Manual Tecnologia de Instr. e Automao 3

NDICE: 1 OBJETIVO 52 PRESSO 6

2.1 Conceitos Bsicos 62.2 Unidades 72.3 Manmetro 7

2.3.1 Acessrios 92.3.2 Classificao dos Manmetros 102.3.3 Fole 11

2.4 Coluna de Lquido 112.5 Transmissores de Presso 13

2.5.1 Tipo Capacitivo 132.5.2 Tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo 142.5.3 Sensor por Silcio Ressonante 16

3 MEDIO DE VAZO 203.1 Conceitos Bsicos 203.2 Tipos de Medidores de Vazo: 203.3 Medio de Vazo por Presso Diferencial 21

3.3.1 Vantagens / Desvantagens 223.3.2 Tipos de Orifcios 22

MANUAL

TECNOLOGIA DE INSTRUMENTAO E

AUTOMAO

2

3.4 Medidor Eletromagntico de Vazo 233.4.1 Principio de Funcionamento 233.4.2 Instalao do medidor magntico 24

3.5 Medidor Vortex 263.5.1 Principio de medio 263.5.2 Instalao 28

4 TEMPERATURA 294.1 Introduo 294.2 Escalas de Temperatura 30

4.2.1 Escala Internacional de Temperatura 314.3 Normas 324.4 Termmetros dilatao de slido bimetlico 334.5 Termmetros par termoeltrico 364.6 Termmetro a dilatao de lquido 36

4.6.1 Caractersticas dos elementos bsicos: 384.7 Termmetros a Presso de Gs 394.8 Termmetro Presso de Vapor 414.9 Termopares 42

4.9.1 Efeitos Termoeltricos 434.9.2 Correlao da F.E.M. em Funo da Temperatura 474.9.3 Tipos e Caractersticas dos Termopares 484.9.4 Tipos de Termopares : Tipo T - TERMOPARES DE COBRE CONSTANTAN 484.9.5 Tipos de Termopares : Tipo J - TERMOPARES DE FERROCONSTANTAN 494.9.6 Tipos de Termopares : Tipo E - TERMOPARES DE CROMEL CONSTANTAN 494.9.7 Tipos de Termopares : Tipo K - TERMOPARES DE CHROMEL ALUMEL 504.9.8 Tipos de Termopares : Tipo N - TERMOPARES DE NICROSIL - NISIL 504.9.9 Tipos de Termopares : Tipo S/R - TERMOPARES DE RDIO - PLATINA 514.9.10 Tipos de Termopares : Tipo B - TERMOPARES DE PLATINA- RDIO / PLATINA - RDIO 514.9.11 Correo da Junta de Referncia 524.9.12 Fios de Compensao e Extenso 534.9.13 Erros De Ligao 534.9.14 Termopar de Isolao Mineral 564.9.15 Associao de Termopares 57

4.10 Termoresistncias 584.10.1 Princpio de Funcionamento 594.10.2 Construo Fsica do Sensor 604.10.3 Caractersticas da Termoresistncia de Platina 614.10.4 Vantagens / Desvantagens: 624.10.5 Princpio de Medio 62

4.11 Medio de Temperatura por Radiao 644.11.1 Radiao Eletromagntica - Hiptese de Maxwell 644.11.2 Espectro eletromagntico 654.11.3 Teoria da Medio de Radiao 664.11.4 Pirmetros pticos 694.11.5 Radimetro ou Pirmetros de Radiao 70

5 NVEL 725.1 Introduo 725.2 Mtodos de Medio de Nvel de Lquido 72

5.2.1 Medio Direta 725.3 Medio de Nvel Indireta 74

5.3.1 Medio de Nvel por Presso Hidrosttica (presso diferencial) 745.3.2 Medio por Presso Diferencial em Tanques Pressurizados. 745.3.3 Medio de Nvel com Borbulhador 765.3.4 Medio de Nvel por Empuxo 775.3.5 Medio de Nvel por Radiao 785.3.6 Medio de Nvel por Capacitncia 795.3.7 Medio de Nvel por Ultra Som 805.3.8 Medio de Nvel por Radar 815.3.9 Medio de Nvel por Presso Hidrosttica 81

5.4 Medio de Nvel Descontnua 82

3

5.4.1 Medio de Nvel de Slidos 836 INVERSORES 84

6.1 Conceitos Bsicos 846.2 Formas de Operao 846.3 Vantagens do Controle de Velocidade por AFD 856.4 Motor AC 856.5 Torque - Escorregamento - Velocidade 876.6 Partidas de Motores 876.7 Torque 886.8 AFD (Adjustable Frequency Driver) 896.9 Circuito de Potncia: 916.10 Circuito RL 926.11 Aplicao 946.12 CPU e Softwraes 976.13 Hardware 986.14 Drivers 996.15 Troubleshooting 996.16 Encoders 100

7 CONTROLE 1047.1 Conceitos Bsicos 1047.2 Elementos de controle 105

7.2.1 Sensores e transmissores 1057.2.2 Vlvulas de controle 106

7.3 Elementos de painel 1077.4 Conceitos de Controle 1077.5 Documentao 1077.6 Controladores 108

7.6.1 Aes de Controle: 1087.6.2 Controle proporcional: 1097.6.3 Controle Integral: 1097.6.4 Controle proporcional e integral: 1107.6.5 Controle proporcional e derivativo: 1107.6.6 Controle proporcional, integral e derivativo: 1107.6.7 Algoritmo de Controle 1117.6.8 Desempenho de controladores 1127.6.9 Sintonia 1147.6.10 Variaes de Controles 115

8 NOES BSICAS SOBRE AJUSTE DE CONTROLADORES DE PROCESSO

ERRO! INDICADOR NO DEFINIDO.

9 CONTROLES DE CALDEIRAS 1279.1 Economia na Gerao de Vapor 1279.2 Operando um Sistema de Queima 127

9.2.1 Ar Estequiomtrico (Oxignio Terico) 1289.2.2 Composio Aproximada do Ar Atmosfrico 1289.2.3 Qual o Valor Ideal do Co2 na Queima ? 1289.2.4 Interpretao das Medies de Co2 128

9.3 Temperatura dos gases na Base da Chamin 1289.4 Fuligem nos Gases 129

9.4.1 Causas Provveis da Fuligem Excessiva : 1309.5 Controle de Combusto 130

9.5.1 Presso de Vapor 1319.5.2 Atomizao 1319.5.3 Temperatura do leo 1319.5.4 Nvel do Tubulo 1319.5.5 Excesso de Ar 132

9.6 Concluso 13210 CONTROLE DE DESCARGA DE FUNDO DE CALDEIRA 133

4

10.1 Objetivo: 13310.2 Vlvula de Descarga de Fundo 133

10.2.1 Requisitos Tcnicos para uma Vlvula de Descarga 13410.2.2 Vlvulas Comuns 135

10.3 Vlvulas Especiais 13510.4 Comparao da Eficincia entre as Vlvulas Especiais e Comuns 135

10.4.1 Comparao de Custos 13611 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUDO 138

11.1 Conceito: 13811.2 Estao de Controle 13811.3 Console de Operao 138

11.3.1 Alarmes 13911.3.2 Telas 13911.3.3 Segurana 13911.3.4 Relatrios 13911.3.5 Armazenamento de Dados 14011.3.6 Estao de Engenharia 140

12 REDES DE COMUNICAO 14112.1 Conceitos Bsicos 14112.2 Classificao das Redes de Comunicao 14212.3 Rede de Informao 14212.4 Rede de Controle 14312.5 Rede de Campo 143

13 FOUNDATION FIELDBUS 14513.1 Introduo 14513.2 O que uma rede Fieldbus ? 14513.3 Aplicaes 14713.4 Configuraes 147

13.4.1 Nveis de Protocolo : 14713.5 Nveis de Software: 148

13.5.1 Nvel de Enlace 14813.5.2 Nvel de Aplicao 14913.5.3 Nvel do Usurio 14913.5.4 Nvel Fsico 149

13.6 Topologias 15213.6.1 Topologia de barramento com Spurs 15213.6.2 Topologia Ponto a Ponto 15313.6.3 Topologia em rvore 15313.6.4 Topologia End to End 15413.6.5 Topologia Mista 154

5

1 OBJETIVO

Este documento tem por objetivo listar as vrias tecnologias de instrumentao e automao do projeto

HDF, esclarecendo os conceitos envolvidos.

O objetivo de se medir e controlar as diversas variveis fsicas em processos industriais obter produtos

de alta qualidade, com melhores condies de rendimento e segurana, a custos compatveis com as

necessidades do mercado consumidor. Nos diversos segmentos de mercado; qumicos, petroqumicos,

siderrgicos, cermicos, farmacuticos, vidreiros, alimentcio, papel e celulose, hidreltrico, nuclear entre

outros.

6

2 PRESSO

2.1 CONCEITOS BSICOS

A presso entre todas as variveis de processo se ressalta pela sua importncia, pois diversas outras

variveis so medidas utilizando-se indiretamente a presso, como por exemplo vazo, esta varivel pode

ser medida utilizando a presso diferencial de uma placa de orifcio com o fluxo atravs da mesma.

O conceito sobre presso que iremos falar aqui superficial, trataremos dos princpios bsicos e

funcionamento dos instrumentos, comeamos assim por manmetros industrias, vamos ento definir de

forma simples o que presso:

A presso definida como o quociente entre uma fora F e uma superfcie de rea A, isto :

AF

=

A unidade de fora Newton (N) definida como:

211 smKgN =

A partir dela diretamente derivada a unidade de presso pascal (Pa), assim denominada em honra ao

fsico francs Blaise Pascal:

211 mNPa =

Presso atmosfrica: a presso exercida pela atmosfera terrestre medida em um barmetro. Ao nvel

do mar esta presso aproximadamente de 760 mmHg.

