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MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS ENSINO PROFISSIONAL MARTIMO

AUTOMAO APLICADA (AUT)

1 edio Belm-PA

2009

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2009 direitos reservados Diretoria de Portos e Costas

Autor: Carlos Rogrio dos Santos Vidal

Reviso Pedaggica: Erika Ferreira Pinheiro Guimares Suzana

Reviso Ortogrfica: Esmaelino Neves de Farias

Digitao/Diagramao: Roberto Ramos Smith

Coordenao Geral: CC Maurcio Cezar Josino de Castro e Souza

____________ exemplares

Diretoria de Portos e Costas Rua Tefilo Otoni, no 4 Centro Rio de Janeiro, RJ 20090-070 http://www.dpc.mar.mil.br secom@dpc.mar.mil.br

Depsito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto no 1825, de 20 de dezembro de 1907

IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL

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SUMRIO 1. FUNDAMENTOS DA AUTOMAO ...................................................................... 5

1.1- Definies ........................................................................................................ 5 1.2- elementos do controle automtico ................................................................... 5 1.3- sinais da malha de controle ............................................................................. 7 1.4- hardware da malha de controle ................................................................... 10 1.5- exemplos de sistemas de controle cotidianos ................................................ 15 1.6- exerccios do captulo .................................................................................... 17

2. SENSORES .......................................................................................................... 20 2.1- Introduo ...................................................................................................... 20 2.2- instrumentao .............................................................................................. 20 2.3- caractersticas tcnicas .................................................................................. 23 2.4- sinais de transmisso .................................................................................... 26 2.5- medidores de presso ................................................................................... 33 2.6- medidores de temperatura ............................................................................. 47 2.7- medidores de vazo ....................................................................................... 60 2.8- medidores de nvel......................................................................................... 77 2.9- exerccios do captulo .................................................................................... 87

3. CONTROLADORES INDUSTRIAIS ..................................................................... 90 3.1- Introduo ...................................................................................................... 90 3.2- siglas utilizadas .............................................................................................. 90 3.3- controlador on-off ........................................................................................... 91 3.4- controlador pid ............................................................................................... 95 3.5- exerccios do captulo .................................................................................. 109

4. PNEUMTICA E ELETROPNEUMTICA .......................................................... 113 4.1- Introduo .................................................................................................... 113 4.2- definies ..................................................................................................... 114 4.3- caractersticas e vantagens da pneumtica ................................................. 115 4.4- desvantagens da pneumtica ...................................................................... 117 4.5- caractersticas estruturais dos sistemas pneumticos ................................. 118 4.6- distribuio do ar comprimido ...................................................................... 129 4.7- condicionamento do ar comprimido ............................................................. 135 4.8- dispositivos pneumticos vlvulas de controle ......................................... 146 4.9- dispositivos pneumticos atuadores ......................................................... 160

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4.10- circuitos pneumticos e eletropneumticos simples .................................. 163 4.11- exerccios do captulo ................................................................................ 171

5. COMANDOS HIDRULICOS ............................................................................. 187 5.1- Introduo .................................................................................................... 187 5.2- definies ..................................................................................................... 187 5.3- vantagens e desvantagens da hidrulica ..................................................... 189 5.4- esquema geral dos sistemas hidrulicos ..................................................... 190 5.5- sistema de gerao em automao hidrulica ............................................. 191 5.5- rede de distribuio...................................................................................... 209 5.6 atuadores ...................................................................................................... 211 5.7- vlvulas de controle ..................................................................................... 215 5.8- circuitos hidrulicos...................................................................................... 221 5.9- exerccios do captulo .................................................................................. 227

6. AUTOMAO APLICADA .................................................................................. 229 6.1- Introduo .................................................................................................... 229 6.2- aparelho ou sistema de governo .................................................................. 229 6.3- sistema de propulso ................................................................................... 235

REFERNCIAS ...................................................................................................... 242

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1. FUNDAMENTOS DA AUTOMAO

1.1- Definies

Um sistema de controle dito automtico quando os mecanismos que verificam seu prprio funcionamento efetuam medies e introduzem correes, sem a necessidade de interferncia humana.

A automao diminui os custos e aumenta a velocidade da produo. Hoje em dia, est presente em diferentes ramos de atividades do homem, da Medicina Astronomia, ampliando a capacidade de interao com a natureza e os processos.

A Automao Industrial visa, principalmente, produtividade, qualidade e segurana em um processo. Em um sistema automtico tpico, toda a informao dos sensores concentrada em um Controlador Programvel o qual, de acordo com o programa em Memria, define o estado dos Atuadores.

bastante comum confundir os termos Automatismo e Automao. Automatismo um simples sistema destinado a produzir a igualdade de esforo fsico e mental e um maior volume de trabalho; Automao a associao organizada dos automatismos para execuo dos objetivos do progresso humano.

1.2- elementos do controle automtico

Diagrama de Blocos e Diagrama de Malha de Controle

Todo processo ou sistema de controle automtico pode ser modelado atravs do diagrama em blocos apresentado na figura a seguir. Este diagrama em blocos denominado de Malha de Controle Fechada, pois o sinal de sada (Varivel de processo, VP) desse Diagrama medido e transferido para a Entrada da Malha de Controle para ser comparado com um valor de referncia (Set Point, SP). O resultado da comparao entre os sinais de referncia e de sada da malha de controle produz um Sinal de Erro (Erro = SP - VP), que pode ser positivo (SP>VP), negativo (SP

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de correo recebe o nome de varivel manipulada e pode ser um sinal hidrulico, pneumtico ou eletrnico, de acordo com a classificao do controlador quanto a sua forma de energia. A varivel de processo aplicada a um atuador o qual executar um trabalho cujo efeito ir causar uma alterao no valor da varivel de processo. A varivel de processo monitorada continuamente pelo sensor e seus valores so, ento, enviados entrada da malha de controle instantaneamente.

FIG-1.1 Diagrama em blocos da malha de controle automtico.

Em um sistema de controle automtico qualquer alterao no valor do sinal de referncia deve ser corrigida imediatamente na varivel de processo, ou seja, a varivel de processo sempre ir responder s alteraes sofridas pelo valor de referncia, a fim de que ambos sejam iguais (ou aproximadamente iguais).

Cada bloco da malha de controle possui um modelamento matemtico ou equao caracterstica. Essas equaes caractersticas recebem o nome de funes de transferncia e definem a relao entre a sada e a entrada de cada bloco da malha de controle. Por exemplo, para o bloco controlador a funo de transferncia c(s) definida pela razo entre a varivel manipulada u(s) e o sinal de erro e(s); ou seja, a funo de transferncia do controlador definida pela seguinte expresso:

E(S)E(S)E(S)E(S)

U(S)U(S)U(S)U(S)C(S)C(S)C(S)C(S) =

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Onde: U(S)U(S)U(S)U(S) a varivel manipulada no domnio da frequncia; e

E(S)E(S)E(S)E(S) o sinal de erro no domnio da frequncia.

Observao 1: para obtermos os sinais da malha de controle no domnio da frequncia necessrio aplicar a Transformada de Laplace a esses sinais no Domnio do Tempo. No ser cobrada neste estudo a utilizao das Transformadas de Laplace para o clculo das Funes de Transferncia.

Observao 2: no Captulo 3, sero apresentadas as funes de transferncia dos controladores industriais e sero observados os respectivos comportamentos da varivel de processo para cada tipo de controlador por meio de anlises grficas.

Observao 3: necessrio que o aluno tenha sempre em mente que todo processo industrial possui um modelamento matemtico, ou seja, possui uma funo de transferncia que determina sua dinmica de correo da varivel de processo.

1.3- sinais da malha de controle

Set Point

Corresponde ao valor desejado para a grandeza fsica que se deseja controlar. por exemplo: em um equipamento de ar-condicionado, o ajuste de set point corresponde ao ajuste da temperatura desejada para o ambiente onde esse equipamento de ar-condicionado est operando.

O Set Point tambm chamado de sinal de entrada ou sinal de referncia ou valor de preset da malha de controle e sempre aplicado no bloco de comparao que calcula o sinal de erro.

O termo Set Point abreviado por SP.

Varivel de Processo

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Corresponde ao valor real (medido pelo sensor) da grandeza fsica controlada. por exemplo: ainda em relao ao funcionamento do equipamento de ar-condicionado, a varivel de processo corresponde temperatura ambiente do local onde o equipamento de ar-condicionado est funcionando.

A varivel de processo tambm recebe o nome de varivel controlada ou sinal de sada.

O termo varivel de processo abreviado por VP.

Sinal de Erro

Corresponde diferena entre o valor desejado e o valor real da grandeza fsica controlada; ou seja, a diferena entre o SP e a VP calculada pela seguinte expresso:

VPVPVPVPSPSPSPSPErroErroErroErro =

Onde: SPSPSPSP o valor do set point; e VPVPVPVP o valor da varivel de processo.

O sinal de erro calculado a todo instante e sempre aplicado entrada do bloco do controlador na malha de controle. O sinal de erro pode assumir valores positivos, valores negativos ou ser nulo. Graficamente, o sinal de erro representado como a imagem simtrica da varivel de processo, conforme mostra a figura 1.2.

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FIG-1.2 Representao grfica do SP, da VP e do sinal de erro.

Varivel Manipulada

Corresponde ao sinal de sada do bloco controlador da malha de controle. A varivel manipulada um sinal de correo que aplicado no atuador a fim de alterar o valor da varivel de processo fazendo com que o valor desta seja igual ou aproximadamente igual ao valor do Set Point.

A varivel manipulada um sinal definido pela seguinte expresso:

E(S).C(S)E(S).C(S)E(S).C(S)E(S).C(S)U(S)U(S)U(S)U(S)VMVMVMVM ==

Onde: U(S)U(S)U(S)U(S) o sinal da varivel manipulada no domnio da frequncia;

E(S)E(S)E(S)E(S) o sinal de erro no domnio da frequncia; e

C(S)C(S)C(S)C(S) a funo de transferncia do controlador.

A varivel manipulada tambm denominada de sinal de controle ou sinal de correo ou sinal da Lei de Controle ou sinal da ao de controle.

O termo varivel de manipulada abreviado por VM.

NOTA: Observe pela ltima expresso que a varivel manipulada sofre influncia direta do controlador. Em outras palavras, cada tipo de controlador produz um tipo de sinal para varivel manipulada que por sua vez ir corrigir a varivel

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manipulada. Essa correo ter maior ou menor preciso e maior ou menor velocidade dependendo dos ajustes feitos no controlador, uma vez que estes ajustes definem a equao caracterstica (ou funo de transferncia) do controlador. Maiores detalhes sobre este assunto sero abordados no Captulo 3.

