Escola SENAI Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini Campinas S.P.

SERVIO MUNICIPAL DE GUA E ESGOTO

2002

Instrumentao Bsica

Instrumentao Bsica SENAI-SP, 2002 Trabalho elaborado pela Escola Senai Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini Coordenao Geral Magno Diaz Gomes Equipe responsvel Coordenao Luz Zambon Neto Elaborao Edson Carretoni Jnior Contedo tcnico Luciano Marcelo Lucena da Silva Verso Preliminar SENAI - Servio Nacional de Aprendizagem Industrial Escola SENAI Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini Avenida da Saudade, 125, Bairro Ponte Preta CEP 13041-670 - Campinas, SP senaizer@sp.senai.br

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Sumrio Fundamentos da Instrumentao 5 Presso 27 Nvel 63 Temperatura 77 Vazo 175 Tipos de Vlvulas de Controle 199 Castelo da Vlvula de Controle 249 Atuadores para a Vlvula Controle 257 Caracterstica de Vazo 289 Acessrios de uma Vlvula de Controle 313 Mtodos de Determinao de Parmetros de Processos 337 Ao de Controle 369 Critrios de Estabilidade e Tcnicas de Sintonia 371 Sistemas de Numerao e Cdigo Binrio 401

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Portas Lgicas Bsicas 419 Portas Lgicas Derivadas 437 Controladores Programveis 453 Estrutura Bsica 457 Princpio de Funcionamento do CP 469 Programao 473

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Fundamentos da Instrumentao

Conceito e Finalidade Nos ltimos tempos, a necessidade do aumento de produo para atender a sempre crescente demanda e o baixo custo, a criao e fabricao de novos produtos, propiciou o aparecimento de um nmero cada vez maior de indstrias. Estas indstrias s puderam surgir devido ao Controle Automtico de Processos Industriais, sem o qual a produo no seria de boa qualidade e mesmo alguns produtos no poderiam ser fabricados. O Controle Automtico dos Processos Industriais cada vez mais empregado por aumentar a produtividade, baixar os custos, eliminar erros que seriam provocados pelo elemento humano e manter automtica e continuamente o balano energtico de um processo. Para poder controlar automaticamente um processo precisamos saber como est ele se comportando para poder corrigi-lo, fornecendo ou retirando dele alguma forma de energia, como por exemplo: presso ou calor. Essa atividade de medir e comparar grandezas feita por equipamentos ou instrumentos que veremos a seguir. Instrumentao: a arte e a cincia que projeta, constri, instala, opera e mantm os instrumentos. Instrumentos: medem variveis de processo. Em instrumentao, quando dizemos "medir" geralmente queremos dizer indicar, registrar, totalizar ou controlar.

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Medida o tipo mais comum de controle. Os instrumentos de controle industrial, trabalham s ou em combinao para sentir e controlar o trabalho das variveis do processo. Os mostradores so os indicadores e registradores. Variveis de Processos: so Fenmenos fsicos que chamamos simplesmente variveis, por exemplo: vazo, temperatura, presso, nvel, densidade, etc. Cada sistema de Instrumentos pode ser compreendido em termos do que ele faz, por exemplo: indicar temperatura ou totalizar vazo ou registrar presso, ou controlar nvel. Cada uma dessas questes a base da descrio de sistema de instrumentos. Processo: operao ou srie de operaes no qual o valor de uma quantidade ou condio controlada. Inclui todas variveis das funes que, direta ou indiretamente, afetam o valor da Varivel Controlada.

GUAFRIA

GUAQUENTE

VAPOR

CONDENSADO

TT

TIC

PROCESSO

CONTROLADOR

ELEMENTOPRIMRIO

TRANSMISSOR

E.F.C.(VLVULA DE DIAFRAGMA)

Classes de Instrumentos

De um modo geral os elementos de controle so: Elemento Primrio - componente que est em contato com a varivel de processo e tem por funo, transform-la em uma grandeza mensurvel por um mecanismo. Transmissor - instrumento que mede uma determinada varivel, e envia um sinal proporcional a distncia, a um indicador, registrador, controlador, etc.

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Transdutor - termo aplicado ao instrumento que no trabalha com sinal na entrada e sada padro. Como possvel observar o elemento primrio, transmissor entre outros, podem ser considerados um transdutor, porm estes elementos possuem funes especficas com nomes especficos. Indicador - instrumento que nos fornece o valor de uma varivel de processo, na forma de um ponteiro e uma escala, ou nmeros, ou bargraph, etc... Registrador - instrumento que registra, o valor da varivel de processo em uma carta grfica, por meio de um trao contnuo ou pontos. Controlador - instrumento que tem por funo, manter o valor da varivel de processo, igual ao valor estabelecido em seu mecanismo, enviando um sinal de sada ao elemento final de controle. Conversor - instrumento que recebe e envia um sinal padro em instrumentao, de grandezas diferentes. Rel De Computao - instrumento que recebe um ou mais sinais de outros instrumentos, realiza operaes matemticas, de lgica ou de seleo de sinais e envia o resultado a um instrumento. Elemento Final De Controle - dispositivo que est em contato direto com a varivel manipulada, modificando-a em resposta a um sinal de comando.

Fluxogramas de Processo

Fluxogramas so as representaes simblicas do processo para fins de localizao, identificao e anlise do funcionamento de seus componentes. Os fluxogramas so desenhos esquemticos sem escala que mostram toda a rede de tubulaes e os diversos vasos, bombas, instrumentos e todo equipamento pertencente ao processo.

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Nos fluxogramas de processo deve estar contido o seguinte. - As tubulaes principais com indicao do fluido contido e do sentido do fluxo - As principais vlvulas de bloqueio, regulagem, controle, segurana, alvio etc. - Todos os vasos (tanques, torres, tambores, reatores etc.) com indicao das caractersticas bsicas, como tipo, dimenses principais, temperatura e presso de trabalho, nmero de bandejas etc. - Todos os equipamentos importantes (bombas, compressores, ejetores, filtros, trocadores de calor etc.) com indicao das caractersticas bsicas, como vazo, temperatura, presso, carga trmica etc. - Todos os instrumentos principais devero estar indicados por sua simbologia e nomenclatura. Para todos os tipos usuais de vasos, equipamentos, vlvulas, instrumentos etc., existem convenes de desenho, geralmente de acordo com as convenes da Sociedade de Instrumentos da Amrica - ISA. Identificao e Smbolos de Instrumentos Norma S.5.1 As normas de instrumentao estabelecem smbolos grficos e codificao para identificao alfanumrica de instrumentos ou funes programadas, que devero ser utilizados nos diagramas de malhas de controle de projetos de instrumentao.

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Para facilitar o entendimento do texto deste trabalho, mostra-se a seguir, a essncia da norma S.5.1 ( Instrumentation Symbols and Indentification ) da Instrument Society of America (ISA). De acordo com esta norma, cada instrumento ou funo programada ser identificado por um conjunto de letras que classifica funcionalmente (Ver tabela.) um conjunto de algarismos que indica a malha qual o instrumento ou na funo programada pertence. Eventualmente, para completar a identificao, poder ser acrescido um sufixo. A figura mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma em referncia.

T RC 210 2 A

VARIVEL FUNO REA DEATIVIDADES

NO SEQUENCIALDA MALHA

IDENTIFICAO IDENTIFICAO

FUNCIONAL DA MALHA

IDENTIFICAO DOS INSTRUMENTOS

SUFIXO

Exemplo de identificao de instrumento Onde: T - varivel medida ou iniciadora: temperatura; R - funo passiva ou de informao: registrador; C - funo ativa ou de sada: controlador; 210 - rea de atividades, onde o instrumento ou funo programada atua; 02 - nmero seqencial da malha; A sufixo

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1O GRUPO DE LETRAS 2O GRUPO DE LETRAS

VARIVEL MEDIDA OU INDICADORA FUNO Letra 1a LETRA MODIFICADORA PASSIVA OU DE ATIVA OU DE SADA MODIFICADORA

INFORMAO

A ANLISE ALARME

B CHAMA

C CONDUTIVIDADE CONTROLADOR

ELTRICA

D DENSIDADE DIFERENCIAL

E TENSO SENSOR

(ELEM. PRIMRIO)

F VAZO RAZO

G VISO DIRETA

H MANUAL ALTO

I CORRENTE ELTRICA INDICADOR

J POTNCIA VARREDURA OU

SELEO MANUAL

K TEMPO OU TAXA DE VARIAO ESTAO DE

TEMPORIZAO COM O TEMPO CONTROLE

L NVEL LMPADA PILOTO BAIXO

M UMIDADE INSTANTNEO MDIO OU

INTERMEDIRIO

N

O ORIFCIO DE

RESTRIO

P PRESSO CONEXO PARA

PONTO DE TESTE

Q QUANTIDADE INTEGRAO OU

TOTALIZAO

R RADIAO REGISTRADOR

S VELOCIDADE OU SEGURANA CHAVE

FREQNCIA

T TEMPERATURA TRANSMISSOR

U MULTIVARIVEL MULTIFUNO

V VIBRAO OU ANLISE VLVULA OU DEFLETOR

MECNICA (DAMPER OU LOUVER)

W PESO OU FORA POO OU PONTA

DE PROVA

X NO CLASSIFICADA EIXO DOS X NO CLASSIFICADA NO CLASSIFICADA NO CLASSIFICADA

Y ESTADO, PRESENA EIXO DOS Y REL, REL DE

OU SEQUNCIA DE COMPUTAO OU

EVENTOS CONVERSOR, SOLENIDES

Z POSIO OU EIXO DOS Z ACIONADOR OU ATUADOR

DIMENSO P/ ELEMENTO FINAL DE CONTROLE NO CLASSIFICADO

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LOCAOPRINCIPAL

NORMALMENTEACESSVEL

AO OPERADOR

INSTRUMENTOSDISCRETOS

INSTRUMENTOSCOMPARTILHADOS

COMPUTADORDE PROCESSO

CONTROLADORPROGRAMVEL

MONTADONO CAMPO

LOCAOAUXILIAR

NORMALMENTEACESSVEL

AO OPERADOR

LOCAOAUXILIAR

NORMALMENTE NO ACESSVELAO OPERADOR

TIPO

LOCALIZAO

SMBOLO SMBOLOFUNO

SOMA

MDIA

SUBTRAO

PROPORCIONAL

INTEGRAL

DERIVATIVO

SELETOR DE SINAL ALTO

SELETOR DE SINAL BAIXO

POLARIZAO

FUNO TEMPO

FUNO

MULTIPLICAO

DIVISO

EXTRAO DE RAIZQUADRADA

EXTRAO DE RAIZ

EXPONENCIAO

FUNO NO LINEAR

LIMITE SUPERIOR

LIMITE INFERIOR

LIMITADOR DE SINAL

CONVERSO DE SINAL

/x OU +

OU POU

IOU

>

>

2cm2

10cm2

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A mquina de teste para instrumentos de presso funciona pelo princpio de Pascal. O teste pode ser feito em comparao com peso morto ou com relao a um manmetro-padro.