Presso Relativa: a presso medida em relao presso atmosfrica, tomada como unidade de

referncia.

Presso Absoluta: a soma da presso relativa e atmosfrica, tambm se diz que medida a partir

do vcuo absoluto.

Importante: Ao se exprimir um valor de presso, determinar se a presso relativa ou absoluta.

Exemplo: 3 Kgf/cm2 ABSPresso Absoluta

4 Kgf/cm2 Presso Relativa.

O fato de se omitir esta informao na indstria significa que a maior parte dos instrumentos mede

presso relativa.

7

Presso Negativa ou Vcuo: quando um sistema tem presso relativa menor que a presso

atmosfrica.

Presso diferencial: a diferena entre 2 presses, sendo representada pelo smbolo . Essa

diferena de presso normalmente utilizada para se medir vazo e nvel.

Presso esttica: o peso exercido por um lquido em repouso ou que esteja fluindo

perpendicularmente a tomada de impulso, por unidade de rea exercida

Presso dinmica ou cintica: a presso exercida por um fludo em movimento. medida fazendo a

tomada de impulso de tal forma que recebe o impacto do fluxo.

2.2 UNIDADES

A presso pode ser dada em qualquer unidade que expresse o quociente de uma fora por uma superfcie

ou altura de coluna de liquido de peso especifico conhecido,na industria as unidades mais usadas para

presso so: barinCAmmHgmmCApsicmgf ,,,,,. 2 .A unidade padronizada para expressar uma presso

em nossa planta de energia , no projeto HDF o bar .

Na tabela abaixo apresentamos a converso das principais unidades de presso em relao ao bar .

bar psi inH20 Kgf/cm2 mmHg Kpa1 14,503 402,164 1,02 752,47 100

2.3 MANMETRO

O instrumento mais simples para se medir presso o manmetro, que pode ter vrios elementos

sensveis e que podem ser utilizados tambm por transmissores e controladores.

O manmetro com tubo Bourdon consiste de um tubo com seo oval, disposto na forma de arco de

circunferncia tendo uma extremidade fechada, estando outra aberta presso a ser medida. Com a

presso agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seo circular resultando um movimento em sua

extremidade fechada. Esse movimento atravs da engrenagem transmitido a um ponteiro que vai indicar

uma medida de presso.Quanto forma, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: tipo

C, espiral e helicoidal.

8

Tipos de Tubos " Bourdon "

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

Muitas vezes o manmetro do tipo Bourdon vem preenchido com um liquido viscoso com a finalidade

diminuir o efeito oriundo de vibraes da mquina ou, linha de presso onde est instalado o manmetro,

em nossa planta de energia encontraremos muitos manmetros deste tipo preenchido com glicerina,na

foto abaixo vemos o manmetro que poder vir preenchido com glicerina ou silicone conforme dissemos

acima,observe a foto abaixo.

9

Manmetro preenchido com glicerina

2.3.1 Acessrios

Pode se ter ainda vrios acessrios para utilizao com os manmetros industrias, estes acessrios so

utilizados para fins de amortecimento da linha, vlvulas de dreno e sangria,vlvulas de equalizao de

presso, observe na foto abaixo exemplos de acessrios,sendo que o sifo de resfriamento um dos

acessrios utilizados em nossa planta de energia com manmetros industriais.

Membrana ou Diafragma: constitudo por um disco de material elstico (metlico ou no), fixo pela

borda. Uma haste fixa ao centro do disco est ligada a um mecanismo de indicao.

Quando uma presso aplicada, a membrana se desloca e esse deslocamento proporcional presso

aplicada. O diafragma geralmente ondulado ou corrugado para aumentar sua rea efetiva.

Na foto abaixo apresentamos um manmetro tipo diafragma.

10

Manmetro tipo diafragma

2.3.2 Classificao dos Manmetros

Pela tolerncia:

Classe A4-0,01% da faixa Classe A3-0,25% da faixa Classe A2-0,50 da faixa Classe A1-1,00% da faixa Classe A-1% entre 25% e 75% da faixa,restante 2% Classe B-2% entre 25% e 75% da faixa,restante 3% Classe C-3% entre 25% e 75% da faixa,restante 4% Classe D-4% entre 25% e 75% da faixa,restante 4%

Pela faixa de presso

baixa presso, presses de gases abaixo de 25 bar e presses de liquido abaixo de 60 bar . media presso, presses de gases de 25 bar at 60 bar e lquidos de 60 bar at 400bar . alta presso,presses de gases acima de 160 bar e presses de lquidos acima de 400 bar .

Sobrepresso

Os valores de sobrepresso no devem exceder os limites da tabela abaixo e num

tempo Maximo de 1 minuto sobre esta presso.

Presso nominal 0-60 bar Sobrepresso

30% acima do F.E.

60-400 bar . 15% acima de F.E.

Acima de 400 bar . 10% acima de F.E.

11

Nota: Toda vez em que o instrumento sofrer uma sobrepresso dever ser substitudo ou calibrado

novamente devido o zero normalmente deslocar, comunique o instrumentista de turno.

2.3.3 Fole

O fole tambm muito empregado na medio de presso. Ele basicamente um cilindro metlico,

corrugado ou sanfonado.Quando uma presso aplicada no interior do fole, provoca sua distenso, e

como ela tem que vencer a flexibilidade do material e a fora de oposio da mola, o deslocamento

proporcional presso aplicada parte interna.

2.4 COLUNA DE LQUIDO

Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de lquido, fixado a uma base com

uma escala graduada, a coluna podem ser basicamente de trs tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e

em forma de "U", os lquidos mais utilizados nas colunas so: gua (normalmente com um corante) e

mercrio, quando se aplica uma presso na coluna o lquido deslocado, sendo que este deslocamento

proporcional a presso aplicada.

12

P1 = Px + gH2OL + gHgh

P2 = Py + gH2O(h + L) , P1 = P2

Px + gH2OL + gHgh = Py + gH2O(h+ L) = Py + gH2Oh + gH2OL , Py = 0

Px = gH2Oh - gHgh

h = Px / (gH2O - gHg)

Num corpo continuo de liquido esttico a intensidade de presso cresce diretamente com a profundidade,

medida a partir da superfcie livre, a presso de fluido atua perpendicularmente a todas as superfcies com

as quais est em contato, em qualquer ponto interno do fluido a presso tem a mesma intensidade em

todas direes e sentidos, esta presso transmitida deforma instantnea e integral a todos os pontos do

liquido, esta propriedade caracterizada em nossa prensa de linha.

Manmetro de tubo inclinado Manmetro de Reservatrio

13

2.5 TRANSMISSORES DE PRESSO

O nosso objetivo explicar as tecnologias envolvidas no sensoriamento das presses no projeto HDF, na

planta de energia a tecnologia o sensor por silcio ressonante, contudo, vamos falar sobre os strain

gauge que o sensor utilizado na prensa, bem como falarmos sobre a tecnologia capacitiva para que

possamos visualizar as diferenas de tecnologia envolvidas nos transmissores de presso.

2.5.1 Tipo 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 montada juntos ao sensor,outra caracterstica inerente montagem , a

falta de linearidade entre a capacitncia e a distncia das armaduras devido deformao no linear ,

sendo necessrio portanto , uma compensao (linearizao) a cargo do circuito eletrnico .

O sensor formado plos seguintes componentes :

Armaduras 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 . 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

14

2.5.2 Tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo

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 :

SLR .=

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 .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 .

15

Da fsica tradicional sabemos que um material ao sofrer uma flexo , suas fibras internas sero

submetidas a 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) .

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,por ex. os

transmissores das prensas de nosso processo mido.

16

2.5.3 Sensor por Silcio Ressonante

A tecnologia utilizada em nossa planta de energia para os transmissores de presso e nvel a tecnologia

por silcio ressonante,optamos por esta tecnologia em funo de uma melhor estabilidade do zero na

calibrao quando comparada a tecnologia capacitiva, isto se retrata principalmente por dois aspectos, o

primeiro o fato de no se haver uma converso A/D e a outra pelo fato do sensor primrio ter uma

resposta linear com a presso.O sensor do silcio ressonante consiste de uma cpsula de silcio colocada

estrategicamente em um diafragma , utilizando-se do diferencial de presso para vibrar em maior ou

menor intensidade, afim de que essa freqncia seja proporcional a presso aplicada.

17

Todo o conjunto pode ser visto atravs da figura acima, 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, este conjunto possui um im permanente e o elemento

sensor de silcio.

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).

Este enfoque pode ser observado na figura abaixo:

18

Portanto, a combinao do fator campo magntico/campo eltrico responsvel pela vibrao do

sensor,sendo que 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 diferentes,

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 aplicado, na figura a seguir exibido o circuito eletrnico equivalente.

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

presso.