Sinal de Realimentao

o sinal proveniente da sada do bloco sensor na malha de controle. Corresponde a uma parte ou a totalidade do sinal de sada da malha d controle, isto , o valor do sinal de realimentao igual a uma amostragem do valor da varivel de processo ou ento corresponde a todo o valor da varivel de processo.

Para efeitos de simplificao deste estudo, vamos considerar que o valor do Sinal de Realimentao igual a valor da varivel de Processo. Isto pode ser representado matematicamente atravs da seguinte expresso:

VPVPVPVPOOOO REALIMENTAREALIMENTAREALIMENTAREALIMENTA =

Onde: VPVPVPVP o valor da varivel de processo.

1.4- hardware da malha de controle

Detector de erro ou comparador ou somador

Este bloco tem a funo de calcular o valor do sinal de erro e pode ser facilmente omitido da malha de controle (conforme mostra a figura 1.3) uma vez que o sinal de erro sempre calculado pelo prprio controlador.

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FIG-1.3 Malha de controle com bloco comparador omitido.

Controlador

Este Bloco tem a funo de tomada de deciso para corrigir o valor da varivel de processo. Essa tomada de deciso corresponde ao clculo do sinal da varivel manipulada. Em outras palavras, o controlador o responsvel por produzir um sinal que ser entregue ao atuador a fim de que este altere o valor da VP de tal forma que ela se iguale ou se aproxime do valor de SP.

O controlador um equipamento que pode ser hidrulico, pneumtico ou eletrnico. E, conforme sua ao de controle pode ser: ON-OFF, Proporcional, Integral, Derivativo ou uma combinao dos trs ltimos.

Existe uma grande variedade de controladores no mercado, sendo que aqueles que apresentam uma maior eficincia e versatilidade so os Controladores Lgicos Programveis que, de acordo com seus recursos disponveis, podem executar atravs de um programa usurio qualquer uma das aes de controle citadas no pargrafo anterior e ainda executar temporizaes, contagens, acionamentos sequenciais de motores, operaes aritmticas etc.

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FIG-1.4 Modelos de controladores industriais.

Atuador ou Elemento Final de Controle (EFC)

Este dispositivo responsvel pela execuo da ao de controle calculada pelo controlador. Em outras palavras, o atuador recebe o sinal da varivel manipulada, proveniente do controlador, e executa um trabalho que ir causar uma alterao no valor da varivel de processo.

Os atuadores so dispositivos que podem ser comandados atravs de sinais pneumticos, hidrulicos ou eletrnicos.

Muitas vezes o bloco atuador pode ser subentendido como sendo parte da planta ou processo e, ento, pode ser omitido na malha de controle, conforme mostra a figura 1.5.

FIG-1.5 Malha de controle com blocos comparador e atuador omitidos.

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FIG-1.6 Modelos de atuadores industriais.

Planta ou Processo

Este bloco representa toda estrutura fsica e toda reao fsica ou qumica que influencia no comportamento da varivel de processo. Por exemplo: em um sistema de controle de nvel, como o mostrado na figura 1.7, a planta ou processo seria influenciado diretamente pelas dimenses do tanque e pelos dimetros das tubulaes de abastecimento e de esvaziamento do tanque. Esses trs parmetros j seriam suficientes para determinar a funo transferncia da planta ou processo. Ou seja, uma diminuio do dimetro da tubulao de esvaziamento do tanque, por exemplo, alteraria a funo de transferncia da planta ou processo (conforme foi explicado no final do tpico 2 deste captulo) e a varivel de processo teria um comportamento diferente do seu comportamento inicial.

FIG-1.7 Exemplo de sistema de controle de nvel.

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Sensor

Este dispositivo tem por funo realizar a medio do valor da varivel de processo e transmitir essa informao entrada da malha de controle.

Existe uma grande variedade de sensores responsveis pelas medies de grandezas fsicas como: presso, temperatura, vazo, nvel, posio etc. Cada sensor tem seu princpio de funcionamento baseado em uma lei ou efeito fsico conhecido. Por exemplo: os medidores de temperatura tipo termmetro de coluna de lquida utilizam a Lei da Dilatao Trmica dos Lquidos para indicarem a temperatura medida.

Na malha de controle, conforme foi apresentado no final do tpico 3, vamos considerar que o valor do sinal de realimentao igual ao valor da varivel de processo. Dessa forma, a malha de controle pode ser representada conforme mostra a figura 1.8. Observe que a ligao direta entre a sada da malha de controle e o bloco comparado no significa que no existe sensor e sim que todo sinal de entrada do sensor (vp) transferido para a sada do sensor (sinal de realimentao).

FIG-1.8 Malha de controle com blocos comparador, atuador e sensor omitidos.

FIG-1.9 Modelos de sensores industriais.

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Linhas de Transmisso

So as ligaes entre os blocos da malha de controle as quais indicam a trajetria dos sinais ao longo da malha de controle.

1.5- exemplos de sistemas de controle cotidianos

Seja um processo industrial onde haja a necessidade de controle de temperatura, conforme mostra a figura 1.10. As manobras do processo sero realizadas por um operador. O mesmo deve medir a temperatura de sada da gua e, conforme a temperatura medida, comparada com a temperatura desejada, o operador deve abrir ou fechar a vlvula.

FIG-1.10 Exemplo de sistema de controle de aquecimento.

A grande dificuldade operacional deste processo est na necessidade de um operador durante o tempo de operao do processo, alm de sempre apresentar possveis erros de leitura na temperatura de sada; esta tcnica de controle no possui uma boa preciso, pois depende da ao humana para funcionar. Qualquer descuido do operador pode comprometer todo funcionamento do processo. Para corrigir este problema e esta condio de trabalho indesejvel recorre-se a um controlador de processos, item que ser visto no captulo 3.

Este processo pode ser representado pelo diagrama de blocos da malha de controle, conforme mostra a figura a seguir.

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FIG-1.11 Malha de controle do sistema de controle de aquecimento.

A figura 1.12 mostra outro exemplo de sistema de controle cotidiano. Neste caso, deseja-se manter o veculo em uma trajetria desejada, porm devido s condies da pista ou mesmo experincia do condutor, haver sempre uma trajetria real que muitas vezes dever ser corrigida pelo motorista.

FIG-1.12 Exemplo de sistema de controle de trajetria do veculo.

A figura 1.13 mostra o diagrama em blocos correspondente.

FIG-1.13 Malha de controle do sistema de controle de trajetria do veculo.

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1.6- exerccios do captulo

1 Questo: responda s seguintes questes:

1. O que um sistema automtico? 2. O significa o vocbulo Automao? 3. O que significa o vocbulo Automatizao? 4. Baseado na estrutura do Diagrama de Blocos em Malha Fechada, explique como

funciona um Sistema de Controle Automtico. 5. Quais so os sinais encontrados na Malha de Controle? 6. O que o Set Point? 7. O que Varivel de Processo? 8. O que Varivel Manipulada? 9. O que Sinal de Erro? 10. O que Sinal de Realimentao? 11. Quais so os componentes que formam o Diagrama em Blocos da Malha de

Controle? 12. Qual a funo do Detector de Erro? 13. Qual a funo do Controlador? 14. Qual a funo do Atuador? 15. O que Planta ou Processo? 16. Qual a funo do Sensor? 17. Qual a funo das Linhas de Transmisso?

2 Questo: seja o Sistema de Controle de Nvel representado na figura abaixo. Represente-o atravs do Diagrama em Blocos e identifique os seguintes itens:

SP: _____________________________ Atuador: _________________________ VP: _____________________________ Sensor: __________________________

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3 Questo: idem, na questo anterior, para o Sistema de Controle de Nvel representado abaixo. Considere que a vlvula de entrada est sempre aberta. SP: ____________________________ Atuador: _______________________ VP: ____________________________ Sensor: ________________________

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4 Questo Relacione as colunas abaixo:

a) Set point b) Sinal de erro c) Varivel de processo d) Varivel manipulada e) Sinal de Realimentao f) Controlador g) Atuador h) Planta ou processo i) Sensor

( ) Dispositivo capaz de executar as tomadas de decises num sistema de controle automtico a fim de corrigir a VP.

( ) Sinal responsvel pela correo da VP. ( ) Dispositivo capaz de determinar as

tomadas de decises num sistema de controle automtico a fim de corrigir a VP.

( ) Toda estrutura fsica a ser controlada e toda reao fsica ou qumica que nela ocorre.

( ) Dispositivo capaz de detectar o comportamento dinmico da VP.

( ) Valor real da grandeza fsica a ser controlada.

( ) Sinal que evidencia a necessidade de correo da VP

( ) Valor desejado para a grandeza fsica que se pretende controlar.

( ) Amostra ou a totalidade do valor da grandeza fsica controlada.

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2. SENSORES

2.1- Introduo

A evoluo dos instrumentos industriais de medio, registro e controle das diversas variveis de processo das plantas industriais tm colaborado com o aumento da responsabilidade das equipes envolvidas na instalao e manuteno desses instrumentos. Tal fato necessita de considervel investimento de capital em tecnologia e treinamento, uma vez que, para obter as vantagens que a Instrumentao Industrial proporciona, os equipamentos devem ser instalados, supervisionados e mantidos operantes por pessoas devidamente qualificadas para este trabalho.

Como foi visto no captulo anterior, em uma malha de controle fechada, necessrio que se faa um acompanhamento contnuo da varivel de processo, e para isso, necessita-se de um elemento capaz de converter as alteraes no valor dessa varivel em um sinal confivel, facilmente observvel e transmissvel. Tal elemento responsvel por esta funo o sensor.

2.2- instrumentao

Definio

A Instrumentao a uma cincia que aplica e desenvolve tcnicas de medio, indicao, registro e controle de processos de fabricao (ou de produo), com o objetivo de aperfeioar a eficincia desses Processos.

O uso de instrumentos em Processos Industriais visa, ainda, a obter de um produto: a melhora de qualidade, a diminuio dos custos de produo, a diminuio do tempo de fabricao e a reduo da quantidade de mo-de-obra.

Portanto, a utilizao desses instrumentos nos permite:

incrementar e controlar a qualidade do produto; aumentar a produo e o rendimento; obter e fornecer dados seguros da matria-prima e da quantidade; e obter dados relativos economia dos processos.

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Evoluo da instrumentao

Quando a mquina a vapor foi desenvolvida, surgiu a necessidade de se desenvolver tcnicas de medio das variveis de processo. Assim, surgiram os primeiros Instrumentos Industriais para indicar a presso de vapor nas caldeiras. Esse instrumento de medio possibilitou a diminuio do numero de acidentes de trabalho que ocorriam frequentemente devido s constantes exploses das caldeiras.