MANMETRODE TESTE

RESERVATRIODE LEO

SUPORTE DEPESO MORTO

MBOLO LQUIDO

VOLANTE

Teste com peso-morto Movimentando o mbolo no sentido de pressionar o lquido, este transmite a presso para o instrumento que se quer testar e para o peso morto. No momento em que a presso do lquido deslocar o peso morto, a presso aplicada no instrumento sob teste igual indicada no disco de peso morto.

MANMETRODE TESTE

RESERVATRIODE LEO MANMETRO

PADRO

MBOLO LQUIDO

VOLANTE

Teste com manmetro-padro

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Outros Sensores de Presso Sensor Capacitivo A principal caracterstica dos sensores capacitivos a completa eliminao dos sistemas de alavancas na transferncia da fora / deslocamento entre o processo e o sensor. Este tipo de sensor resume-se na deformao, diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformao altera o valor da capacitncia total que medida por um circuito eletrnico. Esta montagem , se por um lado , elimina os problemas mecnicos das partes mveis, expe a clula capacitiva s rudes condies do processo , principalmente a temperatura do processo . Este inconveniente pode ser superado atravs de circuitos sensveis a temperatura montados juntos ao sensor . Outra caracterstica inerente a montagem , a falta de linearidade entre a capacitncia e a distncia das armaduras devido deformao no linear , sendo necessrio portanto , uma compensao ( linearizao ) cargo do circuito eletrnico.

O sensor formado plos seguintes componentes : Amaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido Dieltrico formado pelo leo de enchimento ( silicone ou fluorube ) Armadura mvel ( Diafragma sensor ) Uma diferena de presso entre as cmaras de alta (High) e de baixa (Low) produz uma fora no diafragma isolador que transmitida pelo lquido de enchimento .

Foxitensor Capacitivo A principal caracterstica dos sensores capacitivos a completa eliminao dos sistemas de alavancas na transferncia da fora / deslocamento entre o processo e o sensor. Este tipo de sensor resume-se na deformao, diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformao altera o valor

FoxitSensor Capacitivo A principal caracterstica dos sensores capacitivos a completa eliminao dos sistemas de alavancas na transferncia da fora / deslocamento entre o processo e o sensor. Este tipo de sensor resume-se na deformao, diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformao altera o valor da capacitncia total que medida por um circuito eletrnico. Esta montagem , se por um lado , elimina os problemas mecn

Foxitpacitncia total que

Foxitensor Capacitivo A principal caracterstica dos sensores capacitivos a completa eliminao dos sistemas de alavancas na transferncia da fora / deslocamento entre o processo e o sensor. Este tipo de sensor resume-se na deformao, diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformao altera o valor da capacitncia total que medida por um circuito eletrnico. Esta montagem , se por um lado , elimina os problemas mecn

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A fora atinge a armadura flexvel ( diafragma sensor ) provocando sua deformao , alterando portanto , o valor das capacitncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura mvel . Esta alterao medida pelo circuito eletrnico que gera um sinal proporcional variao de presso aplicada cmara da cpsula de presso diferencial capacitiva . Sensor Strain-Gauge Baseia-se no princpio de variao da resistncia de um fio, mudando-se as suas dimenses. Para variarmos a resistncia de um condutor devemos analisar a equao geral da resistncia : R = . L S R : Resistncia do condutor : Resistividade do material L : Comprimento do condutor S : rea da seo transversal A equao nos explica que a resistncia eltrica de um condutor diretamente proporcional a resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional a rea da seo transversal . A maneira mais prtica de alterarmos as dimenses de um condutor tracionarmos o mesmo no sentido axial como mostrado a seguir :

Seguindo esta linha de raciocnio , conclumos que para um comprimento L obtivemos L , ento para um comprimento 10 x L teramos 10 x L , ou seja , quanto maior o comprimento do fio , maior ser a variao da resistncia obtida e maior a sensibilidade do sensor para uma mesma presso ( fora ) aplicada.

FoxitA fora atinge a armadura flexvel ( diafragma sensor ) provocando sua deformao , alterando portanto , o valor das capacitncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura mvel . Esta alterao medida pelo circuito eletrnico que gera um sinal proporcional variao de presso a

Foxita cmara da cpsula de presso diferencial capacitiva . Sensor Strain-Gauge Baseia-se no princpio de variao da resistncia de um fio

Foxit

Foxito aplicada cmara da

Foxita

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O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lmina de base , dobrando-se to compacto quanto possvel . Esta montagem denomina-se tira extensiomtrica como vemos na figura a seguir :

Observa-se que o fio , apesar de solidamente ligado a lmina de base , precisa estar eletricamente isolado da mesma . Uma das extremidades da lmina fixada em um ponto de apoio rgido enquanto a outra extremidade ser o ponto de aplicao de fora .

Da fsica tradicional sabemos que um material ao sofrer uma flexo , suas fibras internas sero submetidas dois tipos de deformao : trao e compresso . As fibras mais externas sofrem um alongamento com a trao pois pertencem ao permetro de maior raio de curvatura , enquanto as fibras internas sofrem uma reduo de comprimento ( menor raio de curvatura ).

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Como o fio solidrio lmina , tambm sofrer o alongamento , acompanhando a superfcie externa , variando a resistncia total . Visando aumentar a sensibilidade do sensor , usaremos um circuito sensvel a variao de resistncia e uma configurao conforme esquema a seguir :

Notamos que a ligao ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiomtricas o circuito em ponte de Wheatstone, como mostrado a seguir, que tem a vantagem adicional de compensar as variaes de temperatura ambiente, pois todos os elementos esto montados em um nico bloco.

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Sensor por Silcio Ressonante O sensor consiste de uma cpsula de silcio colocada estrategicamente em um diafragma , utilizando do diferencial de presso para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que essa freqncia seja proporcional a presso aplicada.

Na seqncia ser exibido maiores detalhes sobre esse tipo de clula, sua construo e seu funcionamento. Construo do sensor Todo o conjunto pode ser visto atravs da figura a seguir, porm, para uma melhor compreenso de funcionamento deste transmissor de presso, faz-se necessrio desmembr-lo em algumas partes vitais. Na figura a seguir podemos ver o conjunto do sensor. Ele possui um im permanente e o sensor de silcio propriamente dito.

Foxitr Silcio Ressonante O sensor consiste de uma cpsula de silcio colocada estrategicamente em um diafragma , utilizando do diferencial de presso para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que essa freqncia seja proporcional a presso aplicada

FoxitCommentTransmissor da SMAR

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Dois fatores que iro influenciar na ressonncia do sensor de silcio so: o campo magntico gerado por um im permanente posicionado sobre o sensor; o segundo ser o campo eltrico gerado por uma corrente em AC (alm das presses exercidas sobre o sensor, obviamente).

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Este enfoque pode ser observado na figura abaixo.

Portanto, a combinao do fator campo magntico/campo eltrico responsvel pela vibrao do sensor . Um dos sensores ficar localizado ao centro do diafragma (FC), enquanto que o outro ter a sua disposio fsica mais borda do diafragma (FR) Por estarem localizadas em locais diferente, porm, no mesmo encapsulamento, uma sofrer uma compresso e a outra sofrer uma trao conforme a aplicao de presso sentida pelo diafragma. Desta maneira, os sensores possuiro uma diferena de freqncia entre si. Esta diferena pode ser sentida por um circuito eletrnico , tal diferena de freqncia ser proporcional ao P aplicado. Na figura a seguir exibido o circuito eletrnico equivalente.

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Atravs dessas informaes possvel criar um grfico referente aos pontos de operao da freqncia x presso.

Sensor Piezoeltrico Os elementos piezoeltricos so cristais, como o quartzo , a turmalina e o titanato que acumulam cargas eltricas em certas reas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformao fsica, por ao de uma presso. So elementos pequenos e de construo robusta. Seu sinal de resposta linear com a variao de presso, so

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capazes de fornecer sinais de altssimas freqncias de milhes de ciclos por segundo. O efeito piezoeltrico um fenmeno reversvel . Se for conectado a um potencial eltrico , resultar em uma correspondente alterao da forma cristalina . Este efeito altamente estvel e exato , por isso utilizado em relgios de preciso . A carga devida alterao da forma gerada sem energia auxiliar , uma vez que o quartzo um elemento transmissor ativo . Esta carga conectada entrada de um amplificador , sendo indicada ou convertida em um sinal de sada , para tratamento posterior.

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Nvel

Definio Nvel a altura do contedo de um reservatrio que pode ser slido ou lquido. Trata-se de uma das principais variveis utilizadas em controle de processos contnuos, pois atravs de sua medio torna-se possvel: a) Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento. b) Balano de materiais de processos contnuos onde existam volumes lquidos ou

slidos de acumulao temporria, reaes, mistura, etc. c) Segurana e controle de alguns processos onde o nvel do produto no pode

ultrapassar determinados limites. Mtodos de Medio de Nvel de Lquido Os trs tipos bsicos de medio de nvel so: a) direto b) indireto c) descontnuo Medio Direta a medio que tomamos como referncia a posio do plano superior da substncia medida. Neste tipo de medio podemos utilizar rguas ou gabaritos, visores de nvel, bia ou flutuador.

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Rgua ou Gabarito Consiste em uma rgua graduada a qual tem um comprimento conveniente para ser introduzida dentro do reservatrio a ser medido.

A determinao do nvel se efetuar atravs da leitura direta do comprimento molhado na rgua pelo lquido. Visores de Nvel

Este medidor usa o princpio dos vasos comunicantes, o nvel observado por um visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor.

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TANQUE

ABERTO

TANQUEFECHADO

Esta medio feita em tanques abertos e tanques fechados. Bia ou Flutuador Consiste numa bia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um contrapeso. No contrapeso est fixo um ponteiro que indicar diretamente o nvel em uma escala. Esta medio normalmente encontrada em tanques abertos.

Medio de Nvel Indireta Neste tipo de medio o nvel medido indiretamente em funo de grandezas fsicas como : presso, empuxo , radiao e propriedades eltricas.

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Medio de Nvel por Presso Hidrosttica (presso diferencial) Neste tipo de medio usamos a presso exercida pela altura da coluna lquida, para medirmos indiretamente o nvel, como mostra abaixo o Teorema de Stevin: P = .h Onde: P = Presso em mm H2O ou polegada H2O h = nvel em mm ou em polegadas = densidade relativa do lquido na temperatura ambiente.

