Dissertao de Mestrado

.

DISPOSITIVOS DE MEDIDAS PARA MONITORAMENTO E CONTROLE DE PERDAS EM LINHAS DE RECUPERAO DE GS HLIO E SISTEMAS DE CRIOGENIA

Francisco de Assis Pereira Frana

CENTRO BRASILEIRO DE PESQUISAS FSICAS

Rio de Janeiro, junho de 2006

Dissertao submetida Coordenao de Formao Cientfica como requisito

parcial para obteno do grau de Mestre em Instrumentao Cientfica

Orientador

Geraldo Cernicchiaro

ii

Ao meu pai Antnio de Almeida Frana (in memoriam) e minha me Maria Pereira Frana.

iii

Agradecimentos

A Deus. Aos meus pais. minha esposa Soraya, companheira e cmplice. Aos meus tios

Frana e Solange, que sempre me apoiaram desde os primeiros momentos da

graduao. Ao meu orientador prof. Geraldo Cernicchiaro, pela sugesto de trabalho,

pela confiana de que as dificuldades e limitaes poderiam ser superadas, pela

compreenso e pelas chamadas realidade, enfim por sua orientao. Ao colega

engenheiro Alexandre Mello, por suas sugestes e esclarecimentos tcnicos sobre

deteco de oxignio e criogenia. Aos tcnicos do Laboratrio de Criogenia, pelo apoio.

prof. Eliane Wajnberg por acolher nossa proposta de trabalho e gentilmente possibilitar

os testes do Detector de Fuga no Laboratrio de EPR. Ao professor Alexandre Rossi pela

ajuda para a realizao dos testes do Detector de Fuga no Laboratrio de Biocermica.

Ao prof. Alberto Passos, pelo apoio e empenho pessoal nossa proposta de trabalho.

Aos professores do curso de mestrado em instrumentao, por proporcionarem uma nova

forma de analisar os problemas. Ao prof. Romeu Abrao, amigo e primeiro grande

incentivador. Aos colegas de Muria, Sara, rica e Lula, por todo o companheirismo. Aos

amigos Ismar Russano e Gabriel Azzi, pelas trocas de informaes no desenvolvimento

eletrnico do prottipo. Aos colegas do laboratrio, Marcelo Perantoni, Erick Ortiz, Rafael

Barmak e Jaime Mesquita, pelo apoio, trabalhos que realizamos juntos e pela amizade

que ir perdurar alm da tese. Ao CBPF, ao CNPq e MCT, que possibilitaram a realizao

deste trabalho.

iv

Resumo

Neste trabalho apresentamos resultados diretos do estudo da infra-estrutura de

criogenia do Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas (CBPF). O primeiro deles foi o

desenvolvimento de um dispositivo de deteco indireta de vazamento de gs hlio. O

princpio de funcionamento baseia-se na percepo da contaminao do gs pelo

oxignio (presente no ar atmosfrico), cujas molculas se difundem atravs do hlio

quando da existncia de fuga do mesmo. So apresentadas as etapas de sua

implementao experimental nos Laboratrios de Instrumentao e Medidas (LIM) e de

Ressonncia Paramagntica Eletrnica (EPR).

O bom desempenho do dispositivo detector, e sua originalidade na monitorao da

contaminao de hlio gasoso pelo oxignio, possibilitaram efetuar o depsito do pedido

de patente para o Dispositivo Detector de Vazamento de Gs Hlio por Via Indireta. A

solicitao analisada e aceita pelo Instituto Nacional de Propriedade Industrial (INPI), foi

protocolada com o registro PI 0403515-1, com apoio do Servio de Suporte Propriedade

Intelectual e da Procuradoria Jurdica do CNPq.

Como segundo resultado, descrevemos o processo de adaptao de um medidor

de gs comercial para sua utilizao na determinao do volume total de hlio recuperado

e apresentamos subsdios para o projeto de um sistema de monitorao e recuperao de

gs hlio, como contribuio ao sistema de gerenciamento da utilizao de hlio do

CBPF.

So tambm apresentados os grficos com as curvas de caracterizao,

calibrao e atuao para os dispositivos desenvolvidos, bem como detalhes construtivos,

manual de utilizao e um roteiro com os procedimentos necessrios para que sejam

cumpridas todas as exigncias para o protocolo final de um depsito de pedido de patente

junto ao INPI.

v

Abstract

In this work are presented the results of the studies of the cryogenic system of the

Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas (CBPF). The first of them was the development of

a helium leak detection indirect system. The operation principle is based on the perception

of the contamination of the gas with oxygen (present in the atmospheric air), which

contaminates the helium when there is a leak in it. The experimental implementation of the

device in the Laboratories of Instrumentation and Measurements (LIM) and of Electron

Paramagnetic Resonance (EPR) is also presented.

The good performance of the detector device, and its originality in the monitoring of

the contamination of helium with oxygen of the atmospheric air, has originated the deposit

of the patent request for the Gas Helium Leak Detector Device by Indirect Way with the

INPI. The request accepts for the INPI, is registered with PI 0403515-1.

The second resulted is the description the process of adaptation of commercial gas

meter to be used in the determination of the total volume of the recovered helium and the

addition to the proposal of a project presenting a monitoring system and recovery of

helium utilization in CBPF.

Graphics with the characterization, calibration and performance curves and the

constructive details, a technical manual of device procedure and the patent request are

included.

vi

ndice

Dedicatria ............................................................................................................... iii

Agradecimento ......................................................................................................... iv

Resumo ................................................................................................................... v

Abstract .................................................................................................................... vi

ndice ....................................................................................................................... vii

Lista de Figuras ........................................................................................................ x

Lista de Tabelas ...................................................................................................... xiv

Introduo 1

1 Distribuio e Recuperao de Gs Hlio 5 1.1 Caractersticas Principais do Hlio ............................................................... 6

1.2 Distribuio e Recuperao de Hlio no CBPF ............................................ 8

1.3 Deteco de Gs Hlio ................................................................................. 17

1.3.1 Mtodo do Fluxo Direto ...................................................................... 17

1.3.2 Mtodo do Fluxo Contrrio ................................................................. 18

1.3.3 Detectores com ponta de prova Sniffer .............................................. 18

1.3.4 Espectrometria de Massa (Clula de Deteco) ................................ 18

1.3.5 Sistema de Bombeamento ................................................................. 22

1.4 Concluso .................................................................................................... 24

2 O Detector de Fuga 25 2.1 Difuso e Efuso de Gases .......................................................................... 26

2.2 O Sensor de Oxignio .................................................................................. 27

2.3 Princpio de Funcionamento do Sensor de Oxignio ................................... 28

2.4 O Circuito do Detector .................................................................................. 31

2.5 O Sistema de Aquisio de Dados ............................................................... 35

2.5.1 Mdulo de Amplificao ..................................................................... 37

2.5.2 Mdulo de Filtragem ........................................................................... 37

2.5.3 Mdulo de Converso ........................................................................ 38

2.5.4 Programa de Aquisio ...................................................................... 40

vii

2.6 Testes e Calibrao do Detector .................................................................. 41

2.6.1 Testes de Caracterizao de Resposta ............................................. 41

2.6.1.1 Medidas Experimentais Realizadas ...................................... 44

2.6.2 Sensibilidade Contaminao ........................................................... 47

2.6.2.1 Medidas Experimentais Realizadas ...................................... 48

2.6.3 Medidas com Gs de Mistura Certificada .......................................... 51

2.7 Detalhes Construtivos .................................................................................. 52

3 Caracterizao do Sistema de Deteco de Fuga 58 3.1 Programa de Aquisio ................................................................................ 61

3.2 Parmetros Obtidos ...................................................................................... 64

3.2.1 Medidas nos Laboratrios de Instrumentao e Medidas e de EPR .. 65

3.2.2 Determinao dos Parmetros ........................................................... 67

3.3 Monitorando a Linha de Recuperao ......................................................... 69

3.3.1 Programa de Monitorao .................................................................. 70

3.3.2 Monitorao no Laboratrio de Instrumentao e Medidas ............... 72

3.3.2.1 Processos de Manuteno do Sistema do Criostato ............ 72

3.3.2.2 Processo de Transferncia de Hlio Lquido ........................ 75

3.3.2.3 Manipulao de Amostras ..................................................... 78

3.3.3 Monitorao no Laboratrio de EPR .................................................. 79

3.3.3.1 Execuo de Medidas a Baixas Temperaturas ..................... 80

3.3.3.2 Atuao do Alarme ................................................................ 81

4 Sistema de Monitorao 84 4.1 Medidor G6-LAO modificado ........................................................................ 85

4.2 Mdulo Eletrnico de Contagem .................................................................. 86

4.3 Programa de Totalizao ............................................................................. 89

4.4 Testes e Calibrao ..................................................................................... 90

4.5 Medidas Realizadas e Avaliao ................................................................. 90

4.6 Projeto de Monitorao e Recuperao de Hlio ......................................... 91

4.6.1 Programa de Controle ........................................................................ 94 Concluso 101

viii

Bibliografia 104

Apndice 107 A Processo de Patente do Detector de Vazamento de Hlio ................................. 107

B Instrumentao Virtual ................................................................... 111

C Manual Tcnico de Operao do Detector de Vazamento de Gs Hlio............ 118

D Interface de Comunicao Paralela .................................................................... 121

E Interfaceamento, DLL e Temporizao ............................................................... 126

F Depsito do Pedido de Patente do Detector de Vazamento de Gs Hlio ......... 128

ix

LISTA DE FIGURAS

1.1 Diagrama de Fases do He-4 .................................................................... 7

1.2 Caractersticas principais do gs hlio .................................................... 8

1.3 Vista parcial do Laboratrio de Criogenia do CBPF ................................. 9

1.4 Reservatrio criognico Dewar, modelo CMSH-100 ................................ 10

1.5 Reservatrio criognico Dewar, modelo CMSH-500 ................................ 11

1.6 Magnetmetro SQUID, instalado no Laboratrio de Instrumentao e

Medidas ...................................................................................................