19

Na figura abaixo podemos ver o transmissor que ser utilizado na planta de energia:

20

3 MEDIO DE VAZO

3.1 CONCEITOS BSICOS

A medio de vazo inclui no seu sentido mais amplo, a determinao da quantidade de lquidos, gases e

slidos que passa por um determinado local na unidade de tempo; podem tambm ser includos os

instrumentos que indicam a quantidade total movimentada, num intervalo de tempo.A quantidade total

movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros,mm 3 , cm 3 , m 3 , gales, ps cbicos) ou

em unidades de massa (g, Kg, toneladas,libras). A vazo instantnea dada por uma das unidades acima,

dividida por uma unidade de tempo (litros/min, m 3 /hora, gales/min). No caso de gases e vapores, a

vazo instantnea pode ser expressa, em Kg/h ou em m 3 /h. Quando se mede a vazo em unidades de

volume, devem ser especificadas as "condies base" consideradas. Assim no caso de lquidos,

importante indicar que a vazo se considera "nas condies de operao", ou a 0 C, 20 C, ou a outra

temperatura. qualquer. Na medio de gases , comum indicar a vazo em m 3 /h (metros cbicos por

hora, ou seja, a temperatura. de 0 C e a presso atmosfrica) ou em SCFM (ps cbicos standard por

minuto - temperatura. 60 F e14,696 PSIA de presso atmosfrica). Vale dizer que: 1m 3 = 1000 litros 1

galo (americano) = 3,785 litros,1 p cbico = 0,0283168 m 3 1 libra = 0,4536 Kg.

3.2 TIPOS DE MEDIDORES DE VAZO:

Existem dois tipos de medidores de vazo, os medidores de quantidade e os medidores volumtricos, ns

estaremos enfocando mais o volumtrico devido justamente ser este tipo de medidor o empregado em

nossa planta de energia.

Medidores de Quantidade: So aqueles que, a qualquer instante permitem saber que quantidade de

fluxo passou mas no vazo do fluxo que est passando. Exemplo: bombas de gasolina, hidrmetros,

balanas industriais, etc.

Medidores de Quantidade por Pesagem: So utilizados para medio de slidos, que so as balanas industriais.

Medidores de Quantidade Volumtrica: So aqueles que o fludo, passando em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medio faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicao.So

estes medidores que so utilizados para serem os elementos primrios das bombas de gasolina e dos

hidrmetros. Exemplo: disco mutante, tipo pisto rotativo oscilante, tipo pisto alternativa, tipo ps,

tipo engrenagem, etc.

Medidores Volumtricos: So aqueles que exprimem a vazo por unidade de tempo,ser o medidor de

vazo empregado na planta de energia para se medir vazo de gua,vapor,leo e etc.

21

3.3 MEDIO DE VAZO POR PRESSO DIFERENCIAL

O transmissor de Vazo tem como funo transmitir a vazo do processo para uma sala de controle ou

sistema de controle. A vazo a principal varivel na maioria dos processos industriais. Existem vrios

mtodos e instrumentos para medio de vazo. O mais comumente utilizado a medio de vazo por

diferena de presso. Uma restrio instalada em uma linha e atravs da presso diferencial podemos

medir a vazo com uma boa preciso. O instrumento utilizado para medir a presso diferencial o

transmissor de presso diferencial. um medidor de presso como j vimos anteriormente, s que as duas

cmaras de tomadas de presso so utilizadas no processo,ou seja, tomadas de alta (H) e baixa (L)

presso.

Uma vantagem primordial dos medidores de vazo por DP, que os mesmos podem ser aplicados numa

grande variedade de medies, envolvendo a maioria dos gases e lquidos, inclusive fludos com slidos

em suspenso, bem como fludos viscosos, em uma faixa de temperatura e presso bastante ampla. Um

inconveniente deste tipo de medidor a perda de carga que o mesmo causa ao processo , sendo a placa de

orifcio, o dispositivo que provoca a maior perda de carga "irrecupervel" (de 40 a 80% do DP gerado).

O clculo da vazo para a medio com instrumentos de presso diferencial basicamente:

onde:

Q=Vazo do fluido na regio da restrio;

K = Coeficiente que representa de forma universal, caractersticas do fluido, dimetro e tubulao. A = rea de passagem da restrio.

DP = Perda de carga entre montante e jusante da restrio.

22

Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulao para se criar uma presso diferencial, o mais simples e

mais comum empregado o da placa de orifcio.Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual

instalada perpendicularmente ao eixo da tubulao. essencial que as bordas do orifcio estejam sempre

perfeitas, porque, se ficarem, imprecisas ou corrodas pelo fludo, a preciso da medio ser

comprometida. Costumeiramente fabricado com ao inox, monel, lato, etc.,dependendo do fludo

3.3.1 Vantagens / Desvantagens

Vantagens:

Instalao fcil Econmica Construo simples Manuteno e troca simples

Desvantagens:

Alta perda de carga Baixa rangeabilidade

3.3.2 Tipos de Orifcios

Orifcio concntrico: Este tipo de placa utilizado para lquidos, gases e vapor que no contenham slidos em suspenso.

Orifcio excntrico: Utilizada quando tivermos fludo com slidos em suspenso, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifcio posicionado na parte de baixo do tubo.

Orifcio segmental: Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de crculo. destinada para uso em fludos laminados e com alta porcentagem de slidos em

suspenso.Na foto abaixo voc ver um exemplo de placa de orifcio tipo concntrico.

23

3.4 MEDIDOR ELETROMAGNTICO DE VAZO

O medidor magntico de vazo seguramente um dos medidores mais flexveis e universais dentre os

mtodos de medio de vazo . Sua perda de carga equivalente a de um trecho reto de tubulao, j que

no possui qualquer obstruo. virtualmente insensvel densidade e viscosidade do fluido de

medio. Medidores magnticos so ideais para medio de produtos qumicos altamente corrosivos,

fluidos com slidos em suspenso, lama, gua,polpa de papel. Sua aplicao estende-se desde saneamento

at indstrias qumicas, papel e celulose, minerao e indstrias alimentcias. A nica restrio,em

princpio que o fludo tem que ser eletricamente condutivo. Tem ainda como limitao o fato de fluidos

com propriedades magnticas adicionarem um certo erro de medio.Na figura abaixo podemos ver o

medidor magntico em corte e no final a foto do medidor magntico utilizado na planta de energia.

Pela figura acima podemos reescrever a equao como sendo Vd..= .

Onde:

= Fem induzida

B = densidade do fluxo magntico

d = dimetro interno do detector

V = velocidade do fluxo

3.4.1 Principio de Funcionamento

O medidor magntico de vazo baseado na lei de FARADAY, esta lei foi descoberta pelo cientista

ingls FARADAY em 1831, segundo a lei, quando um objeto condutor se move em um campo magntico

uma forca eletromotriz gerada, a relao entre a direo do campo, movimento do fluido e FEM

induzida pode ser determinada pela regra da mo direita de Fleming,pela equao Vd..= ,levando-se

24

em conta que a densidade de fluxo magntico constante,temos que a FEM proporcional

velocidade,logo a vazo pode ser definida como VSQ .= .

onde:

Q =vazo

S = rea da seo transversal do tubo ( m )

V =velocidade media do fluido ( sm / )

3.4.2 Instalao do medidor magntico

A instalao do medidor de vazo magntico simples, contudo certos cuidados so necessrios para

evitar erros na medio provocados pela presena de ar e danos causados pela induo de vcuo,outro

fator so as distancias mnimas para operar o medidor de forma a garantir uma linha com vazo laminar

Itens a serem considerados na instalao:

no instale o medidor em um ponto superior da tubulao,bolhas de ar acumuladas no tubo de medio causaro medies incorretas.

quando for instalar o tubo em um trecho horizontal procure por uma parte levemente ascendente,se no for possvel garanta a velocidade adequada para impedir que ar,gases ou vapores se

acumulem na parte superior do tubo.

na alimentao ou descargas abertas instale o tubo na parte inferior do tubo de medio em tubos com mais de 5 metros de comprimento instale a vlvula de ar a jusante do medidor de vazo

procure sempre instalar o medidor de vazo antes das vlvulas de bloqueio ou controle . instale o medidor de vazo no lado suco da bomba podemos resumir que a instalao correta deixar o tubo sempre preenchido com liquido

Distncias: Na figura abaixo mostramos as distancias que sempre devero ser respeitadas para que se

possa garantir uma medio correta:

25

Na figura abaixo temos uma viso simplificada do medidor magntico de nossa planta de energia que o

Admag e na seqncia a foto deste modelo.

Medidor magntico de vazo modelo ADMAG

26

3.5 MEDIDOR VORTEX

Quando um anteparo de geometria definida colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulao

em que escoa um fluido, ocorre a formao de vrtices; que se desprendem alternadamente de cada lado

do anteparo, como mostrado na figura abaixo. Este um fenmeno muito conhecido e demonstrado em

todos os livros de mecnica dos fluidos.Os vrtices tambm podem ser observados em situaes

freqentes do nosso dia a dia, como por exemplo:O movimento oscilatrio da plantas aquticas, em razo

da correnteza; As bandeiras flutuando ao vento; As oscilaes das copas das rvores ou dos fios eltricos

quando expostas ao vento.Na figura abaixo voc ver o principio do medidor vortex utilizado em nossa

planta de energia.

3.5.1 Principio de medio

O principio de medio do vortex a introduo de um probe de formato definido no jato da vazo,que

produz os vrtices de Van Karman, a freqncia destes vrtices linearmente proporcional velocidade

e, portanto, vazo volumtrica do fluido,como o vortex um medidor que extrai energia do fluido, h

limitaes de velocidade e de numero de Re, desta forma, o obstculo de geometria definida colocada

de forma a obstruir parcialmente um tubo em que escoa um fluido,h formao de vrtices que se

desprendem alternativamente dos lados do obstculo, conforme figura nossa acima,a freqncia de

desprendimento ( f ) dos vrtices, no caso de um obstculo bidimensional de dimenso transversal ( d ),

relacionada velocidade (V ) do fluido por uma constante,chamada de Strouhal, V

dfS .= .

onde:

S = numero de Strouhal

f = freqncia de desprendimento

d = dimenso do probe

27

V = velocidade do fluido

Adicionalmente, neste caso a expresso VAQ .= tambm vlida.

onde:

Q = vazo volumtrica

A = rea da seo da tubulao

V = velocidade do fluido

Mediante uma simples substituio, e considerando os parmetros constantes agrupados em nico

fator,teremos que a vazo ser fKQ .=

onde:

Q = vazo volumtrica

K = VA.

f = freqncia

Na foto abaixo ns podemos ver o medidor vortex que ser instalado na planta de energia

28

3.5.2 Instalao

A instalao bastante simples, na figura ilustramos as condies necessrias para que o medidor vortex

opere corretamente.