Essa tcnica permite que a medio seja feita independente do formato do tanque seja ele aberto ou pressurizado. Medio por Presso Diferencial em Tanques Pressurizados. Neste tipo de medio, a tubulao de impulso da parte de baixo do tanque conectada cmara de alta presso do transmissor de nvel. A presso atuante na cmara de alta a soma da presso exercida sob a superfcie do lquido e a presso exercida pela coluna de lquido no fundo do reservatrio. A cmara de baixa presso do transmissor de nvel, conectada na tubulao de impulso da parte de cima do tanque onde mede somente a presso exercida sob a superfcie do lqido.

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Supresso de Zero Para maior facilidade de manuteno e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor instalado abaixo do tanque. Outras vezes a falta de plataforma fixadora em torno de um tanque elevado resulta na instalao de um instrumento em um plano situado em nvel inferior tomada de alta presso. Em ambos os casos, uma coluna lquida se formar com a altura do lquido dentro da tomada de impulso, se o problema no for contornado, o transmissor indicaria um nvel superior ao real.

Elevao de Zero Quando o fluido do processo possuir alta viscosidade, ou quando o fludo se condensa nas tubulaes de impulso, ou ainda no caso do fludo ser corrosivo, devemos utilizar um sistema de selagem nas tubulaes de impulso, das cmaras de baixa e alta presso do transmissor de nvel. Selam-se ento ambas as tubulaes de impulso, bem como as cmaras do instrumento. Na figura abaixo, apresenta-se um sistema de medio de nvel com selagem, no qual deve ser feita a elevao, que consiste em anular-se a presso da coluna

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lquida na tubulao de impulso da cmara de baixa presso do transmissor de nvel.

Medio de Nvel com Borbulhador Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nvel de lquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer lquidos distncia.

Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gs e uma presso ligeiramente superior mxima presso hidrosttica exercida pelo lquido. Este valor normalmente ajustado para aproximadamente 20% a mais que a mxima presso hidrosttica exercida pelo lquido. O sistema borbulhador engloba uma vlvula agulha, um recipiente com lquido na qual o ar ou gs passar pelo mesmo e um indicador de presso. Ajustamos a vazo de ar ou gs at que se observe a formao de bolhas em pequenas quantidades. Um tubo levar esta vazo de ar ou gs at o fundo do vaso a qual queremos medir seu nvel, teremos ento um borbulhamento bem sensvel de ar ou gs no lquido o qual queremos medir o nvel .Na tubulao pela qual fluir o ar ou gs, instalamos um indicador de presso que indicar um valor equivalente a

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presso devido ao peso da coluna lquida . Nota-se que teremos condies de instalar o medidor a distncia. Medio de Nvel por Empuxo Baseia-se no princpio de Arquimedes: Todo o corpo mergulhado em um fluido sofre a ao de uma fora vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do volume do fludo deslocado. A esta fora exercida pelo fludo do corpo nele submerso ou flutuante chamamos de empuxo. E = V . onde: E = empuxo V = volume deslocado = peso especfico do lquido Baseado no princpio de Arquimedes usa-se um deslocador (displacer) que sofre o empuxo do nvel de um lquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque. O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do lquido cujo nvel estamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade.

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Atravs dessa tcnica podemos medir nivel de interface entre dois lquidos no miscveis. Na indstria muitas vezes temos que medir o nvel da interface em um tanque contendo 2 lquidos diferentes. Este fato ocorre em torres de destilao, torres de lavagem, decantadores etc. Um dos mtodos mais utilizados para a medio da interface atravs da variao do empuxo conforme citaremos a seguir. Consideremos um flutuador de forma cilndrica mergulhado em 2 lquidos com pesos especficos diferentes 1 e 2. Desta forma, podemos considerar que o empuxo aplicado no flutuador, ser a soma dos empuxos E1 e E2 aplicados no cilindro, pelos lquidos de pesos especficos 1 e 2, respectivamente. O empuxo ser dado pr: Et = E1 + E2 onde: E1 = V1 . 1 e E2 = V2 . 2 Assim para diferentes valores de altura de interface, teremos diferentes variaes de empuxo.

Medio de Nvel por Radiao Os medidores que utilizam radiaes nucleares se distinguem pelo fato de serem completamente isentos do contato com os produtos que esto sendo medidos. Alm

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disso, dispensando sondas ou outras tcnicas que mantm contato com slidos ou lquidos tornando-se possvel, em qualquer momento, realizar a manuteno desses medidores, sem a interferncia ou mesmo a paralisao do processo. Dessa forma os medidores que utilizam radiaes podem ser usados para indicao e controle de materiais de manuseio extremamente difcil e corrosivos, abrasivos, muito quentes, sob presses elevadas ou de alta viscosidade. O sistema de medio por raios gamas consiste em uma emisso de raios gamas montado verticalmente na lateral do tanque do outro lado do tanque teremos um cmara de ionizao que transforma a radiao Gama recebida em um sinal eltrico de corrente contnua. Como a transmisso dos raios inversamente proporcional a altura do lquido do tanque, a radiao captada pelo receptor inversamente proporcional ao nvel do lquido do tanque, j que o material bloquearia parte da energia emitida.

Medio de Nvel por Capacitncia A capacitncia uma grandeza eltrica que existe entre 2 superfcies condutoras isoladas entre si. O medidor de nvel capacitivo mede as capacidades do capacitor formado pelo eletrodo submergido no lquido em relao as paredes do tanque. A capacidade do conjunto depende do nvel do lquido.

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O elemento sensor, geralmente uma haste ou cabo flexvel de metal. Em lquidos no condutores se empregam um eletrodo normal, em fludos condutores o eletrodo isolado normalmente com teflon. A medida que o nvel do tanque for aumentando o valor da capacitncia aumenta progressivamente a medida que o dieltrico ar substitudo pelo dieltrico lquido a medir.

A capacitncia convertida por um circuito eletrnico numa corrente eltrica sendo este sinal indicado em um medidor. A medio de nvel por capacitncia tambm pode ser feita sem contato , atravs de sondas de proximidade . A sonda consiste de um disco compondo uma das placas do capacitor . A outra placa a prpria superfcie do produto ou a base do tanque.

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Medio de Nvel por Ultra Som O ultra-som uma onda sonora, cuja freqncia de oscilao maior que aquela sensvel pelo ouvido humano, isto , acima de 20 Khz. A gerao ocorre quando uma fora externa excita as molculas de um meio elstico, esta excitao transferida de molcula a molcula do meio, com uma velocidade que depende da elasticidade e inrcia das molculas. A propagao do ultra-som depende portanto, do meio (slido, lquido ou gasoso). Assim sendo, a velocidade do som a base para a medio atravs da tcnica de eco, usada nos dispositivos ultra-snicos. As ondas de ultra-som so geradas e captadas pela excitao eltrica de materiais piezoeltricos. A caracterstica marcante dos materiais piezoeltricos produo de um freqncia quando aplicamos uma tenso eltrica. Assim sendo, eles podem ser usados como gerador de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores. Inversamente, quando se aplica uma fora em uma material piezoeltrico, ou seja quando ele recebe um sinal de freqncia, resulta o aparecimento de uma tenso eltrica no seu terminal. Nesta modalidade, o material piezoeltrico usado como receptor do ultra-som.

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Os dispositivos do tipo ultra-snico podem ser usados tanto na deteco contnua de nvel como na descontnua. Os dispositivos destinados a deteco contnua de nvel caracterizam-se, principalmente, pelo tipo de instalao, ou seja, os transdutores podem encontrar-se totalmente submersos no produto, ou instalados no topo do equipamento sem contato com o produto. Medio de Nvel por Radar Possui uma antena cnica que emite impulsos eletromagnticos de alta frequencia superfcie a ser detectada. A distncia entre a antena e a superfcie a ser medida ser ento calculada em funo do tempo de atraso entre a emisso e a recepo do sinal. Essa tcnica pode ser aplicada com sucesso na medio de nvel de lquidos e slidos em geral. A grande vantagem deste tipo de medidor em relao ao ultrassnico a imunidade efeitos provocados por gases, p, e espuma entre a superfcie e o detetor, porm possue um custo relativo alto. Medio de Nvel Descontnua Estes medidores so empregados para fornecer indicao apenas quando o nvel atinge certos pontos desejados como por exemplo em sistemas de alarme e segurana de nvel alto ou baixo. Medio de nvel descontnua por condutividade

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Nos lquidos que conduzem eletricidade, podemos mergulhar eletrodos metlicos de comprimento diferente. Quando houver conduo entre os eletrodos teremos a indicao de que o nvel atingiu a altura do ltimo eletrodo alcanado pelo lquido. Medio de Nvel descontnua por bia Diversas tcnicas podem ser utilizadas para medio descontnua, desde simples bia acoplada a contatos eltricos a sensores eletrnicos do tipo capacitivo ou ultra-snico, onde diferenciam-se entre si pela sensibilidade, tipo de fluido, caractersticas operacionais instalao e custo.

Medio de Nvel de Slidos necessrio medir o nvel dos slidos, geralmente em forma de p ou gros, em silos, alto-fornos etc., pelos mesmos motivos da medio de nvel dos lquidos. Esta medio comumente feita por dispositivos eletromecnicos, onde colocada uma sonda sobre a carga ou contedo. O cabo da sonda movimenta um transdutor eletromecnico, que envia um sinal para um indicador, cuja a escala graduada para nvel. Essa tcnica apesar de simples tem como desvantagem a grande incidncia de manuteno tornando-a invivel em muitos casos. Outros medidores como os radioativos, capacitivos, ultrassnicos, radares e sistemas de pesagem com clulas de carga podem ser utilizados com bastante eficincia e preciso apesar de possurem em alguns casos o custo elevado.

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Temperatura

Termometria Introduo Termometria significa "Medio de Temperatura", o termo mais abrangente que inclui tanto a pirometria como a criometria que so casos particulares de medio. Pirometria - Medio de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiao trmica passam a se manifestar. Criometria - Medio de baixas temperaturas, ou seja, aquelas prximas ao zero absoluto de temperatura. Temperatura na Indstria A temperatura uma das variveis mais importantes na indstria de processamento. Praticamente todas caractersticas fsico-qumicas de qualquer substncia alteram-se de uma forma bem definida com a temperatura. Exemplificando:- Dimenses (Comprimento, Volume). Estado Fsico (Slido, Lquido, Gs). Densidade. Viscosidade. Radiao Trmica. Reatividade Qumica. Condutividade. PH. Resistncia Mecnica.