11

1.7 Diagrama esquemtico de abastecimento de hlio lquido e de sua

recuperao novamente na forma de gs, aps sua utilizao no

criostato ....................................................................................................

12

1.8 Diagrama esquemtico da produo de hlio lquido a partir do hlio

recuperado ...............................................................................................

13

1.9 Turbina expansora para realizao do processo Brayton ........................ 14

1.10 Representao do Ciclo Claude e mquina liquefatora associada .......... 15

1.11 Clula de deteco de ons de hlio,com analisador de massa de setor

magntico. ................................................................................................

19

1.12 Princpio de funcionamento de uma bomba de difuso. ........................... 23

1.13 Bomba turbomolecular .............................................................................. 24

2.1 Esquema de funcionamento do sensor de oxignio. ................................ 30

2.2 Indicao de pinagem do sensor T039 Typ250. .................................... 31

2.3 Curva caracterstica do sensor T039 Typ250. ....................................... 31

2.4 Diagrama do circuito detector. .................................................................. 35

2.5 Diagrama em blocos do sistema de aquisio. ........................................ 36

2.6 Diagrama esquemtico do circuito do sistema de aquisio. ................... 37

2.7 Caractersticas do conversor AD974. ....................................................... 40

2.8 Descrio funcional dos pinos do conversor AD974 utilizados. ............... 41

2.9-A Diagrama esquemtico da montagem para calibrao do detector. ........ 44

2.9-B Diagrama esquemtico do processo de descontaminao da mangueira

de ltex e da proteo mecnica do sensor de oxignio. .........................

44

2.9-C Diagrama esquemtico do processo de contaminao do hlio

confinado. .................................................................................................

45

x

2.10 Grfico 1. Tenso fornecida pelo detector em funo da variao da

concentrao de oxignio presente no gs hlio monitorado. ..................

47

2.11 Grfico 2 Variao da tenso do detector em funo da concentrao

de oxignio acumulada no gs hlio confinado. .......................................

49

2.12 Diagrama esquemtico representando a montagem realizada para a

avaliao da sensibilidade do detector contaminao. ..........................

50

2.13 Grfico 3 Resposta do detector contaminao atravs de um orifcio

de 6,3 mm de dimetro a 20 cm do sensor de oxignio. ..........................

51

2.14 Grfico 4 Resposta do detector contaminao atravs de um orifcio

de 6,3 mm de dimetro a 40 cm do sensor de oxignio. ..........................

52

2.15

Grfico 5 Resposta do detector contaminao atravs de um orifcio

de 6,3 mm de dimetro a 60 cm do sensor de oxignio. ..........................

53

2.16 Concentrao de oxignio presente no hlio, em mistura certificada. ..... 54

3.1 Layout da Linha de Recuperao do CBPF e laboratrios. ...................... 56

3.2-A Detector conectado Linha de Recuperao utilizando interface GPIB. . 57

3.2-B Detector implementado com conversor analgico-digital, conectado

Linha de Recuperao. .............................................................................

58

3.3 Fluxograma do programa de aquisio de parmetros para

caracterizao do gs hlio recuperado. ..................................................

60

3.4 Conexo do sensor de oxignio do dispositivo Detector de Vazamento

de Hlio, Linha de Recuperao. ...........................................................

61

3.5-A Concentrao de oxignio presente no gs recuperado, (aquisio em

24/11/2003 LIM). ......................................................................................

62

3.5-B Concentrao de oxignio presente no gs recuperado, (aquisio em

12/01/2004 LIM). .......................................................................................

62

3.6-A Concentrao de oxignio presente no gs recuperado, (aquisio em

27/04/2004 EPR). .....................................................................................

63

3.6-B Concentrao de oxignio presente no gs recuperado, (aquisio em

29/04/2004 EPR). .....................................................................................

63

3.7 Fluxograma do programa de monitorao da Linha de Recuperao

utilizando o dispositivo detector de vazamento por via indireta. ...............

69

3.8 Grfico de monitorao do ramal da Linha de Recuperao do LIM,

realizada em 25/09/2003. .........................................................................

71

xi

3.9 Grfico de monitorao do ramal da Linha de Recuperao do LIM,

realizada em 29/09/03. .............................................................................

71

3.10 Grfico de monitorao do ramal da Linha de Recuperao do LIM,

realizada em 11/12/03. .............................................................................

72

3.11 Grfico de monitorao do ramal da Linha de Recuperao do LIM,

realizada em 06/01/04. .............................................................................

72

3.12 Grfico de deteco da concentrao de oxignio presente no gs hlio

recuperado, durante processo de transferncia de hlio lquido. .............

74

3.13 Grfico de monitorao do ramal da Linha de Recuperao do

Laboratrio de Instrumentao e Medidas, identificando transferncia

de hlio para o criostato. ...........................................................................

75

3.14 Grfico de monitorao do ramal da Linha de Recuperao do

Laboratrio de Instrumentao e Medidas, identificando transferncia

de hlio para o criostato. ...........................................................................

76

3.15 Grfico de concentrao de oxignio presente no gs hlio recuperado,

gerado a partir de arquivo gravado durante substituio da amostra no

magnetmetro SQUID, em 4 de dezembro de 2003. ...............................

77

3.16 Grfico de monitorao da Linha de Recuperao do Laboratrio de

EPR, durante processo de medidas a baixas temperaturas. ....................

78

3.17 Grfico de monitorao do ramal da Linha de Recuperao do

Laboratrio de EPR, construdo a partir de arquivo adquirido em

24/04/2004. ...............................................................................................

79

3.18 Grfico de monitorao do ramal da Linha de Recuperao do

Laboratrio de EPR, obtido a partir de arquivos adquiridos em 25/03/04,

coincidindo com intensas atividades nos laboratrios da mesma ala. .....

80

4.1 Representao do ciclo de operaes de um medidor de vazo tipo

volumtrico de quatro estgios. ................................................................

84

4.2 Quadro das caractersticas de funcionamento do modelo G6, para

operao com gs hlio. ...........................................................................

85

4.3 Medidor modelo G6-LAO, fabricado pela LAO-Indstria, para adaptao

e utilizao com gs hlio temperatura ambiente, na Linha de

Recuperao do CBPF. ............................................................................

85

4.4 Caractersticas dimensionais do medidor de gs modelo G6-LAO. ......... 86

xii

4.5 Parmetros de calibrao do medidor de gs G6. ................................... 88

4.6 Avaliao da vazo de gs hlio utilizando o medidor G6-LAO. .............. 89

4.7 Diagrama em blocos da movimentao de hlio lquido e hlio gasoso

recuperado, externo ao Laboratrio de Criogenia ,juntamente com as

implementaes sugeridas pelo Projeto de Monitorao e Recuperao.

93

4.8 Diagrama em blocos da movimentao de hlio gasoso recuperado e

hlio lquido, internamente ao Laboratrio de Criogenia, com as

implementaes sugeridas pelo Projeto de Monitorao e Recuperao.

94

4.9 Fluxograma das instrues bsicas do Programa de Monitorao e

Recuperao. ............................................................................................

98

4.10 Planilha bsica de custo de materiais e equipamentos necessrios

implantao do Projeto de Monitorao e Recuperao de Hlio para o

CBPF. .......................................................................................................

99

xiii

LISTA DE QUADROS E TABELAS

1.1 Etapas do processo de liquefao do gs hlio internamente mquina

de liquefao KPS 1410. ..........................................................................

16

2.1 Dados do sensor Electrovac modelo T039 Typ250. ................................. 29

2.2 Tenso do detector em funo da variao da concentrao de

oxignio. ....................................................................................................

46

2.3 Tenso do detector em funo do volume de ar acumulado no gs hlio

confinado. .................................................................................................

48

3.1 Variveis definidas para o fluxograma do programa de aquisio. .......... 59

3.2 Valores mdios de concentrao de oxignio obtidos na utilizao do

programa de aquisio no Laboratrio de Instrumentao e Medidas. ....

65

3.3 Valores de concentrao mdia de oxignio obtidos na utilizao do

programa de aquisio no Laboratrio de EPR. .......................................

66

xiv

Introduo

A obteno de baixas temperaturas um dos requisitos fundamentais para a

pesquisa bsica experimental em fsica, em particular para a pesquisa em fsica da

matria condensada, sendo normalmente estas temperaturas obtidas a partir da utilizao

de lquidos criognicos, como o hlio lquido.

Mais recentemente a demanda de utilizao de baixas temperaturas tem se

estendido para alm dos laboratrios, e tcnicas criognicas tm se difundido cada vez

mais na rea mdica e na indstria, como por exemplo em equipamentos de ressonncia

nuclear magntica e dispositivos supercondutores.

O Laboratrio de Criogenia do CBPF, iniciou suas atividades em 1965, sendo o

segundo a ser instalado no Brasil, e seu funcionamento essencial para a realizao da

maioria dos trabalhos experimentais da matria condensada e magnetismo realizados no

Centro, alm disso ele tambm tem dado suporte a vrios grupos de pesquisa do Rio de

Janeiro[1].

No CBPF as diversas pesquisas em matria condensada e magnetismo, utilizam o

hlio lquido como refrigerante criognico das amostras, que ali tm suas caractersticas

investigadas, atravs de tcnicas experimentais de medidas de parmetros fsicos e

espectroscopias de absoro ressonante.

Aps sua utilizao nos criostatos, que so equipamentos cujo objetivo atingir e

manter temperaturas criognicas, o hlio novamente na forma de gs, recuperado por

meio de uma tubulao de ao inox que interliga os laboratrios do Centro. Atravs desta

tubulao chamada de Linha de Recuperao ou Linha de Hlio, o gs conduzido para

o Laboratrio de Criogenia, onde ser armazenado e posteriormente liquefeito.