29

4 TEMPERATURA

4.1 INTRODUO

A monitorao da varivel temperatura fundamental para a obteno do produto final especificado.

Termometria significa "Medio de Temperatura". Eventualmente o termo Pirometria tambm aplicado

com o mesmo significado, porm, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir:

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.

Termometria - Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria, como a Criometria que seriam

casos particulares de medio.

Todas as substncias so constitudas de pequenas partculas, as molculas que se encontram em contnuo

movimento. Quanto mais rpido o movimento das molculas mais quente se apresenta o corpo e quanto

mais lento mais frio se apresenta o corpo.Ento se define temperatura como o grau de agitao trmica

das molculas.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.Calor energia em trnsito ou a forma

de energia que transferida atravs da fronteira de um sistema em virtude da diferena de temperatura.at

o final do sculo XVI, quando foi desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliar temperatura, o sentido

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 inadequao destes sentidos sob ponto de vista

cientfico.A literatura geralmente reconhece trs meios distintos de transmisso de calor: conduo,

radiao e conveco.

Conduo: A conduo um processo pelo qual o calor flui de uma regio de alta temperatura para outra

de temperatura mais baixa, dentro de um meio slido, lquido ou gasoso ou entre meios diferentes em

contato fsico direto.

Radiao: A radiao um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de

baixa, quando os mesmos esto separados no espao, ainda que exista um vcuo entre eles.

30

Conveco: A conveco um processo de transporte de energia pela ao combinada da conduo de calor, armazenamento de energia e movimento da mistura. A conveco mais importante como

mecanismo de transferncia de energia (calor) entre uma superfcie slida e um liquida ou gs.

4.2 ESCALAS DE TEMPERATURA

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.As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram

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. 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 100 partes iguais, e cada parte um grau Celsius. A denominao "grau centgrado" utilizada

anteriormente no lugar de "Grau Celsius", no mais recomendada, devendo ser evitado o seu uso.Tanto

a escala Celsius como a Fahrenheit, so relativas, ou seja, os seus valores numricos de referncia so

totalmente arbitrrios.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 todo movimento atmico, o zero absoluto de temperatura. atravs da

extrapolao das leituras do termmetro a gs, pois os gases se liquefazem antes de atingir o zero

absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto na escala Celsius em -273,15C.Existem escalas

absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas fixado no zero absoluto de

temperatura,existem duas escalas absolutas atualmente em uso: a escala Kelvin e a Rankine,a escala

Kelvin possui a mesma diviso da Celsius, isto , um grau Kelvin igual a 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 ==> 785R.

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.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 Reamur, 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).

31

A figura a seguir, compara as escalas de temperaturas existentes.

4.2.1 Escala Internacional de Temperatura

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. Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prtica Internacional de Temperatura,a primeira escala

prtica internacional de temperatura surgiu em 1927 e foi modificada em 1948 (IPTS-48). Em 1960 mais

modificaes foram feitas e em 1968 uma nova Escala Prtica Internacional de Temperatura foi publicada

(IPTS-68).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.

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

32

Observao:

Ponto triplo o ponto em que as fases slidas, lquidas e gasosas encontram-se em equilbrio.A ainda

atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34C, baseada em pontos de fuso, ebulio e pontos

triplos de certas substncias puras como por exemplo o ponto de fuso de alguns metais puros.Hoje j

existe a ITS-90 Escala Internacional de Temperatura, definida em fenmenos determinsticos de

temperatura e que definiu alguns pontos fixos de temperatura.

PONTOS FIXOS IPTS-68 ITS-90

Ebulio do Oxignio -182,962C -182,954C

Ponto triplo da gua +0,010C +0,010C

Solidificao do estanho +231,968C +231,928C

Solidificao do zinco +419,580C +419,527C

Solidificao da prata +961,930C +961,780C

Solidificao do ouro +1064,430C +1064,180C

4.3 NORMAS

Com o desenvolvimento tecnolgico diferente em diversos pases, criou-se uma srie de normas e

padronizaes, cada uma atendendo uma dada regio. As mais importantes so:

ANSI - AMERICANA DIN - ALEM

ESTADO DE EQUILBRIO TEMPERATURA (C)

Ponto triplo do hidrognio -259,34 Ponto de ebulio do hidrognio -252,87 Ponto de ebulio do nenio -246,048 Ponto triplo do oxignio -218,789 Ponto de ebulio do oxignio -182,962 Ponto triplo da gua 0,01 Ponto de ebulio da gua 100,00 Ponto de solidificao do zinco 419,58 Ponto de solidificao da prata 916,93 Ponto de solidificao do ouro 1064,43

33

JIS - JAPONESA BS - INGLESA UNI - ITALIANA

Para atender as diferentes especificaes tcnicas na rea da termometria, cada vez mais se somam os

esforos com o objetivo de unificar estas normas. Para tanto, a Comisso Internacional Eletrotcnica -

IEC, vem desenvolvendo um trabalho junto aos pases envolvidos neste processo normativo, no somente

para obter normas mais completas e aperfeioadas mas tambm de prover meios para a

internacionalizao do mercado de instrumentao relativo a termopares,como um dos participantes desta

comisso, o Brasil atravs da Associao Brasileira de Normas Tcnicas - ABNT, est tambm

diretamente interessado no desdobramento deste assunto e vem adotando tais especificaes como

Normas Tcnicas Brasileiras.

Os elementos e transmissores de temperatura tm como funo transmitir a temperatura do processo para

uma sala de controle ou sistema de controle. Podemos dividir os instrumentos de medio de temperatura

em duas Classes:

1a. Classe: So instrumentos em que o sensor est em contato com o meio ou corpo que queremos medir.

Termmetros dilatao de slido. Termmetros par termo eltrico. Termmetros resistncia eltrica. Termmetros dilatao de lquido ou gs

2a. Classe: O elemento sensvel no est em contato com o meio ou o corpo que queremos medir.

Pirmetros de radiao total. Pirmetros de radiao parcial (monocromticos).

4.4 TERMMETROS DILATAO DE SLIDO BIMETLICO

O princpio de funcionamento a dilatao linear dos metais quando esses submetidos ao calor,cada

metal possui um determinado coeficiente de dilatao linear. O termmetro Bimetlico formado por

uma lmina composta de dois metais diferentes.Os coeficientes de dilatao linear dos dois metais so

diferentes e quando ocorre o aquecimento da barra, a dilatao linear dos metais no sendo iguais, faz

com que a lmina se curve. Esse encurvamento da lmina proporcional temperatura aplicada na barra.

34

Para aumentar a sensibilidade da lmina, os termmetros so construdos com lminas em formatos

variados.

Baseia-se no fenmeno da dilatao linear dos metais com a temperatura. Sendo:

)..1.( tLoLt +=

onde:

=t temperatura do metal em C

=Lo comprimento do metal a temperatura inicial de referencia to

=Lt comprimento do metal a temperatura final t

= coeficiente de dilatao linear

tott =

O termmetro bimetlico consiste em duas laminas de metais com coeficientes de dilatao diferentes

sobrepostas, formando uma s pea. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um

encurvamento que proporcional a temperatura. Na prtica a lamina bimetlica enrolada em forma de

espiral ou hlice, o que aumenta bastante a sensibilidade.

O termmetro mais usado o de lamina helicoidal, e consiste em um tubo bom condutor de calor, no

interior do qual fixado um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma

35

escala.Normalmente usa - se o invar (ao com 64% Fe e 36% Ni) com baixo coeficiente de dilatao e o

lato como metal de alto coeficiente de dilatao.A faixa de trabalho dos termmetros bimetlicos vai

aproximadamente de -50 a 800 oC, sendo sua escala bastante linear. Possui exatido na ordem de +/- 1%.

36

4.5 TERMMETROS PAR TERMOELTRICO

Muito utilizado para medio de temperaturas acima de 200 graus Celsius, o princpio de funcionamento

baseado na descoberta do Fsico alemo Seeback que observou uma diferena de potencial entre a

juno de dois metais diferentes.Nessa experincia, Seeback utilizou uma bssola sensvel ao campo

magntico criado pela corrente no circuito do termopar.

4.6 TERMMETRO A DILATAO DE LQUIDO

Os termmetros de dilatao de lquidos, baseia-se na lei de expanso volumtrica de um lquido com a

temperatura dentro de um recipiente fechado.

