Medidas II_Instrumentação em Processos Industriais.pdf

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Instrumentação emProcessos Industriais


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Medidas Eléctricas II 2013

2 Eng. Nuno Nhantumbo

1. Introdução à Instrumentação

Instrumentação é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação

de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis

físicas em equipamentos nos processos industriais. Nas indústrias de processos tais

como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, etc.; a instrumentação é

responsável pelo rendimento máximo de um processo fazendo com que toda energia

cedida seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. As

principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são:

pressão, nível, vazão, temperatura; as quais se denominam variáveis de um processo.Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos contínuos e

descontínuos. Em ambos os tipos devem-se manter as variáveis próximas aos valores

desejados.

O sistema de controle que permite fazer isto se define como aquele que

compara o valor da variável do processo com o valor desejado e toma uma atitude de

correção de acordo com o desvio existente, sem a intervenção do operador.

Para que se possa realizar esta comparação e conseqüentemente a correção,é necessário que se tenha uma unidade de medida, uma unidade de controle e um

elemento final de controle no processo.

Como exemplo, mostra-se abaixo um sistema de aquecimento de água. A

finalidade do sistema é fornecer uma determinada vazão de água aquecida. O meio

controlado é a água. A variável controlada é a temperatura da água (é o que de fato,

se quer obter). A variável manipulada (aquela sobre a qual o controlador automático

atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado) neste caso, é o

vapor.

Na figura 1 vemos o sistema de aquecimento atuando em malha aberta, além

de sua representação em diagrama de blocos, e na figura 2, o sistema atuando em

malha de controle fechada com seu respectivo diagrama de blocos.

Note que, em malha aberta, a informação sobre a variável controlada não é

utilizada para ajustar qualquer entrada do sistema para compensar variações nas

variáveis do processo.


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Na malha fechada, a informação sobre a variável controlada, com a respectiva

comparação com o valor desejado, é utilizada para manipular uma ou mais variáveisdo processo.

Figura 1 – Controle de Malha Aberta


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Figura 2 – Controle de Malha Fechada

1.1. Termin olo gia

Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos (química,

siderúrgica, papel, etc.) têm sua própria terminologia. Os termos utilizados definem as

características próprias de medida e controle dos diversos instrumentos: indicadores,

registradores, controladores, transmissores e válvulas de controle.

A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes, os usuários e os

organismos que intervêm diretamente ou indiretamente no campo da instrumentação

industrial.

1.2.1. Faixa de Medida (Range)

Conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro do

limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento.

Expressa-se determinando os valores extremos.

Exemplo: 100 a 500m3 e 0 a 20psi

1.2.2. Alcance (Span)

É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do

instrumento.

Exemplo: Um instrumento com range de 100 m3 a 500 m3

Seu span é de 400 m3.


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1.2.3. Erro

É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao

valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente,

chamaremos de erro estático, que poderá ser positivo ou negativo, dependendo da

indicação do instrumento, o qual poderá estar indicando a mais ou menos.

Quando tivermos a variável alterando seu valor ao longo do tempo, teremos um

atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estarágeralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor

real e o valor medido é chamada de erro dinâmico.

1.2.4. Exatidão

Podemos definir como sendo a aptidão de um instrumento de medição para dar

respostas próximas a um valor verdadeiro.

A exatidão pode ser descrita de três maneiras:

Percentual do Fundo de Escala (% do F.E.)

Percentual do Span (% do span)

Percentual do Valor Lido (% do V.L.)

Exemplo: Para um sensor de temperatura com range de 50 a 250 °C e valor

medido 100°C, determine o intervalo provável do valor real para as seguintes

condições:

Exatidão 1 % do Fundo de Escala

Valor real = 100°C ± (0,01 x 250) = 100°C ± 2,5°C

Exatidão 1 % do Span

Valor real = 100°C ± (0,01 x 200) = 100°C ± 2,0°C


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Exatidão 1 % do Valor Lido (Instantâneo)

Valor real = 100°C ± (0,01 x 100) = 100°C ± 1,0°C

1.2.5. Rangeabilidade (Largura da faixa)

É a relação entre o valor máximo e o valor mínimo, lidos com a mesma

exatidão na escala de um instrumento.

Exemplo: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM (galões por

minuto), com exatidão de 1% do span e rangeabilidade 10:1, a exatidão serárespeitada entre 30 e 300 GPM.

1.2.5. Zona Morta

É a máxima variação que a variável pode ter sem que provoque alteração na

indicação ou sinal de saída de um instrumento.

Exemplo: Um instrumento com range de 0 ºC à 200 ºC, possui uma zona morta

de ± 0,1% do span. A zona morta do instrumento pode ser calculada da seguinteforma:

Sendo, ± 0,1% = ± 0,1/100 = ± 0,001, teremos: 0,001. 200 = ± 0,2 ºC

1.2.6. Sensibilidade

É a mínima variação que a variável pode ter, provocando alteração na

indicação ou sinal de saída de um instrumento.

Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 500°C e com sensibilidade de

0,05% terá valor de:

1.2.7. Histerese


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É o erro máximo apresentado por um instrumento para um mesmo valor em

qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nossentidos ascendente e descendente.

Expressa-se em porcentagem do span do instrumento.

Deve-se destacar que a expressão zona morta está incluída na histerese.

Exemplo: Num instrumento com range de -50°C a 100°C, sendo sua histerese

de ± 0,3 %, o erro será 0,3 % de 150°C = ± 0,45°C.

1.2.8. Repetibilidade

É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável,

adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do

span do instrumento. O termo repetibilidade não inclui a histerese.

1.2.9. Linearidade

É o desvio máximo da indicação obtida tomando com referência a reta que une

os pontos referentes a 0% e 100% da escala.

1.2. Funções dos Inst rumentos

Os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma

determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses instrumentos

chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função.


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Figura 4 – Aparência de Alguns Instrumetos: (a) Controlador, (b) Indicador), (c)

Registrador, (d) Transmissor, (e) Transdutor, (f) Elemento Final de Controle (no caso,uma válvula)

1.3. Iden ti fi cação dos Ins tr um ento s

Com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos

utilizados para representar as configurações utilizadas para representar as

configurações das malhas de instrumentação, normas foram criadas em diversos

países.

No Brasil, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através de sua

norma NBR 8190 apresenta e sugere o uso de símbolos gráficos para representação

dos diversos instrumentos e suas funções ocupadas nas malhas de instrumentação.

No entanto, como é dada a liberdade para cada empresa estabelecer/escolher a

norma a ser seguida na elaboração dos seus diversos documentos de projeto de

instrumentação outras são utilizadas.

Assim, devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas mais

utilizadas em projetos industriais no Brasil é a estabelecida pela ISA (Instrument

Society of America).

De acordo com a norma ISA-S5, cada instrumento ou função programada será

identificada por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto

de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada

pertence.

Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo.

A tabela 2 mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a

norma estabelecida.


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Tabela 2 - Identificação de instrumentos de acordo com a norma ISA-S5

Onde:

P - Variável medida – PressãoR - Função passiva ou de informação – Registrador

C - Função ativa ou de saída – Controlador

001 - Área de atividade onde o instrumento atua

02 - Número seqüencial da malha

A - Sufixo

A figura 5 apresenta a simbologia dos sinais utilizados nos fluxogramas de

processo e segue a Norma ANSI/ISA-S5.1


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Figura 5 – Símbolos de Sinais de Fluxo

Na figura 6 podem ser vistos os símbolos de instrumentos utilizados nos

fluxogramas de processo, com os quais pode-se definir em que local da planta o

instrumento está localizado.