Durante o processo de liquefao, realizada automaticamente a purificao do

gs recuperado, sendo purgada pela mquina de liquefao toda contaminao existente

juntamente com quantidades do prprio hlio, constituindo-se essa uma das principais

fontes de perda de hlio do sistema. Em sua maioria, as contaminaes existentes so

componentes do ar atmosfrico, provenientes da manipulao do hlio nos laboratrios.

O hlio um gs importado e de custo elevado, entre US$ 14.00 e US$ 20.00 por

litro[2], e por essas razes sua aquisio pelo CBPF requer uma programao prvia,

face aos recursos que devem ser alocados e tambm pelos prazos de entrega envolvidos.

1

O consumo mdio do CBPF estimado em 1500 litros de hlio lquido por ano, e

se adquiridos ao preo mdio de US$ 14.00 por litro, o gasto anual estar em torno de

US$ 21,000.00.

Durante a utilizao do hlio nos vrios laboratrios do Centro, so previstas

perdas de parte do gs, seja na manipulao das amostras que tm suas caracterstica

investigadas nos criostatos, ou durante a prpria transferncia de hlio lquido para os

mesmos.

Estas perdas, inerentes ao processo, so consideradas normais, no entanto

quando da ocorrncia de uma falha do sistema de distribuio-recuperao ou de

manipulao em algum laboratrio, cria-se uma situao atpica que provoca uma perda

alm das quantidades previstas.

Tais perdas devem ser consideradas na forma direta, que o volume de hlio que

escapa do sistema, e na forma indireta, que o volume de hlio recuperado e

automaticamente purgado pela mquina de liquefao por apresentar contaminao por

componentes do ar atmosfrico.

Essa situao de anormalidade pode num curto espao de tempo levar

praticamente interrupo de um grande nmero de trabalhos e atividades de

pesquisadores, bem como a paralisao de equipamentos de medidas, de centenas de

milhares de dlares.

Considerando pois os elevados recursos despendidos na obteno e recuperao

do hlio, e sua vital importncia na continuidade de diversas pesquisas e trabalhos, um

projeto que se destine a contribuir na monitorao e reduo de suas perdas de grande

importncia estratgica para todo o Centro.

Os detectores de vazamento de gs hlio hoje disponveis no mercado operam na

deteco direta do gs, utilizando para isso espectrmetros de massa associados a

bombas turbomoleculares e cmaras de vcuo. Apresentados em modelos para insero

direta ao sistema ou ao equipamento a ser testado. So equipados com conexes

especiais para vcuo ou para operao com dispositivos sniffers [3], que so sondas

destinadas anlise da atmosfera em uma rea especfica.

Em ambas as filosofias de superviso, os valores envolvidos necessrios para sua

implantao so bastante elevados, visto que equipamentos baseados em

espectrmetros de massa possuem custo da ordem de US$ 15,000.00[4].

O principal elemento motivador de nosso trabalho o fato que muito das perdas

de hlio hoje existentes podem ser reduzidas com monitoramento e automao. E que

2

possvel apresentar um sistema que rena caractersticas originais, quanto ao custo de

investimento, adequado realidade dos recursos com que trabalham a maioria dos

centros de pesquisas no Brasil. E tambm quanto aos dispositivos e equipamentos

utilizados que devero oferecer alm de confiabilidade, praticidade de manuteno e

facilidade de reposio e adaptao s variantes das realidades encontradas.

Norteado por essas diretrizes, o trabalho teve como objetivos :

- desenvolver um dispositivo que fosse capaz de perceber a contaminao do gs

hlio recuperado por oxignio, determinando a concentrao dessa contaminao,

e a partir de um algoritmo inteligente de alarme, atuar como detector de fuga de

gs hlio para a atmosfera;

- adaptar um medidor de gs comercial, para ser utilizado na medida de vazo do

gs hlio que retorna ao Laboratrio de Criogenia pela Linha de Recuperao;

- propor um sistema que atuando automaticamente, possa exercer o controle e

superviso da distribuio e recuperao de hlio no CBPF, detectando fugas do

gs e processando seu balano em tempo real. Apresentando caractersticas

originais de baixo custo de implementao e de facilidade de reposio de

componentes e equipamentos.

No captulo 1, abordamos as caractersticas peculiares do gs hlio, sua utilizao

como refrigerante criognico no CBPF, e os mtodos hoje normalmente empregados

para sua deteco.

No captulo 2, apresentamos o Dispositivo Detector de Vazamento de Gs Hlio

por Via Indireta, sua conceituao terica de atuao e seus componentes principais.

Encontra-se tambm neste captulo a rotina dos testes e processo de calibrao do

detector, bem como os detalhes construtivos do mesmo.

No captulo 3, feita a descrio dos trabalhos de caracterizao do gs hlio

recuperado no Laboratrio de Instrumentao e Medidas (LIM) e no Laboratrio de

Ressonncia Eletrnica Paramagntica (EPR). Neste mesmo captulo, a partir da

avaliao dos dados obtidos, so determinados os parmetros de normalidade para a

concentrao de oxignio presente no gs hlio recuperado.

Com a definio dos parmetros de normalidade, so apresentados os resultados

dos perodos em que o Detector de Vazamento de Gs Hlio por Via Indireta, monitorou

o ramal da linha de recuperao na sada dos laboratrios de Instrumentao e Medidas,

e de Ressonncia Eletrnica Paramagntica.

3

Os grficos mais significativos da monitorao realizada pelo detector, so

analisados, e a partir desta anlise, discutidas as atuaes do sistema de alarme e as

respostas do dispositivo para as diferentes atividades dos laboratrios.

No captulo 4, encontra-se todo o processo de adequao de um medidor de gs

comercial para operar na totalizao volumtrica de gs hlio, desde a escolha do

medidor, a parceria com o fabricante, os testes e os resultados obtidos.

Neste mesmo captulo apresentamos uma proposta para um sistema de

monitorao e recuperao de gs hlio para o Centro, baseado na utilizao do

Dispositivo Detector de Vazamento de Hlio por via Indireta, no fluxmetro de gs hlio

obtido a partir do medidor comercial de gs modificado, na pesagem do volume de hlio

lquido que deixa o Laboratrio de Criogenia e um programa gerenciador.

Conclumos com o entendimento de que este trabalho no encerra as questes

tratadas, mas evolui no caminho de sua soluo, atravs das implementaes realizadas

e da abordagem original com que foram analisadas antigas questes.

No Apndice A, est descrito o processo realizado para o cumprimento das

prescries exigidas pelo Instituto Nacional de Propriedade Industrial - INPI, para que

fosse aceito o depsito do pedido de patente do Detector de Vazamento de Gs Hlio por

via Indireta.Tendo sido toda a documentao analisada e em seguida protocolada com o

apoio do CNPq, junto ao INPI, em Braslia.

O conceito de instrumentao virtual e linguagem grfica de programao, so

apresentados no Apndice B, bem como a interface de comunicao GPIB.

No Apndice C, apresentado um manual de instrues para a operao do

Dispositivo Detector de Vazamento de Gs Hlio por via Indireta. .

A interface de comunicao paralela, as bibliotecas DLL e as temporizaes

necessrias para a aquisio dos dados pelo conversor AD e para comunicao com o

microcomputador de controle, so abordadas nos Apndices D e E.

No apndice F apresentada a cpia do Depsito do Pedido de Patente do

Dispositivo Detector de Vazamento de Gs Hlio que foi protocolado no INPI, composto

do Relatrio Descritivo, as Reivindicaes, Desenhos e Resumo.

4

Captulo 1 Distribuio, Recuperao e Deteco de Gs Hlio

O hlio foi o primeiro dos gases nobres a ser descoberto, sendo peculiar o fato que

primeiro foi prevista sua existncia no sol, e s mais tarde ele foi descoberto na Terra.

Em 1868, o astrnomo francs Pierre-Jules-Cesar Janssen, observando um

eclipse total do sol, na ndia, utilizou pela primeira vez um espectrmetro no estudo da

cromosfera, que envolve o sol. O espectro da cromosfera continha muitas riscas

brilhantes (linha espectral), entre as quais se encontravam as do hidrognio e uma,

amarela, que se julgava ser a risca amarela do sdio.

Aprofundando sua investigao, Janssen tentou obter o espectro da cromosfera

com luz solar ordinria, sendo bem sucedido no estudo das vrias riscas do espectro e

conseguindo provar que a risca amarela no era a do sdio, mas provavelmente uma

risca espectral de um novo elemento.

Os astrnomos ingleses Lockyer e Frankland confirmaram estes resultados e

provaram que aquela risca amarela no poderia ser obtida de nenhum elemento

terrestre conhecido, e o nome de hlio foi proposto, a partir da palavra grega para Sol,

helios.

A procura deste novo elemento na Terra mostrou-se infrutfera at 1895, ano em

que William Ramsay examinou o gs liberado quando o mineral cleveita, um minrio do

urnio, era tratado com cidos. No espectro deste gs ele encontrou a risca amarela do

hlio e provou, portanto, a existncia deste elemento na Terra.

William Ramsay foi levado a esta descoberta depois de o qumico americano

Hillebrand ter verificado, em 1888, que quando fervia o mineral uranitite com cido

sulfrico diludo, se liberavam quantidades considerveis de um gs inerte, que ele

considerou como sendo uma mistura de nitrognio.

A descoberta do hlio em materiais radioativos no foi totalmente explicada at a

descoberta do rdio em 1898, quando se verificou que o hlio era um dos produtos

estveis da desintegrao de elementos radioativos como trio, urnio etc.[5]

O hlio encontrado em depsitos de gs natural de poos do Texas, Oklahoma

e Kansas, nos Estados Unidos, na proporo de 0,25 % a 7 % em volume, consideradas

5

as maiores reservas do mundo. tambm encontrado em outras regies e pases como,

no Mar do Norte, Rssia e Arglia.