A equao que rege esta relao : ( ) ( ) ( )[ ]32 .3.2.11. tttVoVt +++= onde:

=t temperatura do liquido em C

=Vo volume do liquido a temperatura inicial de referencia to

=Vt volume do liquido a temperatura t

=3,2,1 coeficiente de expanso do liquido 1C

tott =

Teoricamente esta relao no linear, porm como os termos de segunda e terceira ordem so

desprezveis, na prtica consideramos lineares. E da:

).1.( tVoVt +=

Os tipos podem variar conforme sua construo:

- Recipiente de vidro transparente - Recipiente metlico

Termmetros de dilatao de lquido em recipiente de vidro constitudo de um reservatrio, cujo

tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seo , mais uniforme possvel

fechado na parte superior.O reservatrio e parte do capilar so preenchidos de um lquido. Na parte

superior do capilar existe um alargamento que protege o termmetro no caso da temperatura ultrapassar

37

seu limite mximo.Aps a calibrao, a parede do tubo capilar graduada 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.Os

lquidos mais usados so: Mercrio, Tolueno, lcool e Acetona ,nos termmetros industriais, o bulbo de

vidro protegido por um poo metlico e o tubo capilar por um invlucro metlico.

LQUIDO PONTO DE SOLIDIFICAO(oC)

PONTO DE EBULIO(oC)

FAIXA DE USO(oC)

Mercrio -39 +357 -38 a 550

lcool Etlico

-115 +78 -100 a 70

Tolueno -92 +110 -80 a 100 No termmetro de mercrio, pode-se elevar o limite mximo at 550OC injetando-se gs inerte sob

presso, evitando a vaporizao do mercrio, por ser frgil e impossvel registrar sua indicao ou

transmiti-la distncia, o uso deste termmetro mais comum em laboratrios ou em indstrias, com a

utilizao de uma proteo metlica.

Termmetro de dilatao de lquido em recipiente metlico: Neste termmetro, o lquido preenche todo o

recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensvel (sensor

volumtrico).

38

4.6.1 Caractersticas dos elementos bsicos:

Bulbo:

Suas dimenses variam de acordo com o tipo de lquido e principalmente com a sensibilidade desejada.A

tabela abaixo, mostra os lquidos mais usados e sua faixa de utilizao:

LQUIDO FAIXA DE UTILIZAO (oC)

Mercrio -35 +550

Xileno -40 +400

Tolueno -80 +100

lcool 50 +150

Capilar

Suas dimenses so variveis, sendo que o dimetro interno deve ser o menor possvel, a fim de evitar a

influencia da temperatura ambiente, porm no deve oferecer resistncia a passagem do lquido em

expanso.

O elemento usado o Tubo de Bourdon, podendo ser :

39

Os materiais mais usados so: bronze fosforoso, cobre - berlio , ao - inox e ao carbono,pelo fato

deste sistema utilizar lquido inserido num recipiente e da distncia entre o elemento sensor e o bulbo ser

considervel, as variaes na temperatura ambiente afetam no somente o lquido no bulbo, mas em todo

o sistema (bulbo, capilar e sensor) causando erro de indicao ou registro. Este efeito da temperatura

ambiente compensado de duas maneiras que so denominadas classe 1A e classe 1B.na classe 1B a

compensao feita somente no sensor, atravs de uma lamina bimetlica. Este sistema normalmente

preferido por ser mais simples, porm o comprimento mximo do capilar para este sistema de

compensao de aproximadamente 6 metros.Quando esta distncia for maior o instrumento deve possuir

sistema de compensao classe 1A, onde a compensao feita no sensor e no capilar, por meio de um

segundo capilar ligado a um elemento de compensao idntico ao de medio, sendo os dois ligados em

oposio.O segundo capilar tem comprimento idntico ao capilar de medio, porm no est ligado a um

bulbo.A aplicao destes termmetros, se encontra na indstria em geral para indicao e registro, pois

permite leituras remotas e por ser o mais preciso dos sistemas mecnicos de medio de temperatura,

porm no recomendvel para controle por causa de seu tempo de resposta ser relativamente grande

(mesmo usando fluido trocador de calor entre bulbo e poo de proteo para diminuir este atraso

conforme figura abaixo). O poo de proteo, permite manuteno do termmetro com o processo em

operao.Recomenda-se no dobrar o capilar com curvatura acentuada para que no se forme restrio

que prejudicariam o movimento do lquido em seu interior, causando problemas de medio.

4.7 TERMMETROS A PRESSO DE GS

40

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 constante e preenchido com um gs

a alta presso. Com a variao da temperatura, o gs varia sua presso conforme, aproximadamente a lei

dos gases perfeitos, com o elemento de medio operando como medidor de presso. A Lei de Gay-

Lussac, expressa matematicamente este conceito:

TnPn

TP

TP

=== ......22

11

onde:

=2,1 PP presses absolutas relativas s temperaturas

=2,1 TT temperaturas absolutas

Observa-se que as variaes de presso so linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume

constante,desta forma podemos expressar a presso como sendo tambm TVP =

O gs mais utilizado o N 2 e geralmente pressurizado com uma presso de 20 a 50 atm., na

temperatura mnima a medir. Sua faixa de medio vai de -100 a 600 oC, sendo o limite inferior devido

prpria temperatura crtica do gs e o superior proveniente do recipiente apresentar maior permeabilidade

ao gs nesta temperatura , o que acarretaria sua perda inutilizando o termmetro.

Tipos de gs de enchimento:

41

Gs Temperatura Crtica

Hlio ( He ) - 267,8 oC

Hidrognio ( H2 ) - 239,9 oC

Nitrognio ( N2 ) - 147,1 oC

Dixido de Carbono ( CO2 ) - 31,1 oC

4.8 TERMMETRO PRESSO DE VAPOR

Sua construo bastante semelhante ao de dilatao de lquidos, baseando o seu funcionamento na Lei

de Dalton: A presso de vapor saturado depende somente de sua temperatura e no de seu

volume",portanto para qualquer variao de temperatura haver uma variao na tenso de vapor do gs

liquefeito colocado no bulbo do termmetro e, em conseqncia disto, uma variao na presso dentro do

capilar.A relao existente entre tenso de vapor de um lquido e sua temperatura do tipo logartmica e

pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura em:

58,42

11

1

.21

=TTHe

PP

A tabela a seguir, mostra os lquidos mais utilizados e seus pontos de fuso e ebulio:

Lquido Ponto de Fuso ( oC ) Ponto de ebulio ( oC )

Cloreto de Metila - 139 - 24

Butano - 135 - 0,5

ter Etlico - 119 34

42

Tolueno - 95 110

Dixido de enxofre - 73 - 10

Propano - 190 - 42

4.9 TERMOPARES

Um termopar consiste de dois condutores metlicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de

ligas homogneas. Os fios so soldados em um extremo ao qual se d o nome de junta quente ou junta de

medio. A outra extremidade dos fios levada ao instrumento de medio de f.e.m. (fora eletromotriz),

fechando um circuito eltrico por onde flui a corrente.O ponto onde os fios que formam o termopar se

conectam ao instrumento de medio chamado de junta fria ou de referncia.

O aquecimento da juno de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m.. Este princpio conhecido por

efeito Seebeck propiciou a utilizao de termopares para a medio de temperatura. Nas aplicaes

prticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura acima .O sinal de f.e.m. gerado pelo

gradiente de temperatura ( t ) existente entre as juntas quente e fria, ser de um modo geral indicado,

registrado ou transmitido.

A medio de temperatura com o termopar consiste em medir a milivoltagem gerada pela junta de

medio (junta quente: extremidade do termopar que est em contato com a temperatura que se deseja

medir).

No termopar a diferena de potencial desenvolvida uma funo da diferena de temperatura das duas

juntas.A diferena de potencial medida na extremidade oposta junta de medio portanto, no

representa a tenso real da junta de medio, e sim a diferena da junta de medio e a junta de

referncia. Para isso, preciso conhecer a temperatura da junta de referncia ou mant-la controlada para

se obter a tenso real do termopar. Essa tenso convertida em um sinal padro que indicar a

temperatura na junta de medio.Atualmente circuitos eletrnicos j compensam essa temperatura

automaticamente. Em instrumentos mais antigos, havia um mdulo somente para controlar a temperatura

43

da junta de referncia. Os termopares podem ser construdos nas oficinas da indstria por instrumentista

ou podem ser comprados j prontos para serem utilizados nos processo.Dependendo de cada necessidade,

a escolha ser feita para se obter uma condio segura no processo e o melhor custo beneficio.

Termopar com Isolao Mineral

4.9.1 Efeitos Termoeltricos

Quando dois metais ou semicondutores dissimilares so conectados e as junes mantidas a diferentes

temperaturas, quatro fenmenos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito

44

Thomson e o efeito Volta.A aplicao cientfica e tecnolgica dos efeitos termoeltricos muito

importante e sua utilizao no futuro cada vez mais promissora. Os estudos das propriedades

termoeltricas dos semicondutores e dos metais levam, na prtica, aplicao do processo de medies

na gerao de energia eltrica (bateria solar) e na produo de calor e frio. O controle de temperatura feito

por pares termoeltricos uma das importantes aplicaes do efeito Seebeck.,atualmente, busca-se o

aproveitamento industrial do efeito Peltier, em grande escala, para obteno de calor ou frio no processo

de climatizao ambiente.

Efeito termoeltrico de Seebeck:

O fenmeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeck quando ele notou que em um

circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulao de corrente

enquanto existir um diferena de temperatura t entre as suas junes. Denominamos a junta de medio

de Tm , e a outra, junta de referncia de Tr. A existncia de uma f.e.m. trmica AB no circuito

conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referncia mantida constante,

verifica-se que a f.e.m. trmica uma funo da temperatura Tm da juno de teste. Este fato permite

utilizar um par termoeltrico como um termmetro.

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que o eltron livre de um metal difere de um condutor para outro

e depende da temperatura. Quando dois condutores diferentes so conectados para formar duas junes e

estas so mantidas a diferentes temperaturas, a difuso dos eltrons nas junes se produz a ritmos

diferentes.