No final da dcada de 30 (aproximadamente em 1938) surgiram os primeiros Instrumentos de controle automtico do tipo hidrulicos. Posteriormente, surgiram os Instrumentos e controladores pneumticos. Com o surgimento da eletrnica dos semicondutores eletrnicos, no incio da dcada de 50, surgiram os instrumentos eletrnicos analgicos. Os Instrumentos pneumticos passaram a ser substitudos gradativamente pelos instrumentos eletrnicos nos processos onde no existia o risco de exploso.

Atualmente, as Indstrias de um modo geral esto automatizando suas Plantas/Processos com sistemas eletrnicos microprocessados, como: transmissores inteligentes, CLPs, sistemas Fildebus e sistemas supervisrios diversos. A fabricao dos instrumentos eletrnicos evoluiu a ponto de tornar os riscos de exploses bastante reduzidos. Dessa forma, os Instrumentos Eletrnicos iro gradativamente ser aplicados tambm nas reas com risco de exploso.

Importncia

A instrumentao e controle de processos industriais possuem diversos fatores especiais como: como sensibilidade, vigilncia, segurana, etc. A indstria atual apresenta inmeras reas onde praticamente impossvel que as instalaes funcionarem sem controles automticos; o caso, pr exemplo, de grandes caldeiras, fornos industriais, etc.

Do ponto de vista da Evoluo Industrial, a Automao (Instrumentao e Controle) constitui para a Indstria o mais importante progresso depois da inveno da Mquina a Vapor.

Definio de sensores

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O Sensor um dispositivo que muda de comportamento sob a ao de uma grandeza fsica, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando opera diretamente, convertendo uma forma de energia em outra, chamado Transdutor. Um sensor de operao indireta altera suas propriedades, como a resistncia, a capacitncia ou a indutncia, sob ao de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional.

Tipos de sensores

Os Sensores so os dispositivos capazes de detectar as mudanas nas variveis de processo em uma planta industrial. Os princpios de funcionamentos dos sensores baseiam-se em leis fsicas aplicadas na prtica a esses dispositivos. Portanto, todo sensor funcionar obedecendo a um princpio fsico conhecido.

Existem diversos tipos de sensores, utilizados para medir as mais diversas grandezas fsicas, como: presso, temperatura, vazo, nvel, umidade, PH, posio, etc. Os tipos de sensores de maior interesse na indstria naval so: os sensores de presso, sensores de temperatura, sensores de nvel e os sensores de vazo. Os princpios de funcionamento desses tipos de sensores sero apresentados no decorrer deste captulo.

A seguir sero apresentadas algumas caractersticas comuns a todos os sensores.

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2.3- caractersticas tcnicas

Faixa de medio ou range

o conjunto de valores da Varivel de Medida (de Processo) que esto compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida, transmisso ou controle do instrumento, sendo expresso pelos seus valores extremos. Quanto maior o range menor ser a preciso do instrumento. Assim sendo, deve haver um range adequado para as medies que se pretende efetuar.

Exemplo: um sensor de temperatura com leitura entre -20 e 120C.

Alcance ou largura de faixa ou SPAN

a diferena algbrica entre os limites superior e inferior da faixa de medio (range) do instrumento.

Exemplo: para o sensor de temperatura do tpico anterior com range entre -20C e 120C, o clculo do seu valor de SPAN feito da seguinte forma:

C140C)20(C120erior)(LimiteInferior)(LimiteSupSPAN ===

Sensibilidade

a razo entre a variao do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a variao da varivel que o acionou, aps ter alcanado o estado de repouso.

Exemplo: sensibilidade do transmissor de temperatura 0,1mA/C.

Linearidade

O grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza fsica medida recebe o nome de linearidade. Quanto maior, mais fiel a resposta do sensor ao estmulo. Os sensores mais usados so os mais lineares, conferindo mais preciso ao sistema de controle. Os sensores no lineares so usados em faixas limitadas, em que os desvios so aceitveis, ou com adaptadores especiais, que corrigem o sinal.

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Zona morta

a mxima variao que a varivel medida pode ter sem que ocorra variao alguma na indicao ou no sinal de sada de um instrumento de medio. nessa faixa, a varivel medida pode se alterar sem ser detectada pelo sistema de medio.

Escala de zero suprimido

a quantidade com que o valor inferior da faixa de medida (range) supera o valor zero da varivel medida. pode ser expressa em unidades da varivel medida ou em percentagem do SPAN.

Escala de zero elevado

a quantidade com que o valor zero da Varivel Medida supera o valor inferior da faixa de medida (range). Pode ser expressa em unidades da Varivel Medida ou em percentagem do SPAN.

Erro

a diferena entre o valor real e o valor medido quando se efetua uma medio. O valor medido sempre aproximado, no sendo, portanto, igual o valor real.

O valor absoluto dessa diferena algbrica denominado erro absoluto e representado por AE . Para calcular o valor do erro absoluto, usa-se a seguinte

expresso:

oValorMedidValorRealEA =

Se o erro absoluto for representando em valores percentuais em relao ao valor real da medida, o mesmo passa a ser chamado de erro relativo e representado por RE . Assim, para calcular o valor do Erro Relativo, usa-se a seguinte expresso:

x100%ValorReal

oValorMedidValorRealx100%

ValorRealEE AR

==

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Exatido

a caracterstica do instrumento de medio que exprime o afastamento entre a medida nele efetuada e o valor de referncia aceito como verdadeiro.

A exatido est diretamente relacionada com as caractersticas prprias do instrumento, como a forma como foi projetado e construdo. A exatido vem indicada nos instrumentos de medio pela classe de exatido. Quanto mais prxima estiver sua leitura do valor aceito como verdadeiro, mais exato ser seu Instrumento de Medida.

Preciso

A Preciso exprime o grau de reproduo nas indicaes de uma medida sob as mesmas condies, no vindo indicada nos instrumentos por resultar de uma anlise estatstica. Ela est ligada operao do instrumento e medio da grandeza em si. Alta preciso implica em repetio de um mesmo valor para vrias leituras realizadas sob as mesmas condies.

OBSERVAO: A Preciso um pr-requisito para a Exatido, mas no garante a mesma. Uma medida efetuada pode ser to mais precisa quanto mais exato for o instrumento.

Repetibilidade

a capacidade de reproduo da indicao ou transmisso ao se medir, repetidamente, valores idnticos da varivel medida, nas mesmas condies de operao e no mesmo sentido de variao. Expressa-se em percentagem do SPAN do instrumento de medio.

Histerese

a diferena mxima apresentada por um instrumento para um mesmo valor de qualquer ponto da faixa de trabalho desse instrumento, quando a varivel medida percorre toda a escala no sentido ascendente e descendente. A histerese expressa em percentagem do SPAN do instrumento de medio.

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2.4- sinais de transmisso

Os sinais de transmisso so sinais responsveis pelo transporte da informao medida por um instrumento de um ponto a outro no processo industrial para fins de processamento e controle da planta industrial.

Os Tipos de Transmisso dos Instrumentos de Medio de maior interesse na Indstria Naval so os seguintes:

transmisso pneumtica; transmisso hidrulica; transmisso eltrica; e transmisso digital.

A seguir so apresentadas as caractersticas desses tipos de transmisso dos instrumentos de medio.

Transmisso Pneumtica

Nesse tipo de transmisso utilizado um gs comprimido (Ar ou N2), cuja presso alterada conforme o valor que se deseja representar. O sinal padro de transmisso ou recepo pneumtico de 0,2 a 1,0 Kgf/cm2 (S.I.), que equivale a aproximadamente 3 a 15 psi no sistema ingls.

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Vantagens e desvantagens:

pode ser operado com segurana em ambientes explosivos; no sofre interferncias eletromagnticas; necessita de tubulao e equipamentos auxiliares tais como compressor,

filtro de ar, desumidificador de ar, etc, para suprimento e funcionamento dos instrumentos;

vazamentos ao longo da linha e nos instrumentos so difceis de serem detectados;

devido ao atraso na transmisso (retardo no tempo). Este no pode ser enviado a distncias maiores que 100m sem o uso de reforadores de sinal; e

no permite a conexo direta aos computadores.

Transmisso Hidrulica

Semelhante ao tipo pneumtico e com desvantagens equivalentes, o tipo hidrulico utiliza a variao de presso exercida em leos hidrulicos para transmisso de sinal. O sinal padro de transmisso ou recepo hidrulico tambm de 0,2 a 1,0 Kgf/cm2 (S.I.), aproximadamente 3 a 15 psi no sistema ingls.

Vantagens e desvantagens:

podem gerar grandes foras e assim acionar equipamentos de grande porte; possuem respostas rpidas (pequeno retardo no tempo); necessitam de tubulao de leo para transmisso e recepo de sinal; necessitam de equipamentos auxiliares tais como bombas, filtros de leo,

reservatrios, etc; e necessitam de inspees peridicas do nvel de leo, alm de abastecimento

e troca do mesmo.

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Transmisso Eltrica

Utiliza sinais eltricos de corrente ou de tenso e hoje largamente utilizado em todas as indstrias em reas onde no ocorre o risco de exploso. A Transmisso Eltrica pode ser feita em Tenso ou em Corrente Eltrica. Os sinais padres da Transmisso Eltrica so apresentados na tabela a seguir:

Sinal Digital Analgico

Tenso

0 ou 10VDC (NPN ou PNP) 1 a 5 VDC 0 ou 24 VDC (NPN ou PNP) 0 a 10 VDC

0 ou 110 VAC 2 a 10 VDC

0 ou 220 VAC -10 VDC a +10 VDC

Corrente 0 a 20mA

4 a 20mA TAB-2.1 Sinais padres da transmisso eltrica.

A figura 2.1 mostra os grficos dos sinais eltricos dos tipos digital e analgico.

FIG-2.1 Caractersticas dos sinais de transmisso eltricos.

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Vantagens e desvantagens:

necessitam de tcnico especializado para sua instalao e manuteno; exigem a utilizao de instrumentos e cuidados especiais em instalaes

localizadas em reas de risco devido ao perigo de incndio e curto-circuito; exigem cuidados especiais no encaminhamento dos cabos ou fios de sinais

alm de proteo contra rudos eltricos interferncias eletromagnticas; permitem transmisso a longas distncias sem perdas de sinal; existe um pequeno retardo de tempo na transmisso do sinal; permitem fcil adaptao para transmisso por fibras pticas; a alimentao pode ser feita pelos prprios fios que conduzem o sinal de

transmisso; necessitam de poucos equipamentos auxiliares e so de fcil montagem; permitem fcil utilizao de unidades aritmticas; e permitem fcil conexo aos computadores.