A atmosfera terrestre possui 5,2 partes de hlio por milho em volume, totalizando

416 milhes de toneladas. Encontra-se tambm em algumas guas minerais, misturado

ao nenio.

Na coroa solar sua presena est relacionada s reaes termonucleares que

ocorrem no sol onde dois tomos de hidrognio se fundem formando um tomo de hlio e

liberando energia.[6]

1.1 Caractersticas Principais do Hlio

Todos os elementos do grupo dos gases nobres possuem uma particularidade que

lhes confere uma excepcional estabilidade qumica: a ltima camada completa com oito

eltrons (exceto o hlio, com dois eltrons). Por isso, estes gases so praticamente

inertes e se encontram naturalmente sob a forma de tomos isolados, sem se

combinarem entre si formando molculas. No se pode dizer que so totalmente inertes

porque, em condies especiais de temperatura e presso e em presena de certos

catalisadores, conseguem-se alguns compostos, especialmente do xennio.

Os istopos mais comuns do hlio so o He-4, que formado por uma partcula

alfa (dois prtons e dois nutrons) envolta por dois eltrons, e o He-3 (dois prtons e um

nutron), so muito leves e atingem facilmente a atmosfera, terrestre, tendendo a se

perder no espao.

Abaixo de 4,2 K, o hlio se torna lquido, tendo propriedades similares s de um

lquido comum, com uma densidade muito baixa (0,13 g/cm3) e somente a altas presses

(cerca de 25 atmosferas) o hlio se torna slido. No intervalo de temperatura entre 4,2 K e

2,17 K recebe o nome de hlio I, e abaixo de 2,17 K (ponto lmbda), de hlio II, passando

a apresentar propriedades peculiares.[7]

Na condio de hlio II, por exemplo, seu calor especfico aumenta 100 vezes e,

sob um resfriamento ainda maior, o hlio II dilata-se ao invs de contrair-se, e sua

condutividade trmica chega a ser 800 vezes maior que a do cobre. Passa a apresentar

viscosidade nula (superfluidez) e resistncia hmica prxima de zero

(supercondutividade).[7]

As explicaes para o fenmeno do He-4 geram ainda alguma controvrsia, no

entanto, a mais aceitvel baseia-se na condensao de Bose-Einstein.

6

A diminuio da temperatura, tanto no hlio como em outras substncias,

acompanhada por novas configuraes e novos estados da matria, na busca de

restabelecer o equilbrio e ou estabilidade.

O He-4 tratando-se de um conjunto de tomos muito simtricos, encontra sua

estabilidade a baixas temperaturas no na solidificao mas sim em uma liquefao

especial, onde todos os tomos ficam no mesmo estado quntico.

Assim, em vez de termos muitos tomos espalhados, em diferentes estados

qunticos e energticos, temos uma s funo de onda que descreve o comportamento

dos tomos que l se encontram [8].

Na figura 1.1 apresentado o diagrama de fases para o He-4, onde a fase de

supercondutividade e superfluidez est identificada por He II lquido.

Figura 1.1 : Diagrama de Fases do He-4

Na figura 1.2 so apresentadas algumas das principais especificaes do hlio.

7

Nmero atmico Z = 2

Massa molar 4,0026 g/mol

Densidade 0,1785 Kg/m3

Volume molar 21,0 x 10-6 m3/mol

Ponto de fuso -272,1 C (a 25 ,2 atm)

Ponto de ebulio -268,94 C

Figura 1.2 : Caractersticas principais do gs hlio

muito provvel que o hlio j tenha sido observado entre os gases emanados de

poos de petrleo perfurados em nosso pas, no entanto, ele ainda no produzido no

Brasil.

1.2 Distribuio e Recuperao de Hlio no CBPF

O sistema de Distribuio e recuperao de gs hlio do CBPF, centrado no

Laboratrio de Criogenia, que opera e coordena o abastecimento de hlio lquido para os

diversos laboratrios do Centro, recupera o gs hlio vaporizado nos criostatos e

processa sua liquefao.

O Laboratrio Criogenia monitora, de forma no automatizada, toda a distribuio

e recuperao de hlio do CBPF, por meio de acompanhamento e observao de

parmetros do mesmo, determinando as necessidades de reposio de estoque e

tambm de manuteno dos equipamentos e sistemas.

Em sua infraestrutura, o Laboratrio conta hoje com :

Uma mquina de liquefao de hlio modelo 1410 Koch Process System;

Dois compressores de Hlio modelo 1400 Koch;

Duas mquinas de liquefao de Nitrognio modelo PLN106 Phillips;

Um sistema fechado de refrigerao de gua gelada com capacidade de 25 Toneladas de

Refrigerao (TR);

Duas torres de refrigerao com capacidade de 25TR e 10TR;

Um reservatrio inflvel de borracha, Gas Bag, para gs hlio, com capacidade de 50 m3;

Cilindros e reservatrios dewar para armazenamento de hlio gasoso a alta presso e

para hlio lquido respectivamente.[1]

8

A Figura 1.3 apresenta uma vista parcial do Laboratrio de Criogenia, ano de

2004, mostrando em primeiro plano direita, a mquina de liquefao de hlio, seguida

do reservatrio dewar que recebe o hlio lquido que est sendo produzido, e ao fundo os

cilindros de armazenagem de hlio gasoso a alta presso.

Cilindros para alta presso

Mquina de Liquefao

Reservatrio Dewar

Figura 1.3 : Vista parcial do Laboratrio de Criogenia do CBPF.

Nas figuras 1.4 e 1.5, so mostrados reservatrios criognicos tipo dewar,

fabricados pela Cryofab, utilizados no CBPF para armazenamento, transporte e

abastecimento dos laboratrios com hlio lquido.

Os reservatrios criognicos dewar, so garrafas construdas com paredes

metlicas duplas e polidas, e que inicialmente tinham o espao entre elas divididos em

compartimentos onde se realizava vcuo e tambm se estabelecia uma guarda de

nitrognio lquido, atualmente esse preenchimento tem sido realizado com materiais de

baixssima condutibilidade trmica denominados superisolantes e vcuo.

A funo dos reservatrios dewar, armazenar e transportar lquidos a

temperaturas criognicas, tais como hlio e nitrognio lquidos, com um mnimo de perda

na manuteno da temperatura interna.

9

O modelo CMSH-100, com capacidade para armazenar um volume de at 100

litros de hlio lquido, figura 1.4, realiza o transporte do hlio lquido do Laboratrio de

Criogenia para os demais laboratrios usurios do CBPF.

O modelo CMSH-500, com capacidade para 500 litros de hlio lquido, figura 1.5,

utilizado para armazenar o hlio liquefeito a partir do gs recuperado.

Figura 1.4 : Reservatrio criognico dewar, modelo CMSH-100, com capacidade

para 100 litros de hlio lquido, fabricado pela Cryofab.

10

Figura 1.5 : Reservatrio criognico dewar, modelo CMSH-500, com capacidade

para armazenamento de 500 litros de hlio lquido, fabricado pela Cryofab.

O magnetmetro SQUID, um dos pontos onde foram realizadas monitoraes com

o Detector de Vazamento de Hlio, mostrado na figuras 1.6.

Linha de Recuperao

Magnetmetro SQUID

Figura 1.6 : Magnetmetro SQUID, instalado no Laboratrio de Instrumentao e

Medidas.

11

Na figura 1.7, est representado de forma esquemtica o processo de recuperao

e armazenamento do gs hlio vaporizado aps sua utilizao nos criostatos dos diversos

laboratrios do Centro.

Conforme o diagrama da figura, depois de utilizado nos criostatos, o hlio

novamente na forma de gs coletado pela tubulao da linha de recuperao, que

opera internamente com uma presso entre 1,05 atm a 1,1 atm, seguindo ento para o

Laboratrio de Criogenia.

(Gs hlio recuperado)

(2000 psi)

Hlio lquido Criostato

Balo de armazenamento

Transferncia de hlio lquido

Linha de Recuperao

Laboratrios

Laboratrio de Criogenia Hlio impuro

Compressor

Figura 1.7 : Diagrama esquemtico de abastecimento de hlio lquido e de sua

recuperao na forma de gs, aps sua utilizao nos criostatos.

12

Inicialmente o hlio que retorna ao Laboratrio de Criogenia pela linha de

recuperao, que passa a ser denominado de Hlio Impuro, armazenado em um balo

coletor inflvel , Gas Bag, at um volume que no represente risco de causar efeitos de

contra-presso na sada dos criostatos dos laboratrios usurios.

Em seguida o Hlio Impuro armazenado no balo inflvel comprimido e

transferido para cilindros adequados, ali permanecendo a uma presso de 2000 psi, para

posterior liquefao.

No processo de liquefao, como representado na figura 1.8, o Hlio Impuro

bombeado e inserido na mquina de liquefao a uma presso de 240 psi, passando

inicialmente por um pr-resfriamento com nitrognio lquido, onde so consumidos

aproximadamente 3 litros de nitrognio lquido para cada litro de hlio liquefeito.

(Hlio Lquido)

(Gs hlio impuro)

Nitrognio Lquido

Liquefatora de Hlio (24 l / h)

Hlio lquido

Regulador

d

1,5 psi

240 psi

Laboratrio de Criogenia

Figura 1.8 : Diagrama esquemtico da produo de hlio lquido a partir do hlio

recuperado.

13

O princpio de funcionamento da mquina de liquefao de hlio modelo KPS

1410, baseia-se no chamado Ciclo Claude, que a composio de dois processos tipo

Brayton e um processo tipo Joule-Thomson, associados utilizao de trocadores de

calor [9].

No processo Brayton, o gs introduzido em uma turbina expansora onde depois

de realizar trabalho, movendo a turbina, apresenta uma queda em sua temperatura e

presso. A ilustrao de uma turbina expansora pode ser vista na figura 1.9, onde esto

identificados o ponto de entrada do gs hlio, e o duto de sada do gs hlio resfriado.