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Maleabilidade, Ductilidade. Assim, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu comportamento provocando por exemplo:- - Uma acelerao ou desacelerao do ritmo de produo. - Uma mudana na qualidade do produto. - Um aumento ou diminuio na segurana do equipamento e/ou pessoal. - Um maior ou menor consumo de energia. Conceito de Temperatura Temperatura uma propriedade da matria, relacionada com o movimento de vibrao e/ou deslocamento dos tomos de um corpo. Todas as substncias so constitudas de tomos que por sua vez, se compe de um ncleo e um envoltrio de eltrons. Normalmente estes tomos possuem uma certa energia cintica que se traduz na forma de vibrao ou mesmo deslocamento como no caso de lquidos e gases. A energia cintica de cada tomo em um corpo no so iguais e constantes, mudam de valor constantemente, num processo de intercmbio de energia interna prpria. Baseado nesta conceituao, pode-se definir a temperatura da seguinte forma: "Temperatura a propriedade da matria que reflete a mdia da energia cintica dos tomos de um corpo". Na prtica, a temperatura representada em uma escala numrica, onde, quanto maior o seu valor, maior a energia cintica mdia dos tomos do corpo em questo. Outros conceitos que se confundem s vezes com o de temperatura so: Energia Trmica. Calor. A Energia Trmica de um corpo a somatria das energias cinticas dos seus tomos, e alm de depender da temperatura, depende tambm da massa e do tipo de substncia.

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O Calor a energia que se transfere de um corpo para o outro por diferena de temperatura. A temperatura sob ponto de vista da experincia do homem no seu cotidiano, introduz o uso dos termos quente e frio. A sensao de quente o resultado do fluxo de calor de um corpo qualquer para o nosso prprio, decorrente de uma maior temperatura daquele corpo. A sensao de frio aparece quando o nosso corpo cede calor para outro qualquer. A superfcie do corpo humano est coberta de sensores de temperatura que nos informam a cada instante do estado trmico do ambiente que nos cerca. As sensaes de quente e frio que sentimos so relativas, um corpo mesma temperatura pode nos transmitir sensaes diversas dependendo das condies fsicas e psicolgicas do nosso corpo. Os nossos sentidos no so adequados para medir temperatura com segurana, alm de atuarem em uma faixa de temperatura bastante estreita, prxima temperatura do prprio corpo, devido ao aparecimento da dor. At o final do sculo XVI, quando foi desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliar temperatura, os sentidos do nosso corpo foram os nicos elementos de que dispunham os homens para dizer se um certo corpo estava mais quente ou frio do que um outro, apesar da inadequadamente destes sentidos sob o ponto de vista cientfico. Formas de transferncia de calor Conduo (slidos): Transferncia de calor por contato fsico. Um exemplo tpico o aquecimento de uma barra de metal. Conveco (lquidos e gases): Transmisso ou transferncia de calor de um lugar para o outro pelo deslocamento de material. Quando o material aquecido forado a se mover, existe uma conveco forada. Quando o material aquecido se move por diferena de densidade, existe uma conveco natural ou livre.

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Radiao (sem contato fsico): Emisso contnua de energia de um corpo para outro, atravs do vcuo ou do ar (melhor no vcuo que no ar, pois no ar parcialmente absorvida). A energia radiante possui a forma de ondas eletromagnticas e propagam-se com a velocidade da luz. Escalas de Temperatura Histrico O primeiro instrumento desenvolvido para avaliar temperaturas foi um termoscpio fabricado por Galileu Galilei, sbio italiano, em 1592. Este instrumento permitia comparar as temperaturas de dois ambientes, sem atribuir valores numricos s mesmas, donde provm o seu nome. Hoje sabe-se que a presso atmosfrica afetava as indicaes deste termoscpio, limitando a preciso das indicaes. Em 1654, Ferdinand II, Duque de Toscnia, fabricou termmetros na forma usual, ou seja, um bulbo e capilar de vidro, cheios parcialmente de lcool e totalmente selado da presso atmosfrica. Neste instrumento, a propriedade usada para detectar variaes de temperatura a dilatao do lcool. Robert Hooke em 1664 estabeleceu o primeiro ponto de referncia em termmetro, atribuindo o valor zero ao ponto onde se estabilizava a coluna de lcool, quando o termmetro era colocado no gelo fundente. Desde o incio da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termmetro, sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada temperatura por meio de escalas reproduzveis, como existia na poca, para Peso, Distncia, Tempo. Era um dilema, que foi sendo resolvido gradativamente ao longo de muitos anos de evoluo tcnica. Por exemplo em 1665 o cientista e matemtico holands Christian Huygens escreveu:- "... Seria bom existir um padro universal e determinado de calor e frio, fixando uma proporo definida entre a capacidade do bulbo e do tubo, e ento tomando para o comeo o grau de frio no qual a gua comea a congelar, ou melhor, a temperatura da gua em ebulio..." Foi somente em 1694 que Carlo Renaldini, ocupava a mesma cadeira de matemtica na Universidade de Pdua que ocupava Galileu, sugeriu tomar o ponto de fuso do gelo e de ebulio da gua como dois pontos fixos de temperatura em uma escala

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de termmetro. Ele dividiu o espao entre eles, em 12 partes iguais. Infelizmente esta importante contribuio para a Termometria foi esquecida. Newton, em 1701, definiu uma escala de temperatura baseada em dois pontos fixos reprodutveis. Para um ponto fixo escolheu o ponto de fuso do gelo, e o chamou de zero. Para o outro ponto fixo ele escolheu o nmero 12 a este ponto. Baseado no que Newton chamava de "Partes iguais de calor", a gua fervia no nmero 34 desta escala. Em 1706 Daniel Gabriel Fahrenheit, fabricante de termmetros de Amsterd, definiu uma escala de temperatura, possua 3 pontos de referncia 0, 48 e 96. Nmeros que representavam nas suas palavras o seguinte:- "... 48 no meu termmetro o meio entre o frio mais intenso produzido artificialmente por uma mistura de gua, gelo e sal-amonaco, ou mesmo sal comum, e aquela (Temperatura) que encontrada no sangue de um homem saudvel..." Fahrenheit encontrou que na sua escala o ponto de fuso do gelo valia 32 e o de ebulio da gua 212 aproximadamente. Estes pontos, posteriormente forma considerados mais reprodutveis e foram definidos como exatos e adotados como referncia. Em 1742, Anders Celsius, professor de Astronomia na Sucia, props uma escala com o zero no ponto de fuso do gelo e 100 no ponto de ebulio da gua, no ano seguinte Christian de Lyons, independentemente sugeriu a familiar escala centgrada (atualmente chamada escala Celsius). As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram a Fahrenheit e a Celsius. A escala Fahrenheit definida atualmente com o valor 32 no ponto de fuso do gelo e 212 no ponto de ebulio da gua. O intervalo entre estes dois pontos dividido em 180 partes iguais, e cada parte um grau Fahrenheit. Toda temperatura na escala Fahrenheit identificada com o smbolo "F" colocado aps o nmero (Ex. 250F) A escala Celsius definida atualmente com o valor zero no ponto de fuso do gelo e 100 no ponto de ebulio da gua. O intervalo entre os dois pontos est dividido em

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100 partes iguais, e cada parte um grau Celsius. A denominao "grau centgrado" utilizada anteriormente no lugar de "Grau Celsius", no mais recomendada. A identificao de uma temperatura na escala Celsius feita com o smbolo "C" colocado aps o nmero (Ex.: 160C). Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit, so relativas, ou seja, os seus valores numricos de referncia so totalmente arbitrrios. Existe entretanto escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas fixado no ponto terico onde a temperatura atinge o seu valor mnimo, no ponto onde a energia cintica dos tomos se anula. Existem duas escalas absolutas atualmente em uso; a Escala Kelvin e Rankine. A Escala Kelvin possui a mesma diviso da Celsius, isto , um grau Kelvin igual um grau Celsius, porm o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possvel, 273,15 graus abaixo do zero da Escala Celsius. A Escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, porm sua diviso idntica da Escala Fahrenheit. A representao das escalas absolutas anloga s escalas relativas:- Kelvin 400K (sem o smbolo de grau ""). Rankine 785 R. A Escala Fahrenheit usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos da Amrica, porm seu uso tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitao universal. O sistema internacional de unidades adota (C) graus Celsius. A Escala Kelvin utilizada nos meios cientficos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit. Existe uma outra escala relativa, a Reaumur, hoje j praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o ponto de fuso do gelo e 80 o ponto de ebulio da gua. O intervalo dividido em oitenta partes iguais. (Representao - Re). Escalas Relativa e Absoluta Escala relativa de Temperatura A escala relativa de temperatura utiliza como referncia pontos fixos de temperatura de determinadas substncias.

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Pontos fixos de temperatura A temperatura interna do corpo humano pode ser considerada como um ponto fixo de temperatura. Entretanto esta temperatura afetada por vrios fatores que diminuem a preciso deste padro. A mudana de estado de substncias puras (fuso, ebulio) normalmente desenvolvida sem alterao na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substncia utilizado pelo mecanismo de mudana de estado.

-273,15

0

100

374

1000

Co

CALOR SENSVEL

CALOR LATENTE

T1 T2PONTO TRIPLO H O2

(0,01 C)oL+S

L+G

TEMPERATURA CRTICAVAPOR + GS

DECOMPOSIO DAH O

(H + 0 )22

2

PRESSO = 1 Atm

(LQUIDO, SLIDO, GASOSO)

Calor sensvel: - a quantidade de calor necessria para que uma substncia mude a sua temperatura at que comece a sua mudana de estado, onde teremos o calor latente. Calor latente: - a quantidade de calor que uma substncia troca por grama durante a mudana de estado. Apesar do calor cedido a gua ser constante durante toda a experincia, nota-se que durante a fuso do gelo, entre t1 e t2, e ebulio da gua, entre t3 e t4 a temperatura permanece constante. Se mantivermos uma mistura de gua e gelo em equilbrio, a temperatura permanecer constante apesar de existir fluxo de calor entre a mistura e o ambiente.

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Esta mistura de duas ou trs fases (Vapor, Lquido e Slido) em equilbrio, gera o que se convencionou chamar de "Ponto Fixo de Temperatura". Visando uma simplificao nos processos de calibrao, a Comisso Internacional de Pesos e Medidas, relacionou uma srie de pontos fixos secundrios de temperatura, conforme mostrado na Tabela abaixo.

PONTOS FIXOS TEMPERATURA(C) Ponto de Ebulio do Nitrognio -195,798 Ponto triplo do Hlio -259,3467 Ponto triplo da gua 0,010 Ponto de Solidificao do Estanho 231,928 Ponto de Solidificao do Alumnio 660,323 Ponto de Ebulio do Oxignio -182,954 Ponto de Solidificao da Prata 961,78 Ponto de Solidificao do Cobre 1084.62 Ponto de Solidificao da Platina 1064,180

Escala Absoluta de Temperatura No existe limite superior para a temperatura de uma substncia qualquer. medida que sobe a temperatura, ocorre uma srie de transformaes fsico-qumicas na substncia, por exemplo:- Fuso, Evaporao, Decomposio Molecular, Ionizao, Reaes Nucleares, etc... Se usarmos a substncia gua como exemplo, teramos as seguintes temperaturas na escala Celsius, associados a estas transformaes:- Fuso - 0C (por definio). Evaporao - 100C (por definio). Decomposio (H2O em H2 e O2) entre 1000 e 3000C. Ionizao - (perda de eltrons) - acima de 2000C. Reaes nucleares (fuso de hidrognio) - acima de 15.000.000C. Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substncia, atingimos um ponto limite alm do qual impossvel ultrapassar, pela prpria definio de temperatura. Este ponto, onde cessa praticamente o movimento atmico, o zero absoluto de temperatura.