OBSERVAO: Como padro de transmisso de sinal a longas distncias so utilizados sinais de corrente contnua variando de 4 a 20 mA. Para distncias de at 15m aproximadamente, tambm so utilizados sinais de tenso de 1 a 5 Volts.

Transmisso Digital

Neste tipo, pacotes de informao sobre a varivel medida so enviados a uma estao receptora atravs de sinais digitais modulados e padronizados.

Para realizar a comunicao entre transmissor e receptor utilizada uma linguagem padro ou protocolo de comunicao (Profibus, Modbus, Device Net, etc).

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Vantagens e desvantagens:

no necessita de ligao ponto a ponto para cada instrumento; pode utilizar um par tranado ou fibra ptica para transmisso de dados; apresenta imunidade a rudos externos; permite a configurao, diagnstico de falhas e ajuste em qualquer ponto da

malha de instrumentao; possui menor custo final de implantao e manuteno; existem vrios protocolos de comunicao no mercado o que dificulta a

comunicao entre equipamentos de fabricantes diferentes; e caso ocorra o rompimento do cabo de comunicao, pode-se perder a

informao e/ou o controle de vrias malhas.

A transmisso digital permite a conexo de diversos dispositivos (sensores, atuadores, controladores, computadores, etc.) atravs de uma topologia denominada de controle distribudo. Essa topologia semelhante s topologias de redes de computadores. Porm, nesse caso, denomina-se rede industrial ou rede de cho de fbrica.

Ento, uma rede industrial possibilita a superviso e operao de toda Planta ou processo a partir de um sistema informatizado, ou seja, possibilita que atravs de um cabeamento estruturado os diversos dispositivos de automatizao sejam conectados a um ou mais computadores dedicados, localizados em uma sala reservada denominada de estao de superviso. A figura 2.2 mostra uma configurao tpica de funcionamento de uma rede industrial.

Esses computadores devem possuir softwares que permitam monitorar toda a estrutura fsica da planta alm de possibilitar a alterao de valores de presets, gerar alarmes visuais, gerar relatrios, armazenar informaes em bancos de dados, etc. Esses softwares recebem o nome de Sistemas de Superviso ou Sistemas Supervisrios. Tambm permitem que a planta ou processo seja monitorado remotamente atravs de uma conexo via internet, como mostra a figura 2.3.

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FIG-2.2 Modelo de estrutura fsica de uma rede industrial.

FIG-2.3 Rede industrial com conexo internet.

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FIG-2.4 Exemplo de sistema supervisrio para indstria naval.

FIG-2.5 Exemplo de sistema supervisrio para indstria naval.

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2.5- medidores de presso

A maioria dos sensores de presso utiliza um dispositivo mecnico, como tubos de bourdon, diafragmas, ou foles, como detector bsico. Estes dispositivos se deformam quando aplicada uma presso. O movimento resultante desta deformao posiciona um ponteiro num dial, no caso de um manmetro, ou cria um sinal eltrico, no caso dos transdutores. Portanto, sero abordados neste tpico as Chaves de presso (pressostatos) e os medidores de presso elsticos, extensomtricos e piezoeltricos.

Definio de Presso

A presso pode ser definida como sendo a relao entre a fora exercida em uma superfcie e a rea da superfcie. Portanto, podemos calcular a presso aplicada por uma fora exercida sobre uma superfcie pela seguinte expresso:

reaFora

=Presso

FIG-2.6 Fora exercida sobre uma superfcie.

Portanto, a presso pode ser tambm definida como a somatria das presses esttica e dinmica e assim denominada de presso total.

Presso esttica: a presso exercida em um ponto, em fluidos estticos, que transmitida integralmente em todas as direes e produz a mesma fora em reas iguais.

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Presso dinmica: a presso exercida por um fluido em movimento paralelo sua corrente. A presso dinmica representada pela seguinte equao:

)/(..21 22 mNVP +

Presso total: a presso resultante do somatrio das presses esttica e dinmica exercidas por um fluido que se encontra em movimento. A presso medida pode ser representada pela presso absoluta, manomtrica ou diferencial. A escolha de uma destas trs depende do objetivo da medio.

Presso absoluta: a presso positiva a partir do vcuo perfeito, ou seja, a soma da presso atmosfrica do local com a presso manomtrica. Geralmente coloca-se a letra A aps a unidade. Mas quando representamos presso abaixo da presso atmosfrica por presso absoluta, esta denominada grau de vcuo ou presso baromtrica.

Presso manomtrica: a presso medida em relao presso atmosfrica existente no local, podendo ser positiva ou negativa. Para represent-la, geralmente se coloca a letra G aps a unidade. Quando se fala em uma presso negativa em relao presso atmosfrica, chamamos presso de vcuo.

Presso diferencial: o resultado da diferena de duas presses medidas. Em outras palavras, a presso medida em qualquer ponto, menos no ponto zero de referncia da presso atmosfrica.

A unidade de medida de presso do sistema internacional N/m ou Pascal (Pa). Existem outras unidades de medida como: kgf/cm, psi, bar, atm, etc. A tabela 2.2 mostra a relao para converso entre as unidades de presso.

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Kgf/cm Lbf/pol bar Pol Hg Pol H2O

atm mmHg mmH2O KPa

Kgf/cm 1 14,233 0,9807 28,96 393,83 0,9678 735,58 10003 98,0665 Lbf/pol 0,0703 1 0,0689 2,036 27,689 0,068 51,71 70329 6,895

Bar 1,0197 14,504 1 29,53 401,6 0,98692 750,06 10200 100

Pol Hg 0,0345 0,4911 0,03386 1 13,599 0,0334 25,399 345,40 3,3863 Pol H2O 0,002537 0,03609 0,00249 0,07348 1 0,002456 1,8685 25,399 0,24884

Atm 1,0332 14,696 1,0133 29,921 406,933 1 760,05 103,35 101,325

mmHg 0,00135 0,019337 0,00133 0,03937 0,5354 0,001316 1 13,598 0,13332 mmH2O 0,000099 0,00142 0,0098 0,00289 0,03937 0,00009 0,07353 1 0,0098

KPa 0,010197 0,14504 0,01 0,29539 4,0158 0,009869 7,50062 101,998 1

TAB-2.2 Tabela de converso entre as unidades de medida de presso.

Princpios fsicos

As Tcnicas de medio de presso geralmente exploram os fenmenos Fsicos descobertos por Pascal, Stevin e Bernoulli, ou seja, utilizam o princpio de Pascal, o Teorema de Stevin e o Teorema de Bernoulli.

O princpio de Pascal nos diz que: A presso exercida em qualquer ponto de um lquido em forma esttica transmitida integralmente em todas as direes e produz a mesma fora em reas iguais. Em outras palavras, como os fluidos so praticamente incompressveis, a fora mecnica desenvolvida em um ponto do fluido sob presso pode ser transmitida pelo mesmo.

A Figura 2.7 ilustra o princpio de Pascal tambm conhecido como princpio da prensa hidrulica.

FIG-2.7 Princpio de Pascal (prensa hidrulica).

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As presses nos pontos 1 e 2 so dadas por:

1A1F

1P = e 2A2F

2P =

Como a presso transmitida a mesma, ento, as presses nos pontos 1 e 2 sero as mesmas. Assim, tem-se:

2A2F

1A1F

2P1P ==

Pelo princpio de Pascal tambm se pode observar que os volumes de fluido deslocados em qualquer regio so idnticos. Ento:

1h1A1V = e 2h2A2V =

Portanto,

2h2A1h1A =

O Teorema de Stevin relaciona as presses estticas exercidas por um fluido em repouso com a altura da coluna do mesmo em um determinado reservatrio conforme mostra a figura 2.8. Seu enunciado diz: A diferena de presso entre dois pontos de um fluido em repouso igual ao produto do peso especfico do fluido pela distncia entre os dois pontos.

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FIG-2.8 Aplicao do Teorema de Stevin.

A equao que expressa o Teorema de Stevin a seguinte:

).2h1(h)2P1(P =

Ou ento,

h.P =

Observao 1: O Teorema de Stevin s vlido para fluidos em repouso.

Observao 2: A distncia entre dois pontos deve ser feita na vertical.

Pelo Teorema de Bernoulli ou Lei da Conservao de Energia podemos relacionar as energias potenciais e cinticas de um fluido ideal, ou seja, de um fluido sem viscosidade e incompressvel. Atravs desse Teorema pode-se concluir que para um fluido perfeito, toda forma de energia pode ser transformada em outra, permanecendo constante seu somatrio ao longo de uma linha de corrente.

Portanto, sua equao representativa do Teorema de Bernoulli :

cte2.g.h2V2

.21

2P1.g.h1V2

.21

1P =++=++

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Pode-se simplificar a equao do Teorema de Bernoilli nas seguintes situaes:

a. Se o fluxo for constante na direo horizontal, ento, h1= h2. Assim, tem-se:

cte2V2

.21

2P1V2

.21

1P =+=+

b. Se a velocidade nula e assim o fluido se encontra em repouso. Assim, tem-se:

cte2.g.h2P1.g.h1P =+=+

OBSERVAO: Como =.g, ento a equao anterior pode ser escrita da seguinte maneira:

cte2.h2P1.h1P =+=+ (TEOREMA DE STEVIN)

Tipos de medidores de presso

Os instrumentos de medio de presso so denominados genericamente de manmetros. Estes podem ser mecnicos (ou elsticos), eltricos ou eletrnicos.

A bordo dos navios esses dispositivos so encontrados em bombas, tubulaes, caldeiras, compressores, purificadores, destiladores, reservatrios de ar comprimido, etc.

Medidores de presso do tipo elstico estes tipos de manmetros utilizam, basicamente, o princpio da Lei de Hooke para sua operao. Dentro da zona elstica, a tenso proporcional deformao e a deflexo ento proporcional presso aplicada. Existem trs tipos de medidores desta classe: Tubo de Bourdon, fole e diafragma.

A figura 2.9 mostra a construo de um Manmetro de Bourdon em C. Esse tipo de manmetro mais simples e econmico. Seu funcionamento o seguinte: Se a presso aplicada ao tubo de Bourdon for superior presso externa ou atmosfrica, o tubo achatado ter seu formato alterado para uma seo transversal mais circular. Como uma extremidade fixa ao soquete, a ponta livre se movimenta um pouco (1,6mm a 12mm, dependendo das dimenses do manmetro), esse movimento causa

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a articulao do conjunto formado pelas alavancas e engrenagens, as quais transmitem o movimento para o ponteiro indicador que, por conseguinte, registra a presso sobre a escala graduada.

FIG-2.9 Manmetro de Bourdon em C.

Existem ainda outros tipos de manmetros de Bourdon. Conforme mostra a figura 2.10, os manmetros de Bourdon tambm podem ter formatos espiral ou helicoidal.