He

Turbina

Redutor de velocidade

Entrada de He

Sada de He resfriado

Figura 1.9 : Turbina expansora para realizao do processo Brayton .

O processo Joule-Thomson consiste em levar o gs que est a alta presso e que

se deseja liquefazer, a passar por um pequeno orifcio chamado de regulador de presso,

provocando no gs uma abrupta expanso com conseqente queda de sua temperatura.

Se o gs anteriormente expandido e conseqentemente resfriado circular atravs

do gs comprimido antes que esse sofra sua expanso, a troca de calor provocar a

reduo de sua temperatura. Dessa forma o gs ainda comprimido ao se expandir

14

alcanar um resfriamento ainda mais acentuado. O contnuo processo de compresso e

expanso far com que a temperatura do gs caia progressivamente at que finalmente,

ele comece a se condensar [9].

Na figura 1.10, temos uma representao do Ciclo Claude com o diagrama

esquemtico da mquina de liquefao associada, onde identificamos as linhas de alta

presso (HP) e baixa presso (BP) percorridas pelo gs hlio no processo de liquefao.

Temperatura

Entropia

Figura 1.10 : Representao do Ciclo Claude e da mquina de liquefao

associada.

A tabela 1.1 apresenta uma descrio de forma resumida das vrias etapas que

compem o processo de liquefao do gs Hlio Impuro, desde sua compresso ao ser

inserido na mquina de liquefao, passando pelo pr-resfriamento com nitrognio

lquido, as expanses e trocas de calor, at a inverso Joule-Thomson, aps a qual

sucessivamente parcelas do volume do gs iro se condensando.

15

1-2 O gs hlio que j foi comprimido pela mquina de liquefao, cede calor para

o gs que circula na linha de baixa presso, por meio de um trocador de calor.

2 Neste ponto o fluxo de gs comprimido se divide ao chegar em uma turbina

expansora.

2-11 Na turbina, parte do gs realiza trabalho expandindo-se com conseqente

reduo de sua presso e temperatura (processo Brayton).

2-3 A poro do gs que no realizou trabalho na turbina, troca calor com o gs

que sofreu expanso, e dessa forma tem sua temperatura reduzida mantendo-

se mesma presso.

3-4 O fluxo de gs continua realizando processos de troca de calor com a linha de

hlio a baixa presso.

4-9

4-5

Novamente o fluxo de hlio dividido e introduzido em uma turbina,

expandindo-se e trocando calor, completando assim dois processos Brayton.

6-7 Na seqncia o gs da linha de alta presso levado a transpor uma vlvula

inversora Joule-Thomson, o que pode levar uma parcela do gs a atingir

temperaturas abaixo da temperatura crtica, provocando sua liquefao.

8 A prpria presso interna ao reservatrio criognico que recolhe o hlio

liquefeito, provoca o deslocamento do mesmo para o reservatrio de

armazenamento e ao mesmo tempo reconduz o gs no liquefeito para a

linha de baixa presso.

8-13 Aps sucessivos processos de troca de calor com o fluxo de hlio da linha de

alta presso, o gs no condensado retorna ao compressor reiniciando o

ciclo.

Quadro 1.1 : Etapas do processo de liquefao do gs hlio internamente

mquina de liquefao KPS 1410.

16

1.3 - Deteco de Gs Hlio

A origem dos mtodos de deteco de vazamento de gs hlio est ligada ao

Projeto Manhattan, e sua exigncia, sem precedentes at ento, de sistemas

hermticos, necessrios s plantas de enriquecimento de urnio.

Na poca, o alto grau de sensibilidade requerida para as verificaes de

existncia de vazamentos levou escolha do espectrmetro de massa projetado pelo Dr.

A. O. C. Nier (1940), que foi modificado para atender s especificaes do gs hlio, gs

escolhido para deteco de vazamentos do sistema, e tambm para que apresentasse

maior robustez.[10]

A sensibilidade destes equipamentos, que dada pela razo entre o fluxo de hlio

atravs do vazamento e o aumento de presso em sua clula de deteco, em 1946, era

em torno de 10-7 Pa m3 s-1 e evoluiu para o patamar de 10-10 Pa m3 s-1 em 1970.

Atualmente o nvel dos detectores mais sensveis est em aproximadamente 10-13 Pa m3

s-1, ou seja um fator de ganho de 106 em aproximadamente 60 anos [10].

Os mtodos de deteco mais utilizados so o Mtodo do Fluxo Direto, o Mtodo

do Fluxo Contrrio e os detectores com ponta de prova tipo Sniffer, sobre os quais

iremos tecer uma descrio sucinta de suas caractersticas principais e aplicaes.

Uma abordagem mais detalhada, ser realizada sobre a parte central comum a

cada um dos mtodos que a clula de deteco, na qual o gs residual ionizado e os

ons resultantes so acelerados e filtrados em um espectrmetro de massa.

1.3.1 Mtodo do Fluxo Direto

Nos detectores de vazamento por fluxo direto, o sistema de vcuo conectado

diretamente clula de deteco e bomba de vcuo. Estes detectores so bastante

apropriados para pequenos vazamentos, onde so requeridas sensibilidades da ordem de

10-12 Pa m3s-1[10] .

Os detectores por fluxo direto apresentam alguns inconvenientes tais como, a

oxidao na bomba de difuso, necessidade de reposio de nitrognio lquido,

contaminao dos gases com vapores de leo, tempo de entrada em operao

considerado longo e seqncia operacional complexa.

17

Estes mtodos foram muito utilizados na verificao em sistemas de alto vcuo at

meados dos anos 80, a partir de ento foram sendo progressivamente substitudos por

detectores de fluxo contrrio.

1.3.2 Mtodo do Fluxo Contrrio

Este mtodo caracteriza-se por utilizar um arranjo com duas bombas

turbomoleculares associadas em oposio, presentes nos detectores mais sofisticados, o

que solucionou problemas de contaminao e instabilidade.

O arranjo do fluxo contrrio apresenta inmeras vantagens em relao ao arranjo

de fluxo direto, como por exemplo a no necessidade de nitrognio lquido, a facilidade no

transporte , curto intervalo de tempo para o estado operacional, melhor proteo do

filamento de emisso de eltrons, maior robustez e menor necessidade de manuteno.

Alm disso sua operao mais simples facilita sua automao e o controle via comando

remoto.

1.3.3 Detectores com ponta de prova Sniffer

Neste mtodo os detectores apresentam um dispositivo externo, sniffer, que

realiza a admisso do gs a ser testado, sugando-o e conduzindo-o atravs de uma

vlvula ou tubo capilar para um detector de hlio tipo fluxo direto ou contrrio, interno ao

equipamento.

Este mtodo de deteco muito utilizado para localizao de grandes

vazamentos em recipientes que contenham hlio ou que estejam sendo contaminados por

ele, outra aplicao na monitorao em pontos de exausto de um sistema, onde os

mtodos de fluxo direto ou contrrio no podem ser aplicados.

1.3.4 Espectrometria de Massa (Clula de Deteco) Dentre todas as tcnicas conhecidas para anlise de substncias, a Espectrometria

de Massa pode ser considerada como a de mais fcil compreenso e versatilidade.

Um Espectrmetro de Massa um aparelho que produz a partir de uma amostra de

substncia eletricamente neutra, um feixe de ons gasosos para posterior separao dos

18

mesmos, de acordo com suas razes carga-massa e detect-las para medidas de

ocorrncias relativas de cada espcie inica presente.

Desde o primeiro modelo construdo por Thomson, at os sofisticados modelos

comerciais da atualidade , um espectrmetro de massa basicamente constitudo de

quatro partes fundamentais : um Sistema de Manipulao para introduzir a amostra

desconhecida no equipamento; uma Fonte de ons na qual produzido um feixe de

partculas proveniente da amostra; um Analisador de Massa que separa partculas de

acordo com a massa; um Detector de ons, no qual os ons separados so recolhidos e

caracterizados.

Na figura 1.11, esto representadas esquematicamente as partes fundamentais de

um espectrmetro de massa, utilizado em uma clula de deteco de hlio, com

analisador de massa tipo setor magntico.

ons Pesados Campo Magntico Anteparo (D) ons de Hlio (C) Eletrodos de Acelerao (B) (E) Molculas Ionizadas ons Leves Filamento Coletor (A) Feixe de Eltrons

Figura 1.11 : Clula de deteco de ons de hlio, com analisador de massa de

setor Magntico.

O espectrmetro requer um percurso de coliso livre para os ons e portanto,

funciona a vcuo ou quase vcuo (10-5 Torr), sendo o sistema de entrada da amostra

desenhado para uma mnima perda de vcuo.

Quando uma corrente aplicada ao filamento (A), este aquecido resistivamente

at a incandescncia, simultaneamente emitindo eltrons. Placas colimadoras so

empregadas para o controle do feixe de eltrons emitidos e um potencial de

19

aproximadamente 70 V mantido entre o filamento e placa de tal forma que os eltrons

sejam acelerados para longe do filamento e passem atravs das placas colimadoras com

uma energia mdia de 70 eV.

O valor de 70 eV comum, porque a probabilidade de ionizao para muitos

compostos maximizada prximo deste valor.[11]

As placas colimadoras levam os eltrons energizados a colidirem com as

molculas do gs a ser analisado dando origem aos ons.

Os ons formados pelos impactos dos eltrons so acelerados por uma srie de

placas carregadas negativamente, em direo a uma fenda de entrada (B), indo para o

Analisador de Massas, que tem como objetivo separar os ons que so produzidos na

fonte de acordo com as diferentes relaes carga-massa.

Os projetos dos analisadores mais comuns incluem os analisadores de

quadrupolo, de setor magntico e os analisadores de massa por tempo de vo.