Figura 6 - Símbolos de instrumentos utilizados em fluxogramas


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Tabela 3 - Identificação Funcional dos Instrumentos

Abaixo são mostrados alguns arranjos típicos de alguns instrumentos. São

eles:


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1.4. Telemetria

Chamamos de telemetria a técnica de transportar medições obtidas no

processo a distância, em função de um instrumento transmissor.

A transmissão a distância dos valores medidos está tão intimamente

relacionada com os processos contínuos, que a necessidade e as vantagens da

aplicação da telemetria e do processamento contínuo se entrelaçam.Um dos fatores que se destacam na utilização da telemetria é a possibilidade

de centralizar instrumentos e controles de um determinado processo em painéis de

controle ou em uma sala de controle.

Teremos, a partir daqui, inúmeras vantagens as quais não são difíceis de

imaginar:


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Os instrumentos agrupados podem ser consultados mais facilmente e

rapidamente, possibilitando à operação uma visão conjunta do desempenhoda unidade.

Podemos reduzir o número de operadores com simultâneo aumento da

eficiência do trabalho.

Cresce, consideravelmente, a utilidade e a eficiência dos instrumentos face

às possibilidades de pronta consulta, manutenção e inspeção, em situação

mais acessível, mais protegida e mais confortável.

1.4.1. Transmissores

Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e

transmitem, à distância, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador

ou a uma combinação destes.

Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos,

hidráulicos e eletrônicos.

1.4.2. Transmissão Pneumática

Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável,

linear, de 3 a 15psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas

de 0 a 100% da variável. Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA ( Scientific

Apparatur Makers Association), Associação de Fabricantes de Instrumentos, e pela

maioria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos.Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas de sinais de

transmissão. Por exemplo: de 20 a 100kPa.

Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, adotam-se as faixas de 0,2

a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15psi.

O alcance do sinal no sistema métrico é cerca de 5% menor que o sinal de 3 a

15psi. Este é um dos motivos pelos quais devemos calibrar os instrumentos de uma


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malha (transmissor, controlador, elemento final de controle etc.), sempre utilizando

uma mesma norma.Note-se que o valor mínimo do sinal pneumático também não é zero, e sim 3psi

ou 0,2kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente o instrumento,

comprovando sua correta calibração e detectando vazamentos de ar nas linhas de

transmissão.

Percebe-se que, se tivéssemos um transmissor pneumático de temperatura de

range de 0 a 2000C e o mesmo mantivesse o bulbo a 00C e um sinal de saída de 1psi,

este estaria descalibrado.

Se o valor mínimo de saída fosse 0psi, não seria possível fazermos estacomparação rapidamente. Para que pudéssemos detectá-lo, teríamos de esperar um

aumento de temperatura para que tivéssemos um sinal de saída maior que 0 (o qual

seria incorreto).

1.4.3. Transmissão Eletrônica

Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os

mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discrepâncias nos

sinais de saída entre diferentes fabricantes, porque tais instrumentos estão preparados

para uma fácil mudança do seu sinal de saída.

A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a

15psi de um sinal pneumático.

O “zero vivo” utilizado, quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a

vantagem também de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios), que

provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo.

1.4.4. PROTOCOLO HART (Highway Adress RemoteTransducer)


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Consiste num sistema que combina o padrão 4 a 20 mA com a comunicação

digital. É um sistema a dois fios com taxa de comunicação de 1.200 bits/s (BPS) emodulação FSK (Frequency Shift Keying ). O Hart é baseado no sistema

mestre/escravo, permitindo a existência de dois mestres na rede simultaneamente.

As vantagens do protocolo Hart são as seguintes:

Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunicação digital.

Usa o mesmo tipo de cabo utilizado na instrumentação analógica.

Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes.

As desvantagens são que existe uma limitação quanto à velocidade de

transmissão das informações e a falta de economia de cabeamento (precisa-se de um

par de fios para cada instrumento).

1.4.5. Fieldbus

É um sistema de comunicação digital bidirecional, que interliga equipamentos

inteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipamentos localizados na

sala de controle, como mostra a Figura 11.

Este padrão permite comunicação entre uma variedade de equipamentos, tais

como: transmissores, válvulas, controladores, CLP etc. Eles podem ser de fabricantes

diferentes (interoperabilidade) e ter controle distribuído (cada instrumento tem a

capacidade de processar um sinal recebido e enviar informações a outros

instrumentos para correção de uma variável – pressão, vazão, temperatura etc.).

Uma grande vantagem é a redução do número de cabos do controlador aos

instrumentos de campo. Apenas um par de fios é o suficiente para a interligação de

uma rede fieldbus, como se pode observar na Figura 11.


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Figura 7 – Sistema Fieldbus

Exercícios


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1) No diagrama P&I acima identifique todos os instrumentos:


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2) Qual o motivo para que a maior parte dos sinais de transmissão comecem

com um valor maior que zero (exp: 1~5 Volts , 4~20 mA, 0.2 ~ 1.0 kgf/cm2 , 3 ~ 15PSI) ?

2. Medição de Pressão

2.1. In trodução

Como já foi escrito, a instrumentação é a ciência que se ocupa em desenvolver

aplicar técnicas de medição, indicação, registro e controle de processos de

transformação, visando a otimização da eficiência dos mesmos. Essas técnicas são

normalmente suportadas teoricamente em princípios físicos e ou físico-químicos e

utiliza-se das mais avançadas tecnologias de fabricação para viabilizar os diversos

tipos de medição de variáveis industriais. Dentre essas variáveis encontra-se a

pressão cuja medição possibilita não só sua monitoração e controle como também de

outras variáveis tais como nível, vazão e densidade. Assim por ser sua compreensãobásica para o entendimento de outras áreas da instrumentação iniciaremos revisando

alguns conceitos físicos importantes para medição de pressão.

2.2. Def in ições Básicas

2.2.1. Sólido

Toda matéria cuja forma não muda facilmente quando submetida à uma força.

2.2.2. Líquidos


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Toda matéria cuja forma pode ser mudada facilmente quando submetida à uma

força, porém sem mudar o volume.

2.2.3. Gás

Toda matéria cuja forma e volume podem ser mudados facilmente quando

submetida à força.

2.2.4. Fluido

Toda matéria cuja forma pode ser mudada e por isso é capaz de se deslocar.

Ao ato de se deslocar é caracterizado como escoamento e assim chamado de fluido.

2.2.5. Massa Específica

Também chamada de densidade absoluta é a relação entre a massa e o

volume de uma determinada substância. É representada pela letra Ró () e no SI pelaunidade (kg/m3).

2.2.6. Densidade Relativa

Relação entre massa específica de uma substância A e a massa específica de

uma substância de referência, tomadas à mesma condição de temperatura e pressão.

Nota:

1 - Para líquidos a densidade de uma substância tem como referência a água

destilada a 4ºC e 1 atm cujo valor foi convencionado ser igual a unidade.

2 - Para gases e vapores a densidade de uma substância tem como referência

o ar a 15ºC e 1 atm cujo valor foi convencionado ser igual a unidade.


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2.2.7. Peso Específico

Relação entre peso e o volume de uma determinada substância. É

representado pela letra gama () e cuja unidade usual é kgf/m3.

