SENSORES FÍSICOS E QUÍMICOS PARA MEIOS E GASES
Propriedades gerais de um sensor - Ótima exatidão de medida
- Durabilidade
- Facilidade de recalibração e recondicionamento - Sensibilidade e resolução
- Seletividade
- Resposta rápida
- Estabilidade por longo período de trabalho
Requisitos adicionais para sensores de bioprocessos
- Higiene
- Esterilização - Assepsia
- Material de construção
-Operação contínua
-Insensibilidade a interferentes e outros fatores ambientais -Aceitabilidade pelo usuário
-Segurança de uso
Sensores de parâmetros físicos
Temperatura
É definida como o grau de agitação térmica das moléculas da matéria; é uma propriedade intensiva Pirometria: medição de altas temperaturas, na faixa
em que os efeitos da radiação térmica passam a se manifestar
Criometria: medição de baixas temperaturas, normalmente abaixo de zero
Termometria: termo abrangente, que inclui os dois casos acima
Transferência de calor:
Condução (energia passa de uma molécula a outra; ocorre em sólidos)
Convecção (energia é “transportada” pelas moléculas, ocorre em líquidos e gases)
Irradiação (energia é “transportada” por ondas eletromagnéticas)
Unidades de temperatura
Celcius (oC); Kelvin (K); Fahrenheit (oF) Rankine (oR); Reaumür (oR)
Escalas
Referência Celcius
(oC) Kelvin
(K) Fahrenheit
(oF) Reaumur
(oR) Rankine (oRa) Ebulição
da água 100 373,15 212 80 671,67
Fusão da
água 0 273,15 32 0 491,67
Zero
absoluto - 273,15 0 - 459,67 - 218,52 0
Conversão
oC oF – 32 K – 273,15 oRa – 491,67 5 9 5 9
= = =
Tipos de termômetros
1. Líquido
1.1. Líquido em vidro
Princípio: expansão volumétrica do líquido
6
Líquido Ponto de fusão
Ponto de
Ebulição
Faixa de Uso
Mercúrio -39 ºC +357 -38 / +550 Álcool
Etílico -115 +78 -100 /
+70
Tolueno -92 +110 -80 /
Termômetros de líquido (expansão em tubo de vidro)
1.2. Líquido em metal
Princípio: expansão em recipiente metálico
Características
- Tubo de Bourbon
- Grande tempo de resposta
- Não recomendável para controle
Termômetro de líquido (expansão em tubo metálico)
Mecanismo que emprega tubo de Bourdon.
Mecanismo que emprega tubo de Bourdon.
2. Pressão de gás
Princípio: expansão em recipiente metálico
Leva em conta o fato de que a variação de pressão é linearmente dependente da temperatura, a volume constante.
Gás mais comum: N2
Faixa de medição: - 100 a 600 oC
Suporta pressões da ordem de 50 atm
Termômetro de gás
3. Sólidos
3.1. Lâmina bimetálica
Princípio: dilatação de metais em função da temp.
Principais ligas: Fe + Ni e latão Faixa de medição: - 50 a 800 oC
Estrutura de um termômetro de lâmina bimetálica.
3.2. Termopares
Princípio: efeito termoelétrico
A tensão termoelétrica que ocorre no ponto de compensação depende do material dos fios termoelétricos e da diferença da
Tipos de termopares T, J, E, K, S, R, B
Faixa de medição: - 200 a 1600 oC Termopares especiais
Faixa de medição: 1600 a 2750 oC
Diferem em função dos metais da liga e da proporção entre eles
3.3. Termistores
Princípio: variação da resistência em função da temperatura
V = R.i => R = V/i => i = V/R
Resitência ôhmica: seu valor numérico independe da tensão aplicada
Resitência não ôhmica: seu valor numérico depende da tensão aplicada
Semicondutores: materiais que exibem propriedades de resistência elétrica “a meio caminho” entre os bons condutores e os bons isolantes.
Apresentam grande coeficiente de variação da resistência em função da temperatura.
Portanto, para uma mesma tensão aplicada (V), a variação da resistência (R) resultará uma variação da corrente (i).
i = V/R
Tipos de termistores
NTC: “Negative Temperature Coefficient”
Sua resistência diminui acentuadamente com o aumento da temperatura.
São constituídos de óxidos metálicos de níquel, cobalto ou magnésio ou de sulfeto de ferro.
A curva que define a variação da resistência em função da temperatura tem comportamento exponencial.
Curvas características de termistores NTC com faixas de medição de
PTC: “Positive Temperature Coefficient”
Sua resistência aumenta com o aumento da temperatura.
Somente a partir de uma determinada temperatura exibe uma variação ôhmica com a variação da temperatura.
É mais sensível que o termistor NTC.
São constituídos de material cerâmico à base de titanato de bário.
Termistor tipo PTC.
Diferentes estruturas de termistores.
Perfil característico da variação da resistência em função da temperatura para os termistores NTC e PTC.
- Também chamados RTD (Resistance Temperature Detector) - Alta estabilidade mecânica e térmica
- Resistência à contaminação
- Baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso - São feitos de metais semicondutores (platina, cobre ou níquel) - Faixa de temperatura – 270 a 660 oC
- É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para fazer a indicação corretamente - A medição é feita normalmente por ligação a um circuito de
medição tipo ponte de Wheatstone
3.4. Termorresistores
Princípio: variação da resistência em função da temperatura
Esquema geral de um termorresistor.
Diferentes tipos de termorresistores.
- Utilizado para medir altas temperaturas (como alto-fornos)
- Baseado no princípio da lei de Planck, que prevê o fluxo radiante de energia por unidade de área de um corpo negro em função da temperatura
-Esse princípio vale para todas as substâncias que podem emitir luz ao se tornarem incandescentes
-Seu funcionamento se dá por comparação da cor de um objeto incandescente com a cor de um filamento interno do aparelho
- A temperatura final medida depende muito da capacidade de
4. Sensores de radiação
4.1. Pirômetro óptico
Princípio: emissão de energia radiante em função da temperatura
Esquema geral de um pirômetro óptico.
- Faixa de temperatura: - 20 a 1000 oC
- Ideal para medir temperatura de superfícies - Leitura digital
4.2. Termômetro de infra-vermelho
Princípio: emissão de energia radiante em função da temperatura
“Caminhos” da energia relacionados a um
determinado corpo (item testado).
Esquema geral de um termômetro de infra- vermelho.
Alguns modelos de termômetro de infra-vermelho.
Medição e controle de temperatura em bioprocessos:
- Termômetros de expansão de líquido (laboratório) - Termopares
- Termorresistores
- Termistores (mais precisos)
Finalidades:
-Controle da temperatura do meio de fermentação -Controle da temperatura durante a esterilização -Controle da temperatura ambiente
-Controle da temperatura para conservação de matérias-primas e suplementos de meios
-Controle da temperatura durante processos de
