São Paulo, ISA Distrito 4, mar.1999. JULIEN, Hermann. Manual de Insturmentos Medidores de Pressão. s.n.t. LIPTAK, Bela G. Instrument Engineers Handbook. 3.ed. Krause Publications, 1995. MILLER, J.T. The revised course in industrial instrument technology. s.n.t.

Apostila de Instrumentacao e Controle

Documents

Transcript of Apostila de Instrumentacao e Controle