Figura 2.10 Manmetros de Bourdon Espiral e Helicoidal.

A figura 2.11 mostra as construes tpicas dos manmetros de diafragmas. Os diafragmas so formados por um disco flexvel com rea relativamente grande e com excelente vedao. Geralmente so construdos em material metlico. Para obter flexibilidade, os diafragmas so construdos com ondulaes concntricas em seu perfil.

Acoplado superfcie do diafragma, existe um pequeno mbolo ou, mais comumente, uma mola calibrada capaz de indicar determinada faixa de medida (normalmente bastante baixa). Acoplado mola ou ao mbolo, por meios mecnicos,

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pode-se ter um ponteiro ou outro dispositivo que indique a deformao sofrida pelo diafragma.

Os diafragmas metlicos so utilizados em manmetros de presso diferencial, transmissores pneumticos e transmissores eltricos de presso.

As aplicaes tpicas dos manmetros de diafragma incluem: manmetro de baixa presso, de presso absoluta, medidores de depresso ou baixo vcuo, manmetros para sinais pneumticos padro, manmetros para nvel lquido e manmetros de presso diferencial.

FIG-2.11 Manmetros de diafragma.

O fole um elemento elstico, geralmente formado a partir de um tubo de parede fina, sem costura, com corrugaes na sua parede externa. A figura 2.12-a mostra a construo bsica de um manmetro de fole. Esse tipo de manmetro , geralmente, indicado para medies baixas presses.

Como o tamanho dos foles varia de 6 a 30 mm de dimetro, eles podem ser bastante sensveis e, contudo, potentes. Geralmente so utilizados para medir presses de at 3Kgf/cm (0,3 MPa).

Para garantir ao fole o mximo de durabilidade, seu movimento muitas vezes restrito por uma mola espiral oposta, de modo que somente uma parte do curso mximo usada. (Veja a Figura 2.12-b)

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FIG-2.12 Manmetros de fole.

Acessrios para manmetros: Muitas vezes os manmetros esto sujeitos a efeitos que comprometem a sua vida til, como por exemplo: variaes de presso e altas temperaturas. A fim de proteger os manmetros desses efeitos indesejveis, devem-se utilizar alguns acessrios como: sifes, amortecedores de pulsao e supressores de presso.

A figura 2.13 mostra alguns modelos de sifes. Esses dispositivos tm como funo isolar o calor das linhas de gases, vapores de gua ou lquidos muito quentes, cuja temperatura supera o limite previsto para o instrumento de medio de presso. No caso dos lquidos, a quantidade que fica retida na curva do tubo-sifo esfria e essa poro que ir ter contato com o sensor elstico do instrumento, no permitindo que a alta temperatura do processo atinja diretamente o mesmo.

FIG-2.13 Modelos de Sifes.

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A figura 2.14 mostra alguns modelos de Amortecedores de Pulsao. Esses dispositivos tm como funo restringir a passagem do fluido do processo at um ponto ideal em que a frequncia de pulsao se torne nula ou quase nula. So instalados em conjunto com os manmetros com objetivo de estabilizar ou diminuir as oscilaes do ponteiro em funo do sinal pulsante de presso, com o objetivo de garantir uma leitura precisa da presso e tambm aumentar a vida til do instrumento.

FIG-2.14 Modelos de amortecedores de pulsao.

A figura 2.15 mostra um supressor de presso. Esse dispositivo visa proteger os manmetros de presses que ultrapassem ocasionalmente as condies normais de operao. Ele recomendvel nesses casos para evitar ruptura do elemento de presso.

FIG-2.15 Supressor de presso.

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Medidores de presso piezoeltricos esses tipos de medidores de presso utilizam como princpio de funcionamento o efeito piezoeltrico que observado em vrios cristais (como o quartzo xido de silcio SiO2). Esses cristais, quando submetidos a uma deformao por presso, geram uma carga eletrosttica ou tenso eltrica proporcional deformao produzida. Porm, quando uma tenso eletrosttica for aplicada ao cristal, observa-se o efeito inverso, ou seja, observa-se uma deformao mecnica.

FIG-2.16 Funcionamento do medidor de presso piezoeltrico.

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Clulas extensomtricas (Strain Gauges) esses tipos de medidores de presso so construdos fundamentalmente com um fio condutor de aproximadamente 0,01mm de dimetro sujeito a um estiramento por presso (fora ou acelerao) que apresenta mudana no valor de sua resistncia eltrica proporcional ao estiramento sofrido. Podem ser utilizados em qualquer faixa de presso (normalmente at 3000Kgf/cm2 ou 300MPa), podem ser utilizados em medies estticas ou dinmicas e podem ser excitados tanto com tenses continuas como alternadas.

Portanto, o funcionamento das clulas extensomtricas baseado na Resistncia Eltrica de um Condutor que pode ser calculada por:

AL

.R =

Onde: a resistividade do condutor; L o comprimento do condutor; A a rea de seo transversal do condutor.

Pela equao anterior, pode-se observar que se em um condutor variarmos o comprimento ou rea, ou ambos ao mesmo tempo, teremos uma variao da resistncia.

As clulas extensomtricas so construdas em filamento ou em trama pelicular. As clulas extensomtricas em filamento (wire strain gauges) possuem elemento sensor formado por um fio condutor metlico (liga de nquel com cobre e cromo) com uma seo circular de 0,0025mm aproximadamente, e colocado sobre um suporte isolante de resina epxi, polister ou material anlogo. Para oferecer o mximo comprimento ativo dentro de uma rea reduzida, o fio disposto em vrias dobras. Por outro lado, as clulas extensomtricas em trama pelicular (foil strain gauges) possuem elemento sensor formado por uma pelcula de metal com poucos micros de espessura, recortada mediante ataque fotoqumico ou outra tcnica adequada.

A figura 2.17 mostra as os tipos de clulas extensomtricas.

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FIG-2.17 Construo das clulas extensomtricas.

A indicao de presso por clulas extensomtricas realizada atravs de circuitos em Ponte de Wheatstone conforme mostra a figura 2.18. Na situao de equilbrio, ou seja, sem ao da presso, todas as quatro resistncias possuem valor idntico e, ento, a corrente atravs do ampermetro nula. Por outro lado, quando a clula extensomtrica submetida ao da presso, a mesma sofre uma variao de resistncia que provoca o surgimento de corrente eltrica atravs do ampermetro que diretamente proporcional presso aplicada.

FIG-2.18 Medio de presso atravs de clula extensomtrica.

Transdutores de Presso a Silcio os medidores de presso desse tipo so dispositivos capazes de converter a grandeza fsica presso em um sinal eltrico. Em seu centro existe uma clula de medio que consiste em uma pastilha com um fino diafragma de silcio acoplado. O silcio implantado e dopado com arsnio, formando um semicondutor do tipo-n, no qual caminhos resistivos so formados pela implantao inica para transmitir o nvel exato de fora a um circuito de Wheatstone.

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Quando o transdutor submetido a uma carga de presso, o diafragma sofre uma deflexo, gerando variaes nas resistncias implantadas, de acordo com o efeito piezo-resistivo. A espessura do diafragma, a rea da superfcie e o desenho geomtrico dos resistores determinam a permissibilidade da faixa de presso.

Pelas suas caractersticas funcionais e sensibilidade, os transdutores de presso a silcio podem ser montados em tamanhos relativamente reduzidos, o que permite a sua utilizao em diversas reas como:

medidores de presso sangunea; sistemas de injeo eletrnica; sistemas de robtica; controle de presso em microbombas; concentradores de oxignio e respiradores; controladores de nvel e transmisso de fluidos; etc.

A figura 2.19 mostra os modelos de medidores de presso abordados neste captulo.

FIG-2.19 Modelos de medidores de presso utilizados na indstria.

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2.6- medidores de temperatura

O Controle de Processo o termo utilizado para descrever qualquer condio, natural ou artificial, pelo qual uma grandeza fsica regulada. No existe uma evidencia maior de tais controles de que aquela associada com temperatura e outros fenmenos trmicos. A regulao ou o controle de temperatura no meio industrial tem sempre sido de fundamental importncia, ainda mais com o avano da tecnologia disponvel.

O controle de temperatura necessrio em diversos tipos de processos industriais ou comerciais, como a refrigerao de alimentos e compostos qumicos, fornos de fuso (produo de metais e ligas), destilao fracionada (produo de bebidas e derivados de petrleo), usinas nucleares, aquecedores e refrigeradores domsticos (fornos eltricos e microondas, freezers e geladeiras).

Definies

Energia Trmica cada tomo que forma um material qualquer (slido, ou liquido ou gasoso) capaz de vibrar em torno de sua posio particular. A energia trmica est associada vibrao (ou velocidade) das molculas que constituem um material. O objetivo dos sensores trmicos medir a energia trmica do material ou de um ambiente contendo diferentes materiais.

Escalas de Temperatura para definir as escalas de temperatura, um conjunto de pontos de calibrao utilizado; para isto, a energia trmica mdia por molcula definida atravs da condio de equilbrio existente entre o estado slido, lquido e gasoso de vrios materiais puros da natureza. Alguns destes pontos de calibrao padres so:

oxignio: equilbrio lquido/gs; gua: equilbrio slido/lquido; e gua: equilbrio lquido/gs.

A tabela 2.3 mostra um quadro com os pontos de calibrao das escalas de temperatura mais usuais.

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Pontos de Calibrao Temperatura

K F C Energia trmica zero 0 -459,6 -273,15 Oxignio: lquido/gs 90,18 -297,3 -182,97 gua: slido/lquido 273,15 32 0 gua: lquido/gs 373,15 212 100

Ouro: slido/lquido 1336,15 1945,5 1063 TAB-2.3 Pontos de calibrao de escalas de temperaturas.

A seguir sero apresentados alguns tipos de medidores de temperatura utilizados na indstria. So eles: termmetro de coluna lquida, termmetro de bourdon espiral, termorresistncias (RTD e termistor) e termopar.

Tipos de medidores de temperatura

Os medidores de temperatura utilizam princpios fsicos bsicos que permitem deduzir a temperatura. Em geral, esses princpios fsicos so: expanso volumtrica de um lquido ou gs ou slido, presso exercida por um vapor ou por um lquido, variao de resistncia eltrica e produo de potencial eltrico. Esses princpios fsicos so as bases para a construo de instrumentos como termmetros de coluna lquida, termmetros bimetlicos, termmetros a presso, termorresistncias e termopares.

Termmetro de coluna lquida com bulbo de vidro esses termmetros utilizam o principio da expanso trmica dos lquidos. Possuem um tubo capilar com uma escala graduada e um bulbo cheio de um lquido com determinada caracterstica de expanso trmica.