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Zero absoluto: - o estado em que praticamente cessa o movimento atmico. As escalas absolutas (Kelvin e Rankine) atribuem o valor zero temperatura mais baixa possvel. A escala Kelvin possui a graduao igual a da Celsius, portanto:- 0 K = -273,15C e 0 R = 273,15C A escala Rankine possui a graduao igual a da Fahrenheit, portanto:- 0 K = -459,67F e 0 R = 459,67F. evidente que uma escala absoluta no pode ter temperaturas negativas. Escala Internacional Temperatura (ITS90) Para melhor expressar as leis da termodinmica, foi criada uma escala baseada em fenmenos de mudana de estado fsico de substncias puras, que ocorrem em condies nicas de temperatura e presso, determinando os pontos fixos de temperatura. A IPTS- Escala prtica Internacional de temperatura, foi a primeira escala prtica internacional de temperatura e surgiu em 1927. Foi modificada em 1948(IPTS-48), em 1960 mais modificaes foram feitas e em 1968 uma nova IPTS foi publicada (IPTS-68). Em 1990, a Comisso Internacional de Pesos e Medidas, homologou uma nova escala de temperatura, a ITS-90, definida a partir de vrios pontos fixos de temperatura e com auxlio de instrumentos padro de interpolao. A ITS-90 foi definida atravs de fenmenos determinsticos de temperatura, isto , pontos fixos de determinadas temperaturas.

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Pontos fixos IPTS-68 (graus Celsius) ITS-90 (graus Celsius)

Ebulio do Oxignio -182,962 -182,954

Ponto triplo da gua 0,01 0,01

Solidificao do Estanho 231,968 231,928

Solidificao do Zinco 419,58 419,527

Solidificao da Prata 961,93 961,78

Solidificao do Ouro 1064,43 1064,18

Os valores numricos dos pontos fixos de temperatura, so determinados pela termometria gs, e os instrumentos de interpolao so: - Na faixa de -259,34C a 630,74C termmetro de resistncia de platina. - Na faixa de 630,74C a 1064,43C o termopar de platina com 10% de rdio e platina. - Acima de 1064,43C o pirmetro ptico. Existem vrias equaes que relacionam a temperatura e a propriedade termomtrica utilizada nestes instrumentos (resistncia eltrica, FEM termoeltrica e energia radiante). Atravs do uso destas equaes pode-se determinar com preciso a temperatura em que se encontra um determinado corpo de prova. Esta escala de temperatura transferida para outros instrumentos de utilizao mais simples, mantendo-se o erro de faixas bastante estreitas. Em princpio, de uma forma indireta, todo termmetro usado na prtica tem a sua calibrao relacionada Escala Internacional de Temperatura. Converso de Escalas - Exerccios - Formulrio A figura compara as escalas de temperatura existentes.

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100

50

0

212

122

32

Co Fo373

323

273

K672

582

492

R

Co K Fo R

Desta comparao podemos retirar algumas relaes bsicas entre as escalas:-

CELSIUS X FAHRENHEIT

C 5

= F - 32

9

CELSIUS X KELVIN K = 273,15 + C FAHRENHEIT X RANKINE R = 459,67 + F

KELVIN X RANKINE K = R . 5

9

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

1 caso:- 1C 1 C

5 = F - 32

9 1C = 33,8F (Frmula 1)

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2 caso:- 1 grau Celsius = 9 F

5 = 1,8 Grau Fahrenheit

(Utilizando a relao entre as dimenses do grau Celsius e o Grau Fahrenheit) Exerccios Resolvidos 1. Qual a temperatura em C do zero original da escala Fahrenheit? E a temperatura do homem saudvel?

Resp.: 1) 0F C: - O C5

= 0 - 32

9

-17,78C

2) 96F C:-

C5

= 96 - 32

9

O

35,55C 2. O ponto de ebulio do oxignio -182,86C. Exprimir esta temperatura em: a) K; b) F; c) R. a) C K :- K = 273,15 + (-182,86) = 90,29K

b) C F :- -182,86

5 = F - 32

9

= -297,15F

c) C R :- ou melhor, C K R:- 90,29 = R. 5

9 = 162,52R

3. O ponto de ebulio do Tungstnio 5900C. Calcular esta temperatura em: a) K; b) F. a) C K:- K = 273,15 + 5900 = 6173,15K

b) C F:- 5900

5 = F - 32

9

= 10652F Obs.:- Dependendo da preciso do clculo, pode-se arredondar 273,15 para somente 273 sem cometer um erro muito grande. Tambm o fator 459,67, de converso R para F, pode ser arredondado para 460. Assim as frmulas ficariam:-

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K = 273 + C e R = 460 + F 4. No interior do sol a temperatura cerca de 107K. Qual a temperatura: a) Na escala Celsius; b) Na escala Rankine; c) Na escala Fahrenheit? a) K C:- 107 = 273 +C ~ 107C

b) K R:- 107 = R . 5

9

~ 1,8 . 107R c) K F:- A diferena neste caso de R e F desprezvel 1,8 . 10 F7 5. Transformar a unidade de calor "Caloria em "BTU". Sabendo-se que 1 caloria a quantidade de calor necessria para aquecer de 1 grau Celsius, 1 grama de gua, e BTU a quantidade de calor para aquecer de 1 grau Fahrenheit, 1 libra de gua. Dado:- 1 libra = 453,6 gramas 1Caloria = 1 grama . 1 OC 1BTU = 1 libra. 1 OF

1Caloria =

1453 6

1 8,

, O F= 3,968 . 10-3BTU

1 BTU = 453,6 g o,5555 FO = 252 Calorias

1 Caloria = 3,968 . 10-3BTU ou 1 BTU = 252 Calorias Obs.: Notar que foi utilizada a relao entre os valores do grau Celsius e Fahrenheit. 6. Supondo que a escala de Carlo Renaldini tivesse sido adotada, qual seria:- a) A frmula de correspondncia com a escala Celsius? b) Qual seria o valor do zero absoluto nesta escala? Ponto Fuso Ponto Ebulio Gelo gua 0 100

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0 12 a) CELSIUS (C) RENALDINI (Rn)

O OC100

= Rn

12

ou

C25

= Rn3

O O

b) -273,15

25 = Rn

3

-32,78Rn Medidores de Temperatura Tipos e Caractersticas Principais Tipos de Medidores Os instrumentos de medida da temperatura podem ser divididos em duas grandes classes: 1 Classe Compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensvel est em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. So eles: A)Termmetros dilatao de slido. B) Termmetros par termo eltrico. C) Termmetros resistncia eltrica. D) Termmetros dilatao de lquido. E) Termmetros dilatao de gs. F) Termmetros tenso de vapor saturante. G) Pirmides fusveis e "crayons" coloridos. 2 Classe Compreende os instrumentos naqueles em que o elemento sensvel no est em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. So eles: A) Pirmetros radiao total.

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B) Pirmetros radiao parcial (monocromticos). A aplicao dos diversos tipos apresentados depende em cada caso de fatores tcnicos e econmicos. Como fatores tcnicos podemos citar faixa de medio, tempo de respostas, preciso, robustez, etc. A relao abaixo mostra a aplicao de cada tipo de medidor na indstria. 1 Classe: Termmetro Dilatao de Slido Sob a forma de termmetro bimetlico atualmente o indicador de temperatura local mais usado na rea industrial devendo isto a sua simplicidade, robustez e baixo preo. Termmetro Par Termoeltrico atualmente o sistema de medio de temperatura mais utilizado na indstria para monitoria de processos nas salas de controle centrais. preciso, robusto, cobre uma ampla gama de temperaturas e possui normalmente preo inferior ao de resistncia. Termmetro de resistncia eltrica Pertence categoria de instrumentos eltricos. Tem uso bastante difundido na indstria, sendo ao contrrio dos termmetros anteriores til na transmisso distncia da temperatura medida. Seu uso deve-se ao fato de possuir boa preciso e ampla faixa de temperatura, apesar de ser de preo elevado. Termmetros Dilatao de Lquido Termmetros de vidro de mercrio - amplamente usado em laboratrios, oficinas e quando protegido, na rea industrial. Termmetro metlico de mercrio - bastante usado em reas industriais como indicador local de temperatura. Termmetro dilatao de gs No encontra muita aplicao na indstria. Normalmente encontrado em aplicaes como indicador local de temperatura. Termmetro Tenso de Vapor

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Tem uso bastante difundido na indstria e como monitor de temperatura em instrumentos industriais. Pirmides Fusveis e "Crayons" coloridos Aplicao bastante limitada nas indstrias, restringindo seu emprego a algumas indstrias cermicas. "Crayons" coloridos, uso espordico em testes nas indstrias e oficinas, sendo anualmente substitudo por termmetros eltricos de contato. 2 Classe Pirmetro de Radiao Total Grande aplicao na indstria nos casos de medio de altas temperaturas ou de objetos mveis, continuamente. No possui concorrentes na sua faixa de aplicao. Pirmetro ptico Monocromtico (Radiao Parcial) Bastante usado na indstria para medir esporadicamente altas temperaturas. utilizado para calibrao eventual do pirmetro de radiao total. Preo elevado. Termmetros de Dilatao Volumtrica Princpio de Funcionamento So baseados no fenmeno de dilatao aparente de um lquido dentro de um recipiente fechado. Descrio de Diversos Tipos de Medidores A seguir ser apresentado uma descrio detalhada de cada tipo de medidor de temperatura com exceo do tipo (Pirmides Fusveis e "Crayons"), tendo em vista a sua limitada aplicao na indstria de um modo geral. A lei que rege este fenmeno est representada matematicamente da seguinte forma: V = Vo ( 1 + at ) Onde: V = volume aparente temperatura t. Vo = volume aparente temperatura 0. a = coeficiente de dilatao aparente do lquido. t = temperatura do lquido.