Um campo quadrupolo formado por quatro barras cilndricas paralelas, as quais

aplica-se uma corrente contnua que afeta o percurso dos ons viajando pelo trajeto

centralizado entre os quatro cilindros. Para as tenses dadas, somente os ons de uma

relao massa-carga determinada podem passar atravs do filtro do quadrupolo,

enquanto os outros sero varridos como molculas descarregadas.[12]

O analisador por tempo de vo, usa a diferena de tempo que levam os ons

gerados e acelerados para chegar a um eletrodo coletor. O princpio essencial da

espectrometria de massa por tempo de vo baseia-se em que todos os ons so

acelerados com a mesma energia, e suas velocidades so inversamente proporcionais s

razes quadradas de suas massas.

O analisador de massa de setor magntico, emprega um campo magntico que

faz com que os ons viajem em um percurso circular de 189, 90 ou 60 graus .

Os ons penetram perpendicularmente s linhas de campo magntico e so

obrigados a descrever trajetrias circulares no interior do analisador de massa (C).

Por uma fenda (D) , saem do campo magntico somente os ons de uma

determinada razo carga-massa dada por :

VrB

qm m

2

22

= , (1.3.1)

20

onde m massa do on em Kg, q a sua carga em Coulomb, B a intensidade

do campo magntico em Tesla, que tem a funo de defletor do feixe de ons, rm o raio

mdio de curvatura descrita pelo feixe no analisador de massa e V a tenso de

acelerao linear de ons dada em volts.

Os ons que saem do analisador de massa so coletados (E) de duas formas,

usando um Copo de Faraday (Faraday Cup) ou um Multiplicador de Eltrons. No Copo de

Faraday, que o detector mais simples, os ons que saem do analisador de massa

entram num copo metlico que est aterrado. Quando os ons se chocam com as paredes

do copo, os mesmos so neutralizados, absorvendo um eltron do copo metlico. A perda

de eltrons do copo d origem a uma corrente que poder ser avaliada entre o copo e a

terra.

Logo quanto maior o nmero de ons que entram no copo maior ser a corrente

detectada. Uma das melhores caractersticas do Copo de Faraday a de que todos os

ons so detectados com a mesma eficincia, de acordo com suas massas. O Copo de

Faraday no entanto limitado por baixas presses, tornando-se impraticvel abaixo de

10-9 Torr.

Para baixas presses, abaixo de 10-9 Torr, o Multiplicador de Eltrons, um

detector bastante preciso. O Multiplicador de Eltrons, tem formato de um cone, sendo a

boca do cone fortemente negativa em relao ao fim do cone, de tal forma que ons

positivos so acelerados em direo superfcie do cone. Ou seja, na medida em que

atingem o cone, os ons com alta velocidade ejetam eltrons da superfcie do mesmo.

Estes eltrons secundrios so acelerados em direo ao fim do cone, chocando-

se com a superfcie do mesmo repetidamente e causando a liberao de mais eltrons da

superfcie do cone. Esta multiplicao do nmero de eltrons causa uma cascata de

eltrons no fim do cone. O gradiente no cone ajustado de tal forma a manter um mnimo

de 105 eltrons emitidos no fim do cone para cada on que entra. A corrente eletrnica

amplificada para produzir uma corrente eltrica ou sinal inico que proporcional

corrente inica incidente no detector.

A corrente formada para a neutralizao desses ons passa por um resistor,

fechando o circuito com a terra, como esta corrente extremamente pequena, a diferena

de potencial no referido resistor dever ser adequadamente amplificada.

Este sinal amplificado enviado para um registrador que fornece espectros,

intensidade de on em funo da tenso de acelerao linear do mesmo, apresentando

um grfico de picos em funo da tenso de acelerao do on.

21

A identificao de tomos, grupos de tomos e molculas se d pela comparao

com uma curva padro e do conhecimento prvio da razo carga-massa dos ons

possveis de serem encontrados na amostra em estudo.

1.3.5 Sistema de Bombeamento

Se a clula de deteco de vazamento no muito diferente da utilizada no

projeto original da dcada de 40, o mesmo no se pode dizer do sistema de

bombeamento, que sofreu considerveis modificaes, onde a bomba de difuso do

projeto original foi substituda nos equipamentos mais modernos por bombas

turbomoleculares e bombas isentas de leo.

As bombas difusoras operam pelo princpio da transferncia de momentum para

as molculas gasosas. Nestas bombas, um sistema de aquecimento eltrico ajustado na

base do corpo da bomba aquece um fluido (leo) at a formao de vapor. O vapor de

leo sobe por um tubo at a parte superior da bomba onde ejetado atravs de estreitas

aberturas anulares em direo parte inferior da bomba [11].

Devido diferena de presso interna e externa do tubo, o vapor ejetado a uma

velocidade extremamente alta, e como as molculas de leo tm maior peso, ao se

chocarem com as molculas do gs realizam uma perfeita transferncia de momentum e

o conseqente bombeamento do gs para a parte inferior da bomba onde existe uma

sada conectada a uma bomba de apoio.

Ao entrar em contato com as paredes refrigeradas da bomba o vapor de leo se

condensa e escorre novamente para o reservatrio de fluido.

A grande maioria das bombas de difuso empregadas tm vrios estgios de

ejeo de fluido e so chamadas de multiestgio. A cmara a ser bombeada conectada

no flange superior e a bomba de apoio acoplada no flange inferior.

Um dos problemas inerentes das bombas difusoras a perda de fluido atravs do

duto de sada, perda esta que minimizada usando uma srie de placas refrigeradas

(baffle), que condensam o fluido vaporizado reconduzindo-o novamente para o

reservatrio.

A perda de fluido atravs do topo da bomba pode ter conseqncias mais srias

pois o vapor de leo pode contaminar a cmara de vcuo e todo o sistema. Este

problema pode ser evitado em quase sua totalidade, utilizando dispositivos chamados de

armadilhas (traps), que so superfcies frias muito eficientes para reter o vapor de fluido.

22

A primeira dessas armadilhas projetada de forma que as molculas de gs no

atravessem sem colidir pelo menos uma vez com a superfcie da placa, e para as

molculas que atravessarem a primeira armadilha, uma segunda com placas

refrigeradas com nitrognio lquido, cold trap, poder realizar a captura.[10]

Na figura 1.12 representado esquematicamente o princpio de funcionamento da bomba difusora.

Ejeo

Refrigerao

Tubo de vapor

Gs bombeado

Bomba

Reservatrio de Fluido de apoio

Aquecimento

Figura 1.12 : Princpio de funcionamento de uma bomba de difuso

A bomba turbomolecular uma bomba do tipo compresso, cujo princpio de

funcionamento similar ao da bomba difusora. A diferena que a transferncia de

momentum no ocorre por colises com jato de vapor ejetado a alta velocidade, mas sim

pelo impacto das molculas do gs com as palhetas de uma turbina que gira em alta

velocidade.

Uma bomba turbomolecular como as atualmente utilizadas, conforme mostrada na

figura 1.13, apresenta uma estrutura onde vrios sistemas de palhetas so presos a um

mesmo eixo impulsionado por um motor de alta rotao, constituindo o rotor da bomba.

Outros sistemas de palhetas so fixos na carcaa da bomba, constituindo o estator

da bomba. O espaamento entre as palhetas do rotor e estator da ordem de 1mm, e

rotao do rotor superior a 20000 rpm.[13]

23

Figura 1.13 : Bomba turbomolecular

1.4 Concluso

Em resumo, a tecnologia de deteco de gs hlio foi desenvolvida para atender

verificao da qualidade de sistemas de vcuo, adequando-se s exigncias evolutivas

dos mesmos e desenvolvendo aparatos tcnicos nesta direo, estando hoje disponveis

no mercado detectores de gs hlio extremamente precisos e sofisticados.

No entanto estes equipamentos no visam atender um estado de superviso

contnua de plantas de distribuio e recuperao de gs hlio, mas sim a testes

programados de estanqueidade ou busca de falhas (vazamentos) j percebidos por suas

conseqncias.

Geralmente so equipamentos pesados, em torno de 30 Kg, a exceo de alguns

equipamentos tipo sniffers mais modernos que pesam em torno de 8 Kg e so

considerados equipamentos para atuao em campo.[4]

Exigem ambiente de instalao adequado sua operao tais como, refrigerao,

tenso estabilizada, nvel de vibrao reduzido, e seu custo elevado, superando a faixa

dos US$ 30,000.00, o que torna sua utilizao como dispositivo de superviso a ser

instalado de forma distribuda invivel.[4]

24

Captulo 2

O Detector de Fuga

Tendo em vista equacionar as dificuldades de implantao e manuteno

apresentadas pelos sistemas detectores de hlio convencionais, e por no encontrarmos

no mercado um sistema comercial que permita monitorar em tempo real as fugas de gs

hlio da linha de recuperao, foi desenvolvido o dispositivo Detector de Vazamento de

Gs Hlio por via Indireta, para o monitoramento das tubulaes de hlio ou criostatos

que o utilizem como refrigerante criognico.

O detector desenvolvido no utiliza espectrmetro de massa, bomba

turbomolecular e os sistemas normalmente associados aos equipamentos convencionais

anteriormente descritos.

O Detector de Hlio por via Indireta se fundamenta nos conceitos de efuso e

difuso de gases, e se baseia em uma sonda sensora de oxignio, dispositivo sensor

amplamente utilizado, que dever ser inserido na tubulao ou equipamento que se

deseja monitorar.

A sonda de oxignio gera um sinal de corrente proporcional concentrao do

mesmo presente no gs hlio, traduzindo dessa forma a contaminao do gs pelo ar

atmosfrico. O sinal enviado pela sonda digitalizado pelo circuito eletrnico do detector,

e sua comparao com valores previamente ajustados ir sensibilizar ou no um alarme

sonoro e visual incorporado ao mesmo. A integrao do sinal permite programar a

identificao de vazamentos contnuos, associados a pequenas vazes, enquanto a

derivada do sinal identifica vazamentos de grandes propores.