Como a expanso volumtrica do lquido bem maior que a do vidro, quando o bulbo aquecido, o lquido se expande atravs do tubo capilar fixado ao bulbo.

Como o deslocamento do lquido dentro do tubo capilar proporcional temperatura aplicada, ento, o mesmo pode ser calibrado de acordo com uma escala graduada de temperatura.

Por vrios anos o lquido mais utilizado para esse tipo de termmetro foi o mercrio; porm, devido ao mesmo ser bastante nocivo sade e ao meio ambiente,

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atualmente no se recomenda a sua utilizao. Hoje em dia so utilizados, por exemplo: gua, tetracloreto de carbono, lcool etlico, etc.

A figura 2.20 mostra modelos de termmetros de coluna lquida com bulbo de vidro.

FIG-2.20 Termmetros de coluna lquida com bulbo de vidro.

Termmetro bimetlico esse tipo de termmetro utiliza o princpio da diferena de coeficiente da dilatao trmica dos metais.

FIG-2.21 Dilatao trmica dos bimetais.

O bimetal formado por duas ligas metlicas com caractersticas fsicas distintas. O coeficiente de dilatao trmica de uma liga alto enquanto que o da outra baixo, por exemplo, o cobre e o INVAR (36% Ni e 64% Fe fundidos), respectivamente. As ligas metlicas so soldadas ou encravadas formando uma tira que pode ser enrolada na forma espiral ou uma mola helicoidal.

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Quando o elemento bimetlico aquecido, ocorre a dilatao desigual das duas ligas metlicas causando uma deflexo. O grau da deflexo depende da variao de temperatura. Portanto, o elemento bimetlico pode enrolar-se ou desenrolar-se com a variao de temperatura. A indicao de temperatura feita em uma escala graduada atravs de um ponteiro preso espira ou a mola que se desloca de acordo com o movimento desta.

FIG-2.22 Termmetro bimetlico com mostrador redondo.

Termmetros de Bourdon os termmetros desse tipo so formados por um tubo de Bourdon conectado a um bulbo metlico por meio de um tubo de liga especial de pequeno orifcio, conhecido como tubo capilar, sendo o volume interno total do bulbo e do tubo preenchidos com lquidos de alto coeficiente de expanso volumtrica ou com gs.

O funcionamento desses instrumentos est baseado na expanso trmica, similarmente como ocorre com os termmetros de coluna lquida com bulbo de vidro. O tubo capilar pode ser espiral ou helicoidal.

A figura 2.23 mostra um modelo de termmetro de Bourdon.

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FIG-2.23 Termmetro de Bourdon.

Termorresistncias um dos principais mtodos para medida eltrica de temperatura explora a mudana da resistncia eltrica de certos tipos de materiais. Neste caso, o princpio da tcnica de medida consiste em colocar o dispositivo sensvel a temperatura em contato com o ambiente no qual se deseja medi-la. Assim, a medida de sua resistncia indica a temperatura do dispositivo e consequentemente do ambiente. O tempo de resposta neste caso importante porque necessrio que o dispositivo atinja o equilbrio trmico com o ambiente. Dois dispositivos bsicos usados so:

detector RTD (do ingls, resistance-temperature detector); e termistores

Os RTDs so simples elementos resistivos formados de materiais como platina, nquel, ou uma liga nquel-cobre. Estes materiais exibem um coeficiente de resistividade positivo (em ingls, positive temperature coeficiente ou PTC), ou seja, a resistncia eltrica aumenta com o aumento de temperatura. Os RTDs so estveis e apresentam uma resposta a temperatura reprodutvel por longo tempo.

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Um RTD tpico exibe uma caracterstica resistncia x temperatura dada pela expresso:

)nTn...2T2T1(10RR ++++=

Onde: n,...,2,1 so os coeficientes de resistividade de temperatura;

0R a resistncia do sensor na temperatura 0T . (em geral C00T = )

O nmero de termos relacionado na equao anterior para qualquer aplicao depende do material usado no sensor, do intervalo de temperatura, e da preciso desejada na medida. A figura 2.24 mostra as caractersticas de dependncia resistncia x temperatura para platina, nquel e cobre.

FIG-2.24 Caractersticas resistncia x temperatura para Ni, Cu e Pt.

A platina o material mais utilizado na construo dos RTDs pois apresenta uma ampla escala de temperatura, uma alta resistividade permitindo assim uma maior sensibilidade, um alto coeficiente de variao de resistncia com a temperatura, uma boa linearidade resistncia versus temperatura e tambm possui rigidez e dutibilidade para ser transformada em fios finos, alm de ser obtida de forma purssima. Portanto, padronizaram-se as termoresistncias de platina. Atualmente existem alguns tipos de termoresistncias de platina como: PT-25.5, PT-100, PT-120, PT-130 e PT-500. O mais conhecido e utilizado industrialmente, e em laboratrios o PT-100.

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Sua faixa de utilizao vai de -200 a 650C conforme a Norma ASTM E1137 segundo a ITS-90, entretanto a Norma DIN IEC 751 de 1985 padronizou sua faixa de -200 a 850C segundo a IPTS-68.

A figura 2.25-a mostra a montagem de um PT-100 a 3 fios. A figura 2.25-b mostra alguns modelos de termorresistncias tipo PT-100.

FIG-2.25 Montagem e modelos de sensores de temperatura tipo RTD (PT-100).

Os termistores so termorresistncias formadas por resistores fabricados com material semicondutor, tais como: xidos - de nquel, de cobalto e de magnsio ou por sulfetos - de ferro, de alumnio ou de cobre. xidos semicondutores, diferentemente dos metais, podem exibir uma resistncia que decresce com a elevao de temperatura, isto , a resistncia diminui com o aumento de temperatura. Por isso, os termistores so chamados de NTC (do ingls, negative temperature coeficient).

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A caracterstica resistncia x temperatura para um termistor obtida atravs da expresso:

)01/T(1/T)0ln(R/R = ou

)01/T(1/T.e0RR

=

Onde: R a resistncia do termistor na temperatura T (temperatura medida); 0R a resistncia do termistor na temperatura 0T ;

a constante do material (3000 - 5000 K).

A equao anterior indica que a resistncia R de um termistor decresce exponencialmente com a elevao da temperatura. Uma curva de resposta tpica de um termistor mostrada na figura 2.26.

FIG-2.26 Curva caracterstica termistor tipo NTC.

OBSERVAO 1: Uma vez que a sada do termistor no linear, uma medida precisa de temperatura deve ser feita usando uma tabela de calibrao.

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OBSERVAO 2: O intervalo de medida de temperatura com termistores, na prtica, esta limitado a 100C, devido baixa estabilidade desses tipos de sensores quando submetidos a altas temperaturas.

A figura 2.27-a mostra os tipos de montagens dos termistores e a figura 2.27-b mostra alguns modelos de termistores existentes no mercado.

FIG-2.27 Modelos de sensores de temperatura tipo termistor.

Termopares os termopares so formados de dois ou mais materiais diferentes em contato trmico. O contato trmico chamado de juno e pode ser feito por feito pela fuso ou solda de dois ou mais materiais metlicos diferentes. A figura 2.28 mostra a representao construtiva de um termopar de simples juno.

FIG-2.28 Termopar de simples juno.

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O funcionamento de um termopar baseado no efeito termoeltrico que produz uma voltagem de circuito aberto Vo quando duas junes so mantidas em temperaturas diferentes. O diagrama clssico de um circuito de um termopar de duas junes mostrado na figura 2.29, onde as Junes 1J e 2J so mantidas nas temperaturas 1T e 2T , respectivamente.

FIG-2.29 Circuito de termopar de duas junes.

A voltagem termoeltrica uma funo no linear com a temperatura e determinada atravs da seguinte equao:

)22T21(T2C)2T1(T1C0V +=

Onde: 1C e 2C so constantes dieltricas que dependem dos materiais;

1T e 2T so as temperaturas das junes.

O circuito de termopar da figura 2.29 usado para medir uma temperatura desconhecida 1T , enquanto a Juno 2J mantida em uma temperatura referncia

conhecida, 2T . Desta forma possvel determinar a temperatura 1T pela medida da

voltagem 0V .

A gerao da voltagem 0V ocorre devido ao efeito seebeck, que produzido

pela difuso de eltrons atravs da interface entre os dois materiais. O potencial do material aceitador de eltrons torna-se negativo na regio de interface e o material doador, torna-se positivo. Assim um campo eltrico formado pelo fluxo de eltrons na interface. A difuso continua at que uma condio de equilbrio seja alcanada pela ao do campo eltrico (mecanismo semelhante formao da barreira de potencial

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nas junes PN dos diodos). Uma vez que as foras de difuso so dependentes das diferenas de temperaturas das duas junes, o potencial eltrico desenvolvido fornece uma medida eltrica proporcional a essa diferena de temperatura.

Os termopares so formados pela combinao de diversas ligas metlicas conforme mostra a tabela 2.4. A formao e a nomenclatura dos termopares so regulamentadas pelo padro MC 96.1-1975 da ANSI (Amrica National Society Instrument). Existem diversas combinaes metlicas padronizadas, as quais recebem uma letra que determina o tipo (ou nome) do termopar. Assim, tem-se, por exemplo: termopar tipo E, tipo G, Tipo J, tipo K, tipo N, tipo R, tipo S, tipo T, entre outros.

Termopar Material Positivo Material Negativo Tipo E Cromel Constantan Tipo J Ferro Constantan Tipo K Cromel Alumel Tipo N Nicrosil Nisil Tipo R Platina 13% Rdio Platina Tipo S Platina 10% Rdio Platina Tipo T Cobre Constantan

TAB-2.4 Materiais empregados em alguns termopares padronizados.

Os termopares so instrumentos de medio de temperatura que se caracterizam por serem robustos e eficientes. Apresentam uma boa sensibilidade e uma grande estabilidade ou linearidade.

A figura 2.30 mostra a voltagem de sada 0V em funo da temperatura medida

para os termopares dos tipos E, G, K, N e S. Observa-se que o termopar tipo E (Cromel-Constantan) gera uma maior tenso de sada para uma dada temperatura; mas, infelizmente, a sua maior temperatura de operao de 1000 C.

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FIG-2.30 Voltagem de sada V0 versus temperatura T.

A tabela 2.5 mostra as faixas de medio de temperatura e as respectivas faixas de voltagem de sada para os termopares mais comuns.