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O coeficiente de dilatao aparente de um lquido calculado como segue: a = 1 - v Onde: a = coeficiente de dilatao aparente do lquido. 1 = coeficiente de dilatao do lquido. v = coeficiente de dilatao do vidro. Por exemplo: - Para mercrio HG = 180 . 10-6C-1 - Para o vidro v = 20 . 10-6C-1 Deste modo o coeficiente de dilatao aparente do mercrio no vidro vale: a = HG - v a = 180. 10-6 - 20 . 10-6 = 160 . 10-6C-1 Para o lcool temos: lcool = 1.200 . 10-6 Portanto no vidro o coeficiente aparente ser: a - 1.200 . 10-6 - 20 . 10-6 = 1.180 . 10-6C-1 Tipos de Construo Tipo de Recipiente Transparente O rgo indicado a prpria coluna de lquido visvel atravs do recipiente sendo seu copo a referncia usada contra a escala que a acompanha. Tipo de Recipiente Metlico O rgo de indicao um medidor volumtrico (fole, bourdon , etc.) que aciona um ponteiro sobre uma escala normalmente circular. Termmetro de Recipiente Transparente Descrio Este tipo de termmetro constitudo de um reservatrio, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seo a mais uniforme possvel fechado na parte superior. O reservatrio e parte do capilar so preenchidos de um

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lquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termmetro no caso da temperatura ultrapassar seu limite mximo.

0 40 60 80

100

120

140

160

180

200

220

240

0 10 3020 605040 70

-10

-20

-30 80 90

100

0 10 3020 605040 70 80 90

100

Poo deproteo

Aps a calibrao a parede do tubo capilar graduado em graus ou fraes deste. A medio de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna lquida. Em alguns casos ao invs de graduar o tubo capilar, fixa-se ao mesmo uma escala que receber a graduao. Tipos de lquidos utilizados: Entre os lquidos mais utilizados esto os abaixo relacionados: Nota: Na tabela a seguir, cada letra corresponde s seguintes grandezas: A - Tipo de lquido. B - Calor Especfico - Cal/GC. C - Ponto de Solidificao (C). D - Ponto de Ebulio (C). E - Coeficiente de dilatao (a 20C). F - Faixa de Utilizao (C).

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A B C D E F Mercrio 0,033 -39 +357 182 . 10-6 - 35 600 Tolueno 0,421 -92 +110 1224 . 10-6 - 80 100 lcool Etlico

0,581 -115 +78 1120 . 10-6 - 80 70

Pentano 0,527 -131 +36 1608 . 10-6 -120 30 Acetona 0,528 -95 +567 1487 . 10-6 - 80 50

Notas: 1) Para temperaturas superiores a 200C no caso do mercrio, a parte superior do capilar preenchida com um gs inerte, normalmente nitrognio, sob presso. Esta precauo indispensvel para evitar a vaporizao do mercrio que poderia ocasionar rupturas na coluna do lquido. Esta presso atinge valores de 1,20 a 70atm., para termmetros graduados respectivamente em 350, 600 e 750C. 2) No caso de se utilizar gs sob presso, o termmetro prev na parte superior um reservatrio de grande capacidade, a fim de tornar a presso interna o mais independente possvel da posio da coluna de mercrio. Tipos de Recipientes Usados A - Vidro (normal e especial) - Ponto de Fuso: 900 1200C, utilizado at 600C. B - Quartzo fundido transparente - Ponto de Fuso: 1770C utilizado at 1050C. Nota:- Todos os tipos de vidro quando aquecidos e resfriados no retornam s dimenses originais, fenmeno este conhecido como "histerese trmica dos slidos". Este fenmeno tende desaparecer aps o uso prolongado, isto , aquecendo-se e resfriando-se o termmetro inmeras vezes. Os bons termmetros tm seus invlucros de vidro pr-envelhecido na fbrica a fim de minimizar este efeito. Exatido dos Termmetros de Vidro A tabela abaixo mostra as faixas de utilizao, intervalo de graduao e desvios normalmente tolerados para termmetros comuns e para termmetros de calibrao: a) Termmetro Comum - Coluna A. b) Termmetro de Calibrao (padro) - Coluna B.

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FAIXA DE UTILIZAO GRADUAO OC POR DIV. DESVIO TOLERADO (C)

A B A B A B -20 +50 - 0,5 - 1 - - -20 +100 - 0,01 0,5 - 0,05 0,5 +50 200 - 1 2 - 2 - - 100 200 - 0,2 1 - 0,5 1

FAIXA DE UTILIZAO GRADUAO C POR DIV. DESVIO TOLERADO (C)

A B A B A B 200 300 200 300 2 1 2 3 2 3 300 400 300 400 5 1 2 6 3 5 400 500 400 500 5 1 5 9 5 9 500 600 - 5 - 12 - - 500 700 - 1 5 - 5 9 600 700 - 5 - 15 -

De uma maneira geral pode-se resumir as faixas de preciso do modo seguinte: - Termmetro Comum: 0,5% at 3% do valor do fim da faixa. - Termmetro Padro: 0,1% at 0,5% do valor do fim da faixa. A aplicao dos diversos tipos em cada caso depende de fatores tcnicos e econmicos. Como fator tcnico podemos citar: - faixa de temperatura, tempo de resposta, exatido, robustez, etc. Dos diversos tipos apresentados, alguns tm aplicao limitada quanto outros so amplamente aplicados na indstria, como se pode ver a relao a seguir: - Pirmides Fusveis: Trata-se de pequenas pirmides de aproximadamente 5cm de altura, feitas de uma mistura de Caolin, Carbonato de Clcio e Quartzo, em propores diversas, possuindo cada tipo de mistura um ponto de amolecimento caracterstico. Sensibilidade dos Termmetros de Vidro Em princpio a sensibilidade do termmetro pode ser to grande quanto se queira, bastando utilizar em grande reservatrio e um tubo capilar muito fino e portanto

Instrumentao Bsica

SENAI 97

muito longo. Poder-se-ia alcanar desvios de 1mm da coluna para variaes de 0,001. Esta preciso porm ilusria em razo da queda da fidelidade. Em sntese, a sensibilidade do termmetro depende: a) Do coeficiente de dilatao da substncia. b) Do volume do bulbo. c) Do dimetro do capilar. d) Do coeficiente de dilatao do recipiente usado. Verificao dos Termmetros de Vidro A verificao e calibrao de termmetros de vidro pode ser feita de duas maneiras: Por Comparao: Consiste em se comparar ao longo de toda a faixa, a indicao do termmetro com a de um padro de referncia (outro termmetro de vidro, termoresistncia, etc.). Neste tipo de calibrao deve-se ter cuidado com os seguintes pontos: a) O termmetro escolhido como padro deve ser de boa qualidade e ter sua escala aferida. b) Durante a calibrao os dois termmetros devero estar mesma temperatura. Por Meio de Pontos Fixos de Temperatura: Consiste em se medir a temperatura em que ocorre mudana de estado de algumas substncias escolhidas como referncia. Os pontos fixos mais fceis de serem reproduzidos so os pontos de ebulio e fuso da gua. Erro de Paralaxe: Como em todos os instrumentos de leitura, a conservao do nvel deve ser feita corretamente para evitar erro de paralaxe. Em certos termmetros se usa escala a fim de minimizar o efeito do paralaxe. Utilizao dos Termmetros de Vidro Pelo fato de sua fragilidade e da impossibilidade de registrar sua indicao ou de transmiti-la distncia, o uso destes termmetros sem proteo mais comum nos laboratrios da indstria como elemento de comparao para outros tipos de medidores, assim como para medies de preciso.

Instrumentao Bsica

SENAI 98

Quando convenientemente protegido por um arcabouo metlico, encontra larga aplicao em medio de temperatura em unidades industriais. Tempo de Resposta dos Termmetros de Vidro Tempo de resposta de um instrumento de medio o tempo transcorrido entre a sua colocao no meio e a estabilizao de sua medio supondo a temperatura do meio invarivel. No caso de um termmetro, o tempo de resposta ser tanto mais curto se: 1. A temperatura do meio for mais elevada, o que se explica pelo fato da transmisso por radiao se efetuar com maior intensidade. 2. O meio for mais agitado. 3. A condutibilidade trmica do meio for grande (os slidos e lquidos possuem condutividade mais elevada do que os gases). 4. As dimenses do prprio instrumento forem reduzidas. Normalmente os termmetros de vidro so utilizados com uma proteo metlica aumentando sobremaneira seu tempo de resposta. Tipos Especiais de Termmetros de Vidro a) Termmetro Clnico:- um termmetro de mercrio de mxima (fig. 11) graduado de 34 a 42C. Possui grande utilizao nos hospitais, pois nesta faixa esto as temperaturas limites entre as quais pode variar o corpo humano. A fixao do valor mximo obtido por meio de um estrangulamento no capilar logo acima do bulbo. Normalmente possui divises de 0,1C. b) Termmetro de Mxima e Mnima:- Bastante usado em meteorologia para indicar as temperaturas mximas e mnimas do ambiente em um determinado perodo de tempo. O lcool a substncia termomtrica (fig. 11).

Instrumentao Bsica

SENAI 99

Como mostra a figura somente o lcool contido no ramo esquerdo do tubo em "U" opera como substncia termomtrica. A funo do mercrio de arrastar os pequenos ndices de ferro que deslizam na parte interna do tubo de vidro. O mercrio mantido pressionado contra a coluna de lcool por meio de gs comprimido no ramo direito do tubo. O reposicionamento dos ndices para uma nova jornada feita por meio de um m manuseado externamente.

37

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42

37

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42

RESTRIO

36,5 CO

010

203040

010203040

-10-20-30

-10-20-30

ARCOMPRIMIDO

LCOOL

BULBO

ESCALA DEMNIMA

ESCALA DEMXIMA

NDICE DEFERRO

(MVEL)

MERCRIO

Fig.11 c) Termmetro de Vidro com Contato Eltrico:- Normalmente usado o termmetro de mercrio normal com a adio de dois ou mais pequenos eletrodos no interior do mercrio, (bulbo e/ou capilar), a operao do mesmo se baseia na condutibilidade eltrica do mercrio.

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SENAI 100

0

10

30

20

60

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40

70

80

90

100

ELETRODO

ELETRODO

Termmetros de Dilatao de Lquido de Recipiente Metlico Princpio de Funcionamento No termmetro de vidro, a dilatao do lquido observada e medida diretamente atravs se sua parede transparente. No tipo de recipiente metlico, o lquido preenche todo o instrumento e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensvel, dito sensor volumtrico. O instrumento compreende trs partes:- o bulbo, o capilar e o elemento sensor. O Bulbo: - o elemento termo sensvel do conjunto. Nele fica compreendido a maior parte do lquido do sistema. Dever ficar em contato o mais ntimo possvel com o ambiente onde se quer avaliar a temperatura. O Capilar: - o elemento de ligao entre o bulbo e o sensor volumtrico. Dever conter o mnimo de lquido possvel. Em alguns casos, o capilar substitudo por um pequeno e rgido pescoo de ligao.

Instrumentao Bsica

SENAI 101

O Elemento Sensor: - ou de medio o que mede as variaes de volume do lquido encerrado no bulbo. Estas variaes so sensivelmente lineares temperatura, da o fato da escala ser graduada linearmente, isto , em partes iguais.