Efeito termoeltrico de Peltier

Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoeltrico com ambas as junes mesma temperatura,

se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junes

variam em uma quantidade no inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variao adicional de

45

temperatura o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma

bateria exterior como pelo prprio par termoeltrico.

O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma juno, sendo independente

da temperatura da outra juno .O calor Peltier reversvel. Quando se inverte o sentido da corrente,

permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier o mesmo, porm em sentido oposto.

Efeito termoeltrico de Thomson

Em 1854, Thomson conclui, atravs das leis da termodinmica, que a conduo de calor, ao longo dos

fios metlicos de um par termoeltrico, que no transporta corrente, origina uma distribuio uniforme de

temperatura em cada fio. Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuio de temperatura

em uma quantidade no inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variao adicional na distribuio da

temperatura denomina-se efeito Thomson.O efeito Thomson depende do metal de que feito o fio e da

temperatura mdia da pequena regio considerada. Em certos metais h absoro de calor, quando uma

corrente eltrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que h gerao de calor quando se inverte

o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto , h liberao de calor quando

uma corrente eltrica flui da parte quente para a parte fria do metal . Conclui-se que, com a circulao de

corrente ao longo de um fio condutor, a distribuio de temperatura neste condutor se modificar, tanto

pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.

Efeito termoeltrico de Volta

A experincia de Peltier pode ser explicada atravs do efeito Volta enunciado a seguir:

Quando dois metais esto em contato a um equilbrio trmico e eltrico, existe entre eles uma diferena

de potencial que pode ser da ordem de Volts.Esta diferena de potencial depende da temperatura e no

pode ser medida diretamente.

Leis Termoeltricas

Da descoberta dos efeitos termoeltricos partiu-se atravs da aplicao dos princpios da termodinmica,

a enunciao das trs leis que constituem a base da teoria termoeltrica nas medies de temperatura com

46

termopares, portanto, fundamentados nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os

fenmenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores.

Lei do circuito homogneo

A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoeltrico de dois metais diferentes, com suas junes

s temperaturas T1 e T2, independente do gradiente de temperatura e de sua distribuio ao longo dos

fios". Em outras palavras, a f.e.m. medida depende nica e exclusivamente da composio qumica dos

dois metais e das temperaturas existentes nas junes.

Um exemplo de aplicao prtica desta lei que podemos ter uma grande variao de temperatura em um

ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, que esta no influir na f.e.m. produzida pela diferena

de temperatura entre as juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos

com os termopares, pois o importante a diferena de temperatura entre as juntas.

Lei dos metais intermedirios

A soma algbrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um nmero qualquer de metais

diferentes zero, se todo o circuito estiver mesma temperatura". Deduz-se da que um circuito

termoeltrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida no ser alterada ao inserirmos, em

qualquer ponto do circuito, um metal genrico, desde que as novas junes sejam mantidas a

temperaturas iguais.

Onde se conclui que:

47

T3 = T4 --> E1 = E2

T3 = T4 --> E1 = E2

Um exemplo de aplicao prtica desta lei a utilizao de contatos de lato ou cobre, para interligao

do termopar ao cabo de extenso no cabeote.

Lei das temperaturas intermedirias

A f.e.m. produzida em um circuito termoeltrico de dois metais homogneos e diferentes entre si, com as

suas junes as temperaturas T1 e T3 respectivamente, a soma algbrica da f.e.m. deste circuito, com as

junes as temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junes as temperaturas T2 e

T3,um exemplo prtico da aplicao desta lei, a compensao ou correo da temperatura ambiente pelo

instrumento receptor de milivoltagem.

4.9.2 Correlao da F.E.M. em Funo da Temperatura

Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composio qumica dos condutores e da diferena

de temperatura entre as juntas, isto , a cada grau de variao de temperatura, podemos observar uma

variao da f.e.m. gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlao entre

temperatura e a f.e.m., por uma questo prtica padronizou- se o levantamento destas curvas com a junta

de referncia temperatura de 0C.

48

Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala

Prtica Internacional de Temperatura de 1968 ( IPTS-68 ), recentemente atualizada pela ITS-90, para os

termopares mais utilizados. A partir dessas tabelas podemos construir um grfico conforme a figura a

seguir ,onde est relacionadas a milivoltagem gerada em funo da temperatura, para os termopares

segundo a norma ANSI, com a junta de referncia a 0C.

4.9.3 Tipos e Caractersticas dos Termopares

Existem vrias combinaes de 2 metais condutores operando como termopares. As combinaes de fios

devem possuir uma relao razoavelmente linear entre temperatura e f.e.m.; devem desenvolver uma

f.e.m. por grau de mudana de temperatura, que seja detectvel pelos equipamentos normais de

medio.Foram desenvolvidas diversas combinaes de pares de Ligas Metlicas, desde os mais

corriqueiros de uso industrial, at os mais sofisticados para uso especial ou restrito a laboratrio,essas

combinaes foram feitas de modo a se obter uma alta potncia termoeltrica, aliando-se ainda as

melhores caractersticas como homogeneidade dos fios e resistncia a corroso, na faixa de utilizao,

assim cada tipo de termopar tem uma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para

que se tenha a maior vida til do mesmo. Podemos dividir os termopares em trs grupos, a saber:

Termopares Bsicos Termopares Nobres Termopares Especiais

4.9.4 Tipos de Termopares : Tipo T - TERMOPARES DE COBRE CONSTANTAN

Composio: Cobre (+) / Cobre-Nquel (-) O fio negativo Cobre-Nquel conhecido comercialmente como Constantan.

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Caractersticas: Resistentes a corroso em atmosferas midas e so adequados para medies de temperaturas abaixo de zero. resistente atmosfera oxidantes (excesso de Oxignio), redutoras (rica

em Hidrognio, monxido de Carbono), inertes (neutras), na faixa de -200 a 350C.

Faixa de trabalho: - -200 a 350 C. Aplicao: adequado para trabalhar em faixas de temperatura abaixo de 0C, encontradas em sistemas de refrigerao, fbrica de O2 etc..

Identificao da polaridade: Cobre (+) avermelhado e o Cobre/Nquel (-) no.

4.9.5 Tipos de Termopares : Tipo J - TERMOPARES DE FERROCONSTANTAN

Composio: Ferro (+) / Cobre-Nquel (-) O fio negativo Cobre-Nquel conhecido comercialmente como Constantan.

Caractersticas: Adequados para uso no vcuo,atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. Acima de 540C, a taxa de oxidao do ferro rpida e recomenda-se o uso de tubo de proteo para prolongar a

vida til do elemento. Embora possa trabalhar em temperaturas abaixo de 0C, deve-se evitar quando

houver possibilidade de condensao, corroendo o ferro e possibilitando a quebra do fio de ferro.No

deve ser usado em atmosferas sulfurosas (contm enxofre) acima de 540C. O uso em temperaturas

abaixo de zero no recomendado, devido rpida oxidao e quebra do elemento de ferro tornando

seu uso em temperaturas negativo menor que o tipo T Devido dificuldade de obteno de fios de

ferro com alto teor de pureza, o tipo J tem baixo custo e o mais utilizado industrialmente.

Aplicao: Indstrias em geral at 750C. Identificao da polaridade: Ferro (+) magntico e o Cobre (-) no.

4.9.6 Tipos de Termopares : Tipo E - TERMOPARES DE CROMEL CONSTANTAN

Composio: Nquel-Cromo (+)/Cobre-Nquel (-). O fio positivo de Nquel-Cromo conhecido comercialmente como Chromel e o fio negativo Cobre Nquel como Constantan.

Caractersticas: Podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras,

alternadamente oxidante e redutora e no vcuo, no devem ser utilizados pois perdem suas

caractersticas termoeltricas. Adequado para o uso em temperaturas abaixo de zero, desde que no

sujeito corroso em atmosferas midas. Apresenta a maior gerao mV/C (potncia termoeltrica)

do que todos os outros termopares, tornando-se til na deteco de pequenas alteraes de

temperatura.

Aplicao: Uso geral at 900C. Identificao da polaridade: O Nquel-Cromo (+) mais duro que o Cobre-Nquel (-).

50

4.9.7 Tipos de Termopares : Tipo K - TERMOPARES DE CHROMEL ALUMEL

Composio: Nquel-Cromo (+)/Nquel-Alumnio (-). O fio positivo de Nquel-Cromo

conhecido comercialmente como Chromel e o negativo Cromo-Alumnio como Alumel. O Alumel

uma liga de Nquel, Alumnio, Mangans e Silcio.

Caractersticas: So recomendveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de

trabalho. Por sua resistncia oxidao, so melhores que os tipos T, J, E e por isso so largamente

usados em temperaturas acima de 540C.

Ocasionalmente podem ser usados em temperaturas abaixo de zero grau.

No devem ser utilizados em:

1) Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora.

2) Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rpida ferrugem e

quebra dos elementos.

3) Vcuo, exceto por curtos perodos de tempo, pois o Cromo do elemento positivo pode

vaporizar-se causando erro no sinal do sensor (descalibrao).

4) Atmosferas que facilitem a corroso chamada de green root. Green root, oxidao

verde, ocorre quando a atmosfera ao redor do termopar possui pouco oxignio, como

por exemplo dentro de um tubo de proteo longo, de pequeno dimetro e no

ventilado. O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxignio

atravs do uso de um tubo de proteo de maior dimetro ou usando um tubo ventilado.

