ESTRATÉGIA PARA CALIBRAÇÃO DE TERMOPARES UTILIZADOS EM UM COMBUSTOR DE LEITO FLUIDIZADO
José Eduardo Ferreira de Oliveira1 Ermes Ferreira Costa Neto2 George Carlos do Nascimento3
Sérgio Lucena4
Estratégias de Controle Avançado para Sistemas de Leito Fluidizado
1
Centro Federal de Educação Tecnológica de Pernambuco
Av. Prof. Luiz Freire, 500 – Cidade Universitária – Recife – PE CEP: 50740-540 2, 3
Associação Instituto de Tecnologia de Pernambuco
Av. Prof. Luiz Freire, 700 – Cidade Universitária – Recife – PE CEP: 50740-540 4
Universidade Federal de Pernambuco Departamento de Engenharia Química
Av. Prof. Moraes Rego,1235 - Cidade Universitária, Recife - PE CEP: 50670-901
RESUMO
O objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia para a calibração de termopares particularmente utilizados em um combustor de leito fluidizado, utilizado para secagem de materiais, bem como as etapas para implantação do referido laboratório. Será mostrada neste trabalho a importância do controle da variável temperatura para a eficiência do combustor de leito fluidizado.
Palavras-chave: calibração, termopares, leito fluidizado
1 INTRODUÇÃO
Determinados processos químicos tornam-se tecnicamente viáveis para uma escala industrial a partir do uso de controles automáticos de melhor performance, tais como controle preditivo não linear.
Devido à complexidade do sistema de leito fluidizado, faz-se necessário um conhecimento fenomenológico do sistema e que será de importância na estruturação do controle e das técnicas de estimação de estado. O sistema estudado tem diversas aplicações na indústria como: Incinerador, aquecimento de fluidos, condicionamento de areia para fundição, limpeza de peças metálicas, secagem de material sólido, secagem de alimentos, reator para produção de gás de síntese, e de metanol.
Um dos problemas relacionados à eficácia do processo diz respeito ao controle da variável metrológica temperatura ao longo do reator, uma vez que, pela falta de calibração, determinação das incertezas de medição [1], elaboração de curvas de correção e monitoramento sistemático dos medidores, pode-se ter arraste de partículas em suspensão e reversibilidade de reação.
No combustor de leito fluidizado existem duas variáveis de entrada que serão manipuladas (vazão do ar propanado e vazão do ar puro) e duas variáveis de saída que são controladas (temperatura e diferença de pressão). O controle automático efetuado para a temperatura é obtido utilizando-se um controlador proporcional integral derivativo (PID). Os medidores de temperatura apresentam erros em toda a sua faixa nominal que podem ser de natureza sistemática ou aleatória e que variam ao longo do tempo. Em função disso, tais instrumentos devem ser monitorados com relação à sua estabilidade. Deve-se estabelecer curvas de correção e determinar a sua incerteza de medição, uma vez que a mesma deverá ser comparada às tolerâncias do processo referentes à temperatura [2]. Daí, a necessidade da calibração periódica.
Dentro deste contexto, a calibração dos termopares é realizada para atender aos seguintes requisitos:
Conhecer os erros sistemáticos; Conhecer a sua incerteza de medição; Controlar a sua estabilidade e
Decidir quanto à sua utilização ou não.
2 SISTEMAS DE COMBUSTÃO DE LEITO FLUIDIZADO
A preocupação atual é minimizar os danos ao meio ambiente causados por sistemas de combustão. A operação de um sistema de combustão convencional tem inconveniente da geração de poluentes gasosos, pelo fato da temperatura de chama
estar, normalmente, acima de 1200°C, assim produzindo o NOx. A eliminação destes poluentes tem sido intensamente investigadas e novas tecnologias atrativas e economicamente viáveis estão sendo encontradas, como é o caso dos sistemas de combustão de leito fluidizado. Esta nova geração desses equipamentos deve operar a temperaturas bem abaixo de 1200°C. A temperaturas abaixo de 800°C, não há formação de NOx, além disso, esta técnica resulta numa grande melhoria da eficiência da combustão de combustíveis com alto teor de umidade.
