Termômetros de contato direto 1. Termômetro à dilatação
1.1. De líquido - São baseados no fenômeno da dilatação aparente de um líquido dentro de um recipiente Fechado. O líquido mais utilizado é o mercúrio.
Pode ser:
Recipiente de vidro transparente
Recipiente metálico: o elemento sensor pode ser: “C”, espiral ou helicoidal.
2. Termômetro à pressão
2.1. De gás – Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, sendo composto de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre esses dois elementos.
Nesse termômetro o volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura o gás sofre uma expansão ou contração térmica, resultando assim em uma variação da pressão. O funcionamento deste termômetro está alicerçada na Lei de Gay-Lussac, da teoria geral dos gases que afirma: “As variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante”.
2.2. De vapor – Esse termômetro, assim como o anterior, também possui uma construção muito semelhante ao termômetro de dilatação de líquidos.
Para qualquer variação da temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás liquefeito colocado no bulbo do termômetro e, em conseqüência disso, uma variação na pressão dentro do capilar.
3. Termômetros elétricos
3.1. Termoelementos ou Termopar – Baseia-se na geração de uma FEM (força eletromotriz), da ordem de mV, devido à junção de dois metais diferentes com temperaturas diferentes em suas extremidades. Esse fenômeno é conhecido por efeito termoelétrico de Seebeck.
Isso significa que, para uma determinada temperatura existe uma FEM da ordem de mV. Dessa forma é possível construir uma tabela relacionando Temperatura e FEM.
Por questão de nomenclatura, adota-se:
T1 é a junção de medição ou junção quente: É a ponta que fica em contato com o corpo a que se quer medir a temperatura.
Tr é a junção de referência ou junção fria: É a ponta a qual é feita a conexão com o aparelho responsável pela medição da FEM gerada.
Princípio de funcionamento - A junção de condutores distintos A e B, formando um circuito fechado, submetidos a uma diferença de temperatura nas suas extremidades faz surgir uma corrente elétrica.
Quando este circuito é interrompido, surge uma força eletromotriz (FEM) EAB.
EAB = f( T)
EAB = ET1 – ETr
Compensação da temperatura ambiente (Tr) – Geralmente a junção de referencia fica
localizada em uma sala, onde a temperatura ambiente gera um potencial elétrico nessa ponta. Esse potencial elétrico gerado nessa junção induz o operador a erro na medição da temperatura do corpo. Para evitar esse tipo de ocorrência recorre-se à compensação da temperatura ambiente, ou seja, soma-se o resultado da FEM encontrada, ao potencial elétrico gerado pela temperatura ambiente. A estratégia é forçar que a temperatura na junção de referencia seja 0°C, dessa forma, o potencial elétrico nessa ponta também será 0 mV.
A figura abaixo mostra uma técnica, onde se força a temperatura na junção de referencia para 0°C por meio de um banho, dessa ponta, em água de fusão.
Geralmente, com as tecnologias que dispomos atualmente, essa compensação é feita por meios computacionais.
Exemplo de sala de aula
1)Um termopar é utilizado para medir a temperatura de um corpo. Sabe-se que a temperatura ambiente é de 25°C na conexão ao instrumento e a FEM térmica gerada no instrumento é de 3,059 mV. Determine:
Dados: 25°C = 1,000mV; 2,059mV = 50,5°C; 4,059mV = 100°C; 3,059mV = 75°C.
a) Qual a temperatura medida pelo instrumento considerando que não houve compensação da temperatura ambiente?
b) Qual a temperatura medida pelo instrumento após a compensação da temperatura ambiente?
Tipos e características dos termopares
• Termopares de Base Metálica ou Básicos Tipos: T, J, K e E.
São os termopares de maior uso industrial Os fios possuem um custo relativamente baixo Sua aplicação admite um limite de erro maior. • Termopares Nobres ou a Base de Platina.
Tipos: S, R e B;
São constituídas por ligas de platina; Possuem um custo elevado;
Altíssima precisão.
O gráfico abaixo mostra a relação entre a FEM e a temperatura dos diversos tipos de termopares.
Materiais que compõe os termopares
Exemplo de sala de aula 1)Determine:
a) A FEM para 58°C;
b) A temperatura para uma FEM de 5,206 mV.
Montagem do termopar convencional
1 – Isoladores: tem a função de isolar eletricamente os termoelementos e resistir a altas temperaturas. São feitos de cerâmica ou alumina (alumínio).
2 – Blocos de ligação ou terminais: tem a função de interligar o termopar ao fio ou cabo de extensão ou compensação, e prendê-los no cabeçote.