Combinao Temperatura (C) Tenso (Mv) Cobre-Constantan -185 a 400 -5,284 a 20,805 Ferro-Constantan -185 a 870 -7,52 a 50,05 Cromel-Alumel -185 a 1260 -5,51 a 51,05 Cromel-Constantan 0 a 980 0 a 75,12 Nicrosil-Nisil -270 a 1300 -4,345 a 47,502

Platina -10% Platina/Rdio 0 a 1535 0 a 15,979 Platina -13% Platina/Rdio 0 a 1590 0 a 18,636 Platina -30% Platina/Rdio 38 a 1800 0,007 a 13,499 Platinel 1813 Platinel 1503 0 a 1300 0 a 51,1

Irdio- 60% Rdio- 40% Irdio 1400 a 1830 7,30 a 9,55 TAB-2.5 Valores de temperatura e de tenso de sadas dos termopares mais comuns.

A tabela 2.6 mostra a comparao entre as principais vantagens e desvantagens dos termopares, RTDs e termistores.

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Tipo de Medidor Vantagens Desvantagens

Auto excitado Simples Robusto Baixo custo

Grande variedade Grande faixa de medio

No linear Baixa sensibilidade Necessita de voltagem de referncia Baixa estabilidade Baixa voltagem

Mais estvel Mais preciso Mais linear que o termopar

Alto custo

Precisa de fonte de corrente

Pequeno DR Baixa resistncia Auto aquecimento

Alta sensibilidade Rpido Medida a dois fios

No linear Pequeno intervalo de medio Frgil Precisa de fonte de corrente

Auto aquecimento

TAB-2.6 Vantagens e desvantagens dos termopares, RTDs e termistores.

A figura 2.31 mostra modelos de termopares utilizados na Indstria. Observe que a aparncia externa desse tipo de medidor de temperatura idntica a das termoresistncias de platina.

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FIG-2.31 Modelos de sensores de temperatura tipo termopar.

2.7- medidores de vazo

A medio de vazo de fluidos sempre esteve presente na era da modernidade. No necessrio ir muito longe para se encontrar exemplos de aplicaes. O hidrmetro de uma residncia, o marcador de uma bomba de combustvel so exemplos comuns no dia-a-dia das pessoas. Em muitos Processos Industriais, ela de grande necessidade, pois sem ela dificilmente esses Processos poderiam ser controlados ou operados de forma segura e eficiente.

Ao longo da Histria, houve grandes contribuies nesta rea. Provavelmente a primeira foi dada por Leonardo da Vinci que, em 1502, observou que a quantidade de gua por unidade de tempo que escoava em um rio era a mesma em qualquer parte, independente da largura, profundidade, inclinao e outros. Mas o desenvolvimento de dispositivos prticos s foi possvel com o surgimento da Era Industrial e o trabalho de pesquisadores como Bernoulli, Pitot e outros.

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Tipos de medidores de vazo

Existe uma variedade de tipos de medidores de vazo, simples e sofisticados, para as mais diversas aplicaes. A forma de utiliza-los depende do tipo de fluido, do seu estado fsico (lquido ou gasoso), das caractersticas de preciso e confiabilidade desejadas e de outros fatores.

Neste tpico sero apresentados os seguintes medidores de vazo: placa de orifcio, tubo Venturi, tubo de Pitot, rotmetro, vortex, turbina, eletromagntico, ultrassnico e o Coreolis.

Medidor de vazo tipo placa de orifcio as placas de orifcio so elementos primrios utilizados na medio de vazo de fluidos. Quando apropriadamente dimensionadas, a sua instalao em uma tubulao cria um diferencial de presso entre a montante e a jusante. Este diferencial proporcional ao quadrado da vazo. Uma vez medido este diferencial, conseguimos indicar, totalizar, programar e controlar esta vazo, seja atravs de instrumentos convencionais analgicos ou sofisticados sistemas digitais. As Placas de Orifcio so simples, robustas, e confiveis.

As Placas de Orifcio so montadas dentro da tubulao e perpendicularmente direo do fluxo do fluido cuja vazo deseja-se medir, conforme mostra a figura 2.32.

FIG-2.32 Funcionamento dos medidores de vazo tipo placa de orifcio.

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A vazo atravs das placas de orifcio pode ser calculada pela seguinte expresso:

)P.(Pd

2.gC.SQ 12 =

Onde: C o coeficiente de descarga (aproximadamente 0,63 para a gua se o

dimetro do orifcio for ao menos metade do dimetro da tubulao); S a rea do orifcio; d a densidade do fluido; )P(P 12 a diferena de presses; e g a acelerao da gravidade.

As placas de orifcio so indicadas para medir vazo de lquidos, gases e vapores. As placas podem ser do tipo concntricas, excntricas ou segmentais e podem ter dimetros nominais de 1" a 40". So fabricadas usualmente em ao inox 304/316; ou em outros tipos de aos-liga como Hastelloy e Monel, conforme a necessidade da aplicao. A figura 2.33 mostra os trs tipos de placas de orifcio.

FIG-2.33 Tipos de placas de orifcio.

As placas de orifcio concntricas so utilizadas na medio de vazo de fluidos limpos, isto , fluidos sem partculas slidas em suspenso. As placas de orifcio excntricas e segmentais, por sua vez, so utilizadas na medio de vazo de fluidos sujos, isto , fluidos que apresentam partculas slidas em suspenso.

A figura 2.34 mostra modelos placas de orifcio concntricos.

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FIG-2.34 Modelos de tipo placas de orifcio.

Medidor de vazo tipo tubo Venturi os tubos venturi tambm pertencem categoria dos elementos primrios geradores de presso diferencial e podem operar com lquidos, gases e vapores; so instalados em srie com a tubulao e a passagem do fluido pela garganta gera aumento da velocidade e reduo da presso esttica do fluido. Os tubos Venturi podem ser do tipo retangular, na medio em dutos de ar, e do tipo excntricos para medio de lquidos com slidos em suspenso, evitando o acmulo de slidos montante.

A figura 2.35 mostra a maneira de instalao de um tubo Venturi.

FIG-2.35 Funcionamento dos medidores de vazo tipo tubo Venturi.

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A equao da vazo para os tubos Venturi idntica das placas de orifcio. Os tubos Venturi so indicados para a medio de vazo para grandes

medies. O tubo Venturi um elemento de medio de vazo com baixa perda de carga residual e boa resistncia para fluidos abrasivos. Os So indicados na de vazo de gua, efluentes, ar e gases. Tubos Venturi do tipo retangular so utilizados na medio em dutos de ar e do tipo excntricos para medio de lquidos com slidos em suspenso, evitando o acmulo de slidos montante. Dentre as aplicaes prticas do tubo Venturi destacam-se as medies de vazo de ar de combusto de caldeiras, gases de baixa presso onde se requer perda de carga permanente reduzida e, pelo mesmo motivo, medio de vazo de gua em grandes dutos.

Apresenta custo de aquisio superior ao das placas de orifcio e, como vantagens, geram valores reduzidos de perda de carga permanente. Podem ser aplicados em dutos circulares, quadrados ou retangulares; o estilo mais usado o circular, apresentado em dois modelos: cone convergente de chapa bruta (recomendado para dimetros de at 48 polegadas) e cone convergente usinado (utilizado em tubos inferiores a 10"). Portanto, os tubos Venturi possuem dimetros entre 2" e 96" e so construdos com material do tipo usinado como ao carbono ou ao inox 304/316, conforme a aplicao.

A figura 2.36 mostra um modelo de tubo Venturi.

FIG-2.36 Modelo de medidor de vazo tipo tubo Venturi.

Medidor de vazo tipo tubo de Pitot o tubo de Pitot um instrumento de medida de presso que utilizado para medir a velocidade de fluidos. Seu nome deve-se ao fsico francs Henri Pitot que viveu no sculo XVIII. O tubo de Pitot montado na direo do fluxo do fluido cuja velocidade deseja-se medir, conforme mostra a figura 2.37.

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FIG-2.37 Funcionamento dos medidores de vazo tipo tubo de Pitot.

Medidor de vazo tipo rotmetro os rotmetros so medidores de vazo de rea varivel, nos quais o fluido (lquido, gs ou vapor) escoa em um tubo cnico, vertical, de baixo para cima, no qual h um flutuador. Este tubo pode ser de vidro, plstico ou metal dependendo da aplicao.

Como o peso do flutuador constante, o aumento da vazo requer um aumento de rea livre de escoamento, uma vez que a perda de carga do flutuador permanece constante. Desta forma, a posio de equilbrio do flutuador (empuxo) indica a vazo.

FIG-2.38 Construo dos medidores de vazo tipo rotmetro.

Esses medidores so amplamente utilizados em processos industriais, onde h necessidade de observao instantnea da vazo. So muito adequados para baixas vazes, onde apresentam uma excelente relao entre desempenho e custo. No so afetados por variaes do perfil de velocidade na entrada, no necessitando, portanto, de trechos retos a montante.

Os Rotmetros tambm podem ser acoplados diretamente as placas de orifcio, conforme mostra a figura 2.39.

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FIG-2.39 Exemplo de aplicao dos rotmetros.

A figura 2.40 mostra modelos de rotmetros utilizados na indstria.

FIG-2.40 Modelos de medidores de vazo tipo rotmetros.

Medidor de vazo tipo Vortex estes medidores exploram o fenmeno conhecido como Kamann Vortex e so utilizados na medio de vazo de lquidos de baixa viscosidade, gases e vapor (saturado e superaquecido). Os medidores Vortex se caracterizam pela ausncia de partes mveis em contato com o fluido, baixa perda de carga e boa exatido.

Seu funcionamento baseado na medio de velocidade do fluido a partir da quantidade de vrtices formados quando o lquido passa por um pequeno objeto esttico que cruza o interior do tubo. Um sensor localizado aps este objeto (que pode ser piezoeltrico ou ultrassnico) monitora continuamente os vrtices gerados enviando um sinal que ser processado por um circuito eletrnico microprocessado. Uma vez que se conhece a seco transversal do tubo e tendo-se o valor da velocidade, a vazo pode ser determinada.

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FIG-2.41 Funcionamento dos medidores de vazo tipo Vortex.

Dessa forma, a vazo atravs de um medidor tipo Vortex pode ser obtida pela seguinte expresso:

dVS.F =

Onde: S a rea da seo transversal; V a velocidade do fluido; e d a densidade do fluido.

Os medidores de vazo tipo Vortex possuem capacidade para muitas aplicaes, pois so flexveis nas medidas com liquido, gs e vapor. Contudo, so amplamente utilizados em medidas de vazo de vapor, pois podem realizar essas medies em temperaturas elevadas, acima das exigidas em muitas aplicaes.

A figura 2.42 mostra modelos de medidores de vazo tipo Vortex utilizados na indstria.

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FIG-2.42 Modelos de medidores de vazo tipo Vortex.