Este sistema de combustão de leito fluidizado utiliza um leito aquecido com partículas de areia suspensas (fluidizadas) em uma coluna de suspensão de ar para queimar diversos tipos de classes de combustíveis.
Estes sistemas de combustor constam de: Equipamento composto por um forno com bicos de injeção e queima de gás com uma câmara de combustão; Windbox com janela para visualização do processo; Tubo Venturi para mistura de mais ar de queima ou ar de complementação; Região de entrada de combustível; Placa de distribuição de gás com bico difusores; Reator a leito fluidizado com uma zona de expansão gasosa; Zona de saída; Sistema de captação de particulados (ciclone); Sistema de reciclo de sólidos, conforme apresentado na figura 1.
Deve haver o monitoramento das temperaturas ao longo do leito fluidizado para que haja um controle do sistema. Por este motivo as temperaturas do sistema são monitorados axialmente por vários termopares localizados em diferentes posições axiais do leito, conforme figura 1.
3 TÉCNICA DE CALIBRAÇÃO DE TERMOPARES
As calibrações de sensores térmicos como termopares, podem ser feitas por: Métodos absolutos;
Métodos Comparativos
Em ambos os casos devem ser seguidos as determinações da ITS-90 [3].
3.1 MÉTODOS ABSOLUTOS
Os métodos absolutos são aqueles em que o dispositivo a calibrar é imerso em um meio com temperatura intrinsecamente conhecida. Este meio, via de regra, é um ponto fixo de transformação de fase de substâncias puras. (Ex.: ponto tríplice da água, ponto de solidificação do zinco, etc).
Figura 1 - Esboço do combustor de leito fluidizado com a inserção dos pontos de tomadas de temperatura, pressão e concentração das substâncias ao longo do combustor.
3.2 MÉTODOS COMPARATIVOS
São métodos onde o sensor a calibrar tem sua indicação comparada com as de um padrão de referência, geralmente mais exato. O ensaio consiste em imergir ambos em um meio térmico uniforme e estável, cuja temperatura pode ser controlada na faixa requerida. As calibrações feitas por métodos comparativos atendem a grande parte da demanda.
Atualmente, dois métodos por comparação são bastante utilizados, são eles: O método de calibração de termopares convencionais e isolação mineral por comparação, baseando-se nas forças eletromotriz térmica (FEMt) geradas pelos
termopares de ensaio e de referência e o método de calibração de termopares convencionais e de isolação mineral, por comparação das forças eletromotriz térmicas geradas pelos termopares de ensaio com a variação da resistência de uma termorresistência de referência.
3.3 O INSTRUMENTO PADRÃO
O método por nós adotado foi o de calibração por comparação com termopar de referência.
Os padrões de temperatura podem ser classificados como de referência ou de trabalho. Os padrões de temperatura de referência devem ser instrumentos da maior confiabilidade do laboratório, de uso pouco freqüente e calibrado sempre por outro laboratório de referencia, enquanto os padrões de temperatura de trabalho, mesmo tendo a mesma qualidade do padrão de temperatura de referência, podem ser calibrados pelo próprio laboratório a partir do padrão de temperatura de referência e são usados com freqüência maior em calibrações rotineiras com incertezas maiores que a melhor capacidade de medição do laboratório. A distinção entre as classes dos padrões é admitida para favorecer aos laboratórios que, em função da demanda de serviços, com incertezas diferentes e maiores que a melhor capacidade de medição do laboratório, e do investimento na aquisição de padrões de qualidade esmerada e em maior número, podem estabelecer para os padrões de temperatura de referência um maior intervalo entre as calibrações. Em função disso, foi escolhido um termopar padrão de referência e um termopar padrão de trabalho com as seguintes especificações:
Termopar TIPO S (Termopar padrão de referência) MODELO: 5650-20CB
Utilização: Até 1200ºC
Termopar TIPO S (Termopar padrão de trabalho) MODELO: 5650-20-B
Utilização: Até 1200ºC
O padrão de temperatura de trabalho será calibrado pelo padrão de temperatura de referência e o padrão de temperatura de referência será calibrado por outro laboratório pertencente a RBC.