2.2.8. Gravidade Específica

Relação entre a massa de uma substância e a massa de um mesmo volume deágua, ambos tomados à mesma temperatura.

2.3. Def in ição de Pr es são

Pode ser definida como sendo a relação entre uma força aplicada

perpendicularmente (90º) à uma área (fig. 4) e é expressa pela seguinte equação:

Figura 7 - Exemplo de aplicação de uma força em uma superfície (10 Kgf/cm2).

A pressão pode ser também expressa como a somatória da pressão estática e

pressão dinâmica e assim chamada de pressão total.


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2.3.1. Pressão Estática

É a pressão exercida em um ponto, em fluidos estáticos, que é transmitida

integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais.

2.3.2. Pressão Dinâmica

É a pressão exercida por um fluido em movimento paralelo à sua corrente. A

pressão dinâmica é representada pela seguinte equação:

Pd =1/2. . V2 (N/m2)

2.3.3. Pressão Total

É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas

exercidas por um fluido que se encontra em movimento.

2.4. Tip os de Pres são Med idas

A pressão medida pode ser representada pela pressão absoluta, manométrica

ou diferencial. A escolha de uma destas três depende do objetivo da medição. A

seguir será definido cada tipo, bem como suas inter-relações e unidades utilizadas

para representá-las.

2.4.1. Pressão absoluta

É a pressão positiva a partir do vácuo perfeito, ou seja, a soma da pressão

atmosférica do local e a pressão manométrica. Geralmente coloca-se a letra A após a


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unidade. Mas quando representamos pressão abaixo da pressão atmosférica por

pressão absoluta, esta é denominada grau de vácuo ou pressão barométrica.

2.4.2. Pressão manométrica

É a pressão medida em relação à pressão atmosférica existente no local,

podendo ser positiva ou negativa. Geralmente se coloca a letra “G” após a unidade

para representá-la.

Quando se fala em uma pressão negativa, em relação à pressão atmosférica

chamamos pressão de vácuo.

2.4.3. Pressão diferencial

É o resultado da diferença de duas pressões medidas. Em outras palavras, é a

pressão medida em qualquer ponto, menos no ponto zero de referência da pressão

atmosférica.

2.4.5. Relação entre Tipos de Pressão Medida

A figura abaixo mostra graficamente a relação entre os três tipos de pressão

medida.


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Figura 8 – Diagrama de Escalas

2.5. Unidad es de Pres são

A pressão possui vários tipos de unidade. Os sistemas de unidade MKS, CGS,

gravitacional e unidade do sistema de coluna de líquido são utilizados tendo como

referência a pressão atmosférica e são escolhidas, dependendo da área de utilização,

tipos de medida de pressão, faixa de medição, etc.

Em geral são utilizados para medição de pressão, as unidades Pa, N/m²,

kgf/cm², mHg, mH2O, lbf/pol2, Atm e bar.

A seleção da unidade é livre, mas geralmente deve-se escolher uma grandeza

para que o valor medido possa estar na faixa de 0,1 a 1000. Assim, as sete unidades

anteriormente mencionadas, além dos casos especiais, são necessárias e suficientes

para cobrir as faixas de pressão utilizadas no campo da instrumentação industrial.

Suas relações podem ser encontradas na tabela de conversão a seguir.


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Tabela 4 – conversão de Unidades

2.6. Técnicas de Med ição de Pres são

2.6.1. Introdução

A medição de uma variável de processo é feita, sempre, baseada em princípios

físicos ou químicos e nas modificações que sofrem as matérias quando sujeitas àsalterações impostas por essa variável. A medição da variável pressão pode ser

realizada baseada em vários princípios, cuja escolha está sempre associada às

condições da aplicação. Nesse tópico serão abordadas as principais técnicas e

princípios de sua medição com objetivo de facilitar a análise e escolha do tipo mais

adequado para cada aplicação.

2.6.2. Composição dos Medidores de Pressão

Os medidores de pressão de um modo geral podem ser divididos em três

partes, sendo fabricado pela associação destas partes ou mesmo incorporado a

conversores e ai recebendo o nome de transmissores de pressão. As três partes são:

Elemen to d e rec epção:


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Aquele que recebe a pressão a ser medida e a transforma em

deslocamento ou força (ex: Bourbon, fole, diafragma).

Elemento de trans ferênc ia:

Aquele que amplia o deslocamento ou a força do elemento de recepção

ou que transforma o mesmo em um sinal único de transmissão do tipo

elétrica ou pneumática, que é enviada ao elemento de indicação (ex:

links mecânicos, relé piloto, amplificadores operacionais).

Elem en to de in di cação: Aquele que recebe o sinal do elemento de transferência e indica ou

registra a pressão medida (ex: ponteiros, displays).

2.7. Principais Tipos de Medidor es

2.7.1. Manômetros

São dispositivos utilizados para indicação local de pressão e em geral divididos

em duas partes principais: o manômetro de líquidos, que utiliza um líquido como meio

para se medir a pressão, e o manômetro tipo elástico que utiliza a deformação de um

elemento elástico como meio para se medir pressão.

A tabela 5 classifica os manômetros de acordo com os elementos de recepção.


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Tabela 5 – Tipos de Manômetros

2.7.2. Manômetros de Líquidos

A) Prin cípio de fu nc ionamento e co ns trução:

É um instrumento de medição e indicação local de pressão baseado na

equação manométrica. Sua construção é simples e de baixo custo. Basicamente é

constituído por tubo de vidro com área seccional uniforme, uma escala graduada, um

líquido de enchimento e suportados por uma estrutura de sustentação.

O valor de pressão medida é obtida pela leitura da altura de coluna do líquido

deslocado em função da intensidade da referida pressão aplicada.

B) Líqu ido s de enchimen to

A princípio qualquer líquido com baixa viscosidade, e não volátil nas condições

de medição, pode ser utilizado como líquido de enchimento. Entretanto, na prática, a

água destilada e o mercúrio são os líquidos mais utilizados nesses manômetros.

C) Fai xa de med ição

Em função do peso específico do líquido de enchimento e também da

fragilidade do tubo de vidro que limita seu tamanho, esse instrumento é utilizado

somente para medição de baixas pressões.


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Em termos práticos, a altura de coluna máxima disponível no mercado é de 2

metros e assim a pressão máxima medida é de 2 mH 2O caso se utilize água destilada,e 2 mHg com utilização do mercúrio.

2.7.3. Manômetro de Líquido Tipo Coluna em “U”

O tubo em “U” é um dos medidores de pressão mais simples entre os

medidores para baixa pressão. É constituído por um tubo de material transparente

(geralmente vidro) recurvado em forma de U e fixado sobre uma escala graduada. A

figura mostra três formas básicas.

Figura 9 – Manômetros em “U”

No tipo (a), o zero da escala está no mesmo plano horizontal que a superfície

do líquido quando as pressões P1 e P2 são iguais. Neste caso, a superfície do líquido

desce no lado de alta pressão e, conseqüentemente sobe no lado de baixa pressão. A

leitura se faz, somando a quantidade deslocada a partir do zero nos lados de alta e

baixa pressão.

No tipo (b), o ajuste de zero é feito em relação ao lado de alta pressão. Neste

tipo há necessidade de se ajustar a escala a cada mudança de pressão.

No tipo (c) a leitura é feita a partir do ponto mínimo da superfície do líquido no

lado de alta pressão, subtraída do ponto máximo do lado de baixa pressão.