O detector realiza uma monitorao da linha de recuperao de forma contnua e

automtica, indicando a contaminao do gs ou seja, a ocorrncia de vazamento no

incio do processo, antes que o mesmo evolua comprometendo o sistema e ou

equipamentos utilizados.

O Detector de Vazamento de Gs Hlio por via Indireta, pode operar de forma

autnoma, ativando um alarme sonoro e visual toda vez que a concentrao de oxignio

presente no gs hlio ultrapassar os valores pr-estabelecidos como tolerveis, ou pode

estar associado a um microcomputador, comunicando-se com ele por meio de sua porta

paralela.

25

Nesta condio, o detector pode utilizar algoritmos inteligentes no monitoramento

da linha de hlio, tais como temporizao de alarme e a avaliao da evoluo do nvel de

concentrao de oxignio, interpretando como falha do sistema no simplesmente a

ultrapassagem de um valor, mas a forma como os valores de concentrao se sucedem.

Assim, por exemplo, sero consideradas como falhas, uma forte variao no nvel

de concentrao em curto intervalo de tempo, mesmo que o valor de concentrao

mxima ainda no tenha sido atingido; ou um incremento residual na concentrao de

oxignio que permanea constante ao longo do tempo.

Associado a um microcomputador, possvel proceder a anlise de todo um

perodo de monitoramento, por meio dos grficos e relatrios arquivados, ou apenas a

investigao na atuao do alarme.

2.1 Difuso e Efuso de Gases

A difuso a disperso gradual de uma substncia em outra [10]. Para os gases

este processo relativamente veloz, se comparado com os estados lquido e slido.

Thomas Graham, qumico escocs, realizou em 1829 vrios experimentos onde mediu a

velocidade de difuso de gases. Apoiado nesses dados, estabeleceu-se a Lei de Difuso

de Graham, onde a velocidade de difuso de um gs atravs de outro inversamente

proporcional raiz quadrada da densidade do gs, ou de maneira mais abrangente, a

velocidade de difuso de um gs inversamente proporcional raiz quadrada de sua

massa molecular.

A efuso a passagem de um gs atravs de um orifcio [10]. Graham relatou em

1846 que, a temperatura constante, a velocidade de efuso de um gs atravs de um

determinado orifcio inversamente proporcional raiz quadrada de sua densidade ou de

sua massa molecular. Este se tornou o enunciado da Lei de Efuso de Graham.

A sada de gases por orifcios praticados nas paredes dos depsitos ou dutos que

os contm regida por leis anlogas dos lquidos [21]. Para os lquidos a velocidade de

sada ser dada por :

hgV ..2= (2.1)

Fazendo h representar a altura da coluna de gs correspondente presso

existente no orifcio, expressando essa altura h por meio da presso equivalente de uma

26

coluna de mercrio b e designando por H e g as massas especficas do mercrio e do

gs respectivamente, podemos estabelecer a proposio :

bh

g

H =

donde g

Hbh = (2.2)

Substituindo na equao 2.1 teremos :

g

HgbV 2= =

g

b6,1381,92 (2.3)

g

bV 3,16= (2.4)

Dessa forma podemos concluir que a quantidade de gs que sai em t segundos

por um orifcio de rea A, ser dado por :

tVAQ =g

btAQ 3,16= (2.5)

A efetivao dos clculos de efuso de gases por orifcios em que as diferenas

de presses interna e externa no so significativas, dever envolver parmetros de

ajuste , para que se obtenha uma melhor aproximao dos valores reais.

2.2 - O Sensor de Oxignio

Os sensores de oxignio so amplamente utilizados na deteco indireta de gases

combustveis em indstrias, no controle da qualidade dos gases emitidos pela combusto

de motores na indstria de veculos, na superviso de atmosferas modificadas seja pela

indstria de alimentos ou no setor de sade.

Os sensores de oxignio fabricados de xido de zircnio estabilizado com xido de

clcio (calcia-stabilized zirconia ou CSZ), tm sido muito estudados e, recentemente, foi

27

produzido filme de zircnia (xido de zircnio) estabilizado na fase cbica, preparado a

temperatura ambiente por um mtodo eletroqumico [14].

Este novo processo dispensa a sinterizao do xido e dessa forma reduz as

perdas ocorridas no processo tradicional, decorrentes da transio indevida da fase

tetragonal para monoclnica [14], com reflexos na reduo do custo de fabricao do

composto.

Pelo fato de estes sensores apresentarem hoje grande confiabilidade e serem

comercialmente disponveis a um custo razovel, na faixa de dezenas de dlares, eles

foram escolhidos para este trabalho.

Trs fabricantes foram pesquisados, Fujikura Ltd., Pasco e a Eletrovac GMBH,

sendo escolhido o sensor fabricado pela Eletrovac [15], modelo T039-Typ050, cuja faixa

de utilizao de 0,1% a 20,9% de oxignio, apresentando uma resposta de 100 a 200

microamperes, estando sua sensibilidade compatvel com a utilizao pretendida e preo

adequado nossa proposta de trabalho.

Na tabela 2.1, so apresentadas as caractersticas principais do sensor Eletrovac

T039 Typ 250.

Fabricante Eletrovac GMBH

Modelo T039 Tpy 250

Sinal de Sada 100A a 200A com 20,9% de O2

Tempo de Resposta 2 a 10 segundos

Dependncia da Temperatura 0,034% do sinal medido por C

Polarizao do Sensor 0,7 a 1,6 Volts

Tenso de Aquecimento 1,6 a 4 Volts

Mxima Temperatura de Capa 250 C

Tempo de Aquecimento Aproximadamente 2 minutos

Quadro 2.1 : Dados do Sensor Eletrovac modelo T039 Typ 250

2.3 - Princpio de Funcionamento do Sensor de Oxignio Os compostos de ZrO2 / CaO com o xido de clcio variando de 15% a 28% mol,

possuem uma fase cbica chamada de Zircnia estabilizada (CSZ ou cubic zirconia) onde

28

alguns stios de Zr4+ so substitudos por Ca2+ criando uma vacncia de nions O2-. A

grande quantidade de clcio presente na estrutura produz uma deficincia de populao

de oxignio, tornando conseqentemente estes materiais bons condutores de nions O2-.

O bombeamento eletroqumico de oxignio deste material otimizado quando

aquecido a temperaturas de 250 C a 400 C, nos sensores comerciais, embora o

composto seja estvel a temperaturas mais elevadas.

Se uma diferena de potencial aplicada nas faces de uma clula eletroltica de

Zircnia, quando ela est aquecida, o oxignio reduzido para O2- no lado do catodo e

atravessa a zircnia onde re-oxidado para gs oxignio no lado do anodo. Esta

passagem atravs do zircnia gera uma corrente eltrica provocada pelos ons portadores

de carga.

Um orifcio no lado do catodo limita a entrada de oxignio mantendo uma diferena

de concentrao nos dois lados da clula, limitando a corrente de saturao.

Na figura 2.1 est esquematizado o princpio de funcionamento do sensor de

oxignio, com a identificao de seus componentes bsicos, a indicao da migrao de

nions O2- e a circulao da corrente gerada pelos portadores de carga.

Na figura 2.2 temos o sensor e a indicao de sua pinagem, e na figura 2.3 so

apresentadas as curvas tpicas da corrente gerada em funo da concentrao de

oxignio presente no gs.

O2

O2 IS

O2-

anodo

Clula eletroltica de zircnia

catodo

A

Capa de proteo com furo de difuso

Corrente do sensor

Figura 2.1 : Esquema de funcionamento do Sensor de oxignio.

29

(Vista lado dos pinos)

3 4 1 2

1 ......... H+ 2 ......... H- 3 ......... Sen+ 4 ......... Sen-

Figura 2.2 : Indicao da pinagem do sensor T039-Typ 250

0 5 10 15 20 25-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

ValoresMnimos

ValoresTpicos

Valores Mximos

Cor

rent

e do

Sen

sor e

m m

icro

amp

re

Porcentagem de Oxignio

Sensor TO39 - Typ 250

Figura 2.3 : Curva caracterstica do sensor T039-Typ250 da Eletrovac

30

2.4 Circuito Detector

O Detector de Vazamento de Gs Hlio por via Indireta se divide em dois

mdulos, sendo um deles o circuito detector, que fornece as tenses de aquecimento e

polarizao para o funcionamento do sensor de oxignio e recebe o sinal analgico de

corrente enviado pelo sensor, proporcional concentrao de oxignio presente no gs

hlio que est sendo monitorado.

O outro mdulo o do conversor analgico digital, que realiza a aquisio do sinal

de tenso enviado pelo circuito detector, cuja amplitude proporcional informao de

corrente do sensor de oxignio. Alm deste sinal, o conversor tambm captura o sinal de

tenso enviado pelo sensor que monitora a temperatura do gs e as tenses de

aquecimento da clula eletroltica de zircnio e de polarizao do alarme do sensor que

foram ajustadas.

O circuito eletrnico que recebe o sinal de corrente do sensor de oxignio, foi

desenhado no programa CircuitMaker e sua placa de circuito impresso, no programa

TraxMaker, projetada para ser confeccionada em uma nica camada.