3 – Cabeçotes: tem a função de proteger os contatos dos bloco de ligação, facilitar a conexão do tubo de proteção, além de manter uma temperatura estável nos contatos do bloco de ligação.
4 – Tubos de proteção: tem a função de proteger os termopares de ambientes de trabalho (processos).
Termopar com isolação mineral - É constituído de um termopar convencional, envolvido por um pó isolante de óxido de magnésio, altamente compactado e protegidos por uma bainha metálica (tubo de proteção).
É composto por 3 partes: • Bainha metálica; • Termoelementos; • Isolação mineral.
Tipos de junções de medição – A depender do tipo de processo e da sensibilidade necessária para o mesmo, pode-se adotar um dos tipos de junção de medição conforme abaixo:
Fios e cabos de extensão e compensação – Os fios e cabos utilizados para fazer a conexão entre o bloco de terminais do termopar e a sala de controle podem ser apenas de extensão ou de extensão e compensação. A diferença básica entre os dois está no fato de que o primeiro apenas faz a extensão, sem qualquer tipo de compensação, e a segunda faz a extensão e a compensação, ou seja, conduz o sinal gerado pelo sensor e compensa as perdas de temperatura existentes entre a junção de referência (cabeçote) do sensor e os bornes do instrumento.
Poço de proteção termoelétrico – É um acessório dos termômetros elétricos. São utilizados para permitir a instalação de termopares ou termoresistência em ambientes em que somente o tubo de proteção não é suficiente.
3.3. Termômetro de resistência elétrica ou Termoresistência - São sensores que se baseiam no princípio da variação da resistência ôhmica em função da temperatura. Elas aumentam a resistência com o aumento da temperatura. Fisicamente se assemelham muito ao termopar, porém o princípio de funcionamento é diferente.
O material utilizado é o cobre, o níquel e a platina pois apresenta uma ampla escala de temperatura.
Popularmente no meio industrial é mais comum se utilizar como material da resistência a platina e chamamos de Pt – 100. Dessa forma, Pt – 100 nada mais é do que um termoresistor de platina que apresenta uma resistência ôhmica de 100 à 0°C.
As figuras abaixo mostra a composição do Pt – 100.
Esquema de montagem da termoresistência (ponte de weatstone)
Basicamente o princípio de funcionamento dos termoresistores está baseado na medição de uma resistência elétrica quando submetido a uma variação de temperatura. Isso deve ao fato de que a resistência elétrica é influenciada pela temperatura, como explica a
teoria da dilatação térmica dos sólidos. Dessa forma, uma técnica muito utilizada para determinar a nova resistência é pela ponte de weatstone.
Pela teoria, em uma ponte de weatstone, quando os potencias dos pontos A e B forem iguais, não haverá corrente elétrica entre estes pontos e, dessa forma, o galvanômetro indicará i = 0 mA e é dito que a ponte está em equilíbrio. Quando isso ocorre podemos relacionar as resistências pelo produto, conforme indica a figura abaixo:
Verifique que é necessário ter duas resistências de intensidades iguais e um reostato, que neste caso está sendo indicado pelo R3. Dessa forma, se tivermos uma ponte em
desequilíbrio, proporcionada pela modificação da resistência elétrica em decorrência da variação de temperatura, o galvanômetro indicará a presença de corrente elétrica. O reostato deverá modificar seu valor até que o galvanômetro indique corrente elétrica zero e a ponte volte a ficar equilibrada. Como as duas resistências tem valores iguais, para que os produtos sejam iguais é necessário que o valor da resistência desconhecida seja igual ao valor indicado no reostato. Por fim, pela tabela, verificamos qual temperatura decorrente desta nova resistência.
Esquema de montagem da termoresistência - De acordo com o comprimento dos condutores entre o sensor e o aparelho indicador, e de acordo com a preciso desejada, serão usados circuitos de dois, três e quatro fios.
a. Circuito ponte a dois condutores – Essa configuração é adotada quando não se necessita elevada precisão na medida. Além disso, é conveniente que essa disposição seja utilizada quando a distância entre os pontos de medição e leitura (comprimento dos condutores de ligação) não supere os três metros.
b. Circuito ponte a 3 fios – É o método mais utilizado dentro da industria. A configuração elétrica nessa montagem permite que a fonte fique o mais próximo possível do sensor. Desse modo a resistência RL1 oferecida pelo condutor central irá
balancear o circuito, podendo então essa configuração ser utilizada em instalações de comprimentos superiores a três metros.
c. Circuito ponte a quatro condutores – A montagem a quatro fios, entretanto, é a mais precisa para termoresistências. Esse tipo de ligação é mais usado em laboratórios de calibração; é pouco usada industrialmente porque sua montagem é mais trabalhosa e complexa.