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A leitura pode ser feita simplesmente medindo o deslocamento do lado de

baixa pressão a partir do mesmo nível do lado de alta pressão, tomando comoreferência o zero da escala.

A faixa de medição é de aproximadamente 0 ~ 2000 mmH2O/mmHg.

Figura 10 – Cálculo da Pressão Manométrica

Figura 11 - Exemplos de manômetros em “U”


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2.7.4. Manômetro de Líquido Tipo Coluna Reta Vertical

O emprego deste manômetro é idêntico ao do tubo em “U”.

Nesse manômetro as áreas dos ramos da coluna são diferentes, sendo a

pressão maior aplicada normalmente no lado da maior área.

Essa pressão, aplicada no ramo de área maior provoca um pequeno

deslocamento do líquido na mesma, fazendo com que o deslocamento no outro ramo

seja bem maior, face o volume deslocado ser o mesmo e sua área bem menor.

Chamando as áreas do ramo reto e do ramo de maior área de “a” e “A”

respectivamente e aplicando pressões P1 e P2 em suas extremidades teremos pela

equação manométrica:

P1 - P2 = .(h2 + h1)

Como o volume deslocado é o mesmo, teremos:

Substituindo o valor de h1 na equação manométrica, teremos:

Como “A” é muito maior que “a”, equação anterior pode ser simplificada ereescrita. Assim teremos a seguinte equação utilizada para cálculo da pressão.


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Figura 12 - Manômetro de Coluna Vertical

2.7.5 Manômetro de Líquido Tipo Coluna Inclinada

Este Manômetro é utilizado para medir baixas pressões na ordem de 50

mmH2O. Sua construção é feita inclinando um tubo reto de pequeno diâmetro, de

modo a medir com boa precisão pressões em função do deslocamento do líquido

dentro do tubo. A vantagem adicional é a de expandir a escala de leitura o que é

muitas vezes conveniente para medições de pequenas pressões com boa precisão

( 0,02 mmH2O).

A figura 13 representa o croqui construtivo desse manômetro, onde “α” é o

ângulo de inclinação e “a” e “A” são áreas dos ramos. P1 e P2 são as pressões aplicadas, sendo P1 P2.

Sendo a quantidade deslocada, em volume, a mesma e tendo os ramos áreas

diferentes, teremos:


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Figura 13 – Manômetro de Líquido de Coluna Inclinada

Conseqüentemente, a proporção da diferença entre as alturas das duas

superfícies do líquido é:

O movimento da superfície do líquido é ampliado de

vezes para

cada tipo de tubo reto.

Quanto menores forem a/A e α, maior será a taxa de ampliação. Devido às

influências do fenômeno de tubo capilar, uniformidade do tubo, etc. é recomendável

utilizar o grau de inclinação de aproximadamente 1/10. A leitura neste tipo de

manômetro é feita com o menisco na posição vertical em relação ao tubo reto. O


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diâmetro interno do tubo reto é de 2~3mm, a faixa de utilização é de aproximadamente

10 ~ 50mm H2O, e é utilizado como padrão nas medições de micropressão.

Os manômetros de líquido foram largamente utilizados na medição de pressão,

nível e vazão nos primórdios da instrumentação. Hoje, com o advento de outras

tecnologias que permitem leituras remotas, a aplicação destes instrumentos na área

industrial se limite a locais ou processos cujos valores medidos não são cruciais no

resultado do processo ou a locais cuja distância da sala de controle inviabiliza a

instalação de outro tipo de instrumento.

Porém, é nos laboratórios de calibração que ainda encontramos sua grande

utilização, pois podem ser tratados como padrões.

2.7.5 Manômetro do Tipo elástico

Este tipo de instrumento de medição de pressão baseia-se na lei de Hooke

sobre elasticidade dos materiais.

Em 1676, Robert Hook estabeleceu essa lei que relaciona a força aplicada em

um corpo e a deformação por ele sofrida. Em seu enunciado ele disse: “o módulo da

força aplicada em um corpo é proporcional à deformação provocada’.

Essa deformação pode ser dividida em elástica (determinada pelo limite de

elasticidade), e plástica ou permanente.

Os medidores de pressão tipo elástico são submetidos a valores de pressão

sempre abaixo do limite de elasticidade, pois assim cessada a força a ele submetida o

medidor retorna a sua posição inicial sem perder suas características.

a) Funcionamento

O elemento de recepção de pressão tipo elástico sofre deformação tanto maior

quanto a pressão aplicada. Esta deformação é medida por dispositivos mecânicos,

elétricos ou eletrônicos.


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O elemento de recepção de pressão tipo elástico, comumente chamado de

manômetro, é aquele que mede a deformação elástica sofrida quando está submetidoa uma força resultante da pressão aplicada sobre uma área específica.

Essa deformação provoca um deslocamento linear que é convertido de forma

proporcional a um deslocamento angular através de mecanismo específico. Ao

deslocamento angular é anexado um ponteiro que percorre uma escala linear e cuja

faixa representa a faixa de medição do elemento de recepção.

b) Principais tipos de elementos de recepção

A tabela abaixo mostra os principais tipos de elementos de recepção utilizados

na medição de pressão baseada na deformação elástica, bem como sua aplicação e

faixa recomendável de trabalho.

Tabela 6 – Principais Elementos de Recepção de Manômetros do Tipo Elásticos

2.7.6 Manômetro Elástico do Tipo Tubo Bourdon

Tubo de Bourdon consiste em um tubo com seção oval, que poderá estar

disposto em forma de “C”, espiral ou helicoidal (Fig. 14), tem uma de sua extremidade

fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida.

Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular

resultando um movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento através de

engrenagens é transmitido a um ponteiro que irá indicar uma medida de pressão em


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uma escala graduada. A construção básica, o mecanismo interno e seção de tubo de

Bourdon, são mostrados nas figuras abaixo.

Figura 14 – Tipos de Tubos de Bourdon

Devido ao baixo custo e à boa precisão, os manômetros de Bourdon tipo C,

apresentados na Figura 14, são os mais utilizados até hoje nas indústrias. Ao se

aplicar uma pressão superior à atmosférica, o tubo muda seu formato para uma seção

transversal mais circular.


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Nos manômetros que utilizam o Bourdon tipo C, devido ao pequeno movimento

realizado por sua extremidade livre quando submetida à pressão em medição, énecessária a utilização de um mecanismo para amplificação deste movimento.

Este mecanismo de amplificação empregado nos manômetros é chamado de

máquina. Os materiais mais usados nos Bourdons são o aço-liga, aço inoxidável ou

bronze fosforoso, que variam de acordo com o tipo de produto a ser medido e são

recomendados pelo fabricante. A faixa de aplicação varia de 1kgf/cm2 de vácuo até

2.000kgf/cm2 de sobrepressão. Por recomendação do fabricante, a faixa da escala que

possui maior precisão de medição é a faixa compreendida entre 1/3 e 2/3 da escala

2.7.6. Manômetro do Tipo Membrana ou Diafragma

É constituído por um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela

borda.

Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação.

Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca, e esse

deslocamento é proporcional à pressão aplicada.

A figura 15 ilustra alguns tipos de diafragma utilizados na fabricação de

manômetros.

Figura 15 – Tipos de Diafragma


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2.7.7. Manômetro do Tipo Fole

É também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um

cilindro metálico, corrugado ou sanfonado.

Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e,

como ela tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o

deslocamento é proporcional à pressão aplicada à parte interna.

Figura 16 – Manômetro do Tipo Fole

2.8. Outros Elementos Sensores Usados para MedirPr es são

2.8.1. Tipo Capacitivo

A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos

sistemas de alavancas na transferência da força/deslocamento entre o processo e o

sensor.

Este tipo de sensor resume-se na deformação pelo processo de uma das

armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que é


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medida por um circuito eletrônico. Esta montagem, se por um lado, elimina os

problemas mecânicos das partes móveis, expõe a célula capacitiva às rudescondições do processo, principalmente a temperatura. Este inconveniente pode ser

superado através de circuitos sensíveis à temperatura montados junto ao sensor.

Outra característica inerente à montagem é a falta de linearidade entre a

capacitância e a distância das armaduras, devido á deformação não linear. Neste

caso, faz-se necessário uma compensação (linearização) a cargo do circuito

eletrônico.

O sensor é formado pelos seguintes componentes: Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido

Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube)

Armadura móvel (diafragma sensor)

A diferença de pressão entre as câmaras de alta (high) e de baixa pressão

(low) produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de

enchimento.

A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor), provocando sua

deformação e alterando, portanto, o valor das capacitâncias formadas pelasarmaduras fixas e a armadura móvel. Esta alteração é medida pelo circuito eletrônico,

que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula

de pressão diferencial capacitiva.


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Figura 17 – Sensor Capacitivo

2.8.2. Tipo Strain Gauge

Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas

dimensões.

Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral

da resistência:

Onde:

R : Resistência do condutor

r : Resistividade do materialL : Comprimento do condutor

S : Área da seção transversal

O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base,

dobrando-se tão compacto quanto possível.

Esta montagem denomina-se tira extensiométrica, como vemos na figura 18:

Figura 18 - Sensor tipo Strain Gauge


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Observa-se que o fio (figura 19), apesar de solidamente ligado a lâmina de base,precisa estar eletricamente isolado da mesma. Uma das extremidades da lâmina é

fixada em um ponto de apoio rígido, enquanto a outra extremidade será o ponto de

aplicação de força.

Figura 19 - Sensor tipo Strain Gauge

Da física tradicional, sabemos que um material, ao sofrer uma flexão, tem suas

fibras internas submetidas a dois tipos de deformação: tração e compressão.

Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras

extensiométricas é o circuito em ponte de Wheatstone (como mostrado na figura 20),

que tem a vantagem adicional de compensar as variações de temperatura ambiente,

pois todos os elementos estão montados em um único bloco.

Figura 20 - Ponte de Wheatstone com sensor Strain Gauge


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2.8.3 Tipo Sensor Piezoelétrico

Os elementos piezelétricos são cristais (como o quartzo, a turmalina e o

titanato) que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina,

quando sofrem uma deformação física por ação de uma pressão. São elementos

pequenos e de construção robusta, seu sinal de resposta é linear com a variação de

pressão e são capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências de milhões de

ciclos por segundo.

O efeito piezelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um

potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este

efeito é altamente estável e exato e por isso é utilizado em relógios de precisão.

A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez

que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de

um amplificador, sendo indicada ou convertida em um sinal de saída para tratamento

posterior.

A figura 21 ilustra, esquematicamente, um sensor tipo piezelétrico.

Figura 21 - Sensor Piezoelétrico

Observe a figura 21. Como vantagem, esse efeito apresenta uma relação linear

Pressão x Voltagem produzida e é ideal para locais de freqüentes variações de


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pressão. Sua principal desvantagem é o fato de, em condições estáticas, apresentar

redução gradativa de potencial, além de ser sensível à variação de temperatura.

3. Medição de Temperatura

3.1. Conceitos Fundamentais

Todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas (moléculas) que

se encontram em contínuo movimento. Quanto mais rápido o movimento das

moléculas, mais quente se apresenta o corpo; quanto mais lento o movimento das

moléculas, mais frio se apresenta o corpo. Então, define-se temperatura como o grau

de agitação térmica das moléculas.

Na prática, a temperatura é representada em uma escala numérica, na qual

quanto maior o seu valor, maior é a agitação das moléculas do corpo em questão.


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O instrumento usado para medir temperatura é o termômetro. Por exemplo,

usamos o termômetro para saber se uma pessoa está com febre, porque, com amedida do termômetro, sabemos se o corpo da pessoa está mais quente do que

normal. Também com o termômetro, podemos verificar qual é a temperatura do

ambiente: quanto mais fria uma noite, menor a temperatura mostrada pelo termômetro.

Um conceito que se confunde às vezes com o de temperatura é o de calor.

Entretanto, calor é energia em trânsito ou a forma de energia que é transferida através

da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura.

3.1.1. Transmissão de Calor

A literatura geralmente reconhece três meios distintos de transmissão de calor:

condução, irradiação e convecção.

a) Condução

É um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para

outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso, ou

entre meios diferentes em contato físico direto.

b) Irradiação

É o processo de transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas (ondas

de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) propaga-se até o outro,

através do espaço que os separa.

Sendo uma transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas, a radiação

não exige a presença do meio material para ocorrer, isto é, a radiação ocorre no vácuo

e também em meios materiais. Entretanto, não são todos os meios materiais que

permitem a propagação das ondas de calor através deles.


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Toda energia radiante (transportada por onda de rádio, infravermelha, ultravioleta,

luz visível, raios x, raio gama, etc.) pode converter-se em energia térmica porabsorção.

Porém, só as radiações infravermelhas são chamadas de ondas de calor.

c) Convecção

Consideremos uma sala na qual liga-se um aquecedor elétrico em sua parte

inferior. O ar em torno do aquecedor se aquece, tornando-se menos denso que o

restante, havendo uma troca de posição do ar quente que sobe e o ar frio que desce. A esse movimento de massas de fluido chamamos convecção, e as correntes de ar

formadas são correntes de convecção.

Outros exemplos de convecção são os fluxos das chaminés, o funcionamento dos

radiadores e as correntes atmosféricas. Portanto, convecção é um movimento de

massas de fluido, trocando de posição entre si. Notemos que não tem significado falar

em convecção no vácuo ou em um sólido, isto é, convecção só ocorre nos fluidos.

3.2. Medição de Tem peratura

O objetivo de se medir e controlar as diversas variáveis físicas em processos

industriais é obter produtos de alta qualidade, com melhores condições de rendimento

e segurança, a custos compatíveis com as necessidades do mercado consumidor.

Nos diversos segmentos de mercado (químico, petroquímico, siderúrgico,

cerâmico, papel e celulose, farmacêutico, vidreiro, alimentício, hidrelétrico, nuclear

entre outros) a monitoração da variável temperatura é fundamental para a obtenção do

produto final especificado.

Termometria significa "Medição de Temperatura". Eventualmente o termo

Pirometria é também aplicado com o mesmo significado, porém, baseando-se na

etimologia das palavras, podemos definir:


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PIROMETRIA - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de

radiação térmica passam a se manifestar. CRIOMETRIA - Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao

zero absoluto de temperatura.

TERMOMETRIA - Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria como

a Criometria, que seriam casos particulares de medição.

A diferença entre a temperatura de dois corpos determina a capacidade de troca

de calor entre eles. Dois corpos distintos trocarão calor até que estejam em equilíbrio

térmico, ou seja, até que se igualem as suas temperaturas. Este é o princípio básicoda maioria dos medidores de temperatura.