Basicamente o circuito do detector composto pelos seguintes blocos funcionais :

- Uma fonte de alimentao com entrada para tenso alternada em 110 V ou 220 V

selecionada por chave comutadora unipolar de acionamento no automtico,

composta de um transformador (T1) 110-220 VCA / 12 VDC, uma ponte retificadora de 1 ampre (D2) e circuitos de regulao executados com diodos

zeners e filtros para obteno das tenses de 15 VDC, 9 VDC e + 6,2 VDC que iro suprir o conversor analgico digital, o sensor de temperatura LM35, a

polarizao da clula eletroltica de zircnio e circuito de amplificao de corrente

do sensor de oxignio (S1) Eletrovac TO-39 Typ250;

- Uma fonte de tenso constante com ganho regulvel na faixa de 1 a 4 volts com 2

watts de potncia mxima, responsvel pelo aquecimento do sensor de oxignio

(S1), executada com dispositivo regulador de tenso (U1) tipo LM317, sendo a

tenso mxima aplicada sobre o sensor limitada a 4 volts atravs de um

potencimetro interno (R2) e ajuste externo no painel de comando pelo

potencimetro R3. Ao conjunto da fonte foi acoplado um par de protees (C1/C2

e C3/C4) contra oscilaes parasitas, que surgem na linha de alimentao

associadas ao prprio funcionamento do LM317, devido s suas realimentaes

internas;

31

- Um circuito para a amplificao da corrente fornecida pelo sensor de oxignio

(S1), e que disponibiliza para o conversor A/D um sinal de tenso proporcional

concentrao de oxignio. O circuito de amplificao de corrente foi projetado

utilizando um CI TL084 , que opera comparando a tenso enviada pelo sensor e a

tenso de referncia, pr-ajustada por meio do potencimetro R15, de forma a

poder sensibilizar o circuito de alarme atravs da polarizao do SCR1 e dos

transistores Q1 e Q2;

- Um circuito de alarme sonoro , que tem sua atuao determinada pela

comparao realizada pelo CI TL084C entre a tenso enviada pelo sensor e a

pr-ajustada. Um nvel elevado da concentrao de oxignio ir enviar uma

tenso ao potencimetro R12, cujo ajuste determinar o disparo do gate e a

conduo do SCR1, energizando a bobina do rel que ativa o alarme sonoro;

- Um circuito de alarme visual que tambm comandado pelo CI TL084C quando

este aplica nos transistores Q1 e Q2 uma tenso que determina seu estado de

conduo, conforme os valores ajustados dos potencimetros R19 e R20. Atravs

do ajuste diferenciado de R19 e R20 podemos estabelecer uma indicao

qualitativa da concentrao de oxignio, visto que a conduo dos transistores Q1

e Q2 no ocorrer para os mesmos valores de tenso enviados pelo detector de

vazamento de hlio.

Ao contrrio do que ocorre no alarme sonoro em que o reset se d de forma

manual, no alarme visual ele automtico, em funo do desaparecimento do

nvel de tenso na sada do diodo D6, que determinou a conduo dos

transistores, servindo desta forma como uma indicao de situaes

momentneas de variao da concentrao de oxignio que no representam

risco de grave contaminao ou perda de quantidades de hlio alm da

normalidade.

- o circuito detector ainda dispe de um sensor para monitorar a temperatura do

gs, utilizando para isso um circuito integrado tipo LM35 (U5), sensor de

temperatura que opera na faixa de 55 a 150 graus Celsius, com ganho de

10mV/0C.

No circuito detector optou-se por realizar o aquecimento do sensor de oxignio

(S1) atravs de uma fonte de tenso constante, em virtude de o sinal de corrente gerado

por este sensor apresentar uma dependncia da variao de temperatura muito pequena,

aproximadamente de 0,034% do sinal medido por grau Celsius [15].

32

Como o dispositivo dever atuar, predominantemente, na monitorao de gases

com temperaturas prximas da ambiente, na faixa entre 15 C e 20 C aproximadamente,

e sua calibrao efetuada para temperatura de 25 C, o patamar de erro devido

variao da corrente fornecida pelo sensor em funo da variao da temperatura, no

ser significativo, devendo permanecer na faixa de 0,3%, no comprometendo a

confiabilidade do equipamento, e em contrapartida, permitindo a execuo de um circuito

eletrnico de muito menor complexidade.

As situaes mais extremas ocorrero durante as transferncias de hlio lquido

para os criostatos, quando o gs recuperado que chega ao sensor atinge temperaturas

prximas a 0 C ou mesmo inferiores. Nestes casos, podero ocorrer variaes em torno

de 25 C em relao ao ponto de calibrao do sensor, o que dever produzir um erro de

aproximadamente 0,85% no sinal medido.

A figura 2.4 apresenta o diagrama esquemtico do circuito detector, com a

indicao de seus componentes principais.

33

S1

A/Dcanal 4

A/Dcanal 2

A/D canal 1

A/Dcanal 3

Ligado

Reset

123

141312 8

910

12V110/220v

800 VA

T1

A/D(-) A/D(+)

V8+9V

INCOMOUT

U5LM35

D71N4730A

+5V

R1910k 40%

D9LED3

Q2BC548

+5V

R2010k 40%

D8LED2

Q1BC548

A/D(-) A/D(+)

A/D(-) A/D(+)

AlarmeRLY212 V

+15V

S1

T106A1SCR1

R1110k 40%

A/D (-) A/D (+)

D61N4148

R1510k 40%

6.2 V

+C81uF

V1R17

10k 40%

+6.2 V

V1

R92k2k 40%

R34k7 40%

+ C44.7uF

C30.1uF

INCOM

OUT

U1LM317

+6.2 V

D11N4735A

+ C74.7uF

+15VD5LED1

D2Ponte

+ C51mF

+ C61mF

+ C9100uF

+ C10100uF

D31N757

D41N757

+9v

-9V

C10.1uF

+C2100uF

R124k7

R1647k

R8100k R13100k

R14100k

R71R8

R105k6

R21k

R1220

R41k2

R181K2

R61k2

R51k2

Figura 2.4 : Diagrama do circuito detector

34

2.5 O Sistema de Aquisio de Dados

Para realizar a aquisio dos sinais que sero processados no circuito detector, a

saber: o sinal de corrente enviado pelo sensor de oxignio, tenso de aquecimento do

sensor, tenso de polarizao e tenso correspondente temperatura do gs monitorado,

foi utilizado um sistema de aquisio, composto de um amplificador com ganho ajustvel,

um filtro passa-baixas com freqncia de corte de 100 Hz, um conversor analgico digital

(ADC) de 16 bits e freqncia de amostragem de at 200 KHz, com quatro canais

analgicos e uma sada serial.

A porta paralela foi utilizada como a interface de comunicao com o

microcomputador, e um programa de controle que permite o fcil uso do sistema de

aquisio foi desenvolvido em linguagem de programao orientado a objeto.

A figura 2.5 apresenta um diagrama em blocos do sistema de aquisio,

identificando os mdulos funcionais que compem o sistema.

Converso Interface Programa Filtragem

Amplificao

Figura 2.5 : Diagrama em blocos do sistema de aquisio.

O circuito eletrnico do sistema de aquisio, apresentado na figura 2.6, e

tambm foi desenhado no programa CircuitMaker e sua placa de circuito impresso, no

programa TraxMaker, projetada para ser confeccionada em uma nica camada.

35

76

5 3

210ff set4

U2

75

6

0ff set3

9

10 812

13140ff set2

1413

1210

980ff set1

A0A1

AD974

SN74LS1211

2

3

U1

D3D3

+5 V

+ 100pF

D3D4D1

15347 10

1114

D0S4S3D2

+5 V+ 2,2uF

+2,2uF

CAPVA1VA2VA3VA4VDDRefAGND WR2

WR1RCCSDATABUSYCLOCKPWRC

+5 V

50k 40%

+12 V

C310nF

10nF

+

-12V

10nF

10nF

-12V

+

100k 40%

+12 V

-12V

U1

G1100k 40%

C10 6,8 nF

U2

N1

C11 3,3nF

C133,3nF

N2

C12 6,8nFG2

100k 40%U1

-12V

+12 V

100k 40%

R19100k 40%

+12 V

-12V

G4100k 40%

C17 6,8nFU2

N4

C18 3,3nF

R14100k 40%

+12 V

-12V

U1

G3100k 40% C15 6,8nF

U2

N3

C16 3,3nF 2k

576k

R210k

R11k

R9

330K

R10330k

R12330k

R11

330k

R31k

R410k

R810k

R71k

R15

330k

R16330k

R610k

R51k

R13

330k

R14330k

Figura 2.6 : Diagrama esquemtico do circuito do sistema de aquisio

36

2.5.1 Mdulo de Amplificao

O estgio de amplificao dos sinais, utiliza um amplificador operacional qudruplo

da Texas Instruments, modelo TL084 (U1), configurado no modo amplificador no

inversor, com ganho varivel de 1 a 100.

O ganho varivel deste amplificador, possibilita o ajuste do nvel do sinal em

aquisio, de forma que este sempre mantenha um comportamento linear dentro da faixa

de interesse.[16] [19]

Suas principais caractersticas so:

- Baixo consumo;

- Baixo off-set;

- Alta impedncia de entrada;

- Alto slew-rate (13 V/s);

- Proteo contra curto-circuito na sada

Por possuir um alto slew-rate, tabelado em 13V/s, que taxa mxima de variao

da sada de um amplificador operacional real[17], e a partir do valor da freqncia mxima

de 100 Hz, garantimos que o valor de V0 obtido bem superior aos limites de saturao

do amplificador, e portanto durante toda a excurso do sinal, de 0 V a 5 V, o valor de

slew-rate no ser ultrapassado. Dessa forma os valores de tenso de sada no sero

distorcidos pela incapacidade do amplificador operacional de acompanhar a velocidade de

variao do sinal que esta sendo adquirido.

2.5.2 Mdulo de Filtragem

Para realizar a filtragem no sinal adquirido, foi utilizado em cada canal um filtro

Passa-Baixas Butterworth de 2 Ordem, com freqncia de corte de 100 Hz, atravs

tambm do CI TL084 (U2), fabricado pela TEXAS.

A opo por esse filtro, foi em virtude de ele apresentar uma banda passante

plana, uma distoro mdia, no necessitarmos de taxas de transio rpidas, serem

fceis de projetar e possurem funo de transferncia simples.[17] [18]

37

Como o projeto utilizar uma freqncia de amostragem de 100 Hz, a aquisio

poder ser realizada com sucesso para um sinal de freqncia mxima de 50 Hz, de

acordo com o teorema de Nyquist, o que satisfaz plenamente as nossas necessidades