Outro modo diminuir a porcentagem de oxignio para um valor abaixo da qual

proporcionar corroso. Isto feito inserindo-se dentro do tubo um getter ou

elemento que absorve oxignio e vedando-se o tubo. O getter pode ser por exemplo

uma pequena barra de titnio.

Aplicao: o mais utilizado na indstria em geral devido a sua grande faixa de atuao at

1200C.

Identificao da polaridade: Nquel-cromo (+) no atrai m e o Nquel-Alumnio (-) levemente

magntico.

4.9.8 Tipos de Termopares : Tipo N - TERMOPARES DE NICROSIL - NISIL

Composio: Nquel 14,2%-Cromo 1,4%-Silcio (+) / Nquel 4,4%-Silcio0,1%-Magnsio (-). Desenvolvido na Austrlia, este termopar foi aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado pela ASTM (American Society for Testing and Materials), NIST (Antigo NBS- National Bureau of Standard) e

ABNT.

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Est se apresentando como substituto do termopar tipo , de -200 a 1200C, possui uma potncia termoeltrica menor em relao ao tipo K, porm uma maior estabilidade, excelente resistncia corroso e

maior vida til. Resiste tambm ao green-root e seu uso no recomendado no vcuo.

4.9.9 Tipos de Termopares : Tipo S/R - TERMOPARES DE RDIO - PLATINA

Tipo S: Composio: Platina 90% - Rdio 10% (+) / Platina (-)

Tipo R: Composio: Platina 97% - Rdio 13% (+) / Platina (-)

Caractersticas: So recomendados para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de

trabalho. O uso contnuo em altas temperaturas causa excessivo crescimento de gro, podendo resultar

em falha mecnica do fio de Platina (quebra de fio), e tornar os fios susceptveis contaminao,

causando reduo da F.E.M. gerada.

Mudanas na calibrao tambm so causadas pela difuso ou volatilizao do Rdio do elemento

positivo para o fio de Platina pura do elemento negativo. Todos estes efeitos tendem a causar

heterogeneidades que influenciam na curva caracterstica do sensor.

Os tipos S e R no devem ser usados no vcuo, em atmosferas redutoras ou atmosferas com vapores

metlicos a menos que bem protegidos com tubos protetores e isoladores cermicos de alumina e

quando se usa tubo de proteo de Platina (tubete) que por ser do mesmo material, no contamina os

fios e d proteo necessria aos elementos.

Apresentam grande preciso e estabilidade em altas temperaturas sendo utilizados como sensor padro

na calibrao de outros termopares. A diferena bsica entre o tipo R e S est na diferena da potncia

termoeltrica, o tipo R gera um sinal aproximadamente 11% maior que o tipo S.

Aplicao: Processos com temperaturas elevadas ou onde exigida grande preciso como

indstrias de vidro, indstrias siderrgicas, etc.

Identificao da polaridade: Os fios positivos de Platina-Rdio 10% e Platina-Rdio 13% so

mais duros que o fio de platina (-).

4.9.10 Tipos de Termopares : Tipo B - TERMOPARES DE PLATINA- RDIO / PLATINA - RDIO

Composio: Platina 70%-Rdio 30% (+) / Platina 94%-Rdio 6% (-) Caractersticas: Seu uso recomendado para atmosferas oxidantes e inertes, tambm adequado para curtos perodos no vcuo. No deve ser aplicado em atmosferas redutoras nem as que contem

vapores metlicos, requerendo tubo de proteo cermico como o tipo R e S. O tipo B possui maior

resistncia mecnica que os tipos R e S. Sua potncia termoeltrica baixssima, em temperaturas de

at 50C o sinal quase nulo. No necessita de cabo compensado para sua interligao. utilizados

cabos de cobre comum (at 50C).

Aplicao: Utilizado em industrias no qual o processo exige altas temperaturas. Identificao da polaridade: Platina 70%-Rdio 30% (+) mais duro que o Platina 94%-Rdio

52

4.9.11 Correo da Junta de Referncia

As tabelas existentes da f.e.m. gerada em funo da temperatura para os termopares, tm fixado a junta de

referncia a 0 C (ponto de solidificao da gua), porm nas aplicaes prticas dos termopares junta de

referncia considerada nos terminais do instrumento receptor e esta se encontra a temperatura ambiente

que normalmente diferente de 0 C e varivel com o tempo, tornando assim necessrio que se faa uma

correo da junta de referncia, podendo esta ser automtica ou manual,os instrumentos utilizados para

medio de temperatura com termopares costumam fazer a correo da junta de referncia

automaticamente, sendo um dos mtodos utilizados, a medio da temperatura nos terminais do

instrumento, atravs de circuito eletrnico, sendo que este circuito adiciona a milivoltagem que chega aos

terminais, uma milivoltagem correspondente a diferena de temperatura de 0 C temperatura ambiente.

Existem tambm alguns instrumentos em que a compensao da temperatura fixa em 20 C ou 25 C.

Neste caso, se a temperatura ambiente for diferente do valor fixo, o instrumento indicar a temperatura

com um erro que ser tanto maior quanto maior for a diferena de temperatura ambiente e do valor fixo.

importante no esquecer que o termopar mede realmente a diferena entre as temperaturas das junes.

Ento para medirmos a temperatura do ponto desejado precisamos manter a temperatura da juno de

referncia invarivel.

FEM = JM - JR

FEM = 2,25 - 1,22

FEM = 1,03 mV 20 C

Esta temperatura obtida pelo clculo est errada pois o valor da temperatura correta que o meu

termmetro tem que medir de 50 C.

FEM = JM - JR

53

FEM = 2,25 - 1,22

FEM = 1,03 mV + a mV correspondente a temperatura ambiente para fazer a compensao automtica,

portanto:

FEM= mV JM mV JR + mV CA (Compensao automtica)

FEM = 2,25 - 1,22 + 1,22

FEM = 2,25 mV 50 C

A leitura agora est correta, pois 2,25 mV corresponde a 50 C que a temperatura do processo,hoje em

dia a maioria dos instrumentos fazem a compensao da junta de referncia automaticamente. A

compensao da junta de referncia pode ser feita manualmente. Pega-se o valor da mV na tabela

correspondente a temperatura ambiente e acrescenta-se ao valor de mV lido por um mili voltmetro.

4.9.12 Fios de Compensao e Extenso

Na maioria das aplicaes industriais de medio de temperatura, atravs de termopares, o elemento

sensor no se encontra junto ao instrumento receptor.Nestas condies torna-se necessrio que o

instrumento seja ligado ao termopar, atravs de fios que possuam uma curva de fora eletromotriz em

funo da temperatura similar aquela do termopar, afim de que no instrumento possa ser efetuada a

correo na junta de referncia.

Convenciona-se chamar de fios aqueles condutores constitudos por um eixo slido e de cabos aqueles formados por um feixe de condutores de bitola menor, formando um condutor flexvel.

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

3- Chama-se de fios ou cabos de compensao aqueles fabricados com ligas diferentes das dos termopares a que se destinam, porm que forneam, na faixa de utilizao recomendada, uma curva da

fora eletromotriz em funo da temperatura equivalente desses termopares. Exemplo : Tipo SX e

BX.

Os fios e cabos de extenso e compensao so recomendados na maioria dos casos para utilizao desde a temperatura ambiente at um limite mximo de 200 C.

4.9.13 Erros De Ligao

Usando fios de cobre: Geralmente na aplicao industrial, necessrio que o termopar e o instrumento

encontrem-se relativamente afastados, por no convir que o aparelho esteja demasiadamente prximo ao

local onde se mede a temperatura .Nestas circunstncias deve-se, processar a ligao entre os terminais do

cabeote e o aparelho, atravs de fios de extenso ou compensao,tal procedimento executado sem

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problemas desde que, o cabeote onde esto os terminais do termopar e o registrador, estejam a mesma

temperatura de medio,vejamos o que acontece quando esta norma no obedecida.

Uma soluo simples que normalmente usada na prtica, ser a insero de fios de compensao entre

o cabeote e o registrador . Estes fios de compensao em sntese, nada mais so que outros termopares

cuja funo compensar a queda da FEM que aconteceu no caso estudado, ocasionada pela diferena de

temperatura entre o cabeote e o registrador.Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invs de

cobre usamos um fio compensado. A figura mostra de que maneira se processa a instalao.

Como no caso acima, a FEM efetiva no cabeote de 20,74 mv,dela , at o registrador, so utilizados fios

de extenso compensados, os quais adicionam a FEM uma parcela igual a 0,57 mV, fazendo assim com

que chegue ao registrador uma FEM efetiva de 22,26 mV,este valor corresponder temperatura real

dentro do forno 538 C. A vantagem desta tcnica provm do fato de que os fios de compensao, alm

de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, tambm so mais resistentes.

Inverso simples

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Conforme o esquema a seguir, os fios de compensao foram invertidos,assume-se que o forno esteja a

538 C, o cabeote a 38 C e o registrador a 24 C. Devido diferena de temperatura entre o cabeote e

o registrador, ser gerada uma FEM de 0,57 mV. Porm em virtude da simples inverso, o fio positivo

est ligado no borne negativo do registrador e vice- versa. Isto far com que a FEM produzida ao longo

do circuito se oponha quela do circuito de compensao automtica do registrador. Isto far com que o

registrador indique uma temperatura negativa.

Inverso dupla

No caso a seguir, consideramos o caso da existncia de uma dupla inverso, isto acontece com freqncia

pois, quando uma simples inverso constatada, comum pensar-se que uma nova troca de ligao dos

terminais compensar o erro. Porm isto no acontece, e a nica maneira de solucionar o problema ser

efetuar uma ligao correta.