3.3. Escalas de Temperatu ra

As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram Fahrenheit e Celsius. A

escala Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e212 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em

180 partes iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit.

A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no ponto de fusão do

gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido

em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau

centígrado", utilizada anteriormente no lugar de "Grau Celsius", não é mais

recomendada, devendo ser evitado o seu uso.

Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit são relativas, ou seja, os seusvalores numéricos de referência são totalmente arbitrários.

Se abaixarmos a temperatura de uma substância continuamente, atingimos um

ponto limite além do qual é impossível ultrapassar pela própria definição de

temperatura. Este ponto, onde cessa praticamente todo movimento atômico, é o zero

absoluto de temperatura.


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Através da extrapolação das leituras do termômetro a gás, pois os gases se

liquefazem antes de atingir o zero absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto naescala Celsius em -273,15°C.

Existem escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero

delas é fixado no zero absoluto de temperatura e as escalas absolutas atualmente em

uso são: a escala Kelvin e a Rankine.

A escala Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é

igual a um grau Celsius, porém o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais

baixa possível: 273,15 graus abaixo do zero da escala Celsius.

A escala Rankine possui o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão éidêntica à da escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga às

escalas relativas: Kelvin 0 K e Rankine 0 R (sem o símbolo de grau "°").

A escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e nos Estados Unidos

da América, porém seu uso tem declinado em favor da escala Celsius, de aceitação

universal.

A escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve

substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit. Existe

uma outra escala relativa, a Reamur, hoje praticamente em desuso. Esta escala adotacomo zero o ponto de fusão do gelo e 80 como o ponto de ebulição da água. O

intervalo é dividido em oitenta partes iguais. (representação - °Re).

A escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e nos Estados Unidos

da América, porém seu uso tem declinado em favor da escala Celsius, de aceitação

universal.

A escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve

substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit. Existe

uma outra escala relativa, a Reamur, hoje praticamente em desuso. Esta escala adota

como zero o ponto de fusão do gelo e 80 como o ponto de ebulição da água. O

intervalo é dividido em oitenta partes iguais. (representação - °Re).

3.4 Conversões de Escalas de Temperatura


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A figura 22 relaciona as principais escalas de temperatura.

Figura 22 – Relação Entre as Escalas de Temperatura

Desta comparação, podemos retirar algumas relações básicas entre as

escalas:

Outras relações podem ser obtidas combinando, as apresentadas, entre si.

Exemplo: O ponto de ebulição do oxigênio é -182,86°C. Exprimir esta

temperatura em:


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3.5. Medidores de Temperatura

Os medidores de temperatura podem ser divididos em dois grupos:

Os que se baseiam nas alterações físicas dos materiais, tais como volume,

pressão etc. Exemplos: termômetros de líquido, termômetros bimetálicos,

termômetros a pressão de vapor ou de gás.

Os que se baseiam nas propriedades termoelétricas, como diferença de

potencial, resistividade, etc. Exemplos: termopares, termômetros de

resistência.

Alguns instrumentos, como os pirômetros óticos, utilizam a radiação emitida por

um corpo quente como propriedade termométrica. Nesse caso, o elemento de

medição não entra em equilíbrio térmico com o corpo sujeito à determinação detemperatura.

3.6. Líquido

Os termômetros de dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão

volumétrica de um líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado.

Os tipos podem variar conforme sua construção:

recipiente de vidro transparente;

recipiente metálico.

3.6.1. Termômetros de Dilatação de Líquido em Recipiente deVidro


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É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade

desejada, soldada a um tubo capilar de seção, mais uniforme possível, fechado naparte superior.

O reservatório e a parte do capilar são preenchidos por um líquido. Na parte

superior do capilar, existe um alargamento que protege o termômetro no caso da

temperatura ultrapassar seu limite máximo.

Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações

deste. A medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem

o topo da coluna líquida.

Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona. A tabela 7mostra as características de alguns deles.

Tabela 7 - Líquidos mais usados na construção de termômetros de vidro

Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico

e o tubo capilar por um invólucro metálico.

No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550°C,

injetando-se gás inerte sob pressão, evitando a vaporização do mercúrio.

Por ser frágil e impossível registrar sua indicação ou transmití-la à distância, o

uso deste termômetro é mais comum em laboratórios ou em indústrias, com autilização de uma proteção metálica.

A figura 23 ilustra alguns tipos de termômetros de dilatação de líquido em

recipiente de vidro e formas de utilização com suas respectivas proteções.


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Figura 23 - Exemplos de Termômetros de Dilatação de Líquidos em Recipientes de

Vidro

3.6.2. Termômetro de Dilatação de Líquido em RecipienteMetálico

Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e, sob o efeito de um

aumento de temperatura, dilata-se, deformando um elemento extensível (sensor

volumétrico). Isto pode ser observado através da figura 24.


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Figura 25 - Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico

· Bulbo

Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e, principalmente, com

a sensibilidade desejada.

Tabela 8 - Líquidos mais usados e sua faixa de utilização

· Capilar

Suas dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor

possível, a fim de evitar a influência da temperatura ambiente, porém não deve

oferecer resistência à passagem do líquido em expansão.

· Elemento de medição

O elemento usado é o tubo de Bourdon, podendo ser: tipo C, tipo espiral e o

tipo helicoidal, ilustrados na figura 26.


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Figura 26 – Elementos de Medição

Aplica-se estes termômetros, em geral, na indústria para indicação e registro,

pois permite leituras remotas e é o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição

de temperatura. Porém, não é recomendável para controle, por causa de seu tempo

de resposta ser relativamente grande.

Recomenda-se não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se

formem restrições que prejudiquem o movimento do líquido em seu interior, causando

problemas de medição.

3.7. Termômetr os a Pres são de Gás

3.7.1. Princípio de Funcionamento

Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um

bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos, conforme

pode ser observado na figura 27.


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Figura 27 – Termômetro à Pressão de Gás

O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão.

Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão, conforme a lei dos gases

perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão. Observa-

se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo

o volume constante.

3.8. Termômetr o à Di lat ação de Sóli dos (Term ômetr osB im etáli cos)

3.8.1. Princípio de Funcionamento

Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura (umaboa noção pode ser observada nas ilustrações da figura 28).


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Figura 28 - Princípio de Funcionamento do Termômetro Bimetálico

3.8.2. Características de Construção

O termômetro bimetálico consiste em duas laminas de metal, com coeficientes

de dilatação diferentes, sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a

temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional àtemperatura. Na prática, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice,

o que aumenta bastante a sensibilidade (figura 29).

Figura 29 - Características de Construção do Termômetro Bimetálico

O termômetro mais usado é o de lâmina helicoidal (figura 3.11), e consiste em

um tubo bom condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo que por sua vez


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recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala. Normalmente, utiliza-se o invar

(aço com 64% Fe e 36% Ni), com baixo coeficiente de dilatação, e o latão como metalde alto coeficiente de dilatação.

A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos é de -50 a 800°C,

aproximadamente, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/-

1 %.

Figura 30 - Termômetro Bimetálico de Lâmina Helicoidal

3.9. Med ição de Temperatu ra com Term op ar

Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na

forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo,

ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos

fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um

circuito elétrico por onde flui a corrente.

O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de

medição é chamado de junta fria ou de referência. A figura 31 mostra um desenho

esquemático e os componentes de uma ligação para medição de temperatura por

termopar.