Medidor de vazo tipo turbina o fluido que atravessa uma turbina faz girar um rotor. A velocidade rotacional do rotor se relaciona com a velocidade do fluido. A rotao captada por dispositivos de estado slido (captao de relutncia, indutncia, capacitivos e de efeito hall) ou por meio de sensores mecnicos (acionamentos a engrenagens ou magnticas). Multiplicando a velocidade pela rea da seo transversal da turbina obtm-se a vazo volumtrica.

FIG-2.43 Funcionamento dos medidores de vazo tipo turbina.

Os medidores de vazo tipo turbina so muito utilizados na indstria do petrleo e nas petroqumicas. Existem verses diferentes de turbinas para lquidos e para gases. Para os lquidos, a forma do rotor poder depender da viscosidade do produto medido e no se prev sistema de lubrificao para o sistema de rotao. Para gases, o medidor poder ser provido de um sistema de lubrificao. Estes medidores so

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geralmente precisos e podem ter uma rangeabilidade elevada, no caso de lquidos. No caso de gases, a rangeabilidade elevada pode ser conseguida com sistemas de rolamento mais elaborados e, principalmente, com um sensor de rotaes que deixe o rotor girar o mais livremente possvel, em baixas rotaes. O principal problema identificado das turbinas que o giro constante do rotor torna o sistema de rolamento sujeito a desgaste. A livre rotao do rotor pode ser afetada por impurezas e a medio pode ser prejudicada. Da a necessidade de recalibraes constantes, um problema para o usurio.

Por outro lado, apresentam um alto custo de instalao e manuteno, dependem do perfil do fluxo e so sensveis a fluidos que podem danificar o medidor.

A figura 2.44 mostra modelos de medidores de vazo tipo turbina.

FIG-2.44 Modelos medidores de vazo tipo turbina.

Medidor de vazo tipo eletromagntico o princpio de medio desse aparelho se baseia na Lei de Faraday, isto , quando um condutor eltrico se move atravs de um campo magntico cortando as linhas de campo forma-se uma FEM (fora eletro motriz) induzida no condutor que proporcional a velocidade do condutor.

FIG-2.45 Lei de Faraday.

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A FEM induzida (U) no lquido (condutor) segundo a Lei de Faraday pode ser expressa pela seguinte equao:

K.B.V.DU =

Onde: K a Constante do Instrumento; B a Intensidade do Campo Magntico; V a Velocidade Mdia do Fluxo; e D a Distncia entre os Eletrodos.

A fora eletromotriz induzida U neste meio diretamente proporcional velocidade mdia do fluxo V. A induo magntica B (intensidade de campo magntico) e a distncia entre os eletrodos D (dimetro nominal do tubo) so constantes. Ento a FEM induzida funo da velocidade do lquido que proporcional a vazo volumtrica de sada.

Os medidores eletromagnticos de vazo tm a vantagem da virtual ausncia de perda de presso ao longo da linha de transmisso do fluido, mas s podem ser usados com lquidos condutores de eletricidade. O transmissor de vazo magntico instalado na tubulao entre flanges composto, basicamente, do tubo cilndrico, bobinas fixadas no tubo para gerao do campo magntico e eletrodos fixados perpendicularmente ao campo.

Sua principal aplicao na Indstria de papel e celulose, mas tambm utilizado em saneamento, e nas indstrias qumicas e alimentcias. Esses medidores no possuem partes mveis.

A figura 2.46 mostra modelos de medidores de vazo eletromagnticos.

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FIG-2.46 Modelos de medidores de vazo eletromagnticos.

Medidor de vazo tipo ultrassnico a medio baseada no Princpio de Tempo de Trnsito: dois transdutores que podem ser acoplados na parede externa do tubo emitem e recebem pulsos de ultrassom. O tempo de trajeto destes pulsos analisado por um circuito eletrnico que efetua o clculo da vazo instantnea.

FIG-2.47 Funcionamento dos medidores de vazo ultrassnicos.

A figura a seguir mostra que as leis fsicas da reflexo e da refrao tambm fazem parte da determinao da vazo neste tipo de medidor.

FIG-2.48 Aplicao das leis da reflexo e da refrao aos medidores de vazo ultrasnicos.

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A vazo indicada pode ser a vazo volumtrica ou a vazo mssica. Em ambos os casos, a vazo diretamente proporcional velocidade do fluido. A seguir, apresentada a deduo do clculo da velocidade do fluido realizada por um medidor do tipo ultrasnico.

Sejam dois transdutores ultrassnicos instalados (interna ou externamente) conforme mostra a figura a seguir:

FIG-2.49 Transdutores dos medidores de vazo ultrassnicos posicionados de forma direta.

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A frmula para o clculo da velocidade do fluxo neste caso dada pela seguinte expresso:

=

BAT1

ABT1

2D

2LV

Onde: L a distncia diagonal entre os transdutores A e B; D a distncia entre os transdutores A e B na direo axial; TAB o tempo de propagao do pulso ultrassnico do transdutor A ao

transdutor B; e TBA o tempo de propagao do pulso ultrassnico do transdutor B ao

transdutor A.

O fluxo volumtrico calculado mediante a expresso:

S.VvQ =

Onde: S a rea da seco transversal da tubulao; e V a velocidade mdia do fluido atravs da seco trasversal S.

O fluxo mssico, por sua vez, calculado por meio da expresso:

v.QQm =

Onde: a densidade mssica do fluido em movimento.

Este instrumento foi desenvolvido para Medio de Vazo de Lquidos Limpos em tubulaes fechadas sem que ocorra qualquer contato fsico entre o medidor e o meio medido. A instalao do aparelho efetuada de modo fcil e simples, uma vez que dispensa qualquer tipo de servio na tubulao como seccionamento ou furao.

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Podem ser utilizados em tubulaes de diferentes materiais como ao carbono, ferro fundido, ao inox e vidro, cobrindo dimetros de at 5.000 mm. So usados em medies de gases, gua, produtos qumicos agressivos, produtos farmacuticos, etc.

Uma vez que os lquidos so praticamente incompressveis, suas densidades mssicas so consideradas constantes. Portanto, o fluxo mssico correspondente a um fluxo volumtrico em um lquido no depende das condies de temperatura e presso nesse lquido.

A figura 2.50 mostra um modelo de medidor de vazo ultrassnico.

FIG-2.50 Modelo de medidor de vazo ultrassnico.

Medidor de vazo tipo Coreolis o funcionamento fsico desse medidor por meio do efeito, ou fora, Coreolis. O fluido quando passa atravs do medidor possui uma velocidade angular (ver Figura 2.51) gerada pela excitao dos tubos de medio atravs de uma bobina de excitao. Essa velocidade angular acelera o fluido aumentando sua velocidade perifrica e a fora gerada por esse aumento de velocidade perifrica chamada fora Coreolis. Os tubos de medio so deformados por essa fora (ver figura 2.52), e essa deformao captada por sensores. Dessa forma, a diferena dos ngulos de fase (ver figura 2.53) gerada nos tubos quando o fluido atravessa o medidor proporcional quantidade de massa que passa pelos tubos.

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FIG-2.51 Velocidades exercidas no fluido em movimento no medidor de vazo tipo Coreolis.

A fora de Coreolis obtida atravs da seguinte expresso:

.W2.m.VF radC =

Onde: m a massa do fluido que atravessa o medidor; radV a velocidade radial do fluido ao atravessar o medidor; e

W a velocidade angular do fluido ao atravessar o medidor.

O efeito Coreolis causa uma deflexo no tubo por onde o fluido escoa, conforme mostra a figura 2.52.

FIG-2.52 Efeito da deformao nos tubos do medidor de vazo tipo Coreolis.

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Os sensores que captam as deformidades nos tubos geram sinais senoidais defasados. A defasagem dessas ondas proporcional quantidade de massa que passa pelos tubos.

FIG-2.53 Defasagem dos sinais de sada dos sensores de deformidades dos medidores Coreolis.

A vazo mssica definida pela seguinte expresso:

Cec

Km f1

.

AA

.SQ =

Onde: KS a constante de calibrao do sensor;

cA a amplitude da oscilao coreolis;

eA a amplitude da oscilao de excitao; e

Cf frequncia de excitao.

Este instrumento indicado para controles precisos de processo e bateladas. A indstria qumica e alimentcia est usando cada vez mais este tipo de medidor de vazo. Com ele, conseguem-se medir a maioria dos fluidos, multifsicos, lquidos com alta viscosidade, lquidos com certa quantidade de gs, alm de gases. Os limites ficam por conta da faixa de temperatura (-50 a 200 C) e perda de carga.

A figura 2.54 mostra modelos de medidores de vazo do tipo Coreolis.

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FIG-2.54 Modelos de medidores de vazo tipo Coreolis.

2.8- medidores de nvel

A medio de nvel representa uma tarefa muito importante para a automatizao de processos tecnolgicos. A medio de nvel de lquidos e slidos feita atravs de sensores de nveis.

Conforme ilustra a Figura 2.55 as tcnicas de medio de nvel podem ser classificadas em medies com contato ou sem contato e contnua ou chaveada.

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FIG-2.55 Classificao dos medidores de nvel.

Tipos de medidores de nvel

A medida de nvel normalmente feita com o material contido em um reservatrio ou um tanque. Vrios sensores (ou tcnicas) de medidas existem e alguns so descritos a seguir.

Medidor de nvel com visor de vidro se no h necessidade de transmitir distncia as indicaes de nvel, o mesmo pode ser medido com bastante exatido e segurana por meio de tubos transparentes (visores de vidro).

Esse mtodo de medio baseia-se no princpio dos vasos comunicantes. A estrutura da armadura e o material dos visores dependem da presso e da temperatura do lquido cujo nvel se deseja medir. um mtodo visual simples aplicado em lquidos no corrosivos, no oxidantes e no viscosos.

Os visores de vidro possuem aplicaes em caldeiras a vapor, tanques e outros recipientes abertos ou fechados para os quais apropriada a indicao visual. Isto geralmente significa que h algum alerta para controlar o nvel dentro dos limites escolhidos para a aplicao e que no so necessrias indicaes distncia. A figura 2.56 mostra este mtodo de medio de nvel, tanto para recipientes abertos como fechados.

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FIG-2.56 Funcionamento do medidor de nvel com visor de vidro.

FIG-2.57 Modelos de medidor de nvel com visor de vidro.

Sensor de nvel do tipo mecnico tipo boia uma das tcnicas mais comum para medidas de nvel, particularmente para lquidos, o que utiliza boia que se move para cima ou para baixo com a mudana do nvel do lquido. esta boia, como mostra a figura 2.58, conectada a algum sistema de medida de deslocamento, tal como um potencimetro ou chave fim de curso.

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FIG-2.58 Funcionamento do me