PONTEIRO

BRAO DELIGAO

SETORDENTADO

SENSORVOLUMTRICO

CAPILAR

LQUIDOMERCRIO

LCOOL ETLICO

BULBO

Tipos de Lquido de Enchimento Mercrio - para temperatura entre -35 e +550C. lcool - para temperatura entre -50 e +150C. Xileno - para temperatura entre -40 e +400C. Notas: 1. O mercrio (HG) o mais usado entre os lquidos apresentados. No caso de seu uso, o material do bulbo, capilar e o sensor no poder ser de cobre ou ligas do mesmo. Quando o lquido utilizado mercrio, o material de construo mais comum do termmetro ao 1020 ou 316 (inox).

Instrumentao Bsica

SENAI 102

2. A presso de enchimento do termmetro de cerca de 50atm, o que justifica a faixa de utilizao ultrapassar os limites do ponto de ebulio dos lquidos. Tcnicas e Material de Construo do Termmetro Bulbo:- Suas dimenses variam de acordo com a sensibilidade desejada e tambm com o tipo de lquido utilizado e aplicao. Os materiais mais usados so: ao 316, ao 1020, cobre, lato e monel. Nota:- Normalmente o bulbo instalado no interior de um poo de proteo, que permite a retirada do mesmo sem afetar o processo. importante observar que este recurso aumenta sobre maneira o tempo de resposta do termmetro. Este atraso pode ser reduzido, introduzindo qualquer elemento condutor entre o bulbo e o poo, com a finalidade de eliminar o espao vazio existente entre os mesmos. Pode-se usar mercrio, leo, grafite, aparas de metal. Observando sempre o tipo de aplicao e a faixa de temperatura a ser coberta pelo termmetro. Capilar:- Suas dimenses so tambm bastante variveis. O comprimento est limitado aos 60 metros aproximadamente, devido principalmente ao alto custo capilar. O dimetro interno deve ser o menor possvel, a fim de limitar a influncia da temperatura ambiente, porm no dever oferecer resistncia passagem do lquido em expanso. Como calores normais temos para dimetro: 1,5mm e o dimetro interno: 0,30mm. Normalmente confeccionado de ao ou cobre. Nota:- A ligao do capilar do bulbo feita, s vezes, por meio de um pescoo de extenso, que aumenta a resistncia de ligao, ao mesmo tempo que facilita a montagem e desmontagem do bulbo. s vezes o capilar suprimido, ligando-se o bulbo ao medidor. por meio do pescoo de extenso. O capilar o elemento mais sujeito a ser danificado do medidor, frequentemente ele fornecido envolvido por uma proteo ou blindagem. Elemento de medio:- Basicamente pode ser de trs tipos:- Bourdon, Espiral e Helicoidal. O material de construo normalmente bronze fosforoso, cobre, berlio, ao inox e ao carbono. O elemento de ligao do elemento ao ponteiro igual ao usado em manmetros.

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ESPIRAL

HELICOIDAL

BOURDON

Termmetro de Dilatao de Gs Princpio de Funcionamento Fisicamente idntico ao termmetro de dilatao de lquido, consta de um bulbo, elemento de medio e capilar de ligao entre estes dois elementos. O volume do conjunto sensivelmente constante e preenchido com um gs a alta presso. Com a variao de temperatura o gs varia sua presso conforme, aproximadamente, a lei dos gases perfeitos. O elemento de medio neste caso opera como medidor de presso. A lei que rege o fenmeno conhecida como a segunda lei de Gay-Lussac, e expressa matematicamente da seguinte maneira:- P1 = P2 = ... Pn (Sendo V = constante) T1 T2 Tn Onde: P1, P2, ... Pn = So as presses absolutas do gs. T1, T2, ... Tn = So as respectivas temperaturas absolutas.

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Pode-se observar da frmula, que as variaes de presso so linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante. Outra maneira de representar o fenmeno da maneira seguinte: P = Po ( 1 + t) Onde: P = a presso do gs (relativa) temperatura t. Po = a presso do gs a 0C. = o coeficiente de variao de presso do gs a volume constante; vale aproximadamente = 1 C-1. 273 t = A temperatura do gs em C. As duas frmulas so evidentemente equivalentes. Tipos de Gs de Enchimento Hlio (He) - temperatura crtica = 267,8C. Hidrognio (H2) - temperatura crtica = 239,9C. Nitrognio (N2) - temperatura crtica = 147,1C. Dixido de Carbono (CO2) - temperatura crtica = 31,1C.

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CAPILAR

BULBO

GS

Nota:- O gs mais utilizado o N2 e geralmente enchido com uma presso de 20 a 50atm, na temperatura mnima a medir. Sua faixa de medio vai de -100C 600C, o limite inferior o do prprio gs ao se aproximar da temperatura crtica, e o superior do recipiente devido a maior permeabilidade ao gs, o que acarretaria a sua perda inutilizando o termmetro. Material de Construo Bulbo e Capilar:- ao, ao inox, cobre, lato e monel. Nota:- O capilar pode atingir comprimento de at 100m. Elemento de medio:- Cobre-Berlio, bronze fosforoso, ao e ao inox. Nota:- O elemento de medio pode ser do tipo Bourbon, espiral ou helicoidal.

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Termmetro a Tenso de Vapor Princpio de Funcionamento Tambm fisicamente idntico ao de dilatao de lquidos. Possui um bulbo e um elemento de medio ligados entre si por meio de um capilar. O bulbo parcialmente cheio de um lquido voltil em equilbrio com o seu vapor. A presso do vapor funo exclusiva do tipo de lquido e da temperatura. A relao existente entre a tenso de vapor de um lquido e sua temperatura do tipo logartmico e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura na seguinte expresso: log . P1 = HE . ( 1 - 1 ) P2 4,58 T1 T2 Onde: P1 e P2 = So as presses absolutas relativas s temperaturas. T1 e T2 = Tambm absolutas. HE = Representa o calor latente de evaporao do lquido em questo. Para intervalos de temperatura de uma certa amplitude, o calor latente de evaporao no permanecer constante, e a frmula adquirir desta maneira uma forma mais geral e bastante complexa, sendo conhecida como a equao de Clausiur Clapeyron. Tipos de Lquidos de Enchimento A tabela apresenta os lquidos mais utilizados e seus respectivos pontos de fuso e ebulio.

LQUIDO

PONTO DE FUSO (C)

PONTO DE EBULIO (C)

Cloreto de Metila - 139 - 24 Butano - 135 - 0,5 ter Etlico - 119 + 34 Tolueno - 95 + 110 Dixido de Enxofre - 73 - 10 Propano - 190 - 42

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Material de Construo Bulbo e Capilar:- ao inox, ao, cobre e lato. Nota:- O capilar pode atingir comprimentos de 100m, e o bulbo possui normalmente pequeno volume em comparao com os outros tipos. Elemento de medio:- Cobre-Berlio, bronze fosforoso e ao inox. Nota:- Pode, como nos outros modelos ser do tipo bourbon, espiral ou helicoidal.

CAPILAR COMGLICERINA

LQUIDOVOLTIL

VAPOR

BULBO

CAPILAR COMVAPOR OU

LQUIDO

LQUIDOVOLTIL

VAPOR

BULBO

Instrumentao Bsica

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Termmetro dilatao de slido ou Termmetro Bimetlico Princpio de Funcionamento A operao deste tipo de termmetro se baseia no fenmeno da dilatao linear dos metais com a temperatura. sabido que o comprimento de uma barra metlica varia com a temperatura segundo a frmula aproximada: L = Lo (1 + t) Onde: L = comprimento da barra temperatura t. Lo = comprimento da barra 0C. t = temperatura da barra. = coeficiente de dilatao linear do metal utilizado Deste modo poder-se-ia construir um termmetro baseado medio das variaes de comprimento de uma barra metlica. A figura mostra dois tipos de termmetros baseados diretamente neste fenmeno: - O primeiro tipo consiste em uma barra metlica sustentada horizontalmente e um sistema mecnico para amplificao das pequenas variaes de comprimento da barra. - O segundo tipo baseia-se na medio da diferena de dilatao entre um tubo feito de material de coeficiente de dilatao e uma haste interna de material de baixo coeficiente de dilatao.

PONTEIRO

AMPLIFICAOMECNICA

TUBO DE DILATAO

(LATO)

HASTE DETRANSMISSO

(INVAR)

PONTEIROAMPLIFICAOMECNICA

BARRA DE DILATAOAJUSTE DE

ZERO

Instrumentao Bsica

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Estes termmetros apresentam dois graves inconvenientes: - O elemento sensor possui uma grande massa, o que torna a resposta do termmetro lenta. - A variao do comprimento experimentada pela barra muito pequena, necessitando de uma grande amplificao mecnica at o dispositivo de indicao. Este ltimo fator pode ser evidenciado no seguinte exerccio: - Calcular a variao de comprimento sofrida por uma barra de ferro cujo comprimento a 0C de 300mm. Quando ela for submetida a uma temperatura de 100C. Dado: Coeficiente de dilatao linear de ferro Fe = 12.10-6.C-1 L = 10.(1 + .t) L = 300.(1 + 12 . 10-6 . 100) L = 300.(1 + 0,0012) L = 300. (1,0012) = 300,36mm Onde: L = comprimento 100C. Lo = comprimento 0C. t = 100C. Variao de comprimento: L = L - Lo L = 300,36 - 300,00 L = 0,36mm Portanto uma variao de 100C em uma barra de ferro de 300mm, provoca uma variao de apenas 0,36 em seu comprimento. O Bimetal Fixando-se duas lminas metlicas com coeficientes de dilatao diferentes de maneira indicada na figura, e submetendo o conjunto assim formado a uma variao de temperatura, observa-se um encurvamento que proporcional temperatura. O

Instrumentao Bsica

SENAI 110

encurvamento devido as diferentes coeficientes de dilatao dos dois metais, sendo o segmento de crculo a forma geomtrica que comporta as duas lminas com comprimentos diferentes. Evidentemente, fixando-se uma extremidade da lmina bimetlica, o movimento da outra ponta representar a temperatura da mesma. A sensibilidade deste sistema bem superior do apresentado na figura anterior, sendo tanto maior quanto for o comprimento da lmina e a diferena entre os dois coeficientes de dilatao dos metais. Um termmetro elementar baseado no efeito bimetlico apresentado na figura a seguir.

MATERIAL A

MATERIAL B

A > B

O Termmetro Bimetlico Na prtica a lmina bimetlica enrolada em forma de espiral ou hlice, o que aumenta mais ainda a sensibilidade do sistema conforme a figura.

Instrumentao Bsica

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ESPIRAL HELICOIDAL

O termmetro mais usado o de lmina bimetlica helicoidal. E consiste de um tubo bom condutor de calor, do interior do qual fixada um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala.

APOIO

METALHELICOIDAL

HASTEDE

TRANSMISSO

APOIO

Normalmente o eixo gira de um ngulo de 270 para uma variao de temperatura que cubra toda a faixa do termmetro.