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O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m.

Este princípio, conhecido por efeito Seebeck, propiciou a utilização de termoparespara a medição de temperatura.

Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as

junções mantidas a diferentes temperaturas, quatro fenômenos ocorrem

simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta.

Figura 32 - Esquemático de Ligação de um Termopar

3.9.1. Efeito Termoelétrico de Seebeck

Para medição de temperatura o efeito de interesse é o de Seebeck: “O

fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando ele

notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes - A e B,

ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura DT

entre as suas junções. Denominamos a junta de medição de Tm e a outra junta de

referência de Tr. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é conhecida como

efeito Seebeck”.


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Figura 33 – Efeito Termelétrico de Seebeck

Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante, verifica-se

que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste. Este fato

permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro.

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metal

diferem de um condutor para outro e dependem da temperatura. Quando dois

condutores diferentes são conectados para formar duas junções, e estas são mantidas

a diferentes temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos

diferentes.

O sinal de f.e.m., gerado pelo gradiente de temperatura (T) existente entre as

juntas quente e fria, será, de um modo geral, indicado, registrado ou transmitido.

3.9.2. Leis Termoelétricas

Da descoberta dos efeitos termoelétricos, partiu-se, através da aplicação dos

princípios da termodinâmica, à enunciação das três leis que constituem a base da

teoria termoelétrica nas medições de temperatura com termopares. Portanto,

fundamentados nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os

fenômenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores.

a) Lei do Circuito Homogêneo


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“A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais

diferentes com suas junções às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente detemperatura e de sua distribuição ao longo dos fios".

Em outras palavras, a f.e.m. medida depende única e exclusivamente da

composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções

(figura 34).

Figura 34 – Lei do Circuito Homogêneo

Um exemplo de aplicação prática desta lei é o fato de podermos ter umagrande variação de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos

termopares, sem que esta influencie na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura

entre as juntas. Portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem

definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as

juntas.

b) Lei dos Metais Intermediários

“A soma algébrica das f.e.m. termais, em um circuito composto de um número

qualquer de metais diferentes, é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura".

Deduz-se daí que em um circuito termoelétrico, composto de dois metais

diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do

circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a

temperaturas iguais (figura 35).


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Figura 35 – Lei dos Metais Intermediários

Onde se conclui que:

T3 = T4 E1 = E2

Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão

ou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.

c) Lei das Temperaturas Intermediárias

“A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e

diferentes entre si com as suas junções às temperaturas T 1 e T3 respectivamente, é a

soma algébrica da f.e.m. deste circuito com as junções às temperaturas T 1 e T2 e a

f.e.m. deste mesmo circuito com as junções às temperaturas T2 e T3”.


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Figura 36 – Lei das Temperaturas Intermediárias

Um exemplo prático da aplicação desta lei é a compensação ou correção da

temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.

3.9.3. Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura

Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química

dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de

variação de temperatura, podemos observar uma variação da f.e.m. gerada pelo

termopar. Portanto, podemos construir uma tabela de correlação entre temperatura e a

f.e.m. Por uma questão prática, padronizou-se a levantamento destas curvas com a

junta de referência à temperatura de 0°C.

Figura 37 - Correlação da f.e.m. Versus Temperatura para os Termopares


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3.10 Tipo s e característ icas do s term opares

Existem várias combinações de dois metais condutores operando como

termopares.

As combinações de fios devem possuir uma relação razoavelmente linear entre

temperatura e FEM, assim como desenvolver uma FEM por grau de mudança de

temperatura que seja detectável pelos equipamentos normais de medição. Foram

desenvolvidas diversas combinações de pares de ligas metálicas, desde os mais

corriqueiros, de uso industrial, até os mais sofisticados, para uso especial ou restritos

a laboratórios. Podemos dividir os termopares em grupos básicos e nobres.

3.10.1. Termopares básicos

São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios

são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior.São eles:


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3.10.1 Termopares Nobres

Aqueles cujos pares são constituídos de platina. Embora possuam custo

elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa

potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e

pureza dos fios dos termopares.

São eles:


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3.10.2. Correção da junta de referência

Os gráficos existentes da FEM gerada em função da temperatura para os

termopares têm fixado a junta de referência a 0°C (ponto de solidificação da água).

Porém, nas aplicações práticas dos termopares a junta de referência é considerada

nos terminais do instrumento receptor, encontrando-se temperatura ambiente, que é

normalmente diferente de 0°C e variável com o tempo. Isso torna necessário que se

faça uma correção da junta de referência, podendo ela ser automática ou manual. Osinstrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer

a correção da junta de referência automaticamente, sendo um dos métodos adotados

a medição da temperatura nos terminais do instrumento, através de circuito eletrônico.

Este circuito adiciona a milivoltagem que chega aos terminais, uma milivoltagem

correspondente à diferença de temperatura de 0°C à temperatura ambiente, conforme

apresentado na Figura 38.

Figura 38 – Correção da Junta de Referência

É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre

as temperaturas das junções. Então para medirmos a temperatura do ponto desejado,

precisamos manter a temperatura da junção de referência invariável. Observe a figura

39.


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Figura 39 – Diferença entre as Temperaturas das Junções

FEM = JM – JR

FEM = 2,25 – 1,22

FEM = 1,03mV => 25°C

Esta temperatura obtida pelo cálculo está errada, pois o valor correto que o

meu termômetro tem que medir é de 50°C.

FEM = JM – JR

FEM = 2,25 – 1,22

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

compensação automática, portanto:

FEM= mV JM – mV JR + mV CA (Compensação Automática)

FEM = 2,25 – 1,22 + 1,22

FEM = 2,25mV => 50°C

A leitura agora está correta, pois 2,25mV correspondem a 50°C, que é a

temperatura do processo.

Hoje em dia a maioria dos instrumentos faz a compensação da junta de

referência automaticamente.


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3.11. Medição de Temperatur a por Termor res is tênci a

Os métodos de utilização de resistências para medição de temperatura

iniciaram-se por volta de 1835, com Faraday, porém só houve condições de se

elaborarem as mesmas para utilização em processos industriais a partir de 1925.

Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas

condições de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixo

índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso.

Devido a estas características, tal sensor é padrão internacional para a

medição de temperaturas na faixa de –270°C a 660°C em seu modelo de laboratório.

3.11.1. Princípio de funcionamento

Os bulbos de resistência (veja a Figura 34) são sensores que se baseiam no

princípio de variação da resistência em função da temperatura. Os materiais mais

utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, o cobre ou oníquel, metais com características de:

Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor

Alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura

Rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos

Figura 40 – Bulbo de Resistência


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3.11.2. Vantagens e Desvantagens dessa Medição

a) Vantagens

Possui maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos

de sensores

Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação

Dispensa utilização de fiação especial para ligação

Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente

Tem boas características de reprodutibilidade

Em alguns casos, substitui o termopar com grande vantagem

b) Desvantagens

É mais caro do que os sensores utilizados nessa mesma faixa Deteriora-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua

temperatura máxima de utilização

Temperatura máxima de utilização de 630°C

É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura

equilibrada para fazer a indicação corretamente

4. Medição de Nível

4.1. In trodução

A medição de nível, embora tenha conceituação simples, requer por vezes

artifícios e técnicas apuradas.