3.4 INTERVALO DE CALIBRAÇÃO DOS PADRÕES
Os intervalos entre as calibrações devem levar em conta a intensidade do uso e a exatidão desejada. Em geral, os intervalos entre as calibrações dependem das condições de uso e de armazenagem. Nos caberá evidenciar através de comparações internas a curva de estabilidade do padrão de trabalho.
3.5 ACESSÓRIOS
As interligações entre os termopares e os instrumentos de medir serão feitas por condutores elétricos homogêneos. As ligações serão feitas de modo a minimizar quedas de tensão, fugas de corrente, resistências de contato, geração de forças termoelétrica espúria e captação de ruídos que interfiram nos resultados das medições. Os blocos de terminais e as chaves seletoras utilizadas devem estar protegidos contra correntes de ar e radiações que provoquem gradientes térmicos.
A isolação e proteção dos termoelementos deverão ser feitas por material resistente às temperaturas de calibração e que não contamine os termoelementos. Cuidados especiais devem ser tomados para que:a isolação elétrica e os tubos de proteção não provoquem gradientes térmicos permanentes entre os termopares e o meio de medição; Vapores liberados pelos termopares de ensaio não contaminem a fonte de calor e vice-versa ou, ainda, que ambos não contaminem o termopar de referência; Em altas temperaturas, a isolação não se degrade ao ponto de provocar fuga de corrente elétrica entre os termoelementos ou destes para a fonte de calor.
Os termopares de ensaio (a serem calibrados) e de referência podem ter seus comprimentos estendidos por fios de extensão para interligação com junções de referência ou com os instrumentos de medir.
Será utilizado fio de cobre, que terá o desvio conhecido e levado em consideração na fase de cálculo dos resultados.
Para a calibração de termopares, os meios térmicos, como o forno ou banho, utilizados deverão proporcionar, da melhor maneira possível, a mesma temperatura nas junções de medição dos termopares de ensaio e de referência. Eles deverão oferecer estabilidade e uniformidade térmica, acomodar um adequado comprimento de imersão dos sensores e não gerar interferências elétricas e térmicas que afetem a operação dos instrumentos de medir.
O funcionamento dos equipamentos como forno e banho térmico sempre deve ser avaliado antes do primeiro uso e partir deste teste inicial, em intervalos que
poderão no máximo ser de 3 (três) anos. Esta avaliação visa determinar a distribuição e estabilidade da temperatura destes equipamentos.
No caso especifico deste trabalho foi especificado para este laboratório o forno com as seguintes características:
- Forno Elétrico para Calibração de Termopares Modelo: SANCAL 1200
Temperatura de trabalho: Até 1200ºC
3.6 MEDIDORES DE TENSÃO DOS TERMOPARES
No caso especifico desta aplicação, optou por ser utilizar o multímetro digital, Modelo 89IV em função da sua exatidão para a medição da tensão em milivolts tanto do termopar padrão quanto do termopar a ser calibrado. Logo, serão adquiridos dois multímetros.
3.7 LOCAL DA CALIBRAÇÃO
As condições ambientais devem ser consideradas quanto à sua influência na incerteza de medição e na melhor capacidade de medição do laboratório e estar enquadrados dentro dos seguintes parâmetros:
Temperatura ambiente não exceda os limites entre 18ºC e 28ºC. Em qualquer situação a temperatura ambiente não deve exceder os limites específicados pelo fabricante do instrumento de medição;
Umidade do laboratório permaneça entre os limites 45%ur e 70%ur. Em qualquer situação a umidade relativa não deve exceder os limites específicos pelo fabricante do instrumento de medição;
O suprimento elétrico deve atender às especificações do instrumento de medição. O laboratório deverá ter malha de aterramento para os equipamentos;
O nível de iluminação mínimo é de 300lux;
O laboratório, quando necessário, possua coifas para a eliminação de vapores de óleo,fumaça, etc;
A fabricação, montagem, manutenção, reparo, embalagem e desembalagem de sensores ou instrumentos não sejam realizadas dentro do laboratório, mas nas áreas separadas.