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Material de Construo Faixa de Trabalho e Exatido A sensibilidade do termmetro depende das dimenses de hlice bimetlica e de diferena de coeficiente de dilatao dos dois metais. Normalmente usa-se 1 INVAR como metal de baixo coeficiente de dilatao. INVAR:- (Ao com aproximadamente 36% de nquel e que possui baixo coeficiente de dilatao, aproximadamente 1/20 dos dois metais comuns). O lato utilizado como material de alto coeficiente de dilatao e para temperaturas mais elevadas usa-se ligas de nquel. A faixa de trabalho dos termmetros bimetlicos vai aproximadamente de -50C 800C, sendo a escala sensivelmente linear. A exatido normalmente garantida de 2% do valor mximo da escala. Usualmente, as lminas bimetlicas so submetidas a tratamentos trmicos e mecnicos aps a confeco, usando a estabilizao do conjunto (repetibilidade). Termmetro de Resistncia Princpio de Funcionamento O princpio de medio de temperatura por meio de termmetros de resistncia, repousa essencialmente sobre a medio de variao da resistncia eltrica de um fio metlico em funo da temperatura. A relao matemtica entre a resistncia de um condutor e sua temperatura dada pela frmula aproximada: R = Ro (1 + t) Equao n1 Onde: R = resistncia tC. Ro = resistncia 0C. = coeficiente de variao de resistncia do metal com a temperatura. t = temperatura. Esta frmula nos diz que a resistncia varia linearmente com a temperatura, porm a rigor o coeficiente de variao de resistncia () muda de valor para cada faixa de

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temperatura, o que limita o uso da frmula apenas para pequenas variaes de temperatura. A relao matemtica mais geral a seguinte:- R = Ro (1 + 1t + 2t2 + 3t3 + ... + ntn) Onde: R = resistncia tC. Ro = resistncia 0C. 1, 2, 3, n = coeficiente de variao de resistncia do metal. t = temperatura. Podemos observar que os termos do 2 grau e maiores (2t2,3t3...) contribuem para no linearidade da relao, sendo que quanto maior o valor das constantes dos termos de 2 grau para cima, maior o afastamento da linearidade. Tipos de Bulbo de Resistncia Caractersticas Desejveis: O tipo de metal utilizado na confeco de bulbos sensores de temperatura, deve possui caractersticas apropriadas, como: - Maior coeficiente de variao de resistncia com a temperatura (1, 2, ... n), quanto maior o coeficiente, maior ser a variao da resistncia para uma mesma variao de temperatura, tornando mais fcil e precisa a sua medio. - Maior resistividade, isto , para pequenas dimenses de fio uma alta resistncia inicial. - Estabilidade do metal para as variaes de temperatura e condies do meio (resistncia corroso, baixa histerese, etc.). - Linearidade entre a variao de resistncia e a temperatura, produzindo escalas de leitura de maior preciso e com maior comodidade de leitura.

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Tipos de Metal Utilizados e Faixa de Utilizao: Os metais utilizados com maior frequncia na confeco de termo resistncia so:- - platina (Pt) - nquel (Ni) - cobre (Cu) Para pequenas faixas de temperatura um coeficiente mdio , variao de resistncia, pode ser utilizado. Porm, para faixas mais amplas, necessita-se a introduo dos coeficientes de ordem superior, para uma maior aproximao curva real de radiao R versus T. Por exemplo, no caso da Platina, dois coeficientes so suficientes at a temperatura de 649C, esta relao quadrtica e se afasta da relao linear em aproximadamente 7% no valor mximo. Para Cobre, so necessrios trs (3) constantes vlidas at a temperatura de 121C. Apesar das trs constantes, a relao entre a resistncia e a temperatura sensivelmente linear (pequenos valores de 1 e 2). Trs constantes so necessrias para o Nquel na faixa usual da temperatura, sendo a relao sensivelmente no linear. A faixa de utilizao aproximada dos trs metais mostrada a seguir:- PLATINA - faixa - 200 600C (excepcionalmente 1200C) - Ponto de Fuso 1774C. NQUEL - faixa - 200 300C - Ponto de Fuso 1455C. COBRE - faixa - 200 120C - Ponto de Fuso 1023C. Tipos de Construo: Normalmente a termoresistncia constituda de um fio muito fino, enrolado sobre um suporte isolante que poder ser de mica, vidro ou cermica. Este conjunto isolado e encapsulado em vidro ou cermica, tornando a resistncia assim constituda, isolada do meio ambiente.

Instrumentao Bsica

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O termo elemento pode ser protegido por uma fina capa metlica e ser utilizado dentro do poo de proteo.

ENROLAMENTO DE PLATINA VIDRO, QUARTZO OU CERMICA

TERMINAIS DE PRATA OU COBRE

ENROLAMENTO DE NQUEL

CARRETEL DE MICA, CELERON

As extremidades dos fios de resistncia so soldados em fios de prata ou cobre, que por sua vez vo ter a um bloco terminal existente no cabeote do poo de proteo. Em casos especiais so fabricados termo resistncias duplas no mesmo conjunto, seja para maior segurana ou para acionar simultaneamente dois ou mais dispositivos de medio e/ou controle. No caso de baixas temperaturas, melhora-se a conduo de calor do poo para a termo resistncia, pressurizando-se o mesmo com um gs bom condutor de calor (helio). Simultaneamente esta prtica protege os dispositivos contra condensaes internas que poderiam afetar a resistncia da sonda. Exatido A exatido dos termmetros de resistncia, quando corretamente instalados, grande, pode atingir a 0,01C. Normalmente as sondas utilizadas industrialmente apresentam uma preciso de 0,5C. No Brasil usa-se normalmente a norma DIN-iec 751/85 que estabelece para termmetros de resistncia de platina o valor de 100,00 a 0C, e de 138,50 a 100C.

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Tempo de Resposta, Padronizao das Termoresistncias O tempo de respostas depende, como em todos tipos de termmetros j citados, da massa do poo de proteo, da transmisso de calor entre o fludo e o poo, entre o poo e a termo resistncia e da prpria temperatura medida.

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10

LQUIDO

AR

%

TEMPO(MIN)1 2 3

Fig. 19 Outros valores utilizados de resistncia so:- - Platina - 50 a 0C, 10 0C. - Nquel - 100 0C, 120 0C, 300 0C (muito varivel). - Cobre - 10 0C, 25 20C. Termistores o nome dado a elementos semicondutores, normalmente xidos metlicos aglutinados alta temperatura. As caractersticas principais dos termistores so: - Sua alta resistividade possibilitando a construo de elementos da massa diminuta. - Elevado coeficiente de variao de resistncia possibilitando a construo de termmetros com faixa de utilizao bastante estreita. Nota:- O coeficiente de variao de resistncia dos termistores alcana normalmente 8 a 10 vezes o valor dos metais comuns. - Sua robustez e durabilidade praticamente ilimitada.

FoxitTermistores o nome dado a ele

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SENAI 117

A relao matemtica entre a temperatura e a resistncia dada pela frmula:- R = a . eb/t Onde: R = a resistncia temperatura t. a e b = so parmetros caractersticos de cada termistor. e = base dos logartmos heperianos (e=2,718) t = temperatura absoluta (K). Desta equao podemos concluir que: 1. O coeficiente de resistncia do termistor negativo, isto , a resistncia diminui com o aumento de temperatura como mostra a fig. 20.

20

40

60

80

100

C

RESISTNCIA K15 30

120

140

70

o

Curva R x T de um Termistor (FENWALL K 1382) 2. A relao entre a temperatura e as resistncias no linear e sim logartmica. A faixa de utilizao dos termistores est usualmente entre -80 e 700C. Sua aplicao mais notvel no controle de temperatura de ambientes aquecidos por resistncias eltricas (por exemplo) a cmara de anlise de um analisador, devido a sua alta sensibilidade e pequena inrcia trmica pode comandar o circuito de aquecimento, e manter a temperatura dentro de uma faixa de 0,02C. A figura a seguir mostra algumas formas tpicas de termistores.

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SENAI 118

Medidores de Temperatura por Termoresistncia Princpio de Medio Bsico A medio de temperatura por meio de termoresistncia consiste em se medir a resistncia do sensor e traduz-la em uma escala de temperaturas. Teoricamente, o circuito apresentado na figura abaixo proporcionaria as indicaes de temperatura procuradas na termoresistncia Rx, medindo-se a corrente (i) que circula no circuito e medindo-se Rx atravs da lei de Ohm.

mA

r

Rx

E

Circuito Elementar para Medio de Rx

r - iE =Rx

Onde: Rx = resistncia do sensor de temperatura. r = resistncia do circuito. E = bateria de alimentao. Conhecendo-se a relao entre Rx e a temperatura do mesmo, pode-se, baseado na equao do circuito acima, calibrar o miliampermetro em valores de temperatura. Embora tecnicamente correto este circuito no usado na prtica, pois apresenta uma srie de inconvenientes quais sejam:-

Instrumentao Bsica

SENAI 119

- A corrente no circuito depende das resistncias associadas (fios de ligao, miliampermetro, fonte). - A corrente no circuito depende da tenso de alimentao (E). - A escala no seria linear. Tipos de Circuito de Medio Utilizados Podemos classificar os medidores nos seguintes tipos: 1. Circuito em ponte. 2. Circuito elementar com bobina de compensao (sistema de galvanmetro bobinas cruzadas). Circuito em Ponte: O circuito de medio em ponte o mais utilizado na medio de resistncia e consequentemente na medio de temperatura. Existem dois tipos principais:- 1 Tipo:- Medio por ponte no equilibrada A ponte de medio mais utilizada usualmente a de WHEASTONE, como mostra a figura abaixo:

G

B

A

R1

R2 R3

R4

RE

E

+

-

Ponte de Wheatstone

FoxitTipos de Circuito de Medio Utilizados

Instrumentao Bsica

SENAI 120

O equilbrio da ponte atingido quando R1 . R3 = R2 . R4 . Conhecendo-se R3 podemos deduzir o valor de R4 , isto , o seu valor hmico. R1 . R3 = R2 . R4 (se R1= R2). R3 = R4 Ligao a dois fios As resistencias RL so resistncias de fiao e ambas esto esto em srie com R4. A resistncia aumenta quando a distncia do sensor at o instrumento for maior, a temperatura for maior e a bitola do fio menor. R1 . R3 = R2 . (RL + RL + R4)

G

B

A

R1

R2 R2

R4

RE

E

+

-

RL

RL

R3 = RL +. RL + R4 RL +. RL dependendo de seus valores podem induzir graves erros em medies de temperatura com termoresistncias. Ligao a trs fios Quando a ligao entre a termoresistncia e o instrumento for grande, usa-se o sistema de ligao compensado com trs fios I (Sistema SIEMENS) como mostra a figura a seguir.