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O nível é uma variável importante na indústria não somente para a operação do

próprio processo, mas também para fins de cálculo de custo e de inventário. Ossistemas de medição de nível variam em complexidade desde simples visores para

leituras locais até indicação remota, registro ou controle automático.

Na indústria se requer medições tanto de nível de líquidos como de sólidos.

Para facilitar a compreensão costuma-se definir nível, como sendo a altura do

conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um sólido.

4.2. Métodos de med ição de nível de líquido

Os três tipos básicos de medição de nível são o direto, o indireto e o

descontínuo.

4.3. Med ição de nível direta

É a medição para a qual tomamos como referência a posição do plano superior

da substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos,

visores de nível, bóia ou flutuador.

4.3.1 Medidor de Nível Tipo Régua ou Gabarito

Consiste em uma régua graduada que tem o comprimento conveniente, para ser

introduzido dentro do reservatório onde vai ser medido o nível (Fig. 41).

A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento

marcado na régua, pelo líquido. São instrumentos simples e de baixo custo permitindo

medidas instantâneas. A graduação da régua deve ser feita a uma temperatura de

referência, podendo estar graduada em unidades de comprimento, volume ou Massa.


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(a) (b)

Figura 41- (a) Régua e Gabarito, (b) Exemplos de Régua

4.3.2 Visores de Nível

Aplica-se nestes instrumentos o princípio dos vasos comunicantes. Um tubotransparente é colocado a partir da base do reservatório até o seu ponto mais alto,

permitindo a leitura precisa do nível do líquido, mesmo para altas pressões.

Os visores de nível se destinam exclusivamente à monitoração do nível de

líquido ou da interface entre dois líquidos imiscíveis, em vasos, colunas, reatores,

tanques, etc. submetidos ou não à pressão.

Os visores são aplicados quase na totalidade dos casos de monitoração local

do nível, devido ao seu baixo custo em comparação com outros tipos de instrumentos,

a não ser em casos onde a pressão e temperatura sejam excessivas e impeçam a sua

utilização.

Devido às suas características construtivas, os visores de nível são de fácil

manutenção e construídos de maneira a oferecer segurança na operação.

Para atender as mais variadas aplicações em diversos processos existem

atualmente os visores do tipo tubular, de vidro plano, magnéticos e os especiais para

uso em caldeiras.


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Todos serão analisados um a um nos itens subseqüentes.

a) Visores de Vidro Tubular

Estes visores são normalmente fabricados com tubos de vidro retos com

paredes de espessuras adequada a cada aplicação. Estes tubos são fixados entre

duas válvulas de bloqueio de desenho especial através de união e juntas de vedação

apropriadas a cada especificação de projetos (ver Fig. 42).

O comprimento e o diâmetro do tubo irão depender das condições a que estará

submetido o visor, porém convêm observar que os mesmos não suportam altas

pressões e temperaturas.Para proteção do tubo de vidro contra eventuais choques externos, são

fornecidas hastes protetoras metálicas colocadas em torno do tubo de vidro ou com

tubos ou chapas plástica envolvendo o mesmo.

Figura 42 - Visor Tubular

Os tubos de vidro têm diâmetros normalizados onde para cada dimensão estão

relacionados valores de pressão e temperatura máximas permissíveis.

Devido às características construtivas, os visores de vidro tubular não suportam

altas pressões e temperaturas, bem como apresentam alta probabilidade de quebra

acidental do vidro por choque externo.


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Devido às limitações quanto a sua resistência a segurança, os visores de vidro

tubular são recomendados para uso em processos que não apresentam pressõessuperiores a cerca de 2,0 bar e em temperaturas que não excedam a 100 graus

Celsius.

Não se recomenda o seu uso com líquidos tóxicos, inflamáveis ou corrosivos,

visto que a fragilidade destes instrumentos aumenta a possibilidade de perda de

produto contido no equipamento.

Recomenda-se que o comprimento do tubo não exceda os 750 mm. Caso seja

necessário cobrir faixas de variação de nível maiores, recomenda-se usar dois ou mais

visores com sobreposição (ver Fig. 43) de faixas visíveis.

Figura 43 - Esquema de Visor com Sobreposição das Faixas Visíveis

b) Visores de Vidro Plano

Os vidros planos substituíram, ao longo dos anos, quase a totalidade dosvisores tubulares.

Esse fato decorre da inerente falta de segurança apresentada pelos visores

tubulares em aplicações com pressões elevadas. Atualmente, os visores planos

representam cerca de 90% das aplicações de visores de nível em plantas industriais.

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Os visores de vidro plano têm o aspecto mostrado na Fig. 44 (a). São

compostos de um ou vários módulos onde se fixam barras planas de vidro. Estesmódulos são conhecidos como seções dos visores.

Apesar da diversidade de modelos e fabricantes, cada seção apresenta uma

altura variando de 100 a 350 mm e, dependendo do desnível a ser medido, os visores

podem ser compostos de várias seções (visor multisseção). Contudo, recomenda-se

que cada visor tenha, no máximo, quatro seções. Ultrapassado esse limite, o peso da

unidade torna-se excessivo e o visor pode deixar de ser auto-sustentável,

necessitando de suportes adicionais. Caso sejam previstas variações amplas na

temperatura do fluido, o visor deverá ser provido com loops de expansão parapossibilitar a dilatação ou contração resultantes.

Quando o desnível, a ser medido, exigir um número de seções adicionais serão

sobrepostos como mostra a Fig. 44 (b).

(c)

Figura 44 (a) - Visor de Vidro Plano com Três Seções, (b) - Visores Sobrepostos e (c)

Exemplo de Aplicação

A principal desvantagem dos visores multisseções são as regiões de não

visibilidade entre seções adjacentes que medem tipicamente 38 mm.


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4.3.3 Medidor de Nível tipo Flutuador

a) Medidor de Nível com flutuador interno

Neste medidor de nível, dispositivo esférico é colocado a flutuar no tanque, (como

mostra a figura 45) e seu movimento vertical é convertido pela alavanca em

movimento rotativo para um indicador externo.

A rotação da alavanca produz uma indicação direta ou acima um contato

magnético. O flutuador tipo esférico é normalmente usado quando grande resistência à

pressão é desejada.O flutuador é desenhado de modo que a linha de centro da esfera coincida com o

nível da superfície do líquido, proporcionando uma máxima sensibilidade na mudança

de nível.

O medidor de níveis com flutuador interno é usualmente utilizado em tanques

abertos. Deve-se ter o cuidado para assegurar que não ocorra vazamentos quando

estes são usados com pressão ou em tanque de vácuo.

Fig. 45- Medidor de Nível com Flutuador Interno.

b) Medidor de Nível com Flutuador Externo

Neste medidor o flutuador é colocado em uma câmara montada do lado de fora

do tanque, como mostra a figura 46. Conforme varia o nível do flutuador movimenta-se


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verticalmente. Este por sua vez transmite esta variação ao elemento indicador através

de um sistema de alavancas.Sua vantagem sobre o sistema com flutuador interno está no fato deste ser

menos afetado por oscilações na superfície do líquido contido no tanque ou por sua

vaporização. Com este medidor pode-se obter o nível em tanques sob pressão ou

vácuo, medir nível de interface entre dois líquidos de densidade diferentes e medir

nível de líquidos corrosivos. É indicado especialmente para os casos em que a

instalação de um flutuador tipo bóia den

Documents

Medidas II_Instrumentação em Processos Industriais.pdf