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4.9.14 Termopar de Isolao Mineral

O termopar de isolao mineral constitudo de um ou dois pares termoeltricos, envolvidos por um p

isolante de xido de magnsio, altamente compactado em uma bainha externa metlica. Devido a esta

construo, os condutores do par termoeltrico ficam totalmente protegidos contra a atmosfera exterior,

conseqentemente a durabilidade do termopar depende da resistncia a corroso da sua bainha e no da

resistncia a corroso dos condutores. Em funo desta caracterstica, a escolha do material da bainha

fator importante na especificao destes.

Vantagens dos termopares de isolao mineral:

Estabilidade Na Fora Eletromotriz: A estabilidade da FEM do termopar caracterizada em funo dos condutores estarem completamente protegidos contra a ao de gases e outras condies

ambientais, que normalmente causam oxidao e conseqentemente perda da FEM gerada.

Resistncia Mecnica: O p muito bem compactado, contido dentro da bainha metlica, mantm os condutores uniformemente posicionados, permitindo que o cabo seja dobrado achatado, torcido ou

estirado, suporte presses externas e choque trmico , sem qualquer perda das propriedades

termoeltricas.

Dimenso Reduzida: O processo de fabricao permite a produo de termopares de isolao mineral, com bainhas de dimetro externo at 1,0 mm, permitindo a medida de temperatura em locais

que no eram anteriormente possveis com termopares convencionais.

Impermeabilidade A gua , leo E Gs: A bainha metlica assegura a impermeabilidade do termopar a gua, leo e gs.

Facilidade de Instalao: A maleabilidade do cabo, a sua pequena dimenso, longo comprimento grande resistncia mecnica, asseguram facilidade de instalao, mesmo nas situaes

mais difceis.

Adaptabilidade: A construo do termopar de isolao mineral permite que o mesmo seja tratado como se fosse um condutor slido. Em sua capa metlica podem ser montados acessrios, por

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soldagem ou brasagem e quando necessrio, sua seo pode ser reduzida ou alterada em sua

configurao.

Resposta Mais Rpida: A pequena massa e a alta condutividade trmica do p de xido de magnsio, proporcionam ao termopar de isolao mineral um tempo de resposta que virtualmente

igual ao de um termopar descoberto de dimenso equivalente.

Resistncia a Corroso: As bainhas podem ser selecionadas adequadamente para resistir ao ambiente corrosivo.

Resistncia de Isolao Elevada: O termopar de isolao mineral tem uma resistncia de isolao elevada, numa vasta gama de temperaturas, a qual pode ser mantida sob condies mais

midas.

Blindagem Eletrosttica: A bainha do termopar de isolao mineral, devidamente aterrada, oferece uma perfeita blindagem eletrosttica ao par termoeltrico.

4.9.15 Associao de Termopares

Podemos ligar os termopares em srie simples para obter a soma das mV individuais. a chamada

termopilha. Este tipo de ligao muito utilizado em pirmetros de radiao total, ou seja, para soma de

pequenas mV.

O instrumento de medio pode ou no compensar a mV da junta de referncia. Se compensar dever

compensar uma mV correspondente ao no. de termopares aplicados na associao.

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

Associao srie oposta

Para medir a diferena de temperatura entre 2 pontos ligamos os termopares em srie opostos.o que mede

maior temperatura vai ligado ao positivo do instrumento,os termopares sempre so do mesmo tipo.

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Exemplo:Os termopares esto medindo 56 C e 50 C respectivamente, e a diferena ser medida pelo

milivoltmetro.

FEM T = FEM2 FEM1 56 C = 2,27 mV

FEM T = 2,27 - 2,022 50 C = 2,022 mV

FEM T = 0,248 mV = 6 C

No necessrio compensar a temperatura ambiente desde que as juntas de referncia estejam mesma

temperatura.

Ligando 2 ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento, teremos a mdia das mV geradas

nos diversos termopares se as resistncias internas foram iguais.

4.10 TERMORESISTNCIAS

O princpio de funcionamento das termoresistncias se baseia na mudana da resistncia eltrica de um

condutor quando este recebe calor.Os metais mais comumente usados para fabricao de

termoresistncias so:

Platina Cobre Nquel

As termoresistncias apresentam excelente preciso mas so elementos mais sensveis que os termopares.

As faixas de utilizao tambm. Podem ser utilizadas de -200 a 800 graus Celsius,atualmente, o sensor

mais utilizado na indstria o Pt100.

Pt = Platina100 = 100 Ohms a 0 graus Celsius

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Os mtodos de utilizao de resistncias para medio de temperatura iniciaram-se ao redor de 1835,

com Faraday, porm s houve condies de se elaborar as mesmas para utilizao em processos

industriais a partir de 1925.esses sensores adquiriram espao nos processos industriais por suas condies

de alta estabilidade mecnica e trmica, resistncia contaminao, baixo ndice de desvio pelo

envelhecimento e tempo de uso.devido a estas caractersticas, esse sensor padro internacional para a

medio de temperatura na faixa de -270 C a 660 C. em seu modelo de laboratrio.

4.10.1 Princpio de Funcionamento

Os bulbos de resistncia so sensores que se baseiam no princpio de variao da resistncia em funo da

temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricao destes tipos de sensores so a platina, cobre

ou nquel, que so metais que apresentam caractersticas de:

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Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor. Ter alto coeficiente de variao de resistncia com a temperatura. Ter rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos.

A equao que rege o fenmeno a seguinte:

Para faixa de -200 a 0 oC:

( )[ ]100....1. 32 +++= TTCTBTARoRt Para faixa de 0 a 850 oC:

[ ]2..1. TBTARoRt ++=

onde:

=Rt resistncia na temperatura ( )T

=Ro resistncia a ( )C0

=T temperatura ( )C

A , B , C = coeficientes inerentes do material empregado

A = 3,90802 . 10-3

B = -5,802 . 10-7

C = -4,2735 . 10-12

O nmero que expressa a variao de resistncia em funo da temperatura chamado de alfa ( ) e se relaciona da seguinte forma:

Um valor tpico de alfa para R100 = 138,50 de 3,850.10-3 . -1 . oC-1 segundo a DIN-IEC

751/85.

4.10.2 Construo Fsica do Sensor

O bulbo de resistncia se compe de um filamento, ou resistncia de Pt, Cu ou Ni, com diversos

revestimentos, de acordo com cada tipo e utilizao.As termoresistncias de Ni e Cu tm sua isolao

normalmente em esmalte, seda, algodo ou fibra de vidro. No existe necessidade de protees mais

resistentes a temperatura, pois acima de 300 C o nquel perde suas propriedades caractersticas de

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funcionamento como termoresistncia e o cobre sofre problemas de oxidao em temperaturas acima de

310 C.Os sensores de platina, devido a suas caractersticas, permitem um funcionamento at

temperaturas mais elevadas, tm seu encapsulamento normalmente em cermica ou vidro. A este sensor

so dispensados maiores cuidados de fabricao pois, apesar da Pt no restringir o limite de temperatura

de utilizao, quando a mesma utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminao dos

fios.Para utilizao como termmetro padro, os sensores de platina so completamente desapoiados do

corpo de proteo. A separao feita por isoladores, espaadores de mica, conforme desenho abaixo.

Esta montagem no tem problemas relativos a dilatao, porm extremamente frgil.

Os medidores parcialmente apoiados tm seus fios introduzidos numa pea de alumina de alta pureza com

fixador vtreo. um meio termo entre resistncia a vibrao e dilatao trmica.A verso completamente

apoiada pode suportar vibraes muito mais fortes, porm sua faixa de utilizao fica limitada a

temperaturas mais baixas, devido dilatao dos componentes.

4.10.3 Caractersticas da Termoresistncia de Platina

As termoresistncia Pt - 100 so as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade,

larga faixa de utilizao e alta preciso. Devido alta estabilidade das termoresistncia de platina, as

mesmas so utilizadas como padro de temperatura na faixa de -270 C a 660 C. A estabilidade um

fator de grande importncia na indstria, pois a capacidade do sensor manter e reproduzir suas

caractersticas (resistncia - temperatura) dentro da faixa especificada de operao.

Outro fator importante num sensor Pt 100 a repetibilidade, que a caracterstica de confiabilidade da

termoresistncia. Repetibilidade deve ser medida com leitura de temperaturas consecutivas, verificando-

se a variao encontrada quando de medio novamente na mesma temperatura. O tempo de resposta

importante em aplicaes onde a temperatura do meio em que se realiza a medio est sujeito a

mudanas bruscas.Considera-se constante de tempo como tempo necessrio para o sensor reagir a uma

mudana de temperatura e atingir 63,2 % da variao da temperatura.

62

Na montagem tipo isolao mineral, tem-se o sensor montado em um tubo metlico com uma

extremidade fechada e preenchido todos os espaos com xido de magnsio, permitindo uma boa troca

trmica e protegendo o sensor de choques mecnicos. A ligao do bulbo feita com fios de cobre, prata

ou nqueis isolados entre si, sendo a extremidade aberta ,selada com resina epxi, vedando o sensor do

ambiente em que vai atuar.Este tipo de montagem permite a reduo do dimetro e apresenta rpida

velocidade de resposta.

4.10.4 Vantagens / Desvantagens:

Vantagens:

Possui maior preciso dentro da faixa de utilizao do que outros tipos de sensores. Com ligao adequada no existe limitao para distncia de operao. Dispensa utilizao de fiao especial para ligao. Se adequadamente protegido, permite utilizao em qualquer ambiente. Tm boas caractersticas de reprodutibilidade. Em alguns casos substitui o termopar com