Termômetros de contato indireto
A transmissão de energia por radiação ocorre por meio das ondas eletromagnéticas, que são classificadas conforme a sua frequência ou comprimento de onda.
Em geral, existem vários tipos de pirômetros de radiação, alguns deles serão destacados a seguir, são eles: Pirômetro óptico, pirômetro de radiação total e pirômetro de infravermelho.
4. Pirômetro infravermelhos e Pirômetro de radiação total – Esses aparelhos baseiam-se na detecção da radiação, proveniente de um objeto, por meio de uma convergência das ondas, proporcionado por uma lente ou um espelho esférico. A figura abaixo ilustra o princípio de funcionamento desses instrumentos.
5. Pirômetro óptico – É um instrumento com o qual a luminosidade desconhecida de um objeto é medida comparando-a com a luminosidade conhecida de uma fonte padrão. As imagens observadas pela ocular contem o filamento e o objeto incandescente sobrepostos. A figura seguinte descreve o que se vê em três situações possíveis, sendo Tf = temperatura do
Exercícios de aplicação 1° questão) Conceitue. a) Pirometria; b) Criometria. 2° questão) Defina. a) Temperatura; b) Calor.
3° questão) Quais são os termômetros de contato direto? 4° questão) Quais são os termômetros de contato indireto?
5° questão) Fale sobre o princípio básico de funcionamento dos termômetros de dilatação. 6° questão) Qual tipo de medidor de pressão pode ser utilizado nos termômetros de dilatação e de pressão?
7° questão) Explique o princípio de funcionamento dos termopares.
8° questão) Cite os termopares do tipo básicos ou de base metálica e descreva suas características.
9° questão) Cite os termopares do tipo nobres ou de base de platina e descreva suas características.
10° questão) O que é termopar de isolação mineral? 11° questão) Quais os tipos de junção de medição.
12° questão) Qual a função dos fios e cabos de extensão e compensação? 13° questão) Quais as partes básicas de um termopar de isolação mineral? 14° questão) Qual a finalidade dos poços de proteção termoelétrica?
15° questão) Defina termoresistores e cite os materiais utilizados nos termoresistores? 16° questão) O que é um PT - 100?
17° questão) Qual o princípio de funcionamento básico dos pirômetros de radiação? 18° questão) Em quais situações os pirômetros de radiação são indispensáveis?
IX – CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSO
Principais problemas para o controle de processos – O maior problema no controle de processos são os atrasos. Podem ser:
a) Atrasos no processo (capacitivo) - São atrasos proporcionados pela incapacidade do processo em absorver ou devolver energia de modo instantâneo.
Ex: Uma variação brusca da vazão de entrada (gera variação em degrau), proporciona uma saída exponencial.
b) Atrasos na medição (resistivo) - tempo morto
Tempo morto – tempo decorrido desde a variação da energia do sistema até a detecção dessa energia pelo sensor.
Fatores determinantes para o tempo morto – A velocidade de detecção do sinal depende: • Do tipo de sensor;
• Do tipo de variável;
• Da localização do sensor.
Análise das variáveis quanto ao tempo morto:
• Pressão e nível: Como a vazão são também variáveis de rápida detecção.
• Temperatura: Se o sensor for introduzido diretamente no processo, o sinal é relativamente rápido, porém com o uso do poço de proteção essa detecção se torna lenta.
c) Atrasos na transmissão – São os atrasos proporcionados na transmissão dos valores das variáveis medidas, próprios dos sistemas de transmissão pneumáticos.
Resumo dos três tipos de atrasos
O sistema de controle abaixo ilustra os três tipos de atrasos que podem ocorrer no processo automático
1 – Direta: Dizemos que um controlador está funcionando na ação direta quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um aumento no sinal de saída do mesmo. (e = PV – SP)
2 – Inversa (reversa) – Dizemos que um controlador está funcionando na “ação reversa” quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um decréscimo no sinal de saída do mesmo. (e = SP – PV)
Modelos de malhas de controle
1 – Controle em cascata: É aplicada quando os efeitos dos distúrbios sobre a variável manipulada afetam a variável controlada.
2 – Controle de razão: É aplicado quando se deseja fazer ajuste de vazões mantendo uma certa razão entre substâncias diferentes. (R=A/B)
3 – Controle seletivo: Utilizado para dar prioridade no controle de uma determinada variável manipulada por meio de seletores de sinal. (aumentando a segurança do processo).
4 – Controle em faixa divida (split-range): Envolve normalmente duas válvulas de controle operadas pelo mesmo controlador.
Geralmente:
Válvula 1 Fecha com sinal de 0 a 50%;
Válvula 2 Abre com sinal de 50 a 100%
Ação de controle em processos contínuos