3.8 PREPARAÇÃO DOS TERMOPARES
Os termopares tipo E, J, K, N e T devem ser calibrados no estado em que são recebidos. Já os termopares tipos B, R e S devem ser calibrados no estado recozido. Para tal deve-se obedecer os seguintes critérios: Os termoelementos devem ser isolados por miçamgas ou tubo capilar cerâmico. A isolação também deve protegê-los contra vapores metálicos. O tratamento deve ser feito em zona isotérmica da fonte de calor; deve-se elevar a temperatura da fonte de calor até o valor do ponto mais alto de calibração e mantê-la estabilizada nesta temperatura durante 1h; deve-se deixar a temperatura cair abaixo de 100°C e só então retirar os termopares;
3.9 PREPARAÇÃO DA JUNÇÃO DE REFERÊNCIA
A junção de medição dos termopares de ensaio e de referência devem estar em equilíbrio térmico entre si durante as leituras de suas FEMt. Este equilíbrio pode ser obtido pela adoção do método Junção Cobre-Termoelemento que é a Junção onde a extremidade de cada termoelemento é ligada a um fio de cobre que, por sua vez, é conectado ao instrumento de medição. A junção, mostrada na figura 06, é o ponto de ligação entre os termoelementos e os fios de cobre. Devem ser feitas por soldagem ou torção.
Um outro método é a Junção de Referência em Banho de Gelo, conforme apresentado na figura 2, uma vez que o banho de gelo é um ponto fixo ideal para junção de referência na calibração de termopares. É facilmente reprodutível, apresenta ótima estabilidade térmica e está na temperatura de 0°C, base para elaboração das tabelas de FEMt x Temperatura dos termopares [4].
3.10 PREPARAÇÃO E USO DO BANHO DE GELO
Para preparar o banho foram utilizados os seguintes itens: gelo moído e preparado com água destilada, água destilada e um frasco térmico. O frasco térmico deve ser isolado por vácuo ou outro isolante eficiente. O volume do frasco deve ser suficiente para alojar o número e o formato das junções a serem mantidas a 0°C, sem interferências mútuas. Recomenda-se a utilização de frascos com volume entre
0,5L a 0,3L, encher o frasco térmico com gelo moído até a altura de 20% da borda. e o tamanho médio das partículas deve ser inferior a 8mm.
Figura 2 - Usando banho de gelo e água com tubos de imersão
3.11 PREPARAÇÃO DAS JUNÇÕES DE REFERÊNCIA PARA USO EM BANHO DE GELO
As junções de referência são do tipo “cobre-termoelemento”, não dotadas de proteções impermeáveis, e não podem ser diretamente imersas no banho, para se evitar formação de células galvânicas, oxidação e falhas de isolação elétrica. Para serem imersas, estas junções devem ser primeiramente colocadas em tubos de imersão e parcialmente preenchidas com um líquido térmico adequado (óleo silicone, querosene, mercúrio, etc). As junções de referência do tipo
“permanente”, dotadas de tubos de proteção impermeáveis, podem ser diretamente imersas no banho.
3.12 IMERÇÃO E PONTOS DE CALIBRAÇÃO
O comprimento de imersão dos termopares de ensaio e de referência em zona da uniformidade térmica da fonte de calor deve ser suficiente para garantir o equilíbrio térmico de suas junções de medição. Serão utilizados três pontos, sendo um no início, outro no meio e outro no fim da escala do termopar, além do valor nominal da temperatura pretendida no leito.
3.13 PRINCÍPIO DA CALIBRAÇÃO
Após as etapas de preparação, os termopares devem ser colocados na fonte de calor e seus terminais devem ser ligados a um dispositivo de junção de referência. As interligações elétricas até os instrumentos de medir devem ser feitas, visando minimizar erros causados por FEMt espúrias e ruídos eletromagnéticos, conforme figura 3.
Figura 3 – Representação esquemática do calibrador de termopares
A medição da FEMt será feita através de voltímetros digitais, seguindo-se os seguintes passos:
Iniciar a medição quando o meio térmico estiver estabilizado;
Medir e anotar a FEMt do termopar de referência, do termopar de ensaio e novamente do termopar de referência;
Comparar as duas leituras do termopar de referência, a fim de concluir se a temperatura realmente está estabilizada dentro da incerteza desejada. Caso contrário, aguardar a estabilização e repetir os dois procedimentos anteriores; Repetir três séries de leituras para cada ponto de medição;
Terminadas as medições, é necessário verificar se há coerência entre as médias das séries de leituras. Quando as leituras forem tomadas em mV, proceder de acordo com as seguintes etapas:
Consultar as tabelas de referência da NBR 12771 [5] de temperatura x FEMt do termopar de referência e de ensaio e converter os valores para temperatura. Usar regra de três simples para a interpolação. Aproximar uma casa decimal além da incerteza da calibração;
Prosseguir de modo análogo até obter a temperatura de todas as leituras. Para traçar a curva da diferença do termopar, deve-se seguir os seguintes itens:
Usando a tabela de referência da NBR 12771[5] do termopar de referência, converter para °C os valores de suas FEMt obtidas nos pontos de calibração; Usando a tabela de referência da NBR 12771[5] do termopar de ensaio,
converter para FEMt os valores em °C obtidos na alínea a);
Para cada ponto calibrado, calcular a diferença entre a FEMt obtida através da NBR 12771[5] e a FEMt do termopar de ensaio como indicado na equação 1:
Dif = Etr –Ete (1)
Onde:
Dif: Diferença;
Etr: FEMt da tabela de referência da NBR 12771[5]; Ete: FEMt do termopar de ensaio.
Traçar o gráfico das diferenças, plotando os valores de Dif na ordenada e Ete na abscissa. O valor Dif = 0 (temperatura da junção de referência) é plotado como ponto adicional na curva;
Unir os pontos de modo a formar um gráfico contínuo que represente a curva das diferenças dos valores em relação à tabela de referência da NBR 12771 [5];
Para converter qualquer valor da FEMt do termopar do ensaio em temperatura, consultar o gráfico obtido na alínea e), identificar o valor Dif e soma-lo algebricamente a FEMt do termopar de ensaio. Localizar o resultado da soma da tabela de referência da NBR 12771 [5] e encontrar a temperatura correspondente.
4 CONCLUSÃO
Apresentou-se nesse trabalho toda a metodologia a ser implantada e implementada para a calibração dos termopares utilizados no combustor de leito fluidizado do projeto de pesquisa, com confiabilidade metrológica. O escopo desta metodologia é fundamentado por técnicas específicas para calibração, alinhadas ao atendimento dos requisitos da norma que estabelece os requisitos para a garantia da qualidade de laboratórios de calibração.
Por fim, especificou-se todo o equipamento a ser utilizado no processo, bem como todas as montagens a serem executadas em laboratório, como é o caso da junta de referência, para a calibração dos termopares que encontram-se distribuídos ao longo do combustor.
5 REFERÊNCIAS
[1] ISO GUM, Guia para Expressão da Incerteza de Medição, 1998.
[2] ISO 14253-1, Inspeção pela medida dos padrões e equipamentos de medição, 1998.
[3] Escala Internacional de Temperatura de 1990.
[4] NBR 13771 Cabo e fio de compensação e/ou extensão para termopar – Calibração por comparação com padrão de referência.
[5] NBR 12771, Termopares – Tabelas de referência – Padronização (Revisada e publicada em 1999).
A CALIBRATION METHOD FOR THERMOCOUPLES USED IN GAS REACTOR SYSTEM
Abstract
This work shows a method for calibrating thermocouples that is mostly used in a gas reactor that dries, and transforms materials. It will be also shown the implementation steps for the whole calibration process in a new laboratory. It will be also discussed the importance for keeping the temperature sensors calibrated, for the gas reactor be an efficient process.
